Day8 - 2D渲染環境基礎篇 IV[像素操作概論] - 成為Canvas Ninja ～理解2D渲染的精髓

13th鐵人賽 canvas 2d

Mizok

2021-09-23 01:05:44

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『像素操作(Pixel Manipulation)』顧名思義就是要去以單一像素為最小單位來進行操作，而就像我們透過JS改變DOM結構所進行的『DOM操作』一樣。

canvas 像素操作起手式

上面我們提到了要做像素操作，就必須先取得像素。

就像DOM操作一樣，在操作DOM的時候我們通常要先抓取(query)到目標dom元素，然後才可以接著做append/prepend/setAttribute之類的事情。

而像素操作的第一步就是要先取得canvas的像素數據(Image Data)。

let imageData = ctx.getImageData(sx, sy, sw, sh);
// sx: 想要取得的圖像區域的左上角x軸座標值
// sy: 想要取得的圖像區域的左上角y軸座標值
// sw: 想要取得的圖像區域的寬度
// sh: 想要取得的圖像區域的高度

何謂像素數據(Image Data)

我們在前面有提到過，canvas可以被視為一群像素的集合體，而每一個像素本身是由4個channel值所組成的。

『一張寬度100px, 高度100px的canvas，它實際上就是100*100 = 10000個像素的集合體，而同時在程序上我們則可以把它轉換成一個長度為100*100*4的陣列(也就是一共40000個channel值)。』 --- 來自我們前面提過的內容

當我們用ctx.getImageData去取得完整一張canvas(sx,sy定為0, sw, sh定為canvas寬高)的imageData時，我們實際上會取得一個含有全部像素channel值的Uint8ClampedArray（8位元無符號整型固定陣列）

這邊我們透過console.log去檢驗一組由100px x 100px 大小canvas所提取的imageData

codepen連結: https://codepen.io/mizok_contest/pen/powKopj

簡單觀察一下首先可以發現, Uint8ClampedArray其實只是imageData的一部分(imageData.data)，其餘還會有height/width等屬性，imageData本身具備獨立的型別，就像String/Array 那樣，他不只單純是個物件而已。

有關於ImageData這個型別相關的資訊可以看這邊

然後接著看看Uint8ClampedArray的部分，可以發現他確實就是由全部像素的channel值所組成;由於我們填入的顏色是紅色(255,0,0,1)，所以channel值的分佈會是255,0,0,255這樣四個一組持續到結束的組合.....，這邊值得注意的一點是Uint8ClampedArray是以0到255來表示alpha channel的值，而不是0到1，那是因為8位元的關係(2的8次方是256, 而0~255剛好是256個數字)。

人類的眼睛大約只可分辨 1,000 萬種顏色，之所以channel值是用8位元陣列來表示，是因為256的3次方(rgb三原色)為16,777,216 , 這個數字恰好落在1000萬的level。

理解了ImageData的資料格式之後，接著可能就會有人問:

我們有沒有辦法從零自己建立一組新的ImageData?

Sure, 當然是可以的，而且方法還不只一種。

一般要自己create 新的ImageData，可以依靠:

2D渲染環境底下的createImageData方法（ctx.createImageData）
ImageData class的 constructor (支援性低)

這兩種方法的最大差別就在於前者需要編譯環境下有2DContext存在，但是後者就是可以直接New一個物件出來(適用在部分非瀏覽器環境，另外IE不支援這方法)。

自己建立出來一個ImageData物件之後，接著可能就會有人再問：

那要怎麼把建立出來的ImageData 放到Canvas渲染出來？

這時候就該ctx.putImageData登場了～

void ctx.putImageData(imageData, dx, dy);
void ctx.putImageData(imageData, dx, dy, dirtyX, dirtyY, dirtyWidth, dirtyHeight);
// dx: 置放該ImageData渲染區的座標X值(置放在目標canvas上的位置)
// dy: 置放該ImageData渲染區的座標Y值(置放在目標canvas上的位置)
// dirtyX: 可以只渲染該ImageData的一部分, 這個值就是用來定義渲染區的起始座標X值(這個值是相對於該ImageData的0,0圓點而言)
// dirtyY: 可以只渲染該ImageData的一部分, 這個值就是用來定義渲染區的起始座標Y值(這個值是相對於該ImageData的0,0圓點而言)
// dirtyWidth: 可以只渲染該ImageData的一部分, 這個值就是用來定義渲染區的寬度
// dirtyHeight: 可以只渲染該ImageData的一部分, 這個值就是用來定義渲染區的高度

介紹完基本的ImageData API，我們接著來看一個蠻經典的像素操作案例～

經典的像素操作案例解析 - 拼字圖畫(Image To Ascii)

所謂的拼字圖畫就是像下圖這種，把圖像變成不同符號所形成的一幅圖

這邊我分成幾個主要步驟稍微描述一下拼字圖畫的程序邏輯

用ctx.drawImage() 先把指定的圖片繪製到canvas上
從繪製好圖像的canvas上取得imageData
透過把imageData的每個像素點channel值總合取平均來將圖像轉為灰階
在迴圈中根據灰階圖像的imageData來把不同的channel值轉換為特定符號(例如0到50以@代替,51到100以#代替)，然後把這些符號作為字串植入pre元素，另外要注意，因為這邊是把圖像轉換成字串，所以每次loop到圖像最右邊緣的像素時，要記得補一個換行符號"\n"

接著是源碼：

// 取得圖像載入promise
function loadImage(src){
    let img = new Image();
    // 把resolve暴露給外部變數
    let resolve;
    let loadPromise = new Promise((res)=>{
         resolve = res;
    })
    // 這一步cross-origin是因為我們的圖片是外部來源
    // 如果沒有把外部來源設置為"Anonymous",drawImage方法會排除掉非本地來源的圖片資訊, 導致無法進行下一步繪圖
    img.crossOrigin = "Anonymous";
    img.onload = ()=>{
       resolve(img);
    }
    img.src = src;
  
    return loadPromise;
}

async function getImageDataFromImage(src,ratio = 0.5){
  // 這邊有一個ratio參數是因為我讀取的圖片稍微有點大張
  // 所以我補一個參數讓我可以自己決定要把圖片縮小多少倍率
  const img = await loadImage(src);
  const width = img.width * ratio;
  const height = img.height * ratio;
  // 把外部圖源繪製到架空的canvas上面然後取得imageData
  const cvs = document.createElement('canvas');
  const ctx = cvs.getContext('2d');
      cvs.width = width;
      cvs.height = height;
      ctx.drawImage(img,0,0,width,height);
  const imageData = ctx.getImageData(0,0,width,height);
  
  return imageData;
}

async function turnImageDataIntoGrayscale(src){
   const imageData = await getImageDataFromImage(src);
   const data = imageData.data;
  // 這邊這個loop的用意就在於把channel值依像素順序來執行程序
   for(let i=0;i<data.length;i = i+4){
     const r = data[i];
     const g = data[i+1];
     const b = data[i+2];
     //取得rgb值得平均, 如此一來因為rgb都變成同一個數值
     // 圖像就會變成灰階圖
     const average = (r+g+b)/3
     data[i] = data[i+1] = data[i+2] = average;
   }
  return imageData;
}

async function redrawAsASCII(src){
  const grayscaleImageData = await turnImageDataIntoGrayscale(src);
  // 取用的樣版字元
  const glyphSource = "＄＠＃＊。";
  let stringOutput = '';
  for(let i = 0;i<grayscaleImageData.data.length;i = i+4){
     
     const pixelIndex = Math.ceil(i/4);
     // 從像素的次序來判斷該像素是否為右邊緣像素
     const pixelIsRightRimPixel = (pixelIndex + 1) % grayscaleImageData.width === 0;
     // 根據像素的灰階值, 用內插的方式來決定要使用哪一個樣版字元來代表該像素
     const glyphIndex = 
       Math.floor(grayscaleImageData.data[i] / 255 * (glyphSource.length-1));
       
       stringOutput+=glyphSource[glyphIndex];
    
     if(pixelIsRightRimPixel){
       // 如果是最右邊緣像素, 則另外補一個換行符號
        stringOutput+='\n';
     }
  }
  // 把字串填入pre tag
  const text = document.querySelector('pre');
  text.innerHTML = stringOutput;
}




(()=>{
  redrawAsASCII('https://i.imgur.com/52TLlOk.png');
})()

codepen連結：https://codepen.io/mizok_contest/pen/vYZrXYP