Lottie动画原理

导语：Lottie动画是Airbnb开源的一个支持 Android、iOS 以及 ReactNative。通过AE导出的JSON文件+Lottie库可快速实现动画绘制。本文主要讲述从AE的bodymovin插件导出的JSON文件到OC的数据模型，再将数据模型拆解成独立图层，并为图层添加动画的过程。

Lottie动画原理概述

上图是Lottie动画库从AE导出动画到绘制到客户端屏幕的过程，第一阶段是JSON到Model(OC数据模型)的转换过程，主要是将JSON转成OC语言可以识别的数据模型Model, Model实际上是一个Object类型的对象，我们可以通过属性key快速查找数据内容，第二阶段是Model(数据模型)依附到CALayer(图层)上，就像写一个CALayer一样，把Model数据一一赋值给CALayer的属性上，必要时再做特殊处理，最后在图层CALayer上添加Animation(动画)。

Lottie结构图

上图为Lottie的结构图

• LOTAnimationView: 承接控制动画的功能，如播放暂停

• LOTComposition: 主要解析JSON文件内容

• LOTCompositionContainer: 承载LOTComposition的内容，绘制图层和添加动画

JSON字段解读

一级属性

JSON最外一层的数据，包括一个动画的基础数据：动画帧率、起始/结束关键帧，动画的宽高等，还有子图层的信息和关联的资源信息，如图片，矢量图等。

{
  "v": "5.6.10",   // bodymovin插件版本
  "fr": 25,        // 帧率
  "ip": 0,         // 起始关键帧
  "op": 277,       // 结束关键帧
  "w": 110,        // 视图宽度
  "h": 110,        // 视图高度
  "nm": "cloud",   // 动画名称
  "ddd": 0,        // 是否是3D
  "assets": [...]  // 资源集合
  "layers": [...]  // 图层集合
}

assets 资源集合

assets是一个数组，资源信息包含的是矢量图信息，如形状，大小等等，也包含位图；还可能是预合成层，即对已存在的某些图层进行分组，把它们放置到新的合成中，作为新的一个资源对象，这里layers的对象结构是跟上面一级属性中的layers图层集合是一样的图层结构。

"assets": [
    {
        "id": "image_0",   // 图片唯一识别的id，图层获取图片的标识
        "w": 167,          // 图片的宽度
        "h": 165,          // 图片的高度
        "u": "images/",    // 图片的路径
        "p": "img_0.png",  // 图片的名称
        "layers":  []      // 预合成层
    }
]

layers 图层集合

layers对象也是一个数组，数组中的每个元素对应一个图层，图层信息包括的图层的位置，大小，形状，起始关键帧，结束关键帧等，一个个图层动画叠加起来构成最终的动画效果。

"layers": [
    {
        "ddd": 0,             // 是否是3D图层
        "ind": 1,             // 在AE里的图层标序号
        "ty": 4,              // 图层类型
        "nm": "形状图层 1",    // 在AE下的命名
        "ks": {},             // 动画属性值，下面有进一步拆解
        "shapes": {},         // 矢量图形图层信息，下面有进一步拆解
        "ip": 0,              // 起始关键帧
        "op": 750,            // 结束关键帧
        "refId: 0,            // 引用资源ID
        "parent": 0,          // 父图层的id，默认都添加到根图层上，如果指定了id不为0会寻找父图层并添加到上面
        "masksProperties":[], // 蒙版的数组
        "w": 100,             // 预合成层：宽度
        "h": 100,             // 预合成层：图层高度
        "sw": 0,              // 固态层：宽度
        "sh": 0,              // 固态层：图层高度
        "sc": 0 ,             // 固态层：颜色
    }
]

图层类型ty

图层有6种类型，不同类型的图层获取宽高的方式不同，如图片层需要从关联的refId获取asset，从而获取到图片资源的宽高来作为该图层的宽高等，具体如下：

• 0 代表 预合成层：从属性值w和h获取

• 1 代表 固态层：从属性值w和h获取

• 2 代表 图片层：从图片资源属性获取

• 3 代表 空层：从根图层获取

• 4 代表 形状层：从根图层获取

• 5 代表 位置层：从根图层获取

图层动画ks

• ks属性：这是一个比较关键的属性，包含图层变换transform的信息，包含透明度、位置、锚点、缩放、旋转等。格式如下

"ks": {
    "o": {          // 透明度
        "k": 100
    },
    "p": {          // 位置
        "k": [
            126.5,
            963,
            0
        ]
    }
}

• 属性对应的值主要通过K值获取, 如上面的例子中透明度o为 100 , 位置p为 (126.5,963,0)

• k对应的值有如下几种情况：

  • 数字或3个数字组成的数组：不带动画。表示对应属性的值。比如透明度 100 ， 位置 (126.5,963,0) 等。

  • 数组类型并且数字第一个对象的t有值：带帧动画。第一个对象表示动画开始的属性，第二个对象表示动画结束的属性。通过以下参数可以拼装出关键帧的属性值，关键帧时间点，关键帧之间的时间函数，t表示开始/结束帧，s和e表示开始/结束属性值，i和o决定动画的时间函数。

• 举个例子：

比如下面的动画，是有个矩形从上往下的动画。

从导出的JSON文件截取以下片段：

"ks": {
    ...
    "p": {               // 位置信息
        "a": 1,
        "k": [           // 数组类型并且数字第一个对象的t有值
            {
                "t": 0,  // 起始关键帧
                "s": [
                    300,
                    700,
                    0
                ],
            },
            {
                "t": 49, // 结束关键帧
                "s": [
                    250,
                    1800,
                    0
                ]
            }
        ],
        "ix": 2
    }
},

从以上片段中我们读到位置p的k值是一个数组，并且是带有t的元素, 即为帧动画。从内容我们可以读出关键帧帧为0时，位置信息为(300,700,0) , 变换到关键帧为49时，位置信息变为(250,1800,0)。

图层形状shapes

shape是一个形状图层的数组，对应AE中图层的内容中的形状设置，描述形状的特征，通过描边信息、颜色填充等信息的组合形成一个个矢量图。

"shapes": {
    "ty": "gr",              //  形状的类型
    "it": [
        {
            "ty": "rc",
            "d": 1,
            "s": {           // 形状的大小
                "k": [
                    450.094,
                    140.297
                ]
            },
            "p": {
                "k": [
                    0,
                    0
                ]
            },
            "nm": "矩形路径 1"
        }
    ]
}

• 形状类型ty

ty为形状的类型，对应的类型值如下：

gr(ShapeGroup): 图形组合
st(ShapeStroke): 图形描边
fl(ShapeFill): 图形填充
tr(ShapeTransform): 图形变换
sh(ShapePath): 图形路径
rc(RectPath): 矩形路径
el(EllipsePath): 椭圆路径
tm(trimPath): 裁剪路径

生成OC数据模型

LOTComposition类

LOTComposition类是记录动画信息的类，继承 NSObject, 作为整个json文件内容的映射，用于记录所有动画信息的类。在这个类中我们可以看到动画的基础信息，包含创建AE文件时的设置：合成名称、宽高、帧速率(帧/秒)，也是JSON文件中一级属性的映射。以下是一个LOTComposition的实例信息：

LOTLayerGroup 和 LOTLayer

从上图我们可以看到两个集合类，LOTLayerGroup记录图层信息的数组，对应JSON对象中layers数组，由一个个LOTLayer组成。一个LOTLayer是一个图层，是一个动画被拆解的最小单位个体。

例如以下云朵动画

可以看出云朵的运动速度是不一样的，因此可以判断他们并不是在一个图层中，而是由多个图层的动画叠加起来的效果，即每个云朵为一个图层, LOTLayer就是记录一个图层单位的信息

以下是一个LOTLayer携带的信息

LOTAssetsGroup 和 LOTAsset

LOTAssetsGroup是记录资源信息，对应JSON对象中的assets数组，若图层需要依赖资源，可以通过自身信息refId关联到对应的资源ID寻找资源。如以上云朵动画，每个云朵即为一个资源，LOTAsset为记录一个资源的信息。

数据模型转为图层

Lottie底层原理实际是用到了CALayer 和 Core Animation。我们经常可以直观感受到iOS设备中内容的切换很流畅，就如下图，弹框不是一闪而出，而是有很平滑从小到大和透明度从0到1的过渡效果。这是因为在一个图层中，当我们修改一个图层属性时，比如宽度从100px到200px, 它会产生很平滑地从一个值过渡到下一个值这种动画效果，这个图层就是CALayer, 执行动画效果的是Core Animation，我们将这一行为称为隐式动画。而Lottie使用的正是这种机制。

图片引用自 https://juejin.im/post/5de481226fb9a0717b5fce84

图层绘制

lottie绘制图层过程用到了两个主要的类：LOTCompositionContainer 和 LOTLayerContainer。

LOTCompositionContainer

• 顾名思义，LOTCompositionContainer 是 LOTComposition的container(容器)，承载LOTComposition的内容。LOTComposition是JSON映射的OC数据模型

• LOTCompositionContainer 继承CALayer , 是一个图层，动画的根图层。我们设定的动画内容，都会放置在这个图层中

• 执行子图层的循环，并且将所有子图层赋在该根图层上

// LOTCompositionContainer.m
// ps:  代码有删减
 NSArray *reversedItems = [[childGroup.layers reverseObjectEnumerator] allObjects]; // 获取到子图层的数据模型

 for (LOTLayer *layer in reversedItems) {
    child = [[LOTLayerContainer alloc] initWithModel:layer inLayerGroup:childGroup]; // 将子图层数据模型处理的一个个图层
   }

[self.wrapperLayer addSublayer:child]; // 将子图层添加到该根图层上

LOTLayerContainer

LOTLayerContainer是一个很重要的类，它相当于我们上文中讲到的LOTLayer，也即是整个动画拆解成的最小单元的一个层级，不需要依赖其他图层就可以完整实现自身动画。这是一个继承CALayer的类。

我们可以在这里回顾下CALayer图层绘制时需要做的事情：

• 创建一个CALayer实例: CALayer *layer = [CALayer layer];

• 添加到根图层： [self.view.layer addSublayer:layer];

• 创建动画

  CABasicAnimation *animation = [CABasicAnimation animationWithKeyPath:@"position"];
  animation.fromValue = [NSValue valueWithCGPoint:CGPointMake(50, 0)];
  animation.toValue = [NSValue valueWithCGPoint:CGPointMake(150, 0)];

• 给图层添加动画

在Lottie中也一样实现了上面四个步骤：

LOTLayerContainer 类继承CALayer, 在初始化时执行以下步骤：

• CALayer属性: LOTComposition中有一个属性 CALayer *wrapperLayer 写入当前图层的信息，从类型可以看出是一个CALayer，因此我们可以在CALayer中使用隐式动画，也就是文中开头所讲的内容。

• 添加宽高信息：在LOTComposition初始化时，会先判断当前的layer是什么类型, 图片/立方体/预补偿层，如果是图片，会将图片的宽高，锚点等信息作为该图层 wrapperLayer 的宽高，锚点等。

// LOTLayerContainer.m
  if (layer.layerType == LOTLayerTypeImage ||
      layer.layerType == LOTLayerTypeSolid ||
      layer.layerType == LOTLayerTypePrecomp) {
    _wrapperLayer.bounds = CGRectMake(0, 0, layer.layerWidth.floatValue, layer.layerHeight.floatValue);
    _wrapperLayer.anchorPoint = CGPointMake(0, 0);
    _wrapperLayer.masksToBounds = YES;
    DEBUG_Center.position = LOT_RectGetCenterPoint(self.bounds);
  }

• 添加Transform信息：接下来寻找Transform(位置/旋转/锚点/缩放/透明度)信息，添加在该图层 wrapperLayer 上

• 填充资源：当图层类型为图片时，需要为 wrapperLayer 添加 content 属性内容，即图片的内容。 _setImageForAsset 方法实现了判断图片类型，并赋值在 content 属性上

// LOTLayerContainer.m
  if (layer.layerType == LOTLayerTypeImage) {
    [self _setImageForAsset:layer.imageAsset];
  }

• 填充图形：当图层类型为形状shape时，shape是对矢量图的信息携带，这在lottie动画中被大量使用。因为矢量图要比位图加载更快，并且也会大大减少对设备内存的使用。这里的 buildContents 方法实现了对矢量图进行描边、填充颜色等操作。

// LOTLayerContainer.m
if (layer.layerType == LOTLayerTypeShape &&
  layer.shapes.count) {
   [self buildContents:layer.shapes];
}

• 如何绘制矢量图

  • 初始化LOTRenderGroup，LOTRenderGroup作为一个矢量图形的类，包含了LOTRenderNode 和 LOTAnimatorNode 拥有的属性和方法。

  • 渲染节点：LOTRenderNode 类中有属性 CAShapeLayer * _Nonnull outputLayer ，它负责计算线条颜色，线宽，填充色等

  • 动画节点：LOTAnimatorNode 计算构成形状的线条

• 遮罩层：判断是否有遮罩层并赋给 wrapperLayer

• 添加到父图层：在上面过程中已经准备好一个CALayer的绘制属性：宽高、转换信息、资源内容、图形绘制内容、遮罩层等。这儿的self.wrapperLayer并非上述几个过程的wrapperLayer，而是根图层中的属性

// LOTCompositionContainer.m
[self.wrapperLayer addSublayer:child];

动画合成

CALayer添加动画

在上面讲述到绘制图层，但如何将这些图层变成动画呢，在了解之前我们得先知道CALayer方法重绘响应链与runloop机制，如何让图层重新绘制呈现出新的画面，从而形成动画。

• layer首次加载时会调用 +(BOOL)needsDisplayForKey:(NSString *)key方法来判断当前指定的属性key改变是否需要重新绘制，默认返回NO

• 当Core Animartion中的key或者keypath等于+(BOOL)needsDisplayForKey:(NSString *)key 方法中指定的key，便会自动调用 setNeedsDisplay 方法

• 当指定key发生更改时，会触发 actionForKey

• runloop是一个循环处理事件和消息的方法，CATransaction begin和 CATransaction commit 进行修改和提交新事务。

• 每个RunLoop周期中会自动开始一次新的事务，即使你不显式的使用[CATranscation begin]开始一次事务，任何在一次RunLoop运行时循环中属性的改变都会被集中起来，执行默认0.25秒的动画，在runloop快结束时，它会调用下一个事务 display

• CALayer方法重绘响应链

1. [layer setNeedDisplay] -> [layer displayIfNeed] -> [layer display] -> [layerDelegate displayLayer:]

2. [layer setNeedDisplay] -> [layer displayIfNeed] -> [layer display] -> [layer drawInContext:] -> [layerDelegate drawLayer: inContext:]

Lottie动画绘制

• 根图层LOTCompositionContainer继承CALayer ，添加Currentframe 属性，给这个属性添加一个CABaseAnimation 动画

• 所有的子Layer根据CurrentFrame 属性的变化

• 子图层layer首次加载时会调用 +(BOOL)needsDisplayForKey:(NSString *)key方法来判断当前指定的属性key改变是否需要重新绘制。在LOTLayerContainer可以看到 needsDisplayForKey 指定了key为 currentFrame 时触发重绘

// LOTLayerContainer.m
+ (BOOL)needsDisplayForKey:(NSString *)key {
  if ([key isEqualToString:@"currentFrame"]) {
    return YES;
  }
  return [super needsDisplayForKey:key];
}

• actionForKey 是接收指定key被修改时触发的行为操作，在下面代码中看到当key为 currentFrame 时添加一个CABasicAnimation动画

- (id<CAAction>)actionForKey:(NSString *)event {
  if ([event isEqualToString:@"currentFrame"]) {
    CABasicAnimation *theAnimation = [CABasicAnimation
                                      animationWithKeyPath:event];
    theAnimation.timingFunction = [CAMediaTimingFunction functionWithName:kCAMediaTimingFunctionLinear];
    theAnimation.fromValue = [[self presentationLayer] valueForKey:event];
    return theAnimation;
  }
  return [super actionForKey:event];
}

• display 方法是在一个runloop即将结束时调用，主要实现重绘的内容。下面是 display 调用的方法，它会根据当前帧是否在该子图层的显示帧范围内，如果不在，则隐藏，否则赋予图层新的动画属性。如下图，当currentFrame在inFrame和outFrame之间时，动画显示，否则隐藏。下图列举了多个Layer的情况，每一个Layer在初始化时已经准备好，时间跟根图层一样从 startFrame 到  endFrame , 在这个时间线中会根据 inFrame 和  outFrame 来判断是否显示

- (void)displayWithFrame:(NSNumber *)frame forceUpdate:(BOOL)forceUpdate {
  NSNumber *newFrame = @(frame.floatValue / self.timeStretchFactor.floatValue);
//  if (ENABLE_DEBUG_LOGGING)
      NSLog(@"View %@ Displaying Frame %@, with local time %@", self, frame, newFrame); 
  BOOL hidden = NO;
  if (_inFrame && _outFrame) {
    hidden = (frame.floatValue < _inFrame.floatValue ||
              frame.floatValue > _outFrame.floatValue);
  }
     
  self.hidden = hidden;
  if (hidden) {
    return;
  }
  if (_opacityInterpolator && [_opacityInterpolator hasUpdateForFrame:newFrame]) {
    self.opacity = [_opacityInterpolator floatValueForFrame:newFrame];
  }
  if (_transformInterpolator && [_transformInterpolator hasUpdateForFrame:newFrame]) {
    _wrapperLayer.transform = [_transformInterpolator transformForFrame:newFrame];
  }
  [_contentsGroup updateWithFrame:newFrame withModifierBlock:nil forceLocalUpdate:forceUpdate];
  _maskLayer.currentFrame = newFrame;
}

至此，每个图层的绘制和动画的添加均准备完毕，Lottie提供了 play 播放动画的方式，实际上就是将根节点的动画添加到根图层上，使其可以开始播放动画。

以上讲述的是从AE导出JSON文件到OC读取后转成Model再到绘制图层动画的过程，这有助于我们理解一个动画的内部结构，可方便后续理解整个动画的运作，也对于我们实践开发中遇到的缺陷或者调优有极大的帮助。