【Canvas】绘制风速热力图

骑猪看日落 2024-04-22 12:27 105阅读 0赞

**前言**

> ? 大家好，我是南木元元，热衷分享有趣实用的文章，希望大家多多支持，一起进步！
> 
> ? **个人主页：[南木元元][Link 1]**

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**目录**

风速热力图

前期工作

数据准备

数据稀疏问题

双线性插值

绘制色卡

绘制热力图

ImageData对象

获取颜色列表

填充像素

结语

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## 风速热力图 ##

开始之前，大家先来了解一下风速热力图的概念。

> 风速热力图：用于显示区域内风速的分布情况。它通过在图表上使用颜色编码来表示风速的强度，可以更好地展示风速的变化规律。

风速热力图的**特点**就是用不同的颜色来表示风速大小，比如较高的风速会用较深的颜色表示，而较低的风速则用较浅的颜色表示。

## 前期工作 ##

在[上篇文章][Link 2]中，我们已经使用canvas绘制出了风场的空间分布图，效果如下：

![1972d0c0cedf44fe8a824a88e839a625.png][]

本文就来聊一下如何在风场上叠加一个风速热力图，最终的效果如下：

![2379a27fd7c3450eb958a66a2aac3b19.png][]

和之前相比，还多了一个最左边的色卡，色卡用于表示不同数值和颜色的映射关系。

## 数据准备 ##

绘制色卡需要准备两组数据：

*  数值列表
 *  颜色值列表

//存储色卡数据
    let heatmapLegend = {
      colorList: [],
      valueList: []
    };
    //数值列表
    heatmapLegend.valueList = [6, 7, 8, ..., 65];
    //颜色值列表
    heatmapLegend.colorList = [[ 0, 0, 127, 255 ], [ 0, 0, 160, 255 ], [ 0, 0, 194, 255 ], ..., [ 160, 0, 0, 255 ]];

上述两个数组中的数据是一一对应的关系，如数值6对应rgba颜色值\[ 0, 0, 127, 255 \]。

还需要的当然是网格点上的风速数据了，如下：

[
       8.9, 10.3, 11.1, 13.6, 16.4, 17.8, 19.6, 16.6, 13.9, 14,  
       4.6, 8.1, 10.6, 12.6, 12.6, 18.1, 18, 20.1, 23, 27.2, 
       ... 
    ]

我们的网格是10 \* 12的维度，所以是120个格点数据。

### 数据稀疏问题 ###

其实目前还存在一个问题，就是当前的数据比较稀疏和分散，如果直接进行数值到颜色的映射，那么只会在每个网格点上形成颜色点，无法渲染出一个平滑的热力图，这就需要我们进行相应的插值，来得到比较密集的点。

![a34d75b247db4977ac8768f4dc22dc80.png][]

什么是插值呢？

> 简单来说，插值指利用已知的点来“猜”未知的点。

### 双线性插值 ###

我们这里采取双线性插值算法，思路也很简单，就是在两个方向分别进行一次线性插值。

![c36332d068d749ab9abdec4838601dce.png][]

双线性插值的目的就是为了得到密集的数据，从而渲染出高精度、平滑的热力图。具体的插值过程不是本文的重点，这里就不再详细展开，感兴趣的可以去看[一篇文章为你讲透双线性插值][Link 3]。

## 绘制色卡 ##

绘制色卡可以分成两部分，一部分是渲染左侧的颜色列表，另一部分是渲染右侧的文字和背景区。大体思路就是循环遍历颜色列表，使用fillRect填充矩形的方式去渲染每个颜色方块，循环遍历数值列表，使用fillText绘制文字的方式去绘制字体。

// 色卡配置项
    let colorCard = {
        posX: 10,//色卡起始x坐标
        posY: 20,//色卡起始y坐标
        width: 5,//每个方块宽度
        height: 5//每个方块高度
    }
    // 渲染左侧颜色列表
    for (let i = 0; i < this.heatmapLegend.colorList.length; i++) {
      this.ctx.fillStyle =
        "rgba(" +
        this.heatmapLegend.colorList[i][0] +
        "," +
        this.heatmapLegend.colorList[i][1] +
        "," +
        this.heatmapLegend.colorList[i][2] +
        "," +
        this.heatmapLegend.colorList[i][3] +
        ")";
      this.ctx.fillRect(
        colorCard.posX,
        colorCard.posY + colorCard.height * i,
        colorCard.width,
        colorCard.height
      );
    }
    // 渲染右侧文字背景区
    this.ctx.fillStyle = "rgb(0, 0, 0)";
    this.ctx.fillRect(
      colorCard.posX + colorCard.width,
      colorCard.posY,
      colorCard.width,
      colorCard.height * this.heatmapLegend.colorList.length
    );
    // 渲染右侧文字
    this.ctx.fillStyle = "rgb(255, 255, 255)";
    this.ctx.font = 5 + "px Microsoft YaHei";
    for (let i = 0; i < this.heatmapLegend.valueList.length; i++) {
      this.ctx.fillText(
        this.heatmapLegend.valueList[i],
        colorCard.posX + (3 * colorCard.width) / 2,
        colorCard.posY + colorCard.height * i
      );
    }

下图就是我们渲染出的色卡：

![c1001bc7e64e4af5829aeba57e228979.png][]

## 绘制热力图 ##

在正式绘制热力图之前，我们需要了解下canvas的ImageData对象。

### ImageData对象 ###

MDN上的定义。

> ImageData描述canvas元素的一个隐含像素数据的区域。用于表示画布上的像素数据，可以通过获取和设置像素值来进行图像处理。

它有三个属性：

*  data：描述了一个一维数组，包含以 RGBA 顺序的数据，数据使用`0~``255`的整数表示。
 *  width：ImageData的宽度
 *  height：ImageData的高度

接下来看看如何使用它，现在我们想要实现下面的效果。

![477bd6def3a04e89a7046ed2b82a20b8.png][]

代码如下：

let canvas = document.getElementById("canvas");
    let ctx = canvas.getContext("2d");
    //创建一个新的、空白的100*100的ImageData对象
    let imgData = ctx.createImageData(100, 100);
    //每个像素都用红色去填充
    for (let i = 0; i < imgData.data.length; i += 4) {
      imgData.data[i+0] = 255;
      imgData.data[i+1] = 0;
      imgData.data[i+2] = 0;
      imgData.data[i+3] = 255;
    }
    ctx.putImageData(imgData,10,10);

上述代码创建了一个100\*100像素的ImageData对象，每个像素被设置为红色，是不是很简单。

### 获取颜色列表 ###

看了上面的例子，不难发现，绘制热力图，我们只需要得到每个像素的颜色值，然后去填充即可。

//存储ImageData对象的每个像素对应的颜色
    let colorValue = [];
    getColorValue() {
        //data为插值后的风速数据
        for (let i = 0; i < data.length; i++) {
            let color = this.getColor(data[i]);
            colorValue.push(color[0]);
            colorValue.push(color[1]);
            colorValue.push(color[2]);
            colorValue.push(color[3]);
        }
    }
    
    //获取对应数值的颜色值
    getColor(value) {
        let length = heatmapLegend.valueList.length;
        let color = [255, 255, 255, 0];
        //超过数值列表中最大值的数值为该最大值
        if (value >= heatmapLegend.valueList[length - 1]) {
          return heatmapLegend.colorList[length - 1];
        //小于数值列表中最小值的数值为0
        } else if (value < heatmapLegend.valueList[0]) {
          return color;
        }
        //根据值去查找颜色
        for (let i = 0; i < length; i++) {
          if (value < heatmapLegend.valueList[i]) {
            color = heatmapLegend.colorList[i];
            break;
          }
        }
        return color;
    }

通过上述代码，我们可以得到大致如下的数据：

[0, 0, 227, 255, 0, 6, 227, 255, ...]

### 填充像素 ###

最后，遍历上述数组，用对应颜色的像素去填充我们新建的ImageData对象就可以了。

//绘制热力图
    drawHeatmap() {
        // 热力图的宽高为整个canvas的宽高减去边上一圈格子的宽高
        let heatmapWidth = this.canvas2d.width - 2 * this.offsetX;
        let heatmapHeight = this.canvas2d.height - 2 * this.offsetY;
        let imgData = this.ctx.createImageData(heatmapWidth, heatmapHeight);
        for (let i = 0; i < imgData.data.length; i += 4) {
          imgData.data[i + 0] = colorValue[i + 0];
          imgData.data[i + 1] = colorValue[i + 1];
          imgData.data[i + 2] = colorValue[i + 2];
          imgData.data[i + 3] = colorValue[i + 3];
        }
        this.ctx.putImageData(imgData, this.offsetX, this.offsetY);
    }

至此，热力图就已经绘制完成了：

![1d40a4b008bd4faeaca4d8f7160cdb6d.png][]

再叠加上之前绘制的风场就可以得到我们想要的最终效果了。

![2379a27fd7c3450eb958a66a2aac3b19.png][]

## 结语 ##

本文分享了如何使用canvas来绘制色卡和风速热力图，以及整个过程中所涉及到的数据处理。

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