AntV 教你 2D Canvas 渲染优化
简介
HTML 上的图形渲染主要有两种方案 SVG 和 Canvas，前者更易于使用，而后者潜力更大，本文主要关注如何使用 Canvas 绘制出更多的图形，提供更加流畅的交互。本文的内容有：
- 渲染机制
- 性能瓶颈
- 绘制更多的图形
- 让交互更流畅
- webGL 实现 2D 渲染
渲染机制
我们以简单的一个圆为示例，来对比 SVG 和 Canvas 的渲染：<br />
image.png
- SVG 同其他的 HTML 标签一样，每个图形对应一个标签，图形的绘制同 HTML 标签一致
<svg>
<circle cx="100" cy="50" r="40" stroke="black" stroke-width="2" fill="red"/>
</svg>
- 而 Canvas 本质上是一个图片，无论有多少个图形只有一个标签，需要使用 javascript 来绘制图形
<canvas></canvas>
<script>
var ctx=c.getContext("2d");
ctx.strokeStyle = 'black';
ctx.fillStyle = 'red'
ctx.lineWidth = 2;
ctx.beginPath();
ctx.arc(100,50,40,0,2 * Math.PI);
ctx.stroke();
</script>
PS：你可以把 SVG 的理解成制作完一个个的图形放到页面上，而 Canvas 则是使用画笔一个个的绘制图形。<br />这篇文章并不是对比 SVG 和 Canvas 差异的文章，两者的差别 w3cshool 的描述非常准确。
如何拾取图形
circle-hit.gif
<br />由于 SVG 的图形是一个个的 HTML 标签，所以 SVG 的图形天然支持浏览器的所有事件。而 Canvas 是一张画布，使用一支笔将图形绘制到画布上后，这些图形就成为了画布的一部分，每个图形都无法独立的对浏览器的事件进行相应。有什么方式判断指定点所在的图形呢？主要有两种方案：
- 浏览器提供了 isPointInPath 和 isPointInStroke 两个方法判定点是否在图形内，点是否在图形的边上。
- 缓存所有图形的属性，使用数学方法来判断指定点所在的图形。
我们依然以一个圆为示例，来看这两种方式：
浏览器的方法
使用浏览器的方法需要重新绘制一遍图形：
ctx.beginPath();
ctx.arc(100,50,40,0,2 * Math.PI);
const inPath = ctx.isPointInPath(100, 100);
const inStroke = ctx.isPointInStroke(100, 100);
- 这是一种使用简单，同时所有图形都适用的方式，但是成本巨大，例如：鼠标每在画布上移动一次，都会导致所有的图形绘制一遍。
- 建议图形个数小于 500 个时使用这个方案。
数学拾取
需要对每种图形提供判断是否在图形内部和图形边上的方法：
function isInCircle(point, x, y, r) {
return distance(point.x, point.y, x, y) <= r;
}
function isInCircleStroke(point, x, y, r, lineWidth) {
const d = distance(point.x, point.y, x, y);
return d <= r + lineWidth / 2 && d >= r - lineWidth / 2;
}
const point = {x: 100, y: 100};
const inPath = isInCircle(point, 100, 50, 40);
const inStroke = isInCircle(point, 100, 50, 40, 2);
- 性能好：从性能上来说数学拾取的性能比使用浏览器的方法要快 20 倍左右
- 实现复杂：从实现上来说需要实现所有几何图形的数学计算，更多的数学计算参考 2D 图形计算
PS：两者的性能测试对比
| 浏览器 API | 数学计算 | |
|---|---|---|
| 1 | 111.02999997092411 | 4.779999959282577 |
| 2 | 110.53000000538304 | 5.694999999832362 |
| 3 | 117.55500000435859 | 7.979999994859099 |
| 4 | 126.2599999899976 | 5.354999972041696 |
| 5 | 110.8949999907054 | 4.725000006146729 |
| 6 | 121.6549999662675 | 6.2049999833106995 |
| 7 | 121.18500005453825 | 4.529999976512045 |
| 8 | 116.78500002017245 | 8.094999997410923 |
| 9 | 124.06000000191852 | 8.925000031013042 |
| 10 | 124.42499998724088 | 4.849999968428165 |
| 平均值 | 118.43799999915063 | 6.113999988883734 |
更多更快的拾取方案可以参考 2D 图形拾取方案
图形的更新
对于 SVG 的图形来说，直接修改对应标签的属性即可，有浏览器控制刷新图形。但是对于 Canvas 来说需要清除整个画布，重新绘制所有的图形，也就是说 Canvas 画布上有 10W 个图形，仅仅更新一个图形时，其他 99999 个图形也需要重新绘制。
function drawAll() {
// 绘制所有图形
}
function repaint() {
ctx.clearRect(0, 0, width, height);
drawAll();
}
性能瓶颈
从上面的渲染机制我们可以自然的推导出 Canvas 的图形渲染的性能瓶颈主要在三方面：
- 同一时间绘制过多的图形，会阻塞浏览器的进程，导致页面不能响应
- 鼠标在画布上移动时，如果不能及时捕捉鼠标，会导致卡顿
- 图形更新时，重绘的时间过长，则帧率非常低
渲染的成本
我们以绘制 1W 个圆作为示例，来看一下单次绘制的成本：
image.png
需要 51 ms，假如我们要绘制 10W 个点，则需要 510ms
拾取的成本
前面我们测试过图形拾取和数学拾取的差异，1W 个圆的拾取需要 11ms左右，如果再加上图形刷新的响应，可以预期帧率会非常低。
更新的成本
我们以鼠标在画布上移动，移入一个圆这个圆变颜色，我们来看一下画布整体刷新时的效果：<br />
circle-hit1.gif
- 可以看到明显的延迟，鼠标移动开一段距离后，点才响应
- 鼠标移动过的路径，大部分圆没有响应
circle-hit2.gif
<br />可以看到动画的帧率在 8 帧左右
绘制更多的图形
首次渲染时的优化
当一次渲染的图形过多时，将一次渲染分成多次渲染，每次渲染时间增加几毫秒的间隔，这时候就不会卡顿：
image.png
<br />这种方案虽然会增加总的渲染时长，但是可以降低页面的卡顿感，对所有图形进行整体更新时也可以使用这个方案，但是进行交互时这种方案会带来一定的延迟。
draw2.gif
- 这是一个 10W 个点渲染（局部 画布 1000 * 1000，这里仅显示了500* 500 的范围）的效果，可以保证近乎 60帧的效果
- 分段渲染的核心在于中间空白的间隔要足够小，这里面有很多的算法，就不在这里展开
- 分段渲染时数据更新时怎么处理，可以参考 react fiber 的实现。
频繁渲染的优化
鼠标在画布上移动时，不断的导致重绘，我们只要能够保证 60 帧的重绘频率即可，所以重绘的间隔不能小于 16ms，我们可以将持续渲染的同步机制，改成每 16 ms 渲染的异步延迟渲染机制，这样可以大大降低重绘的频率。
image.png
<br />异步渲染依然有很多需要思考的地方，可以参考延迟渲染实现
更新的优化
我们可以实现图形的局部刷新，在局部刷新时仅清空图形所在的包围盒，所有与这个包围盒相交的图形全部刷新，这时候我们来看上面的两个示例：当鼠标在画布上移动时，这就流畅多了，基本上没有延迟
circle-hit4.gif
同样的动画，可以看到支持了局部刷新后可以直接到达 60 帧<br />
circle-hit3.gif
局部刷新的具体实现比这复杂的多，后面我会写一篇更详细的关于局部刷新的文章，这里可以参考 局部刷新文档
拾取的优化
拾取的优化我们在上面已经进行了简单的说明，数学拾取的性能远远超过使用浏览器的方法来拾取，更多的拾取方案参考：2D 图形拾取方案
webGL 实现 2D 渲染
渲染性能的提升
由于 webGL 的渲染是在 GPU 中进行，可以显著的提升渲染效率，可以看下面的示例：
draw3.gif
- 这是一个 80 * 80 * 80 = 512000 个点的示例
一些限制
- 由于 webGL 的渲染时基于光栅（点），所以绘制线时本质上是通过一个个的点来绘制，逐点计算贝塞尔等曲线不现实，因此绘制的这些曲线不够平滑。
- 绘制图形时尽量不要直接在 cpu 中计算各个图形的几何模型，而使用 shader 对图形进行计算和渲染，否则性能反而会下降
- 文本的渲染非常复杂，也不会带来性能的提升
总结
这些优化大部分已经在 2D 绘图引擎 G上实现 ，2D 图形的渲染优化主要在异步渲染、拾取加速和局部渲染三个方面，但是每个方面都非常复杂，都可以独立成章，本文仅仅是从思路上进行讲解，更多更细的分析都会在后面提供独立的章节进行讲解，敬请期待！
AntV 官网：https://antv.vision/
2D 绘图引擎 G：https://github.com/antvis/g
