剖析 lottie-web 动画实现原理

云音乐大前端团队

BodyMovin

图片来源:https://aescripts.com/bodymovin/

本文作者:青舟

前言

Lottie 是一个复杂帧动画的解决方案,它提供了一套从设计师使用 AE(Adobe After Effects)到各端开发者实现动画的工具流。在设计师通过 AE 完成动画后,可以使用 AE 的扩展程序 Bodymovin 导出一份 JSON 格式的动画数据,然后开发同学可以通过 Lottie 将生成的 JSON 数据渲染成动画。

1、如何实现一个 Lottie 动画

实现一个 Lottie 动画流程

  1. 设计师使用 AE 制作动画。
  2. 通过 Lottie 提供的 AE 插件 Bodymovin 把动画导出 JSON 数据文件。
  3. 加载 Lottie 库结合 JSON 文件和下面几行代码就可以实现一个 Lottie 动画。
import lottie from 'lottie-web';
import animationJsonData from 'xxx-demo.json';  // json 文件

const lot = lottie.loadAnimation({
   container: document.getElementById('lottie'), 
   renderer: 'svg',
   loop: true,
   autoplay: false,
   animationData: animationJsonData,
 });

// 开始播放动画
lot.play();

更多动画 JSON 模板可以查看 https://lottiefiles.com/

2、解读 JSON 文件数据格式

笔者自己制作了 Lottie Demo -> 点我预览

  • 0s 至 3s,scale 属性值从 100% 变到 50%。
  • 3s 至 6s,scale 属性值从 50% 变到 100%,完成动画。

动画变化路径

通过 Bodymovin 插件导出 JSON 数据结构如下图所示:

JSON 数据结构

详细 JSON 信息可以通过 Demo 查看,JSON 信息命名比较简洁,第一次看可能难以理解。接下来结合笔者自己制作的 Demo 进行解读。

2.1 全局信息

全局信息

左侧为使用 AE 新建动画合成需要填入的信息,和右面第一层 JSON 信息对应如下:

  • wh: 宽 200、高 200
  • v:Bodymovin 插件版本号 4.5.4
  • fr帧率 30fps
  • ipop:开始帧 0、结束帧 180
  • assets:静态资源信息(如图片)
  • layers:图层信息(动画中的每一个图层以及动作信息)
  • ddd:是否为 3d
  • comps:合成图层

其中 fripop 在 Lottie 动画过程中尤为重要,前面提到我们的动画 Demo 是 0 - 6s,但是 Lottie 是以帧率计算动画时间的。Demo 中设置的帧率为 30fps,那么 0 - 6s 也就等同于 0 - 180 帧。

2.2 图层相关信息

理解 JSON 外层信息后,再来展开看下 JSON 中 layers 的具体信息,首先 demo 制作动画细节如下:

动画细节

主要是 3 个区域:

  • 内容区域,包含形状图层的大小、位置、圆度等信息。
  • 变化区域,包含 5 个变化属性(锚点、位置、缩放、旋转、不透明度)。
  • 缩放 3 帧(图中绿色区域),在 0 帧、90 帧、180 帧对缩放属性进行了修改,其中图中所示为第 90 帧,图层缩放至 50%。

对应上图动画制作信息,便可以对应到 JSON 中的 layers 了。如下图所示:

layers

2.3 属性变化信息

接下来再看 ks(变化属性) 中的 s 展开,也就是缩放信息。

ks信息

其中:

  • t 代表关键帧数
  • s 代表变化前(图层为二维,所以第 3 个值 固定为 100)。
  • e 代表变化后(图层为二维,所以第 3 个值 固定为 100)。

3、Lottie 如何把 JSON 数据动起来

前面简单理解了 JSON 的数据意义,那么 Lottie 是如何把 JSON 数据动起来的呢?接下来结合 Demo 的 Lottie 源码阅读,只会展示部分源码,重点是理清思路即可,不要执着源代码。

以下源码介绍主要分为 2 大部分:

  • 动画初始化(3.1小节 - 3.3小节)
  • 动画播放(3.4 小节)

3.1 初始化渲染器

Demo 所示,Lottie 通过 loadAnimation 方法来初始化动画。渲染器初始化流程如下:

loadAnimation

function loadAnimation(params){
    // 生成当前动画实例
    var animItem = new AnimationItem();
    // 注册动画
    setupAnimation(animItem, null);
    // 初始化动画实例参数
    animItem.setParams(params);
    return animItem;
}

function setupAnimation(animItem, element) {
    // 监听事件
    animItem.addEventListener('destroy', removeElement);
    animItem.addEventListener('_active', addPlayingCount);
    animItem.addEventListener('_idle', subtractPlayingCount);
    // 注册动画
    registeredAnimations.push({elem: element, animation:animItem});
    len += 1;
}
  • AnimationItem 这个类是 Lottie 动画的基类,loadAnimation 方法会先生成一个 AnimationItem 实例并返回,开发者使用的 配置参数和方法 都是来自于这个类。
  • 生成 animItem 实例后,调用 setupAnimation 方法。这个方法首先监听了 destroy_active_idle 三个事件等待被触发。由于可以多个动画并行,因此定义了全局的变量 lenregisteredAnimations 等,用于判断和缓存已注册的动画实例。
  • 接下来调用 animItem 实例的 setParams 方法初始化动画参数,除了初始化 loopautoplay 等参数外,最重要的是选择渲染器。如下:
AnimationItem.prototype.setParams = function(params) {
    // 根据开发者配置选择渲染器
    switch(animType) {
        case 'canvas':
            this.renderer = new CanvasRenderer(this, params.rendererSettings);
            break;
        case 'svg':
            this.renderer = new SVGRenderer(this, params.rendererSettings);
            break;
        default:
            // html 类型
            this.renderer = new HybridRenderer(this, params.rendererSettings);
            break;
    }

    // 渲染器初始化参数
    if (params.animationData) {
        this.configAnimation(params.animationData);
    }
}

Lottie 提供了 SVG、Canvas 和 HTML 三种渲染模式,一般使用第一种或第二种。

  • SVG 渲染器支持的特性最多,也是使用最多的渲染方式。并且 SVG 是可伸缩的,任何分辨率下不会失真。
  • Canvas 渲染器就是根据动画的数据将每一帧的对象不断重绘出来。
  • HTML 渲染器受限于其功能,支持的特性最少,只能做一些很简单的图形或者文字,也不支持滤镜效果。

每个渲染器均有各自的实现,复杂度也各有不同,但是动画越复杂,其对性能的消耗也就越高,这些要看实际的状况再去判断。渲染器源码在 player/js/renderers/ 文件夹下,本文 Demo 只分析 SVG 渲染动画的实现。由于 3 种 Renderer 都是基于 BaseRenderer 类,所以下文中除了 SVGRenderer 也会出现 BaseRenderer 类的方法。

3.2 初始化动画属性,加载静态资源

确认使用 SVG 渲染器后,调用 configAnimation 方法初始化渲染器。

AnimationItem.prototype.configAnimation = function (animData) {
    if(!this.renderer) {
        return;
    }
    
    // 总帧数
    this.totalFrames = Math.floor(this.animationData.op - this.animationData.ip);
    this.firstFrame = Math.round(this.animationData.ip);
    
    // 渲染器初始化参数
    this.renderer.configAnimation(animData);

    // 帧率
    this.frameRate = this.animationData.fr;
    this.frameMult = this.animationData.fr / 1000;
    this.trigger('config_ready');
    
    // 加载静态资源
    this.preloadImages();
    this.loadSegments();
    this.updaFrameModifier();
    
    // 等待静态资源加载完毕
    this.waitForFontsLoaded();
};

在这个方法中将会初始化更多动画对象的属性,比如总帧数 totalFrames 、帧率 frameMult 等。然后加载一些其他资源,比如图像、字体等。如下图所示:

渲染流程

同时在 waitForFontsLoaded 方法中等待静态资源加载完毕,加载完毕后便会调用 SVG 渲染器的 initItems 方法绘制动画图层,也就是将动画绘制出来。

AnimationItem.prototype.waitForFontsLoaded = function(){
    if(!this.renderer) {
        return;
    }
    // 检查加载完毕
    this.checkLoaded();
}

AnimationItem.prototype.checkLoaded = function () {
    this.isLoaded = true;

    // 初始化所有元素
    this.renderer.initItems();
    setTimeout(function() {
        this.trigger('DOMLoaded');
    }.bind(this), 0);

    // 渲染第一帧
    this.gotoFrame();
    
    // 自动播放
    if(this.autoplay){
        this.play();
    }
};

checkLoaded 方法中可以看到,通过 initItems 初始化所有元素后,便通过 gotoFrame 渲染第一帧,如果开发者配置了 autoplaytrue,则会直接调用 play 方法播放。这里有个印象就好,会在后面详细讲。接下来还是先看 initItems 实现细节。

3.3 绘制动画初始图层

initItems 方法主要是调用 buildAllItems 创建所有图层。buildItem 方法又会调用 createItem 确定具体图层类型,这里的方法源码中拆分较细,本文只保留了 createItem 方法,其他感兴趣可以查看源码细节。

initItems

在制作动画时,设计师操作的图层元素有很多种,比如图片、形状、文字等等。所以 layers 中每个图层会有一个字段 ty 来区分。结合 createItem 方法来看,一共有以下 8 中类型。

BaseRenderer.prototype.createItem = function(layer) {
    // 根据图层类型,创建相应的 svg 元素类的实例
    switch(layer.ty){
        case 0:
            // 合成
            return this.createComp(layer);
        case 1:
            // 固态
            return this.createSolid(layer);
        case 2:
            // 图片
            return this.createImage(layer);
        case 3:
            // 兜底空元素
            return this.createNull(layer);
        case 4:
            // 形状
            return this.createShape(layer);
        case 5:
            // 文字
            return this.createText(layer);
        case 6:
            // 音频
            return this.createAudio(layer);
        case 13:
            // 摄像机
            return this.createCamera(layer);
    }
    return this.createNull(layer);
};

由于笔者以及大多数开发者,都不是专业的 AE 玩家,因此不必不过纠结每种类型是什么,理清主要思路即可。结合笔者的 Demo ,只有一个图层,并且图层的 ty 为 4 。是一个 Shape 形状图层,因此在初始化图层过程中只会执行 createShape 方法。

其他图层类型的渲染逻辑,如 ImageTextAudio 等等,每一种元素的渲染逻辑都实现在源码 player/js/elements/ 文件夹下,具体实现逻辑这里就不进行展开了,感兴趣的同学自行查看。

接下来便是执行 createShape 方法,初始化元素相关属性。

绘制Shape图层

除了一些细节的初始化方法,其中值得注意的是 initTransform 方法。

initTransform: function() {
    this.finalTransform = {
        mProp: this.data.ks
            ? TransformPropertyFactory.getTransformProperty(this, this.data.ks, this)
            : {o:0},
        _matMdf: false,
        _opMdf: false,
        mat: new Matrix()
    };
},

利用 TransformPropertyFactorytransform 初始化,结合 Demo 第 0 帧,对应如下:

动画变化路径

  • 不透明度 100%
  • 缩放 100%
transform: scale(1);
opacity: 1;

那么为什么在初始化渲染图层时,需要初始化 transformopacity 呢?这个问题会在 3.4 小节中进行回答。

3.4 Lottie 动画播放

在分析 Lottie 源码动画播放前,先来回忆下。笔者 Demo 的动画设置:

  • 0s 至 3s,scale 属性值从 100% 变到 50%。
  • 3s 至 6s,scale 属性值从 50% 变到 100%。

如果按照这个设置,3s 进行一次改变的话,那动画就过于生硬了。因此设计师设置了帧率为 30fps ,意味着每隔 33.3ms 进行一次变化,使得动画不会过于僵硬。那么如何实现这个变化,便是 3.3 小节提到的 transformopacity

在 2.2 小节中提到的 5 个变化属性(锚点、位置、缩放、旋转、不透明度)。其中不透明度通过 CSS 的 opacity 来控制,其他 4 个(锚点、位置、缩放、旋转)则通过 transformmatrix 来控制。笔者的 Demo 中实际上初始值如下:

transform: matrix(1, 0, 0, 1, 100, 100);
/* 上文的 transform: scale(1); 只是为了方便理解*/
opacity: 1;

这是因为无论是旋转还是缩放等属性,本质上都是应用 transformmatrix() 方法实现的,因此 Lottie 统一使用 matrix 处理。平时开发者使用的类似于 transform: scale 这种表现形式,只是因为更容易理解,记忆与上手。 matrix 相关知识点可以学习张鑫旭老师的 理解CSS3 transform中的Matrix

矩阵

所以 Lottie 动画播放流程可暂时小结为:

  1. 渲染图层,初始化所有图层的 transformopacity
  2. 根据帧率 30fps,计算每一帧(每隔 33.3ms )对应的 transformopacity 并修改 DOM

然而 Lottie 如何控制 30fps 的时间间隔呢?如果设计师设置 20fps or 40fps 怎么处理?可以通过 setTimeoutsetInterval 实现吗?带着这个问题看看源码是如何处理的,如何实现一个通用的解决方案。

Lottie 动画播放主要是使用 AnimationItem 实例的 play 方法。如果开发者配置了 autoplaytrue,则会在所有初始化工作准备完毕后(3.2 小节有提及),直接调用 play 方法播放。否则由开发者主动调用 play 方法播放。

接下来从 play 方法了解一下整个播放流程的细节:

AnimationItem.prototype.play = function (name) {
    this.trigger('_active');  
};

去掉多余代码, play 方法主要是触发了 _active 事件,这个 _active 事件便是在 3.1 小节初始化时注册的。

animItem.addEventListener('_active', addPlayingCount);

function addPlayingCount(){
    activate();
}

function activate(){
    // 触发第一帧渲染
    window.requestAnimationFrame(first);
}

触发后通过调用 requestAnimationFrame 方法,不断的调用 resume 方法来控制动画。

function first(nowTime){
    initTime = nowTime;
    // requestAnimationFrame 每次都进行计算修改 DOM
    window.requestAnimationFrame(resume);
}

前文提到的动画参数:

  • 开始帧为 0
  • 结束帧为 180
  • 帧率为 30 fps

requestAnimationFrame 在正常情况下能达到 60 fps(每隔 16.7ms 左右)。那么 Lottie 如何保证动画按照 30 fps (每隔 33.3ms)流畅运行呢。这个时候我们要转化下思维,设计师希望按照每隔 33.3ms 去计算变化,那也可以通过 requestAnimationFrame 方法,每隔 16.7ms 去计算,也可以计算动画的变化。只不过计算的更细致而已,而且还会使得动画更流畅,这样无论是 20fps or 40fps 都可以处理了,来看下源码是如何处理的。

在不断调用的 resume 方法中,主要逻辑如下:

function resume(nowTime) {
    // 两次 requestAnimationFrame 间隔时间
    var elapsedTime = nowTime - initTime;

    // 下一次计算帧数 = 上一次执行的帧数 + 本次间隔的帧数
    // frameModifier 为帧率( fr / 1000 = 0.03)
    var nextValue = this.currentRawFrame + value * this.frameModifier;
    
    this.setCurrentRawFrameValue(nextValue);
    
    initTime = nowTime;
    if(playingAnimationsNum && !_isFrozen) {
        window.requestAnimationFrame(resume);
    } else {
        _stopped = true;
    }
}

AnimationItem.prototype.setCurrentRawFrameValue = function(value){
    this.currentRawFrame = value;
    // 渲染当前帧
    this.renderFrame();
};

resume 方法:

  • 首先会计算当前时间和上次时间的 diff 时间。
  • 之后计算动画开始到现在的时间的当前帧数。注意这里的帧数只是相对 AE 设置的一个计算单位,可以有小数。
  • 最后通过 renderFrame() 方法更新当前帧对应的 DOM 变化。

举例说明:

假设上一帧为 70.25 帧,本次 requestAnimationFrame 间隔时间为 16.78 ms,那么:

当前帧数:70.25 +  16.78 * 0.03 =  70.7534帧

由于 70.7534 帧在 Demo 中的 0 - 90 帧动画范围内,因此帧比例(代表动画运行时间百分比)的计算如下:

帧比例:70.7534 / 90 = 0.786148889

0 - 90 帧的动画为图层从 100% 缩放至 50% ,因为仅计算 50% 的变化,所以缩放到如下:

缩放比例: 100 - (50 * 0.781666)= 60.69255555%

对应计算代码在 TransformPropertyFactory 类中:

// 计算百分比
perc = fnc((frameNum - keyTime) / (nextKeyTime - keyTime ));
endValue = nextKeyData.s || keyData.e;
// 计算值
keyValue = keyData.s[i] + (endValue[i] - keyData.s[i]) * perc;

其中 fnc 为计算函数,如果设置了贝塞尔运动曲线函数,那么 fnc 也会相应修改计算规则。当前 Demo 为了方便理解,采用的是线性变化。具体源码感兴趣的同学可以自行查看。

计算好当前 scale 的值后,再利用 TransformPropertyFactory 计算好当前对应的 transformmatrix 值,然后修改对应 DOM 元素上的 CSS 属性。这样通过 requestAnimationFrame 不停的计算帧数,再计算对应的 CSS 变化,在一定的时间内,便实现了动画。播放流程如下:

播放流程

帧数计算这里需要时刻记住,在 Lottie 中,把 AE 设置的帧数作为一个计算单位,Lottie 并不是根据设计师设置的 30fps(每隔 33.3ms) 进行每一次变化,而是根据 requestAnimationFrame 的间隔(每隔 16.7ms 左右)计算了更细致的变化,保证动画的流畅运行。

没有通过 setTimeoutsetInterval 实现,是因为它们都有各自的缺点,这里就不展开了,大家自行查阅资料。requestAnimationFrame 采用系统时间间隔,保持最佳绘制效率,让动画能够有一个统一的刷新机制,从而节省系统资源,提高系统性能,改善视觉效果。

4、总结

虽然我们了解了 Lottie 的实现原理,但是在实际应用中也有一些优势和不足,要按照实际情况进行取舍。

4.1 Lottie 的优势

  1. 设计师通过 AE 制作动画,前端可以直接还原,不会出现买家秀卖家秀的情况。
  2. SVG 是可伸缩的,任何分辨率下不会失真。
  3. JSON 文件,可以多端复用(Web、Android、iOS、React Native)。
  4. JSON 文件大小会比 GIF 以及 APNG 等文件小很多,性能也会更好。

4.2 Lottie 的不足

  1. Lottie-web 文件本身仍然比较大,未压缩大小为 513k,轻量版压缩后也有 144k,经过 Gzip 后,大小为39k。所以,需要注意 Lottie-web 的加载。
  2. 不必要的序列帧。Lottie 的主要动画思想是绘制某一个图层不断的改变 CSS 属性,如果设计师偷懒用了一些插件实现的动画效果,可能会造成每一帧都是一张图,如下图所示,那就会造成这个 JSON 文件非常大,注意和设计师提前进行沟通。

不必要的序列帧

  1. 部分AE特效不支持。有少量的 AE 动画效果,Lottie 无法实现,有些是因为性能问题,有些是没有做,注意和设计师提前沟通,点我查看

5、参考资料

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