如何用 JavaScript 作画

• 原文地址：How to draw in JavaScript

• 原文作者：aleen42
• 译文出自：掘金翻译计划
• 译者：Jiang Haichao
• 校对者：L9m Mark

图 1.1 简单预览

因为我司给我一个在浏览器中以编程方式来实现绘图的需求，如下图 1.1 所示，我想分享一些用 JavaScript 绘画的要点。实际上，我们画啥呢？答案是任一种图像和图形。

这里有个样例，你可以直接点击 http://draw.soundtooth.cn/ 查看。并拖拽任意图片，放置到红色方框内，点击 "Process" 按钮，启动绘图方法：

注意：这个项目的版权是我司的，所以并不会向社区 开源 代码。

项目开始时，我深受 这篇文章 中光线动画绘制的启发。如果仔细阅读，你会发现，在绘制任何图形之前都需要路径数据，有了这些数据，我们才能够模拟绘画。这些数据的形式应该像下面这样：

M 161.70443,272.07413
C 148.01517,240.84549 134.3259,209.61686 120.63664,178.38822
C 132.07442,172.84968 139.59482,171.3636 151.84309,171.76866

你可能会问，这样的 path 数据只在 SVG 元素中有效，怎么能绘制其他像 JPG、PNG、或者 GIF 这样的图片呢。这是我们在本文后面将探讨的问题。在那之前，我们先简单绘制一幅 SVG 图像。

绘制 SVG 文件

什么是 SVG？可伸缩矢量图形，又称为 SVG，是针对二维图形基于 XML 的矢量图片格式，支持动画交互。不支持老旧的 IE 浏览器。如果你是设计师，或者是经常使用 Adobe Illustration 做绘图工具的插画家，也许已经对图形已经有了一定的认知。但与一般图形主要的不同在于，SVG 是可伸缩的无损的，而其他格式的图片不是。

注意：一般来说，SVG 格式的图片被称作 图形，而其他格式的被称为 图像。

从 SVG 文件中提取数据

正如上文所说，在绘制 SVG 之前，你需要从 SVG 文件中读取数据。这通常是 JavaScript 中 FileReader 这个对象的工作，它的初始化代码片段像下面这样：

if (FileReader) {
    /** 如果浏览器支持 FileReader 对象 */
    var fileReader = new FileReader();
}

作为一个 Web API，FileReader 能够读取本地文件，readAsText 是其中支持读取文本格式内容的方法之一。它可以触发事先定义的 onload 方法，我们能够在事件处理方法内部读取内容。读取内容的代码应该如下所示：

fileReader.onload = function (e) {
    /** SVG 文件内容 */
    var contents = e.target.result;
};

fileReader.readAsText(file);

有了阅读监听器，你也许会考虑是否还要用一个按钮来上传文件。现在看来，那是普通没有任何吸引力的交互方式。于此，我们可以通过拖放来优化这类交互。这意味着你能够拖拽任何图形并且放置到读取内容的方框里。因为我的项目的优先技术选型是 Canvas，我将通过设置事件监听器和注册一个 canvas 的 drop 事件来实现这种交互。

/** Drop 事件处理 */
canvas.addEventListener('drop', function (e) {
    /** 从 e 中提取 `file` 对象 */
    var file = e.dataTransfer.files[0];

    /** 开始读取文件内容 */
    fileReader.readAsText(file);
});

数据加工

现在数据已经存储在 contents 变量里，并且已经能够处理它，数据对我们来说只是文本而已。开始时，我尝试使用常规方法提取路径节点。

var paths = contents.match(/<path([\s\S]+?)\/>/g);

但是这个方法有两个缺点：

• 会丢失整个 SVG 文件结构。
• 不能创建一个合法的 SVGPathElement DOM 元素。

为了更直白地说明，请看如下代码：

if (paths) {
    var pathNodes = [];
    var pathLen = paths.length;

    for (var i = 0; i < pathLen; i++) {
        /** 创建一个合法的 SVGPathElement DOM 节点 */
        var pathNode = document.createElementNS('http://www.w3.org/2000/svg', 'path');

        /** 使用临时 div 元素，方便读取属性 `d` */
        var tmpDiv = document.createElement('div');
        tmpDiv.innerHTML = paths[i];

        /** 设置合法的 `d` 属性 */
        pathNode.setAttribute('d', tmpDiv.childNodes[0]
            .getAttribute('d')
            .trim()
            .split('\n').join('')
            .split('    ').join('')
        );

        /** 存储在一个数组里 */
        pathNodes.push(pathNode);
    }
}

正如你看到的， tmpDiv.childNodes[0] 不是一个 SVGPathElement，所以我们需要创建另一个节点。如果我用另一个方法读取整个 SVG 文件，SVGPath 变量能够以清晰的结构存储整个 SVG 对象，并且可以随意访问：

var tempDiv = document.createElement('div');
tempDiv.innerHTML = contents.trim()
    .split('\n').join('')
    .split('    ').join('');

var SVGNode = tempDiv.childNodes[0];

用递归的方式可以很容易地提取所有 SVGPathElement 并且直接送入 pathNodes 栈。

var pathNodes = [];

function recursivelyExtract(parentNode) {
    var children = parentNode.childNodes;
    var childLen = children.length;

    /** 如果节点没有孩子节点，则直接返回 */
    if (childLen === 0) {
        return;
    }

    /** 循环子节点，如果子节点是 SVGPathElement，则提取出来 */
    for (var i = 0; i < childLen; i++) {
        if (children[i].nodeName === 'path') {
            pathNodes.push(children[i]);
        }
    }
};

recursivelyExtract(SVGNode);

使用那种方法看起来优雅多了，至少我是这么认为的，尤其是和其他元素一起绘制的时候，我只用 switch 结构就能提取不同元素，而不是使用一些常规表达。一般来说，在一个 SVG 文件里，图形元素除了可以被定义成 path，还可被定义成 circle，rect，polyline。所以，我们应该怎么处理他们？答案是用 JavaScript 就能全部转换成 path 元素，这个稍后再说。

我在开发项目的时候有一个问题是到底需要重点关注什么。在一个复合路径中，m 和 M 完全不一样，必须要有至少一个 m 或者一个 M，所以你必须把他们分离出来，避免两条路径相互影响。也就是说，如果一条路径属于复合路径，则区分这两个符号：

function generatePathNode(d) {
    var path = document.createElementNS('http://www.w3.org/2000/svg', 'path');
    path.setAttribute('d', d);
    return path;
};

var d = children[i].getAttribute('d');

/** 分离复合路径 */
var ds = d.match(/m[\s\S]+?(?=(?:m|$)+)/ig);
var dsLen = ds.length;

/** 复合路径 */
if (dsLen > 1) {
    /**
     * 区分 `m` 和 `M`
     * ...
     */
} else {
    pathNodes.push(children[i]);
}

用 Canvas 作图

注意：路径已经在提取出来并存储在本地变量中，下一步要做的是用点绘制出来：

var pointsArr = [];
var pathLen = pathNodes.length;

for (var j = 0; j < pathLen; j++) {
    var index = pointsArr[].push([]);
    var pointsLen = pathNodes[j].getTotalLength();

    for (var k = 0; k < pointsLen; k++) {
        /** 从路径中提取点 */
        pointsArr[index].push(pathNodes[j].getPointAtLength(k));
    }
}

如你所见，pointsArr 是一个二维数组，第一维是路径，第二维是每个路径下的点。当然，这些点是能用 Canvas 画出来的，如下：

/** 根据所给 index 绘制路径 */
function drawPath(index) {
    var ctx = canvas.getContext('2d');
    ctx.beginPath();

    /** 设置路径 */
    ctx.moveTo(pointsArr[index][0].x, pointsArr[index][0].y);

    for (var i = 1; i < pointsArr[index].length; i++) {
        ctx.lineTo(pointsArr[index][i].x, pointsArr[index][i].y);
    }

    /** 渲染 */
    ctx.stroke();
}

试着考虑这样一个问题：如果一条路径包括尽可能多的可绘制点，如何优化绘制方案更快速地绘制？也许，跳着画是解决的简单之法，但是怎么跳着画是另一个关键问题。我还没有发现完美解法，如果你有想法，欢迎交流。

function optimizeJump() {
    var perfectJump = 1;

    /**
     * 计算最优跨度值的算法
     * ...
     */
    return perfectJump;
}

function drawPath(index) {
    var ctx = canvas.getContext('2d');
    ctx.beginPath();

    ctx.moveTo(pointsArr[index][0].x, pointsArr[index][0].y);

    /** 跳着画的优化方案 */
    var perfectJump = optimizeJump();
    for (var i = 1; i < pointsArr[index].length; i+= perfectJump) {
        ctx.lineTo(pointsArr[index][i].x, pointsArr[index][i].y);
    }

    ctx.stroke();
}

算法是我们需要重点思考的。

校准参数

随着需求越来越复杂，路径数据无法适应比例缩放，改变大小或者移动图形的场景。

为何要校准参数？

因为你可能要在Canvas当中对图形进行比例缩放、调整尺寸、移动，这就意味着路径数据也应该随着你的改动来变化。但实际上它不能，所以我们才需要校准参数。

图 2.1 所谓面板

图 2.1 展示了一个高亮工作区域，我叫它 面板。在这个面板上，你可以进行拖放，拖拽，调整尺寸或者移动操作。实际上，面板里包含了一个能满足你需求的 Canvas 对象。只需要把 SVG 文件（图 2.2）拖放到面板里，就可以在屏幕上重绘，结果如图 2.3：

图 2.2 绘制的 SVG 文件

富含中国元素的美丽 logo 就生成啦

图 2.3 渲染图形

除了图形操作，其他 SVG 属性也会影响路径数据，比如 width，height 和 viewBox。

<svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="400" height="200" viewBox="0 0 200 200">
    <!-- paths -->
</svg>

所以，校准参数的计算受两个因素影响，属性 和 操作。

计算

计算之前，要了解定义的变量和代表的含义。

首先是图形位置变量：

• oriX: 图形初始 x 值
• oriY: 图形初始 y 值
• moveX: 移动前后 x 的差值.
• moveY: 移动前后 y 的差值.
• viewBoxX: 图形的 viewBox 属性的 x 值
• viewBoxY: 图形的 viewBox 属性的 y 值

然后是图形尺寸变量：

• oriW: 图形初始宽度
• oriH: 图形初始高度
• svgW: SVG 元素的宽度
• svgH: SVG 元素的高度
• viewBoxW: SVG 元素的 viewBox 属性的宽度
• viewBoxH: SVG 元素的 viewBox 属性的高度
• curW: 图形的当前宽度
• curH: 图形的当前高度

了解变量含义之后，我们可以开始计算校准参数了。

用以下公式计算图形的当前位置：

var x = oriX + moveX;   /** 图形的当前 x 值 */
var y = oriY + moveY;   /** 图形的当前 y 值 */

下面这个公式是用于计算比例：

var ratioParam = Math.max(oriW / svgW, oriH / svgH) * Math.min(svgW / viewBoxW, svgH / viewBoxH);

var ratioX = (curW / oriW) * ratioParam;
var ratioY = (curH / oriH) * ratioParam;

要记住 viewBox 属性的 x 和 y 值会裁切图形（如图 2.4）。所以，我们需要从初始点值中去掉这部分值。

图 2.4 裁切图形

我只需要边缘点的最大值和最小值。举个栗子，如果点集的位置在图形之外，我就改变 x 或 y，甚至全部改变，重写到图形的边上。

point.x = point.x >= x && point.x <= x + curW ? point.x : ((point.x < x) ? x : x + curW);
point.y = point.y >= y && point.y <= x + curH ? point.y : ((point.y < y) ? y : y + curH);

据我所知，当点的数量很大的时候，删除范围外的点要比重写更好。

把所有形状变成路径元素

现在，我们已经知道怎么用 JavaScript 绘制 path 元素。上文说道，在绘制 rect、polyline、circle 等其他元素定义的形状之前，应该先转换成路径。本节，就来介绍一下做法。

圆与椭圆

圆和椭圆元素是近亲，相同属性如表 2.1 所示：

圆	椭圆
CX	CX
CY	CY

表 2.1 相同属性

不同属性如表 2.2 所示：

圆	椭圆
R	RX
RY

表 2.2 不同属性

路径转换方法如下：

function convertCE(cx, cy) {
    function calcOuput(cx, cy, rx, ry) {
        if (cx < 0 || cy < 0 || rx <= 0 || ry <= 0) {
            return '';
        }

        var output = 'M' + (cx - rx).toString() + ',' + cy.toString();
        output += 'a' + rx.toString() + ',' + ry.toString() + ' 0 1,0 ' + (2 * rx).toString() + ',0';
        output += 'a' + rx.toString() + ',' + ry.toString() + ' 0 1,0'  + (-2 * rx).toString() + ',0';

        return output;
    }

    switch (arguments.length) {
    case 3:
        return calcOuput(parseFloat(cx, 10), parseFloat(cy, 10), parseFloat(arguments[2], 10), parseFloat(arguments[2], 10));
    case 4:
        return calcOuput(parseFloat(cx, 10), parseFloat(cy, 10), parseFloat(arguments[2], 10), parseFloat(arguments[3], 10));
        break;
    default:
        return '';
    }
}

多边形和随意画的圆

对于这些元素，要提取 points 属性。按路径元素的 d 值的特定格式重新组装。

/** 传入 `points` 属性的值*/
function convertPoly(points, types) {
    types = types || 'polyline';

    var pointsArr = points
        /** 清除多余元素 */
        .split('    ').join('')
        .trim()
        .split(/\s+|,/);
    var x0 = pointsArr.shift();
    var y0 = pointsArr.shift();

    var output = 'M' + x0 + ',' + y0 + 'L' + pointsArr.join(' ');

    return types === 'polygon' ? output + 'z' : output;
}

线段

一般来说，line 元素有多个属性用于线的定位：x1，y1，x2 和 y2。

很简单，我们可以这么计算：

function convertLine(x1, y1, x2, y2) {
    if (parseFloat(x1, 10) < 0 || parseFloat(y1, 10) < 0 || parseFloat(x2, 10) < 0 || parseFloat(y2, 10) < 0) {
        return '';
    }

    return 'M' + x1 + ',' + y1 + 'L' + x2 + ',' + y2;
}

矩形

矩形也有一些用于定位和决定大小的属性：x，y，width 和 height。

function convertRectangles(x, y, width, height) {
    var x = parseFloat(x, 10);
    var y = parseFloat(y, 10);
    var width = parseFloat(width, 10);
    var height = parseFloat(height, 10);

    if (x < 0 || y < 0 || width < 0 || height < 0) {
        return '';
    }

    return 'M' + x + ',' + y + 'L' + (x + width) + ',' + y + ' ' + (x + width) + ',' + (y + height) + ' ' + x + ',' + (y + height) + 'z';
}

形状转换成 path 的方法已经全部讲解完毕。你可以用这些方法绘制上述图形。

绘制非 SVG 图像，也就是图片

除了 SVG 文件，我们还想绘制像 PNG，JPG，或者 GIF 格式的图像。仅仅由像素数据组成，我们是无法直接使用的。因此，我尝试用计算机视觉领域的一个常见技术，Canny 边缘检测算法。用这种算法，可以简单地找到位图的轮廓。

寻找轮廓的整个步骤简单概括为：灰度 -> 高斯模糊 -> Canny 梯度 -> Canny 非极大值抑制 -> Canny 磁滞 -> 扫描。这也是 Canny 边缘检测算法 的步骤。

在处理之前，我们要定义一些通用函数。第一个是 runImg 函数，通常用在从 Canvas 中加载图片时，将其转换成由数组组成的矩阵。

/**
 * [runImg: 从 Canvas 对象中加载图片]
 * @param  {[type]}   canvas [the canvas object]
 * @param  {[type]}   size   [the size of the matrix, like 3 for 3x3 matrixs]
 * @param  {Function} fn     [callback function]
 */
function runImg(canvas, size, fn) {
    for (var y = 0; y < canvas.height; y++) {
        for (var x = 0; x < canvas.width; x++) {
            var i = x * 4 + y * canvas.width * 4;
            var matrix = getMatrix(x, y, size);
            fn(i, matrix);
        }
    }

    /**
     * [getMatrix: 给定规模生成矩阵]
     * @param  {[type]} cx   [the x value of the central point]
     * @param  {[type]} cy   [the y value of the central point]
     * @param  {[type]} size [the size of the matrix you want to generate]
     * @return {[type]}      [return null if size is null, or return a matrix with a legal given size]
     */
    function getMatrix(cx, cy, size) {
        /**
         * 给定 cx，cy，size，图片宽高，生成 size x size 的二维数组
         */
        if (!size) {
            return;
        }

        var matrix = [];

        for (var i = 0, y = -(size - 1) / 2; i < size; i++, y++) {
            matrix[i] = [];

            for (var j = 0, x = -(size - 1) / 2; j < size; j++, x++) {
                matrix[i][j] = (cx + x) * 4 + (cy + y) * canvas.width * 4;
            }
        }

        return matrix;
    }
}

然而，针对 imgData 还有一些操作，imgData 是 Canvas 中 Context 对象的 Context.prototype.getImageData(x, y, width, height) 这 个 prototype 方法的返回值变量。

/**
 * [getRGBA: 给定初始节点获取 RGBA 值]
 * @param  {[type]} start   [the point you want to know]
 * @param  {[type]} imgData [image data of the canvas]
 * @return {[Object]}       [return an object composed with r, g, b, and a attributes respectively]
 */
function getRGBA(start, imgData) {
    return {
        r: imgData.data[start],
        g: imgData.data[start + 1],
        b: imgData.data[start + 2],
        a: imgData.data[start + 3]
    };
}

/**
 * [getPixel: 类似 getRGBA, 但包含合法性检测]
 * @param  {[type]} i       [the point you want to know]
 * @param  {[type]} imgData [image data of the canvas]
 * @return {[Object]}       [return an object composed with r, g, b, and a attributes respectively]
 */
function getPixel(i, imgData) {
    if (i < 0 || i > imgData.data.length - 4) {
        return {
            r: 255,
            g: 255,
            b: 255,
            a: 255
        };
    } else {
        return getRGBA(i, imgData);
    }
}

/**
 * [setPixel: 与 getPixel 相反, 这个函数用于为特定点设值]
 * @param {[type]} i       [the point you want to set]
 * @param {[type]} val     [an object composed with r, g, b, and a attributes respectively]
 * @param {[type]} imgData [image data of the canvas]
 */
function setPixel(i, val, imgData) {
    imgData.data[i] = typeof val === 'number' ? val : val.r;
    imgData.data[i + 1] = typeof val === 'number' ? val : val.g;
    imgData.data[i + 2] = typeof val === 'number' ? val : val.b;
}

灰度

现在，可以开始找轮廓了，点击 Run 运行 Codepen 上给出的例子。由于有一定的复杂性，要等一会儿才能在屏幕上看到结果。

灰度在维基百科上的定义如下：

在摄影和计算领域，灰度 或者说 灰度 数字图像是每个像素值都是单个采样的图片，即，这样的图片只携带亮度信息。

本节，我们将用两个方法实现灰度处理：

/**
 * [calculateGray: 计算灰度值]
 * @param  {[type]} pixel [an object composed with r, g, b, and a attributes respectively]
 * @return {[Number]}     [return a grayscale value]
 */
function calculateGray(pixel) {
    return ((0.3 * pixel.r) + (0.59 * pixel.g) + (0.11 * pixel.b));
}

/**
 * [grayscale: 为 canvas 处理灰度]
 * @param  {[type]} canvas [the canvas object]
 */
function grayscale(canvas) {
    var ctx = canvas.getContext('2d');

    var imgDataCopy = ctx.getImageData(0, 0, canvas.width, canvas.height);
    var grayLevel;

    runImg(canvas, null, function (current) {
        grayLevel = calculateGray(getPixel(current, imgDataCopy));
        setPixel(current, grayLevel, imgDataCopy);
    });

    ctx.putImageData(imgDataCopy, 0, 0);
}

栗子如下：

See the Pen gLOgLM by aleen42 (@aleen42) on CodePen.

高斯模糊

高斯模糊是增加边缘检测精度的一个方法，也是 Canny 边缘检测的第一步。

/**
 * [sumArr: 给定数组取和]
 * @param  {[type]} arr [the array]
 * @return {[type]}     [return the sum value]
 */
function sumArr(arr) {
    var result = 0;

    arr.map(function(element, index) {
        result += (/^\s*function Array/.test(String(element.constructor))) ? sumArr(element) : element;
    });

    return result;
}

/**
 * [generateKernel: 生成高斯模糊算法的核心参数]
 * @param  {[type]} sigma [the sigma value]
 * @param  {[type]} size  [the size of the matrix]
 * @return {[type]}       [description]
 */
function generateKernel(sigma, size) {
    var kernel = [];

    /** Euler's number rounded of to 3 places */
    var E = 2.718;

    for (var y = -(size - 1) / 2, i = 0; i < size; y++, i++) {
        kernel[i] = [];

        for (var x = -(size - 1) / 2, j = 0; j < size; x++, j++) {
            /** create kernel round to 3 decimal places */
            kernel[i][j] = 1 / (2 * Math.PI * Math.pow(sigma, 2)) * Math.pow(E, -(Math.pow(Math.abs(x), 2) + Math.pow(Math.abs(y), 2)) / (2 * Math.pow(sigma, 2)));
        }
    }

    /** normalize the kernel to make its sum 1 */
    var normalize = 1 / sumArr(kernel);

    for (var k = 0; k < kernel.length; k++) {
        for (var l = 0; l < kernel[k].length; l++) {
            kernel[k][l] = Math.round(normalize * kernel[k][l] * 1000) / 1000;
        }
    }

    return kernel;
}

/**
 * [gaussianBlur: 对 canvas 对象进行高斯模糊处理]
 * @param  {[type]} canvas [the canvas object]
 * @param  {[type]} sigma  [the sigma value]
 * @param  {[type]} size   [the size of the matrix]
 * @return {[type]}        [description]
 */
function gaussianBlur(canvas, sigma, size) {
    var ctx = canvas.getContext('2d');

    var imgDataCopy = ctx.getImageData(0, 0, canvas.width, canvas.height);
    var kernel = generateKernel(sigma, size);

    runImg(canvas, size, function (current, neighbors) {
        var resultR = 0;
        var resultG = 0;
        var resultB = 0;
        var pixel;

        for (var i = 0; i < size; i++) {
            for (var j = 0; j < size; j++) {
                pixel = getPixel(neighbors[i][j], imgDataCopy);

                /** 返回像素值乘以核心值 */
                resultR += pixel.r * kernel[i][j];
                resultG += pixel.g * kernel[i][j];
                resultB += pixel.b * kernel[i][j];
            }
        }

        setPixel(current, {
            r: resultR,
            g: resultG,
            b: resultB
        }, imgDataCopy);
    });

    ctx.putImageData(imgDataCopy, 0, 0);
}

如果你想检查效果，改变 sigma 和 size 参数返回演示如下，

See the Pen LbYWYN by aleen42 (@aleen42) on CodePen.

Canny 梯度

在这步，我们将找到图片的亮度梯度（G）。在之前，我们要得到边缘检测器（Roberts，Prewitt，Sobel等）第一步在水平方向（Gx）和垂直方向（Gy）的衍生值。我们用的是 Sobel 探测器。

在处理灰度之前，我们应该导出一个模块，用于操作像素，我们命名为 Pixel。

(function(exports) {
    /** 实际上，每个像素有 8 个方向 */
    var DIRECTIONS = ['n', 'e', 's', 'w', 'ne', 'nw', 'se', 'sw'];

    function Pixel(i, w, h, canvas) {
        this.index = i;
        this.width = w;
        this.height = h;
        this.neighbors = [];
        this.canvas = canvas;

        DIRECTIONS.map(function(d, idx) {
            this.neighbors.push(this[d]());
        }.bind(this));
    }

    /**
     * 这个对象方便获取 8 个临近方向的像素值
     * _______________
     * | NW | N | NE |
     * |____|___|____|
     * | W  | C | E  |
     * |____|___|____|
     * | SW | S | SE |
     * |____|___|____|
     * 给定矩阵模型的 index, width and height
    **/

    Pixel.prototype.n = function() {
        /**
         * 像素在 canvas 图片数据中是个简单数组
         * 1 个像素占用 4 个连续数组元素
         * 等于 r-g-b-a
         */
        return (this.index - this.width * 4);
    };

    Pixel.prototype.e = function() {
        return (this.index + 4);
    };

    Pixel.prototype.s = function() {
        return (this.index + this.width * 4);
    };

    Pixel.prototype.w = function() {
        return (this.index - 4);
    };

    Pixel.prototype.ne = function() {
        return (this.index - this.width * 4 + 4);
    };

    Pixel.prototype.nw = function() {
        return (this.index - this.width * 4 - 4);
    };

    Pixel.prototype.se = function() {
        return (this.index + this.width * 4 + 4);
    };

    Pixel.prototype.sw = function() {
        return (this.index + this.width * 4 - 4);
    };

    Pixel.prototype.r = function() {
        return this.canvas[this.index];
    };

    Pixel.prototype.g = function() {
        return this.canvas[this.index + 1];
    };;

    Pixel.prototype.b = function() {
        return this.canvas[this.index + 2];
    };

    Pixel.prototype.a = function() {
        return this.canvas[this.index + 3];
    };

    Pixel.prototype.isBorder = function() {
        return (this.index - (this.width * 4)) < 0 ||
            (this.index % (this.width * 4)) === 0 ||
            (this.index % (this.width * 4)) === ((this.width * 4) - 4) ||
            (this.index + (this.width * 4)) > (this.width * this.height * 4);
    };

    exports.Pixel = Pixel;
}(this));

用 Pixel 开始实现梯度处理：

function roundDir(deg) {
    /** rounds degrees to 4 possible orientations: horizontal, vertical, and 2 diagonals */
    var deg = deg < 0 ? deg + 180 : deg;

    if ((deg >= 0 && deg <= 22.5) || (deg > 157.5 && deg <= 180)) {
        return 0;
    } else if (deg > 22.5 && deg <= 67.5) {
        return 45;
    } else if (deg > 67.5 && deg <= 112.5) {
        return 90;
    } else if (deg > 112.5 && deg <= 157.5) {
        return 135;
    }
};

function gradient(canvas, op) {
    var ctx = canvas.getContext('2d');

    var imgData = ctx.getImageData(0, 0, canvas.width, canvas.height);
    var imgDataCopy = ctx.getImageData(0, 0, canvas.width, canvas.height);

    var dirMap = [];
    var gradMap = [];

    var SOBEL_X_FILTER = [
        [-1, 0, 1],
        [-2, 0, 2],
        [-1, 0, 1]
    ];

    var SOBEL_Y_FILTER = [
        [1, 2, 1],
        [0, 0, 0],
        [-1, -2, -1]
    ];

    var ROBERTS_X_FILTER = [
        [1, 0],
        [0, -1]
    ];

    var ROBERTS_Y_FILTER = [
        [0, 1],
        [-1, 0]
    ];

    var PREWITT_X_FILTER = [
        [-1, 0, 1],
        [-1, 0, 1],
        [-1, 0, 1]
    ];

    var PREWITT_Y_FILTER = [
        [-1, -1, -1],
        [0, 0, 0],
        [1, 1, 1]
    ];

    var OPERATORS = {
        'sobel': {
            x: SOBEL_X_FILTER,
            y: SOBEL_Y_FILTER,
            len: SOBEL_X_FILTER.length
        },
        'roberts': {
            x: ROBERTS_X_FILTER,
            y: ROBERTS_Y_FILTER,
            len: ROBERTS_Y_FILTER.length
        },
        'prewitt': {
            x: PREWITT_X_FILTER,
            y: PREWITT_Y_FILTER,
            len: PREWITT_Y_FILTER.length
        }
    };

    runImg(canvas, 3, function (current, neighbors) {
        var edgeX = 0;
        var edgeY = 0;
        var pixel = new Pixel(current, imgDataCopy.width, imgDataCopy.height);

        if (!pixel.isBorder()) {
            for (var i = 0; i < OPERATORS[op].len; i++) {
                for (var j = 0; j < OPERATORS[op].len; j++) {
                    edgeX += imgData.data[neighbors[i][j]] * OPERATORS[op]["x"][i][j];
                    edgeY += imgData.data[neighbors[i][j]] * OPERATORS[op]["y"][i][j];
                }
            }
        }

        dirMap[current] = roundDir(Math.atan2(edgeY, edgeX) * (180 / Math.PI));
        gradMap[current] = Math.round(Math.sqrt(edgeX * edgeX + edgeY * edgeY));

        setPixel(current, gradMap[current], imgDataCopy);
    });

    ctx.putImageData(imgDataCopy, 0, 0);
}

样例如下：

See the Pen aBbpWM by aleen42 (@aleen42) on CodePen.

Canny 非极大值抑制

非极大值抑制应用到 “薄” 边。梯度计算后，从梯度值中提取的边缘仍然很模糊。根据范式 3，边缘只能有一个精确值。所以非极大值抑制能够帮助抑制除了本地极大值之外的其他值，指出亮度值改变最大的位置。

最后一步是计算 dirMap 和 graphMap：

function getPixelNeighbors(dir) {
    var degrees = {
        0: [{ x: 1, y: 2 }, { x: 1, y: 0 }],
        45: [{ x: 0, y: 2 }, { x: 2, y: 0 }],
        90: [{ x: 0, y: 1 }, { x: 2, y: 1 }],
        135: [{ x: 0, y: 0 }, { x: 2, y: 2 }]
    };

    return degrees[dir];
}

function nonMaximumSuppress(canvas, dirMap, gradMap) {
    var ctx = canvas.getContext('2d');

    var imgDataCopy = ctx.getImageData(0, 0, canvas.width, canvas.height);

    runImg(canvas, 3, function(current, neighbors) {
        var pixNeighbors = getPixelNeighbors(dirMap[current]);

        /** pixel neighbors to compare */
        var pix1 = gradMap[neighbors[pixNeighbors[0].x][pixNeighbors[0].y]];
        var pix2 = gradMap[neighbors[pixNeighbors[1].x][pixNeighbors[1].y]];

        if (pix1 > gradMap[current] ||
            pix2 > gradMap[current] ||
            (pix2 === gradMap[current] &&
                pix1 < gradMap[current])) {
            setPixel(current, 0, imgDataCopy);
        }
    });

    ctx.putImageData(imgDataCopy, 0, 0);
}

抑制之后，看起来比以前效果要好：

See the Pen jVOBNe by aleen42 (@aleen42) on CodePen.

Canny 磁滞

无论如何，这个所谓的 “弱” 边还需要进一步加工。Canny 磁滞是 Canny 边缘检测的改进方法。

function createHistogram(canvas) {
    var histogram = {
        g: []
    };

    var size = 256;
    var total = 0;

    var ctx = canvas.getContext('2d');

    var imgData = ctx.getImageData(0, 0, canvas.width, canvas.height);

    while (size--) {
        histogram.g[size] = 0;
    }

    runImg(canvas, null, function(i) {
        histogram.g[imgData.data[i]]++;
        total++;
    });

    histogram.length = total;

    return histogram;
};

function calcBetweenClassVariance(weight1, mean1, weight2, mean2) {
    return weight1 * weight2 * (mean1 - mean2) * (mean1 - mean2);
};

function calcWeight(histogram, s, e) {
    var total = histogram.reduce(function(i, j) {
        return i + j;
    }, 0);

    var partHist = (s === e) ? [histogram[s]] : histogram.slice(s, e);
    var part = partHist.reduce(function(i, j) {
        return i + j;
    }, 0);

    return parseFloat(part, 10) / total;
};

function calcMean(histogram, s, e) {
    var partHist = (s === e) ? [histogram[s]] : histogram.slice(s, e);

    var val = 0;
    var total = 0;

    partHist.forEach(function(el, i) {
        val += ((s + i) * el);
        total += el;
    });

    return parseFloat(val, 10) / total;
};

function fastOtsu(canvas) {
    var histogram = createHistogram(canvas);
    var start = 0;
    var end = histogram.g.length - 1;

    var leftWeight;
    var rightWeight;
    var leftMean;
    var rightMean;

    var betweenClassVariances = [];
    var max = -Infinity;
    var threshold;

    histogram.g.forEach(function(el, i) {
        leftWeight = calcWeight(histogram.g, start, i);
        rightWeight = calcWeight(histogram.g, i, end + 1);
        leftMean = calcMean(histogram.g, start, i);
        rightMean = calcMean(histogram.g, i, end + 1);
        betweenClassVariances[i] = calcBetweenClassVariance(leftWeight, leftMean, rightWeight, rightMean);

        if (betweenClassVariances[i] > max) {
            max = betweenClassVariances[i];
            threshold = i;
        }
    });

    return threshold;
};

function getEdgeNeighbors(i, imgData, threshold, includedEdges) {
    var neighbors = [];
    var pixel = new Pixel(i, imgData.width, imgData.height);

    for (var j = 0; j < pixel.neighbors.length; j++) {
        if (imgData.data[pixel.neighbors[j]] >= threshold && (includedEdges === undefined || includedEdges.indexOf(pixel.neighbors[j]) === -1)) {
            neighbors.push(pixel.neighbors[j]);
        }
    }

    return neighbors;
}

function _traverseEdge(current, imgData, threshold, traversed) {
    /**
     * traverses the current pixel until a length has been reached
     * initialize the group from the current pixel's perspective
     */
    var group = [current];

    /** pass the traversed group to the getEdgeNeighbors so that it will not include those anymore */
    var neighbors = getEdgeNeighbors(current, imgData, threshold, traversed);

    for (var i = 0; i < neighbors.length; i++) {
        /** recursively get the other edges connected */
        group = group.concat(_traverseEdge(neighbors[i], imgData, threshold, traversed.concat(group)));
    }

    /** if the pixel group is not above max length, it will return the pixels included in that small pixel group */
    return group;
}

function hysteresis(canvas) {
    var ctx = canvas.getContext('2d');

    var imgDataCopy = ctx.getImageData(0, 0, canvas.width, canvas.height);

    /** where real edges will be stored with the 1st pass */
    var realEdges = [];

    /** high threshold value */
    var t1 = fastOtsu(canvas);

    /** low threshold value */
    var t2 = t1 / 2;

    /** first pass */
    runImg(canvas, null, function(current) {
        if (imgDataCopy.data[current] > t1 && realEdges[current] === undefined) {
            /** accept as a definite edge */
            var group = _traverseEdge(current, imgDataCopy, t2, []);
            for (var i = 0; i < group.length; i++) {
                realEdges[group[i]] = true;
            }
        }
    });

    /** second pass */
    runImg(canvas, null, function(current) {
        if (realEdges[current] === undefined) {
            setPixel(current, 0, imgDataCopy);
        } else {
            setPixel(current, 255, imgDataCopy);
        }
    });

    ctx.putImageData(imgDataCopy, 0, 0);
}

从图中删除 “弱” 边之后是什么样的呢？

See the Pen RowpLx by aleen42 (@aleen42) on CodePen.

哇，看起来更完美了。

扫描

这幅图只有两种像素：0 和 255，可以通过扫描每个像素生成点路径。算法描述如下：

• 循环获取像素值, 检测是否被标记为255值.
• 匹配之后，找出生成最长路径的方向。（当一条路径是由自身组成的，每个像素都会被标记，当一条路径的点有超过一个值，就是一条真实路径，6 ~ 10。）

扫描之后，提取 SVG 的路径数据，当然你还可以绘制路径。

小结

本文详细地讨论了如何用 JavaScript 绘图，不管是 SVG 文件还是其他类型图片，比如 PNG、JPG 和 GIF。核心思想是转换特定格式到路径数据。一旦抽离出这样的数据，我们还可以模进行模拟绘图。

• 直接绘制 SVG 文件中的 path 元素。
• 如果是其他元素，例如 rect，需要先转换成 path。
• 使用 Canny 轮廓检测算法检测位图中的轮廓，这样才可以绘制.

参考文档

• [1] "光线绘图动画", 2016
• [2] "位图轮廓查找", 2016
• [3] "绘制一个 SVG 文件", 2016
• [4] "SVG 文件绘制的校准参数", 2016
• [5] "转换所有形状/原始形状到 SVG 的路径元素", 2016
• [6] "轮廓", 2015
• [7] "Canny 边缘检测器", Wikipedia, 2016