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：
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 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 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。
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
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：
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 如果我们对圆进行动画看一下帧率：
circle-hit2.gif
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
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
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
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
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 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 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。
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
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：
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 如果我们对圆进行动画看一下帧率：
circle-hit2.gif
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
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
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
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
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