简析iOS动画原理及实现——Core Animation

本文转载至 http://www.tuicool.com/articles/e2qaYjA

原文  https://tech.imdada.cn/2016/06/21/ios-core-animation/

主题 Core Animation

背景

随着达达业务的扩大，越来越多的人开始使用达达客户端，参加到众包物流的行业中。达达客户端分为iOS平台和安卓平台。

APP开发也从快速迭代的粗旷性开发转向高可复用，提升用户提现的精细化方向发展。iOS动画交互良好，使用广泛，良好的用户体验离不开流畅的界面变换。为此，达达iOS团队对动画实现以及背后原理做了学习探索。

目的

• 了解Core Animation 基本框架
• 理解图层的定义
• 解析动画的流程
• 掌握3D动画的原理
• 实现3D动画的代码实现

基本框架

Core Animation位于AppKit、UIKit下方，集成于View的Cocoa、Cocoa Touch中。当然Core Animation向view提供很多接口，好让开发者更好的控制动画。

图层的定义

1. 开发者所有关于Core Animation的操作都是基于图层，图层对象是3D空间向后垂直投影的一个2D平面。
2. 一个图层抓取由View提供的内容，并把这些内容缓存在一张位图中。
3. 在硬件层面中对位图的操作远远快于在软件层面。

理解

1. 垂直投影可以想象成，一个物体站在一面墙前，一个垂直于墙面的光源，照射物体，在墙上留下的阴影，由于是垂直光源，无论物体是远离墙面，还是靠近墙面，阴影的大小都不会发生变化。

2. iOS程序中每个View控件都有自己的Layer，View上的子控件，例如：Label，Image等，便是View向Layer提供的内容，而平移，旋转，缩放等参数，便是状态信息。

3. 基于Layer的动画，Core Animation把layer保留的bitmap和状态信息传给图形硬件，图形硬件负责使用新的信息操作bitmap。基于View 绘制，是通过调用view的drawRect方法来使用新的参数重绘内容改变view。这种绘制代价很高，因为绘制在总线程消耗CPU完成工作。

动画的流程

动画的原理

下面内容将会涉及的知识，依次是数学坐标系，线性代数矩阵，物理成像原理，数学相似三角形，数学方程组。不用担心，我们会从基础入手，让理解更加高效。

坐标系

在图层平面坐标系中，使用两种坐标系。

• 基于点的坐标系

原点位于图层的左上角，向右为x轴的正方向，向下为y轴的正方向，一个点的x、y坐标以点为单位。

• 单位坐标系

原点位于图层的左上角，向右为x轴的正方向，向下为y轴的正方向，一个点的x、y坐标以相对x轴、y轴的比例为值，取值范围［0，1］。锚点(anchorPoint)使用单位坐标系， 如下图所示position根据锚点而变。

锚点的作用

锚点决定了动画在变化时，z轴的位置。如下图，由于锚点不同，图层绕z轴的旋转效果也一样。

矩阵

1. 通过矩阵对图层位图进行平移、旋转、缩放变换。
2. 矩阵相乘只有在第一个矩阵的列数（column）和第二个矩阵的行数（row）相同时才有意义。
3. 图层的bitmap由点组成，每个点可以对应1×4矩阵，乘以一个4×4变换矩阵，得到一个1×4矩阵，即为变换后的结果。

矩阵乘法

1. 矩阵C的行数等于矩阵A的行数，C的列数等于B的列数。
2. 乘积C的第m行第n列的元素等于矩阵A的第m行的元素与矩阵B的第n列对应元素乘积之和。

思考？

1. 点坐标为什么要转换为1×4矩阵
2. 变换矩阵为什么必须是4×4矩阵
3. 如何实现移动，缩放，旋转

齐次矩阵

1. 齐次坐标就是将一个原本是n维的向量用一个n+1维向量来表示。
2. 使用1×4矩阵，是相对点的三维坐标进行齐次坐标。

齐次坐标变换 (x, y, z) -> (x × h,  y × h,  z × h,  h) -> (xˊ, yˊ, zˊ, h)

齐次坐标还原 (xˊ, yˊ, zˊ, h) -> (x / h,  y / h,  z / h,  1) -> (x, y, z)

如果不使用1×4齐次矩阵和4×4变换矩阵？

只使用3×3变换矩阵：

              m11, m12, m13
{x, y, z} * { m21, m22, m23 } = {x', y', z'}
              m31, m32, m33

xˊ=x × m11 + y × m21 + z × m31 在预先不对变量系数(m11, m21, m31)做其他计算的情况下，只能实现在各个坐标轴的缩放

但是使用使用1×4齐次矩阵和4×4变换矩阵后

xˊ= x × m11 + y × m21 + z × m31 + 1 × m41

m11=2  m21=0 m31=0 m41=8

可同时实现向x轴正方向放大2倍，在沿着x轴正方向平移8个单位

引入齐次坐标的目的主要是合并矩阵运算中的乘法和加法。

基本变换矩阵

• 矩阵就是利用矩阵内特殊位置的值，在做矩阵乘法时，达到对点坐标进行变换，下面时常用变换矩阵

3D动画效果

iOS中的CALayer的3D本质上并不能算真正的3D,而只是3D在二维平面上的投影，投影平面就是手机屏幕也就是xy轴组成的平面。

如此，只使用基本变换矩阵实现的平移、缩放、旋转，不会有近大远小的透视效果。

那该如何产生近大远小呢？

• 要达到近大远小目的，需要在系统做垂直投影前，先对图层做一次视点变换。如此垂直投影别是视点观察到的近大远小的物体。

• Layer的z轴的位置则是通过anchorPoint来指定的，所谓的anchorPoint(锚点)就是在变换中保持不变的点，也就是某个Layer在变换中的原点,xyz三轴相交于此点。下图为锚点常用位置

• 在原点(0 , 0)沿着Y轴的正方向，得到如图坐标系, 首先在Z轴选择一个视点

• 添加两个child layer，观察区域便能看到两个child layer顶部的短线，绿色在前，红色在后，且长度相等

• 通过视点对顶部，作相对X轴的投影，得到视点投影

• 绿线、红线本来长度相等，通过视点投影后造成了“近大远小”的透视效果

所以只要在iOS垂直投影前，对layer作视点投影变换，就能得到透视效果

实践透视原理

• 使用上图的坐标系，红点为观察区域一点，对红点做视点投影，得到绿点，同时对红点做z轴的垂直线得到黑点。

• 使用相似三角形原理，得到如下公式

• 简化公式后，得到 方程1 ，绿点x轴的值只于视点z轴值有关

• 对红点做h = 1的齐次坐标(6, 0, 5, 1)，通过乘以一个矩阵，得到变换后的绿点的齐次矩阵

• 变换后的矩阵只与视点z轴值有关，所以只设置m34,对(6, 0, 5, 1 + 5r)还原得到 方程2

• 结合 方程1 和 方程2 ，最后得到

至此只要修改变换矩阵m34的值为视点z轴值，便能得到相应的视点投影变换矩阵

动画的代码实现

• 使用达达启动页面来实践以上部分内容。PS：为了查看简介，未对方法封装

• 属性申明

  @property (weak, nonatomic) IBOutlet UIImageView *logoImg; 	//达达Logo
  @property (weak, nonatomic) IBOutlet UILabel *nameLab;		// 达达
  @property (weak, nonatomic) IBOutlet UILabel *desLab;		// 可靠配送，在你身边
  

• 初始化设置，对两个Label设置透明度为0，缩小到原来的0.5倍

   - (void)viewDidLoad
  {
     [super viewDidLoad];
  
     self.nameLab.alpha = 0.f;
     self.nameLab.layer.transform = CATransform3DMakeScale(0.5f, 0.5f, 1.f);
     self.desLab.alpha = 0.f;
     self.desLab.layer.transform = CATransform3DMakeScale(0.5f, 0.5f, 1.f);
   }
  

• 动画设置，对Logo和Label的分开实现动画

   - (void)viewDidAppear:(BOOL)animated
  {
     [self animationDaDaLabel];
     [self animationDaDaLogo];
  }
  

• 对Label的动画，使用UIView自带的block方式

  - (void) animationDaDaLabel
  {
    [UIView animateWithDuration:0.5f animations:^{
        // 放大并模糊
        self.nameLab.alpha = 0.5f;
        self.nameLab.layer.transform = CATransform3DMakeScale(1.2f, 1.2f, 1.f);
        self.desLab.alpha = 0.5f;
        self.desLab.layer.transform = CATransform3DMakeScale(1.2f, 1.2f, 1.f);
  
    } completion:^(BOOL finished) {
  
         [UIView animateWithDuration:0.5f animations:^{
            // 恢复并清晰
            self.nameLab.alpha = 1.f;
            self.nameLab.layer.transform = CATransform3DMakeScale(1.f, 1.f, 1.f);
            self.desLab.alpha = 1.f;
            self.desLab.layer.transform = CATransform3DMakeScale(1.f, 1.f, 1.f);
         }];
     }];
  }
  

• 对Logo的动画，使用CABasicAnimation对象

     - (void) animationDaDaLogo
  {
      CATransform3D transform = CATransform3DIdentity;
      transform.m34 = - 1 / 100.0f;   // 设置视点在Z轴正方形z=100
  
      // 动画结束时，在Z轴负方向60
      CATransform3D startTransform = CATransform3DTranslate(transform, 0, 0, -60);
      // 动画结束时，绕Y轴逆时针旋转90度
      CATransform3D firstTransform = CATransform3DRotate(startTransform, M_PI_2, 0, 1, 0);
  
      // 通过CABasicAnimation修改transform属性
      CABasicAnimation *animation1 = [CABasicAnimation animationWithKeyPath:@"transform"];
      // 向后移动同时绕Y轴逆时针旋转90度
      animation1.fromValue = [NSValue valueWithCATransform3D:CATransform3DIdentity];
      animation1.toValue = [NSValue valueWithCATransform3D:firstTransform];
  
      // 虽然只有一个动画，但用Group只为以后好扩展
      CAAnimationGroup *animationGroup = [CAAnimationGroup animation];
      animationGroup.animations = [NSArray arrayWithObjects:animation1, nil];
      animationGroup.duration = 0.5f;
      animationGroup.delegate = self;     // 动画回调，在动画结束调用animationDidStop
      animationGroup.removedOnCompletion = NO;    // 动画结束时停止，不回复原样
  
      // 对logoImg的图层应用动画
      [self.logoImg.layer addAnimation:animationGroup forKey:@"FristAnimation"];
  }
  

• 实际上，只对Logo使用“一半动画”，Logo一边向后移动，一边逆时针绕Z轴旋转90度，在此动画结束后，通过回调补全剩下的“一半动画”。利用这两部分，实现，向后移动同时逆时针旋转，旋转到90度时，向前移动，同时继续逆时针旋转90度

    - (void) animationDidStop:(CAAnimation *)anim finished:(BOOL)flag
  {
      if (flag)
      {
          if (anim == [self.logoImg.layer animationForKey:@"FristAnimation"])
          {
              CATransform3D transform = CATransform3DIdentity;
              transform.m34 = - 1 / 100.0f;   // 设置视点在Z轴正方形z=100
  
              // 动画开始时，在Z轴负方向60
              CATransform3D startTransform = CATransform3DTranslate(transform, 0, 0, -60);
              // 动画开始时，绕Y轴顺时针旋转90度
              CATransform3D secondTransform = CATransform3DRotate(startTransform, -M_PI_2, 0, 1, 0);
  
              // 通过CABasicAnimation修改transform属性
              CABasicAnimation *animation = [CABasicAnimation animationWithKeyPath:@"transform"];
              // 向前移动同时绕Y轴逆时针旋转90度
              animation.fromValue = [NSValue valueWithCATransform3D:secondTransform];
              animation.toValue = [NSValue valueWithCATransform3D:CATransform3DIdentity];
              animation.duration = 0.5f;
  
              // 对logoImg的图层应用动画
              [self.logoImg.layer addAnimation:animation forKey:@"SecondAnimation"];
          }
      }
  }
  

• 最终效果(PS：仅用于讲解)

小结

根据以上内容，总结以下Core Animation相关重点

• 理解图层意义，图层是动画的核心和载体
• 理解两种平面坐标系的用途，在做3D视点变换的时，要通过三维坐标系来协助思考
• 理解矩阵，齐次坐标的使用目的
• 如果对成像原理不了解，可以搜索相关资料
• 通过代码进一步实践

申明：本文的图片源于苹果CoreAnimation Programming Guide，如果想进一步了解，推荐学习苹果官方文档