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简析iOS动画原理及实现——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。

简析iOS动画原理及实现——Core Animation

图层的定义

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。
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。
在硬件层面中对位图的操作远远快于在软件层面。

理解

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。
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。
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

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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。

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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。

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矩阵

通过矩阵对图层位图进行平移、旋转、缩放变换。
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。
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。

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矩阵乘法

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矩阵C的行数等于矩阵A的行数，C的列数等于B的列数。
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

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。
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

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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。

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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。

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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

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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

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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

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通过视点对顶部，作相对X轴的投影，得到视点投影

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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

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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。

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使用相似三角形原理，得到如下公式

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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

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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

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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

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结合 方程1 和 方程2 ，最后得到

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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

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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"];
        }
    }
}