CSS Paint API实战：使用Worklet绘制自定义几何图形与动态背景 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

CSS Paint API 实战：使用 Worklet 绘制自定义几何图形与动态背景

大家好！今天我们来深入探讨 CSS Paint API，并结合 Worklet 来实现一些酷炫的自定义几何图形和动态背景效果。Paint API 允许我们使用 JavaScript 代码来绘制 CSS 图像，这极大地扩展了 CSS 的表现力，也为我们带来了更多创意空间。

1. Paint API 简介

CSS Paint API 是 Houdini 项目的一部分，它允许开发者使用 JavaScript 定义自定义的图像，这些图像可以在 CSS 中被当作 background-image、border-image 或 mask-image 等属性的值来使用。简单来说，它提供了一种用 JavaScript 绘制 CSS 图像的方式。

核心概念：

Paint Worklet: 这是一个 JavaScript 模块，在独立的线程中运行，避免阻塞主线程，从而保证页面性能。Paint Worklet 负责执行绘制图像的代码。
registerPaint(): 这个全局函数用于在 Paint Worklet 中注册一个自定义的 painter 类。
paint() 方法: 这是 painter 类中的核心方法，它接收绘制上下文（类似于 canvas 的 2D 上下文）、几何属性（例如元素的大小）和自定义属性作为参数，并负责实际的绘制工作。
CSS 自定义属性 (Custom Properties, CSS Variables): Paint API 可以访问和使用 CSS 自定义属性，这使得我们可以通过 CSS 来控制绘制过程，实现动态效果。

2. 准备工作：创建一个 Paint Worklet 文件

首先，我们需要创建一个 JavaScript 文件，作为我们的 Paint Worklet。例如，我们创建一个名为 custom-paint.js 的文件。这个文件将包含我们的 painter 类和 registerPaint() 函数。

3. 编写 Paint Worklet 代码：绘制一个简单的三角形

让我们从一个简单的例子开始，绘制一个三角形。

// custom-paint.js

class TrianglePainter {
  static get inputProperties() {
    return ['--triangle-color'];
  }

  paint(ctx, geom, properties) {
    const color = properties.get('--triangle-color').toString();
    const width = geom.width;
    const height = geom.height;

    ctx.fillStyle = color;
    ctx.beginPath();
    ctx.moveTo(0, height);
    ctx.lineTo(width / 2, 0);
    ctx.lineTo(width, height);
    ctx.closePath();
    ctx.fill();
  }
}

registerPaint('triangle', TrianglePainter);

代码解释：

class TrianglePainter: 定义了一个名为 TrianglePainter 的类，这个类负责绘制三角形。
static get inputProperties(): 这是一个静态方法，用于声明 painter 需要使用的 CSS 自定义属性。在这里，我们声明了 --triangle-color，表示我们可以通过 CSS 自定义属性来控制三角形的颜色。
paint(ctx, geom, properties): 这是核心的绘制方法。
- ctx: 绘图上下文，类似于 canvas 的 2D 上下文，提供了各种绘制方法。
- geom: 几何属性，包含了元素的宽度 (geom.width) 和高度 (geom.height)。
- properties: 包含了 CSS 自定义属性的值。我们可以使用 properties.get() 方法来获取自定义属性的值。
properties.get('--triangle-color').toString(): 获取 --triangle-color 的值，并将其转换为字符串。
ctx.fillStyle = color;: 设置填充颜色。
ctx.beginPath();: 开始一个新的路径。
ctx.moveTo(0, height);: 将画笔移动到三角形的起始点（左下角）。
ctx.lineTo(width / 2, 0);: 绘制一条线到三角形的顶点（顶部中间）。
ctx.lineTo(width, height);: 绘制一条线到三角形的右下角。
ctx.closePath();: 闭合路径，将最后一个点连接到起始点。
ctx.fill();: 填充三角形。
registerPaint('triangle', TrianglePainter);: 使用 registerPaint() 函数注册 painter。第一个参数是 painter 的名称（’triangle’），这个名称将在 CSS 中使用。第二个参数是 painter 类。

4. 在 CSS 中使用 Paint Worklet

接下来，我们需要在 CSS 中加载 Paint Worklet，并使用我们定义的 painter。

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>CSS Paint API Example</title>
  <style>
    .triangle {
      width: 200px;
      height: 100px;
      background-image: paint(triangle); /* 使用 paint() 函数 */
      --triangle-color: red; /* 设置自定义属性 */
    }
  </style>
</head>
<body>
  <div class="triangle"></div>

  <script>
    if ('paintWorklet' in CSS) {
      CSS.paintWorklet.addModule('custom-paint.js');
    } else {
      // Fallback for browsers that don't support Paint API
      console.log("Paint API not supported");
    }
  </script>
</body>
</html>

代码解释：

<link rel="stylesheet" href="style.css">: 引入 CSS 文件。
<div class="triangle"></div>: 创建一个 div 元素，我们将在这个元素上应用自定义背景。
CSS.paintWorklet.addModule('custom-paint.js');: 使用 CSS.paintWorklet.addModule() 方法加载 Paint Worklet。这个方法会异步加载并执行 Worklet 文件。
.triangle { ... }: 定义了一个名为 triangle 的 CSS 类。
width: 200px;: 设置元素的宽度。
height: 100px;: 设置元素的高度。
background-image: paint(triangle);: 关键的一行！使用 paint() 函数将我们定义的 painter 应用到元素的背景。 triangle 是我们在 registerPaint() 函数中注册的 painter 的名称。
--triangle-color: red;: 设置 CSS 自定义属性 --triangle-color 的值为 red。这个值将被传递到 painter 的 paint() 方法中。
if ('paintWorklet' in CSS) { ... } else { ... }: 检查浏览器是否支持 Paint API。如果不支持，则显示一条消息。

运行结果：

你应该看到一个红色的三角形，其宽度为 200px，高度为 100px。

5. 绘制更复杂的几何图形：星星

现在让我们绘制一个更复杂的图形：一个星星。

// custom-paint.js

class StarPainter {
  static get inputProperties() {
    return ['--star-color', '--star-points', '--star-inner-radius', '--star-outer-radius'];
  }

  paint(ctx, geom, properties) {
    const color = properties.get('--star-color').toString();
    const points = parseInt(properties.get('--star-points').toString()) || 5; // 默认 5 个角
    const innerRadius = parseFloat(properties.get('--star-inner-radius').toString()) || 0.4; // 默认内半径为外半径的 40%
    const outerRadius = parseFloat(properties.get('--star-outer-radius').toString()) || 0.5; // 默认外半径为元素尺寸的 50%

    const width = geom.width;
    const height = geom.height;
    const centerX = width / 2;
    const centerY = height / 2;
    const radius = Math.min(width, height) * outerRadius;
    const innerRadiusActual = radius * innerRadius;

    ctx.fillStyle = color;
    ctx.beginPath();

    for (let i = 0; i < points * 2; i++) {
      const angle = i * Math.PI / points - Math.PI / 2; // 调整起始角度
      const radiusToUse = (i % 2 === 0) ? radius : innerRadiusActual;
      const x = centerX + radiusToUse * Math.cos(angle);
      const y = centerY + radiusToUse * Math.sin(angle);

      if (i === 0) {
        ctx.moveTo(x, y);
      } else {
        ctx.lineTo(x, y);
      }
    }

    ctx.closePath();
    ctx.fill();
  }
}

registerPaint('star', StarPainter);

代码解释：

--star-color: 星星的颜色。
--star-points: 星星的角数。
--star-inner-radius: 星星的内半径（从中心到内角的距离，相对于外半径）。
--star-outer-radius: 星星的外半径（从中心到外角的距离，相对于元素尺寸的一半）。
我们使用循环来绘制星星的每个角。对于每个角，我们计算它的坐标，并使用 ctx.lineTo() 方法将其连接到上一个角。
我们使用 innerRadiusActual 来计算内半径的实际值。

CSS 代码：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>CSS Paint API Example</title>
  <style>
    .star {
      width: 200px;
      height: 200px;
      background-image: paint(star);
      --star-color: gold;
      --star-points: 5;
      --star-inner-radius: 0.4;
      --star-outer-radius: 0.5;
    }
  </style>
</head>
<body>
  <div class="star"></div>

  <script>
    if ('paintWorklet' in CSS) {
      CSS.paintWorklet.addModule('custom-paint.js');
    } else {
      // Fallback for browsers that don't support Paint API
      console.log("Paint API not supported");
    }
  </script>
</body>
</html>

运行结果：

你应该看到一个金色的五角星。你可以通过修改 CSS 自定义属性来改变星星的颜色、角数和半径。

6. 创建动态背景：波浪动画

现在我们来创建一个更高级的例子：一个动态的波浪动画背景。

// custom-paint.js

class WavePainter {
  static get inputProperties() {
    return ['--wave-color', '--wave-amplitude', '--wave-frequency', '--wave-phase'];
  }

  paint(ctx, geom, properties) {
    const color = properties.get('--wave-color').toString();
    const amplitude = parseFloat(properties.get('--wave-amplitude').toString()) || 20;
    const frequency = parseFloat(properties.get('--wave-frequency').toString()) || 0.02;
    const phase = parseFloat(properties.get('--wave-phase').toString()) || 0;

    const width = geom.width;
    const height = geom.height;

    ctx.fillStyle = color;
    ctx.beginPath();

    // 绘制波浪
    for (let x = 0; x < width; x++) {
      const y = height / 2 + amplitude * Math.sin(frequency * x + phase);
      if (x === 0) {
        ctx.moveTo(x, y);
      } else {
        ctx.lineTo(x, y);
      }
    }

    // 闭合路径，形成填充区域
    ctx.lineTo(width, height);
    ctx.lineTo(0, height);
    ctx.closePath();
    ctx.fill();
  }
}

registerPaint('wave', WavePainter);

代码解释：

--wave-color: 波浪的颜色。
--wave-amplitude: 波浪的振幅（高度）。
--wave-frequency: 波浪的频率（密集程度）。
--wave-phase: 波浪的相位（起始位置）。
我们使用循环来绘制波浪的每个点。对于每个点，我们计算它的 y 坐标，并使用 ctx.lineTo() 方法将其连接到上一个点。
我们使用 Math.sin() 函数来计算波浪的 y 坐标。
我们使用 phase 来控制波浪的起始位置。

CSS 代码：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>CSS Paint API Example</title>
  <style>
    .wave {
      width: 100%;
      height: 200px;
      background-image: paint(wave);
      --wave-color: skyblue;
      --wave-amplitude: 30;
      --wave-frequency: 0.02;
      --wave-phase: 0;
      animation: wave-animation 5s linear infinite; /* 添加动画 */
    }

    @keyframes wave-animation {
      0% {
        --wave-phase: 0;
      }
      100% {
        --wave-phase: 6.283; /* 2 * Math.PI */
      }
    }
  </style>
</head>
<body>
  <div class="wave"></div>

  <script>
    if ('paintWorklet' in CSS) {
      CSS.paintWorklet.addModule('custom-paint.js');
    } else {
      // Fallback for browsers that don't support Paint API
      console.log("Paint API not supported");
    }
  </script>
</body>
</html>

代码解释：

animation: wave-animation 5s linear infinite;: 添加一个名为 wave-animation 的动画，持续时间为 5 秒，线性过渡，无限循环。
@keyframes wave-animation: 定义了 wave-animation 动画。
0% { --wave-phase: 0; }: 在动画的起始位置，将 --wave-phase 设置为 0。
100% { --wave-phase: 6.283; }: 在动画的结束位置，将 --wave-phase 设置为 2 * Math.PI (一个完整的弧度)。这会使波浪在一个周期内移动。

运行结果：

你应该看到一个蓝色的波浪动画背景。波浪会不断地左右移动。

7. 使用 context.getImageData 和 context.putImageData 创建更复杂的视觉效果

Paint API 不仅仅可以绘制简单的几何图形，还可以操作像素数据，创建更复杂的视觉效果，比如噪点、模糊、颜色反转等。

// custom-paint.js

class NoisePainter {
  static get inputProperties() {
    return ['--noise-density', '--noise-color'];
  }

  paint(ctx, geom, properties) {
    const density = parseFloat(properties.get('--noise-density').toString()) || 0.1;
    const noiseColor = properties.get('--noise-color').toString() || 'rgba(0, 0, 0, 0.2)';

    const width = geom.width;
    const height = geom.height;

    // 创建一个 ImageData 对象
    const imageData = ctx.getImageData(0, 0, width, height);
    const data = imageData.data;

    // 遍历每个像素
    for (let i = 0; i < data.length; i += 4) {
      // 生成一个随机数
      const random = Math.random();

      // 如果随机数小于密度，则将像素设置为噪点颜色
      if (random < density) {
        // 将噪点颜色转换为 rgba 值
        const rgba = this.parseRGBA(noiseColor);
        data[i] = rgba.r;     // Red
        data[i + 1] = rgba.g; // Green
        data[i + 2] = rgba.b; // Blue
        data[i + 3] = rgba.a * 255; // Alpha (0-255)
      }
    }

    // 将修改后的 ImageData 对象放回 canvas
    ctx.putImageData(imageData, 0, 0);
  }

  // 解析 RGBA 颜色字符串
  parseRGBA(colorString) {
    const rgbaRegex = /rgba?((d+),s*(d+),s*(d+)(?:,s*([d.]+))?)/;
    const match = colorString.match(rgbaRegex);

    if (match) {
      return {
        r: parseInt(match[1]),
        g: parseInt(match[2]),
        b: parseInt(match[3]),
        a: parseFloat(match[4] || 1) // 默认 alpha 为 1
      };
    } else {
      // 如果颜色字符串无效，则返回默认值
      return { r: 0, g: 0, b: 0, a: 0.2 };
    }
  }
}

registerPaint('noise', NoisePainter);

代码解释：

--noise-density: 噪点密度，取值范围 0-1，越大噪点越多。
--noise-color: 噪点颜色，支持 rgba 格式，可以设置透明度。
ctx.getImageData(0, 0, width, height): 获取 canvas 区域的像素数据，返回一个 ImageData 对象。
imageData.data: 一个 Uint8ClampedArray 类型的数组，包含 canvas 区域的像素数据，每个像素由四个值表示：红 (R)、绿 (G)、蓝 (B)、透明度 (A)，取值范围都是 0-255。
ctx.putImageData(imageData, 0, 0): 将修改后的 ImageData 对象放回 canvas，从而更新 canvas 区域的像素数据。
parseRGBA(colorString): 解析 rgba 颜色字符串，返回一个包含 r, g, b, a 属性的对象。

CSS 代码：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>CSS Paint API Example</title>
  <style>
    .noise {
      width: 100%;
      height: 200px;
      background-image: paint(noise);
      --noise-density: 0.1;
      --noise-color: rgba(0, 0, 0, 0.2);
    }
  </style>
</head>
<body>
  <div class="noise"></div>

  <script>
    if ('paintWorklet' in CSS) {
      CSS.paintWorklet.addModule('custom-paint.js');
    } else {
      // Fallback for browsers that don't support Paint API
      console.log("Paint API not supported");
    }
  </script>
</body>
</html>

运行结果：

你应该看到一个带有噪点效果的背景。你可以通过修改 --noise-density 和 --noise-color 来调整噪点效果。

8. 最佳实践和注意事项

性能优化: Paint Worklet 在独立的线程中运行，但复杂的绘制操作仍然可能影响性能。尽量减少绘制操作的复杂性，避免在 paint() 方法中进行大量的计算。
错误处理: Paint Worklet 中的错误不会直接抛出到主线程。可以使用 try...catch 块来捕获错误，并使用 console.error() 将错误信息输出到控制台。
浏览器兼容性: Paint API 的兼容性仍在不断提高。在使用之前，请确保目标浏览器支持 Paint API。可以使用 Feature Detection 来检测浏览器是否支持 Paint API，并提供 Fallback 方案。

表格：CSS Paint API 应用场景

应用场景	描述	示例
自定义几何图形	绘制各种复杂的几何图形，例如星星、多边形、心形等。	用 Paint API 绘制一个可配置的星星。
动态背景	创建各种动态的背景效果，例如波浪动画、粒子效果、渐变动画等。	用 Paint API 创建一个动态的波浪动画背景。
纹理和图案	生成各种纹理和图案，例如噪点、条纹、格子等。	用 Paint API 创建一个噪点纹理背景。
数据可视化	将数据可视化为图形，例如柱状图、饼图、折线图等。	用 Paint API 创建一个动态的柱状图。
特殊效果	实现各种特殊的视觉效果，例如模糊、颜色反转、阴影等。	用 Paint API 创建一个颜色反转效果。
自定义边框	创建非传统的边框效果，例如虚线边框、渐变边框、图案边框等。	用 Paint API 创建一个虚线边框。
增强现有 CSS 功能	扩展和增强现有的 CSS 功能，例如自定义渐变、自定义阴影等。	用 Paint API 创建一个自定义渐变。
响应式设计	根据屏幕尺寸或其他条件动态调整图像。	使用 Paint API 根据屏幕尺寸调整星星的角数。
高性能动画	利用 Worklet 的多线程特性，实现高性能的动画效果。	创建一个复杂的粒子动画背景。
与 WebGL 集成	将 Paint API 与 WebGL 集成，创建更复杂的 3D 效果。	使用 Paint API 和 WebGL 创建一个 3D 星空背景。

一些经验想法

CSS Paint API 提供了强大的自定义图像绘制能力，结合 Worklet 可以实现高性能的动态效果。通过掌握 Paint API 的核心概念和绘制方法，我们可以创建各种酷炫的视觉效果，提升网页的交互性和美观性。

希望今天的讲解对大家有所帮助！

自定义几何图形

Paint API 让我们摆脱了传统 CSS 形状的限制，可以绘制任意复杂的几何图形。

动态背景的实现

通过 CSS 自定义属性和动画，我们可以轻松创建动态背景，为网页增加活力。

更复杂的视觉效果

Paint API 结合 getImageData 和 putImageData，能实现像素级别的操作，创建无限可能的视觉效果。

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