Camera三维动画

一、概述

在Android中说到3D开发，我们首先想到的是OpenGL，但用起来比较复杂繁琐，不适合做应用级别的3D变换。Android为我们提供了一个简化版的3D开发入口：Camera（这里的Camera位于android.graphics下，需要区分android.hardware下用于拍照的Camera类）：

（１）Camera工作原理

我们看一下android.graphics下的Camera介绍：

/**
 * A camera instance can be used to compute 3D transformations and
 * generate a matrix that can be applied, for instance, on a
 * {@link Canvas}.
 */

Camera可以做3D变换并且导出一个matrix供其他对象（如Canvas）使用。

官方解释非常精准地表达了Camera的作用，我再来扩展一下：Camera并不直接操纵View或绘制类来实现变换效果，而是通过自身3D变换后导出结果到一个matrix，然后将这个matrix与其他实例的的matrix对接!

比如Canvas的matrix

　　canvas.setMatrix(matrix);
　　canvas.concat(matrix);

或者Animation 中Transformation的matrix

    @Override
    protected void applyTransformation(float interpolatedTime, Transformation t) {
        final Matrix matrix = t.getMatrix();
    }

举个简单的例子：

代码如下：

    @Override
    protected void onDraw(Canvas canvas) {
        super.onDraw(canvas);
        camera.save();  //保存Camera
        camera.rotateY(45);   //绕Ｙ轴旋转45度
        camera.getMatrix(matrix);   //Camera将变换输出到Matrix
        camera.restore();   //恢复Camera
        matrix.preTranslate(-dog.getWidth() / 2, -dog.getHeight() / 2);  //旋转之前将图片中心点与坐标系原点对齐
        matrix.postTranslate(dog.getWidth() / 2, dog.getHeight() / 2);   //旋转之后将图片移动回原位置
        matrix.postTranslate(50, 70);   //因旋转后图片左上角超出了View边界，将其向右下角移动一点，以便显示完整
        canvas.concat(matrix);  //将Camera导出的Matrix和Canvas对接
        canvas.drawBitmap(dog, 0, 0, paint);  //绘制图片
    } 

那么，我们来总结一下Camera的工作原理：Android中所有几何变换的底层数学模型都是matrix矩阵变换，Camera有很好的3D变换的方法，且变换结果可以输出到指定的matrix上，我们继而将其映射到Canvas或Transformation等的matrix上，使其达到相同的3D变换效果。这里Camera实际上扮演了3D变换方案输出者的角色。

（２）两个坐标系

到目前为止，你肯定会有一个疑问：既然Camera和Canvas的几何变换对应的都是matrix，那Canvas为什么不自己提供一套3D接口，而要去借用Camera呢？这要牵扯出更底层的设计。

首先，Canvas是做View绘制的，其对应的坐标系自然是View的二维平面坐标系，在Android中其设计如下：

让Canvas基于平面坐标系输出三维空间变换矩阵，实在是强人所难！

Camera就不一样了，其底层依赖OpenGL，玩的就是空间坐标系，其设计符合左手坐标系（这点网上有人怀疑，本人验证确认轴向符合左手坐标系，但是Y轴旋转方向是反的）：

将手机竖直正面放置，向右是X轴正向，向上是Y轴正向，垂直屏幕向里是Z轴正向。

两个坐标系的区别：

坐标系	2D	3D
原点位置	左上角
X轴正向	右
Y轴正向	下	上
Z轴正向	无	垂直屏幕向里

所以Camera是基于空间坐标系，可以提供很好的3D变换方法；这是Canvas们无法做到的。

既然说到了坐标系，我们不妨继续往下刨：既然Camera和Canvas几何变换的底层模型都是矩阵变换，那我能不能绕过Canvas，直接去操作它的Matrix，让它像Camera那样做3D变换？对不起，就算你的大学几何学得很好，答案依然是不可能（尽管我知道这很容易被打脸，有人可能会说通过Matrix的setPolyToPoly方法可以实现任意变换，我只能说它依然只是2D模仿3D，不是真正意义上的3D空间变换）。为什么呢？这要深入研究一下Matrix了：

实际上，在Android中也有两个Matrix类：

• 一个位于android.graphics包下，是一个3*3的矩阵，只能表示二维平面的几何变换，Canvas、Transformation和Camera输出的Matrix都是这个类
• 另一个位移android.opengl包下，是一个4*4的矩阵，可以表示三维空间的几何变换，Camera的底层运算就是基于这个Matrix类

你可能也发现了，Camera做空间变换所用到的Matrix和最终输出到的Matrix不是同一个Matrix！为什么这样设计呢？我是这样理解的：

最初，View运行在二维坐标系，OpenGL存在于三维坐标系，两者互不相容；

后来，开发View的同学也希望做出像OpenGL里酷炫的三维效果，可是又不想因此引入复杂的OpenGL；

于是Google就基于OpenGL造了一个轻量级的3D开发工具——Camera，因为是方便View开发的同学用的，自然输出结果就是基于二维平面的Matrix了。

至于Camera将四阶矩阵映射成三阶矩阵的算法， 被封装在了Camera类getMatrix方法的native层，有兴趣可以去研究。

---

二、Camera实现3D动画

知道了Camera的三维变换原理，实现三维动画就不难了。连续的变换就是动画，连续的3D变换不就是3D动画嘛。

下面参考AppDemo的示例，效果如下：

自定义一个3D旋转的Animation，重写applyTransformation方法，对接Camera和Transformation的Matrix，核心代码：

    @Override
    protected void applyTransformation(float interpolatedTime, Transformation t) {
        final float fromDegrees = mFromDegrees;
        float degrees = fromDegrees + ((mToDegrees - fromDegrees) * interpolatedTime);
        final float centerX = mCenterX;
        final float centerY = mCenterY;
        final Camera camera = mCamera;
        final Matrix matrix = t.getMatrix();
        camera.save();

        // 调节深度,
        if (mReverse) {
            camera.translate(0.0f, 0.0f, mDepthZ * interpolatedTime);
        } else {
            camera.translate(0.0f, 0.0f, mDepthZ * (1.0f - interpolatedTime));
        }

//        camera.rotateY(degrees);  // 绕y轴旋转
        camera.rotateX(degrees);  // 绕x轴旋转
//        camera.rotateZ(degrees);  // 绕z轴旋转

        camera.getMatrix(matrix);
        camera.restore();

        // 修正透视效果，主要修改 MPERSP_0 和 MPERSP_1
        float[] mValues = new float[9];
        matrix.getValues(mValues);                //获取数值
        mValues[6] = mValues[6] / scale;            //数值修正
        mValues[7] = mValues[7] / scale;            //数值修正
        matrix.setValues(mValues);                //重新赋值

        // 调节中心点
        matrix.preTranslate(-centerX, -centerY);    //移到物体中心
        matrix.postTranslate(centerX, centerY);     //移回原位置
    }

Github源码：https://github.com/JiaxtHome/AnimDemo

---

三、总结

现在我们已经知道简单的3D变换应该首先考虑Camera，下面总结一下Camera的关键API：

类别	相关方法	功能介绍
基本方法	save、store	保存、回滚
对接方法	getMatrix、applyToCanvas	获取Matrix、对接画布
变换方法	translate、rotate、rotate*	位移、旋转
相机位置	setLocation、getLocation*	设置、获取相机位置

Camera的方法并不多，其3D效果主要是通过旋转方法实现的。尽管如此，还是可以做出很多既实用又酷炫的动画切换效果，下面列举一些Github上的优秀例子：

Github源码地址：https://github.com/githubwing/ThreeDLayout

Github源码地址：https://github.com/ImmortalZ/StereoView

Github源码地址：https://github.com/youxiaochen/WheelView-3d

参考文献：

三维空间矩阵变换

二维图形的矩阵变换（一）——基本概念

安卓图形matrix矩阵变换的数学原理及代码

HenCoder　Canvas对绘制的辅助和Matrix

GcsSloop　安卓自定义View进阶－Matrix Camera

android matrix 最全方法详解与进阶（完整篇）

Android中利用Camera与Matrix实现3D效果详解

Android Camera&Matrix图像变换