分析 CSS @keyframes 动画在渲染合成阶段的插值实现 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

CSS @keyframes 动画渲染合成阶段的插值实现

大家好，今天我们来深入探讨 CSS @keyframes 动画在渲染合成阶段的插值实现。理解这个过程对于优化动画性能、创建更流畅的用户体验至关重要。我们将从 @keyframes 的基本概念开始，逐步深入到渲染流水线中的合成阶段，并详细分析插值的具体实现方式。

@keyframes 的基本原理

@keyframes 规则允许我们定义动画序列中的关键帧，每个关键帧指定了元素在特定时间点的样式。例如：

@keyframes fadeIn {
  0% {
    opacity: 0;
  }
  100% {
    opacity: 1;
  }
}

.element {
  animation: fadeIn 1s linear;
}

这段代码定义了一个名为 fadeIn 的动画，它从 0% 的透明度 0 变化到 100% 的透明度 1。animation: fadeIn 1s linear; 声明将此动画应用于 .element 元素，持续时间为 1 秒，并且使用线性 timing function。

关键帧由两个主要部分组成：

偏移量（Offset）： 表示关键帧在动画序列中的位置，以百分比表示（0% 到 100%）。
样式（Style）： 定义元素在该偏移量处的 CSS 属性值。

浏览器需要根据这些关键帧，计算出动画过程中每一帧的样式值，这就是插值的任务。

渲染流水线与合成阶段

为了理解插值在整个流程中的作用，我们需要简单回顾一下浏览器的渲染流水线：

解析 HTML/CSS： 浏览器解析 HTML 和 CSS 代码，构建 DOM 树和 CSSOM 树。
渲染树构建： 结合 DOM 树和 CSSOM 树，构建渲染树，渲染树只包含需要显示的节点，并且包含每个节点及其子节点的样式信息。
布局（Layout）： 计算渲染树中每个节点的位置和大小，生成盒模型。
绘制（Paint）： 遍历渲染树，将每个节点绘制成一个或多个绘制记录。这些绘制记录描述了如何在屏幕上绘制元素，例如绘制矩形、文本或图像。
合成（Composite）： 将绘制记录分层，并按正确的顺序将这些层合成到屏幕上，最终呈现给用户。

@keyframes 动画的计算和应用主要发生在布局和合成阶段。

布局阶段： 在某些情况下，动画会触发布局。例如，如果动画改变了元素的宽度或高度，浏览器需要重新计算元素的位置和大小，这会导致重排（reflow）。
合成阶段： 为了提高性能，浏览器会将动画尽可能地放在合成阶段进行处理。这意味着动画的计算和应用不会触发重排或重绘（repaint）。只有可以独立于文档流进行处理的属性（如 transform 和 opacity）才适合在合成阶段进行动画处理。

为什么合成阶段的动画性能更好？

因为合成阶段的动画直接操作的是 GPU 上的纹理，而不需要重新计算布局和绘制。这大大减少了 CPU 的负担，提高了动画的流畅度。

插值的实现细节

插值是 @keyframes 动画的核心。它负责根据关键帧之间的样式值，计算出动画过程中每一帧的样式值。插值的具体实现方式取决于以下几个因素：

CSS 属性类型： 不同的 CSS 属性类型需要不同的插值算法。
Timing Function： Timing function 定义了动画的速度曲线，影响插值的计算结果。

CSS 属性类型与插值算法

不同的 CSS 属性类型有不同的插值方式。以下是一些常见的 CSS 属性类型及其对应的插值算法：

CSS 属性类型	插值算法

2. 数值型属性

例如 opacity、width、height 等。这类属性的插值通常采用线性插值，公式如下：

value = startValue + (endValue - startValue) * progress

其中：

startValue 是起始值
endValue 是结束值
progress 是一个介于 0 和 1 之间的值，表示动画的进度。

例如，如果一个元素的 width 从 100px 变为 200px，当前的 progress 是 0.5，那么插值后的 width 值为：

value = 100 + (200 - 100) * 0.5 = 150px

3. 颜色属性

例如 color、background-color 等。颜色属性的插值通常在 RGB 或 HSL 色彩空间中进行。

RGB 插值： 分别对 R、G、B 三个分量进行线性插值。
HSL 插值： 分别对 H（色相）、S（饱和度）、L（亮度）三个分量进行线性插值。

function interpolateColorRGB(startColor, endColor, progress) {
  const startR = parseInt(startColor.substring(1, 3), 16); // 提取起始颜色的红色分量
  const startG = parseInt(startColor.substring(3, 5), 16); // 提取起始颜色的绿色分量
  const startB = parseInt(startColor.substring(5, 7), 16); // 提取起始颜色的蓝色分量

  const endR = parseInt(endColor.substring(1, 3), 16); // 提取结束颜色的红色分量
  const endG = parseInt(endColor.substring(3, 5), 16); // 提取结束颜色的绿色分量
  const endB = parseInt(endColor.substring(5, 7), 16); // 提取结束颜色的蓝色分量

  const r = Math.round(startR + (endR - startR) * progress); // 插值计算红色分量
  const g = Math.round(startG + (endG - startG) * progress); // 插值计算绿色分量
  const b = Math.round(startB + (endB - startB) * progress); // 插值计算蓝色分量

  // 将RGB分量转换为十六进制颜色值
  return `#${r.toString(16).padStart(2, '0')}${g.toString(16).padStart(2, '0')}${b.toString(16).padStart(2, '0')}`;
}

// 示例
const startColor = "#FF0000"; // 红色
const endColor = "#0000FF"; // 蓝色
const progress = 0.5;

const interpolatedColor = interpolateColorRGB(startColor, endColor, progress);
console.log(interpolatedColor); // 输出：#800080 (紫色)

4. Transform 属性

transform 属性允许我们对元素进行平移、旋转、缩放和倾斜等变换。transform 属性的插值比较复杂，因为它涉及到矩阵运算。浏览器通常会将 transform 属性分解为一系列独立的变换，例如 translateX、translateY、rotate、scaleX、scaleY 等，然后对这些独立的变换进行插值，最后再将它们组合成一个 transform 矩阵。

例如，以下 CSS 代码将元素从 (0, 0) 平移到 (100px, 50px)：

@keyframes translate {
  0% {
    transform: translate(0, 0);
  }
  100% {
    transform: translate(100px, 50px);
  }
}

.element {
  animation: translate 1s linear;
}

浏览器会将 translate 属性分解为 translateX 和 translateY，然后分别对这两个属性进行线性插值。

5. 离散值属性

例如 visibility 和 display。这些属性只有有限的几个离散值，不能进行线性插值。对于这类属性，浏览器通常会在动画的某个时间点直接切换到目标值。例如，如果 visibility 属性从 hidden 变为 visible，浏览器可能会在动画的中间时刻直接将 visibility 设置为 visible，而不是进行平滑的过渡。

Timing Function 对插值的影响

Timing function 定义了动画的速度曲线，它决定了动画在不同时间点的进度值。常见的 timing function 包括：

linear：匀速动画。
ease：平滑的加速和减速。
ease-in：缓慢加速。
ease-out：缓慢减速。
ease-in-out：先缓慢加速，再缓慢减速。
cubic-bezier(x1, y1, x2, y2)：自定义贝塞尔曲线。

Timing function 通过修改 progress 值来影响插值的计算结果。例如，如果使用 ease-in timing function，动画开始时 progress 值的变化会比较缓慢，动画后期 progress 值的变化会比较快。

// 简单的 linear timing function
function linearTimingFunction(progress) {
  return progress;
}

// ease-in timing function (cubic Bezier curve)
function easeInTimingFunction(progress) {
  // p0 = (0, 0), p1 = (0.42, 0.0), p2 = (1.0, 1.0), p3 = (1.0, 1.0)
  const p1x = 0.42;
  const p1y = 0.0;
  const p2x = 1.0;
  const p2y = 1.0;

  let t = progress;
  let x = 0;

  // Newton-Raphson法求根，以找到与输入 progress (时间) 相对应的 t 值
  for (let i = 0; i < 10; i++) {
    let x2 = 3 * (p1x - 2 * p2x + 1) * t * t + 2 * (p2x - p1x) * t + p1x;
    if (x2 === 0) break; // 避免除以零
    let x1 = ((1 - 3 * p2x + 3 * p1x) * t * t * t + (3 * p2x - 6 * p1x) * t * t + 3 * p1x * t);
    t -= (x1 - progress) / x2;
  }

  // 使用求出的 t 值计算 y (插值后的值)
  let y = ((1 - 3 * p2y + 3 * p1y) * t * t * t + (3 * p2y - 6 * p1y) * t * t + 3 * p1y * t);
  return y;
}

// 示例
let progress = 0.5; // 动画的原始进度

let linearProgress = linearTimingFunction(progress);
console.log("Linear Progress:", linearProgress); // 输出: 0.5

let easeInProgress = easeInTimingFunction(progress);
console.log("Ease-In Progress:", easeInProgress); // 输出: 大约 0.15 - 0.2 之间

插值的代码示例

下面是一个简单的 JavaScript 函数，用于模拟 CSS 属性的线性插值：

function interpolate(startValue, endValue, progress) {
  return startValue + (endValue - startValue) * progress;
}

// 示例
const startWidth = 100;
const endWidth = 200;
const progress = 0.5;

const interpolatedWidth = interpolate(startWidth, endWidth, progress);
console.log(interpolatedWidth); // 输出：150

这个函数接受起始值、结束值和进度值作为参数，并返回插值后的值。

合成线程中的插值

在现代浏览器中，许多动画都是在合成线程中执行的。合成线程是一个独立的线程，负责处理页面的合成和渲染。在合成线程中执行动画可以避免阻塞主线程，提高页面的响应速度。

在合成线程中，插值通常由 GPU 来完成。GPU 具有强大的并行计算能力，可以高效地计算动画过程中每一帧的样式值。

GPU 加速的优势：

性能： GPU 可以并行处理大量的计算任务，比 CPU 更快。
节能： GPU 的能效比通常比 CPU 更高。
流畅： GPU 可以提供更流畅的动画效果。

如何利用 GPU 加速动画？

尽量使用可以被 GPU 加速