JS前端可视化canvas动画原理及其推导实现
作者：尤水就下
前言
到目前为止我们的 fabric.js 雏形已经有了，麻雀虽小五脏俱全，我们不仅能够在画布上自由的添加物体，同时还实现了点选和框选，并且能够对它们做一些变换，不过只有变换这个操作还不够灵活，要是能够让物体动起来就好了，于是就引入了这个章节的主题：动画，以及动画最核心的一个问题，如何保证在不同的电脑上达到同样的动画效果？然后说干就干，立马开撸🚀。
虽然我写的是系列文章，但每个章节单独食用是木问题的，所以，请放心大胆的看🧐。
动画的本质
先来看看在 canvas 库中调用动画的一般方式吧，比如我们要让一个矩形动起来，大体是下面这样的用法：
rect.animate(
{ top: 50, left: 400, angle: 45 }, // 要动画的属性
{ duration: 1000, onChange: canvas.renderAll.bind(canvas) } // 动画执行时间和手动渲染
);
代码浅显易懂，然后我们来想想动画的本质是什么，为什么我们能够看到动画效果呢？这个大家应该都有所了解，不就是画布重新绘制了吗，只要重绘的足够多足够快，根据人的视觉残留效应，就形成了动画。
没错，大体就是这个原因，但我们可以更具体一点，想想画布为什么要重新绘制呢？不就是因为画布中某个物体的某个值改变了，所以我们才要更新一下画面，以此来表示它动了。这个物体状态值的改变才是动画的根本原因🤔。
比如一个物体要花 1s 的时间从 left=100 的地方移动到 left=200 的地方，只要我不断修改 left 值，然后不断 renderAll 就能看到物体从左往右移动了。这很好理解，但是有个新问题出现了，它应该怎样移动呢？匀速、加速还是减速？又或者是其他方式呢？其实都可以，具体要看你希望这个 left 怎么变，以怎样的规律变化。
动画的实现
既然动画的本质就是值的改变，那这个值的改变和哪些因素有关呢？根据刚才的例子我们可以知道大概有以下四个因素：
- 初始值：
startValue - 结束值：
endValue - 值的变化时间：
duration - 怎么变（匀速、缓动还是弹动）：
easing（一个熟悉的单词出现了）
显然动画也是一个通用的东西，所以我们把它写在 Util 工具类里，代码不多，直接食用就行👇🏻：
interface IAnimationOption {
/** 初始值 */
startValue?: number;
/** 最终值 */
endValue?: number;
/** 执行时间 */
duration?: number;
/** 缓动函数 */
easing?: Function;
/** 动画一开始的回调 */
onStart?: Function;
/** 属性值改变都会进行的回调 */
onChange?: Function;
/** 属性值变化完成进行的回调 */
onComplete?: Function;
}
class Util {
static animate(options: IAnimationOption) {
window.requestAnimationFrame((timestamp: number) => { // requestAnimationFrame 会有个默认参数 timestamp，单位毫秒，表示开始去执行回调函数的时刻
// 初始化一些变量
let start = timestamp || +new Date(), // 开始时间
duration = options.duration || 500, // 动画时间
finish = start + duration, // 结束时间
time, // 当前时间
onChange = options.onChange || (() => {}), // 值改变进行的回调
easing = options.easing || ((t, b, c, d) => -c * Math.cos((t / d) * (Math.PI / 2)) + c + b), // 缓动函数，不用管名字，简单理解为一个普通函数即可，它会返回一个数值
startValue = options.startValue || 0, // 初始值
endValue = options.endValue || 100, // 结束值
byValue = options.byValue || endValue - startValue; // 值的变化范围
function tick(ticktime: number) { // tick 的主要任务就是根据当前时间更新值
time = ticktime || +new Date();
let currentTime = time > finish ? duration : time - start; // 当前已经执行了多久时间（介于0~duration）
onChange(easing(currentTime, startValue, byValue, duration)); // 根据当前时间和 easing 函数算出当前的动画值是多少，easing 理解成一个普通函数就行，它会返回一个值，就像这样：curVal = f(x) = easing(currentTime)
if (time > finish) { // 动画结束
options.onComplete && options.onComplete(); // 动画完成的回调
return;
}
window.requestAnimationFrame(tick); // 循环调用 tick，不断更新值，从而形成了动画
}
options.onStart && options.onStart(); // 动画开始前的回调
tick(start); // 开始动画
});
}
}
相信上面的注释应该解释的清清楚楚、明明白白。不过还是要着重讲下其中的两个点：
- 一个是为什么使用 requestAnimationFrame 这个 api 来完成动画，这应该也是个老生常谈的问题了，因为 setInterval 和 setTimeout 不准，很容易出问题，比如执行时机不准确、切换页面回来会堆积执行、不流畅等，并且它们也不是专门为动画而生（当然如果你不习惯用 requestAnimationFrame 也可以直接把它换成 setTimeout，方便自己理解）；
- 而 requestAnimationFrame 是按帧率刷新的，跟着帧率走的期间我们就可以不用做很多无用功，能够更好的知道绘制下一帧的最佳时机，也比较流畅。它们的一个最主要的区别就是：
- setInterval 和 setTimeout 是主动告诉浏览器什么时候去绘制；
- 而 requestAnimationFrame 则是浏览器在它觉得可以绘制下一帧的时候通知我们（你品，你细品，就有那味了）。
当然我们肯定不能直接傻傻的像下面这样调用👇🏻：
// 假设要从左到右运动
let left = 100;
function tick() {
left++; // 更新值
window.requestAnimationFrame(tick);
}
tick();
因为每个屏幕刷新频率不一样，如果像上面这样写，在有的电脑上就会快一些，有的电脑上就会慢一些，不仅如此在页面切换到后台的时候帧率也会降低，就会导致各种问题，这显然不是我们期望的。
所以要怎么做呢？
我们应该是以时间为维度来播放动画，因为时间对我们来说流逝的速度是一样的，所以在动画一开始的时候需要记录下开始时间 start，之后动画播放到哪里都会以这个开始时间为基准，回头看看刚才代码中计算当前动画执行了多长时间的方式：
let currentTime = time > finish ? duration : time - start;
就是以 start 为基准的，这点很重要。
第二点是关于 easing 函数，虽然好像接触过，但还是会有很多同学对此感到疑惑，所以接下来我会专门讲下这方面的内容，比如：这个函数是干嘛的、是怎么推导的、最终又是得到什么结果、和我们平时说的缓动函数是一个东西吗等等之类的。
动画的推导
在讲解 onChange(easing(currentTime, startValue, byValue, duration)) 这个东西之前，我们先来看看如何让每个物体都具有动画的方法，就是在物体基类中扩展就行了，瞟一眼就行👇🏻：
class FabricObject { // 物体基类
_animate(property, to, options: IAnimationOption = {}) { // 某个属性要变化到哪里
options = Util.clone(options);
let currentValue = this.get(property); // 获取初始值
if (!options.from) options.from = currentValue; // 一般不传初始值的话就默认取当前属性值
Util.animate({
startValue: options.from,
endValue: to,
easing: options.easing, // 决定了值如何变化，常用的就缓动和弹动
duration: options.duration,
onChange: (value) => { // value 是 easing 函数的返回值，本质就是值的计算，value = easing()
this.set(property, value); // 重新设置属性值
options.onChange && options.onChange(); // 值改变之后，调用 onChange 回调就会重新渲染画布，数据和视图分开的优点又体现了出来
},
onComplete: () => {
this.setCoords(); // 更新物体自身的一些坐标值等
options.onComplete && options.onComplete(); // 动画结束的回调
},
});
}
}
然后再强调一下，动画的核心就是值的变化，Util.animate 中的 easing 函数其实就是计算动画播放到 (0, duration) 中间某一时刻的值是多少，仅此而已。再来简单说下 easing 函数吧，一般可以叫它缓动函数。
它是首先是一个函数，并且会返回一个数值，类似于 y = f(x)，在我们的例子中就是 value = easing(time, beginValue, changeValue, duration)。这个函数有四个参数(当前时间、初始值、变化量 = 结束值-初始值、动画时间)，返回的是当前时间点所对应的值 value，显然后面三个参数是已知的，也是固定的，唯一会变化的就是当前时间，它的取值范围就是从 0 到 duration。
执行动画的时候其实就是改变这个当前时间，根据当前时间我们代入 easing 函数就能够得到对应的 value 值。
可能有同学还是不懂这个缓动函数，其实是因为被上面的公式唬住了，公式都是推导之后的简便写法，直接去看式子是很难理解的，单凭公式在脑海中想象出动画效果也不太现实，所以这里给大家简单推导一下这种式子怎么来的，以最简单的匀速运动为例子，看看下面这张图👇🏻：
上面这个过程很显然，也不用怎么推导，下面我们来看另一个更加通用的例子，首先随便拿一个函数 y = x * x（其他的也行），顺便简单画下函数图像👇🏻：
绿色代表起点，也就是动画起始值，红色代表终点，也就是动画结束值。x 轴就是动画时间，y 轴就是当前的动画值，为了方便和统一，我们需要把时间换算成 [0, 1] 的范围，0 就是起点，1 就是终点，y 轴代表的值也是一样的道理。
然后我们的起点和终点就是(0,0)和(1,1)点
（注意：虽然xy的范围都是0到1，看起来是个正方形，但它们的单位或者说表达的意思是不一样的，不要混淆了），起点和终点是固定不变的，中间的曲线可以随便怎么画，那怎么将它写成一个缓动函数呢？
我们先看看 x 轴代表什么，x 是一个取值范围从0到1的变量，看看我们的缓动函数有啥变量呢，就一个 currentTime，但是 currentTime 的取值范围是从 [0, duration]，所以我们需要把它映射成[0, 1]，其实也就是把 currentTime / duration 就行，然后用 currentTime / duration 代替 x；
那 y 呢，y 根据 x 算出来的值，代表的是当前这个时间点所对应的值，也就是我们缓动函数的 value 值，它的取值范围在 [startValue, startValue + byValue] 之间，所以我们也需要将其变成[0, 1]，所以 value 的值变成了这样(value - startValue) / byValue，那么现在 y 值也有了，我们就可以将它们直接代入 y = x * x 这个初始公式，就像这样：
① y = x * x
👇🏻 代入 x、y
② (value - startValue) / byValue = (currentTime / duration) * (currentTime / duration)
👇🏻 整理一下
③ value = (currentTime / duration) * (currentTime / duration) * byValue + startValue
👇🏻 简化一下（简化英文单词而已😂）
④ value = (t, b, c, d) => ((t/d) * (t/d) * c + b)
这个效果其实就是 easeInQuad 先慢后快的缓入效果，其他函数也是一样的推导方式，只要你能写出来。不过即便知道了怎么推导，你也很难有个直观的效果，其实常见和常用的就那么几个，网上也有大把封装好的和演示的，有个印象就行（比如可以搜一下 Tween.js）。
当然你也可以看函数图像简单猜一下效果，具体就是看每一点的斜率，斜率越趋近于水平就越慢，斜率越趋近于竖直就越快；如果你的函数曲线中有 y 值超出了 1，就说明中间点在某一时刻会超过终点，如果有 y 值小于 0，就说明有中间点有某一时刻会小于起始点，大概是这么个意思😂。
缓动函数有个很大的特点，就是起点和终点位置是确定的，中间位置你可以随便算，可快可慢，可以超出终点，也可以小于起点，具体什么效果，你可以随便写个方程运行试试，然后再根据效果调试。相信你肯定见过下面这种类型的图：
现在再看看，不知道会不会感到稍微亲切一点点嘞？🥳
小结
本章我们主要讲解了 canvas 中动画的实现，其中最重要的一点就是如何在不同帧率达到同样的动画效果，那就是要以时间为维度来进行度量，用 canvas 做的游戏也是一样，时间每向前 tick 一次（滴答的意思，挺形象的叫法，古老时钟的那种感觉），画布就会向前推进一次（重新绘制）。
然后再补充两个小点：
- 通常情况下动画的发生总是伴随着画布的重新绘制，但是默认情况下 fabric.js 并不会自动帮我们重新绘制，需要我们手动调用（可以看看开篇代码中 onChange 的回调是咋写的），这是因为如果画布中有很多物体在运动，默认自动重新绘制的话会降低性能。
- 动画不仅仅可以作用于位置，还可以作用于各种属性，比如透明度、颜色等，其实只要是个数值就能够进行动画。并且归功于我们之前将数据和视图分离的架构，这个章节所做的一切也仅仅是改变数据而已，并不涉及画布绘制的内容。
然后这里是简版 fabric.js 的代码
以上就是JS前端可视化canvas动画原理及其推导实现的详细内容，更多关于JS前端可视化canvas动画的资料请关注脚本之家其它相关文章！