关于动画，你需要知道的

发表于 5年以前 | 总阅读数：1186 次

这是我今年为新人设计的一门课程的文字精简版，完整的PPT可参考：http://matrix.h5jun.com/slide/show?id=117

简单的 JS 动画

在浏览器里，动画实现的基本原理非常简单明了，其实就是采用定时器改变显示元素的一些属性的过程。不管是 JavaScript 操作 DOM 的动画，还是 CSS3 动画，还是 Canvas 动画，或者 SVG 动画，区别只是使用的 API、何种定时器，影响什么环境（DOM/Canvas/SVG/WebGL）。

基本动画

var deg = 0;
    block.addEventListener("click", function(){
      var self = this;
      requestAnimationFrame(function change(){
        self.style.transform = "rotate(" + (deg++) +"deg)";
        requestAnimationFrame(change);
      });
    });

上面的例子里，我们使用了定时器 requestAnimationFrame，requestAnimationFrame 是浏览器专为渲染刷新设计的定时器接口，在早期版本的浏览器里，我们可以用 setTimeout 或者 setInterval 来代替它。定时器改变了方块元素的角度，每一次定时器触发我们就刷新并增加一次它的角度值，这样就产生了方块不断旋转的动态效果。

这就是我们需要的动画，几行原生JS代码就够了，是不是很简单呢？

事实上，上面的动画不是最佳的实现方法。它存在着几个明显的改进点。

简单动画的问题

首先，requestAnimationFrame（或者 setTimeout、setInterval 等其他定时器）并不能保证严格在某个时间点被触发。还记得 JavaScript 的单线程非阻塞模型吧？如果 requestAnimationFrame 被其他任务给阻塞了，那么动画就会变慢:

"变慢"的动画

var deg = 0;
    block.addEventListener("click", function(){
      setInterval(function(){
        var i = 0;  
        var t = Date.now();
        while(++i < 200000000); //模拟耗时操作
        console.log(Date.now() - t);
      }, 100);

      var self = this;
      requestAnimationFrame(function change(){
        self.style.transform = "rotate(" + (deg++) +"deg)";
        requestAnimationFrame(change);
      });
    });

上面的动画，因为有其他的定时器耗时的操作，导致动画变慢。

其次，一个更加麻烦的问题是，上面的动画我们通过定时器给旋转角度增量的方式，或者说得更泛一点（暂时忽略前面那个定时器触发时间不确定的问题），我们通过定义速度的方式来改变动画，这会导致我们很难精确控制动画时间和动画的幅度。像前面这种匀速运动其实还好，如果做一些复杂的变速运动，按照我们的定义方式，我们本该设置的元素属性值将会类似于求积分，然而时间又不连贯。

正弦曲线运动

var x = 0, y = 0;
    block.addEventListener("click", function(){
      var self = this;
      requestAnimationFrame(function change(){
        self.style.transform = "translate(" + 
          (x++) + "px," + 100 * Math.cos(Math.PI * (y++/180)) + "px)";
        requestAnimationFrame(change);
      });
    });

上面的动画由于时间不连贯绘制出来的曲线只能近似等于正弦曲线。

动画是"位移"关于"时间"的函数

动画，是位移关于时间的函数：\(s = f(t)\)

所以，我们不该采用增量的方式来执行动画，为了更精确地控制动画，更合适的方式是将动画与时间联系起来：

动画与时间关联

function startAnimation(){
      var startTime = Date.now();

      requestAnimationFrame(function change(){
        var current = Date.now() - startTime;

        console.log("动画已执行时间: %fms", current);

        requestAnimationFrame(change);
      });
    }

动画通常情况下有终止时间，如果是循环动画，我们也可以看做特殊的----当动画达到终止时间之后，重新开始动画。因此，我们可以将动画时间归一(Normalize)表示：

动画时间归一化表示

function startAnimation(duration, isLoop){
      var startTime = Date.now();

      requestAnimationFrame(function change(){
        var p = (Date.now() - startTime) / duration;

        if(p >= 1.0){
          if(isLoop){
            startTime += duration;
            p -= 1.0;
          }else{
            p = 1.0;
          }
        }

        console.log("动画已执行进度: %f", p);
        if(p < 1.0){
          requestAnimationFrame(change);
        }
      });
    }

我们可以用时间来控制动画：

用时间来控制动画周期精确在1秒

block.addEventListener("click", function(){
      var self = this, startTime = Date.now(),
          duration = 1000;
      setInterval(function(){
        var p = (Date.now() - startTime) / duration;
        self.style.transform = "rotate(" + (360 * p) +"deg)";
      }, 1000/60);
    });

让滑块在2秒内向右匀速移动200px

block.addEventListener("click", function(){
      var self = this, startTime = Date.now(),
          distance = 200, duration = 2000;

      requestAnimationFrame(function step(){
        var p = Math.min(1.0, (Date.now() - startTime) / duration);
        self.style.transform = "translateX(" + (distance * p) +"px)";
        if(p < 1.0) requestAnimationFrame(step);
      });
    });

我们可以将通过时间控制动画与前面的简单增量的办法做一个对比：

时间 V.S. 增量

时间增量

幅度控制 √ √

时间控制 √ X

幅度控制 √ √

不延迟 √ X

不掉帧 X √

变速运动

变速运动可以模拟一些物理效果、曲线运动，以及其他的一些非均匀变化的特效。

匀加速运动

加速度恒定，速度从0开始随时间增加而均匀增加。

\(t = T \cdot p\)
\(s_t = S \cdot p ^ {2} = (\frac{S}{T^2}) t^2 \)
\(v = \frac{2S}{T^2} \cdot t = \frac{2Sp}{T}\)
\(a = \frac{2S}{T^2} \)

通过推导可以得到匀减速运动的位移时间公式：\(s_t = Sp^2\)

滑块在2秒内向右匀加速移动200px，速度从0开始

block.addEventListener("click", function(){
      var self = this, startTime = Date.now(),
          distance = 200, duration = 2000;
      requestAnimationFrame(function step(){
        var p = Math.min(1.0, (Date.now() - startTime) / duration);
        self.style.transform = "translateX(" + (distance * p * p) +"px)";
        if(p < 1.0) requestAnimationFrame(step);
      });
    });

匀速、匀加速运动对比

匀减速运动

实现"刹车"效果，速度随时间均匀减小直到0，让物体停止运动。

\(t = T \cdot p\)
\(s_t = \frac{2S}{T} \cdot t - (\frac{S}{T^2}) t^2 = Sp(2-p)\)
\(v = \frac{2S(1-p)}{T} = \frac{2S}{T} - \frac{2S}{T^2} \cdot t\)
\(a = - \frac{2S}{T^2} \)

通过推导可以得到匀减速运动的位移时间公式：\(s_t = Sp(2-p)\)

让滑块在2秒内向右匀减速移动200px，速度从最大减为0

block.addEventListener("click", function(){
      var self = this, startTime = Date.now(),
          distance = 200, duration = 2000;
      requestAnimationFrame(function step(){
        var p = Math.min(1.0, (Date.now() - startTime) / duration);
        self.style.transform = "translateX(" 
          + (distance * p * (2-p)) +"px)";
        if(p < 1.0) requestAnimationFrame(step);
      });
    });

运动的组合

平面上的运动

让x、y轴同时分别运动，可以让物体沿平面轨迹运动。

抛物线运动

block.addEventListener("click", function(){
      var self = this, startTime = Date.now(),
          disX = 200, disY = 200, 
          duration = 1000 * Math.sqrt(2 * disY / 98); 
        //假设10px是1米，disY = 20米

      requestAnimationFrame(function step(){
        var p = Math.min(1.0, (Date.now() - startTime) / duration);
        var tx = disX * p;
        var ty = disY * p * p;

        self.style.transform = "translate(" 
          + tx + "px" + "," + ty +"px)";
        if(p < 1.0) requestAnimationFrame(step);
      });
    });

抛物线运动 x 轴做匀速直线运动，y 轴做匀加速直线运动

正弦线运动

block.addEventListener("click", function(){
      var self = this, startTime = Date.now(),
          distance = 100, 
          duration = 2000; 

      requestAnimationFrame(function step(){
        var p = Math.min(1.0, (Date.now() - startTime) / duration);
        var ty = distance * Math.sin(2 * Math.PI * p);
        var tx = 2 * distance * p;

        self.style.transform = "translate(" 
          + tx + "px," + ty + "px)";
        if(p < 1.0) requestAnimationFrame(step);
      });
    });

正弦线运动 x 轴做匀速直线运动，y 轴的运动是时间 t 的正弦函数。

圆周运动

__ 代数方程
- \(x^2 + y^2 = r^2\)
__ 参数方程
- \(x = R \cdot cos(ωt) \)
- \(y = R \cdot sin(ωt) \)
__ 极坐标方程
- \(ρ = R\)

圆的代数方程涉及到开根号后的正负号问题，因此一般不使用

圆周运动 - 参数方程

block.addEventListener("click", function(){
      var self = this, startTime = Date.now(),
          r = 100, duration = 2000; 

      requestAnimationFrame(function step(){
        var p = Math.min(1.0, (Date.now() - startTime) / duration);
        var tx = r * Math.sin(2 * Math.PI * p),
            ty = -r * Math.cos(2 * Math.PI * p);

        self.style.transform = "translate(" 
          + tx + "px," + ty + "px)";
        if(p < 1.0) requestAnimationFrame(step);
      });
    });

根据参数方程，圆周运动 x 轴是时间 t 的余弦函数， y 轴是时间 t 的正弦函数。

圆周运动 - 极坐标方程

block.addEventListener("click", function(){
      var self = this, startTime = Date.now(),
          r = 100, duration = 2000; 

      requestAnimationFrame(function step(){
        var p = Math.min(1.0, (Date.now() - startTime) / duration);
        var rotation = -360 * p;

        self.style.transformOrigin = "0 " + r + "px";
        self.style.transform = "rotate(" 
          + rotation + "deg)";
        if(p < 1.0) requestAnimationFrame(step);
      });
    });

根据极坐标方程，圆周运动的旋转角度是时间 t 的线性函数。

动画算子： easing

我们总结一下上面的各类动画，发现它们是非常相似的，匀速运动、匀加速运动、匀减速运动、圆周运动唯一的区别仅仅在于位移方程：

匀速运动：\(s_p = S \cdot P\)
匀加速运动：\(s_p = S \cdot P^2\)
匀减速运动：\(s_p = S \cdot P \cdot (2 - P)\)
圆周运动x轴： \(s_p = S \cdot cos(ωt)\)
圆周运动y轴： \(s_p = S \cdot sin(ωt)\)

我们把共同的部分 S 去掉，得到一个关于 p 的方程 \(e_p = E(p)\)，这个方程我们称为动画的算子(easing)，它决定了动画的性质。

匀速算子：\(e_p = P\)
匀加速算子：\(e_p = P^2\)
匀减速算子：\(e_p = P \cdot (2 - P)\)
圆周算子x轴： \(e_p = cos(ωt)\)
圆周算子y轴： \(e_p = sin(ωt)\)

动画的简易封装

为了实现更加复杂的动画，我们可以将动画进行简易的封装，要进行封装，我们先要抽象出动画相关的要素：

动画时长：\(T = duration\)
动画进程：\( p = \frac{t}{T}\) \((p \in [0, 1])\)
easing：\(e = f(p)\)
动画方程：\([x, y] = G(e) = G(f(p))\)
动画生命周期：开始、进行中、结束。

动画的简易封装

function Animator(duration, progress, easing){
      this.duration = duration;
      this.progress = progress;
      this.easing = easing || function(p){return p};
    }

    Animator.prototype = {
      start: function(finished){
        var startTime = Date.now();
        var duration = this.duration,
            self = this;

        requestAnimationFrame(function step(){
          var p = (Date.now() - startTime) / duration;
          var next =  true;

          if(p < 1.0){
            self.progress(self.easing(p), p);
          }else{
            if(typeof finished === "function"){
              next = finished() === false;
            }else{
              next = finished === false;
            }

            if(!next){
              self.progress(self.easing(1.0), 1.0);
            }else{
              startTime += duration;
              self.progress(self.easing(p), p);
            }
          }

          if(next) requestAnimationFrame(step);
        });
      }
    };

在上面的代码里，我们封装出一个简易的动画类 Animator, 这个类的构造器接收三个参数，分别是 duration, process 和 easing。它产生一个对象，包含一个start 方法，这个方法用指定 duration、process 和 easing 执行动画。

有趣的是，start 方法包含一个参数，这个参数是一个布尔类型或者回调函数，当动画结束的时候，如果这个参数是回调函数，将执行这个函数，它的返回值如果不是 false 那么结束动画，否则循环播放动画。如果这个参数是布尔值 flase，那么也循环播放动画。

后续的例子里我们会看到这个类的用法。

连贯的动画

我们尝试使用上面设计的动画类来构造连续播放的动画：

让滑块先向右然后再向下运动

var a1 = new Animator(1000,  function(p){
        var tx = 100 * p;

        block.style.transform = "translateX(" 
          + tx + "px)";     
      });

    var a2 = new Animator(1000,  function(p){
      var ty = 100 * p;

      block.style.transform = "translate(100px," 
        + ty + "px)";     
    });

    block.addEventListener("click", function(){
      a1.start(function(){
        a2.start();
      });
    });

在构造更复杂的动画的时候，为了更方便使用，避免回调嵌套，我们可以再实现一个动画队列类：

function AnimationQueue(animators){
      this.animators = animators || [];
    }

    AnimationQueue.prototype = {
      append: function(){
        var args = [].slice.call(arguments);
        this.animators.push.apply(this.animators, args);
      },
      flush: function(){
        if(this.animators.length){
          var self = this;

          function play(){
            var animator = self.animators.shift();

            if(animator instanceof Animator){
              animator.start(function(){
                if(self.animators.length){
                  play();
                }
              });
            }else{
              animator.apply(self);
              if(self.animators.length){
                play();
              }
            }
          }
          play();
        }
      }
    };

有了动画队列，我们就可以轻松做更复杂一点的动画，比如：

让滑块沿一个矩形边界运动

var a1 = new Animator(1000,  function(p){
      var tx = 100 * p;
      block.style.transform = "translateX(" 
        + tx + "px)";     
    });

    var a2 = new Animator(1000,  function(p){
      var ty = 100 * p;
      block.style.transform = "translate(100px," 
        + ty + "px)";     
    });

    var a3 = new Animator(1000,  function(p){
      var tx = 100 * (1-p);
      block.style.transform = "translate(" 
        + tx + "px, 100px)";     
    });

    var a4 = new Animator(1000,  function(p){
      var ty = 100 * (1-p);
      block.style.transform = "translateY("  
        + ty + "px)";     
    });


    block.addEventListener("click", function(){
      var animators = new AnimationQueue();
      animators.append(a1, a2, a3, a4);
      animators.flush();
    });

注意到我们的动画队列除了支持Animator对象外，还支持普通的函数，因此我们可以组合起来做一些复杂的运动：

弹跳的小球

var a1 = new Animator(1414,  function(p){
      var ty = 200 * p * p;
      block.style.transform = "translateY(" 
        + ty + "px)";     
    });

    var a2 = new Animator(1414,  function(p){
      var ty = 200 - 200 * p * (2-p);
      block.style.transform = "translateY(" 
        + ty + "px)";     
    });

    block.addEventListener("click", function(){
      var animators = new AnimationQueue();
      animators.append(a1,a2, function(){
        this.append(a1, a2, arguments.callee);
      });
      animators.flush();
    });

还可以再加入更复杂的效果：

弹跳的小球 - 带阻尼效果

block.addEventListener("click", function(){
      var T = 1414;

      var a1 = new Animator(T,  function(p){
        var s = this.duration * 200 / T;
        var ty = s * (p * p - 1);
        block.style.transform = "translateY(" 
          + ty + "px)";     
      });

      var a2 = new Animator(T,  function(p){
        var s = this.duration * 200 / T;
        var ty = - s * p * (2-p);
        block.style.transform = "translateY(" 
          + ty + "px)";     
      });

    var animators = new AnimationQueue();
      function foo(){
        a2.duration *= 0.7;
        if(a2.duration <= 0.0001){
          console.log("done");
          animators.animators.length = 0;
        }
      }
      animators.append(a1 ,foo, a2,
      function b(){
        a1.duration *= 0.7;
        this.append(a1, foo, a2, b);
      });
      animators.flush();
    });

有时候我们也需要一些高级的数学技巧：

模拟从圆周甩出小球

\( x = - r sin(\pi t)\)
\( y = r - r cos(\pi t)\)
\( v_x = - \pi r cos(\pi t)\)
\( v_y = \pi r sin(\pi t)\)

模拟从圆周甩出小球

var a1 = new Animator(2800, function(p){
      var x = -100 * Math.sin(2.8 * Math.PI * p);
      var y = 100 - 100 * Math.cos(2.8 * Math.PI * p);

      block.style.transform = "translate(" + x + "px,"
        + y + "px)";
    });

    var a2 = new Animator(5000, function(p){
      var x = -100 * Math.sin(2.8 * Math.PI) 
          -100 * Math.cos(2.8 * Math.PI) * Math.PI * 5 * p;

      var y = 100 - 100 * Math.cos(2.8 * Math.PI) 
          + 100 * Math.sin(2.8 * Math.PI) * Math.PI * 5 * p;

      block.style.transform = "translate(" + x + "px,"
        + y + "px)";    
    });

    block.addEventListener("click", function(){
      a1.start(function(){
        a2.start();
      });
    });

小球被甩出的一刻，x、y 轴速度不再变化，小球被甩出前正在做匀速圆周运动，可以求出 St，然后再对 St 求导求出 Vt

使用贝塞尔曲线

贝塞尔曲线可以用来构造平滑动画。

贝塞尔曲线扫盲
贝塞尔曲线的一些事情

我们可以引入 bezier-easing 库了来支持贝塞尔曲线的JS动画：

贝塞尔动画 - easeInOutQuint

var easing = BezierEasing(0.86, 0, 0.07, 1);
    //easeInOutQuint

    var a1 = new Animator(2000, function(ep,p){
      var x = 200 * ep;

      block.style.transform = "translateX(" + x + "px)";
    }, easing);


    block.addEventListener("click", function(){
      a1.start();
    });

我们可以通过 cubic-bezier.com 和 easings.net 来定制我们想要的动画效果。

逐帧动画

有时候，我们不但要支持元素的运动，还需要改变元素的外观，比如飞翔的小鸟需要扇动翅膀，这类动画我们可以用逐帧动画来实现:

小鸟扇翅膀逐帧动画

<style type="text/css">
    .sprite {display:inline-block; overflow:hidden; background-repeat: no-repeat;background-image:url(http://res.h5jun.com/matrix/8PQEganHkhynPxk-CUyDcJEk.png);}

    .bird0 {width:86px; height:60px; background-position: -178px -2px}
    .bird1 {width:86px; height:60px; background-position: -90px -2px}
    .bird2 {width:86px; height:60px; background-position: -2px -2px}

     #bird{
       position: absolute;
       left: 100px;
       top: 100px;
       zoom: 0.5;
     }
    </style>
    <div id="bird" class="sprite bird1"></div>

var i = 0;
    setInterval(function(){
      bird.className = "sprite " + "bird" + ((i++) % 3);
    }, 1000/10);

看上面的代码，其实逐帧动画比之前的动画还要简单，直接用 setInterval 修改元素样式即可，需要注意的是，如果用图片的话，最好是将图片提前预加载了，这样不会出现因为图片还在加载中而显示不出动画的情况。

CSS3 动画

CSS3 支持两种动画，一种是 Transition，一种是 Animation。

Transition 是过渡动画，它只定义在样式的 class 切换的时候发生的动画，因此 Transition 动画相对比较简单，没有循环，也没有事件，它触发的时机只在元素的 className 发生变化的时候。

CSS3 动画支持的浏览器包括：

IE10+
Chrome
Safari

Transition 和 Animation 共同支持的属性：

duration
timing functions
delay

Transition 和 Animation 支持同样的 Timing functions:

linear
ease
ease-in
ease-out
ease-in-out
cubic-bezier(n,n,n,n)

这其实和我们前面的JS动画里的算子概念是一致的，贝塞尔曲线也是一致的：

Transition 圆周运动

<style>
      #block{
        position:absolute;
        left: 200px;
        top: 100px;
        width: 20px;
        height: 20px;
        background: #0c8;
        text-align: center;
        border-radius: 50%;
        transform-origin: 0 100px;
        transform: rotate(0deg);
      }
      #block.play {
        transform: rotate(360deg);
        transition: transform 2.0s linear;
      }
    </style>
    <div id="block"></div>

block.addEventListener("click", function(){
      block.className = "play";
    });

Transition 使用贝塞尔曲线

#block.play {
      transform: translateX(200px);
      transition: transform 2.0s cubic-bezier(0.68, -0.55, 0.265, 1.55);
    }

Transition 没有优先级，后面的样式会覆盖掉前面的样式中的某些 Transition 属性，因此当两个 class 都有 Transition 的时候，相互覆盖会导致奇怪的行为：

Transition 样式覆盖

#block.play {
      border-radius: 0;
      transform: scale(2.0);
      background: #c80;
      transition: all 2.0s cubic-bezier(0.68, -0.55, 0.265, 1.55) 3s;
    }
    #block.play2 {
      /* transition 覆盖*/
      background: #c8f;
      transition: all 2.0s linear 0.5s; 
      transform: scale(2.0) rotate(360deg);
    }

block.addEventListener("click", function(){
      block.className = "play play2";
    });

Animation 动画支持一些更高级的特性：

keyframes' name
iteration count
direction
animation-fill-mode
webkitAnimationEnd

Animation - 往复圆周运动

#block{
      position:absolute;
      left: 200px;
      top: 100px;
      width: 20px;
      height: 20px;
      background: #0c8;
      text-align: center;
      border-radius: 50%;
      animation: roll 2.0s linear 0s infinite alternate;
      transform-origin: 0 100px;
    }
    @keyframes roll{
      0%{transform:rotate(0deg)}
      100%{transform:rotate(360deg)}
    }

复杂的动画效果可以将 JS 和 CSS3 动画组合使用：

动画组合

#block{
      position:absolute;
      left: 150px;
      top: 200px;
      width: 20px;
      height: 20px;
      background: #0c8;
      text-align: center;
      border-radius: 50%;
      animation: anim 2.0s linear 0s forwards;
    }
    @keyframes anim{
      0%{border-radius: 50%}
      50%{border-radius: 0; background: #c80;}
      100%{border-radius: 20%; transform:scale(2.0); background: #08c;}
    }

var easing = BezierEasing(0.68, -0.55, 0.265, 1.55);
    var a1 = new Animator(2000, function(ep,p){
      var x = 150 + 200 * ep;
      block.style.left = x + "px";
    }, easing);

    block.addEventListener("webkitAnimationEnd", function(){
      a1.start();
    });