[游戏开发]记一次web中对svg图形拖动和缩放的性能优化(基于svg.js) - viewbox vs transform

前言

• 在web中对svg图形的操作，我使用svg.js库挺久的了，对svg图形的拖动缩放我一直用的衍生插件svg.panzoom.js

• svg.panzoom库对svg拖拽缩放是对viewBox的设置来实现的，至于使用viewBox来缩放、拖拽的原理，建议各位百度了解一下，不细说了（以后有空可以讲解一下）
  

• 最近使用这个库拖拽svg发现了一个比较严重的性能问题（其实之前一个项目就发现了，不过当时没有这么卡顿且需求是只用同时预览一张图即可），对性能没有太大要求，便没有多管，现在这个项目是多tab页预览svg图形，对性能有一定要求，见下图：
  
  gif图中，可以发现，拖拽异常的卡顿，这才6张svg图（实际上打开一张也卡），有时候直接拖动不了了

• 本文使用到的类和方法基本由svg.js库提供，如有不明白的地方，查看官方文档

猜想为什么会卡顿？

在以前做过渡动画时，曾经对height、width、margin等属性设置了transition，发现这样设置过渡动画，一旦元素多了后会异常的卡顿，这是因为改变这些属性时是交给主线程去渲染的，而transform是交给从线程渲染（触发硬件/gpu加速），关于浏览器的ui渲染线程逻辑、硬件加速的详细原理各位可以百度一下“transition 卡顿”，可以看看这篇文章，我在这里就不多说了

优化过程

方案1（引用其他库）

• 直接使用现有开源库当然是最方便省事的啦，在github中找了几个start比较高的库：svg-pan-zoom、panzoom

• 使用panzoom库，发现几乎不存在卡顿，并且它的平滑滚动（smoothScroll）很不错，效果如下：
  
  
  

• 使用svn-pan-zoom库，效果没有panzoom库好：
  
  
  

• 这两个库都是对g元素的transform来实现缩放的，svg-pan-zoom必须传入svg元素并且会使用一个g元素包裹svg内的所有元素；而panzoom对传入元素没有限制，但只能对传入的指定元素进行移动缩放

• 然而本方案有个致命缺点，这两个库都会自动删除svg的viewBox属性，意味着没有办法使用svg的viewBox坐标系了，而这两个库提供的pan和zoom方法都是传入基于Dom坐标系的clientX、clientY，这将影响到现有系统的业务功能（视图中移动到svg图中到指定的元素），所以此方案暂时抛弃

方案2（viewBox+requestAnimationFrame）

• window.requestAnimationFrame可以让DOM在每一帧中集中处理DOM操作，试试这个神器能不能提高性能？

• 分别在wheelZoom、panning事件中加上requestAnimationFrame，对svg.panzoom.js代码修改如下：
  
  

• 先使用小一点的图测试实际效果：
  

• 使用大一点的图测试实际效果：
  

• 如果连续触发拖动开始、拖动结束，那么会异常的卡（黄点是鼠标按下）：
  

• 拖动时不会卡顿了，但在浏览大图时整体流畅度依然不高（fps低），并且拖动开始和拖动结束的时候会卡顿一下，此时我还没有找到这个问题原因（见方案4）

方案3（g transform+requestAnimationFrame+拖动结束修改viewBox）

• 参考方案1的原理，既然transform性能效果这么好，那么能不能既提高拖拽性能，又不删除svg的viewbox属性呢，想到如下方案：在panning时，仅对指定的g元素（可以把svg所有内容都放进去）transform实现拖动、缩放，在panEnd时将transform变化到svg的viewBox上，再配合window.requestAnimationFrame

// 注：this.panZoomAgentTransform类型是svg.js提供的Matrix类
// on panning
if (this.panZoomAgent) {
  // 有代理元素的时候不需要去计算viewbox
  this.panZoomAgentTransform.translateO(deltaX, deltaY)
  } else {
  this.viewbox = this.viewbox.transform(new Matrix().translate(-deltaX, -deltaY))
}

// on zoomming
if (this.panZoomAgent && this.isPanning ) {
  // 在拖动时，如果有代理元素的时候不需要去计算viewbox
  this.panZoomAgentTransform.scaleO(ratio, focus.x, focus.y)
  } else {
  // 非拖动时，直接计算viewbox
  this.viewbox = this.svg.viewbox().transform(new Matrix({ scale: 1 / ratio, origin: focus }))
}

// 在拖动结束时
if (!this.panZoomAgent || !this.panZoomAgentTransform) return
// 这里需要反转transform，因为坐标系是反的
this.viewbox = this.viewbox.transform(this.panZoomAgentTransform.inverse())
// 结束时，移除代理元素的transform属性
this.panZoomAgent.node.setAttribute('transform', '')
this.panZoomAgentTransform = null
this.svg.node.setAttribute('viewBox', this.viewbox.toString())

• 为什么不保持g元素的transform，要在panEnd时对viewBox去transform呢？因为当时想到这个方案的时候，我并不想去变动svg的坐标系，因为有个功能需要定位到指定的元素，如果保持指定g元素的transform，那么svg中所有元素坐标都变了，而当时想了好久都没有想到怎么计算transform后的坐标系
• 实际效果，可以发现在mousedown（panStart）和mouseup（panEnd）时，还是会卡一下：
  
  带上开发者工具的gif
  

方案4（g transform+requestAnimationFrame）

• 参考方案1的原理，使用一个g元素（代理元素）将svg内所有内容包裹起来，所有的拖动缩放都只影响g元素的transform，不去在panEnd时去设置viewBox了，并且不删除viewBox，可以继续使用svg坐标系

• 本方案与方案3大体一致，区别就是在panEnd时不再去设置svg的viewBox，因为浏览大一点的svg图时方案3在panStart、panEnd时会卡顿，所以我认为是设置viewBox导致ui重绘影响了性能（实际上并不是），接着往下看

• 直接上大图测试下实际效果，可以发现在拖动过程中流畅度已经很不错了：
  

• 让我百思不得其解的是，这明明跟方案1是一样的，为何在连续触发拖动开始、拖动停止时如此的卡顿？
  

• 在开发者工具中，用性能工具监控一下看看panStart和panEnd到底发生了什么：
  
  
  把时间轴拉远一点，看看由于重新计算样式导致浪费了多少性能

• 可以发现，在panStart、panEnd耗费了进400毫秒去重新计算样式，通过查看调用的函数发现是为svg元素加上了一个类名，因为我对svg.panzoom库进行了修改，当拖动开始时会设置svg的class、userSelect、cursor导致dom重新计算样式了，代码定位如下：
  
  

• 原因找到了，注释这段代码试试：
  
  重新计算样式只用了5毫秒
  
  
  拉远时间轴，并没有发现耗时长的任务了
  

至此，卡顿问题解决了，如果要使用方案4的话，还要解决坐标系问题来实现zoom和panTo方法，
比如一个元素的x=1180，y=1157，那么如何根据当前svg缩放、位移偏差（就是代理g元素的transform），来将此元素移动到svg图中心位置呢？可以使用svg.js提供了的类和方法来实现：Point类的transofrm方法，具体代码如下：

  /**
   * 重新实现svg实例的zoom方法（当仅使用代理元素时）
   * @param {number} lvl
   * @param {import('@svgdotjs/svg.js').CoordinateXY} focus
   * @returns
   */
  zoomTo(lvl, focus) {
    if (lvl == null) return this.zoomLevel

    const viewbox = this.original.viewbox

    let zoomDelta = lvl / this.zoomLevel

    if (!focus) {
      focus = {
        x: viewbox.cx,
        y: viewbox.cy
      }
    }
    let realFocus = new Point(focus).transform(this.panZoomAgentTransform)

    this.panZoomAgentTransform.translateO(viewbox.cx - realFocus.x, viewbox.cy - realFocus.y).scaleO(zoomDelta, viewbox.cx, viewbox.cy)

    this.zoomLevel *= zoomDelta

    this.panZoomAgent.node.setAttribute('transform', this.panZoomAgentTransform.toString())
  }
  
   /**
   * 将指定坐标、元素移动到svg图的中心位置
   * @param {Point|Element|import('@svgdotjs/svg.js').CoordinateXY} point 必须是Svg中的元素或svg的viewbox坐标系
   * @param {number} zoomlvl 缩放等级
   * @param {number} duration 动画的持续时间
   * @returns
   */
  panTo(point, zoomlvl, duration = 500) {
    if (typeof this.panTo.runner === 'number') {
      window.cancelAnimationFrame(this.panTo.runner)
    } else if (this.panTo.runner instanceof Runner) {
      this.panTo.runner.finish()
    }
    this.panTo.runner = null

    try {
      const viewbox = this.original.viewbox

      /** @type{SvgElement} */
      let element
      if (point instanceof Element) {
        element = point

        // 拿到目标元素的盒子
        let elBox = element.bbox()

        // 将目标元素的中心店作为目标坐标
        point = {
          x: elBox.cx,
          y: elBox.cy
        }

        if (zoomlvl === 'auto') {
          // 长边占可视区域的10%
          zoomlvl = 0.1 / Math.max(elBox.height / viewbox.height, elBox.width / viewbox.width)
        }
      } else if (point === 'fit-center') {
        // 移动到svg图原始中心点
        point = {
          x: viewbox.cx,
          y: viewbox.cy
        }
      }

      let zoomDelta = zoomlvl / this.zoomLevel,
        // 将g元素的transform变化到坐标后，就是新的坐标了
        realPoint = new Point(point).transform(this.panZoomAgentTransform)

      // 想要移到svg图中心位置，使用原始的viwbox中心点减去目标坐标点，就是偏移量了
      this.panZoomAgentTransform.translateO(viewbox.cx - realPoint.x, viewbox.cy - realPoint.y).scaleO(zoomDelta, viewbox.cx, viewbox.cy)

      this.zoomLevel *= zoomDelta
      if (duration > 16) {
        this.panTo.runner = this.panZoomAgent.animate(duration).transform(this.panZoomAgentTransform)
      } else {
        // 无动画
        this.panZoomAgent.transform(this.panZoomAgentTransform)
      }

      return this
    } catch (error) {
      console.error('[SVG] panTo出错: ', error)
    }
  }

优化总结

• 真是踩了不少坑，前前后后花费了将近3-4天时间，其实如果不是在panStart、panEnd时我去设置了svg的class属性导致dom重新计算样式浪费性能，那么在实施方案2的时候已经基本满足性能需求了，可能我就不会去尝试方案3、4了
• 然而我不去实施方案3、4，我也不会发现仅仅设置一下svg的class属性竟然会导致这么大的性能损耗，并且方案3、4我在思考如何计算transform后的svg坐标系也花费了不少时间：使用viewbox方案实现的panTo只需要传入实际坐标即可，而transform方案需要计算目标坐标变化后的实际位置，再跟原始盒子大小计算translate差值
• 在方案1中删除掉viewBox后，如何移动定位到svg中指定元素，我还没有想到如何去计算坐标
• 避免在panStart、panEnd设置svg元素的class

使用性能工具监控对比

以三次panStart、panEnd来测试(方案2-4已注释设置svg的class属性代码以提升性能)

• 方案1
  panzoom库
  
  svg-pan-zoom库，此库没有使用requestAnimationFrame，果然性能较差
  
  

• 方案2，每一次对viewBox的更新都需50ms左右
  
  

• 方案3，可以发现在mouseup时，将transform设置到viewBox上还是有一点点的性能损耗，gpu利用率明显的提升
  
  

• 方案4
  

后语

• 源码见此处
• gif截图软件：ScreenToGif
• 关键字：transform、web中硬件加速、requestAnimationFrame
• 使用svg.js也快两年了，一直想编写一篇关于svg.js的学习教程，去年就已经创建好草稿了，奈何一直没时间动笔（下次一定），最近遇到了这个问题就赶紧记录下来了
  
• 前端小白一个，如有不足请指出