【Canvas真好玩】从黑客帝国开始

前言

笔者之前有一段时间一直在学习Canvas相关的技术知识点，通过参考网上的一些资料文章，学着利用简单的数学和物理知识点实现了一些比较有趣的动画效果，最近刚好翻看到以前的代码，所以这次将这些代码实践重新梳理一遍后整理成文，自己巩固复习的同时，可以和大家一起交流学习。作为【Canvas真好玩】系列的第一篇文章，笔者还是从最经典的黑客帝国开始，在一步一步进行代码具体实践的同时，带领大家进入神奇的Canvas动画的世界。

代码已上传至Github，可以拉下来后直接运行，省掉下面的准备工作环节。

效果图

准备工作

因为之前的代码比较久远，这次打算使用React来重构一遍，还是使用目前使用频率比较高的create-react-app脚手架来搭建项目，在本地找到合适的项目路径，然后执行项目初始化命令：

npm install -g create-react-app  
create-react-app react-canvas

考虑到后期可能会有一系列的动画效果，所以为了界面美观以及方便管理，这里直接简单使用下React Ant Design来管理动画菜单方便切换到不同的动画，使用react-router-dom来控制路由，同时使用loadable来对路由实现按需加载：

npm install --save antd react-router-dom @loadable/component

// 以下依赖遵循antd官网的高级配置，使用babel-plugin-import实现组件代码和样式的按需加载
npm install --save-dev react-app-rewired customize-cra babel-plugin-import

安装完成之后修改package.json文件：

/* package.json */
"scripts": {
-   "start": "react-scripts start",
+   "start": "react-app-rewired start",
-   "build": "react-scripts build",
+   "build": "react-app-rewired build",
-   "test": "react-scripts test",
+   "test": "react-app-rewired test",
-   "eject": "react-scripts eject",
+   "eject": "react-app-rewired eject",
}

然后在项目根目录创建一个 config-overrides.js 用于修改默认配置：

+ const { override, fixBabelImports } = require('customize-cra');

+ module.exports = override(
+   fixBabelImports('import', {
+     libraryName: 'antd',
+     libraryDirectory: 'es',
+     style: 'css',
+   }),
+ );

到目前为止，项目的目录结构如下：

├── node_modules
├── public
│   ├── favicon.ico
│   └── index.html
├── src
│   ├── App.css
│   ├── App.js
│   ├── App.test.js
│   ├── index.css
│   ├── index.js
│   ├── logo.svg
│   └── serviceWorker.js
├── .gitignore
├── config-overrides.js
├── package.json
├── package-lock.json
└── README.md

src目录下有一些在当前项目中不太需要的文件，可以将其删除，然后在src目录下创建router目录用于存放项目路由，views目录用于存放不同路由下的页面，通过antd的Layout组件来实现页面布局，修改后的代码如下：

// src -> router -> index.js
import loadable from '@loadable/component';

const routes = [
  {
        path: '/hacker',
        name: '黑客帝国',
        component: loadable(() => import(/* webpackChunkName: 'hacker' */ '../views/Hacker')),
    }
];

export default routes;

// src -> views -> Hacker.js
function Hacker() {

    const canvasRef = useRef(null);

    return (
        <canvas ref={canvasRef} style={{background: '#000'}}/>
    );
}

export default Hacker;

// src -> App.js
import React, {useState} from 'react';
import {Redirect, Route, NavLink, Switch, withRouter} from 'react-router-dom';
import {Layout, Menu, Icon} from 'antd';
import routes from './router';
import './App.css';

const {Header, Sider, Content} = Layout;

function App({location}) {
    const [collapsed, setCollapsed] = useState(false);
    const toggle = () => setCollapsed(!collapsed);
    return (
        <Layout>
            <Sider trigger={null} collapsible collapsed={collapsed}>
                <div className="title">Canvas真好玩</div>
                <Menu theme="dark" mode="inline"
                      defaultSelectedKeys={[location.pathname.length === 1 ? routes[0].path : location.pathname]}>
                    {
                        routes.map(route =>
                            <Menu.Item
                                key={route.path}>
                                <NavLink
                                    to={route.path}
                                    style={{color: 'rgba(255,255,255,.65)'}}
                                    activeStyle={{color: '#fff'}}
                                >
                                    {route.name}
                                </NavLink>
                            </Menu.Item>)
                    }
                </Menu>
            </Sider>
            <Layout>
                <Header style={{background: '#fff', padding: 0}}>
                    <Icon
                        className="trigger"
                        type={collapsed ? 'menu-unfold' : 'menu-fold'}
                        onClick={toggle}
                    />
                </Header>
                <Content
                    style={{
                        display: 'flex',
                        justifyContent: 'center',
                        alignItems: 'center',
                        margin: '24px 16px',
                        padding: 24,
                        background: '#fff',
                        minHeight: 280,
                    }}
                >
                    <Switch>
                        {
                            routes.map((route, i) =>
                                <Route
                                    path={route.path}
                                    exact={route.exact}
                                    render={props => <route.component {...props} router={route.routes}/>}
                                    key={i}
                                />
                            )
                        }
                        <Redirect from="/" to="/hacker" exact={true}/>
                    </Switch>
                </Content>
            </Layout>
        </Layout>
    );
}

export default withRouter(App);

// src -> index.js
import React from 'react';
import ReactDOM from 'react-dom';
import {BrowserRouter as Router} from 'react-router-dom';
import './index.css';
import App from './App';

ReactDOM.render(
    <Router>
        <App/>
    </Router>,
    document.getElementById('root'));

// src -> App.css
#root {
    height: 100%;
}

.ant-layout {
    height: 100%;
}

.title {
    padding: 16px 0;
    text-align: center;
    color: #fff;
    font-size: 24px;
    background-color: rgba(0, 0, 0, .2);
}

.trigger {
    font-size: 18px;
    line-height: 64px;
    padding: 0 24px;
    cursor: pointer;
    transition: color 0.3s;
}

.trigger:hover {
    color: #1890ff;
}

.logo {
    height: 32px;
    background: rgba(255, 255, 255, 0.2);
    margin: 16px;
}

至此，我们项目的基本代码结构就已经书写完毕，这里先贴一张我目前已经完成的页面效果：

其实也没有那么好看，主要是为了方便管理菜单，接下来我们就来一步一步分析实现页面中炫酷的黑客帝国效果吧。

实现

在代码实践之前，我们先来分析一下黑客帝国的实现细节，在上面的动画效果中，我们可以知道，动画其实就是由各种英文字母，数字以及特殊符号实现的一个从上到下的距离偏移效果，所以我们在代码中会维护一个集合用于存放所有可能出现的文字。其次，我们可以看出，文字的下坠效果其实是分成了多列的，当然列数会根据Canvas容器的宽度来动态计算。为了实现动画，我们这里可以借助浏览器的requestAnimationFrame来保持每秒60帧的流畅度，相信大部分前端人员对这个Api已经不陌生了，不过这里需要注意以下两点：

1. 若想在浏览器下次重绘之前继续更新下一帧动画，那么回调函数自身必须再次调用requestAnimationFrame()
2. 为了提高性能和电池寿命，因此在大多数浏览器里，当requestAnimationFrame() 运行在后台标签页或者隐藏的iframe里时，requestAnimationFrame() 会被暂停调用以提升性能和电池寿命

通过这个动画Api我们就可以在每帧的时间内清空当前的Canvas容器状态，同时计算每个文字的新坐标并进行绘制，我们可以为每列文字的Y轴偏移定义一个初始变量为1，即表示一个字体单位的大小，每次当文字下落一个字体大小的时候，将这个初始变量加1，这样在下次计算文字坐标的时候，就可以将这个值乘以字体大小从而得出Y轴的坐标，这样在视觉上就达到了一个文字的下坠效果。这里需要提一下的是，Canvas的坐标系统和理科领域的笛卡尔坐标系有点不太一样，采用默认的窗口坐标系统，即原点坐标位于窗口的左上角，沿X轴方向向右为正值，沿Y轴方向向下为正值，在后续计算文字坐标的时候需要注意这里的区别，其实窗口坐标系统中也是有负值的，只是跑到了屏幕之外，我们一般没有注意到而已。
笛卡尔坐标系：

窗口坐标系：

关于Canvas其他的知识点和基础API不是本系列的重点，感兴趣的同学可以自行网上查阅下相关资料，Canvas的绘图API也不是很多，学习门槛不高，很好掌握。基于以上的分析，我们尝试完善一下Hacker.js中的代码：

function Hacker() {

    const canvasRef = useRef(null);

    useEffect(() => {

        // 获取当前的canvas元素
        const canvas = canvasRef.current;

        // 获取canvas上下文，2d表示建立一个二维渲染上下文，当然也有基于WebGL的三维渲染上下文，在本系列中暂不考虑
        const context = canvas.getContext('2d');

        // 临时保存canvas的宽高信息，问了简便固定800 x 600
        const w = canvas.width = 800;
        const h = canvas.height = 600;

        // 文字颜色
        const textColor = '#33ff33';

        // 保存所有可能出现的文字
        const words = "0123456789qwertyuiopasdfghjklzxcvbnm,./;'[]QWERTYUIOP{}ASDFGHJHJKL:ZXCVBBNM<>?";

        // 将文字拆分进一个数组
        const wordsArr = words.split('');

        // 这里假设每个文字的字体大小为16px
        const font_size = 16;

        // 根据字体大小动态计算文字列数
        const columns = w / font_size;

        // 根据上面的分析，我们创建一个数组保存每列中的文字当前在Y轴上偏移了几个字体单位
        const dropUnits = [];

        // 初始化dropUnits，默认值从1开始，而不是0，因为canvas的fillText方法默认是从文字的左下角开始绘制
        for (let i = 0; i < columns; i++) {
            dropUnits[i] = 1;
        }

        // 设置上下文的填充色和字体大小
        context.fillStyle = textColor;
        context.font = `${font_size}px arial`;

        function draw() {

            // 核心，
            // 这里开始循环每一列，
            // 为每一列创建随机文字，
            // 同时根据当前列已经下落了几个字体大小来设置文字坐标(坐标原点为canvas容器的左上角)
            for (let i = 0, len = dropUnits.length; i < len; i++) {
                const text = wordsArr[Math.floor(Math.random() * wordsArr.length)];
                const x = i * font_size;
                const y = dropUnits[i] * font_size;
                context.fillText(text, x, y);

                // 当文字已经超出高度边界的时候，需要重置当前列下落的字体单位
                if (y > h) {
                    dropUnits[i] = 0;
                }

                dropUnits[i]++;
            }
        }

        // 循环执行动画
        (function frame() {
            // 此处需要再次调用requestAnimationFrame，注意并不是同步递归
            window.requestAnimationFrame(frame);

            // 在绘制下一帧的文字之前需要清空当前状态下的所有文字，避免文字被覆盖
            context.clearRect(0, 0, w, h);
            draw();
        }());
    }, []);

    return (
        <canvas ref={canvasRef} style={{background: '#000'}}/>
    );
}

添加以上代码之后，我们来看看目前的效果：

这个效果并不是我们理想中的样子，我们分析一下问题出现的原因，在以上代码实现中，draw函数用于绘制文字，如果检测到文字当前已经超出容器范围，则会重置dropUnits数组中的值为0，那么导致的后果就是，dropUnits数组中的每一项都为0，所以每列文字的Y轴起始坐标始终都是相同的，也就造成上面的效果。所以我们只需要想办法让Y轴的起始坐标错开，那么也就达到了预期的效果了，当然这种错开也是随机的，所以就很容易想到使用Math.random方法增加随机数判断来实现了，我们对以上代码稍作一下修改：

- if (y > h) {
+ if (y > h && Math.random() > 0.98) { // 此处增加随机数判断，只有满足条件后才进行重置
    dropUnits[i] = 0;
}

我简单画了张图来帮助理解一下这个过程，图中两个方块代表两个文字，布尔值代表上面代码中if条件的结果：

上图中可以清楚地看到新增了随机数之后，文字的Y轴坐标产生了差异，修改后的效果如下：

离预期的效果越来越近了，但是这个效果看起来有点生硬，因为我们在每一帧中绘制文字之前，会使用Canvas的clearRect方法将Canvas画布进行清除，所以文字会瞬间出现在下一个坐标点中，形成这种闪烁效果，类似于马路上的红绿灯，在切换颜色之前会将之前的颜色清空，然后瞬间切换。这里我们换一种思路，我们不使用clearRect方法来清除画布，而是在每一帧中使用fillRect方法为画布填充一层淡淡的背景色，以此来实现渐变效果，我们来对代码稍作修改：

// 文字颜色
const textColor = '#33ff33';
+ // 填充背景色
+ const bgColor = 'rgba(0, 0, 0, .1)';

- // 设置上下文的填充色和字体大小
- context.fillStyle = textColor;
- context.font = font_size + 'px arial';
function draw() {
    // 将上述两行代码放到此函数中，因为这里需要重新设置fillStyle
    + context.fillStyle = textColor;
    + context.font = font_size + 'px arial';
}

// 循环执行动画
(function frame() {
    ...
    - // 在绘制下一帧的文字之前需要清空当前状态下的所有文字，避免文字被覆盖
    - context.clearRect(0, 0, w, h);
    
    + // 在绘制下一帧的文字之前给画布填充背景色
    + context.fillStyle = bgColor;
    + context.fillRect(0, 0, w, h);
    ...
}());

代码修改完毕后赶紧看下效果吧，应该就和本文开头的效果图一样了，至此，就已经使用Canvas完整地实现了黑客帝国效果，还不错吧。

总结

本文主要是跟大家分享一下使用Canvas来实现炫酷的黑客帝国效果，当然这只是本系列的开篇，后续还会结合简单的数学和物理知识来实现更加有趣的动画效果，希望能和大家一起相互讨论，互相学习。

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