【Flutter学习】之动画实现原理浅析(一)

一，动画介绍

　　动画对于App来说，非常的重要。很多App，正是因为有了动画，所以才会觉得炫酷。移动端的动画库有非常的多，例如iOS上的Pop、web端的animate.css、Android端的AndroidViewAnimations、跨平台的Lottie等。正是因为有了这些封装好的动画库，我们制作酷炫的效果方便了不少。当然了，这些库都是基于各平台基础的动画API实现的，笔者今天要聊的，也就是基础的动画及背后的原理。

1.1 动画的本质

　　动画顾名思义，就是动起来的画面。画面为什么会动起来了呢？在回答这个问题之前，我们先引入一个概念。

人眼在观察景物时，光信号传入大脑神经，需经过一段短暂的时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失，这种残留的视觉称“后像”，视觉的这一现象则被称为“视觉暂留”。

　　视觉暂留被认为是电影的最重要的一个理论基础。我们看到的动画，实际上是一连串的画面组成，只不过是以很快的速度去播放，人眼在下一个画面出来之前，还残留着上一个画面的视觉，看起来就像是在没有间隔的播放这一系列的图片，也就是我们称之为的动画。

1.2 相关概念

　　动画会有很多相关的概念，理解了这些概念，会对实际的使用更有帮助。

1.2.1 帧

　　刚才在介绍动画本质的时候，用到了画面这个词汇，只是方便读者去理解，这个画面，在学术上叫做帧。

帧就是影像动画中最小单位的单幅影像画面，一帧就是一副静止的画面。

　　帧里面又分为关键帧和过渡帧，这两概念是理解一些动画的基础，例如Android中的补间动画。在一些场景中，我们可能不会给出一个动画的所有帧，所以将帧分成关键帧和过渡帧。关键帧可以理解为一个动画的起始状态，而过渡帧则是系统自动完成插在关键帧之间的部分。

　　我们知道Android中的补间动画，基础的有四种类型，平移、缩放、旋转、透明度。而我们设置动画的时候，通常只是设置起始的状态，也就是关键帧，中间过程其实我们并不需要去考虑，如果关注动画速率的话，顶多加一个差值器去控制，但是中间生成的帧我们并没有提供。

　　系统为什么能够补齐过渡帧呢？我们看下这四种基本的动画类型，给定起始状态，中间状态我们其实是可以通过计算推演出来的，这也是系统为什么能够补齐的原因。

　　是不是只有这四种才可以通过系统填补过渡帧呢？显然不是的，例如一个跳跃前进的动画，添加一些限制条件，就可以推演出中间的状态。系统提供的只是比较常见的四种，并不是说只有这四种，而是绝大部分动画都可以通过这四种组合实现。当然了，肯定也是有实现不了的，这个时候有一个办法就是通过canvas画出来。

　　另外再插一嘴，Android系统提供的四种动画操作，也是变换矩阵是四维的原因，具体的就不多说了，之前文章也有介绍过。

　　最后一嘴，此处讲解帧的概念，拿了很多Android相关的知识去讲解，只是希望读者能够通过一些已知的概念，去理解一些未知的。动画的原理都一样，具体到某个平台，可能顶多就是实现或者叫法不一样罢了。

1.2.2 帧数与FPS

　　小时候很多人都玩过书角动画。在书或者本子的一角，每一页都画上一个画面，然后拨书角，不同速度拨，动画的感受不一样，拨的越快，动画越流畅。这是为什么呢？这就牵扯到帧数与FPS了。

帧数，帧的数量。FPS（Frame per Second），即每秒显示帧数。

　　这两个概念，主要是FPS有什么作用呢？这是因为人眼生理构造的原因。人眼残留镜像的时间是有限的，如果过了这个时间，下一帧还没有变化，就会感觉不流畅。但也不是帧数越大越好，毕竟人眼也是有极限的。

1.2.3 插值器

　　如果动画播放一直都是这种匀速的进行，那表现形式就太单一了。那如何实现非线性的动画效果呢，这个时候就需要用到插值器了。

　　插值器其实并不复杂，就是一个数学函数，设置属性值从初始值过渡到结束值的变化规律。每个平台都有自己定义好的一系列插值器，可以供开发者选择使用，也提供自定义的接口，本质上是一个贝塞尔函数。

　　一个匀速插值器如下：

属性值百分比 = 时间百分比

1.3 如何实现

　　动画的基本原理和一些基本概念都介绍了一下，现在来聊一下动画的实现。

　　先抛开系统层级的各种渲染优化，也仅仅是以补间动画为例，假设以现有的移动平台基础上，去实现一套简单的动画框架，该如何去实现呢？

　　以Android的为例，要实现平移、缩放、旋转、透明度这四种基础的补间动画，可以看到，这些都是基于某个属性的动画，平移是基于point、缩放是基于scale、旋转是基于angle、透明度是基于alpha。

　　结合插值器，提炼出一个通用的动画类，这个类的作用是根据插值器，得到视图某个时间点的属性变化的状态。

　　既然各个时间点的状态已经有了，剩下来的就是让各个状态渲染出来。底层的机制在此处不去讨论，这个地方就需要一个定时器，定时器的作用是每隔一段时间就把素材渲染到屏幕上。

　　至此，一个简易的动画框架就出来了。如果对各平台比较了解的话，就知道我说的是视图动画，真正的动画引擎不是这么简单，涉及到的技术也比较复杂，但是大体的思想不会有错，不管是哪种动画，都是跟时间相关的帧序列，只是实现方式不同。

　　这也是笔者为什么花这么多篇幅去介绍动画相关的概念，知道一些底层原理后，不管什么平台，怎么去实现，底层的思想肯定都差不多，只是实现上的不同。

二，其他平台的动画

　　Flutter动画，与Android、iOS等平台对比，其实本身并没有什么特别之处。基本的原理是一样的，只是提供的种类以及实现的方式不同罢了。

2.1 Android动画

　　Android的动画，大的分类有两种：

• 视图动画（View Animation）
• 属性动画（Property Animation）

　　视图动画又可以分为两类：

• 补间动画（Tween Animation）
• 逐帧动画（Frame Animation）

　　这之间的差别是什么呢？它们只有实现上的差别

• 补间动画是根据初始状态，系统自动补充中间状态；
• 逐帧动画则是需要我们提供每一帧；
• 视图动画只是作用于视图上，而不会改变控件的属性；
• 属性动画则是会实实在在的更改控件的属性。

　　可以看出Android的动画分类还是比较明晰的。

2.2 iOS动画

　　iOS很久没弄了，在这里也简单说下，不对的话还请各位指正。

• 隐式动画
• 显式动画

　　显式动画又可以分为两类：

• 基础动画
• 关键帧动画

　　这些动画类别之间的差别是什么呢？

• 隐式动画，顾名思义是不指定动画类型，更改某个属性，Core Animation来决定如何且何时去做动画；
• 基础动画，根据起始值来做动画；
• 关键帧动画，则是定义一系列关键帧，系统自动补齐中间的过渡帧。

　　通过动画这一块儿，可以看出iOS的分类其实是比较的模糊的，有一些历史包袱。

2.3 css动画

　　css动画大体上有两种：

• Transition
• Animation

　　web中的动画分类简单的多了

• Transition动画，给定起始值，可以结合插值器做动画；
• Animation动画，则是定义一系列关键帧，系统补齐中间的过渡帧。

2.4 小节

　　通过上面个平台动画粗略的介绍，动画在不同平台虽然被叫着不同的名称，本质上其实都差不多的，变来变去都是这几种方式，要么根据属性要么根据关键帧，要么更改绘制层，要么更改控件本身属性。一些游戏引擎，虽然我没有看，但是我觉得原理也大致相似。

三，Flutter动画

　　上面铺垫了这么多，终于到Flutter动画了。Flutter是一门比较新的技术，历史包袱理应说是最小的。

3.1 Flutter动画分类

　　Flutter动画分为两类：

• 补间动画（Tween Animation）
• 基于物理的动画（Physics-based animation）

　　补间动画很好理解，基于物理的动画是这个什么鬼。

基于物理的动画是一种遵循物理学定律的动画形式

　　举个例子，比方说你滑动一张图片，这个过程不是匀速的，而是起始速度快，然后慢慢的降速，就像一本书在地上往前推一样。它有什么特点呢？

• 遵循物理学定律；
• 能够依据加速度和速度去计算和更新每一帧的动画数值；
• 当受力平衡时，动画为处于恒定运动或静止状态。

　　哈哈，最后一点是不是似曾相识，这样做的好处是什么呢？随着人们生活水平的极大提升，移动端硬件这些年也是赶英超美，人们不再满足于简单的动画，于是就有部分有（xian）识（de）之（dan）士（teng），实现了基于物理学定律的动画。

　　这种动画iOS或者Android有没有呢，是有的，但不是作为最基础的动画API被提供。为什么其他平台没有将这个纳入最基本的动画中去呢？

• 历史原因。iOS以及Android端多年前就诞生了，那个时候，硬件资源都是极其有限的，当时的环境不足以支撑这种动画效果。但也不是说没有，一些游戏引擎里面也是有的，但是作为操作系统，把这些集成进去，还是不太现实的。
• 认知过程。电脑以及移动端这些年的发展，最开始只是满足于查看最简单的文本，然后各种图片视频。随着互联网的越来越普及，人们的需求越来越多了。于是，在一些游戏里面才会见到的基于物理学定律的动画，进入了寻常百姓家。反观一下，现在也是有非常多的“委屈”事物。例如人类几千年都是通过人眼看现实的事物，现在却被限制在一个小屏幕上，这其实是不合理的。所以AR、VR，还有一些动画片科幻片中的远程感知等技术，才会层出不穷，当然这个扯的有些远了。

　　基于物理的动画这么好，那有什么好处呢？更自然，更加符合人们的认知。

3.2 分类的原因

　　前面讲的各平台的动画，从本质上看，基于某个属性也好，帧动画也好，都是从一种状态到另一种状态，而中间过程是可以推演出来的，所以Flutter提供补间动画。

基于物理的动画，我猜测可能是为了实现其他平台上的一些效果，例如弹簧、阻尼效果等等。所以Flutter就提供了这种动画API，毕竟没什么包袱。

3.3 动画模式

　　Flutter提炼了三种动画模式，与其说提炼出来的，倒不如说统一不能更为合适。

• list、grid中的动画（Animated list or grid）。场景是item的添加或者删除操作；
• 转场动画（Shared element transition）。场景是当前页面打开另一页面的过渡动画；
• 交错动画（Staggered animation）。场景是需要部分或者完全交错的动画。

3.4 复杂度

　　Flutter的实现原理以及这个阶段，注定了做动画是非常麻烦的一件事情。跨平台的技术做动画都麻烦，这个似乎是通识，为了跨平台而同化的一些东西，到异化部分，就变得蛋疼了，动画正是这种存在。

　　Flutter做动画复杂体现在哪些地方呢？

• 实现的动画较少，这个是初期，没啥好说的；
• 动画实现的方式复杂，这个是Flutter的设计思想所决定的。

四. 小节

　　关于动画的具体的实现、一些底层的代码逻辑以及如何使用，将会在下一篇文章中做介绍。这篇文章更多的是偏于一些普适性的介绍，关于Flutter动画相关的介绍反而很少。希望读者能够了解一些动画的原理，以及各个平台动画的大致实现方式，这样可以更好的理解Flutter动画的设计思想。文中若有错误的地方，还恳请指出，在此不胜感激。

参考：
　　1.https://juejin.im/post/5bbb3ba3f265da0aaa052dae