第十三章 动画引擎

动画是我们眼睛中的残影，叫视觉暂留现象。这里有两个关键字，差异与快速。

在网页中，扩展样式的任务早已经交由css处理，让javascript第一次拥有视觉处理的api,setTimeout与setInterval早在css诞生前就已经出现。

一：动画的原理

在标准浏览器中，可计算的样式基本浏览器已经为你转化好，比如width,height,margin-x,border-x-width,padding-x.这些样式单位为px,color和background-color则被分解成RGB,这个很容易被格式化为一个数组，透明度自不用说。

不过css3新引进的变形样式transfrom,一种是面向程序员，是rotate()/skew()/scale()/translate(),分别有x, y之分，如rotateX(),rotateY(),依次类推；

一种是面向计算机，传入矩阵进去，matrix()。无论传什么，都会转成矩阵。

如果传承是旧版本的IE，就得自己转换了。比如你原来的单位是em，currentStyle就会返回em,原来填充的颜色是red,它不会返回rgb(255,0,0)

因此，动画引擎的第一步就是设法获得元素的精确样式，这个在第九章：样式模块已经介绍，给出的$.css方法基本上除了颜色值都是已经转换好的。

现在我们尝试让一个方块运动起来，简单说就是变化位置。一般来说，我们变化一个元素的top,left即可，当然也可以设置margin,这里只说元素定位的移动方法，要取得元素的left值，直接可以使用getComputedStyle,然后让用户传值改变值。就是我们需要一点点的变动值的大小。另外还要涉及到时长，就是动画的总共执行时间，就是执行的总时间，另外一个就是每次变动的相隔时间。这个通常由引擎来决定，当然也可以暴露出来，它有个学名叫FPS。

fps通俗的来说，叫刷新率，在1秒内更新多少次画面，根据人视觉停留效应，停留多少秒最合适呢？我们不但要照顾人的眼睛，还要顾及下显示器的显示速度与浏览器的渲染速度 ，根据国外的统计，25毫秒为最佳数值。

因此，我们创建一个新页面，里边有一个方块，它位于这个轨道上，它从一端到另外一端，动画时间为2秒，fps为30帧。

<style type="text/css">
    #way{width:800px;height:100px;background:#e8e8ff;position:relative;}
    #move{position:absolute;left:0px;width:100px;height:100px;background:#a9ea00;}
</style>
<div id="way">
    <div id="move"></div>
</div>

<script type="text/javascript">
    window.onload = function () {
        var el = document.getElementById("move");
        var parent = document.getElementById("way");
        var distance = parent.offsetWidth - el.offsetWidth; //总移动距离
        
        var bengin = parseFloat(window.getComputedStyle(el, null).left) //开始位置
        console.log(bengin)
        var end = bengin + distance; //结束位置
        var fps = 30; //刷新率
        var interval = 1000/fps ; //相隔多少ms刷新一次
        var duration = 2000  ; //时长
        var times = duration /1000 * fps ; //一共刷新的次数
        var step = distance /times; //每次移动的距离。

        el.onclick = function() {
            var now = new Date();
            var id = setInterval(function(){
                if (bengin >= end) {
                    el.style.left = end + "px";
                    clearInterval(id)
                    console.log(new Date - now)
                } else {
                    bengin += step;
                    el.style.left = bengin + "px"
                }
            },interval)
        }

    }
</script>

上面，我们用了最简单累加来实现，现在我们改写下，加入进度这个变量，让其更具有广泛性。

        el.onclick = function(){
            var benginTime = new Date();
            var id = setInterval(function(){
                var t = new Date - benginTime; //当时已经用到的时间
                if (t >= duration) {
                    el.style.left = end + "px";
                    clearInterval(id);
                    console.log(t)
                } else {
                    var per = t / duration; //当前进度
                    el.style.left = bengin + per * distance + "px";
                }
            },interval)
        }

如果我们能随意控制per这个数值，那么就能轻易实现加速减速，于是，发明了缓动公式，所谓的缓动公式，就是来自数学上的三角函数，二次项方程式，高阶方程式。它们最初是由flash界的Robert Penner整理而来(http://robertpenner.com/easing/)。

有了缓动公式，我们就能轻松的模拟加速，减速，急刹车，重力，弹簧，来回摆动等效果。

二，缓动公式

经过这么多的发展，缓动公式各项规范都稳定下来，虽然现在还有人源源不断的发掘新公式，但一般业务中，绝对数人选择使用默认的easein,linear.因此，对库的大小有顾虑，那么久将它们独立成一个模块吧。

现在所有的缓动公式，基本上除了linear外(但也被称为easeNone),它们都以ease开头命名，添加三种后缀，In表示加速，Out表示减速，InOut表示加速到中途又开始减速，于是就有了easeIn,easeOut,easeInOut之分，如果单是这样命名，说明它们没有介入高阶函数与三角函数。linear就是匀速。

然后在以实现的方式与指数或开根进行区分。Sine表示由三角函数实现，Quad是二次方，Cubic是三次方，Quart是四次方，Quint是五次方，Circ使用开平方根的Match.sqit,Expo使用开立方根的Math.pow,Elastic则是结合三角函数与开立三方根的初级弹簧效果，Back是使用一个1.70158常数来计算的回退效果。Bounce则是高级弹簧效果。

http://hosted.zeh.com.br/tweener/docs/en-us/misc/transitions.html（有更多的ease效果）

这些我们可以在AS库，jQuery.easing.js,mootools等库里拔下来，基本上大同小异。其中，jq的最规范，mootools使用循环生成的方式实现，代码最简，读者像实现自己的动画库，可以参考这两者。

 jQuery标准库里只有这两条

    linear : function(p){
        return p
    },
    swing: function(p){
        return 0.5 - Math.cos{p*Math.PI} / 2;
    }
    //很显然与其它库的缓动参数兴盛不一样
    var easing = {
        esaeInQuad : function (t, b, c, d){
            return c * (t /= d) * t + b;
        },
        esaeOutQuad : function(t, b, c, d){
            return -c (t /= d) * (t - 2) + b; 
        },
        esaeInOutQuad : function(t, b, c, d){
            if ((t /= d /2 ) < 1) 
                return c / 2 * t * t + b;
            return -c / 2 * ((--t) * (t - 2) - 1) + b
        }
        //...
    }

这是因为jQuery在上面的计算过程中已经做了这一步，我们看看四个参数分别代表什么：
T: timestamap, 指缓动效果开始执行到当前帧所经过的时间段，单位ms
B: beginning val 起始值
C: change, 要变化的总量
D: duration ,动画持续的时间

返回的是直接可用的数值，或许我们只要加个单位进行赋值就行了。
而jQuery那一个参数的风格，其实是当前时间减去动画开始时间除以总时间的比值，一个0到1的小数，它用于乘以总变化量，然后加上起始值，就是现在此样式的情况。

下面是缓动应用，结合上例子：

    window.onload = function () {
        var el = document.getElementById("move");
        var parent = document.getElementById("way");
        var change = parent.offsetWidth - el.offsetWidth;
        //var distance = parent.offsetWidth - el.offsetWidth; //总移动距离
        
        var bengin = parseFloat(window.getComputedStyle(el, null).left) //开始位置
        console.log(bengin)
        var end = bengin + change; //结束位置
        var fps = 30; //刷新率
        var interval = 1000/fps ; //相隔多少ms刷新一次
        var duration = 2000  ; //时长
        var bounce = function(per) {
            if (per < (1 / 2.75)) {
                return (7.5625 * per * per);
            } else if (per < (2 / 2.75)) {
                return (7.5625 * (per -= (1.5 / 2.75)) * per + .75)
            } else if (per < (2.5 / 2.75)) {
                return (7.5625 * (per -= (2.25 / 2.75))* per + .9375);
            } else {
                return (7.5625 * (per -= (2.625 / 2.75)) * per + .984375);
            }
        }
        el.onclick = function(){
            var benginTime = new Date()
            var id = setInterval(function(){
                var per  = (new Date - benginTime) / duration; //进度
                if (per >= 1) {
                    el.style.left = end + "px";
                    clearInterval(id)
                } else {
                    el.style.left = bengin + bounce(per) * change + "px";
                }
            },interval)
        }

    }

三,API设计

现在我们看如何写动画引擎。由于选择器的流行，注定这个API到用里也是集化操作，一下子处理N个元素。但这也无所谓，关键是函数名与如何传参。

jQuery的API易用性很好，我们看一下它的animate。它有两种用法。

    .animate(proprtties[,duration][,easing][,complete])
    .animate(proprtties,options)

第一个参数恒为要进行动画的属性映射，在第一种情况下，其它参数都是可选的，因为duration除了show,fast,default这三个字符串就是数字，esaing为特殊的缓动公式的名字，complete的函数，options是对象。不过尽管说的轻松，jQuery在这里也化了几十行进行转换，最后转换两个对象的形式与css3keyframe animation的定义此吻合。

我们还是利用上例子的方块，价个类名，就能看到效果了。

    #way{width:800px;height:100px;background:#e8e8ff;position:relative;}
    #move{position:absolute;left:0px;width:100px;height:100px;background:#a9ea00;}
    .animate{
        animation-duration:3s;
        animation-name:slidein;
        animation-timing-function:ease-in-out;
        animation-fill-mode:forwards;
    }
    @keyframes slidein{
        from {left:0%;background:white;}
        to {left:700px;background:red;}
    }

这个动画分为两部分：一个是普通样式规则，用于描述动画所需的时长，缓动公式，结束后保留状态，重复多少次，及关键帧的动画引用名字(slidein),第二个是关键帧的规则。这里只有两个关键帧，实际上可以插入更多，最开始与结尾可以 用from和to命名，其实当你用javascript对应jq的anmimate方法的第一个参数。至于初始值，浏览器会自动计算，如果我们使用纯javascript实现方式，这个需要我们自己来计算了。动画引擎的强大与否，取决于css模块的强大。anmimate方法的第二个参数等对应animation-duration,animation-timing-function, anmation-fill-mode.

此外，jQuery还提供一个queue参数，目的让作用于同一个元素的动画进行排队，在处理完这个在处理后一个，要不，同时用于浏览器的定时器就太多了。加之集化操作，会把它放大化，队列的重要性就更突出，为此jQuery把这个参数默认为true.

从实现上，jQuery是放在元素对应的缓存体上，里边是一个promise对象，complete之后，会自动弹出下一个动画对象。所有动画对象都有自己的setInterval驱动，在YUI,kissy则有一个中央队列，所有不排队的动画全部放在这个数组中，然后有一个setInterval来驱动它们，排队的动画作为它的兄弟属性而存在（有的中央队列可能是一条二维数组），当前面的动画执行完，后面的动画就翻身。

四，requestAnimationFrame

如果一个页面运行许多定时器，那么你无论怎么优化，最后肯定是超过指定的时间才能完成动画，定时器越多，延迟越严重。为此，YUI,kissy等采用中央队列的方式，将定时器减少至一个，浏览器厂商firefox在4.0就推出mozRequestAnimationFrame,由于浏览器在维护队列，它内部掌握DOM渲染，事件队列等情况，所以大抵能保证fps在60左右。

谷歌发现这个思路不错，整合到自己的chrome中去，相对而言，精简很多。与最后定案的标准相差很小。webkitRequestAnimationFrame有点像定时器，第一个是回调，第二个可选，传执行动画的元素节点进去，返回一个ID，然后允许像clearTimeout一样有个weibkitCancelRequest-AnimationFrame函数进行中止动画。不过名字有点长了，后来模仿firfox一样使用cancelAnimationFrame,不同的只是私有前缀。

<script type="text/javascript">
    // chrome 10-23
    var startTime, 
        duration = 3000;
    function animate(now) {
        var per = (now - startTime) / duration;
        if (per >= 1) {
            window.webkitCancelRequestAnimationFrame(requestID);
        } else {
            document.getElementById("test").style.left = Math.round(600 * per) + "px";
            window.webkitRequestAnimationFrame(animate);//不断地归抵调用animate
        }
    }
    function start(){
        startTime = Date.now();
        requestID = window.webkitRequestAnimationFrame(animate)
    }
</script>

<button onclick="start()">click</button>
<div id="test" style="position:absolute;left:10px;background:red">go</div>

IE与Opera起步最晚，IE到10才开始支持，不过这时标准已经形成，没有私有前缀，没有兼容性问题。

网上有很多非常不负责任的写法，因此，总结过很多写法，这里就不写出了。

这里参考司徒正美，网友屈屈，月影的版本改进。

    //司徒正美从，网友屈屈，月影的版本改进。
    function getAnimationFrame(){
        //不存在msRequestAnimationFrame,IE10和chrome24直接使用requestAnimationFrame
        if (window.requestAnimationFrame) {
            return {
                request:requestAnimationFrame,
                cancel:cancelRequestAnimationFrame
            }
            //firefox11没有实现cancelRequestAnimationFrame
            //并且mozRequestAnimationFrame与标准出入过大
        } else if (window.mozCancelRequestAnimationFrame && window.mozCancelAnimationFrame) {
            return {
                request:mozRequestAnimationFrame,
                cancel:mozCancelAnimationFrame
            }
        } else if (window.webkitRequestAnimationFrame && webkitRequestAnimationFrame(String)) {
            return { //修正某个特异的webkit下没有time的参数
                request:function(callback) {
                    return window.webkitRequestAnimationFrame(
                        function(){
                            return callback(new Date - 0);
                        });
                },
                cancel:window.webkitCancelAnimationFrame || window.webkitCancelRequestAnimationFrame
            }
        } else {
            var millisec = 25; //40fps
            var callbacks = [];
            var id = 0, cursor = 0;
            function playAll(){
                var cloned = callbacks.slice(0);
                cursor += callbacks.length;
                callbacks.length = 0 ;//清空队列
                for (var i = 0; callback; callback = cloned[i++]) {
                    if (callback !== "cancelled") {
                        callback(new Date - 0);
                    }
                }
            }
            window.setInterval(playAll, millisec) ;
            return {
                request:function(handler){
                    callbacks.push(handler);
                    return id++;
                },
                cancel: function(id){
                    callbacks[id - cursor] = "cancelled"
                }
            };
        }
    }

当然，requestAnimationFrame不是没有缺点，它不能控制fps,比如我们做一些慢动作，许多回调都是做无用功。另外一个极端，在动作，枪战等动态场景，如果帧数不够高，换就会发虚，模糊。利用原始的setTimeout(在IE9 10 firefox10，chrome等浏览器中，它的最短时隔已经压缩到4ms，能轻松跑100帧以上的动画)，让动画更逼真，特写镜头丝丝入扣。

另外我们可以尝试postMessage这个异步方法，能实现超高度的动画(IE10 有setImmediate,速度也相当不错)。
（实验略。。）

视电脑性能而言，结果大致如下

类型	setTimeout	requestAnimationFrame	loop	postMessage
平均帧数	200	60	200-300	900-1000

微软官方，也放出使用高性能异步的方法setImmediate，与原始的setTimeout的对比实验，流程度很好。

在现实中，尤其是游戏中的，结合多种异步API是很有必要的。如作为背景的树木，流水，NPC用requestAnimationFrame实现，而玩家的角色，由于需要点击，再配合速度，体力，耐力等元素，其走路的速度是可变的，用setTimeout实现比较合适。一些非常炫酷的动画，可能就需要postMessage,image.one, setImmediate, MessageChancel等API.

 （本章完结）

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