1、前言
说到数据可视化,大家应该都不陌生。它旨在借助于图形化手段,清晰有效的传达与沟通信息。广义的数据可视化涉及信息技术、自然科学、统计分析、图形学等多种学科。
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我们熟知的图形、图表以及地图等都属于数据可视化的范畴。今天我们主要讨论数据可视化中的图表,像柱状图、折线图、面积图、饼图、热力图都是使用频率非常高的图表。
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如果要在移动端绘制一个类似于下图,使用真实数据渲染的简单面积图表,我们应该如何实现它呢?相信大家脑子里应该都有各种方案了,那么接下来我们就来一步步实现它。
2、技术选型
需求
- 图表样式定制化图表样式为我司设计师独立设计,最终实现效果应该做到100%还原设计细节;
- 交互效果默认情况下数据游标只显示当前数据点,如需查看其他月份或者时刻数据,需要用户手动点击切换;
- 曲线面积图最终需要绘制出一个面积图,也就是用真实数据绘制出的曲线与坐标轴相交而形成的一个区域;
明确了具体的需求之后,我们就可以考虑技术方案选型了。
2.1 图表库
目前业界有很多成熟的图表库,像我们熟知的highcharts、echarts,Bizcharts,G2,更高阶的three.js等等。如果采用现有图表库来实现上述图表的话,会存在以下一些问题。
- 无法100%还原图表样式
- 包体积大,引入会造成项目性能问题
引入现有图表库的方案固然非常简单,大大节省了前端同学的开发量。但是存在着以上两个比较突出的问题。
图表库的图表样式都是通过配置完成,实现出来的效果在某些细节上难以完全还原设计稿,并且翻文档测试配置项的过程也比较繁琐。而且如果后续设计同学需要优化图表样式,并且此优化难以通过现有图表库配置项实现的话,那可能就需要二次开发图表库,对我们来说,也是一个不小的工作量;
通常C端的图表需求并不是那么通用,可能一个项目也就实现这么一两个图表,如果引入图表库的话,对项目本身来说,无形中又增加了一些打包成本。那有些同学可能会说,现在的某些图表库已经可以按需引用了,这样增加打包体积这个问题可能就不是问题了,虽然现在的某些比较成熟的图表库可以按需引用,但是在引用某个图表文件之前还是要引入一些核心文件,这些核心文件依然会占据不小的包体积。总结来说,引入现有图表库的方案成本高、灵活性差。
2.2 canvas
canvas相信对每一个前端开发者来说都不陌生,如果我们采用canvas来绘制图表的话,有两个问题比较棘手,上文中有提到过,我们要实现的图表是有交互效果的,当用户点击数据点的时候,则需要显示当前数据点的数据游标,再点击其他数据点的时候,数据游标也要相应的切换。大家都知道,使用原生canvas来实现事件系统异常麻烦,并且canvas的重绘机制也是我非常不喜欢的一点。总结一下,原生canvas没有完备的事件系统,重绘机制繁琐;
当然,现在也有很多优秀的canvas框架能够解决上述问题,比如fabric.js和konva.js,尤其是fabric.js,让我们使用canvas不再别扭,感兴趣的同学也可以尝试一下。
2.3 svg
svg是一种基于XML语法的图像格式,是可缩放的矢量图形。那什么是矢量图形呢?矢量图是计算机图形学中用点、直线或者多边形等基于数学方程的几何图元表示的图像,所以矢量图具有无论放大多少倍都不会失真的特性。而与之相对应的则是位图,位图是用像素阵列表示的图像。svg在绘制图表上有天然的优势,
- 开发成本低svg基于XML语法,XML语法是一种类似于HTML语法的可扩展标记语言,也就是说svg是使用一系列的元素(line、circle,polygon等)来描述图形的。那svg元素和dom元素之间是不是存在着某种关联呢?
- 我们由元素间的继承关系可以得出的结论是:svg元素和dom元素基本相似,因此对于svg元素,完全可以从dom元素的角度去理解和应用,上手成本几乎就可以忽略不计了。并且svg和css,javascript等其他网络标准无缝衔接。本质上,svg相对于图像,就好比html相对于文本;
- 完备的事件系统由于svg元素与dom元素类似,因此dom元素中的事件系统对于svg同样适用;
- 文件体积小,兼容性好前文已经介绍过,svg绘制出来的是一种矢量图形,而矢量图形都是使用点、直线等几何图元构成的图形,是对图像的图形描述,本质上依然是文本文件,所以它具有体积小的天然优势。svg是由万维网联盟(W3C)自1999年开始开发的开放标准。兼容性方面几乎所有主流浏览器都支持。
因此,最终我选择了使用svg来绘制图表。
3、svg基础
在我们正式绘制图表之前,首先需要了解一些svg的基础知识。
3.1 svg元素
svg图像就是使用不同的svg元素来创建的,svg元素常用的主要分为动画元素,形状元素,字体元素,图形元素,文本元素等。
- 形状元素<circle>, <ellipse>, <line>, <mesh>, <path>, <polygon>, <polyline>, <rect>形状元素是绘制svg图像最常用的,path元素是svg中一个非常强大的元素,它类似于canvas中的path,利用它能够绘制出任何你想要的图形。在我们本次绘制图表过程中,path元素亦不可或缺;
- 动画元素<animate>,<animateColor>,<animateMotion>,<animateTransform>,<discard>,<mpath>,<set>想要给svg元素添加动画,最简单的方式是使用动画元素,即用动画元素包裹住svg图形,即可添加动画;
其他元素就不再赘述。
3.2 svg应用场景
- iconfont图标库和字体库iconfont图标库应该是svg最常见的一个使用场景,svg矢量图、文件小的特性使得它非常适合来绘制小图标,像我们转转的图标库也是使用svg来绘制的。svg绘制图标也有一些小小的缺点,比如它只能绘制纯色或者css渐变色图标,从颜色方面来说没有图片色系丰富,层次分明。
- 业务动画我们业务中一些常用的动画场景也会使用svg实现,比如loading效果,圆环进度条,商品添加购物车特效等;像商品添加购物车的特效在电商网站是非常常见的,一般我们的实现思路是使用js+css动画实现;其实svg中的路径动画更适用于这个场景,我们可以在需要加购的商品和购物车之间绘制一条隐形的path,当用户触发加购操作的时候触发路径动画,即animateMotion,这样也可以实现同样的功能。
4、svg如何绘制图表?
通过以上对背景以及一些前置知识的介绍,相信大家已经对svg有了一个初步的了解,接下来我们就回到最初的问题,如何通过svg来从头开始绘制一个曲线面积图?我主要分了以下几个步骤,下文会对每个步骤逐一进行说明。
4.1 坐标系
计算机绘图使用的坐标系统都是网格坐标系。其以左上角作为坐标系的原点,X轴正方形向右逐渐开始增大,Y轴正方向向下逐渐开始增大。
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了解了svg的坐标系之后,我们来绘制曲线面积图中的坐标系,坐标系其实就是由两条线相交而成,svg中的line元素就是用来绘制直线的,所以使用line元素就可以绘制出X轴和Y轴。需要注意的是svg的坐标系原点在左上角,而我们需要实现的图表中坐标系原点在左下角,所以在实现的时候要对y轴的实际坐标进行处理。
4.2 网格
在我们需要实现的两个图表中,图表背景处均有网格,网格的实现原理也是使用line元素,只要标记好起点以及终点,就可以完美绘制。此处不再展开。
4.3 数据点和数据游标
数据点:即用来标记当前数据位置的小原点,数据点有两种状态,分别是未点击态和点击态,实现数据点我们使用svg中的circle元素即可。当数据点被点击时,我们只需要更改circle元素的填充属性。
数据游标:数据游标在我们的图表里是一个不规则图形,其有点类似于会话气泡。我们要实现数据游标有两种方式,第一种方式是使用svg的path元素来绘制,那path元素的参数具体应该怎么设置呢?其实可以跟设计师同学沟通,一般设计同学在用设计软件导出的时候,设计软件会携带path元素的具体参数,这是方案一;还有第二种比较简单的方案是利用svg中的image元素,也就是将数据游标当作一个图片绘制到图表中,这种方案比较简单省事,我采用的也是此方案。
4.4 曲线
接下来就要绘制图表中最重要的一个部分,也就是用真实数据渲染出来的一条曲线,绘制曲线我们依然是利用path元素绘制贝塞尔曲线,贝塞尔曲线只需要少量的点就可以绘制一条光滑曲线。在svg中,path元素用来绘制贝塞尔曲线的命令有两组,第一组是C,S命令,用来绘制三次贝塞尔曲线;第二组是Q,T命令,用来绘制二次贝塞尔曲线。
我绘制图表使用的是三次贝塞尔曲线,那首先了解一下三次贝塞尔曲线。
其中,t代表斜率,取值为0-1;p0代表起始点坐标(x0,y0);p1代表第一个控制点坐标(x1,y1);p2代表第二个控制点坐标(x2,y2);p3代表终点坐标(x3,y3);pt代表这条曲线上的任意一个点坐标(xt,yt)。当t由0-1逐渐变化的时候,可以得到一系列的(xt,yt),这一系列(xt,yt)就组成了一条三次贝塞尔曲线,这就是三次贝塞尔曲线的定义。
通过以上介绍可知,绘制三次贝塞尔曲线必须得知道起始点、两个控制点以及终点。后端会返回给我们相应的几个数据点,也就是说这几个数据点的坐标是已知的,现在的问题就成了给定一组已知数据点,如何拟合成一条曲线?其实思路很简单,假如说有已知的5个点,那么我们将第一个点作为起始点,第二个点作为终点,计算出他们之间的控制点,绘制一条曲线,同样的,又以第二个点作为起点,第三个点作为终点,再重复以上过程,最终即绘制出一条横穿五个点的平滑曲线。
此处附上算法源码
4.5 面积
最后一步就是绘制曲线与X轴和Y轴相交而形成的面积部分。假如说这条曲线不是一条曲线而是一条折线的话,那么其实很容易就能实现。我们将这条折线与X轴和Y轴连接起来形成一个闭合图形polygon,然后通过给polygon进行填充即可得到折线的面积图。
我们利用这个思路,如果一条折线上的点足够多的话,那么这条折线就会无限趋近于一条曲线。反之,一条曲线也可以看成是无限多的点构成的折线,所以我们利用svg中的getTotalLength()和getPointAtLength()这两个方法就可以将path转换为多边形,最后再填充多边形即可得到最终的面积图。
5、结语
通过以上5个步骤,我们就能够基于svg从头开始实现一个简单的曲线面积图。svg的使用场景还是非常丰富的,并且兼容性一直都不错,如果需要实现这种相对不那么复杂且交互少的图形,svg还是一个不错的方案。如果要实现复杂图层、复杂动效以及复杂交互,canvas框架可能会是一个更好的选择。
最后,开年第一篇,祝大家新年快乐,2023突(兔)飞猛进,大展鸿图(兔),前途(兔)无量!
参考
https://www.infoq.cn/article/ogwddr4u8x0s*5aaytsh https://gist.github.com/mingzhi22/be3324ffd9765687ea2f