用傅里叶画字母

我花了几天时间做了一个交互 demo：用一组旋转的圆（本轮，Epicycles）画出名字里的字母。这篇文章记录数学原理、踩过的坑和解决方案。

傅里叶本轮是什么？

对一组二维采样点做离散傅里叶变换（DFT），得到一组旋转向量。把它们首尾相连，每个向量以自己的频率和幅度旋转，最末端的轨迹就能描出任意封闭曲线。

给定 N 个复数采样点 $z_k = x_k + i y_k$ ：

X_n = \sum_{k=0}^{N-1} z_k \cdot e^{-2\pi i \cdot kn / N}

每个 $X_n$ 编码了一个本轮的幅度、相位和频率。渲染时， $t \in [0,1]$ 时刻的笔位置是：

z(t) = \sum_{n} X_n \cdot e^{2\pi i \cdot n \cdot t}

在 canvas 里：每一帧把所有旋转向量加起来，画出向量链，记录轨迹。

采样字母路径

第一个问题：怎么得到一组有序的 2D 点来描出字母轮廓？

第一次尝试：把字母渲染到离屏 canvas，读像素，用 Moore 邻域轮廓追踪排序边缘像素。理论可行——但对细笔画和尖角，追踪器会在 1 像素宽的笔尖处进入 2 步死循环，永远不终止。

第二次尝试：极角排序——收集所有边缘像素，按与质心的角度排序。听起来很优雅，但对非凸形状立刻崩溃。字母 Y 有三条臂，极角扫描会把每条臂看成两个区间，画出星形而不是 Y。

真正可行的方案：SVG path.getPointAtLength()。

每个字母都可以用 SVG 路径或折点定义，然后：

const N = 512
const total = path.getTotalLength()
const pts = Array.from({ length: N }, (_, i) => {
  const p = path.getPointAtLength(i / N * total)
  return { x: p.x, y: p.y }
})

等间距采样，顺序天然正确，不需要追踪、排序或处理拓扑。DFT 直接正常工作。

U 字母的问题

字母 U 顶部是开口的。但 DFT 需要封闭路径—— $z(t)$ 从 $t=0$ 循环回 $t=0$ ，起点和终点必须相同。

最朴素的封闭方式：连接两个顶角，画出一条横线。结果是方括号，不是 U。

方案一：从左上角出发，原路返回。

路径：（左上）→ 左边向下 → 曲线 → 右边向上 → （右上）→ 原路返回 → （左上）

闭合是零长度，没有横盖。但动画从左上角开始，第一笔就是往下画。每个循环结束时笔在左上角，下一帧又立刻往下——在每次循环的起始处出现一条明显的从顶角到底部的竖线。

方案二：从底部中心出发。

路径：

（底部中心）→ 向上描左臂 → （左上）→ 原路返回 → （底部中心）
（底部中心）→ 向上描右臂 → （右上）→ 原路返回 → （底部中心）

起点 = 终点 = 曲线最深处。循环"缝合处"藏在曲线中间，视觉上完全不可见。每条臂独立地去-返。

U: [
  {x:.5,  y:1},
  {x:.35, y:.97}, {x:.2, y:.87}, {x:.15, y:.68}, {x:.15, y:0},  // 左臂向上
  {x:.15, y:.68}, {x:.2, y:.87}, {x:.35, y:.97},                 // 原路返回
  {x:.5,  y:1},
  {x:.65, y:.97}, {x:.8, y:.87}, {x:.85, y:.68}, {x:.85, y:0},  // 右臂向上
  {x:.85, y:.68}, {x:.8, y:.87}, {x:.65, y:.97},                 // 原路返回
  {x:.5,  y:1},                                                   // 零闭合
]

干净的 U，没有任何多余笔画。

Math.min 的坑

在对数千个点做归一化时：

const minX = Math.min(...points.map(p => p.x)) // 💥 RangeError

JavaScript 把展开的数组变成函数参数。超过几千个元素后，调用栈溢出。用 reduce：

const minX = points.reduce((m, p) => Math.min(m, p.x), Infinity)

谐波数量选择

用多少个本轮？太少了字母的棱角会丢失，太多了每个采样噪声都被忠实还原。

对 512 个采样点的字母路径，80–100 个谐波正好——棱角清晰，不放大噪声。按幅度排序渲染（大圆先，小圆后）也让视觉更清爽：先看到整体结构，再是细节。

在线 Demo

点这里看 Demo——五个字母同时动画，各自不同颜色。

约 200 行原生 JS，不依赖任何库，纯 canvas。DFT 就是一个对采样点的双重循环。

下一篇：用 DLA（扩散限制聚集）晶体生长算法，以同样的字母为晶核，让粒子随机游走直到碰触晶体——另一种涌现。