พลังของเว็บสำหรับนักวาดภาพประกอบ: วิธีที่ pixiv ใช้เทคโนโลยีเว็บสำหรับแอปวาดภาพของตน

Yuriko Hirota
Yuriko Hirota
X
Anna Ogawa
Anna Ogawa
X LinkedIn
Thomas Steiner

pixiv เป็นบริการชุมชนออนไลน์สำหรับนักวาดภาพประกอบและผู้สนใจภาพประกอบเพื่อสื่อสารกันผ่านเนื้อหา ผู้คนสามารถโพสต์ภาพของตนเองได้ โดยมีผู้ใช้กว่า 84 ล้านคนทั่วโลก และมีจำนวนงานศิลปะมากกว่า 120 ล้านรายการที่โพสต์ตั้งแต่เดือนพฤษภาคม 2023

pixiv Sketch เป็นหนึ่งในบริการของ pixiv ใช้ในการวาดงานศิลปะ บนเว็บไซต์โดยใช้นิ้วมือหรือสไตลัส แพลตฟอร์มนี้รองรับฟีเจอร์มากมายสำหรับการวาดภาพที่น่าตื่นตาตื่นใจ ไม่ว่าจะเป็นการใช้พู่กัน เลเยอร์ และการเพ้นท์สีแบบถัง นอกจากนี้ ยังให้ผู้ใช้สตรีมขั้นตอนการวาดภาพแบบสดได้ด้วย

ในกรณีศึกษานี้ เราจะดูว่า pixiv Sketch ปรับปรุงประสิทธิภาพและคุณภาพของเว็บแอปโดยใช้ฟีเจอร์ของแพลตฟอร์มเว็บใหม่ๆ บางอย่าง เช่น WebGL, WebAssembly และ WebRTC ได้อย่างไร

ทำไมต้องพัฒนาแอปร่างภาพบนเว็บ

pixiv Sketch เปิดตัวครั้งแรกบนเว็บและ iOS ในปี 2015 กลุ่มเป้าหมายของเว็บไซต์เวอร์ชันเว็บส่วนใหญ่คือเดสก์ท็อป ซึ่งยังคงเป็นแพลตฟอร์มหลักที่ชุมชนภาพตัวอย่างใช้มากที่สุด

เหตุผลหลัก 2 ข้อของ pixiv ที่เลือกพัฒนาเวอร์ชันเว็บแทนแอปบนเดสก์ท็อปมีดังนี้

  • การสร้างแอปสำหรับ Windows, Mac, Linux และอื่นๆ มีค่าใช้จ่ายสูง เว็บจะเข้าถึงเบราว์เซอร์ใดก็ได้บนเดสก์ท็อป
  • เว็บมีการเข้าถึงที่ดีที่สุดในแพลตฟอร์มต่างๆ เว็บมีให้บริการทั้งในเดสก์ท็อปและอุปกรณ์เคลื่อนที่และทุกระบบปฏิบัติการ

เทคโนโลยี

pixiv Sketch มีแปรงมากมายให้ผู้ใช้เลือก ก่อนใช้ WebGL เราใช้แปรงเพียงประเภทเดียวเนื่องจาก Canvas แบบ 2 มิตินั้นจำกัดเกินกว่าที่จะแสดงภาพพื้นผิวที่ซับซ้อนของแปรงต่างๆ เช่น ขอบหยาบของดินสอ และความกว้างและความเข้มของสีที่ต่างกันซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามแรงกดในการสเก็ตช์

ประเภทของแปรงสุดสร้างสรรค์ที่ใช้ WebGL

อย่างไรก็ตาม การใช้ WebGL ช่วยให้บริษัทสามารถใส่รายละเอียดแปรงที่หลากหลายและเพิ่มจำนวนแปรงที่ใช้ได้เป็น 7 แบบ

แปรง 7 แบบใน Pixel ที่มีตั้งแต่แปรงละเอียดไปจนถึงหยาบ คมชัด ไม่คม แตกแบบพิกเซล เรียบเนียน ฯลฯ

เมื่อใช้บริบท Canvas 2 มิติ คุณจะวาดเส้นที่มีพื้นผิวเรียบง่ายและมีความกว้างกระจายเท่าๆ กัน ดังภาพหน้าจอต่อไปนี้

ใช้แปรงพู่กันกับพื้นผิวเรียบๆ

เส้นเหล่านี้วาดโดยการสร้างเส้นทางและเส้นวาด แต่ WebGL จำลองเส้นนี้โดยใช้ Point Sprite และเฉดสี ดังแสดงในตัวอย่างโค้ดต่อไปนี้

ตัวอย่างต่อไปนี้จะแสดงตัวปรับเฉดสีเวอร์เท็กซ์

precision highp float;

attribute vec2 pos;
attribute float thicknessFactor;
attribute float opacityFactor;

uniform float pointSize;

varying float varyingOpacityFactor;
varying float hardness;

// Calculate hardness from actual point size
float calcHardness(float s) {
  float h0 = .1 * (s - 1.);
  float h1 = .01 * (s - 10.) + .6;
  float h2 = .005 * (s - 30.) + .8;
  float h3 = .001 * (s - 50.) + .9;
  float h4 = .0002 * (s - 100.) + .95;
  return min(h0, min(h1, min(h2, min(h3, h4))));
}

void main() {
  float actualPointSize = pointSize * thicknessFactor;
  varyingOpacityFactor = opacityFactor;
  hardness = calcHardness(actualPointSize);
  gl_Position = vec4(pos, 0., 1.);
  gl_PointSize = actualPointSize;
}

ตัวอย่างต่อไปนี้แสดงโค้ดตัวอย่างสำหรับตัวปรับแสงเงาบางส่วน

precision highp float;

const float strength = .8;
const float exponent = 5.;

uniform vec4 color;

varying float hardness;
varying float varyingOpacityFactor;

float fallOff(const float r) {
    // w is for width
    float w = 1. - hardness;
    if (w < 0.01) {
     return 1.;
    } else {
     return min(1., pow(1. - (r - hardness) / w, exponent));
    }
}

void main() {
    vec2 texCoord = (gl_PointCoord - .5) * 2.;
    float r = length(texCoord);

    if (r > 1.) {
     discard;
    }

    float brushAlpha = fallOff(r) * varyingOpacityFactor * strength * color.a;

    gl_FragColor = vec4(color.rgb, brushAlpha);
}

การใช้พอยท์สไปรท์ทำให้สามารถปรับความหนาและการลงสีให้สอดคล้องกับแรงกดดันได้ง่ายๆ ทำให้สามารถแสดงเส้นที่แข็งแรงและอ่อนในลักษณะต่อไปนี้

ปลายแหลมที่คมชัดและสม่ำเสมอด้วยปลายบาง

ใช้แปรงที่ไม่คม โดยใช้แรงกดมากขึ้นตรงกลาง

นอกจากนี้ การใช้งานที่ใช้สไปรท์แบบจุดสามารถแนบพื้นผิวได้โดยใช้ตัวปรับเฉดสีแยกต่างหาก ช่วยให้นำเสนอแปรงที่มีพื้นผิว เช่น ดินสอและปากกาเมจิกได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การรองรับสไตลัสในเบราว์เซอร์

การใช้สไตลัสดิจิทัลได้รับความนิยมอย่างมากสำหรับศิลปินดิจิทัล เบราว์เซอร์ที่ทันสมัย รองรับ PointerEvent API ที่ อนุญาตให้ผู้ใช้ใช้สไตลัสในอุปกรณ์: ใช้PointerEvent.pressure วัดแรงกดของปากกาและใช้ PointerEvent.tiltX, PointerEvent.tiltY ในการวัดมุมของปากกากับอุปกรณ์

หากต้องการวาดแปรงด้วยสไปรท์แบบจุด จะต้องมีการประมาณค่า PointerEvent และแปลงเป็นลำดับเหตุการณ์ที่ละเอียดขึ้น ใน PointerEvent การวางแนวของสไตลัสจะได้รับในรูปของพิกัดเชิงขั้ว แต่ pixiv Sketch จะแปลงค่าเป็นเวกเตอร์ที่แสดงการวางแนวของสไตลัสก่อนใช้งาน

function getTiltAsVector(event: PointerEvent): [number, number, number] {
  const u = Math.tan((event.tiltX / 180) * Math.PI);
  const v = Math.tan((event.tiltY / 180) * Math.PI);
  const z = Math.sqrt(1 / (u * u + v * v + 1));
  const x = z * u;
  const y = z * v;
  return [x, y, z];
}

function handlePointerDown(event: PointerEvent) {
  const position = [event.clientX, event.clientY];
  const pressure = event.pressure;
  const tilt = getTiltAsVector(event);

  interpolateAndRender(position, pressure, tilt);
}

เลเยอร์การวาดหลายเลเยอร์

เลเยอร์เป็นหนึ่งในแนวคิดที่เป็นเอกลักษณ์มากที่สุดในการวาดภาพดิจิทัล โปรแกรมเหล่านี้ให้ผู้ใช้วาดภาพประกอบหลายๆ ชิ้นทับภาพอื่นๆ ได้ และสามารถแก้ไขแบบทีละชั้นได้ด้วย pixiv Sketch ซึ่งมีฟังก์ชันเลเยอร์เหมือนกับที่แอปวาดภาพดิจิทัลอื่นๆ ทำ

โดยปกติแล้ว คุณจะใช้งานเลเยอร์ได้โดยใช้องค์ประกอบ <canvas> หลายรายการที่มี drawImage() และการดำเนินการประกอบกัน แต่เรื่องนี้ไม่ค่อยดีเนื่องจากบริบทของ Canvas แบบ 2 มิตินั้นไม่มีทางเลือกอื่นนอกจากการใช้โหมดการเรียบเรียง CanvasRenderingContext2D.globalCompositeOperation ซึ่งกำหนดไว้ล่วงหน้าและจำกัดความสามารถในการปรับขนาดเป็นส่วนใหญ่ การใช้ WebGL และการเขียนตัวปรับแสงเงาจะช่วยให้นักพัฒนาซอฟต์แวร์สามารถใช้โหมดการจัดวางองค์ประกอบที่ API ไม่ได้กำหนดไว้ล่วงหน้า ในอนาคต pixiv Sketch จะใช้ฟีเจอร์เลเยอร์โดยใช้ WebGL เพื่อเพิ่มความสามารถในการปรับขนาดและความยืดหยุ่น

ต่อไปนี้คือโค้ดตัวอย่างสำหรับองค์ประกอบของเลเยอร์

precision highp float;

uniform sampler2D baseTexture;
uniform sampler2D blendTexture;
uniform mediump float opacity;

varying highp vec2 uv;

// for normal mode
vec3 blend(const vec4 baseColor, const vec4 blendColor) {
  return blendColor.rgb;
}

// for multiply mode
vec3 blend(const vec4 baseColor, const vec4 blendColor) {
  return blendColor.rgb * blendColor.rgb;
}

void main()
{
  vec4 blendColor = texture2D(blendTexture, uv);
  vec4 baseColor = texture2D(baseTexture, uv);

  blendColor.a *= opacity;

  float a1 = baseColor.a * blendColor.a;
  float a2 = baseColor.a * (1. - blendColor.a);
  float a3 = (1. - baseColor.a) * blendColor.a;

  float resultAlpha = a1 + a2 + a3;

  const float epsilon = 0.001;

  if (resultAlpha > epsilon) {
    vec3 noAlphaResult = blend(baseColor, blendColor);
    vec3 resultColor =
        noAlphaResult * a1 + baseColor.rgb * a2 + blendColor.rgb * a3;
    gl_FragColor = vec4(resultColor / resultAlpha, resultAlpha);
  } else {
    gl_FragColor = vec4(0);
  }
}

การวาดภาพในพื้นที่ขนาดใหญ่โดยใช้ฟังก์ชันถัง

แอป pixiv Sketch บน iOS และ Android มีฟีเจอร์ที่เก็บข้อมูลอยู่แล้ว แต่เวอร์ชันเว็บยังไม่พร้อมใช้งาน มีการใช้ฟังก์ชันที่เก็บข้อมูลเวอร์ชันแอป ใน C++

เมื่อใช้ฐานของโค้ดที่มีอยู่ใน C++ แล้ว pixiv Sketch จึงใช้ Emscripten และ asm.js เพื่อนำฟังก์ชันของที่เก็บข้อมูลไปใช้ในเวอร์ชันเว็บ

bfsQueue.push(startPoint);

while (!bfsQueue.empty()) {
  Point point = bfsQueue.front();
  bfsQueue.pop();
  /* ... */
  bfsQueue.push(anotherPoint);
}

การใช้ asm.js ช่วยให้สามารถโซลูชันที่มีประสิทธิภาพได้ เมื่อเปรียบเทียบเวลาดำเนินการของ JavaScript ที่แท้จริงกับ asm.js เวลาดำเนินการที่ใช้ asm.js จะลดลง 67% ซึ่งคาดว่าจะดีขึ้นไปอีกเมื่อใช้ WASM

รายละเอียดการทดสอบ:

  • วิธีการ: ระบายสีพื้นที่ขนาด 1180x800 พิกเซลด้วยฟังก์ชันที่เก็บข้อมูล
  • อุปกรณ์ทดสอบ: MacBook Pro (M1 Max)

เวลาดำเนินการ:

  • JavaScript ที่แท้จริง: 213.8 มิลลิวินาที
  • asm.js: 70.3 มิลลิวินาที

การใช้ Emscripten และ asm.js ทำให้ pixiv Sketch เผยแพร่ฟีเจอร์ที่เก็บข้อมูลได้สำเร็จโดยนำฐานของโค้ดจากเวอร์ชันแอปเฉพาะแพลตฟอร์มมาใช้ซ้ำ

สตรีมมิงแบบสดขณะวาด

pixiv Sketch มีฟีเจอร์สำหรับการสตรีมแบบสดขณะวาดรูปผ่านเว็บแอป pixiv Sketch LIVE โดยการดำเนินการนี้ใช้ WebRTC API ซึ่งรวมแทร็กเสียงจากไมโครโฟนที่ได้รับจาก getUserMedia() และแทร็กวิดีโอ MediaStream ที่ดึงมาจากองค์ประกอบ <canvas>

const canvasElement = document.querySelector('#DrawCanvas');
const framerate = 24;
const canvasStream = canvasElement.captureStream(framerate);
const videoStreamTrack = canvasStream.getVideoTracks()[0];

const audioStream = await navigator.mediaDevices.getUserMedia({
  video: false,
  audio: {},
});
const audioStreamTrack = audioStream.getAudioTracks()[0];

const stream = new MediaStream();
stream.addTrack(audioStreamTrack.clone());
stream.addTrack(videoStreamTrack.clone());

บทสรุป

ศักยภาพของ API ใหม่อย่าง WebGL, WebAssembly และ WebRTC ช่วยให้คุณสร้างแอปที่ซับซ้อนบนแพลตฟอร์มเว็บและปรับขนาดในอุปกรณ์ใดก็ได้ ดูข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเทคโนโลยีที่นำมาใช้ในกรณีศึกษานี้ได้ที่ลิงก์ต่อไปนี้