圆与椭圆

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了圆与椭圆相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

一个单位圆的方程是 X2 + Y2 = 1,画在坐标系中:

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对于圆来说,由于它是高度对称的,旋转属性对它而言意义不大。

在 canvas 画布上绘制一个圆很简单,有两种方法:

1. 使用 html5 中提供的 drawArc API

2. 我们也可以用公式  X2 + Y2 = 1,将 X 从 -1 到 1 中每个微元 dx 对应的纵坐标一个个算出来,然后再将这些点连接起来,只要切割的足够细,那么绘制出来的图形就越接近圆。

只是需要注意的是对于 1 个 x,可能有两个 Y 值与之对应。

3. 我们也可以换一种坐标方程,使用极坐标来表示单位圆,x = cos(θ), y = sin(θ)。θ 在 [0, 2π) 区间内,对于每一个 θ,有唯一的 x, y。

如果不使用 html5 中的 api,绘图的时候选择极坐标方程进行取点会方便很多。

先定义一个方法 drawWithLine:

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 1 function drawWithLine( v ) {
 2     ctx.beginPath();
 3     
 4     ctx.moveTo( v[0], v[1] );
 5     for( let i = 1; i <= v.numItems; i++ ) {
 6         ctx.lineTo( v[ i * 2 ], v[ i * 2 + 1 ] );
 7     }
 8     ctx.stroke();
 9     
10     ctx.closePath();
11 }
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然后计算出圆上的各点(注意点的顺序)

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 1 // calcVertex() {
 2     let seg = this.seg;
 3     let r   = this.r;
 4     let ox, oy;
 5     
 6     let vertex = [];
 7     vertex.itemSize = 2;
 8 
 9     for( let i = 0; i <= seg; i++ ) {
10         ox = Math.cos( 2 * Math.PI * i / seg ) * r;
11         oy = Math.sin( 2 * Math.PI * i / seg ) * r;
12         vertex.push( ox, oy );
13     }
14 
15     vertex.numItems = vertex.length / vertex.itemSize;
16     this.vertex = vertex;
17     return this;
18 // }
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将计算出来的点传入 drawWithLine 函数中,就能得到上述图形。

 

那么如果我们想要绘制椭圆呢,对于一个方程为   X2 + XY + Y2 = 1 的椭圆,我想到的方法是将 Y 表示成 X 的函数,根据 X 的可能取值逐个计算对应的 Y 值,

但是由于 Y 的最高次为 2 次,计算出的 Y 值可能是正值或负值,必须将这两种符号的值分开绘制,否则使用 drawWithLine 方法绘制的椭圆会很奇怪,计算椭圆的顶点:

 

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 1 // testOval() {
 2     const radius = 10000;
 3     const xMax = Math.sqrt( 4 / 3 * radius );
 4     const xMin = - xMax;
 5     const seg = 100;
 6     const segLength = xMax * 2 / seg;
 7     let x, y;
 8     let vertex = [];
 9     vertex.itemSize = 2;
10     for( let i = 0; i <= seg; i++ ) {
11         x = xMin + segLength * i;
12         y = Math.sqrt( radius - 0.75 * x * x ) - 0.5 * x;
13         vertex.push( x, y );
14     }
15     for( let i = 0; i <= seg; i++ ) {
16         x = xMax - segLength * i;
17         y = - Math.sqrt( radius - 0.75 * x * x ) - 0.5 * x;
18         vertex.push( x, y );
19     }
20     vertex.numItems = vertex.length / vertex.itemSize;
21     this._testVertex = vertex;
22 // }
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 wiki 百科上对椭圆的介绍:

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如果我们使用 X2 + XY + Y2 = 1 的系数矩阵 A‘ = [ 1, 0.5; 0.5; 1 ] 对已经得到的圆(半径为 100 个像素)上各点坐标进行一个坐标变换,得到的图形并没有与前面生成的那个椭圆重合(下方的红色椭圆):

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但是如果我们把系数矩阵中的值进行调整的话,比如调整成:[ 1.12, 0.3; 0.3, 1.12 ],(注意到这个位置,第 1 个系数要和第 4 个系数相同,第 2 个系数和第 3 个系数相同)那么经过矩阵变换后得到的椭圆与蓝色的椭圆重合度非常高:

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如果只是从圆想得到一个任意平移和旋转的椭圆,可以尝试先将单位圆上的 X 坐标进行矩阵变换,然后对每一个顶点进行矩阵平移和旋转的操作,就可以得到一个任意的椭圆。

如果把 [ 1.12, 0.3; 0.3, 1.12 ] 看成是 [ acos(θ), -bsin(θ); bsin(θ), acos(θ) ],对圆上的坐标进行变换,那么似乎有点道理。

 

对于其中的具体细节,目前还不了解,以后再继续研究吧。

 

完整代码:https://github.com/BriFuture/blog-code-example/tree/master/18-06to09/canvas2d/

示例: https://brifuture.github.io/blog-code-example/18-06to09/canvas2d/canvas2d.html

参考

 https://zh.wikipedia.org/zh-hans/%E6%A4%AD%E5%9C%86

以上是关于圆与椭圆的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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