JavaScript 动画

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2023-12-01

JavaScript 动画可以处理 CSS 无法处理的事情。

例如，沿着具有与 Bezier 曲线不同的时序函数的复杂路径移动，或者实现画布上的动画。

使用 setInterval

从 HTML/CSS 的角度来看，动画是 style 属性的逐渐变化。例如，将 style.left 从 0px 变化到 100px 可以移动元素。

如果我们用 setInterval 每秒做 50 次小变化，看起来会更流畅。电影也是这样的原理：每秒 24 帧或更多帧足以使其看起来流畅。

伪代码如下：

let delay = 1000 / 50; // 每秒 50 帧
let timer = setInterval(function() {
  if (animation complete) clearInterval(timer);
  else increase style.left
}, delay)

更完整的动画示例：

let start = Date.now(); // 保存开始时间

let timer = setInterval(function() {
  // 距开始过了多长时间
  let timePassed = Date.now() - start;

  if (timePassed >= 2000) {
    clearInterval(timer); // 2 秒后结束动画
    return;
  }

  // 在 timePassed 时刻绘制动画
  draw(timePassed);

}, 20);

// 随着 timePassed 从 0 增加到 2000
// 将 left 的值从 0px 增加到 400px
function draw(timePassed) {
  train.style.left = timePassed / 5 + 'px';
}

<!DOCTYPE HTML>
<html>

<head>
  <style>
    #train {
      position: relative;
      cursor: pointer;
    }
  </style>
</head>

<body>

  <img id="train" src="https://js.cx/clipart/train.gif">


  <script>
    train.onclick = function() {
      let start = Date.now();

      let timer = setInterval(function() {
        let timePassed = Date.now() - start;

        train.style.left = timePassed / 5 + 'px';

        if (timePassed > 2000) clearInterval(timer);

      }, 20);
    }
  </script>


</body>

</html>

使用 requestAnimationFrame

假设我们有几个同时运行的动画。

如果我们单独运行它们，每个都有自己的 setInterval(..., 20)，那么浏览器必须以比 20ms 更频繁的速度重绘。

每个 setInterval 每 20ms 触发一次，但它们相互独立，因此 20ms 内将有多个独立运行的重绘。

这几个独立的重绘应该组合在一起，以使浏览器更加容易处理。

换句话说，像下面这样：

setInterval(function() {
  animate1();
  animate2();
  animate3();
}, 20)

……比这样更好：

setInterval(animate1, 20);
setInterval(animate2, 20);
setInterval(animate3, 20);

还有一件事需要记住。有时当 CPU 过载时，或者有其他原因需要降低重绘频率。例如，如果浏览器选项卡被隐藏，那么绘图完全没有意义。

有一个标准动画时序提供了 requestAnimationFrame 函数。

它解决了所有这些问题，甚至更多其它的问题。

语法：

let requestId = requestAnimationFrame(callback);

这会让 callback 函数在浏览器每次重绘的最近时间运行。

如果我们对 callback 中的元素进行变化，这些变化将与其他 requestAnimationFrame 回调和 CSS 动画组合在一起。因此，只会有一次几何重新计算和重绘，而不是多次。

返回值 requestId 可用来取消回调：

// 取消回调的周期执行
cancelAnimationFrame(requestId);

callback 得到一个参数 —— 从页面加载开始经过的毫秒数。这个时间也可通过调用 performance.now() 得到。

通常 callback 很快就会运行，除非 CPU 过载或笔记本电量消耗殆尽，或者其他原因。

下面的代码显示了 requestAnimationFrame 的前 10 次运行之间的时间间隔。通常是 10-20ms：

<script>
  let prev = performance.now();
  let times = 0;

  requestAnimationFrame(function measure(time) {
    document.body.insertAdjacentHTML("beforeEnd", Math.floor(time - prev) + " ");
    prev = time;

    if (times++ < 10) requestAnimationFrame(measure);
  });
</script>

结构化动画

现在我们可以在 requestAnimationFrame 基础上创建一个更通用的动画函数：

function animate({timing, draw, duration}) {

  let start = performance.now();

  requestAnimationFrame(function animate(time) {
    // timeFraction 从 0 增加到 1
    let timeFraction = (time - start) / duration;
    if (timeFraction > 1) timeFraction = 1;

    // 计算当前动画状态
    let progress = timing(timeFraction);

    draw(progress); // 绘制

    if (timeFraction < 1) {
      requestAnimationFrame(animate);
    }

  });
}

animate 函数接受 3 个描述动画的基本参数：

duration

动画总时间，比如 1000。

timing(timeFraction)

时序函数，类似 CSS 属性 transition-timing-function，传入一个已过去的时间与总时间之比的小数（0 代表开始，1 代表结束），返回动画完成度（类似 Bezier 曲线中的 y）。

例如，线性函数意味着动画以相同的速度均匀地进行：

function linear(timeFraction) {
  return timeFraction;
}

图像如下：

它类似于 transition-timing-function: linear。后文有更多有趣的变体。

draw(progress)

获取动画完成状态并绘制的函数。值 progress = 0 表示开始动画状态，progress = 1 表示结束状态。

这是实际绘制动画的函数。

它可以移动元素：

function draw(progress) {
  train.style.left = progress + 'px';
}

……或者做任何其他事情，我们可以以任何方式为任何事物制作动画。

让我们使用我们的函数将元素的 width 从 0 变化为 100%。

function animate({duration, draw, timing}) {

  let start = performance.now();

  requestAnimationFrame(function animate(time) {
    let timeFraction = (time - start) / duration;
    if (timeFraction > 1) timeFraction = 1;

    let progress = timing(timeFraction)

    draw(progress);

    if (timeFraction < 1) {
      requestAnimationFrame(animate);
    }

  });
}

<!DOCTYPE HTML>
<html>

<head>
  <meta charset="utf-8">
  <style>
    progress {
      width: 5%;
    }
  </style>
  <script src="animate.js"></script>
</head>

<body>


  <progress id="elem"></progress>

  <script>
    elem.onclick = function() {
      animate({
        duration: 1000,
        timing: function(timeFraction) {
          return timeFraction;
        },
        draw: function(progress) {
          elem.style.width = progress * 100 + '%';
        }
      });
    };
  </script>


</body>

</html>

它的代码如下：

animate({
  duration: 1000,
  timing(timeFraction) {
    return timeFraction;
  },
  draw(progress) {
    elem.style.width = progress * 100 + '%';
  }
});

与 CSS 动画不同，我们可以在这里设计任何时序函数和任何绘图函数。时序函数不受 Bezier 曲线的限制。并且 draw 不局限于操作 CSS 属性，还可以为类似烟花动画或其他动画创建新元素。

时序函数

上文我们看到了最简单的线性时序函数。

让我们看看更多。我们将尝试使用不同时序函数的移动动画来查看它们的工作原理。

n 次幂

如果我们想加速动画，我们可以让 progress 为 n 次幂。

例如，抛物线：

function quad(timeFraction) {
  return Math.pow(timeFraction, 2)
}

图像如下：

看看实际效果（点击激活）：

quad

……或者三次曲线甚至使用更大的 n。增大幂会让动画加速得更快。

下面是 progress 为 5 次幂的图像:

实际效果：

quint

圆弧

函数：

function circ(timeFraction) {
  return 1 - Math.sin(Math.acos(timeFraction));
}

图像：

circ

反弹：弓箭射击

此函数执行“弓箭射击”。首先，我们“拉弓弦”，然后“射击”。

与以前的函数不同，它取决于附加参数 x，即“弹性系数”。“拉弓弦”的距离由它定义。

代码如下：

function back(x, timeFraction) {
  return Math.pow(timeFraction, 2) * ((x + 1) * timeFraction - x);
}

x = 1.5 时的图像：

在动画中我们使用特定的 x 值。下面是 x = 1.5 时的例子：

back

弹跳

想象一下，我们正在抛球。球落下之后，弹跳几次然后停下来。

bounce 函数也是如此，但顺序相反：“bouncing”立即启动。它使用了几个特殊的系数：

function bounce(timeFraction) {
  for (let a = 0, b = 1, result; 1; a += b, b /= 2) {
    if (timeFraction >= (7 - 4 * a) / 11) {
      return -Math.pow((11 - 6 * a - 11 * timeFraction) / 4, 2) + Math.pow(b, 2)
    }
  }
}

演示：

bounce

伸缩动画

另一个“伸缩”函数接受附加参数 x 作为“初始范围”。

function elastic(x, timeFraction) {
  return Math.pow(2, 10 * (timeFraction - 1)) * Math.cos(20 * Math.PI * x / 3 * timeFraction)
}

x=1.5 时的图像：

x=1.5 时的演示

elastic

逆转：ease*

我们有一组时序函数。它们的直接应用称为“easeIn”。

有时我们需要以相反的顺序显示动画。这是通过“easeOut”变换完成的。

easeOut

在“easeOut”模式中，我们将 timing 函数封装到 timingEaseOut中：

timingEaseOut(timeFraction) = 1 - timing(1 - timeFraction);

换句话说，我们有一个“变换”函数 makeEaseOut，它接受一个“常规”时序函数 timing 并返回一个封装器，里面封装了 timing 函数：

// 接受时序函数，返回变换后的变体
function makeEaseOut(timing) {
  return function(timeFraction) {
    return 1 - timing(1 - timeFraction);
  }
}

例如，我们可以使用上面描述的 bounce 函数：

let bounceEaseOut = makeEaseOut(bounce);

这样，弹跳不会在动画开始时执行，而是在动画结束时。

#brick {
  width: 40px;
  height: 20px;
  background: #EE6B47;
  position: relative;
  cursor: pointer;
}

#path {
  outline: 1px solid #E8C48E;
  width: 540px;
  height: 20px;
}

<!DOCTYPE HTML>
<html>

<head>
  <meta charset="utf-8">
  <link rel="stylesheet" href="style.css">
  <script src="https://js.cx/libs/animate.js"></script>
</head>

<body>


  <div id="path">
    <div id="brick"></div>
  </div>

  <script>
    function makeEaseOut(timing) {
      return function(timeFraction) {
        return 1 - timing(1 - timeFraction);
      }
    }

    function bounce(timeFraction) {
      for (let a = 0, b = 1, result; 1; a += b, b /= 2) {
        if (timeFraction >= (7 - 4 * a) / 11) {
          return -Math.pow((11 - 6 * a - 11 * timeFraction) / 4, 2) + Math.pow(b, 2)
        }
      }
    }

    let bounceEaseOut = makeEaseOut(bounce);

    brick.onclick = function() {
      animate({
        duration: 3000,
        timing: bounceEaseOut,
        draw: function(progress) {
          brick.style.left = progress * 500 + 'px';
        }
      });
    };
  </script>


</body>

</html>

在这里，我们可以看到变换如何改变函数的行为：

如果在开始时有动画效果，比如弹跳 —— 那么它将在最后显示。

上图中常规弹跳为红色，easeOut 弹跳为蓝色。

常规弹跳 —— 物体在底部弹跳，然后突然跳到顶部。
easeOut 变换之后 —— 物体跳到顶部之后，在那里弹跳。

easeInOut

我们还可以在动画的开头和结尾都显示效果。该变换称为“easeInOut”。

给定时序函数，我们按下面的方式计算动画状态：

if (timeFraction <= 0.5) { // 动画前半部分
  return timing(2 * timeFraction) / 2;
} else { // 动画后半部分
  return (2 - timing(2 * (1 - timeFraction))) / 2;
}

封装器代码：

function makeEaseInOut(timing) {
  return function(timeFraction) {
    if (timeFraction < .5)
      return timing(2 * timeFraction) / 2;
    else
      return (2 - timing(2 * (1 - timeFraction))) / 2;
  }
}

bounceEaseInOut = makeEaseInOut(bounce);

bounceEaseInOut

#brick {
  width: 40px;
  height: 20px;
  background: #EE6B47;
  position: relative;
  cursor: pointer;
}

#path {
  outline: 1px solid #E8C48E;
  width: 540px;
  height: 20px;
}

<!DOCTYPE HTML>
<html>

<head>
  <meta charset="utf-8">
  <link rel="stylesheet" href="style.css">
  <script src="https://js.cx/libs/animate.js"></script>
</head>

<body>


  <div id="path">
    <div id="brick"></div>
  </div>

  <script>
    function makeEaseInOut(timing) {
      return function(timeFraction) {
        if (timeFraction < .5)
          return timing(2 * timeFraction) / 2;
        else
          return (2 - timing(2 * (1 - timeFraction))) / 2;
      }
    }


    function bounce(timeFraction) {
      for (let a = 0, b = 1, result; 1; a += b, b /= 2) {
        if (timeFraction >= (7 - 4 * a) / 11) {
          return -Math.pow((11 - 6 * a - 11 * timeFraction) / 4, 2) + Math.pow(b, 2)
        }
      }
    }

    let bounceEaseInOut = makeEaseInOut(bounce);

    brick.onclick = function() {
      animate({
        duration: 3000,
        timing: bounceEaseInOut,
        draw: function(progress) {
          brick.style.left = progress * 500 + 'px';
        }
      });
    };
  </script>


</body>

</html>

“easeInOut” 变换将两个图像连接成一个：动画的前半部分为“easeIn”（常规），后半部分为“easeOut”（反向）。

如果我们比较 circ 时序函数的 easeIn、easeOut 和 easeInOut 的图像，就可以清楚地看到效果：

红色是 circ（easeIn）的常规变体。
绿色 —— easeOut。
蓝色 —— easeInOut。

正如我们所看到的，动画前半部分的图形是缩小的“easeIn”，后半部分是缩小的“easeOut”。结果是动画以相同的效果开始和结束。

更有趣的 “draw”

除了移动元素，我们还可以做其他事情。我们所需要的只是写出合适的 draw。

textarea {
  display: block;
  border: 1px solid #BBB;
  color: #444;
  font-size: 110%;
}

button {
  margin-top: 10px;
}

<!DOCTYPE HTML>
<html>

<head>
  <meta charset="utf-8">
  <link rel="stylesheet" href="style.css">
  <script src="https://js.cx/libs/animate.js"></script>
</head>

<body>


  <textarea id="textExample" rows="5" cols="60">He took his vorpal sword in hand:
Long time the manxome foe he sought—
So rested he by the Tumtum tree,
And stood awhile in thought.
  </textarea>

  <button onclick="animateText(textExample)">Run the animated typing!</button>

  <script>
    function animateText(textArea) {
      let text = textArea.value;
      let to = text.length,
        from = 0;

      animate({
        duration: 5000,
        timing: bounce,
        draw: function(progress) {
          let result = (to - from) * progress + from;
          textArea.value = text.substr(0, Math.ceil(result))
        }
      });
    }


    function bounce(timeFraction) {
      for (let a = 0, b = 1, result; 1; a += b, b /= 2) {
        if (timeFraction >= (7 - 4 * a) / 11) {
          return -Math.pow((11 - 6 * a - 11 * timeFraction) / 4, 2) + Math.pow(b, 2)
        }
      }
    }
  </script>


</body>

</html>

总结

JavaScript 动画应该通过 requestAnimationFrame 实现。该内置方法允许设置回调函数，以便在浏览器准备重绘时运行。那通常很快，但确切的时间取决于浏览器。

当页面在后台时，根本没有重绘，因此回调将不会运行：动画将被暂停并且不会消耗资源。那很棒。

这是设置大多数动画的 helper 函数 animate：

function animate({timing, draw, duration}) {

  let start = performance.now();

  requestAnimationFrame(function animate(time) {
    // timeFraction 从 0 增加到 1
    let timeFraction = (time - start) / duration;
    if (timeFraction > 1) timeFraction = 1;

    // 计算当前动画状态
    let progress = timing(timeFraction);

    draw(progress); // 绘制

    if (timeFraction < 1) {
      requestAnimationFrame(animate);
    }

  });
}

参数：

duration —— 动画运行的总毫秒数。
timing —— 计算动画进度的函数。获取从 0 到 1 的小数时间，返回动画进度，通常也是从 0 到 1。
draw —— 绘制动画的函数。

当然我们可以改进它，增加更多花里胡哨的东西，但 JavaScript 动画不是经常用到。它们用于做一些有趣和不标准的事情。因此，您大可在必要时再添加所需的功能。

JavaScript 动画可以使用任何时序函数。我们介绍了很多例子和变换，使它们更加通用。与 CSS 不同，我们不仅限于 Bezier 曲线。

draw 也是如此：我们可以将任何东西动画化，而不仅仅是 CSS 属性。