iOS 核心動畫高階技巧 - 1

AiOS發表於2019-11-29

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圖層的樹狀結構

巨妖有圖層,洋蔥也有圖層,你有嗎?我們都有圖層 -- 史萊克

Core Animation其實是一個令人誤解的命名。你可能認為它只是用來做動畫的,但實際上它是從一個叫做Layer Kit這麼一個不怎麼和動畫有關的名字演變而來,所以做動畫這只是Core Animation特性的冰山一角。

Core Animation是一個複合引擎,它的職責就是儘可能快地組合螢幕上不同的可視內容,這個內容是被分解成獨立的圖層,儲存在一個叫做圖層樹的體系之中。於是這個樹形成了UIKit以及在iOS應用程式當中你所能在螢幕上看見的一切的基礎。

在我們討論動畫之前,我們將從圖層樹開始,涉及一下Core Animation的靜態組合以及佈局特性。

1.1 圖層與檢視

圖層與檢視

如果你曾經在iOS或者Mac OS平臺上寫過應用程式,你可能會對檢視的概念比較熟悉。一個檢視就是在螢幕上顯示的一個矩形塊(比如圖片,文字或者視訊),它能夠攔截類似於滑鼠點選或者觸控手勢等使用者輸入。檢視在層級關係中可以互相巢狀,一個檢視可以管理它的所有子檢視的位置。圖1.1顯示了一種典型的檢視層級關係

1.2 圖層的能力

圖層的能力

如果說CALayer是UIView內部實現細節,那我們為什麼要全面地瞭解它呢?蘋果當然為我們提供了優美簡潔的UIView介面,那麼我們是否就沒必要直接去處理Core Animation的細節了呢?

一個開發者,有一個學習的氛圍跟一個交流圈子特別重要,這是一個我的iOS交流群:1012951431, 分享BAT,阿里面試題、面試經驗,討論技術, 大家一起交流學習成長!希望幫助開發者少走彎路。

某種意義上說的確是這樣,對一些簡單的需求來說,我們確實沒必要處理CALayer,因為蘋果已經通過UIView的高階API間接地使得動畫變得很簡單。

但是這種簡單會不可避免地帶來一些靈活上的缺陷。如果你略微想在底層做一些改變,或者使用一些蘋果沒有在UIView上實現的介面功能,這時除了介入Core Animation底層之外別無選擇。

我們已經證實了圖層不能像檢視那樣處理觸控事件,那麼他能做哪些檢視不能做的呢?這裡有一些UIView沒有暴露出來的CALayer的功能:

  • 陰影,圓角,帶顏色的邊框
  • 3D變換
  • 非矩形範圍
  • 透明遮罩
  • 多級非線性動畫

我們將會在後續章節中探索這些功能,首先我們要關注一下在應用程式當中CALayer是怎樣被利用起來的。

1.3 使用圖層

使用圖層

首先我們來建立一個簡單的專案,來操縱一些layer的屬性。開啟Xcode,使用Single View Application模板建立一個工程。

在螢幕中央建立一個小檢視(大約200 X 200的尺寸),當然你可以手工編碼,或者使用Interface Builder(隨你方便)。確保你的檢視控制器要新增一個檢視的屬性以便可以直接訪問它。我們把它稱作layerView。

執行專案,應該能在淺灰色螢幕背景中看見一個白色方塊,如果沒看見,可能需要調整一下背景window或者view的顏色

之後就可以在程式碼中直接引用CALayer的屬性和方法。在清單1.1中,我們用建立了一個CALayer,設定了它的backgroundColor屬性,然後新增到layerView背後相關圖層的子圖層(這段程式碼的前提是通過IB建立了layerView並做好了連線),圖1.5顯示了結果。

清單1.1 給檢視新增一個藍色子圖層

#import "ViewController.h"
#import 
@interface ViewController ()

@property (nonatomic, weak) IBOutlet UIView *layerView;

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad
{
    [super viewDidLoad];
    //create sublayer
    CALayer *blueLayer = [CALayer layer];
    blueLayer.frame = CGRectMake(50.0f, 50.0f, 100.0f, 100.0f);
    blueLayer.backgroundColor = [UIColor blueColor].CGColor;
    //add it to our view
    [self.layerView.layer addSublayer:blueLayer];
}
@end

1.4 總結

總結

這一章闡述了圖層的樹狀結構,說明了如何在iOS中由UIView的層級關係形成的一種平行的CALayer層級關係,在後面的實驗中,我們建立了自己的CALayer,並把它新增到圖層樹中。

在第二章,“圖層關聯的圖片”,我們將要研究一下CALayer關聯的圖片,以及Core Animation提供的操作顯示的一些特性。

寄宿圖

圖片勝過千言萬語,介面抵得上千圖片 ——Ben Shneiderman

我們在第一章『圖層樹』中介紹了CALayer類並建立了一個簡單的有藍色背景的圖層。背景顏色還好啦,但是如果它僅僅是展現了一個單調的顏色未免也太無聊了。事實上CALayer類能夠包含一張你喜歡的圖片,這一章節我們將來探索CALayer的寄宿圖(即圖層中包含的圖)。

2.1 contents屬性

contents屬性

CALayer 有一個屬性叫做contents,這個屬性的型別被定義為id,意味著它可以是任何型別的物件。在這種情況下,你可以給contents屬性賦任何值,你的app仍然能夠編譯通過。但是,在實踐中,如果你給contents賦的不是CGImage,那麼你得到的圖層將是空白的。

contents這個奇怪的表現是由Mac OS的歷史原因造成的。它之所以被定義為id型別,是因為在Mac OS系統上,這個屬性對CGImage和NSImage型別的值都起作用。如果你試圖在iOS平臺上將UIImage的值賦給它,只能得到一個空白的圖層。一些初識Core Animation的iOS開發者可能會對這個感到困惑。

頭疼的不僅僅是我們剛才提到的這個問題。事實上,你真正要賦值的型別應該是CGImageRef,它是一個指向CGImage結構的指標。UIImage有一個CGImage屬性,它返回一個"CGImageRef",如果你想把這個值直接賦值給CALayer的contents,那你將會得到一個編譯錯誤。因為CGImageRef並不是一個真正的Cocoa物件,而是一個Core Foundation型別。

儘管Core Foundation型別跟Cocoa物件在執行時貌似很像(被稱作toll-free bridging),他們並不是型別相容的,不過你可以通過bridged關鍵字轉換。如果要給圖層的寄宿圖賦值,你可以按照以下這個方法:

layer.contents = (__bridge id)image.CGImage;

如果你沒有使用ARC(自動引用計數),你就不需要 __bridge 這部分。但是,你幹嘛不用ARC?!

讓我們來繼續修改我們在第一章新建的工程,以便能夠展示一張圖片而不僅僅是一個背景色。我們已經用程式碼的方式建立一個圖層,那我們就不需要額外的圖層了。那麼我們就直接把layerView的宿主圖層的contents屬性設定成圖片。

清單2.1 更新後的程式碼。

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad
{
  [super viewDidLoad]; //load an image
  UIImage *image = [UIImage imageNamed:@"Snowman.png"];

  //add it directly to our view's layer
  self.layerView.layer.contents = (__bridge id)image.CGImage;
}
@end

圖表2.1 在UIView的宿主圖層中顯示一張圖片

image

我們用這些簡單的程式碼做了一件很有趣的事情:我們利用CALayer在一個普通的UIView中顯示了一張圖片。這不是一個UIImageView,它不是我們通常用來展示圖片的方法。通過直接操作圖層,我們使用了一些新的函式,使得UIView更加有趣了。

contentGravity

你可能已經注意到了我們的雪人看起來有點。。。胖 ==! 我們載入的圖片並不剛好是一個方的,為了適應這個檢視,它有一點點被拉伸了。在使用UIImageView的時候遇到過同樣的問題,解決方法就是把contentMode屬性設定成更合適的值,像這樣:

view.contentMode = UIViewContentModeScaleAspectFit;

這個方法基本和我們遇到的情況的解決方法已經接近了(你可以試一下 :) ),不過UIView大多數視覺相關的屬性比如contentMode,對這些屬性的操作其實是對對應圖層的操作。

CALayer與contentMode對應的屬性叫做contentsGravity,但是它是一個NSString型別,而不是像對應的UIKit部分,那裡面的值是列舉。contentsGravity可選的常量值有以下一些:

  • kCAGravityCenter
  • kCAGravityTop
  • kCAGravityBottom
  • kCAGravityLeft
  • kCAGravityRight
  • kCAGravityTopLeft
  • kCAGravityTopRight
  • kCAGravityBottomLeft
  • kCAGravityBottomRight
  • kCAGravityResize
  • kCAGravityResizeAspect
  • kCAGravityResizeAspectFill

cotentMode一樣,contentsGravity的目的是為了決定內容在圖層的邊界中怎麼對齊,我們將使用kCAGravityResizeAspect,它的效果等同於UIViewContentModeScaleAspectFit, 同時它還能在圖層中等比例拉伸以適應圖層的邊界。

self.layerView.layer.contentsGravity = kCAGravityResizeAspect;

圖2.2 可以看到結果

圖2.3 用錯誤的contentsScale屬性顯示Retina圖片

如你所見,我們的雪人不僅有點大還有點畫素的顆粒感。那是因為和UIImage不同,CGImage沒有拉伸的概念。當我們使用UIImage類去讀取我們的雪人圖片的時候,他讀取了高質量的Retina版本的圖片。但是當我們用CGImage來設定我們的圖層的內容時,拉伸這個因素在轉換的時候就丟失了。不過我們可以通過手動設定contentsScale來修復這個問題(如2.2清單),圖2.4是結果

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad
{
  [super viewDidLoad]; //load an image
  UIImage *image = [UIImage imageNamed:@"Snowman.png"]; //add it directly to our view's layer
  self.layerView.layer.contents = (__bridge id)image.CGImage; //center the image
  self.layerView.layer.contentsGravity = kCAGravityCenter;

  //set the contentsScale to match image
  self.layerView.layer.contentsScale = image.scale;
}

@end

圖2.5 使用masksToBounds來修建圖層內容

contentsRect

CALayer的contentsRect屬性允許我們在圖層邊框裡顯示寄宿圖的一個子域。這涉及到圖片是如何顯示和拉伸的,所以要比contentsGravity靈活多了和boundsframe不同,contentsRect不是按點來計算的,它使用了單位座標,單位座標指定在0到1之間,是一個相對值(畫素和點就是絕對值)。所以他們是相對與寄宿圖的尺寸的。iOS使用了以下的座標系統:

  • 點 —— 在iOS和Mac OS中最常見的座標體系。點就像是虛擬的畫素,也被稱作邏輯畫素。在標準裝置上,一個點就是一個畫素,但是在Retina裝置上,一個點等於2*2個畫素。iOS用點作為螢幕的座標測算體系就是為了在Retina裝置和普通裝置上能有一致的視覺效果。
  • 畫素 —— 物理畫素座標並不會用來螢幕佈局,但是仍然與圖片有相對關係。UIImage是一個螢幕解析度解決方案,所以指定點來度量大小。但是一些底層的圖片表示如CGImage就會使用畫素,所以你要清楚在Retina裝置和普通裝置上,他們表現出來了不同的大小。
  • 單位 —— 對於與圖片大小或是圖層邊界相關的顯示,單位座標是一個方便的度量方式, 當大小改變的時候,也不需要再次調整。單位座標在OpenGL這種紋理座標系統中用得很多,Core Animation中也用到了單位座標。

預設的contentsRect是{0, 0, 1, 1},這意味著整個寄宿圖預設都是可見的,如果我們指定一個小一點的矩形,圖片就會被裁剪(如圖2.6)

2.2 Custom Drawing

Custom Drawing

contents賦CGImage的值不是唯一的設定寄宿圖的方法。我們也可以直接用Core Graphics直接繪製寄宿圖。能夠通過繼承UIView並實現-drawRect:方法來自定義繪製。

-drawRect: 方法沒有預設的實現,因為對UIView來說,寄宿圖並不是必須的,它不在意那到底是單調的顏色還是有一個圖片的例項。如果UIView檢測到-drawRect:方法被呼叫了,它就會為檢視分配一個寄宿圖,這個寄宿圖的畫素尺寸等於檢視大小乘以 contentsScale的值。

如果你不需要寄宿圖,那就不要建立這個方法了,這會造成CPU資源和記憶體的浪費,這也是為什麼蘋果建議:如果沒有自定義繪製的任務就不要在子類中寫一個空的-drawRect:方法。

當檢視在螢幕上出現的時候 -drawRect:方法就會被自動呼叫。-drawRect:方法裡面的程式碼利用Core Graphics去繪製一個寄宿圖,然後內容就會被快取起來直到它需要被更新(通常是因為開發者呼叫了-setNeedsDisplay方法,儘管影響到表現效果的屬性值被更改時,一些檢視型別會被自動重繪,如bounds屬性)。雖然-drawRect:方法是一個UIView方法,事實上都是底層的CALayer安排了重繪工作和儲存了因此產生的圖片。

CALayer有一個可選的delegate屬性,實現了CALayerDelegate協議,當CALayer需要一個內容特定的資訊時,就會從協議中請求。CALayerDelegate是一個非正式協議,其實就是說沒有CALayerDelegate @protocol可以讓你在類裡面引用啦。你只需要呼叫你想呼叫的方法,CALayer會幫你做剩下的。(delegate屬性被宣告為id型別,所有的代理方法都是可選的)。

當需要被重繪時,CALayer會請求它的代理給他一個寄宿圖來顯示。它通過呼叫下面這個方法做到的:

(void)displayLayer:(CALayerCALayer *)layer;

趁著這個機會,如果代理想直接設定contents屬性的話,它就可以這麼做,不然沒有別的方法可以呼叫了。如果代理不實現-displayLayer:方法,CALayer就會轉而嘗試呼叫下面這個方法:

 - (void)drawLayer:(CALayer *)layer inContext:(CGContextRef)ctx;

在呼叫這個方法之前,CALayer建立了一個合適尺寸的空寄宿圖(尺寸由boundscontentsScale決定)和一個Core Graphics的繪製上下文環境,為繪製寄宿圖做準備,他作為ctx引數傳入。

讓我們來繼續第一章的專案讓它實現CALayerDelegate並做一些繪圖工作吧(見清單2.5).圖2.12是他的結果

清單2.5 實現CALayerDelegate

@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad
{
  [super viewDidLoad];
  
  //create sublayer
  CALayer *blueLayer = [CALayer layer];
  blueLayer.frame = CGRectMake(50.0f, 50.0f, 100.0f, 100.0f);
  blueLayer.backgroundColor = [UIColor blueColor].CGColor;

  //set controller as layer delegate
  blueLayer.delegate = self;

  //ensure that layer backing image uses correct scale
  blueLayer.contentsScale = [UIScreen mainScreen].scale; //add layer to our view
  [self.layerView.layer addSublayer:blueLayer];

  //force layer to redraw
  [blueLayer display];
}

- (void)drawLayer:(CALayer *)layer inContext:(CGContextRef)ctx
{
  //draw a thick red circle
  CGContextSetLineWidth(ctx, 10.0f);
  CGContextSetStrokeColorWithColor(ctx, [UIColor redColor].CGColor);
  CGContextStrokeEllipseInRect(ctx, layer.bounds);
}
@end

2.3 總結

總結

本章介紹了寄宿圖和一些相關的屬性。你學到了如何顯示和放置圖片, 使用拼合技術來顯示, 以及用CALayerDelegate和Core Graphics來繪製圖層內容。

另外,如果你想一起進階,不妨新增一下交流群1012951431,選擇加入一起交流,一起學習。期待你的加入!

在第三章,"圖層幾何學"中,我們將會探討一下圖層的幾何,觀察他們是如何放置和改變相互的尺寸的

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