13-го августа 2019

JavaScript-анимации

С помощью JavaScript-анимаций можно делать вещи, которые нельзя реализовать на CSS.

Например, движение по сложному пути с временной функцией, отличной от кривой Безье, или canvas-анимации.

Использование setInterval

Анимация реализуется через последовательность кадров, каждый из которых немного меняет HTML/CSS-свойства.

Например, изменение style.left от 0px до 100px – двигает элемент. И если мы будем делать это с помощью setInterval, изменяя на 2px с небольшими интервалами времени, например 50 раз в секунду, тогда изменения будут выглядеть плавными. Принцип такой же, как в кино: 24 кадров в секунду достаточно, чтобы создать эффект плавности.

Псевдокод мог бы выглядеть так:

let timer = setInterval(function() {
  if (animation complete) clearInterval(timer);
  else increase style.left by 2px
}, 20); // изменять на 2px каждые 20ms, это около 50 кадров в секунду

Более детальная реализация этой анимации:

let start = Date.now(); // запомнить время начала

let timer = setInterval(function() {
  // сколько времени прошло с начала анимации?
  let timePassed = Date.now() - start;

  if (timePassed >= 2000) {
    clearInterval(timer); // закончить анимацию через 2 секунды
    return;
  }

  // отрисовать анимацию на момент timePassed, прошедший с начала анимации
  draw(timePassed);

}, 20);

// в то время как timePassed идёт от 0 до 2000
// left изменяет значение от 0px до 400px
function draw(timePassed) {
  train.style.left = timePassed / 5 + 'px';
}

Для просмотра примера, кликните на него:

Результат
index.html
<!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>

Использование requestAnimationFrame

Теперь давайте представим, что у нас есть несколько анимаций, работающих одновременно.

Если мы запустим их независимо с помощью setInterval(..., 20), тогда браузеру будет необходимо выполнять отрисовку гораздо чаще, чем раз в 20ms.

Это происходит из-за того, что каждая анимация имеет своё собственное время старта и «каждые 20 миллисекунд» для разных анимаций – разные. Интервалы не выравнены и у нас будет несколько независимых срабатываний в течение 20ms.

Другими словами:

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

…Меньше нагружают систему, чем три независимых функции:

setInterval(animate1, 20); // независимые анимации
setInterval(animate2, 20); // в разных местах кода
setInterval(animate3, 20);

Эти независимые перерисовки лучше сгруппировать вместе, тогда они будут легче для браузера, а значит – не грузить процессор и более плавно выглядеть.

Существует ещё одна вещь, про которую надо помнить: когда CPU перегружен или есть другие причины делать перерисовку реже (например, когда вкладка браузера скрыта), нам не следует делать её каждые 20ms.

Но как нам узнать об этом в JavaScript? Спецификация Animation timing описывает функцию requestAnimationFrame, которая решает все описанные проблемы и делает даже больше.

Синтаксис:

let requestId = requestAnimationFrame(callback)

Такой вызов планирует запуск функции callback на ближайшее время, когда браузер сочтёт возможным осуществить анимацию.

Если в callback происходит изменение элемента, тогда оно будет сгруппировано с другими requestAnimationFrame и CSS-анимациями. Таким образом браузер выполнит один геометрический пересчёт и отрисовку, вместо нескольких.

Значение requestId может быть использовано для отмены анимации:

// отмена запланированного запуска callback
cancelAnimationFrame(requestId);

Функция callback имеет один аргумент – время прошедшее с момента начала загрузки страницы в миллисекундах. Это значение может быть получено с помощью вызова performance.now().

Как правило, callback запускается очень скоро, если только не перегружен CPU или не разряжена батарея ноутбука, или у браузера нет какой-то ещё причины замедлиться.

Код ниже показывает время между первыми 10 запусками requestAnimationFrame. Обычно оно 10-20 мс:

<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>

Структура анимации

Теперь мы можем создать более сложную функцию анимации с помощью requestAnimationFrame:

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

  let start = performance.now();

  requestAnimationFrame(function animate(time) {
    // timeFraction изменяется от 0 до 1
    let timeFraction = (time - start) / duration;
    if (timeFraction > 1) timeFraction = 1;

    // вычисление текущего состояния анимации
    let progress = timing(timeFraction);

    draw(progress); // отрисовать её

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

  });
}

Функция animate имеет три аргумента, которые описывают анимацию:

duration

Продолжительность анимации. Например, 1000.

timing(timeFraction)

Функция расчёта времени, как CSS-свойство transition-timing-function, которая будет вычислять прогресс анимации (как ось y у кривой Безье) в зависимости от прошедшего времени (0 в начале, 1 в конце).

Например, линейная функция значит, что анимация идёт с одной и той же скоростью:

function linear(timeFraction) {
  return timeFraction;
}

График функции:

Это как если бы в transition-timing-function передать значение linear. Ниже будут представлены более интересные примеры.

draw(progress)

Функция отрисовки, которая получает аргументом значение прогресса анимации и отрисовывает его. Значение progress=0 означает что анимация находится в начале, и значение progress=1 – в конце.

Эта та функция, которая на самом деле и рисует анимацию.

Вот как она могла бы двигать элемент:

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

…Или делать что-нибудь ещё. Мы можем анимировать что угодно, как захотим.

Теперь давайте используем нашу функцию, чтобы анимировать свойство width от 0 до 100%.

Нажмите на элемент для того, чтобы посмотреть пример:

Результат
animate.js
index.html
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>

Код:

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

В отличие от CSS-анимаций, можно создать любую функцию расчёта времени и любую функцию отрисовки. Функция расчёта времени не будет ограничена только кривой Безье, а функция draw может менять не только свойства, но и создавать новые элементы (например, для создания анимации фейерверка).

Функции расчёта времени

Мы уже рассмотрели самый простой пример линейной функции расчёта времени выше.

Давайте посмотрим другие. Мы попробуем выполнить анимации с разными функциями расчёта времени, чтобы посмотреть как они работают.

Степень n

Если мы хотим ускорить анимацию, мы можем возвести progress в степень n.

Например, параболическая кривая:

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

График:

Посмотрим в действии (нажмите для активации):

…Или кубическая кривая, или любой другой множитель n. Повышение степени увеличивает скорость анимации.

Вот график для функции progress в степени 5:

В действии:

Дуга

Функция:

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

График:

Обратно: выстрел из лука

Эта функция совершает «выстрел из лука». В начале «натягивается тетива», а затем «выстрел».

В отличие от предыдущей функции, теперь всё зависит от дополнительного параметра x – «коэффициента эластичности». Он определяет силу «натяжения тетивы».

Код:

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

График для x = 1.5:

Для анимации мы используем x с определённым значением. Пример для x со значением 1.5:

Отскоки

Представьте, что мы бросили мяч вниз. Он падает, ударяется о землю, подскакивает несколько раз и останавливается.

Функции bounce делает то же самое, но в обратном порядке: «отскоки» начинаются сразу. Для этого заданы специальные коэффициенты:

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)
    }
  }
}

В действии:

Эластичная анимация

Ещё одна «эластичная» функция, которая принимает дополнительный параметр x для «начального отрезка».

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

График для x=1.5:

В действии со значением x=1.5:

Реверсивные функции: ease*

Итак у нас получилась коллекция функций расчёта времени. Их прямое использование называется «easeIn».

Иногда нужно показать анимацию в обратном режиме. Преобразование функции, которое даёт такой эффект, называется «easeOut».

easeOut

В режиме «easeOut» timing функции оборачиваются функцией timingEaseOut:

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

Другими словами, мы имеем функцию «преобразования» – makeEaseOut, которая берет «обычную» функцию расчёта времени и возвращает обёртку над ней:

// принимает функцию расчёта времени и возрващает преобразованный вариант
function makeEaseOut(timing) {
  return function(timeFraction) {
    return 1 - timing(1 - timeFraction);
  }
}

Например, мы можем взять функцию bounce описанную выше:

let bounceEaseOut = makeEaseOut(bounce);

Таким образом, отскоки будут не в начале функции, а в конце. Смотрится гораздо лучше:

Результат
style.css
index.html
#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>

Ниже мы можем увидеть, как трансформации изменяют поведение функции:

Если раньше анимационный эффект, такой как отскоки, был в начале, то после трансформации он будет показан в конце.

На графике выше красным цветом обозначена обычная функция и синим – после easeOut.

  • Обычный скачок – объект сначала медленно скачет внизу, а затем резко подпрыгивает вверх.
  • Обратный easeOut – объект вначале прыгает вверх, и затем скачет там.

easeInOut

Мы можем применить эффект дважды – в начале и конце анимации. Такая трансформация называется «easeInOut».

Для функции расчёта времени, анимация будет вычисляться следующим образом:

if (timeFraction <= 0.5) { // первая половина анимации
  return timing(2 * timeFraction) / 2;
} else { // вторая половина анимации
  return (2 - timing(2 * (1 - timeFraction))) / 2;
}

Код функции-обёртки:

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);

В действии, bounceEaseInOut:

Результат
style.css
index.html
#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>

Функция «easeInOut» объединяет два графика в один: easeIn (обычный) для первой половины анимации and easeOut (обратный) – для второй половины.

Разница хорошо заметна, если сравнивать графики easeIn, easeOut и easeInOut для функции circ:

  • Красный обычный вариант circ (easeIn).
  • ЗелёныйeaseOut.
  • СинийeaseInOut.

Как видно, график первой половины анимации представляет собой уменьшенный easeIn, а второй – уменьшенный easeOut. В результате, анимация начинается и заканчивается одинаковым эффектом.

Более интересная функция «draw»

Вместо передвижения элемента мы можем делать что-нибудь ещё. Всё, что нам нужно – это правильно написать функцию draw.

Вот пример «скачущей» анимации набирающегося текста:

Результат
style.css
index.html
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">Но взял он меч, и взял он щит,
Высоких полон дyм.
В глyщобy пyть его лежит
Под дерево Тyмтyм.
  </textarea>

  <button onclick="animateText(textExample)">Запустить анимацию набора текста!</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>

Итого

JavaScript может помочь в тех случаях, когда CSS не справляется или нужен жёсткий контроль над анимацией. JavaScript-анимации должны быть сделаны с помощью requestAnimationFrame. Это встроенный метод браузера, который вызывает переданную в него функцию в тот момент, когда браузер готовится совершить перерисовку (обычно это происходит быстро, но конкретные задержки зависят от браузера).

Когда вкладка скрыта, на ней совсем не происходит перерисовок, и функция не будет вызвана: анимация будет приостановлена и не потратит ресурсы. Это хорошо.

Вспомогательная функция animate для создания анимации:

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

  let start = performance.now();

  requestAnimationFrame(function animate(time) {
    // timeFraction изменяется от 0 до 1
    let timeFraction = (time - start) / duration;
    if (timeFraction > 1) timeFraction = 1;

    // вычисление текущего состояния анимации
    let progress = timing(timeFraction);

    draw(progress); // отрисовать её

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

  });
}

Опции:

  • duration – общая продолжительность анимации в миллисекундах.
  • timing – функция вычисления прогресса анимации. Получается момент времени от 0 до 1, возвращает прогресс анимации, обычно тоже от 0 до 1.
  • draw – функция отрисовки анимации.

Конечно, мы могли бы улучшить вспомогательную функцию и добавить в неё больше наворотов. Но JavaScript-анимации не каждый день используются, а только когда хотят сделать что-то интересное и необычное. Не стоит усложнять функцию до тех пор пока это вам не понадобились.

JavaScript-анимации могут использовать любые функции расчёта времени. Мы рассмотрели множество примеров и их вариаций, чтобы сделать их ещё более универсальными. В отличие от CSS, мы здесь не ограничены только кривой Безье.

То же самое и с draw: мы можем анимировать всё что угодно, не только CSS-свойства.

Задачи

важность: 5

Создайте прыгающий мячик. Кликните, чтобы посмотреть, как это должно выглядеть:

Открыть песочницу для задачи.

Чтобы заставить мячик прыгать, можно использовать CSS-свойство top и задать мячику position:absolute внутри поля с position:relative.

Нижняя координата поля – field.clientHeight. CSS-свойство top относится к верхней границе мяча, которая должна идти от 0 до field.clientHeight - ball.clientHeight.

А чтобы получить эффект «скачущего» мяча, мы можем использовать функцию расчёта времени bounce в режиме easeOut.

Вот конечный код для анимации:

let to = field.clientHeight - ball.clientHeight;

animate({
  duration: 2000,
  timing: makeEaseOut(bounce),
  draw(progress) {
    ball.style.top = to * progress + 'px'
  }
});

Открыть решение в песочнице.

важность: 5

Сделайте отскок мяча вправо. Как в примере:

Напишите код для анимации. Расстояние слева 100px.

Возьмите решение предыдущей задачи Анимируйте прыгающий мячик за основу.

В задаче Анимируйте прыгающий мячик нам надо было анимировать только одно свойство. Теперь необходимо добавить ещё одно: elem.style.left.

Горизонтальная координата меняется по другому закону: она не «подпрыгивает», а постепенно увеличивается, сдвигая шар вправо.

Для этого мы можем написать ещё одну функцию animate.

В качестве временной функции можно использовать linear, но makeEaseOut(quad) будет выглядеть гораздо лучше.

Код:

let height = field.clientHeight - ball.clientHeight;
let width = 100;

// анимация top (прыжки)
animate({
  duration: 2000,
  timing: makeEaseOut(bounce),
  draw: function(progress) {
    ball.style.top = height * progress + 'px'
  }
});

// анимация left (движение вправо)
animate({
  duration: 2000,
  timing: makeEaseOut(quad),
  draw: function(progress) {
    ball.style.left = width * progress + "px"
  }
});

Открыть решение в песочнице.

Карта учебника

Комментарии

перед тем как писать…
  • Если вам кажется, что в статье что-то не так - вместо комментария напишите на GitHub.
  • Для одной строки кода используйте тег <code>, для нескольких строк кода — тег <pre>, если больше 10 строк — ссылку на песочницу (plnkr, JSBin, codepen…)
  • Если что-то непонятно в статье — пишите, что именно и с какого места.