摘要:基于時間的動畫算法其實思路和實現(xiàn)都很簡單。而基于時間的動畫算法要注意邊緣時間的損失,最好采取積累時間,然后分固定片更新動畫的方式。
作者:戴嘉華
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目錄前言
基于幀的動畫算法(Frame-based)
基于時間的動畫算法(Time-based)
改良基于時間的動畫算法
總結(jié)
前言前段時間無聊或有聊地做了幾個移動端的HTML5游戲。放在不同的移動端平臺上進(jìn)行測試后有了詭異的發(fā)現(xiàn),有些手機的動畫會“快”一點,有些手機的動畫會“慢”一點,有些慢得還不是一兩點。
通過查找資料發(fā)現(xiàn),基于幀的算法(Frame-based)來實現(xiàn)動畫會導(dǎo)致不同幀率的平臺體驗不一致,而基于時間(Time-based)的動畫算法可以很好地改良這種情況,讓不同幀率的情況下都能達(dá)到較為統(tǒng)一的速度上的體驗。
本文介紹的就是基于幀動畫算法和基于時間動畫算法的差異,以及對基于時間算法的改良。
基于幀的動畫算法(Frame-based)相信做過前端的人對使用JavaScript實現(xiàn)動畫的原理都很熟悉?,F(xiàn)在讓你實現(xiàn)一個讓一個div從左到右來回移動的JS代碼,你可能嗖嗖就寫出來了:
function moveDiv(div, fps) { var left = 0; var param = 1; function loop () { update(); draw(); } function update() { left += param * 2; if (left > 300) { left = 300; param = -1; } else if (left < 0) { left = 0; param = 1; } } function draw() { div.style.left = left + "px"; } setInterval(loop, 1000 / fps); } moveDiv(document.getElementById("div1"), 60);
效果如下:
http://jsfiddle.net/livoras/4taf9hhs/embedded/result,js,html,css/
看看代碼,我們讓一個div在0 ~ 300px區(qū)間內(nèi)左右來回移動。update計算更新描繪div的位置,draw重新描繪頁面上的div。為了方便起見,這里直接使用setInterval作為定時器,實際情況下可以采用你喜歡的setTimeout或者requestAnimationFrame。這里設(shè)置每秒鐘到更新60次,60fps是人盡皆知的比較適合做動畫的幀率。
地球人都知道,JavaScript中的定時器是不準(zhǔn)確的。由于JavaScript運行時需要耗費時間,而JavaScript又是單線程的,所以如果一個定時器如果比較耗時的話,是會阻塞下一個定時器的執(zhí)行。所以即使你這里設(shè)置了1000 / 60每秒60幀的幀率,在不同的瀏覽器平臺的差異也會導(dǎo)致實際上你的沒有60fps的幀率。
所以上面代碼在一個手機上執(zhí)行的時候可能有60fps的幀率,在另外一個手機上可能就只有30fps,更甚可能只有10fps。
我們模擬一下這種情況會有什么效果發(fā)生:
http://jsfiddle.net/livoras/Lcv1jm53/embedded/result,js,html,css/
這完全不對大頭!
可以看到三個方塊移動速度根本不在同一個channel上。想象一下一個超級馬里奧游戲在10fps的情況會怎么樣?按跳躍一下,你會看到馬里奧以一種太空漫游的姿態(tài)在空中拋弧線。
導(dǎo)致這種情況的原因很簡單,因為我們計算和繪制每個div位置的時候是在每幀更新,每幀移動2px。在60fps的情況下,我們1秒鐘會執(zhí)行60幀,所以小塊每秒鐘會移動60 * 2 = 120px;如果是30fps,小塊每秒就移動30 * 2 = 60px,以此類推10fps就是每秒移動20px。
三個小塊在單位時間內(nèi)移動的距離不一樣!
假如你現(xiàn)在要做一個超級馬里奧的游戲,怎么做到可以在不同幀率的情況下讓馬里奧看起來還是那么迅速且?guī)洑猓?/p>
解決方案很明顯。雖然不同的瀏覽器平臺上的運行差異可能會導(dǎo)致幀率的不一致,但是有一樣?xùn)|西是在任何平臺上都一致的,那就是時間。所以我們可以改良我們的算法,不是以幀為基準(zhǔn)來更新方塊的位置,而是以時間為單位更新。也就是說,我們之前是px/frame,現(xiàn)在換成px/ms。
這就是接下來要說的基于時間(Time-based)的動畫算法。
基于時間的動畫算法(Time-based)其實思路和實現(xiàn)都很簡單。我們計算每一幀離上一幀過去了多少時間,然后根據(jù)過去的時間來更新方塊的位置。
例如,上面的方塊應(yīng)該每秒鐘移動120px,每毫秒移動120 / 1000 = 0.12像素(12px/ms)。如果上一幀方塊的位置在left為10px的位置,到了這一幀的時候,假設(shè)相對于上一幀來說時間過去了200ms,那在時間上來說在這一幀方塊應(yīng)該移動200ms * 0.12px/ms = 240px。最終位置應(yīng)該為10 + 240 = 250px。其實就是left = left + detalTime * speed。代碼如下:
function moveDivTimeBased(div, fps) { var left = 0; var current = +new Date; var previous = +new Date; var param = 1; function loop() { var current = +new Date; var dt = current - previous; // 計算時間差 previous = current; update(dt); draw() } function update(dt) { left += param * (dt * 0.12); // 根據(jù)時間差更新位置 if (left > 300) { left = 300; param = -1; } else if (left < 0) { left = 0; param = 1; } } function draw() { div.style.left = left + "px"; } setInterval(loop, 1000 / fps); }
看看效果如何:
http://jsfiddle.net/livoras/8da1nssL/embedded/result,js,html,css/
看起來比上面的好多了,30fps和10fps好像能勉強趕上60fps的步伐。但是時間久了會發(fā)現(xiàn)30fps和10fps越來越落后于60fps。(建議先刷新再看看效果會更加明顯)
這是因為每次小方塊碰到邊緣的時候,都會損失掉一部分時間,而且?guī)试降偷膿p失越大。看看我們上面的update函數(shù):
function update(dt) { left += param * (dt * 0.12); // 根據(jù)時間差更新位置 if (left > 300) { left = 300; param = -1; } else if (left < 0) { left = 0; param = 1; } }
假如我們現(xiàn)在方塊的位置在left為290px的位置,這一幀傳入的dt為100ms,那么我們left為290 + 100 * 0.12 = 302,但是302大于300,所以left會被設(shè)置為300。那么本來用來移動2px的時間就會白白被“拋棄”掉。dt越大,浪費得越多,所以30fps和10fps會比60fps越來越慢。
為了解決這個問題,我們對已有的算法進(jìn)行改良。
改良基于時間的動畫算法解決思路如下:不一次算整塊的時間(dt)移動的距離,而是把dt分成固定的時間片,通過多次update固定的時間片來計算dt時間后應(yīng)該到什么位置。
比較抽象,我們直接看代碼:
function moveDivTimeBasedImprove(div, fps) { var left = 0; var current = +new Date; var previous = +new Date; var dt = 1000 / 60; var acc = 0; var param = 1; function loop() { var current = +new Date; var passed = current - previous; previous = current; acc += passed; // 累積過去的時間 while(acc >= dt) { // 當(dāng)時間大于我們的固定的時間片的時候可以進(jìn)行更新 update(dt); // 分片更新時間 acc -= dt; } draw(); } // update 和 draw 函數(shù)不變 setInterval(loop, 1000 / fps); }
我們先確定一個固定更新的時間片,如固定為60fps時一幀的時間:1000 / 60 = 0.167ms。然后積累過去的時間,然后根據(jù)固定時間片分片進(jìn)行更新。也就說,即使這一幀和上一幀相差過去了100ms,我也會把這100ms分成很多個0.167ms來執(zhí)行update函數(shù)。這樣做有兩個好處:
固定的時間片足夠小,更新的時候可以減少邊緣損失的時間。
不同幀率,不管你是60,30,還是10fps,也是根據(jù)固定時間片來執(zhí)行update函數(shù),所以即使有損失,不同幀率之間的損失是一樣的。那么我們?nèi)齻€方塊就可以達(dá)到同步移動的效果的了!
看上面的代碼,update和draw函數(shù)保持不變,而loop函數(shù)中,對過去的時間進(jìn)行了累加,當(dāng)時間超過固定的片就可以執(zhí)行update。while循環(huán)可以保證更新直到把積累的時間都更新完。
對時間進(jìn)行積累,然后分固定片更新。這種方式還有一個非常大的好處,如果你的幀率超過了60fps,如達(dá)到100fps或者200fps,這時候passed會小于0.167ms,時間就會被積累,積累大于0.167才會執(zhí)行更新。碉堡的效果就是:不管你的幀率是高還是低,移動速度都可以和60fps情況下的速度同步。
看看最后的效果:
http://jsfiddle.net/livoras/25nut92z/embedded/result,js,html,css/
還是蠻不錯的。
總結(jié)基于幀的動畫算法會在幀率不同的情況下導(dǎo)致動畫體驗有較大的差異,所有動畫都應(yīng)該基于時間進(jìn)行執(zhí)行。而基于時間的動畫算法要注意邊緣時間的損失,最好采取積累時間,然后分固定片更新動畫的方式。
Referenceshttp://gafferongames.com/game-physics/fix-your-timestep/
http://blog.sklambert.com/using-time-based-animation-implement/
http://viget.com/extend/time-based-animation
http://codetheory.in/time-based-animations-in-html5-games-why-and-how-to-implement-them/
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