基于Canvas的热力图绘制方法

一. 介绍

最近参与的一个项目Marmot中需要根据点坐标绘制热力图。

热力图
以特殊高亮的形式显示访客热衷的页面区域或访客所在的地理区域
特点为：
1. 可以显示不可点击区域发生的事情。你将发现用户经常会点击那些不是链接的地方，也许你应该在那个地方放置一个资源链接。比如：如果你发现人们总是在点击某个产品图片，你能想到的是，他们也许想看大图，或者是想了解该产品的更多信息。同样，他们可能会错误地认为特别的图片就是导航链接。
2. 热力图同时还能告诉你，页面的哪些部分吸引了大多数用户的注意。这对那些对web分析数据没有很多经验的产品人员非常有用。
3. 如果你在一个页面上有多个链接指向同一个URL，例如：如果有不同位置的3个链接指到同一个特定的产品页面，那么热力图将会显示你的访客最喜欢点击哪一个链接，这将帮助你提升网页的设计并让它对用户更加友好，不过实现这个功能需要一些设置。
…………

实例如下：

需要注意的是上图实例粒度粗，梯度小，容差大。反映了热力图的一个属性：趋势相关。不过，热力图也可以做到粒度细，梯度大，容差小。这完全是依据采样数据的精确性以及分析需求来做的。给个例子（Google的眼动分析[焦点梯度]图）:

下面介绍热力图绘制的方法，注意，以下代码并没有检测数据有效性，也没有对数据进行过滤，剔除脏数据，同时没有处理异常。实际使用时请不要忽略此类情况，否则会对最终结果造成干扰……

二. 绘制

问题描述：

假设有一块画布，1200px*2000px尺寸，一组坐标数据，格式为[x,y]二维数组，量级为10000~100000，采样粒度为7*7。依据点坐标的分布密度绘制热力图

方法一

思路：使用canvas元素标签将所有点绘制到画布上，每个点给予较低的透明度。然后获取画布每个点的位数据，根据其alpha值(alpha ∈ [0, 255])的大小计算每一位的r，g，b的值，得出所有新的位数据之后，重新绘制。使之呈现为红色↔蓝色渐变。

代码：

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/*假设点坐标为aXY，二维数组*/
var aXY = [[x1, y1], [x2, y2], [x3, y3], [x4, y4]...];
//获取canvas的context
var context = canvas.getContext('2d');
var pi2 = Math.PI * 2;
//设置填充样式，透明度为0.1
context.fillStyle = 'rgba(255,30,0,0.1)';
for (var i = 0, len = aXY.length; i < len; i++) {
var x = aXY[i][0], y = aXY[i][1];
context.beginPath();
//绘制圆点
context.arc(x, y, 6, 0, pi2, true);
context.closePath();
context.fill();
}
//获取这个画布的位数据
var imgd = context.getImageData(0, 0, 1200, 2000);
var pix = imgd.data;
// 循环计算rgb，使之根据alpha值映射到红蓝渐变
for (var i = 0, n = pix.length; i < n; i += 4) {
//位数据的格式为[rgbargbargba……]，每个rgba代表了每个点的rgba四个通道的值
var a = pix[i+3]; //alpha
//red
pix[i ] = 128 * Math.sin((1 / 256 * a - 0.5 ) * Math.PI ) + 200;
//green
pix[i+1] = 128 * Math.sin((1 / 128 * a - 0.5 ) * Math.PI ) + 127;
//blue,128之后直接衰减为0
pix[i+2] = 256 * Math.sin((1 / 256 * a + 0.5 ) * Math.PI );
pix[i+3] = pix[i+3] * 0.8;
}
context.putImageData(imgd, 0, 0);

上面的代码将会呈现：

显而易见，这并不是热力图，但是可以精确反映每个点的分布密度，红色表示在该区域的点数据较多，浅，蓝色表示密度小。那么如何改进?

使用径向渐变代替圆点的绘制，用以表示每一个点向周围的点的辐射，渐变色的叠加可以展现梯度变换的效果。代码如下：

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var aXY = [[x1, y1], [x2, y2], [x3, y3], [x4, y4]...];
var context = canvas.getContext('2d');
for (var i = 0, len = aXY.length; i < len; i++) {
var x = aXY[i][0], y = aXY[i][1];
//绘制径向渐变
var radgrad = this.context.createRadialGradient(x, y, 1, x, y, 8);
//锚点
radgrad.addColorStop( 0, 'rgba(255,30,0,1)');
//锚点
radgrad.addColorStop( 1, 'rgba(255,30,0,0)');
context.fillStyle = radgrad;
context.fillRect( x - 8, y - 8, 16, 16);
}

效果如下:

方案度量：这是比较简单的实现方案，稍微麻烦的地方在于根据alpha值计算红蓝绿值，使得alpha高的地方显示红色，alpha低的显示蓝色，中间部分显示黄/绿色(考虑到效率与简单性，使用了简单的三角函数，如果需要更为精确的色相渐变，可以使用幂次变换)。同时这个方案的缺点也十分明显：在点数据量低的时候效率很高，但是点数据超过10000之后就会有明显的时间延迟>3s，原因在于循环绘制渐变色会消耗资源。其次该方案的性能也会取决于画布的大小。画布大的情况，比如画布尺寸为1200*3000，对其取位数据的时候，将会循环360万次，同时进行3*360万sin运算~~对于客户端性能是个问题。

方法二

思路：对所有点数据进行计算，得出每个点的密度值，然后依据密度值由低到高，绘制点数据。

代码：

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以上代码结果如下：

大约处理了25000个点，用时大约700ms(鄙人的小本性能还行)。属于可接受范围内。

方案度量：此方案性能比方案一有明显优势。目前Marmot采用此方案。

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