转自帧动画的多种实现方式与性能对比
本文目录
Web动画形式
应用场景
素材准备
实现方案
一、GIF图
二、CSS3帧动画
三、JS帧动画
方案总结
注意事项
总结
Web动画形式
首先我们来了解一下Web有哪些动画形式
1. CSS3动画
Transform（变形）
Transition（过渡）
Animation（动画）
2. JS动画（操作DOM、修改CSS属性值）
3. Canvas动画
4. SVG动画
5. 以Three.js为首的3D动画
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以上各种动画形式都可以制作出一种类型的动画，那就是帧动画，也叫序列帧动画，定格动画，逐帧动画等，这里我们统一用帧动画来表述。
应用场景
帧动画一般用来实现稍微复杂一点的动画效果，同时希望动画更细腻，设计师更自由的发挥。他可以定义到每一个时间刻度上的展现内容，我们一般用帧动画来做页面的Loading，小人物，小物体元素的简单动画。我们想象中的帧动画应该有以下几个特点：
- 可以自由控制播放、暂停和停止
- 可以控制播放次数，播放速度
- 可以添加交互，在播放完成后添加事件
- 浏览器兼容性好
素材准备
帧动画的素材一般是先由设计师在PS中的时间轴上设计好了，然后导出图片给前端人员，PS制作时间轴动画一般是用来制作稍微简单的动画，操作简单，方便。
或者是由设计师在AE的时间轴进行设计，因为AE内置了更丰富的动作效果，比如转换，翻转之类的，AE可以帮助我们实现更复杂的效果，然后再导出图片给前端人员。
这里帧动画素材的要求，每一帧的图片最好是偶数宽高，偶数张，最好周围能有一些留白。
实现方案
将目前想到的解决方案梳理如下图，同时我们将对每种方案进行详细介绍。
一、GIF图
我们可以将上面制作的帧动画导出成GIF图，GIF图会连续播放，无法暂停，它往往用来实现小细节动画，成本较低、使用方便。但其缺点也是很明显的：
- 画质上，gif 支持颜色少(最大256色)、Alpha 透明度支持差，图像锯齿毛边比较严重；
- 交互上，不能直接控制播放、暂停、播放次数，灵活性差；
- 性能上，gif 会引起页面周期性的绘画，性能较差。
二、CSS3帧动画
CSS3帧动画是我们今天需要重点介绍的方案，最核心的是利用CSS3中Animation动画，确切的说是使用animation-timing-function 的阶梯函数 steps(number_of_steps, direction) 来实现逐帧动画的连续播放。
帧动画的实现原理是不断切换视觉内图片内容，利用视觉滞留生理现象来实现连续播放的动画效果，下面我们来介绍制作CSS3帧动画的几种方案。
（1）连续切换动画图片地址src（不推荐）
我们将图片放到元素的背景中（background-image），通过更改 background-image 的值实现帧的切换。但是这种方式会有以下几个缺点，所以该方案不推荐。
- 多张图片会带来多个 HTTP 请求
- 每张图片首次加载会造成图片切换时的闪烁
- 不利于文件的管理
（2）连续切换雪碧图位置（推荐）
我们将所有的帧动画图片合并成一张雪碧图，通过改变 background-position 的值来实现动画帧切换。分两步进行：
步骤一： 将动画帧合并为雪碧图，雪碧图的要求可以看上面素材准备，比如下面这张帧动画雪碧图，共20帧。
先看写法一：
<div class="sprite"></div>
.sprite {
width: 300px;
height: 300px;
background-repeat: no-repeat;
background-image: url(frame.png);
animation: frame 333ms steps(1,end) both infinite;
}
@keyframes frame {
0% {background-position: 00;}
5% {background-position: -300px 0;}
10% {background-position: -600px 0;}
15% {background-position: -900px 0;}
20% {background-position: -1200px 0;}
25% {background-position: -1500px 0;}
30% {background-position: -1800px 0;}
35% {background-position: -2100px 0;}
40% {background-position: -2400px 0;}
45% {background-position: -2700px 0;}
50% {background-position: -3000px 0;}
55% {background-position: -3300px 0;}
60% {background-position: -3600px 0;}
65% {background-position: -3900px 0;}
70% {background-position: -4200px 0;}
75% {background-position: -4500px 0;}
80% {background-position: -4800px 0;}
85% {background-position: -5100px 0;}
90% {background-position: -5400px 0;}
95% {background-position: -5700px 0;}
100% {background-position: -6000px 0;}
}
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针对以上动画有疑问？
问题一：既然都详细定义关键帧了，是不是可以不用steps函数了，直接定义linear变化不就好了吗？
animation: frame 10s linear both infinite;
如果我们定义成这样，动画是不会阶梯状，一步一步执行的，而是会连续的变化背景图位置，是移动的效果，而不是切换的效果，如下图：
这里我们先来了解下animation-timing-function属性。
CSS animation-timing-function属性定义CSS动画在每一动画周期中执行的节奏。对于关键帧动画来说，timing function作用于一个关键帧周期而非整个动画周期，即从关键帧开始开始，到关键帧结束结束。
timing-function 作用于每两个关键帧之间，而不是整个动画。
接着我们来了解下steps() 函数：
- steps 函数指定了一个阶跃函数，它接受两个参数。
- 第一个参数接受一个整数值，表示两个关键帧之间分几步完成。
- 第二个参数有两个值< start > or < end >。默认值为< end > 。
- step-start 等同于 step(1, start)。step-end 等同于 step(1, end)。
综上我们可以知道，因为我们详细定义了一个关键帧周期，从开始到结束，每两个关键帧之间分 1 步展示完，也就是说0% ~ 5%之间变化一次，5% ~ 10%变化一次，所以我们这样写才能达到想要的效果。
再看写法二：
<div class="sprite"></div>
.sprite {
width: 300px;
height: 300px;
background-repeat: no-repeat;
background-image: url(frame.png);
animation: frame 333ms steps(20) both infinite;
}
@keyframes frame {
0% {background-position: 00;}//可省略100% {background-position: -6000px 0;}
}
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这里我们定义了关键帧的开始和结束，也就是定义了一个关键帧周期，但因为我们没有详细的定义每一帧的展示，所以我们要将0%~100%这个区间分成20步来阶段性展示。
也可以换成关键字的写法，还可以只定义最后一帧，因为默认第一帧就是初始位置。
@keyframes frame {
from {background-position: 0 0;}//可省略
to {background-position: -6000px 0;}
}
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（3）连续移动雪碧图位置（移动端推荐）
跟第二种基本一致，只是切换雪碧图的位置过程换成了transform:translate3d()来实现，不过要加多一层overflow: hidden;的容器包裹，这里我们以只定义初始和结束帧为例，使用transform可以开启GPU加速，提高机器渲染效果，还能有效解决移动端帧动画抖动的问题。
<div class="sprite-wp">
<div class="sprite"></div>
</div>
.sprite-wp {
width: 300px;
height: 300px;
overflow: hidden;
}
.sprite {
width: 6000px;
height: 300px;
will-change: transform;
background: url(frame.png) no-repeat center;
animation: frame 333ms steps(20) both infinite;
}
@keyframes frame {
0% {transform: translate3d(0,0,0);}
100% {transform: translate3d(-6000px,0,0);}
}
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三、JS帧动画
（1）通过JS来控制img的src属性切换（不推荐）
和上面CSS3帧动画里面切换元素background-image属性一样，会存在多个请求等问题，所以该方案我们不推荐，但是这是一种解决思路。
（2）通过JS来控制Canvas图像绘制
通过Canvas制作帧动画的原理是用drawImage方法将图片绘制到Canvas上，不断擦除和重绘就能得到我们想要的效果。
<canvas id="canvas" width="300" height="300"></canvas>
(function () {
var timer = null,
canvas = document.getElementById("canvas"),
context = canvas.getContext('2d'),
img = new Image(),
width = 300,
height = 300,
k = 20,
i = 0;
img.src = "frame.png";
functiondrawImg() {
context.clearRect(0, 0, width, height);
i++;
if (i == k) {
i = 0;
}
context.drawImage(img, i * width, 0, width, height, 0, 0, width, height);
window.requestAnimationFrame(drawImg);
}
img.onload = function () {
window.requestAnimationFrame(drawImg);
}
})();
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上面是通过改变裁剪图像的X坐标位置来实现动画效果的，也可以通过改变画布上放置图像的坐标位置实现，如下：
context.drawImage(img, 0, 0, width*k, height,-i*width,0,width*k,height);。
（3）通过JS来控制CSS属性值变化
这种方式和前面CSS3帧动画一样，有三种方式，一种是通过JS切换元素背景图片地址background-image，一种是通过JS切换元素背景图片定位background-position，最后一种是通过JS移动元素transform:translate3d()，第一种不做介绍，因为同样会存在多个请求等问题，不推荐使用，这里实现后面两种。
-
切换元素背景图片位置
background-position.sprite { width: 300px; height: 300px; background: url(frame.png) no-repeat 00; }
(function(){ var sprite = document.getElementById("sprite"), picWidth = 300, k = 20, i = 0, timer = null; // 重置背景图片位置 sprite.style = "background-position: 0 0"; // 改变背景图位置functionchangePosition(){ sprite.style = "background-position: "+(-picWidth*i)+"px 0"; i++; if(i == k){ i = 0; } window.requestAnimationFrame(changePosition); } window.requestAnimationFrame(changePosition); })(); 复制代码
-
移动元素背景图片位置
transform:translate3d().sprite-wp { width: 300px; height: 300px; overflow: hidden; } .sprite { width: 6000px; height: 300px; will-change: transform; background: url(frame.png) no-repeat center; }
(function () { var sprite = document.getElementById("sprite"), picWidth = 300, k = 20, i = 0, timer = null; // 重置背景图片位置 sprite.style = "transform: translate3d(0,0,0)"; // 改变背景图移动 function changePosition() { sprite.style = "transform: translate3d(" + (-picWidth * i) + "px,0,0)"; i++; if (i == k) { i = 0; } window.requestAnimationFrame(changePosition); } window.requestAnimationFrame(changePosition); })(); 复制代码
方案总结
总结以上几种方案，我们可以看到GIF图有一定的优点同时缺点和局限性也比较明显，所以这种方案看情况选择使用。
同时我们最常用的是CSS3帧动画，因为通过CSS就可以实现，效果也很好；如果希望添加更灵活丰富的交互就可以采用JS帧动画的解决方案。
那各种实现方案的性能如何呢，我们来比较一下，如果测试结果出现偏差，可能与测试环境变化有关。
测试环境：
系统：Windows 10 专业版
处理器：Intel(R) Core(TM) i7-6700 CPU @ 3.40GHz 3.41GHz
RAM: 8.00GB
浏览器：Chrome 72.0
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background-position 方案 FPS master 截图
transform:translate3d() 方案 FPS master 截图
这两个FPS meter截图是来自CSS3帧动画方案，可以看到前者能达到60FPS的流畅动画效果，后者FPS不稳定且GPU占用率变大。
background-position 方案 FPS master 截图
transform:translate3d() 方案 FPS master 截图
这三个FPS meter截图是来自JS帧动画，分别是Canvas绘制，改变background-position，改变transform:translate3d()，可以看到JS帧动画的FPS都能达到 60FPS ，动画比较流畅。
JS Canvas绘制方案，不会占用GPU资源；JS background-position 方案与CSS background-position 方案比FPS和GPU占用率都一样；JS transform:translate3d() 方案与CSS transform:translate3d() 方案比FPS有明显提升和稳定，GPU占用率差别不大。
综上我们可以对各方案动画性能简单排序：
JS Canvas绘制方案 > background-position 方案 > transform:translate3d() 方案
JS Canvas 绘制方案要优于 background-position 方案和 transform:translate3d() 方案，同时从实现简单的角度上考虑，CSS方案要比JS方案实现简易。
同时我们会质疑 transform 变换不会引起页面重绘，是不是性能会更好，我们目前只比较了动画的流畅度（FPS）和GPU占用率，切页面动画比较简单，如果我们页面中有很多属性变化的动画，其实是建议用 transform 方案的，这就需要我们对页面动画效果和页面性能做出平衡。
tips：使用 will-change 可以在元素属性真正发生变化之前提前做好对应准备。
注意事项
素材：动画图片宽高最好是偶数，总帧数最好是偶数，图片拼接处最好有一定的留白。
适配：移动端适配最好不用rem，因为rem的计算会造成小数四舍五入，造成一定的抖动效果，建议直接用px作为单位，同时辅助以scale（zoom）媒体查询进行适配。如果使用rem适配，试试使用transform的方案，抖动问题可以得到优化解决。
对于帧与帧之间的盈亏互补现象导致动画抖动，想要了解更多，可以阅读《CSS技巧：逐帧动画抖动解决方案》。
总结
本文我们主要梳理了目前实现帧动画的几种方案，同时对各种方案进行效果实现，优劣讨论，性能对比，同时简单介绍了帧动画实现过程的注意事项，最后我们得出结论，JS Canvas 绘制方案要优于 background-position 方案和 transform:translate3d() 方案，同时从实现简单的角度上考虑的话，CSS 方案要比JS方案实现便捷
