前端程序員必須掌握之三角函數(shù)在前端動(dòng)畫中的應(yīng)用

作者：HelKyle，原文鏈接：https://juejin.im/post/5d99b706e51d4577f9285c33

開發(fā)過程中經(jīng)常有意無意地刻意避開數(shù)學(xué)相關(guān)的知識(shí)，你也知道解數(shù)學(xué)題非常枯燥無趣。平時(shí)寫動(dòng)畫也盡量使用 css3 來實(shí)現(xiàn)，timer-function 隨意選用，最多也就調(diào)一下 cubic-bezier，找到看著舒服的就行。但是怎樣讓動(dòng)畫更順滑，寫出更貼近自然的動(dòng)畫，說實(shí)話以前我沒怎么考慮過。

每次當(dāng)動(dòng)效設(shè)計(jì)師提出，能不能這樣那樣的時(shí)候，我會(huì)理所當(dāng)然地予以否決。所以有很長(zhǎng)一段時(shí)間，我非常羨慕那些能用 canvas 繪制很酷炫的動(dòng)畫的程序員。

先這樣吧，又不是不會(huì)動(dòng)。

今天來分享一下三角函數(shù)相關(guān)的內(nèi)容，如果剛學(xué)前端的時(shí)候有人教我這些，我會(huì)很開心。

三角函數(shù)

三角函數(shù)已經(jīng)是老生常談了（街舞圈稱之為 Old School），它伴隨我們從初中到大學(xué)，太多的公式定理，光是應(yīng)付考試就花了不少時(shí)間。先簡(jiǎn)單回顧一下，確保你還記得基礎(chǔ)知識(shí)。

勾股定理

最開始學(xué)三角函數(shù)的時(shí)候就是從背勾三股四弦五開始，勾股定理描述的是對(duì)于直角三角形，直角兩條邊的平方和等于斜邊的平方。

常用三角函數(shù)

印象中教科書里面只保留了 sin, cos, tan，其他可以通過變換得到。

sinθ?=?a?/?h
cosθ?=?b?/?h
tanθ?=?a?/?b

極坐標(biāo)系和單位圓

在笛卡爾直角坐標(biāo)系中，任一點(diǎn) (x, y) 都可以轉(zhuǎn)化成極坐標(biāo)表示 (r, θ)，其中

r?=?Math.sqrt(x^2?+?y^2)
θ?=?Math.atan2(y,?x)

單位圓的定義是半徑為單位長(zhǎng)度的圓，圓上任意一點(diǎn)的橫坐標(biāo)就是對(duì)應(yīng)角度的余弦值，任意點(diǎn)的縱坐標(biāo)就是對(duì)應(yīng)角度的正弦值。

簡(jiǎn)單的圖像變換以正弦曲線為例，對(duì)函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的變換，得到不一樣的結(jié)果。

正弦曲線公式：y = A sin(Bx + C) + D

A 控制振幅，A 值越大，波峰和波谷越大，A 值越小，波峰和波谷越小；B 值會(huì)影響周期，B 值越大，那么周期越短，B 值越小，周期越長(zhǎng)。C 值會(huì)影響圖像左右移動(dòng)，C 值為正數(shù)，圖像左移，C 值為負(fù)數(shù)，圖像右移。D 值控制上下移動(dòng)。

這個(gè)公式非常有用，如果下文的代碼讓你不解，記得回來查看注解。

簡(jiǎn)單得回顧一下之后，確保你還記得這些基礎(chǔ)知識(shí)，那么這些曾經(jīng)被得滾瓜爛熟的內(nèi)容，和前端代碼結(jié)合會(huì)變成什么樣？

常見的應(yīng)用場(chǎng)景

圖像應(yīng)用

最直觀的應(yīng)用是使用三角函數(shù)來繪制 Wave 曲線

for?(let?x?=?0;?x???const?y?=?Math.sin(x?*?a)?*?amplitude
}

再結(jié)合三角函數(shù)偏移讓左右成為波谷，中間成為波峰，就能得到曼妙的波紋。

for?(let?x?=?0;?x???const?radians?=?x?/?width?*?Math.PI?*?2
??const?scale?=?(Math.sin(radians?-?Math.PI?*?0.5)?+?1)?*?0.5
??const?y?=?Math.sin(x?*?0.02?+?xSpeed)?*?amplitude?*?scale
}

之前掘金上很火的一篇文章，也是同樣的道理，使用兩層正弦函數(shù)繪制曲線，fill 之后加上 stagger 動(dòng)畫，就能得到非常酷炫的?效果。

如果再結(jié)合鼠標(biāo)位置 + lerp 動(dòng)畫，就能實(shí)現(xiàn)堅(jiān)果首頁同款的動(dòng)畫。

這篇文章大部分代碼都可以在我的 Codepen 主頁看到。

SlowInSlowOut

正余弦曲線有很自然地緩入緩出的特性，并且在一個(gè)周期里面從 -1 到 1 再回到 -1，非常適合用來模擬一些物理效果。因?yàn)檎鎸?shí)世界里面，汽車都是緩慢啟動(dòng)，加速，減速，再緩慢減速直到速度變?yōu)?0 的，突變會(huì)讓人很難受。左邊的擺球是線性勻速擺動(dòng)，右邊是用了三角函數(shù)優(yōu)化的結(jié)果。顯然左邊的效果設(shè)計(jì)師會(huì)打人。

只需使用 sin 或 cos 乘以最大角度，就可以得到在擺動(dòng)最大角度之間的 SlowInSlowOut。

ctx.rotate(Math.cos(t?/?180?*?Math.PI)?*?Math.PI?*?0.25)

角度控制

在開發(fā)過程中，我們常常需要跟角度打交道，比如在頭像左上角（45deg）顯示 Notification 紅點(diǎn)，用鼠標(biāo)控制 rotation 等等。

前端 JS 里面 Math.atan2(y, x) 可以用來計(jì)算 (x, y) 和 x 軸正方向的夾角弧度值。

function?getCurrentDegree?()?{
??const?deltaX?=?mouse.x?-?window.innerWidth?*?0.5
??const?deltaY?=?mouse.y?-?window.innerHeight?*?0.5
??return?Math.atan2(deltaY,?deltaX)?*?180?/?Math.PI
}

插一句，三角函數(shù)相關(guān)的動(dòng)畫并不一定需要用 js 來寫，比如下面的 DEMO，使用 compass 依賴，同樣可以做到靈活控制在特定角度的動(dòng)畫（千萬不要手寫各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)！！！后期沒辦法維護(hù)）

  @import "compass";

  .checkbox:checked {
    ~ button {
      $per: 180 / 4;
      @for $i from 1 through 6 {
        &:nth-of-type(#{$i}) {
          $angle: $per * ($i - 1) * 1deg + 180deg;
          $x: cos($angle) * $d;
          $y: sin($angle) * $d;

          transform: translate($x, $y) rotate(0deg) ;
        }
      }
    }
  }

源碼(https://codepen.io/HelKyle/pen/qygvJz)

Case Study

經(jīng)常用到的場(chǎng)景大概就這些吧，再以一個(gè)案例分析來復(fù)習(xí)一下。

前兩天在 Codepen 首頁看到熱門推薦，作者用存 css 動(dòng)畫來實(shí)現(xiàn)一個(gè)行走的動(dòng)畫，挺新穎的，然而仔細(xì)一看，腳步的動(dòng)畫真心覺得別扭，于是想用三角函數(shù)優(yōu)化一下。

繪制頭部：

??drawHead?(t)?{
????ctx.save()
????ctx.beginPath()
????ctx.translate(0,?Math.sin(t)?*?4)
????ctx.arc(80,?-35,?35,?0,?2?*?Math.PI)
????ctx.fill()
????ctx.closePath()
????ctx.restore()
??}

我會(huì)給每個(gè)方法傳入周期參數(shù) t， t 從 0 到 2 PI , 這樣能保證所有的周期運(yùn)動(dòng)時(shí)間同步。

身體和陰影的繪制都差不多，直接跳過看腳步動(dòng)畫。

腳有兩只，按道理應(yīng)該是抬腳到落腳的動(dòng)作完成時(shí)，其他部位都完成了一個(gè)完整的周期，所以在繪制腳的時(shí)候，t 需要除以 2。然后第一只腳和第二只腳相差半個(gè)腳自身的周期，可以直接將 t 替換成 t + Math.PI 就是第二腳的動(dòng)畫。

??drawFeet?(t)?{
??t?=?t?/?2
????ctx.translate(Math.cos(t)?*?-50,?0)

????//?另一只腳
????ctx.translate(Math.cos(t?+?Math.PI)?*?-50,?0)
??}

腳步動(dòng)畫自身周期的一半是在地面上的，可以通過判斷一下 sin 值，小于 0 則不做 y 縱軸方向上的變化。

????ctx.translate(Math.cos(t)?*?-50,?Math.sin(t)?>?0???Math.sin(t)?*?-35?:?0)

還沒完，為了讓腳更加逼真，同樣在前半個(gè)周期做一下 rotate 。

????if?(t?Math.PI)?{
??????ctx.rotate(Math.sin(t)?*?Math.PI?/?180?*?-5)
????}

最終得到的效果是這樣的：

源碼(https://codepen.io/HelKyle/pen/Mqgpvb)

總結(jié)

現(xiàn)如今前端發(fā)展速度非常迅速，剛?cè)腴T的同學(xué)剛學(xué)完 jQuery 就被告知，You Dont Need jQuery。追新的腳本根本停不下來，在學(xué)習(xí)新框架新技能的同時(shí)，也別忘了基礎(chǔ)知識(shí)的重要性。

好了，今天就分享到這里，希望一次匯集這么多效果，能讓你下次使用三角函數(shù)更得心應(yīng)手。

以上大部分代碼都可以在我的 Codepen(https://codepen.io/HelKyle/)主頁看到。

相關(guān)鏈接

• 三角函數(shù)圖像(https://www.desmos.com/calculator/sa6pki00id)
• 水波圖實(shí)現(xiàn)原理(https://juejin.im/post/5b4ffa045188251b134e7211)

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