Canvas 性能优化：脏矩形渲染

news2024/10/7 15:27:40

大家好，我是前端西瓜哥。

使用 Canvas 做图形编辑器时，我们需要自己维护自己的图形树，来保存图形的信息，并定义元素之间的关系。

我们改变画布中的某个图形，去更新画布，最简单的是清空画布，然后根据图形树将所有图形再绘制一遍，这在图形较少的情况下是没什么问题的。但如果图形数量很多，那绘制起来可能就出现卡顿了。

那么，有没有什么办法来优化一下？有，脏矩形渲染。

画布该如何更新？

这里我们假设这么一个场景，画布上绘制了随机位置大量的绿球，然后顶层再绘制一个红球。

现在我们希望红球跟着光标进行移动，底层的绿球保存不动，该怎么做更新？

首先我们不考虑 Canvas 分层 的做法，因为我这里只是为了方便，使用了比较简单的场景。实际场景会更复杂，通常是用光标选中一个元素去拖拽它，涉及 图形拾取 的实现，同时元素是会在任意层级的。这里为了聚焦于更新，所以去掉了这些无关紧要的点。

OK，回到正题，思考一下怎么做更新？

一种容易想到的方案是 全量更新，在鼠标移动的时候，将所有的球重新绘制一遍。前面也说了，这在球的数量较少的情况下倒是没什么问题，但如果图形逐渐增多，达到一定数量，就会出现 GPU 的瓶颈，出现掉帧的情况。因为要在非常短的时间内绘制大量的图形。

另一种方案就是本文的主题 脏矩形渲染 了，本质上是局部重绘。

脏矩形渲染原理

在讲解之前，我们先明白几个概念。

脏矩形：改变某个图形的物理信息后，需要重新渲染的矩形区域，通常为目标图形的当前帧和下一帧组成的包围盒。
包围盒：包围图形的最小矩形。通常用作低成本的碰撞检测。因为矩形的碰撞检测的算法是简单高效的，而复杂图形的碰撞检测是复杂且低效的。

脏矩形渲染简单来说，就是计算被改变的目标图形两帧所产生的包围盒（脏矩形），将该区域清空，然后将和脏矩形发生相交的所有图形在这个区域内重绘。

对于前面移动红球的场景，具体逻辑为：

计算红球在当前帧和下一帧所形成的包围盒，这个包围盒就是脏矩形；
遍历绿球的物理信息，计算它们的包围盒，取出和脏矩形发生相交的绿球；
将脏矩形区域清空；
将脏矩形设置为裁剪区域，这样保证只能绘制在脏矩形中；
按顺序绘制绿球，最后绘制红球。按顺序是为了保证层级正确。

相比全部绘制，局部绘制能有效减少需要绘制的图形数量，减少对 GPU 绘制指令的调用，从而提高渲染性能。

这里还有个优化点，就是减少遍历的图形数量，可以使用 四叉树碰撞检测 来做优化，具体读者可以自行网上搜索，晚点我会写一篇文章进行讲解。

脏矩形渲染实现

具体实现请看这个线上 demo：

https://codesandbox.io/s/1jr5lj

其中有下面这么一段代码，你可以通过注释和反注释来选择 “全局渲染” 还是 “脏矩形渲染”。

canvas.addEventListener("mousemove", (e) => {
  const x = e.clientX;
  const y = e.clientY;

  // 全部重渲染（性能很差）
  // ctx.clearRect(0, 0, canvasWidth, canvasHeight);
  // drawGreenBalls(greenBalls);
  // drawRedBall(x, y);

  // 局部重渲染（性能好）
  partRender(x, y);
});

此外，可通过 greenBallCount 变量设置绿球数量，测试性能的上限。

然后说说其中涉及的一些简单的算法，这些算法可以在我的 github 项目中找到：

https://github.com/F-star/graphics-algorithm

TypeScript 类型：

export interface IPoint {
  x: number;
  y: number;
}

export interface IRect {
  x: number;
  y: number;
  width: number;
  height: number;
}

/**
 * 数组长度必须大于等于 1 的 IRect 数组
 */
export type INoEmptyArray<T> = [T, ...T[]];

export type IBox = IRect;

export interface ICircle {
  x: number;
  y: number;
  radius: number;
}

（1）求多个圆形组成的包围盒

这个算法用于两帧红球形成的包围盒，也就是脏矩形。以及计算绿球的包围盒。

/**
 * 多个圆形组成的包围盒
 */
export function getCircleBBox(...circles: INoEmptyArray<ICircle>): IBox {
  // TODO: 优化为一次遍历
  const rects: IRect[] = circles.map((circle) => {
    const { x, y, radius } = circle;
    const d = radius * 2;
    return {
      x: x - radius,
      y: y - radius,
      width: d,
      height: d,
    };
  });
  return getRectBBox(...(rects as INoEmptyArray<IRect>));
}

/**
 * 多个矩形组成的包围盒
 */
export function getRectBBox(...rects: INoEmptyArray<IRect>): IBox {
  const first = rects[0];
  let x = first.x;
  let y = first.y;
  let x2 = x + first.width;
  let y2 = y + first.height;
  for (let i = 1, len = rects.length; i < len; i++) {
    const rect = rects[i];
    if (rect.x < x) {
      x = rect.x;
    }
    if (rect.y < y) {
      y = rect.y;
    }
    const _x2 = rect.x + rect.width;
    if (_x2 > x2) {
      x2 = _x2;
    }
    const _y2 = rect.y + rect.height;
    if (_y2 > y2) {
      y2 = _y2;
    }
  }
  return {
    x,
    y,
    width: x2 - x,
    height: y2 - y,
  };
}

（2）多个矩形是否相交（碰撞）

该算法用于找出和脏矩形碰撞的绿球。

/**
 * 矩形是否相交
 */
export function isRectIntersect(rect1: IRect, rect2: IRect) {
  return (
    rect1.x <= rect2.x + rect2.width &&
    rect1.x + rect1.width >= rect2.x &&
    rect1.y <= rect2.y + rect2.height &&
    rect1.height + rect1.y >= rect2.y
  );
}

（3）计算特定范围内的随机坐标

用于生成大量随机绿球。

function getRandPos(w, h, offset) {
  function getRandInt(min, max) {
    min = Math.floor(min);
    max = Math.ceil(max);
    return Math.floor(Math.random() * (max - min + 1) + min);
  }
  const x = getRandInt(0 + offset, w - offset);
  const y = getRandInt(0 + offset, h - offset);
  return { x, y };
}