Canvas之蛋疼的正方体绘制体验

事情的起因

　　之前写了篇谈谈文字图片粒子化 I，并且写了个简单的demo -> 粒子化。正当我在为写谈谈文字图片粒子化II 准备demo时，突然想到能不能用正方体代替demo中的球体粒子。我不禁被自己的想法吓了一跳，球体的实现仅仅是简单的画圆，因为球体在任意角度任意距离的视图都是圆（如果有视图的话）；而正方体有6个面8个点12条线，在canvas上的渲染多了n个数量级。先不说性能的问题，单单要实现六个面的旋转和绘制就不是一件特别容易的事情。

　　说干就干，经过曲折的过程，终于得到了一个半成品 -> 粒子化之正方体

事情的经过

　　事情的经过绝不像得到的结果那样简单。虽然半成品demo在视觉上还有些许违和感，但已经能基本上达到我对粒子化特效的要求了。

　　那么接下来说说我这次的蛋疼经历吧。

　　之前我们已经实现了一个点在三维系的坐标转换（如不懂，可参考rotate 3d基础），并且得到了这样的一个demo -> 3d球体。那么我想，既然能得到点在三维系的空间转换坐标，根据点-线-面的原理，理论上应该很容易实现正方体在三维系的体现，不就是初始化相对位置一定的8个点么？而且之前也简单地实现了一个面的demo -> 3d爱心，当时认为并不难。

　　于是我根据一定的相对位置，在三维系中初始化了8个点，每帧渲染的同时实现8个点的位置转移，并且根据8个点的位置每帧重绘12条线，得到demo -> 3d正方体

　　似乎很顺利，接着给6个面上色，效果图如下：

　　这时我意识到应该是面的绘制顺序出错了，在每帧的绘制前应该先给面排个序，比如图示的正方体的体心是三维系的原点，那么正方体的后面肯定是不可见的，所以应该先绘制。而在制作三维球体旋转时，是根据球体中心在三维系的坐标z值排序的，这一点也很好理解，越远的越容易被挡就越先画嘛；同时我在WAxes的这篇用Canvas玩3D：点-线-面中看到他绘制正方体的方法是根据6个面中心点的z值进行排序，乍一想似乎理所当然，于是我去实现了，体心在原点体验良好，demo ->3d正方体，但是体心一改变位置，就坑爹了...

　　图示的正方体体心在原点的右侧（沿x轴正方向），但是画出来的正方体却有违和感，为何？接着我还原了绘制的过程：

　　绘制过程先绘制了正方体的左面，再绘制了上面，而根据生活经验这两个面的绘制顺序应该是先上面，再左面！不断的寻找错误，我发现这两个面中点的z值是一样的，甚至除了前后两个面，其他的四个面的z值都是一样的，也就是说这个例子中后面最先绘，前面最后绘，其他四个面的绘制顺序是任意的。我继续朝着这个方向前进，根据我的生活经验，如果像上图一样体心在原点右边（其实应该是视点，当时认为是原点），那么如果面的z值相同，应该根据面与原点的x方向的距离进行排序，毕竟距离小的先看到，如果x方向距离又相同，那么根据y方向的距离进行排序，代码如下：

var that = this;
this.f.sort(function (a, b) {
  if(b.zIndex !== a.zIndex)
    return b.zIndex - a.zIndex;
  else if(b.xIndex !== a.xIndex) {
    // 观察基准点(0,0,0)
    if(that.x >= 0)
      return b.xIndex - a.xIndex;
    else
      return a.xIndex - b.xIndex;
  } else {
    if(that.y >= 0)
      return b.yIndex - a.yIndex;
    else
      return a.yIndex - b.yIndex;
  }

　　因为排序中this指向了window，还需赋值给一个另外的变量保存。事情似乎在此能画上一个圆满的句号，but...

　　调整后继续出现违和感（截图如下），虽然违和感的体验就在那么一瞬，但是我还是觉得是不是这个排序思路出错了？于是进一步验证，通过调试，将面的排序结果和正确的绘制顺序作对比，最终发现排序算法是错误的，最后知道真相的我眼泪掉下来。

　　于是在知乎上问了下：怎样在二维上确定一个三维空间正方体六个面的绘制顺序？有计算机图形学基础的请无视。

　　原来这是一个古老的问题，在各位图形学大大的眼里是很基础的问题了。原来这个问题称为隐藏表面消除问题。

　　然后我跟着这个方法进行了绘制，一开始把视点和原点搞混掉了。也就是判断每个面的法向量（不取指向体心的那条）和面（近似取面中心）到视点的那条向量之间的角度，如果小于90度则是可见。想了一下，似乎还真是那么一回事。然后需要设定视点的坐标，随意设置，只要合乎常理就行，这里我设置了(0,0,-500)，在z方向肯定是个负值。

　　一个正方体差不多搞定了，多个正方体呢？问题又出现：

　　很显然，正方体之间也有绘制的先后顺序，这里粗略地采用根据体心排序的方法，按照Milo Yip的说法，这可以解决大部分情况，但也会漏掉一些最坏情况。最好的做法是zbuffer算法。

　　于是乎，一个多正方体demo新鲜出炉了-> 多正方体demo

　　如果要打造粒子化之正方体的效果，参考-> 谈谈文字图片粒子化 I

　　这里我设置了场景（Garden）、正方体（Cube）、面（Face）、点（Ball）四个类。

　　梳理一下多个正方体具体渲染过程：

先将正方体进行排序，确定正方体的绘制顺序
接着渲染每个正方体，先渲染正方体的各个点，改变各个点最新的坐标

for(var i = 0; i < 8; i++)
  this.p[i].render();

点渲染完后，根据最新的点的坐标调整正方体体心坐标，为下一帧的正方体排序准备

this.changeCoordinate();

获取每个面法向量和面中点和视点夹角cos值，如果大于0（夹角小于90）则绘制（这里其实不用排序）：

for(var i = 0; i < 6; i++)
  this.f[i].angle = this.f[i].getAngle();

this.f.sort(function (a, b) {
  return a.angle > b.angle;
});

for(var i = 0; i < 6; i++) {
  // 夹角 < 90，绘制
  if(this.f[i].angle > 0)
    this.f[i].draw();
}

反复渲染

　　完整代码如下：

 <!DOCTYPE html>
 <html>
   <head>
     <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=utf-8" />
     <title> rotate 3d</title>
     <script>
       window.onload = function() {
         var canvas = document.getElementById('canvas');
         var ctx = canvas.getContext('2d');
         // var img = document.getElementById('img1');
         // ctx.drawImage(img, 0, 0);
         // var data = ctx.getImageData(0, 0, canvas.width, canvas.height).data;
         // ctx.clearRect(0, 0, canvas.width, canvas.height);
         // var length = data.length;
         // var num = 0;
         // var textPoint = [];
         // var r = 5;
         // var offsetX = -130;
         // var offsetY = -170;
         // for (var i = 0, wl = canvas.width * 4; i < length; i += 4) {
         //   if (data[i + 3]) {
         //     var x = (i % wl) / 4;
         //     var y = parseInt(i / wl)
         //     num++;
         //     textPoint.push([offsetX + x * r * 2, offsetY + y * r * 2]);
         //   }
         // }

         var garden = new Garden(canvas);

         // 设置二维视角原点(一般为画布中心)
         garden.setBasePoint(500, 250);
         // for(var i = 0; i < textPoint.length; i++)
         //   garden.createCube(textPoint[i][0], textPoint[i][1], 0, r - 1);

         // 构造
         var z = 20;
         garden.createCube(0, 0, z, 30);
         garden.createCube(60, 0, z, 20);
         garden.createCube(-60, 0, z, 20);

         garden.createCube(0, 60, z, 20);
         garden.createCube(60, 60, z, 20);
         garden.createCube(-60, 60, z, 20);
         garden.createCube(60, -60, z, 20);
         garden.createCube(0, -60, z, 20);

         garden.createCube(-60, -60, z, 20);

         // 设置监听
         // garden.setListener();

         // 渲染
         setInterval(function() {garden.render();}, 1000 / 60);
       };

       function Garden(canvas) {
         this.canvas = canvas;
         this.ctx = this.canvas.getContext('2d');

         // 三维系在二维上的原点
         this.vpx = undefined;
         this.vpy = undefined;
         this.cubes = [];
         this.angleY = Math.PI / 180 * 1;
         this.angleX = Math.PI / 180 * 1;
       }

       Garden.prototype = {
         setBasePoint: function(x, y) {
           this.vpx = x;
           this.vpy = y;
         },

         createCube: function(x, y, z, r) {
           this.cubes.push(new Cube(this, x, y, z, r));
         },

         render: function() {
           this.ctx.clearRect(0, 0, this.canvas.width, this.canvas.height);
           // var that = this;
           this.cubes.sort(function (a, b) {
           if(b.z !== a.z)
             return b.z - a.z;
           else if(b.x !== a.x) {
             if(b.x >= 0 && a.x >= 0 || b.x <= 0 && a.x <= 0)
               return Math.abs(b.x) - Math.abs(a.x);
             else return b.x - a.x;
           } else {
             if(b.y >= 0 && a.y >= 0 || b.y <= 0 && a.y <= 0)
               return Math.abs(b.y) - Math.abs(a.y);
             else return b.y - a.y;
           }
         });

           for(var i = 0; i < this.cubes.length; i++)
             this.cubes[i].render();
         }

         // setListener: function() {
         //   var that = this;
         //   document.addEventListener('mousemove', function(event){
         //     var x = event.clientX - that.vpx;
         //     var y = event.clientY - that.vpy;
         //     that.angleY = -x * 0.0001;
         //     that.angleX = y * 0.0001;
         //   });
         // }
       };

       function Ball(cube, x, y, z) {
         this.cube = cube;

         // 三维上坐标
         this.x = x;
         this.y = y;
         this.z = z;

         // 二维上坐标
         this.x2 = undefined;
         this.y2 = undefined;
       }

       Ball.prototype = {
         // 绕y轴变化，得出新的x，z坐标
         rotateY: function() {
           var cosy = Math.cos(this.cube.angleY);
           var siny = Math.sin(this.cube.angleY);
           var x1 = this.z * siny + this.x * cosy;
           var z1 = this.z * cosy - this.x * siny;
           this.x = x1;
           this.z = z1;
         },

         // 绕x轴变化，得出新的y，z坐标
         rotateX: function() {
           var cosx = Math.cos(this.cube.angleX);
           var sinx = Math.sin(this.cube.angleX);
           var y1 = this.y * cosx - this.z * sinx;
           var z1 = this.y * sinx + this.z * cosx;
           this.y = y1;
           this.z = z1;
         },

         getPositionInTwoDimensionalSystem: function(a) {
           // focalLength 表示当前焦距，一般可设为一个常量
           var focalLength = 300;
           // 把z方向扁平化
           var scale = focalLength / (focalLength + this.z);
           this.x2 = this.cube.garden.vpx + this.x * scale;
           this.y2 = this.cube.garden.vpy + this.y * scale;
         },

         render: function() {
           this.rotateX();
           this.rotateY();
           this.getPositionInTwoDimensionalSystem();
         }
       };

       function Cube(garden, x, y, z, r) {
         this.garden = garden;

         // 正方体中心和半径
         this.x = x;
         this.y = y;
         this.z = z;
         this.r = r;

         this.angleX = Math.PI / 180 * 1;
         this.angleY = Math.PI / 180 * 1;

         // cube的8个点
         this.p = [];

         // cube的6个面
         this.f = [];

         this.init();
       }

       Cube.prototype = {
         init: function() {
           // 正方体的每个顶点都是一个ball类实现
           this.p[0] = new Ball(this, this.x - this.r, this.y - this.r, this.z - this.r);
           this.p[1] = new Ball(this, this.x - this.r, this.y + this.r, this.z - this.r);
           this.p[2] = new Ball(this, this.x + this.r, this.y + this.r, this.z - this.r);
           this.p[3] = new Ball(this, this.x + this.r, this.y - this.r, this.z - this.r);
           this.p[4] = new Ball(this, this.x - this.r, this.y - this.r, this.z + this.r);
           this.p[5] = new Ball(this, this.x - this.r, this.y + this.r, this.z + this.r);
           this.p[6] = new Ball(this, this.x + this.r, this.y + this.r, this.z + this.r);
           this.p[7] = new Ball(this, this.x + this.r, this.y - this.r, this.z + this.r);

           // 正方体6个面
           this.f[0] = new Face(this, this.p[0], this.p[1], this.p[2], this.p[3]);
           this.f[1] = new Face(this, this.p[3], this.p[2], this.p[6], this.p[7]);
           this.f[2] = new Face(this, this.p[4], this.p[5], this.p[6], this.p[7]);
           this.f[3] = new Face(this, this.p[4], this.p[5], this.p[1], this.p[0]);
           this.f[4] = new Face(this, this.p[0], this.p[3], this.p[7], this.p[4]);
           this.f[5] = new Face(this, this.p[5], this.p[1], this.p[2], this.p[6]);
         },

         render: function() {
           for(var i = 0; i < 8; i++)
             this.p[i].render();

           // 八个点的坐标改变完后，改变cube体心坐标，为下一帧cube的排序作准备
           this.changeCoordinate();

           for(var i = 0; i < 6; i++)
             this.f[i].angle = this.f[i].getAngle();

           // 不是必须
           this.f.sort(function (a, b) {
             return a.angle > b.angle;
           });

           for(var i = 0; i < 6; i++) {
             // 夹角 < 90，绘制
             if(this.f[i].angle > 0)
               this.f[i].draw();
           }
         },

         // cube体心坐标改变
         changeCoordinate: function() {
           this.x = this.y = this.z = 0;
           for(var i = 0; i < 8; i++) {
             this.x += this.p[i].x;
             this.y += this.p[i].y;
             this.z += this.p[i].z;
           }
           this.x /= 8;
           this.y /= 8;
           this.z /= 8;
         }
       };

       function Face(cube, a, b, c, d) {
         this.cube = cube;
         this.a = a;
         this.b = b;
         this.c = c;
         this.d = d;
         this.color = '#' + ('00000' + parseInt(Math.random() * 0xffffff).toString(16)).slice(-6);
         // 面的法向量和面心到视点向量的夹角的cos值
         this.angle = undefined;
       }

       Face.prototype = {
         draw: function() {
           var ctx = this.cube.garden.ctx;
           ctx.beginPath();
           ctx.fillStyle = this.color;
           ctx.moveTo(this.a.x2, this.a.y2);
           ctx.lineTo(this.b.x2, this.b.y2);
           ctx.lineTo(this.c.x2, this.c.y2);
           ctx.lineTo(this.d.x2, this.d.y2);
           ctx.closePath();
           ctx.fill();
         },

         // 获取面的法向量和z轴夹角
         getAngle: function() {
           var x = (this.a.x + this.b.x + this.c.x + this.d.x) / 4 - this.cube.x;
           var y = (this.a.y + this.b.y + this.c.y + this.d.y) / 4 - this.cube.y;
           var z = (this.a.z + this.b.z + this.c.z + this.d.z) / 4 - this.cube.z;
           // 面的法向量
           var v = new Vector(x, y, z);

           // 视点设为(0,0,-500)
           var x = 0 - (this.a.x + this.b.x + this.c.x + this.d.x) / 4;
           var y = 0  - (this.a.y + this.b.y + this.c.y + this.d.y) / 4;
           var z = - 500 - (this.a.z + this.b.z + this.c.z + this.d.z) / 4;
           // 面心指向视点的向量
           var v2 = new Vector(x, y, z);
           return v.dot(v2);
         }
       };  

       function Vector(x, y, z) {
         this.x = x;
         this.y = y;
         this.z = z;
       }    

       // 向量点积，大于0为0~90度
       Vector.prototype.dot = function(v) {
         return this.x * v.x + this.y * v.y + this.z * v.z;
       }

     </script>
   </head>
   <body bgcolor='#000'>
     <canvas id='canvas' width=1000 height=600 style='background-color:#000'>
       This browser does not support html5.
     </canvas>
   </body>
 </html>

　　总之这样的操作正方体之间的遮掩顺序还是会出现错误的，比如下图：

　　ps，这是在其他地方看到的判断函数，占位，备用：

事情的结果

　　事情似乎得到了一个较为满意的结果。如果正方体面没有紧紧相邻，体验效果还是不错的。（紧紧相交会出现闪动）

　　事实上，因为canvas暂时只支持2d，所以3d的渲染如果要得到最好的效果还是要使用webGL，但是这个思考的过程还是很重要的。

　　That's all.