SwiftUI之深入解析高级动画的路径Paths

一、前言

本文将深入探讨一些创建 SwiftUI 动画的高级技术，讨论 Animatable 的协议，它可靠的伙伴 AnimatableData，强大但经常被忽略的 GeometryEffect 以及完全被忽视但全能的 AnimatableModifier 协议。
这些都是被官方文档完全忽略的主题，在 SwiftUI 相关的帖子和文章中也几乎没有提及，不过它们还是提供了创建一些相当不错的动画的工具。

二、显式动画 VS 隐式动画

① 动画实现

在 SwiftUI 中，有两种类型的动画：显式和隐式：
- 隐式动画是用 .animation() 修饰符指定的那些动画，每当视图上的可动画参数发生变化时，SwiftUI 就会从旧值到新值制作动画，一些可动画的参数包括大小(size)、偏移(offset)、颜色(color)、比例(scale)等；
- 显式动画是使用 withAnimation{ … } 指定的动画闭包，只有那些依赖于 withAnimation 闭包中改变值的参数才会被动画化。
如下所示，使用隐式动画更改图像的大小和不透明度：

struct Example1: View {@State private var half = false@State private var dim = falsevar body: some View {Image("tower").scaleEffect(half ? 0.5 : 1.0).opacity(dim ? 0.2 : 1.0).animation(.easeInOut(duration: 1.0)).onTapGesture {self.dim.toggle()self.half.toggle()}}
}

执行效果如下：

如下所示的示例使用显式动画，缩放和不透明度都会更改，但只有不透明度会设置动画，因为它是 withAnimation 闭包中唯一更改的参数：

struct Example2: View {@State private var half = false@State private var dim = falsevar body: some View {Image("tower").scaleEffect(half ? 0.5 : 1.0).opacity(dim ? 0.5 : 1.0).onTapGesture {self.half.toggle()withAnimation(.easeInOut(duration: 1.0)) {self.dim.toggle()}}}
}

执行效果如下：

通过更改修饰符的前后顺序，可以使用隐式动画创建相同的效果：

struct Example2: View {@State private var half = false@State private var dim = falsevar body: some View {Image("tower").opacity(dim ? 0.2 : 1.0).animation(.easeInOut(duration: 1.0)).scaleEffect(half ? 0.5 : 1.0).onTapGesture {self.dim.toggle()self.half.toggle()}}
}

如果需要禁用动画，可以使用 .animation(nil)。

② 动画是如何工作的

在所有 SwiftUI 动画的背后，有一个名为 Animatable 的协议，它拥有一个计算属性，其类型遵守 VectorArithmetic 协议，这使得框架可以随意地插值。
当给一个视图制作动画时，SwiftUI 实际上是多次重新生成该视图，并且每次都修改动画参数。这样，它就会从原点值渐渐走向最终值。
假设我们为一个视图的不透明度创建一个线性动画，打算从 0.3 到 0.8，该框架将多次重新生成视图，以小幅度的增量来改变不透明度。由于不透明度是以 Double 表示的，而且 Double 遵守 VectorArithmetic 协议，SwiftUI 可以插值出所需的不透明度值，在框架代码的某个地方，可能有一个类似的算法：

let from:Double = 0.3
let to:Double = 0.8for i in 0..<6 {let pct = Double(i) / 5var difference = to - fromdifference.scale(by: pct)let currentOpacity = from + differenceprint("currentOpacity = \(currentOpacity)")
}

代码将创建从起点到终点的渐进式更改：

currentOpacity = 0.3
currentOpacity = 0.4
currentOpacity = 0.5
currentOpacity = 0.6
currentOpacity = 0.7
currentOpacity = 0.8

三、为什么关心 Animatable？

你可能会问，为什么需要关心所有这些小细节？SwiftUI 已经为不透明度制作了动画，不需要我们担心这一切？当然是，只需要 SwiftUI 知道如何将数值从原点插值到终点。对于不透明度，这是一个直接的过程，SwiftUI 知道该怎么做。然而，正如接下来要看到的，情况并非总是如此。
例如一些大的例外情况：路径(paths)、变换矩阵(matrices)和任意的视图变化（例如，文本视图中的文本、渐变视图中的渐变颜色或停顿等），在这种情况下，框架不知道该怎么做。

① 形状路径的动画化

想象一下，有一个形状，使用路径来绘制一个规则的多边形，实现当然会需要指出这个多边形将有多少条边：

PolygonShape(sides: 3).stroke(Color.blue, lineWidth: 3)
PolygonShape(sides: 4).stroke(Color.purple, lineWidth: 4)

如下所示，是 PolygonShape 的实现，代码中使用了一点三角学的知识：

struct PolygonShape: Shape {var sides: Intfunc path(in rect: CGRect) -> Path {        // hypotenuselet h = Double(min(rect.size.width, rect.size.height)) / 2.0// centerlet c = CGPoint(x: rect.size.width / 2.0, y: rect.size.height / 2.0)var path = Path()for i in 0..<sides {let angle = (Double(i) * (360.0 / Double(sides))) * Double.pi / 180// Calculate vertex positionlet pt = CGPoint(x: c.x + CGFloat(cos(angle) * h), y: c.y + CGFloat(sin(angle) * h))if i == 0 {path.move(to: pt) // move to first vertex} else {path.addLine(to: pt) // draw line to next vertex}}path.closeSubpath()return path}
}

可以更进一步，尝试使用与不透明度相同的方法对形状边数(sides)参数进行动画处理：

PolygonShape(sides: isSquare ? 4 : 3).stroke(Color.blue, lineWidth: 3).animation(.easeInOut(duration: duration))

那么是不是 SwiftUI 知道如何把三角形转化为正方形呢？很遗憾，它不并知道。当然，框架也不知道如何给它做动画。我们可以随心所欲地使用 .animation()，但这个形状会从三角形跳到正方形，而且没有任何动画，原因很简单：我们只教了 SwiftUI 如何画一个 3 边的多边形，或 4 边的多边形，但代码却不知道如何画一个 3.379 边这样的多边形。
因此，为了使动画发生，需要两件事：
- 需要改变形状的代码，使其知道如何绘制边数为非整数的多边形；
- 让框架多次生成这个形状，并让可动画参数一点点变化，也就是说，希望这个形状被要求绘制多次，每次都有一个不同的边数数值：3、3.1、3.15、3.2、3.25，一直到 4。
一旦把这两点做到位，就能够在任何数量的边数之间制作动画：

② 创建可动画数据(animatableData)

为了使形状可动画化，需要 SwiftUI 多次渲染视图，使用从原点到目标数之间的所有边值。幸运的是，Shape 已经符合了 Animatable 协议的要求，这意味着，有一个计算的属性（animatableData），可以用它来处理这个任务。然而，它的默认实现被设置为 EmptyAnimatableData，所以它什么都不做。
为了解决我们的问题，首先改变边的属性的类型，从 Int 到 Double，这样就可以有小数的数字，这里为了使事情简单，只使用 Double：

struct PolygonShape: Shape {var sides: Double...
}

然后，需要创建计算属性 animatableData：

struct PolygonShape: Shape {var sides: Doublevar animatableData: Double {get { return sides }set { sides = newValue }}...
}

③ 用小数画边

最后，需要教 SwiftUI 如何绘制一个边数为非整数的多边形。我们将稍微改变代码，随着小数部分的增长，这个新的边将从零到全长，其他顶点将相应地平稳地重新定位：

func path(in rect: CGRect) -> Path {// hypotenuselet h = Double(min(rect.size.width, rect.size.height)) / 2.0// centerlet c = CGPoint(x: rect.size.width / 2.0, y: rect.size.height / 2.0)var path = Path()let extra: Int = Double(sides) != Double(Int(sides)) ? 1 : 0for i in 0..<Int(sides) + extra {let angle = (Double(i) * (360.0 / Double(sides))) * Double.pi / 180// Calculate vertexlet pt = CGPoint(x: c.x + CGFloat(cos(angle) * h), y: c.y + CGFloat(sin(angle) * h))if i == 0 {path.move(to: pt) // move to first vertex} else {path.addLine(to: pt) // draw line to next vertex}}path.closeSubpath()return path}

如前所述，对于这个形状的用户来说，边的参数是一个 Double，这可能显得很奇怪，我们期望边是一个 Int 参数。可以再次改变代码，把这个事实隐藏在形状的实现中：

struct PolygonShape: Shape {var sides: Intprivate var sidesAsDouble: Doublevar animatableData: Double {get { return sidesAsDouble }set { sidesAsDouble = newValue }}init(sides: Int) {self.sides = sidesself.sidesAsDouble = Double(sides)}...
}

有了这些变化，在内部使用 Double，但在外部则使用 Int，现在它看起来更优雅了。不要忘记了修改绘图代码，这样它就会使用 sidesAsDouble 而不是 sides。

④ 设置多个参数的动画

很多时候，我们会发现自己需要对多个参数进行动画处理，单一的 Double 是不够的，在这个时候，可以使用 AnimatablePair<First, Second>。这 First 和 Second 都是符合 VectorArithmetic 的类型，例如AnimatablePair<CGFloat, Double>：

为了演示 AnimatablePair 的使用，修改示例，现在多边形形状将有两个参数：边和比例，两者都将用 Double 来表示：

struct PolygonShape: Shape {var sides: Doublevar scale: Doublevar animatableData: AnimatablePair<Double, Double> {get { AnimatablePair(sides, scale) }set {sides = newValue.firstscale = newValue.second}}...
}

有一个更复杂的路径，它基本上是相同的形状，但增加了一条连接每个顶点的线：

⑤ 超过两个动画参数

如果浏览一下 SwiftUI 的声明文件，会发现该框架相当广泛地使用 AnimatablePair，比如说 CGSize、CGPoint、CGRect，尽管这些类型不符合 VectorArithmetic，但它们可以被动画化，因为它们确实符合 Animatable，它们以这样或那样的方式使用 AnimatablePair：

extension CGPoint : Animatable {public typealias AnimatableData = AnimatablePair<CGFloat, CGFloat>public var animatableData: CGPoint.AnimatableData
}extension CGSize : Animatable {public typealias AnimatableData = AnimatablePair<CGFloat, CGFloat>public var animatableData: CGSize.AnimatableData
}extension CGRect : Animatable {public typealias AnimatableData = AnimatablePair<CGPoint.AnimatableData, CGSize.AnimatableData>public var animatableData: CGRect.AnimatableData
}

如果仔细注意一下 CGRect，会发现它实际上是在使用：

AnimatablePair<AnimatablePair<CGFloat, CGFloat>, AnimatablePair<CGFloat, CGFloat>>

这意味着矩形的 x、y、宽度和高度值可以通过 first.first、first.second、second.first 和 second.second 访问。

⑥ 使自己的类型动画化（通过VectorArithmetic）

Angle、CGPoint、CGRect、CGSize、EdgeInsets、StrokeStyle 和 UnitPoint 等类型都默认实现了 Animatable，AnimatablePair、CGFloat、Double、EmptyAnimatableData 和 Float 符合 VectorArithmetic，我们可以使用它们中的任何一种来为形状制作动画。
现有的类型提供了足够的灵活性来实现任何东西的动画，如果有一个想做动画的复杂类型，没有什么能阻止添加自己的 VectorArithmetic 协议的实现。可以创建一个模拟时钟形状，它将根据一个自定义的可动画的参数类型移动它的指针 ClockTime：

用法如下：

ClockShape(clockTime: show ? ClockTime(9, 51, 15) : ClockTime(9, 55, 00)).stroke(Color.blue, lineWidth: 3).animation(.easeInOut(duration: duration))

首先开始创建自定义类型 ClockTime，它包含三个属性（小时、分钟和秒），几个有用的初始化器，以及一些辅助计算的属性和方法：

struct ClockTime {var hours: Int      // Hour needle should jump by integer numbersvar minutes: Int    // Minute needle should jump by integer numbersvar seconds: Double // Second needle should move smoothly// Initializer with hour, minute and secondsinit(_ h: Int, _ m: Int, _ s: Double) {self.hours = hself.minutes = mself.seconds = s}// Initializer with total of secondsinit(_ seconds: Double) {let h = Int(seconds) / 3600let m = (Int(seconds) - (h * 3600)) / 60let s = seconds - Double((h * 3600) + (m * 60))self.hours = hself.minutes = mself.seconds = s}// compute number of secondsvar asSeconds: Double {return Double(self.hours * 3600 + self.minutes * 60) + self.seconds}// show as stringfunc asString() -> String {return String(format: "%2i", self.hours) + ":" + String(format: "%02i", self.minutes) + ":" + String(format: "%02f", self.seconds)}
}

为了符合 VectorArithmetic 协议，需要编写以下方法和计算属性：

extension ClockTime: VectorArithmetic {static var zero: ClockTime {return ClockTime(0, 0, 0)}var magnitudeSquared: Double { return asSeconds * asSeconds }static func -= (lhs: inout ClockTime, rhs: ClockTime) {lhs = lhs - rhs}static func - (lhs: ClockTime, rhs: ClockTime) -> ClockTime {return ClockTime(lhs.asSeconds - rhs.asSeconds)}static func += (lhs: inout ClockTime, rhs: ClockTime) {lhs = lhs + rhs}static func + (lhs: ClockTime, rhs: ClockTime) -> ClockTime {return ClockTime(lhs.asSeconds + rhs.asSeconds)}mutating func scale(by rhs: Double) {var s = Double(self.asSeconds)s.scale(by: rhs)let ct = ClockTime(s)self.hours = ct.hoursself.minutes = ct.minutesself.seconds = ct.seconds}
}

唯一要做的，就是写出形状来适当地定位针头，时钟形状的完整代码，可在本文最后的完整示例的 Example5 中找到。

四、SwiftUI + Metal

如果正在编写复杂的动画，可能我们的设备会受到影响，试图跟上所有的绘图。如下所示，启用 Metal 后，一切都会变得不同：

在模拟器上运行时，可能感觉不到有什么不同，然而，在真机设备上感受会更加直观。幸运的是，启用 Metal，是非常容易的，只需要添加 .drawingGroup() 修饰符：

FlowerView().drawingGroup()

根据 WWDC 2019（用 SwiftUI 构建自定义视图）：绘图组是一种特殊的渲染方式，但只适用于图形等东西，它基本上会将 SwiftUI 视图平铺到一个单一的 NSView/UIView 中，并用 Metal 进行渲染。如果你想尝试一下，但形状还没有复杂到让设备挣扎的地步，添加一些渐变和阴影，就会立即看到不同。

六、完整示例

SwiftUI高级动画之路径Paths、几何效果GeometryEffect与AnimatableModifier的效果实现。

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一、前言

二、显式动画 VS 隐式动画

① 动画实现

② 动画是如何工作的

三、为什么关心 Animatable？

① 形状路径的动画化

② 创建可动画数据(animatableData)

③ 用小数画边

④ 设置多个参数的动画

⑤ 超过两个动画参数

⑥ 使自己的类型动画化（通过VectorArithmetic）

四、SwiftUI + Metal

六、完整示例

SwiftUI之深入解析高级动画的路径Paths相关推荐

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