Android 同频共帧动画效果

时光少年
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同频共帧

我们听过“同频共振”，其原理是多个物体物体以同样的频率振动。本篇实现的效果是“同频共帧”，两者有一定的联系，但属于不同的概念。
“同频共帧”的含义是：一种动画效果，以同样的频率、同样的画面展示在多个不同View上。

特点：

  • 动画效果
  • 同样的频率
  • 同一帧 （严格意义上是小于1个vsync信号的帧）
  • 多个不同View同时展示

下面我们使用6个ImageView来同步播放同一个动画。

效果1:

fire_95.gif

效果2:

fire_96.gif

看似这两种动画就是简单的动画，你可能会想，直接创建6个AnimationDrawable不就行了？显然这种做法仅仅适合图片数量有限或者内存较大的设备，另外AnimationDrawable越多，低性能设备由于CPU性能差，可能出现帧不一致的情况。原则上说，本篇是属于动画性能优化的文章。

另外有同学提出了多个View共享同一个Drawable，事实上Drawable的共享会改变原Drawable的Bounds，其次状态会出现冲突，因此，这条路不可行。

场景：

我们看一些综艺节目，电视两侧都会出现各种火焰、礼花等效果，而且左右是对称的，想象一下，这种情况如果你给一个超大图片去实现，这个时候占用内存肯定会很大，因此是最好的方式是让动画绘制区域更小。

这种动效其实在手机版QQ上就有，如果你给自己的头像设置为一个动态图，当你在聊天群连发多条消息，那么在消息列表中你就会发现，在同一个页面上你的头像动画是同步同帧率展示的。

现状 & 痛点

现状

我们以帧动画问题展开，要知道帧动画有难以容忍的内存占用问题、以及主线程解码问题，同时包体积问题也相当严重，为此市面上出现了很多方案。libpag、lottie、VapPlayer、AlphaPlayer、APNG、GIF、SVGA、AnimationDrawable等。但你在开发时就会发现，每一种引擎都有自己独特的优势，也有自己独特的劣势，你往往想着用一种引擎统一所有动效实现，但往往现实不允许。

我们来说说几大引擎的优缺点：

libPag： 目前支持功能最多的动效引擎，普通动画性能也非常不错，相比其他引擎快很多。该引擎使用自研渲染引擎和解码器实现，但是对于预合成动效（超长动效和复杂动效可能会用到），由于其使用的是软解，在低配设备上比VapPlayer和AlphaPlayer卡的多，另外lib so相比其他引擎也是大很多。

VapPlayer/AlphaPlayer : 这两种其都是通过alpha 遮罩实现，大部分情况下使用的是设备硬解码器，不过，VapPlayer缺乏硬解码器筛选机制，偶尔有时会拿到软解码器，另外其本身存在音画同步问题，至于AlphaPlayer把播放交给系统和三方播放器，避免了此类问题。但是，如果是音视频类app，他们都有共同的问题，终端设备上硬解码器的实例数量是受限制的，甚至有的设备解码器同一时刻只能使用一个，同时使用这种解码器就会造成业务播放器绿屏、起播失败、解码器卡住等问题。不过解决办法是将特效和业务播放器资源类型隔离，如果业务播放器是使用h264资源，那么动效播放可以使用h265、mpeg2、av1等其他编码类型资源，以此规避解码器竞争。

lottie： lottie目前是比较广为人知的动效引擎，使用也相当广泛，上手难度也比较低，可以解决大部分动效播放问题。但lottie动效也存在一些跨平台兼容性，需要单独适配，其次缺少很多特效支持，性能方面，一般情况下其性能是不如libpag的。不过总体能覆盖到大部分场景，至于兼容性问题每个平台单独提供不同的lottie规则即可。
其实，lottie开发也有一定的难度。开发中常常会遇到的问题是，UI设计人员对于lottie的compose layer理解存在问题，往往会出现将lottie动画做成和帧动画一样的动画，显然，compose layer的思想是多张图片合成，那就意味着图片本身应该有大有小，按一定轨迹运动和渐变，而不是类似帧动画一样一帧一帧简单播放。

APNG、GIF、 WebP： 这类动画属于资源型动画，其本身存在很多缺点，比如占内存和耗cpu，另外APNG和WebP兼容性不足，不过简短的动效的还是可以使用的，特别是WebP在Android、Web、部分iOS设备上优势也比较大。

SVGA：很多平台对这种动画抱有期待，特别是其矢量性质和低内存的特点，然而，其本身面临标准不统一的问题，造成跨平台的能力不足，其次是因为SVGA需要转为Path绘制，但Path的绘制非常消耗性能。

LazyAnimationDrawable：几乎所有的动画对低配设备都不友好，帧动画比上不足比下有余，低配设备上，为了解决libpag、VapPlayer、lottie对低配设备上音视频类app不友好的问题，使用AnimationDrawble显然是不行的，因此我们往往会实现了自己的AnimationDrawable，使其具备兜底的能力，主要原理： 独立线程解码 + 展示一帧预 + 加载下一帧 + 帧缓存，其实也就是LazyAnimationDrawable。

痛点

以上我们罗列了很多问题，看似和我们的主要目的毫无关系，其实我们可以想想，如果使用上述引擎，哪种方式可以实现兼容性更好的“同频共帧”动效呢 ？

实际上，几乎没有引擎能承担此任务，那有没有办法实现呢？

原理

我们很难让每个View同时执行和绘制同样的画面，另一个问题是，如果设计多个View绘制Bitmap，那么还可能造成资源加载的内存OOM的问题。另外一方面如果使用LazyAnimationDrawable、VapX、AlphaPlayer等，同时执行相同的动效，那么解码线程需要创建多个，显然性能、内存问题也是重中之重。

有没有更加简单方法呢 ？

实际上是有的，那就是投影。

我们无论使用CompositeDrawable、LazyAnimationDrawable、AnimationDrawable还是VectorDrawable，我们可以保证在使用个实例的情况下，将画面绘制到不同View上即可。

不过：本篇以AnimationDrawable 为例子实现，其实其他Drawable动画类似。

实现

这种难度也是很高的，如果我们使用一个View 管理器，然后构建一个播放器，显然还要处理View各种状态，显然避免不了耦合问题。这里我们回到开头说过的drawable方案，当然，一个drawable显然无法设置给多个View，这点显然是我们需要处理的难点，此外，每个View的大小也不一致，如何处理这种问题呢。

之前的文章中我们实现了很多动效，但几乎都是基于View本身实现的，但是在Android中，Drawable最容易扩展和移植的渲染组件。通过Drawable提供的接口，我们可以接入libpag、lottie、SVG、APNG、gif，LazyAnimationDrawable、AnimationDrawable等动效，更加方便移植，同时Drawable支持setHotspot和setState接口，可以实现复杂度较低的交互效果。

Drawable Wrapper

一个Drawable不能同时设置给不同的View，但是我们可以创建多个Drawable从目标Drawable上“投影”画面到自身。

这里我们参考Glide中com.bumptech.glide.request.target.FixedSizeDrawable 实现，其原理是通过FixedSizeDrawable代理真实的drawble绘制，从而达到投影效果。在drawable更新时，利用Matrix实现Canvas缩放，即可适配不同大小的View。

FixedSizeDrawable(State state, Drawable wrapped) {
  this.state = Preconditions.checkNotNull(state);
  this.wrapped = Preconditions.checkNotNull(wrapped);

  // We will do our own scaling.
  wrapped.setBounds(0, 0, wrapped.getIntrinsicWidth(), wrapped.getIntrinsicHeight());

  matrix = new Matrix();
  wrappedRect = new RectF(0, 0, wrapped.getIntrinsicWidth(), wrapped.getIntrinsicHeight());
  bounds = new RectF();
}

Matrix 的作用：

这里主要是将原有的画面缩放至目标View

matrix.setRectToRect(wrappedRect, drawableBounds, Matrix.ScaleToFit.CENTER);
canvas.concat(matrix);  //Canvas Matrix 转换

当然，必要时支持下alpha和colorFilter，以此来实现变色效果，下面是完整实现。

public static class AnimationDrawableWrapper extends Drawable {

    private final Drawable animationDrawable; //动画drawable
    private final Matrix matrix = new Matrix();
    private final RectF wrappedRect;
    private final RectF drawableBounds;
    private final Matrix.ScaleToFit scaleToFit;
    private int alpha = 255;
    private ColorFilter colorFilter;

    public AnimationDrawableWrapper(Drawable drawable, Matrix.ScaleToFit scaleToFit) {
        this.animationDrawable = drawable;
        this.wrappedRect = new RectF(0, 0, drawable.getIntrinsicWidth(), drawable.getIntrinsicHeight());
        this.drawableBounds = new RectF();
        this.scaleToFit = scaleToFit;
    }

    @Override
    public void draw(Canvas canvas) {
        Drawable current = animationDrawable.getCurrent();
        if (current == null) {
            return;
        }
        current.setAlpha(this.alpha);
        current.setColorFilter(this.colorFilter);
        Rect drawableRect = current.getBounds();
        wrappedRect.set(drawableRect);
        drawableBounds.set(getBounds());

        // 变化坐标
        matrix.setRectToRect(wrappedRect, drawableBounds, scaleToFit);

        int save = canvas.save();

        canvas.concat(matrix);
        current.draw(canvas);

        canvas.restoreToCount(save);

        current.setAlpha(255);//还原
        current.setColorFilter(null); //还原

    }

    @Override
    public void setAlpha(int alpha) {
        this.alpha = alpha;
    }

    @Override
    public void setColorFilter(ColorFilter colorFilter) {
        this.colorFilter = colorFilter;
    }

    @Override
    public int getOpacity() {
        return PixelFormat.TRANSLUCENT;
    }

}

View更新

我们知道AnimationDrawable每一帧都是不一样的，那怎么将每一帧都能绘制在View上呢，了解过Drawable更新机制的开发者都知道，每一个View都实现了Drawable.Callback，当给View设置drawable时，Drawable.Callback也会设置给drawable。

Drawable刷新View时需要调用invalidate，显然是通过Drawable.Callback实现，当然，Drawable自身就实现了更新方法Drawable#invalidateSelf，我们只需要调用改方法刷新View即可触发View#onDraw，从而触发drawable#draw方法。

public void invalidateSelf() {
    final Callback callback = getCallback();
    if (callback != null) {
        callback.invalidateDrawable(this);
    }
}

更新AnimationDrawable

显然，任何动画都具备时间属性，因此更新Drawable是必要的，View本身是可以通过Drawable.Callback机制更新Drawable的。通过scheduleDrawable和unscheduleDrawable 定时处理Runnable和取消Runnable。

public interface Callback {

    void invalidateDrawable(@NonNull Drawable who);
  
    void scheduleDrawable(@NonNull Drawable who, @NonNull Runnable what, long when);

    void unscheduleDrawable(@NonNull Drawable who, @NonNull Runnable what);
}

而AnimationDrawable实现了Runnable接口

@Override
public void run() {
    nextFrame(false);
}

然而，如果使用的RecyclerView，那么还可能会出现View 从页面移除的问题，因此依靠View显然是不行的，这里我们引入Handler或者Choreograper。

this.choreographer = Choreographer.getInstance();

但是，我们什么时候调用呢？显然还得利用Drawable.Callback机制

给animationDrawable设置Drawable.Callback

this.drawable.setCallback(callback);

更新逻辑实现

@Override
public void invalidateDrawable(@NonNull Drawable who) {
//更新所有wrapper
    for (int i = 0; i < drawableList.size(); i++) {
        WeakReference<AnimationDrawableWrapper> reference = drawableList.get(i);
        AnimationDrawableWrapper wrapper = reference.get();
        if (wrapper == null) {
            return;
        }
        wrapper.invalidateSelf();
    }
}

@Override
public void scheduleDrawable(@NonNull Drawable who, @NonNull Runnable what, long when) {
    this.scheduleTask = what;
    this.choreographer.postFrameCallbackDelayed(this, when - SystemClock.uptimeMillis());
}

@Override
public void unscheduleDrawable(@NonNull Drawable who, @NonNull Runnable what) {
    this.scheduleTask = null;
    this.choreographer.removeFrameCallback(this);
}

既然使用Choreographer，那doFrame需要实现的

@Override
public void doFrame(long frameTimeNanos) {
    if(this.scheduleTask != null) {
        this.scheduleTask.run();
    }
}

好了，以上就是核心逻辑，到此我们就实现了核心逻辑

完整代码

下面是镜像动画的完整代码，因为是比较成熟的代码，接入了LazyAnimationDrawable。

当然，如果你没有LazyAnimationDrawable的实现的话，删掉LazyAnimationDrawable的引，仅仅通过AnimationDrawable也是可以正常使用的。另外，你还可添加其他动画实现，比如VerctorDrawable等。

我们通过MirrorFrameAnimation，实现同频共帧动画效果。

public class MirrorFrameAnimation implements Drawable.Callback, Choreographer.FrameCallback {
    private final Drawable drawable;
    private final int drawableWidth;
    private final int drawableHeight;
    private List<WeakReference<AnimationDrawableWrapper>> drawableList = new ArrayList<>();
    private Choreographer choreographer;
    private Runnable scheduleTask;

    public MirrorFrameAnimation(Resources resources, int resId, boolean isLazyDrawableAnimation, int drawableWidth, int drawableHeight) {

        //设置宽高，防止AnimationDrawable大小不稳定问题
        this.drawableWidth = drawableWidth;
        this.drawableHeight = drawableHeight;
        this.drawable = isLazyDrawableAnimation ? LazyAnimationDrawableInflater.getDrawable(resources, resId, null) : resources.getDrawable(resId);
        this.drawable.setBounds(0, 0, drawableHeight, drawableHeight);
        this.drawable.setCallback(this);
        this.choreographer = Choreographer.getInstance();
    }

    public MirrorFrameAnimation(LazyAnimationDrawable lazyAnimationDrawable, int drawableWidth, int drawableHeight) {

        //设置宽高，防止AnimationDrawable大小不稳定问题
        this.drawableWidth = drawableWidth;
        this.drawableHeight = drawableHeight;
        this.drawable = lazyAnimationDrawable;
        this.drawable.setBounds(0, 0, drawableHeight, drawableHeight);
        this.drawable.setCallback(this);
        this.choreographer = Choreographer.getInstance();
    }

    public MirrorFrameAnimation(AnimationDrawable animationDrawable, int drawableWidth, int drawableHeight) {

        //设置宽高，防止AnimationDrawable大小不稳定问题
        this.drawableWidth = drawableWidth;
        this.drawableHeight = drawableHeight;
        this.drawable = animationDrawable;
        this.drawable.setBounds(0, 0, drawableHeight, drawableHeight);
        this.drawable.setCallback(this);
        this.choreographer = Choreographer.getInstance();
    }

    public void start() {
        choreographer.removeFrameCallback(this);
        if (drawable instanceof AnimationDrawable) {
            ((AnimationDrawable) drawable).start();
        } else if (drawable instanceof LazyAnimationDrawable) {
            ((LazyAnimationDrawable) drawable).start();
        }
    }

    public void stop() {
        choreographer.removeFrameCallback(this);
        if (drawable instanceof AnimationDrawable) {
            ((AnimationDrawable) drawable).stop();
        } else if (drawable instanceof LazyAnimationDrawable) {
            ((LazyAnimationDrawable) drawable).stop();
        }
    }

    /**
     * @return The number of frames in the animation
     */
    public int getNumberOfFrames() {
        if (drawable instanceof AnimationDrawable) {
            return ((AnimationDrawable) drawable).getNumberOfFrames();
        } else if (drawable instanceof LazyAnimationDrawable) {
            return ((LazyAnimationDrawable) drawable).getNumberOfFrames();
        }
        return 0;
    }

    /**
     * @return The Drawable at the specified frame index
     */
    public Drawable getFrame(int index) {
        if (drawable instanceof AnimationDrawable) {
            return ((AnimationDrawable) drawable).getFrame(index);
        } else if (drawable instanceof LazyAnimationDrawable) {
            return ((LazyAnimationDrawable) drawable).getDrawableOfFrame(index);
        }
        return drawable;
    }

    /**
     * @return The duration in milliseconds of the frame at the
     * specified index
     */
    public int getDuration(int index) {
        if (drawable instanceof AnimationDrawable) {
            return ((AnimationDrawable) drawable).getDuration(index);
        } else if (drawable instanceof LazyAnimationDrawable) {
            return ((LazyAnimationDrawable) drawable).getDuration(index);
        }
        return 0;
    }

    /**
     * @return True of the animation will play once, false otherwise
     */
    public boolean isOneShot() {
        if (drawable instanceof AnimationDrawable) {
            return ((AnimationDrawable) drawable).isOneShot();
        } else if (drawable instanceof LazyAnimationDrawable) {
            return ((LazyAnimationDrawable) drawable).isOneShot();
        }
        return true;
    }

    public boolean isRunning() {
        if (drawable instanceof AnimationDrawable) {
            return ((AnimationDrawable) drawable).isRunning();
        } else if (drawable instanceof LazyAnimationDrawable) {
            return ((LazyAnimationDrawable) drawable).isRunning();
        }
        return false;
    }

    public long getDuration(){
        long duration = 0;
        if (drawable instanceof AnimationDrawable) {
            AnimationDrawable animationDrawable = (AnimationDrawable) drawable;
            int numberOfFrames = animationDrawable.getNumberOfFrames();
            for (int i = 0; i < numberOfFrames; i++) {
                duration += animationDrawable.getDuration(i);
            }
        } else if (drawable instanceof LazyAnimationDrawable) {
            LazyAnimationDrawable animationDrawable = (LazyAnimationDrawable) drawable;
            int numberOfFrames = animationDrawable.getNumberOfFrames();
            for (int i = 0; i < numberOfFrames; i++) {
                duration += animationDrawable.getDuration(i);
            }
        }
        return duration;
    }

    public boolean isEndFrame() {
        if (drawable instanceof AnimationDrawable) {
            AnimationDrawable animationDrawable = (AnimationDrawable) drawable;
            int frameIndex = animationDrawable.getNumberOfFrames() - 1;
            return animationDrawable.isOneShot() && animationDrawable.getFrame(frameIndex) == animationDrawable.getCurrent();
        }
        if (drawable instanceof LazyAnimationDrawable) {
            LazyAnimationDrawable animationDrawable = (LazyAnimationDrawable) drawable;
            int frameIndex = animationDrawable.getNumberOfFrames() - 1;
            if (animationDrawable.isOneShot() && animationDrawable.getFrame(frameIndex) == animationDrawable.getCurrentFrame()) {
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

    public boolean isEndAnimation() {
        if (isEndFrame()) {
            return true;
        }
        if (drawable instanceof LazyAnimationDrawable) {
            LazyAnimationDrawable animationDrawable = (LazyAnimationDrawable) drawable;
            if (animationDrawable.isLoopFinish()) {
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

    /**
     * Sets whether the animation should play once or repeat.
     *
     * @param oneShot Pass true if the animation should only play once
     */
    public void setOneShot(boolean oneShot) {
        if (drawable instanceof AnimationDrawable) {
            ((AnimationDrawable) drawable).setOneShot(oneShot);
        } else if (drawable instanceof LazyAnimationDrawable) {
            ((LazyAnimationDrawable) drawable).setOneShot(oneShot);
        }
    }

    public void syncDrawable(View view, Matrix.ScaleToFit scaleToFit) {
        if (!(drawable instanceof AnimationDrawable) && !(drawable instanceof LazyAnimationDrawable)) {
            if (view instanceof ImageView) {
                ((ImageView) view).setImageDrawable(drawable);
            } else {
                view.setBackground(drawable);
            }
            return;
        }

        AnimationDrawableWrapper wrapper = new AnimationDrawableWrapper(drawable,scaleToFit);
        drawableList.add(new WeakReference<>(wrapper));

        if (view instanceof ImageView) {
            ((ImageView) view).setImageDrawable(wrapper);
        } else {
            view.setBackground(wrapper);
        }
    }

    @Override
    public void invalidateDrawable(Drawable who) {
        for (int i = 0; i < drawableList.size(); i++) {
            WeakReference<AnimationDrawableWrapper> reference = drawableList.get(i);
            AnimationDrawableWrapper wrapper = reference.get();
            if (wrapper == null) {
                return;
            }
            wrapper.invalidateSelf();
        }
    }

    @Override
    public void scheduleDrawable(Drawable who, Runnable what, long when) {
        this.scheduleTask = what;
        this.choreographer.postFrameCallbackDelayed(this, when - SystemClock.uptimeMillis());
    }

    @Override
    public void unscheduleDrawable(Drawable who, Runnable what) {
        this.scheduleTask = null;
        this.choreographer.removeFrameCallback(this);
    }


    @Override
    public void doFrame(long frameTimeNanos) {
        if (this.scheduleTask != null) {
            this.scheduleTask.run();
        }
    }

    @Nullable
    public MirrorFrameAnimation cloneDrawable(int drawableWidth,int drawableHeight) {
        Drawable newDrawable = drawable.getConstantState().newDrawable();
        if(newDrawable instanceof LazyAnimationDrawable) {
            return new MirrorFrameAnimation((LazyAnimationDrawable) newDrawable, drawableWidth, drawableHeight);
        }else  if(newDrawable instanceof AnimationDrawable) {
            return new MirrorFrameAnimation((AnimationDrawable) newDrawable, drawableWidth, drawableHeight);
        }
        return null;
    }

    public static class AnimationDrawableWrapper extends Drawable {

        private final Drawable animationDrawable; //动画drawable
        private final Matrix matrix = new Matrix();
        private final RectF wrappedRect;
        private final RectF drawableBounds;
        private final Matrix.ScaleToFit scaleToFit;
        private int alpha = 255;
        private ColorFilter colorFilter;

        public AnimationDrawableWrapper(Drawable drawable, Matrix.ScaleToFit scaleToFit) {
            this.animationDrawable = drawable;
            this.wrappedRect = new RectF(0, 0, drawable.getIntrinsicWidth(), drawable.getIntrinsicHeight());
            this.drawableBounds = new RectF();
            this.scaleToFit = scaleToFit;
        }

        @Override
        public void draw(Canvas canvas) {
            Drawable current = animationDrawable.getCurrent();
            if (current == null) {
                return;
            }
            current.setAlpha(this.alpha);
            current.setColorFilter(this.colorFilter);
            Rect drawableRect = current.getBounds();
            wrappedRect.set(drawableRect);
            drawableBounds.set(getBounds());

            // 变化坐标
            matrix.setRectToRect(wrappedRect, drawableBounds, scaleToFit);

            int save = canvas.save();

            canvas.concat(matrix);
            current.draw(canvas);

            canvas.restoreToCount(save);

            current.setAlpha(255);//还原
            current.setColorFilter(null); //还原

        }

        @Override
        public void setAlpha(int alpha) {
            this.alpha = alpha;
        }
        @Override
        public void setColorFilter(ColorFilter colorFilter) {
            this.colorFilter = colorFilter;
        }
        @Override
        public int getOpacity() {
            return PixelFormat.TRANSLUCENT;
        }

    }
}

使用方法

int dp2px = (int) dp2px(100);
MirrorFrameAnimation mirrorFrameAnimation = new MirrorFrameAnimation(getResources(),R.drawable.loading_animation,dp2px,dp2px);

mirrorFrameAnimation.syncDrawable(imageView1,Matrix.ScaleToFit.CENTER);
mirrorFrameAnimation.syncDrawable(imageView2,Matrix.ScaleToFit.CENTER);
mirrorFrameAnimation.syncDrawable(imageView3,Matrix.ScaleToFit.FILL);
mirrorFrameAnimation.syncDrawable(imageView4,Matrix.ScaleToFit.FILL);
mirrorFrameAnimation.syncDrawable(imageView5,Matrix.ScaleToFit.CENTER);
mirrorFrameAnimation.syncDrawable(imageView6,Matrix.ScaleToFit.CENTER);

mStart.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
    @Override
    public void onClick(View v) {
        mirrorFrameAnimation.start();
    }
});
mStop.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
    @Override
    public void onClick(View v) {
        mirrorFrameAnimation.stop();
    }
});

适用范围

图像同步执行需求

我们常常会出现屏幕边缘方向同时展示相同动画的问题，由于每个动画启动存在一定的延时，以及控制逻辑不稳定，往往会出现一边动画播放结束，另一边动画还在展示的情况。

本篇我们实现了“同频共帧动效”，实际上这也是一种对称动画的优化方法。

总结

动效一直是Android设备的上需要花大力气优化的，如果是图像同步执行、对称动效，本篇方案显然可以帮助我们减少线程和内存的消耗。

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