怎样用JavaScript和HTML5 Canvas绘制图表

原文：https://code.tutsplus.com/zh-...
原作：John Negoita
翻译：Stypstive

在这篇教程中，我将展示用JavaScript和canvas作为手段，在饼状图和圆环图上显示数字信息。

与从零到一创建图表相比，其实有更简便的方式，例如用CodeCanyon上的这个图表库

但是如果你想知道库背后的原理，往下读。

什么是饼状图？

图表是用来图形化展示数据的工具。饼状图将数据用切割成份的圆来展示。每份的大小代表了数据值所代表的比例大小。

什么是圆环图？

简而言之，圆环图是饼状图的一个变种。不同的是每份切向饼图的中心，这样只有轮缘是可见。就这样，图表就如其名一个圆环。

开始用Canvas画

绘制饼图之前, 我们先看看它的组成部分。我们先看看如何用canvas组件和JavaScript来画：

一条线
一个弧度（一个圆的部分）
一个颜色填充的图形

要想用HTML canvas画它，我们需要先创建几样东西：

创建一个项目文件夹，把它命名为piechart-tutorial
在piechart-tutorial文件夹中创建一个HTML文件index.html 这个文件中将是HTML代码。
一个JS文件scritp.js在piechart-tutorial文件夹中这个文件中将是JavaScript代码。

我们将能简就简，然后添加一下代码到index.html中：

<html>

<body>

    <canvas id="myCanvas"></canvas>

  <script type="text/javascript" src="script.js"></script>

</body>

</html>

我们有一个ID为myCanvas的<canvas>元素。然后我们通过<script>标签载入JS代码。

在script.js中，JS代码首先获取一个canvas的索引，然后设置canvas的宽和高。要想在canvas上画，我们只需要一个2D上下文，哪里包含着所有的绘图方法。

var myCanvas = document.getElementById("myCanvas");

myCanvas.width = 300;

myCanvas.height = 300;

var ctx = myCanvas.getContext("2d");

现在我们已经设置了canvas的宽和高，同时也获取了canvas的索引，接下来我们定义一些画饼状图时，需要用到的可重用的函数。我们将函数添加在script.js文件中。

function drawLine(ctx, startX, startY, endX, endY){

    ctx.beginPath();

    ctx.moveTo(startX,startY);

    ctx.lineTo(endX,endY);

    ctx.stroke();

}

函数drawLine接受5个参数：

ctx: 指向绘图上下文的索引
startX:线段起始点的X坐标
startY:线段起始点的Y坐标
endX:线段结束点的X坐标
endY:线段结束点的Y坐标

我们通过调用beginPath()来开始划线。它通知绘图上下文，我们要在canvas上画一些东西了。我们用moveTo()来设置起始点，调用lineTo()来表示结束点，然后调用stoke()来进行真正的绘图。

现在看看我们如何画圆的一部分，也叫做弧度。

function drawArc(ctx, centerX, centerY, radius, startAngle, endAngle){

    ctx.beginPath();

    ctx.arc(centerX, centerY, radius, startAngle, endAngle);

    ctx.stroke();

}

函数drawArc接受6个参数：

ctx:指向绘图上下文的索引
centerX:圆心的X坐标
centerY:圆心的Y坐标
radius: 圆的半径
startAngle:部分圆的扇形的开始角度
endAngle: 部分圆的扇形的结束角度

我们已经知道怎样画线和弧度了，现在让我看看如何画带颜色的形状。由于我们的目标是画一份份组成的饼状图，所以我们创建一个画饼形图的份的函数。

function drawPieSlice(ctx,centerX, centerY, radius, startAngle, endAngle, color ){

    ctx.fillStyle = color;

    ctx.beginPath();

    ctx.moveTo(centerX,centerY);

    ctx.arc(centerX, centerY, radius, startAngle, endAngle);

    ctx.closePath();

    ctx.fill();

}

函数drawPieSlice接受7个参数：

ctx:指向绘图上下文的索引
centerX：圆心的X坐标
centerY：圆心的Y坐标
radius：圆的半径
startAngle：部分圆的扇形的起始角度
endAngle：部分圆的扇形的结束角度
color：填充的颜色

以下是调用这三个函数的例子：

drawLine(_ctx,100,100,200,200);

drawArc(_ctx, 150,150,150, 0, Math.PI/3);

drawPieSlice(_ctx, 150,150,150, Math.PI/2, Math.PI/2 + Math.PI/4, '#ff0000');

它将产生如下结果：

现在，我们有了画一个饼形图的所有必要的工具，让我们看看如何一起使用它们。

画饼形图

在概念上，任意图表都有两部分：

包含要展示的数据的数据模型。这由特定类型的图表进行结构化。
图形化展示是指按照数学公式的规则，将数据模型中的数据通过视觉元素来进行展示。

饼状图数据模型
结构化饼状图数据的方式中，最常用的就是用一系列的类别和对应的值，每个类别的值与饼图的份相关联。

例如，饼图的数据模型展示按照流派进行分组，看起来就是下面这样：

古典音乐：10
另类摇滚：14
流行：2
爵士：12

我们可以在script.js文件中添加一个JS对象来存储数据模型，如下：

var myVinyls = {

    "Classical music": 10,

    "Alternative rock": 14,

    "Pop": 2,

    "Jazz": 12

};

饼状图的图形化展示
饼状图用圆来显示数据模型中的信息，通过将圆切分成一份份。每份和数据模型中的类别对应，每份的大小与对应类别的值成正比。

我的音乐集有四个类别。每个类别在饼形图中的份数大小，与它的类别对应的值成正比。

但是我们怎样度量份数的大小？简单--我们通过每份的角度。我们所需要知道的就是它占360度或者2PI的份数。那么半圆就是180deg或者PI，1/4圆90度或PI/2，以此类推。

为了决定每个类别的份的角度，我们用以下公式：

份角度= 2 * PI * 类别值 / 总值

按照这个公式，古典音乐的那份近似得到如下角度。 0.526 * PI 或者 94度

让我开始画吧。这次我们将用JavaScript类，将其命名为 PieChart 构造函数接受options做为参数，options包含以下：

canvas：指向我们想要画饼状图的索引
data：盛放数据模型的对象的索引
colors：一个数组，数组中是每份的颜色。

PieChart类同时也包含一个draw()方法，它来对图表进行实际的绘制。

var Piechart = function(options){

    this.options = options;

    this.canvas = options.canvas;

    this.ctx = this.canvas.getContext("2d");

    this.colors = options.colors;

    this.draw = function(){

        var total_value = 0;

        var color_index = 0;

        for (var categ in this.options.data){

            var val = this.options.data[categ];

            total_value += val;

        }

        var start_angle = 0;

        for (categ in this.options.data){

            val = this.options.data[categ];

            var slice_angle = 2 * Math.PI * val / total_value;

            drawPieSlice(

                this.ctx,

                this.canvas.width/2,

                this.canvas.height/2,

                Math.min(this.canvas.width/2,this.canvas.height/2),

                start_angle,

                start_angle+slice_angle,

                this.colors[color_index%this.colors.length]

            );

            start_angle += slice_angle;

            color_index++;

        }

    }

}

类中首先将传入的options参数进行存储。它保存了canvas的索引，同时也创建一个绘画上下文作为类成员变量。然后它存储了options中的colors数组。

接下来的部分是最根本的，函数draw()。它会从数据模型中提取数据。首先，它计算数据模型中所有数据值的和。然后对其中每个类别应用上面提到的计算角度的函数。最后我们调用drawPieSlice()函数，用canvas的中心作为饼状图的中心。至于半径，我们用canvas宽度的一半与canvas高度的一半的较小值，因为我们不想让饼状图超出canvas。

同样，每次画一个类别时，要偏移每份的起始角度和结束角度，否则会发生重叠。

要想使用类，我们必须先创建一个实例对象，然后在创建的对象上调用draw()方法。

var myPiechart = new Piechart(

    {

        canvas:myCanvas,

        data:myVinyls,

        colors:["#fde23e","#f16e23", "#57d9ff","#937e88"]

    }

);

myPiechart.draw();

结果看起来如下这样:

绘制圆环图

我们已经看到如何创建饼状图。同样我们看到，圆环图与饼状图不同之处仅在于中间多了一个洞。怎样画洞呢？我们可以画一个白色的圆在饼状图上。

让我们通过修改PieChart类来做它。

var Piechart = function(options){

    this.options = options;

    this.canvas = options.canvas;

    this.ctx = this.canvas.getContext("2d");

    this.colors = options.colors;

    this.draw = function(){

        var total_value = 0;

        var color_index = 0;

        for (var categ in this.options.data){

            var val = this.options.data[categ];

            total_value += val;

        }

        var start_angle = 0;

        for (categ in this.options.data){

            val = this.options.data[categ];

            var slice_angle = 2 * Math.PI * val / total_value;

            drawPieSlice(

                this.ctx,

                this.canvas.width/2,

                this.canvas.height/2,

                Math.min(this.canvas.width/2,this.canvas.height/2),

                start_angle,

                start_angle+slice_angle,

                this.colors[color_index%this.colors.length]

            );

            start_angle += slice_angle;

            color_index++;

        }

        //drawing a white circle over the chart

        //to create the doughnut chart

        if (this.options.doughnutHoleSize){

            drawPieSlice(

                this.ctx,

                this.canvas.width/2,

                this.canvas.height/2,

                this.options.doughnutHoleSize * Math.min(this.canvas.width/2,this.canvas.height/2),

                0,

                2 * Math.PI,

                "#ff0000"

            );

        }

    }

}

添加的代码在options参数中，通过一个doughnutHoleSize成员变量。如果这个参数在options中没有传，代码就按照之前的进行绘制，如果传了，就在饼状图中心画一个白色的圆形。

圆的半径由饼形图的半径和doughnutHoleSize参数的乘积来决定。它应该是0到1之间的数字，0代表饼形图，大于0时，值越大饼形图中间的洞越大，当值为1时会使图表不可见。

要想画一个图表一半大小的圆环图，我们可以将doughnutHoleSize设置为0.5，然后像下面这样调用：

var myDougnutChart = new Piechart(

    {

        canvas:myCanvas,

        data:myVinyls,

        colors:["#fde23e","#f16e23", "#57d9ff","#937e88"],

        doughnutHoleSize:0.5

    }

);

myDougnutChart.draw();

以下是结果：

添加标签和图表图例

我们的饼状图表和圆环图表看起来挺棒了，但是它会变得更棒，通过添加两样东西：

值标签：显示每份对应的百分比
图表图例：显示图表中每个类别和颜色的对应关系

通常，每份的值用百分比来表示，通过100 * 每份值 / 总的值来计算，整个圆代表100%。

例如，在我们的例子数据中，古典音乐可以近似地用26%来表示。如果能将这个值刚好显示在对应的份上面就太好了。要想这样，我们可以用绘图上下文的fillText(text, x, y)函数。这个函数接受三个参数：文本和x，y坐标。

怎样计算放置文本的x和y坐标呢？我们必须动用一些几何知识了，一个叫做极坐标的东西。一般地，极坐标用半径和角度来定义一个点的位置。我们将要用到的两个公式是：

x = R * cos(angle)

y = R * sin(angle)

我们将要应用这个公式，将文本放在饼状图的半径的一半位置与每份角度的一半位置处。要想做它，我们需要修改我们的PieChart类，增加如下代码在if(this.options.doughnutHoleSize){...}代码块中。

...

start_angle = 0;

for (categ in this.options.data){

    val = this.options.data[categ];

    slice_angle = 2 * Math.PI * val / total_value;

    var pieRadius = Math.min(this.canvas.width/2,this.canvas.height/2);

    var labelX = this.canvas.width/2 + (pieRadius / 2) * Math.cos(start_angle + slice_angle/2);

    var labelY = this.canvas.height/2 + (pieRadius / 2) * Math.sin(start_angle + slice_angle/2);

    if (this.options.doughnutHoleSize){

        var offset = (pieRadius * this.options.doughnutHoleSize ) / 2;

        labelX = this.canvas.width/2 + (offset + pieRadius / 2) * Math.cos(start_angle + slice_angle/2);

        labelY = this.canvas.height/2 + (offset + pieRadius / 2) * Math.sin(start_angle + slice_angle/2);

    }

    var labelText = Math.round(100 * val / total_value);

    this.ctx.fillStyle = "white";

    this.ctx.font = "bold 20px Arial";

    this.ctx.fillText(labelText+"%", labelX,labelY);

    start_angle += slice_angle;

}

...

上面代码遍历每份，计算百分比和位置，然后调用fillText()方法将之绘制到图表上。我们用了fillStyle属性来设置文本颜色为白色，font属性来设置标签文本的字体、样式和大小。同样重要，需要注意的是圆环图的doughnutHoleSize设置后，标签会被往边沿推，以使文本能处于圆环图每份的中央。

以下就是带值标签的图表看起来的样子：

要想完成图表，最后一件事就是为图表添加图例。我们的图表图例将会显示数据模型中数据的类别和对应每份的颜色。首先，我们需要对index.html文件做些修改，添加一个<div>标签用来存储我们的图例元素。

<html>

<body>

    <canvas id="myCanvas"></canvas>

    <div id="myLegend"></div>

    <script type="text/javascript" src="script.js"></script>

</body>

</html>

然后在script.js中，我们添加创建图例元素的代码。我们将代码添加在PieChart类中draw()函数的末尾。

...

        if (this.options.legend){

            color_index = 0;

            var legendHTML = "";

            for (categ in this.options.data){

                legendHTML += "<div><span style='display:inline-block;width:20px;background-color:"+this.colors[color_index++]+";'>&nbsp;</span> "+categ+"</div>";

            }

            this.options.legend.innerHTML = legendHTML;

        }

...

代码通过传入options参数来寻找legend元素。如果找到，就在其中填上带颜色的块和数据模型类别的名字。

同时，我们也需要将调用绘值图表的代码改成如下形式：

var myLegend = document.getElementById("myLegend");

var myDougnutChart = new Piechart(

    {

        canvas:myCanvas,

        data:myVinyls,

        colors:["#fde23e","#f16e23", "#57d9ff","#937e88"],

        legend:myLegend

    }

);

myDougnutChart.draw();

这就是结果的图表和图表图例：

恭喜

我们看到用HTML5 canvas绘制图表，其实也并不是那么困难。它仅仅需要一点数学和JavaScript知识。你现在有了要画一个你自己的饼形图和圆环图的全部。

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