Houdini与Canvas/WebGL的集成：在CSS Paint Worklet中操作像素数据 - 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

Houdini与Canvas/WebGL集成：在CSS Paint Worklet中操作像素数据

大家好！今天我们来深入探讨一个非常有趣且强大的技术领域：Houdini和Canvas/WebGL的集成，以及如何在CSS Paint Worklet中操作像素数据。 Houdini 为我们提供了前所未有的能力来扩展 CSS，而 Canvas/WebGL 则提供了强大的图形渲染能力。将两者结合，我们可以实现各种令人惊叹的视觉效果和自定义渲染。

一、 Houdini与CSS Paint API简介

Houdini 是一组底层 API，允许开发者访问 CSS 引擎的各个部分，从而扩展 CSS 的功能。其中，CSS Paint API 允许我们使用 JavaScript 定义自定义的图像，这些图像可以像任何其他 CSS 图像一样使用，例如作为背景图像、边框图像或掩码。

CSS Paint API 的核心是 PaintWorklet。PaintWorklet 是一个运行在独立线程中的 JavaScript 模块，它接收绘制上下文 (通常是 CanvasRenderingContext2D 或 OffscreenCanvasRenderingContext2D) 和元素的尺寸，并负责在给定的上下文中绘制图像。

二、 Canvas/WebGL与PaintWorklet

Canvas 和 WebGL 提供两种不同的绘图方式。Canvas 使用基于光栅的绘图，而 WebGL 使用基于矢量的绘图。我们可以根据具体的需求选择合适的绘图方式。

Canvas: Canvas 提供了易于使用的 2D 绘图 API，适合绘制简单的图形、文本和图像。
WebGL: WebGL 基于 OpenGL ES，提供了强大的 3D 图形渲染能力，适合绘制复杂的场景和特效。

在 PaintWorklet 中使用 Canvas 或 WebGL，我们需要创建一个 OffscreenCanvas，并在其上进行绘制。OffscreenCanvas 是一个脱离 DOM 树的 Canvas 元素，可以在后台线程中安全地进行绘制操作。

三、在PaintWorklet中操作像素数据

PaintWorklet 允许我们直接访问和操作像素数据，这为我们实现各种高级的图像处理效果提供了可能。我们可以使用 CanvasRenderingContext2D 的 getImageData() 和 putImageData() 方法来获取和设置像素数据。

3.1 基本流程

获取像素数据: 使用 context.getImageData(0, 0, width, height) 获取 Canvas 上的像素数据。该方法返回一个 ImageData 对象，其中包含像素数据、宽度和高度。
操作像素数据: ImageData 对象的 data 属性是一个 Uint8ClampedArray 类型的数组，包含了每个像素的 RGBA 值。我们可以直接修改该数组中的值来改变像素的颜色。
设置像素数据: 使用 context.putImageData(imageData, 0, 0) 将修改后的像素数据绘制到 Canvas 上。

3.2 示例：反色效果

以下是一个简单的 PaintWorklet 示例，实现了反色效果：

// paint-worklet.js
class InvertPaint {
  static get inputProperties() {
    return [];
  }

  paint(ctx, geom, properties) {
    const width = geom.width;
    const height = geom.height;

    // 获取像素数据
    const imageData = ctx.getImageData(0, 0, width, height);
    const data = imageData.data;

    // 反色
    for (let i = 0; i < data.length; i += 4) {
      data[i] = 255 - data[i];     // red
      data[i + 1] = 255 - data[i + 1]; // green
      data[i + 2] = 255 - data[i + 2]; // blue
      // alpha 不变
    }

    // 设置像素数据
    ctx.putImageData(imageData, 0, 0);
  }
}

registerPaint('invert', InvertPaint);

HTML:

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <style>
    #target {
      width: 200px;
      height: 200px;
      background-image: paint(invert);
      background-color: lightblue; /* fallback color */
    }
  </style>
</head>
<body>
  <div id="target"></div>

  <script>
    if ('paintWorklet' in CSS) {
      CSS.paintWorklet.addModule('paint-worklet.js');
    } else {
      // Fallback for browsers that don't support paintWorklet
      document.getElementById('target').textContent = 'Paint Worklet not supported';
    }
  </script>
</body>
</html>

在这个例子中，我们首先获取 Canvas 上的像素数据，然后遍历像素数据，将每个像素的 RGB 值取反，最后将修改后的像素数据绘制到 Canvas 上。

四、高级像素操作：WebGL集成

对于更复杂的像素操作，例如图像模糊、锐化、颜色滤镜等，我们可以使用 WebGL。WebGL 提供了更强大的图形渲染能力，可以高效地处理大量的像素数据。

4.1 基本流程

创建 OffscreenCanvas 和 WebGL 上下文: 在 PaintWorklet 中创建一个 OffscreenCanvas，并获取其 WebGL 上下文。
创建着色器程序: 创建顶点着色器和片段着色器，用于处理像素数据。
创建纹理: 将 Canvas 上的像素数据上传到 WebGL 纹理中。
渲染: 使用着色器程序对纹理进行渲染，并将结果绘制到 OffscreenCanvas 上。
获取像素数据: 从 OffscreenCanvas 中获取处理后的像素数据。
设置像素数据: 将处理后的像素数据绘制到 PaintWorklet 的上下文中。

4.2 示例：模糊效果

以下是一个使用 WebGL 实现模糊效果的 PaintWorklet 示例：

// blur-worklet.js
class BlurPaint {
  static get inputProperties() {
    return ['--blur-radius'];
  }

  paint(ctx, geom, properties) {
    const width = geom.width;
    const height = geom.height;
    const blurRadius = parseInt(properties.get('--blur-radius').toString());

    // 创建 OffscreenCanvas 和 WebGL 上下文
    const offscreenCanvas = new OffscreenCanvas(width, height);
    const gl = offscreenCanvas.getContext('webgl');

    if (!gl) {
      console.error("WebGL not supported");
      return;
    }

    // 创建着色器程序
    const vertexShaderSource = `
      attribute vec2 a_position;
      varying vec2 v_texCoord;

      void main() {
        gl_Position = vec4(a_position, 0, 1);
        v_texCoord = a_position * 0.5 + 0.5; // Map to 0-1 range
      }
    `;

    const fragmentShaderSource = `
      precision mediump float;

      varying vec2 v_texCoord;
      uniform sampler2D u_image;
      uniform float u_blurRadius;
      uniform vec2 u_resolution;

      void main() {
        vec4 color = vec4(0.0);
        float weightSum = 0.0;
        float sigma = u_blurRadius / 3.0; // Standard deviation
        float twoSigmaSq = 2.0 * sigma * sigma;

        for (float i = -u_blurRadius; i <= u_blurRadius; i++) {
          float weight = exp(-(i * i) / twoSigmaSq);
          vec2 offset = vec2(i / u_resolution.x, 0.0); // Horizontal blur
          vec4 sampleColor = texture2D(u_image, v_texCoord + offset);
          color += sampleColor * weight;
          weightSum += weight;
        }

        gl_FragColor = color / weightSum;
      }
    `;

    const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
    gl.shaderSource(vertexShader, vertexShaderSource);
    gl.compileShader(vertexShader);

    const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
    gl.shaderSource(fragmentShader, fragmentShaderSource);
    gl.compileShader(fragmentShader);

    const program = gl.createProgram();
    gl.attachShader(program, vertexShader);
    gl.attachShader(program, fragmentShader);
    gl.linkProgram(program);
    gl.useProgram(program);

    // 创建缓冲区
    const positionBuffer = gl.createBuffer();
    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
    const positions = [
      -1, -1,
      1, -1,
      -1, 1,
      1, 1,
    ];
    gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(positions), gl.STATIC_DRAW);

    const positionAttributeLocation = gl.getAttribLocation(program, "a_position");
    gl.enableVertexAttribArray(positionAttributeLocation);
    gl.vertexAttribPointer(positionAttributeLocation, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);

    // 创建纹理
    const texture = gl.createTexture();
    gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);
    gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGBA, gl.RGBA, gl.UNSIGNED_BYTE, ctx.getImageData(0, 0, width, height));
    gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_S, gl.CLAMP_TO_EDGE);
    gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_T, gl.CLAMP_TO_EDGE);
    gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);

    // 设置 uniform 变量
    const blurRadiusUniformLocation = gl.getUniformLocation(program, "u_blurRadius");
    const resolutionUniformLocation = gl.getUniformLocation(program, "u_resolution");
    gl.uniform1f(blurRadiusUniformLocation, blurRadius);
    gl.uniform2f(resolutionUniformLocation, width, height);

    // 渲染
    gl.viewport(0, 0, width, height);
    gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, 0, 4);

    // 获取像素数据
    const blurredImageData = new ImageData(width, height);
    gl.readPixels(0, 0, width, height, gl.RGBA, gl.UNSIGNED_BYTE, blurredImageData.data);

    // 设置像素数据
    ctx.putImageData(blurredImageData, 0, 0);

    // 清理 WebGL 资源
    gl.deleteTexture(texture);
    gl.deleteBuffer(positionBuffer);
    gl.deleteProgram(program);
    gl.deleteShader(vertexShader);
    gl.deleteShader(fragmentShader);
  }
}

registerPaint('blur', BlurPaint);

HTML:

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <style>
    #target {
      width: 200px;
      height: 200px;
      background-image: paint(blur);
      --blur-radius: 5;
      background-color: lightblue; /* fallback color */
    }
  </style>
</head>
<body>
  <div id="target"></div>

  <script>
    if ('paintWorklet' in CSS) {
      CSS.paintWorklet.addModule('blur-worklet.js');
    } else {
      // Fallback for browsers that don't support paintWorklet
      document.getElementById('target').textContent = 'Paint Worklet not supported';
    }
  </script>
</body>
</html>

在这个例子中，我们首先创建了一个 WebGL 上下文，然后创建了一个简单的顶点着色器和片段着色器，用于实现水平方向的模糊效果。我们将 Canvas 上的像素数据上传到 WebGL 纹理中，并使用着色器程序对纹理进行渲染。最后，我们从 OffscreenCanvas 中获取处理后的像素数据，并将其绘制到 PaintWorklet 的上下文中。

五、性能优化

在 PaintWorklet 中进行像素操作时，性能是一个非常重要的考虑因素。以下是一些性能优化技巧：

减少像素数据的复制: 尽量避免不必要的像素数据复制。例如，如果只需要修改部分像素，可以只获取需要修改的像素数据。
使用 WebGL: 对于复杂的像素操作，使用 WebGL 可以显著提高性能。
避免阻塞主线程: PaintWorklet 运行在独立线程中，但如果 PaintWorklet 的执行时间过长，仍然会影响页面的性能。尽量减少 PaintWorklet 的执行时间，避免阻塞主线程。
缓存: 对于静态图像或变化不频繁的图像，可以考虑将处理后的像素数据缓存起来，避免重复计算。
合理使用inputProperties： 只有当CSS属性发生变化时，PaintWorklet才会重新执行paint方法。所以，尽可能明确地声明inputProperties，避免不必要的重绘。

六、安全性考虑

由于 PaintWorklet 运行在独立线程中，因此需要注意安全性问题。以下是一些安全性考虑：

避免跨域访问: PaintWorklet 无法直接访问其他域的资源。如果需要访问其他域的资源，需要使用 CORS。
限制资源使用: PaintWorklet 的资源使用受到限制，例如内存使用和执行时间。如果 PaintWorklet 超出资源限制，会被终止。
输入验证: 对于从CSS传递到PaintWorklet的输入，需要进行验证，防止恶意代码注入。

七、兼容性

Houdini 和 CSS Paint API 的兼容性正在不断提高，但并非所有浏览器都支持。在使用 Houdini 和 CSS Paint API 时，需要进行兼容性检测，并提供适当的 fallback 方案。

可以使用以下代码检测浏览器是否支持 CSS Paint API：

if ('paintWorklet' in CSS) {
  // 支持 CSS Paint API
} else {
  // 不支持 CSS Paint API
}

对于不支持 CSS Paint API 的浏览器，可以使用其他技术来实现类似的效果，例如使用 Canvas 或 SVG。

代码示例总结

功能	代码片段	描述
反色效果	`javascript data[i] = 255 - data[i]; // red data[i + 1] = 255 - data[i + 1]; // green data[i + 2] = 255 - data[i + 2]; // blue`	通过遍历像素数据，将每个像素的RGB值取反，实现反色效果。
WebGL 模糊效果顶点着色器	`javascript attribute vec2 a_position; varying vec2 v_texCoord; void main() { gl_Position = vec4(a_position, 0, 1); v_texCoord = a_position * 0.5 + 0.5; // Map to 0-1 range }`	定义顶点着色器，将顶点坐标转换为纹理坐标。
WebGL 模糊效果片段着色器	javascript precision mediump float; varying vec2 v_texCoord; uniform sampler2D u_image; uniform float u_blurRadius; uniform vec2 u_resolution; void main() { vec4 color = vec4(0.0); float weightSum = 0.0; float sigma = u_blurRadius / 3.0; // Standard deviation float twoSigmaSq = 2.0 * sigma * sigma; for (float i = -u_blurRadius; i <= u_blurRadius; i++) { float weight = exp(-(i * i) / twoSigmaSq); vec2 offset = vec2(i / u_resolution.x, 0.0); // Horizontal blur vec4 sampleColor = texture2D(u_image, v_texCoord + offset); color += sampleColor * weight; weightSum += weight; } gl_FragColor = color / weightSum; }	定义片段着色器，实现水平方向的模糊效果。使用高斯模糊算法，根据模糊半径和分辨率对纹理进行采样，并计算加权平均颜色。
兼容性检测	`javascript if ('paintWorklet' in CSS) { // 支持 CSS Paint API } else { // 不支持 CSS Paint API }`	检测浏览器是否支持 CSS Paint API。

最后的话

Houdini 与 Canvas/WebGL 的集成为我们提供了强大的图像处理和自定义渲染能力。通过在 CSS Paint Worklet 中操作像素数据，我们可以实现各种令人惊叹的视觉效果和用户体验。希望今天的分享能够帮助大家更好地理解和应用这项技术，创造出更加优秀的 Web 应用。掌握这些技术，可以让我们在前端领域更上一层楼。

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Houdini与Canvas/WebGL集成：在CSS Paint Worklet中操作像素数据

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