Canvas学习：绘制圆和圆弧

发布于大漠

7 年前

圆和圆弧是图形中基本图形之一，今天我们来了解在Canvas中怎么绘制圆和圆弧。在Canvas中绘制圆和圆弧其实和绘制线段和矩形一样的简单。在Canvas中，CanvasRenderingContext2D对象提供了两个方法（arc()和arcTo()）来绘制圆和圆弧。

与圆和圆弧相关的基础知识

在学习如何绘制圆和圆弧之前，有一些相关的基础知识有必要先进行了解。

角度旋转
角度和弧度
正切

角度旋转

在坐标系中，旋转分为顺时针和逆时针两个方向旋转：

角度和弧度

在CSS中，做旋转常用到的都是角度（deg）。但在Canvas中绘制圆或圆弧时用到的是弧度（rad）。维基百科中是这样描述弧度的：

弧度又称弪度，是平面角的单位，也是国际单位制导出单位。单位弧度定义为圆弧长度等于半径时的圆心角。角度以弧度给出时，通常不写弧度单位，或有时记为rad。

一个完整的圆的弧度是2π，所以2π rad = 360°，1 π rad = 180°，1°=π/180 rad，1 rad = 180°/π（约57.29577951°）。以度数表示的角度，把数字乘以π/180便转换成弧度；以弧度表示的角度，乘以180/π便转换成度数。

rad = (π / 180) * deg

同样的：

deg = (rad * 180) / π

平时我们常看到的各种弧度如下：

JavaScript中弧度角度换算

仅难了解角度和弧度之间的关系是不够的，我们还需要知道怎么使用JavaScript来实现角度和弧度之间的换算。一个π大约是3.141592653589793，在JavaScript中对应的是Math.PI。那么角度和弧度之间的换算：

rad = (Math.PI * deg) / 180

同样的：

deg = (rad * 180) / Math.PI

为了方便计算和使用，可以将其封装成JavaScript函数：

function getRads (degrees) {
    return (Math.PI * degrees) / 180;
}

function getDegrees (rads) {
    return (rads * 180) / Math.PI;
}

比如我们要将30deg转换成rad，可以直接使用：

getRads(30); // 0.5235987755982988rad
getDegrees(0.7853981633974483); // 45deg

下图展示了常见的角度和弧度之间的换算：

正切

正切（Tangent，tan，也作tg）是三角函数的一种。它是周期函数，其最小正周期为π（Math.PI）。正切函数是奇函数。

在Canvas中常常需要和三角函数打交道，这也说明了数学是多么的重要，真后悔当初没有认真学。有关于Canvas中三角函数的运用，后面我们将会花很大的篇幅来介绍。

为什么在画圆要提到正切呢？那是因为我们后面在介绍artTo()时会涉及到正切相关的知识。下图可以说明，正切和圆以及圆弧之间的关系，看上去一点复杂，但不用急于求成，后面会慢慢懂的：

有了这些基础，我们就可以开始学习在Canvas中怎么画圆和圆弧了。这也是这篇文章真正的主题，如果你等不及了，那继续往后阅读。

arc()方法

先来看arc()方法怎么绘制圆和圆弧。Canvas中的arc()方法接受六个参数：

arc(x, y, radius, startRad, endRad, [anticlockwise]);

在Canvas画布上绘制以坐标点(x,y)为圆心、半么为radius的圆上的一段弧线。这段弧线的起始弧度是startRad，结束弧度是endRad。这里的弧度是以x轴正方向为基准、进行顺时针旋转的角度来计算。其中anticlockwise表示arc()绘制圆或圆弧是以顺时针还是逆时针方向开始绘制。如果其值为true表示逆时针，如果是false表示为顺时针。该参数是一个可选参数，如果没有显式设置，其值是false（也是anticlockwise的默认值）。

记得当初我们学数时，圆的周长与半径的关系是：C = πd或C = 2πr。具备这些基础，我们就可以使用arc()绘制弧线或圆了。

绘制弧线

先来看arc()绘制弧线，根据上面介绍的内容，传对应参数给他：

function drawScreen () {
    // x,y => 圆心坐标点
    // r => 圆弧半径
    var arc = {
      	x: myCanvas.width / 2, 
      	y: myCanvas.height / 2,
      	r: 100
    },
    	w = myCanvas.width,
    	h = myCanvas.height;

    ctx.save();
    ctx.lineWidth = 10;
    ctx.strokeStyle = '#e3f';

    // startRad => getRads(-45)
    // endRad => getRads(45)
    // 顺时针旋转
    ctx.beginPath();
    ctx.arc(arc.x, arc.y, arc.r,getRads(-45),getRads(45));
    ctx.stroke();
    

    // startRad => getRads(-135)
    // endRad => getRads(135)
    // 逆时针旋转
    ctx.beginPath();
    ctx.strokeStyle = "#f36";
    ctx.arc(arc.x, arc.y, arc.r,getRads(-135),getRads(135),true);
    ctx.stroke();
    ctx.restore();

}

当我们把上面的stroke()换fill()，上面的效果就不是一个弧线了：

另外在stroke()之前调用closePath()，那么弧线的起始点和终止点将会以一条直接连接在一起。比如上面的示例，加上之后的效果：

ctx.beginPath();
ctx.arc(arc.x, arc.y, arc.r,getRads(-45),getRads(45));
ctx.closePath();
ctx.stroke();

arc()绘制弧线是不是很简单，在实际中，借助一些条件循环，我们可以做一些有意思的效果。比如下面的这个示例，使用arc()绘制一个声波波率放大图：

function drawScreen () {
    
    var arc = {
      	x: myCanvas.width / 2,
      	y: myCanvas.height / 2,
      	r: 10
    },
    	w = myCanvas.width,
    	h = myCanvas.height;
    
    ctx.save();
    ctx.lineWidth = 1;
    ctx.strokeStyle = '#e3f';
    
    for(var i = 0;i < 10; i++){
      	ctx.beginPath();
      	ctx.arc(arc.x, arc.y, arc.r * i,getRads(-45),getRads(45));
      	ctx.stroke();
      
      	ctx.beginPath();
      	ctx.arc(arc.x, arc.y, arc.r * i,getRads(-135),getRads(135),true);
      	ctx.stroke();
    }
}

特别注意：

使用arc()绘制图形时，如果没有设置moveTo()那么会从圆弧的开始的点（startRad处）作为起始点。如果设置了moveTo()，那么该点会连线到圆弧起始点。
如果使用stroke()方法，那么会从开始连线到圆弧的起始位置。如果是 fill 方法, 会自动闭合路径填充

绘制制圆

使用arc绘制圆和绘制圆弧是一样的，只不过绘制圆的时候startRad和endRad是相同的。比如：

function drawScreen () {
    
    var arc = {
      	x: myCanvas.width / 2,
      	y: myCanvas.height / 2,
      	r: 50
    },
        w = myCanvas.width,
        h = myCanvas.height;
    
    ctx.save();
    ctx.lineWidth = 2;
    ctx.strokeStyle = '#fff';
    ctx.fillStyle = '#000';
    // 绘制一个边框圆
    ctx.beginPath();
    ctx.arc(arc.x / 2, arc.y, arc.r, getRads(0), getRads(360), false);
    ctx.stroke();
    
    // 绘制一个闭合边框圆
    ctx.beginPath();
    ctx.arc(arc.x, arc.y, arc.r, getRads(0), getRads(360), false);
    ctx.closePath();
    ctx.stroke();
    // 绘制一个填充圆
    ctx.beginPath();
    ctx.arc(arc.x * 1.5, arc.y, arc.r,getRads(0), getRads(360), true);
    ctx.fill();
    //绘制一个带边框填充的圆
    ctx.beginPath();
    ctx.arc(arc.x, arc.y, arc.r / 2,getRads(0), getRads(360), false);
    ctx.stroke();
    ctx.fill();
    ctx.restore();
    
}

来做个小练习，使用arc()绘制一个太极图：

绘制一个白色和黑色大半圆，拼成一个圆形
绘制制一个小的白色半圆和另一个黑色小半圆
绘制一个白色和黑色小圆点

这几个组合起来，就是我们想要的太极图：

function drawScreen () {
    
    var arc = {
      	x: myCanvas.width / 2,
      	y: myCanvas.height / 2,
      	r: 100
    },
        w = myCanvas.width,
        h = myCanvas.height;
    
    ctx.save();
    ctx.lineWidth = 1;
    
    // 绘制白色大圆
    ctx.beginPath();
    ctx.fillStyle = '#fff';
    ctx.arc(arc.x, arc.y, arc.r, getRads(-90), getRads(90), false);
    ctx.fill();
    
    // 绘制黑色大圆
    ctx.beginPath();
    ctx.fillStyle = '#000';
    ctx.arc(arc.x, arc.y, arc.r, getRads(-90), getRads(90), true);
    ctx.fill();
    
    // 绘制白色小圆
    ctx.beginPath();
    ctx.fillStyle = '#fff';
    ctx.arc(arc.x, arc.y - arc.r/2, arc.r / 2,getRads(-90), getRads(90), true);
    ctx.fill();
    
    // 绘制黑色小圆
    ctx.beginPath();
    ctx.fillStyle = '#000';
    ctx.arc(arc.x, arc.y + arc.r/2, arc.r / 2,getRads(-90), getRads(90), false);
    ctx.fill();
    
    // 绘制小黑点
    ctx.beginPath();
    ctx.fillStyle = '#000';
    ctx.arc(arc.x, arc.y - arc.r/2, arc.r / 10,getRads(0), getRads(360), false);
    ctx.fill();
    
    // 绘制小白点
    ctx.beginPath();
    ctx.fillStyle = '#fff';
    ctx.arc(arc.x, arc.y + arc.r/2, arc.r / 10,getRads(0), getRads(360), false);
    ctx.fill();
  }

绘制扇形

使用arc()除了可以绘制弧线和圆之外，还可以绘制扇形。绘制扇形关键点是通过moveTo()把起始点位置设置为圆心处，然后通过closePath()闭合路径。

function drawScreen () {
    
    var arc = {
      	x: myCanvas.width / 2,
      	y: myCanvas.height / 2,
      	r: 100
    },
        w = myCanvas.width,
        h = myCanvas.height;
    
    ctx.save();
    ctx.lineWidth = 1;
    ctx.strokeStyle = '#e3f';
    ctx.fillStyle = '#e3f';
    
    ctx.beginPath();
    // 起始点设置在圆心处
    ctx.moveTo(arc.x, arc.y);
    ctx.arc(arc.x, arc.y, arc.r,getRads(-45),getRads(45));
    // 闭合路径
    ctx.closePath();
    ctx.stroke();
    
    ctx.beginPath();
    // 起始点设置在圆心处
    ctx.moveTo(arc.x, arc.y);
    ctx.arc(arc.x, arc.y, arc.r,getRads(-135),getRads(135),true);
    // 闭合路径
    ctx.closePath();
    ctx.fill();
    
    ctx.restore();
}

利用这个原理，可以很轻松的实现一个饼图效果。

特别声明：arc()方法中的起始弧度参数startRad和结束弧度参数endRad都是以弧度为单位，即使你填入一个数字，例如360，仍然会被看作是360弧度。

arcTo()方法

前面学习了arc()方法如何绘制弧线、圆或扇形等。在Canvas中CanvasRenderingContext2D还提供了另一个方法arcTo()用来绘制弧线，但arcTo()绘制不出圆。为什么呢？接下来，咱们就来了解arcTo()的使用方法。

arcTo()接受五个参数：

arcTo(x1, y1, x2, y2, radius)

arcTo()方法将利用当前端点、端点一(x1, y1)和端点二(x2, y2)这三点所形成的夹角，然后绘制一段与夹角的两边相切并且半径为radius的圆上的弧线。弧线的起点就是当前端点所在边与圆的切点，弧线的终点就是商端点二(x2,y2)所在边与圆的切点，并且绘制的弧线是两个切点之间长度最短的那个圆弧。此外，如果当前端点不是弧线起点，arcTo()方法还将添加一条当前端点到弧线起点的直线线段。

上面理解起来有点吃力。事实上，arcTo()尽管是通过两点和半径绘制弧线或圆，但事实上是有三个点参与。也就是说，不管是否调用arcTo()，其实就有一个点已经存在(x0,y0)。这样就(x0,y0)和(x1,y1)构成一线，然后(x1,y1)和(x2,y2)构成一线，这两条线交叉点就是(x1,y1)。然后以radius绘制的圆弧或圆都会与这两条线相切。这也就是在文章开头提正切的基础。

或者换下图，你能更好的理解。

在 arcTo() 函数中，虽然参数只涉及到 P1也就是参数中的(x1,y1) 和 P2也就是参数中的(x2,y2) 两个点，实际上还有一个隐含的点，就是画布上的当前点（P0）也就是前面所说的(x0,y0)。当 P0, P1, P2 不重叠也不在一条直线的时候，这 3 个点可以构成一个三角形。想象一下，从 P0 开始，向 P1 画一条线段，从 P1 开始到 P2 再画一条线段，这两条线段形成一个夹角，然后以 r 画一个圆，移动这个圆将这个圆与线段 P0P1 和线段 P1P2 相切（也可能切点是在 P0P1 或者 P1P2 的延长线上），然后保留朝向 P1 这个点的弧线，就是 arcTo() 在弧线这部分做的事情。

实际绘制是这样的：

moveTo() 给出 P0 点坐标
arcTo() 函数中的参数给出了 P1 点和 P2 点的坐标，以及圆形的半径 r
计算以 r 为半径的圆和直线 P0P1 以及 P1P2 的切点，记为 S 点和 E 点，对应图上 Start 和 End 两个点
从 P0 向 S 点画出一条线段
从 S 点到 E 点，画出一段圆弧，半径为 r
此时，画布当前点为 E 点
然后从 E 点又画了一条线段到 P2 点，至此 arcTo 的工作已经完成，接下来你可以 stroke() 或者 fill() 了

来看一个绘制过程：

function drawScreen () {
    ctx.lineWidth = 1;
    ctx.strokeStyle = '#f36';
    ctx.fillStyle = 'red';
    
    // 一个起始点 ( 100, 50 ), 那么绘制其点. 颜色设置为红色
    ctx.fillRect( 100 - 4, 50 - 4, 8, 8 );
    // 两个参考点分别为 ( 100, 200 ) 和 ( 300, 200 ), 绘制出该点
    ctx.fillRect( 100 - 4, 200 - 4, 8, 8 );
    ctx.fillRect( 300 - 4, 200 - 4, 8, 8 );
    
    // 连接两个参考点
    ctx.beginPath();
    ctx.strokeStyle = 'red';
    ctx.moveTo( 100, 200 );
    ctx.lineTo( 300, 200 );
    ctx.stroke();
    
    // 调用 arcTo 方法绘制圆弧. 记得将起始点设置为 ( 100, 50 )
    ctx.beginPath();
    ctx.strokeStyle = 'blue';
    ctx.moveTo( 100, 50 );
    ctx.arcTo( 100, 200, 300, 200, 80);
    ctx.stroke();
}

绘制带圆角矩形

在学习Canvas中绘制矩形一节时，我们提到通过lineJoin改变线段端点形状来模拟一个圆角矩形。通过这样的方法绘制带圆角的矩形，局限性还是非常大的。不过值得庆達的是，acrTo()可以轻易实现两线内切圆弧，言外之意，使用arcTo()来绘制一个圆角矩形是非常的方便。

圆角矩形是由四段线条和四个1/4圆弧组成，拆解如下。

如此一来，我们就可以封装一个函数，用来绘制圆角矩形。根据上图，我们可以给这个函数，比如drawRoundedRect()函数传递对应的参数：

ctx：Canvas画布绘图环境
x,y：左上角
width：矩形宽度
height：矩形高度
r：矩形圆角半径
fill：绘制一个填充的矩形
stroke：绘制一个边框矩形

开始封装函数：

function drawRoundedRect(ctx, x, y, width, height, r, fill, stroke) {
    ctx.save();
    ctx.beginPath();
    
    // draw top and top right corner
    ctx.moveTo(x + r, y);
    ctx.arcTo(x + width, y, x + width, y + r, r);

    // draw right side and bottom right corner
    ctx.arcTo(x + width, y + height, x + width - r, y + height, r);

    // draw bottom and bottom left corner
    ctx.arcTo(x, y + height, x, y + height - r, r);

    // draw left and top left corner
    ctx.arcTo(x, y, x + r, y, r);

    if (fill) {
        ctx.fill();
    }

    if (stroke) {
        ctx.stroke();
    }

    ctx.restore();
}

函数封装好之后，只需要调用，就可以轻易绘制出带圆角的矩形，而且简单易用：

function drawScreen () {
    
    ctx.strokeStyle = 'rgb(150,0,0)';
    ctx.fillStyle = 'rgb(0,150,0)';
    ctx.lineWidth = 7;
    drawRoundedRect(ctx, 30, 50, 200, 220, 20, true, true);

    ctx.strokeStyle = 'rgb(150,0,150)';
    ctx.fillStyle = 'rgba(0,0,150,0.6)';
    ctx.lineWidth = 7;
    drawRoundedRect(ctx, 300, 100, 250, 150, 8, true, false);
}

是不是很简单。可以来个复杂点的练习。比如，当初火热的2048游戏。

使用drawRoundedRect()函数就可以很轻易的绘制出来，有兴趣的同学不仿一试。

绘制月亮

这节主要学习了arc()和arcTo()两个方法，学习了怎么使用这两个方法在Canvas中如何绘制圆弧或圆。那么我们来看一个小示例，结合两者来绘制一月亮。

用一张图来阐述绘制月亮的原理：

此图已经说明一切，直接上代码吧：

function drawMoon(cxt, d, x, y, R, rot){
    cxt.save();
    cxt.translate(x, y);
    cxt.scale(R, R);
    cxt.rotate(Math.PI / 180 * rot);
    pathMoon(cxt, d);
    cxt.fillStyle = 'hsl' + randomColor();
    cxt.fill();
    cxt.restore();
 }
 //画路径
 function pathMoon(cxt, d){
    //D表示控制点的横坐标；
    cxt.beginPath();
    cxt.arc(0, 0, 1, Math.PI * 0.5, Math.PI * 1.5, true);
    cxt.moveTo(0, -1);
    cxt.arcTo(d, 0, 0, 1, dis(0, -1, d, 0) * 1 / d);
    cxt.closePath();
 }

 function dis(x1, y1, x2, y2){
    return Math.sqrt((x1 - x2) * (x1 - x2) + (y1 - y2) * (y1 - y2));
 }
  
 function drawScreen () {
 	drawMoon(ctx,2,myCanvas.width / 2,myCanvas.height / 2,100,15);
 }

总结

在Canvas中，CanvasRenderingContext2D对象提供了两个方法（arc()和arcTo()）来绘制圆和圆弧。其中arc()即可绘制弧线，圆，也可以绘制扇形，但arcTo()仅能绘制出弧线。但arcTo()可以更轻易的帮助我们实现带圆角的矩形。到目前为止，我们学习了在Canvas中绘制线段、矩形、弧线和圆等，但基本图形不仅仅这些，接下来我们将学习如何在Canvas中绘制箭头。感兴趣的同学，欢迎持续关注相关更新。

大漠

常用昵称“大漠”，W3CPlus创始人，目前就职于手淘。对HTML5、CSS3和Sass等前端脚本语言有非常深入的认识和丰富的实践经验，尤其专注对CSS3的研究，是国内最早研究和使用CSS3技术的一批人。CSS3、Sass和Drupal中国布道者。2014年出版《图解CSS3：核心技术与案例实战》。

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