HTML5数据可视化第一弹：彩虹爆炸图

前言

25年过去了，Brooks博士著名的“没有银弹”的论断依旧没有被打破。HTML5也是一样。但这并不妨碍HTML5是一个越来越有威力的“炸蛋”：发展迅速、势不可挡。随着HTML5技术的普及，用HTML5做可视化呈现的项目越来越多了。HTML5的优势明显：网页上直接运行无需插件、手机平板方便兼容、代码开发和维护相对容易，等等。一大波一大波的做Java、.NET甚至C++桌面的程序老手们都纷纷开始研究javascript了，而初出茅庐的新一代程序猿更是义无反顾的直奔HTML5这个技术大热点而来。

HTML5涵盖的技术点很多，甚至延伸到了前端、后端、通讯等各个层面。前端的canvas绘图这块无疑是它的核心内容。Canvas的API虽然不是很复杂很强大，但是做一般的2d绘图基本都够用了。基于这些API，一大堆的2d绘图组件纷纷出炉。Echarts、d3.js都是很不错的项目。Echarts主要是chart组件，而d3相对杂一些，很多呈现方式很有创意，值得研究。

概述

研究d3的起因是最近有一个项目，用户截了一张效果图让我们用HTML5做一下：

看着很眼熟，搜了一下，感觉就是d3例子中的sunburst效果，程序在这里： 

http://bl.ocks.org/mbostock/4063423

看上去似乎也不难，就是一圈一圈的饼图，把树状结构数据按占比一层一层绘制上去就行了。所以引起了自己动手做一个的兴趣。“sunburst”英文里应该是“云开日出”的意思，类似强烈的光芒从云层背后透射出来，不知为何中文里大多把它翻译成“日落”。比如这把Fender Telecaster吉他型号是Brown Sunburst款，就会被大家翻译成“日落色”。

关于日出和日落更喜欢哪一个的问题，网上还真有这样的调查。有意思的是，选择喜欢日落的远多于选择日出的。日出代表希望，日落代表成熟，都是一种美，哪个更美要看你个人的心境，因为它的美丽是由心生。为了不在这个问题上站错对，我们还是给他重新起一个更加响亮霸气的中文名字：“彩虹爆炸图”，怎么样？

仔细研究一下彩虹爆炸图的结构，无非就是一个树形结构，并采用发射状的布局。根节点在中间（也可以认为没有唯一的根，而是一堆根节点围绕在第一圈），一次向外发散排列。每一个节点有名称、数值。节点可以按照自身数值在扇区所占比例进行绘制，这样就不用管节点具体数值有多大多小了。

这种图最先是由布朗大学教授John T. Stasko设计。

http://www.cc.gatech.edu/~john.stasko/

经过一天的折腾，终于做出了一个还算过得去的“彩虹爆炸图”。先上个图看看：

主要功能包括了：

1. 可以通过json来定义数据和样式（类似百度的echarts那样）；
2. 颜色可以固定，也可以自动彩虹色；
3. 自动计算数值及角度占比；
4. 动态显示导航路径；
5. 鼠标动态高亮显示路径；
6. 动画飞入、展开导航路径；
7. 文字显示及角度控制；
8. 全矢量，可鼠标缩放、平移，不失真；

下面重点码一下折腾过程中的几个重点：

一、定义节点对象

首先定义每一个小扇片节点。每个扇片可以用一段饼图来绘制。为了简单方便，这里用了最简单高效偷懒的方法：用一个半径很粗的线画一段角度的arc，即可。如下图：

 另外还有文字等内容。所以定义它的json结构大概如下：

var  item = {name: '名称', color: 'red', angle: '45', …};

此外，下一圈的数据，可直接定义为这个节点的“孩子节点”，直接在item中定义一个data的子节点数据：

var  item = {name: '名称', color: 'red', angle: '45', data:[

{name:’孩子一’, color:’green’,…},

{name:’孩子二’, color:’yellow’,…},

]};

这样就可以组成一个树状结构。接下来要在canvas上绘制图形了。为了方便，这里直接使用了矢量图进行定义：

twaver.Util.registerImage('node', {    

  v: [{

    shape: 'circle',

    r: ...

    lineColor: function(data,view){return data.getClient("lineColor");},     

    lineWidth: ...

    startAngle: ...

    endAngle: ...

  },{

    shape: 'text',

    textBaseline: 'middle',

    textAlign: ...

    text: ...

    x: ...

    y: ...

    font: ...

    fill: ...

    rotate: ...

    visible: ...

    shadow: ...

  }],

});  

矢量图中定义了2个图形元素：一个arc弧线、一个文字对象，分别用于画node和绘制其文字。颜色、字体、是否可见、阴影、对齐、位置、线宽、角度…等等均在上面的定义中用一个function动态获取。例如，这个节点的半径，通过下面的方法，就可以在图形的lineColor属性中保存并驱动，需要修改，直接修改lineColor这个client属性即可，而不用去修改绘图参数，非常方便：

r:function(data,view){return data.getClient("lineColor");}

这里有一个比较啰嗦的地方是：每个扇片的角度需要根据每个item定义的原始值进行计算角度占比。而且，对于太小的扇片，可以给一定的最小值（例如1度），保证能视觉上看到它。否则，显示10000和1两个数值，由于对比过大，可能就杯具了，因为1连1度都占不到，显示效果会非常差。还有，每个扇片之间应该尽量留有一定的空隙。如果连续绘制，就会连成一片，没有“分片”感。这些可以在代码中进行简单控制。

二、文字控制

文字控制也比较啰嗦。首先是对齐方式。最简单的方式当然是让文字在所在扇片处，直接居中、旋转。这样文字会在径向的中间位置，如下图：

 但这样显示感觉并不是很完美。对于中文来说，如果能统一靠近圆心方向的位置对齐，会更好看一些。这样，即使文字过长，也会向外延伸，不会和里面的重叠。如下图：

 还有，当文字在左半圆时，如果不做特殊处理，文字旋转会导致文字大头朝下，阅读起来有把脖子歪断的风险。所以应该动态判断，如果文字在左侧，应该文字再增加旋转180度。同时左侧的文字对齐也要特殊考虑，应该变成右对齐，才能保持径向的整齐一致。

 文字还有一个细节就是颜色和阴影的问题。不使用阴影，单纯的使用颜色（例如白色），则在一些方向上的节点的文字会看不清楚，因为我们做的是彩虹爆炸图，各个方向颜色都不一样，而且还会随着圈数增加而变淡颜色，所以几乎不可能用一个固定的颜色（例如白色或黑色）能保证文字在所有地方都能和node颜色搭配并看清楚。所以思来想去还是使用了阴影效果。

 联想了一下我们看美剧时候的字幕，似乎也是同样的问题。视频字幕要显示在千变万化的视频场景里面，视频场景的颜色完全随机出现无从知晓，要想让字幕看清楚，必然也会想一些办法解决。我们仔细观察一下视频字幕：

  仔细观察，字幕是白色文字加了一圈黑色外框，这样就不怕任何场景了。我们在文字定义时也模拟一下，设置阴影和阴影偏移试一试：

fill:'white',

shadow: {

offsetX: 2,

offsetY: 2,

blur: 4,

color: 'black',

},

看一下使用前和使用后的效果对比：

 使用阴影后不但文字更清晰了，而且也增加了立体感，效果还是不错的。下面图显示在应用在节点上的效果：

可见不论什么颜色，都能比较好的勾勒出文字轮廓，保持清晰可读。

三、生成彩虹颜色

关于颜色，是一个有趣的话题。对于广大程序猿来说，颜色是一个既简单又困难的东西。我们随手就能写下’red’, ‘green’, ‘orange’, ‘yellow’这样的色彩斑斓的颜色，还能保证没有语法错误；我们还会写’#FF55AA’、’#0c0’、’RGB（0,204,0）’、’ RGB（0％，80％，0％）’这样的各种颜色写法；我们也明白RGBA的含义和用途。但是，我们很少能把一个demo写的颜色很好看、很搭配。关于颜色和配色以后再专门讨论。这里我们只想自动生成一圈彩虹一样的颜色。用我们熟悉的RGB方法好像比较困难了。于是想起了那个HSV的颜色定义方法，它貌似很适合解决这个问题。

HSV颜色模型定义了色调H、饱和度S和亮度V，由A. R. Smith在1978年创建的一种颜色空间。其中H用一圈360度表示所有颜色，从红色开始按逆时针方向计算，红色为0度。饱和度S从0到1，越大越饱和。亮度V从0到255（也可以转换为从0到1，方便使用），越大越明亮，越小越暗淡。

 Js里面并没有直接处理HSV颜色的函数。不过用下面的代码很方便可以从hsv转为rgb：

 写一个对应的js函数也很简单：

/* h, s, v (0 ~ 1) */

function getHSVColor(h, s, v) {

var r, g, b, i, f, p, q, t;

if (h && s === undefined && v === undefined) {

s = h.s, v = h.v, h = h.h;

}

i = Math.floor(h * 6);

f = h * 6 - i;

p = v * (1 - s);

q = v * (1 - f * s);

t = v * (1 - (1 - f) * s);

switch (i % 6) {

case 0: r = v, g = t, b = p; break;

case 1: r = q, g = v, b = p; break;

case 2: r = p, g = v, b = t; break;

case 3: r = p, g = q, b = v; break;

case 4: r = t, g = p, b = v; break;

case 5: r = v, g = p, b = q; break;

}

var rgb='#'+toHex(r * 255)+toHex(g * 255)+toHex(b * 255);

return rgb;

}

再回到我们的彩虹爆炸图。每一个节点对应的所在角度（中心角度）决定了它自己的颜色值。所以，我们可以直接根据这个角度得到颜色的h。然后，为了让彩虹逐渐一圈一圈变淡，再把s饱和度从1逐圈递减（例如0.1），产生变淡的效果。为了防止圈太多最后看不清，减到0.2到0.3左右可以停止递减。

var fromAngle=node.getClient(‘fromAngle’);

var toAngle=node.getClient(‘toAngle’);

var level=node.getClient(‘level’);//节点在第几圈

var h = (fromAngle+to)/2 % 360 /360; //中心角度，并转换为弧度

var s = Math.max(0.2, 1-level*0.1);//每圈s递减0.1，直到0.2为止

var v=1;

var color=getHSVColor(h, s, v);

这样就获得了一圈颜色。实验效果如下：

如果相对某个节点的颜色做特殊处理，例如强制为橙色来凸显，我们可以在数据中定义时加个标记，设置颜色时候直接使用而不用计算即可。

{name:'浦东新区', value: 2600, color: '#FE9A2E'}

 接下来要实现鼠标划过节点，自动计算路径、高亮路径节点、暗淡非路径节点。为了方便路径寻找，程序把每个节点的下一圈子数据定义为子节点，子节点通过getParent()函数可以直接获得父对象。这样，通过不断getParent就可以获得整个路径上的节点，并修改其颜色为预设颜色，实现高亮效果：

var node=highlightedNode;

while(node){

node.setClient(‘color’, node.getClient(‘color.original’));

node=node.getParent();

}

对于非路径节点的颜色，可以设置为预设颜色但饱和度为0.1的淡颜色 ，让它变淡，以便突出高亮路径：

var color = getHSVColor(h, 0.1, v);

node.setClient(‘color’, color);

四、动画效果

最后，为了图形更生动，使用了一些动画效果。首先想到的就是图形出来时候，用动画从小到大发散开来，会很动感。这样做需要用动画函数来驱动每一个节点的半径位置，从0增加到所在的半径位置，如果大家一起设置，整个图就会动起来。这里用了一个动画函数来驱动，并使用了网上常用的easing函数来控制，避免线性的动画太死板：

new Animate({

from: 0,

to: 1,

dur: 3000+level*100,

easing: 'elasticOut',

onUpdate: function (value) {

node.setLocation('pie.location’, value);

},

}).play();

上面定义的动画，用3秒钟跑完，用'elasticOut'的easing方式。每一帧，修改node的位置信息。这样就完成了橡皮筋一样的环形弹出散开效果。

另外，导航条的出来也比较突兀，这里也使用一下动画，让它从左到右慢慢伸出：

new Animate({

from: {x:x1, y:y1},

to: {x:x2, y:y2},

delay:50,

type: 'point',

dur: 1000,

easing: 'bounceOut',

onUpdate: function (value) {

node.setCenterLocation(value.x, value.y);

},

}).play();

和上一个动画的不同之处在于这里使用了{x、y}的point结构，每一帧直接更新节点位置。同时设置了50毫秒的delay，让动画有一点点粘性停滞，不至于太突兀。效果不错。

至此，彩虹爆炸图基本上就做的差不多了。使用起来也很简单，只要准备一些json数据就可以了，下面是一些有趣的数据做出来的效果。感兴趣的同学可以发邮件到 [email protected] 索取代码。

实际应用在项目中的示意图。如果你也希望项目中用一下彩虹爆炸图，欢迎给我发邮件索取：[email protected]