前端动画技术

@WarpPrism 2018-05-30 11:57:17发表于 WarpPrism/Blog CSSJavaScript动效性能优化

动画相关概念

  • 帧:动画过程中每一个静止的状态,每一张静止的图片
  • 帧率:刷新频率,每秒钟播放的帧数,FPS(frame per second),单位是Hz
  • 帧时长:每一帧停留的时间,如60FPS的动画帧时长约为16.7ms,意味着浏览器必须在16.7ms内绘制完这一帧
  • 硬件加速:硬件有三个处理器:CPU、GPU和APU(声音处理器)。他们通过PCI/AGP/PCIE总线交换数据。GPU在浮点运算、并行计算等部分计算方面,明显高于CPU的性能。硬件加速即利用GPU进行动画的计算
  • 缓动:最普通的动画就是匀速的动画,每次增加固定的值。缓动就是用来修改每次增加的值,让其按照不规律的方式增加,实现动画的变化。
  • 浏览器的刷新率:通常为60Hz

前端动画分类

从控制角度分,前端动画分为两种:

  1. JavaScript控制的动画
  2. CSS控制的动画

从实现方式上分:

  1. 补间动画 (定义关键帧,中间状态自动补全,如css的animation)
  2. 逐帧动画 (逐帧绘制,如requestAnimationFrame)

JS动画

JS动画的原理是通过setTimeout setIntervalrequestAnimationFrame 方法绘制动画帧(render),从而动态地改变网页中图形的显示属性(如DOM样式,canvas位图数据,SVG对象属性等),进而达到动画的目的。

多数情况下,应 首先选用 requestAnimationFrame方法(RAF),因为RAF的原理是会在浏览器下一次重绘之前更新动画,即它的刷新频率和浏览器自身的刷新频率保持一致(一般为60Hz),从而确保了性能。另外RAF在浏览器切入后台时会暂停执行,也可以提升性能和电池寿命。(来自MDN

// requestAnimationFrame Demo
let i = 0
let render = () {
  if (i >= frame.length) i = 0
  let currentFrame = frame[i]
  drawFrame(currentFrame)
  i++
  requestAnimationFrame(render)
}
requestAnimationFrame(render)

下面代码是一个用js + canvas 实现帧动画的一个例子,可以帮你更好的理解js动画原理:

/**
 * 基于canvas的帧动画实现
 * 最近修改日期:2018-06-22
 */

import { IsArray } from 'Utils'

class FrameAnim {
  constructor ({ frames, canvas, fps, useRAF }) {
    this._init({ frames, canvas, fps, useRAF })
  }
  /**
   * 实例初始化
   * @param options ->
   * @param {Array} frames image对象数组
   * @param {Object} canvas canvas dom 对象
   * @param {Number} fps 帧率
   * @param {Boolean} useRAF 是否使用requestAnimationFrame方法
   */
  _init ({ frames, canvas, fps, useRAF }) {
    this.frames = []
    if (IsArray(frames)) {
      this.frames = frames
    }
    this.canvas = canvas
    // 如果使用RAF,则不需要传入FPS,否则可用FPS控制帧率
    this.fps = fps || 60
    this.useRAF = useRAF || false

    this.ctx = this.canvas.getContext('2d') // 绘图上下文
    this.cwidth = this.canvas.width
    this.cheight = this.canvas.height
    this.animTimer = null // 动画定时器
    this.currentIndex = 0 // 当前帧
    this.stopLoop = false // 停止循环播放
  }
  _play (frameSections, fromIndex = 0) {
    return new Promise((resolve, reject) => {
      this.currentIndex = fromIndex || 0
      if (this.useRAF) {
        let render = () => {
          this.ctx.clearRect(0, 0, this.cwidth, this.cheight)
          let currentFrame = frameSections[this.currentIndex]
          this.ctx.drawImage(currentFrame, 0, 0, currentFrame.width, currentFrame.height)
          this.currentIndex++
          if (this.currentIndex <= frameSections.length - 1) {
            requestAnimationFrame(render)
          } else {
            this._stopPlay()
            resolve({finish: true})
          }
        }
        this.animTimer = requestAnimationFrame(render)
      } else {
        this.animTimer = setInterval(() => {
          if (this.currentIndex > frameSections.length - 1) {
            this._stopPlay()
            resolve({finish: true})
            return
          }
          this.ctx.clearRect(0, 0, this.cwidth, this.cheight)
          let currentFrame = frameSections[this.currentIndex]
          this.ctx.drawImage(currentFrame, 0, 0, currentFrame.width, currentFrame.height)
          this.currentIndex++
        }, 1000 / this.fps)
      }
    })
  }
  _stopPlay () {
    if (this.useRAF) {
      cancelAnimationFrame(this.animTimer)
      this.animTimer = null
    } else {
      clearInterval(this.animTimer)
      this.animTimer = null
    }
  }
  stopAllFrameAnimation () {
    this.stopLoop = true
    this._stopPlay()
  }
  /**
   * 顺序播放
   * @param {Array} frameSections 动画帧片段
   */
  linearPlay (frameSections = this.frames) {
    return this._play(frameSections, this.currentIndex)
  }
  /**
   * 顺序循环播放
   * @param {Array} frameSections 动画帧片段
   */
  loopPlay (frameSections = this.frames) {
    this._play(frameSections, this.currentIndex).then((res) => {
      if (!this.stopLoop) {
        this.currentIndex = 0
        this.loopPlay(frameSections, this.currentIndex)
      }
    })
  }
  // 倒序播放
  reversePlay (frameSections = this.frames) {
    frameSections.reverse()
    return this.linearPlay(frameSections)
  }
  // 倒序循环播放
  reverseLoopPlay (frameSections = this.frames) {
    frameSections.reverse()
    this.loopPlay(frameSections)
  }
  // 秋千式(单摆式)循环播放:即从第一帧播放到最后一帧,再由最后一帧播放到第一帧,如此循环
  swingLoopPlay (frameSections = this.frames) {
    this._play(frameSections, this.currentIndex).then((res) => {
      if (!this.stopLoop) {
        this.currentIndex = 0
        frameSections.reverse()
        this.swingLoopPlay(frameSections)
      }
    })
  }
  /**
   * 销毁资源,需谨慎使用
   */
  disposeResource () {
    this.stopAllFrameAnimation()
    for (let i = 0; i < this.frames.length; i++) {
      this.frames[i] = null
    }
    this.frames = null
    this.canvas = this.ctx = null
  }
}

export default FrameAnim

CSS3 动画

css动画的原理是通过transition属性或@keyframes/animation定义元素在动画中的关键帧,以实现渐变式的过渡。

css动画有以下特点:

优点

  • CSS动画实现比较简单
  • CSS动画执行与JS主线程无关,例如在Chromium里,css动画运行在compositor thread线程中,即使你js线程卡住,css动画照常执行
  • 强制使用硬件加速,能有效利用GPU

缺点

  • 只能操作DOM或XML对象的部分属性
  • 动画控制能力薄弱,不能逐帧定义动画状态
  • 支持的缓动函数有限(CSS3动画的贝塞尔曲线是一个标准3次方曲线)
  • 滥用硬件加速也会导致性能问题

前端动画卡顿的原因

丢帧:浏览器绘制某一帧的时长超过了平均时长(帧超时),为了完成整个动画不得不丢弃后面的动画帧,造成丢帧现象。画面就出现了所谓的闪烁,卡顿。

导致帧超时的原因有很多,最主要的原因是layout、paint带来的性能开销:

无论是JS动画,还是CSS动画,在操作元素的某些样式(如height,width,margin,padding),会触发layout和paint,这样每一帧就会产生巨大的性能开销,相反,使用transform属性则不会,具体哪些属性能触发可以参考CSS Trigers,总之,我们应尽可能使用影响小的属性(transform,opacity)来做动画。

如果采用的是基于图片切换的帧动画技术,请确保所有图片预加载完毕,且用cacheImgs数组缓存所有图片资源到内存中,否则也会出现卡顿现象。

layout: 浏览器会对这些元素进行定位和布局,这一步也叫做reflow或者layout。

paint: 浏览器绘制这些元素的样式,颜色,背景,大小及边框等,这一步也叫做repaint。

composite: 然后浏览器会将各层的信息发送给GPU,GPU会将各层合成;显示在屏幕上。

如何选择最适合的动画技术

随着现代web技术的发展,无论是CSS动画还是JS动画,性能瓶颈越来越小,我们只要选择适合业务需要的技术,一样能创作出丝滑般顺畅的web动画。如果实在无法选择,看下图(仅供参考):

AnimationSelect

一般来说,动画性能优劣如下所示:

JS+Canvas > CSS + DOM > JS + DOM

这里是一个动画技术比较的Codepen Demo

动画缓动函数

  • Linear:无缓动效果
  • Quadratic:二次方的缓动(t^2)
  • Cubic:三次方的缓动(t^3)
  • Quartic:四次方的缓动(t^4)
  • Quintic:五次方的缓动(t^5)
  • Sinusoidal:正弦曲线的缓动(sin(t))
  • Exponential:指数曲线的缓动(2^t)
  • Circular:圆形曲线的缓动(sqrt(1-t^2))
  • Elastic:指数衰减的正弦曲线缓动
  • 超过范围的三次方缓动((s+1)t^3 – st^2)
  • 指数衰减的反弹缓动

缓动函数的实现可参考Tween.js

前端绘图技术 VS 前端动画技术

前端绘图技术通常指以HTML5为代表的(canvas,svg,webgl等)2D、3D图形绘制技术。它和前端动画之间没有包含与被包含的关系,更不能将它们 混为一谈,只有两者的有机结合才能创建出炫酷的UI界面。

参考链接

深入浏览器理解CSS animations 和 transitions的性能问题

前端性能优化之更平滑的动画

CSS vs JS动画:谁更快?

一篇文章说清浏览器解析和CSS(GPU)动画优化