CSS Houdini实现动态波浪纹效果

admin CSS 2022-02-06 01:02:26 css 波浪纹 css houdini"

CSS Houdini 号称 CSS 领域最令人振奋的革新。CSS 本身长期欠缺语法特性，可拓展性几乎为零，并且新特性的支持效率太低，兼容性差。而 Houdini 直接将 CSS 的 API 暴露给开发者，以往完全黑盒的浏览器解析流开始对外开放，开发者可以自定义属于自己的 CSS 属性。

背景

我们知道，浏览器在渲染页面时，首先会解析页面的 HTML 和 CSS，生成渲染树（rendering tree），再经由布局（layout）和绘制（painting），呈现出整个页面内容。在 Houdini 出现之前，这个流程上我们能操作的空间少之甚少，尤其是 layout 和 painting 环节，可以说是完全封闭，极大地限制了 CSS 的灵活性。社区中 sass、less、stylus 等 CSS 预处理技术的出现大多都源于这个原因，它们都希望通过预编译，突破 CSS 的局限性，让 CSS 拥有更强大的组织和编写能力。所以慢慢地，我们都不再手写 CSS，更方便、更灵活的 CSS 扩展语言成了 web 开发的主角。看到这样的情况，CSS Houdini 终于坐不住了。

什么是 CSS Houdini？

CSS Houdini 对外开放了浏览器解析流程的一系列 API，这些 API 允许开发者介入浏览器的 CSS engine 运作，带来了更多的 CSS 解决方案。

CSS Houdini 主要提供了以下几个 API：

CSS Properties and Values API

允许在 CSS 中定义变量和使用变量，是目前兼容性最好的一个 API；

Layout API

允许开发者编写自己的 Layout Module，自定义诸如 display 这类的布局属性；

Painting API

允许开发者编写自己的 Paint Module，自定义诸如 background-image 这类的绘制属性。

基础：三步用上 Painting API

1、HTML 中通过 Worklets 载入样式的自定义代码：

Worklets 也是 Houdini 提供的 API 之一，负责加载和执行样式的自定义 JS 代码。它类似于 Web Worker，是一个运行于主代码之外的独立工作进程，但比 Worker 更为轻量，负责 CSS 渲染任务最为合适。

2、新建一个 paintworklet.js，利用 registerPaint 方法注册一个 paint 类 rect，定义 paint 属性的绘制逻辑：

registerPaint(
  "rect",
  class {
    static get inputProperties() {
      return ["--rect-color"];
    }
    paint(ctx, geom, properties) {
      const color = properties.get("--rect-color")[0];
      ctx.fillStyle = color;
      ctx.fillRect(0, 0, geom.width, geom.height);
    }
  }
);

上边定义了一个名为 rect 的 paint 属性类，当 rect 被使用时，会实例化 rect 并自动触发 paint 方法执行渲染。paint 方法中，我们获取节点 CSS 定义的 --rect-color 变量，并将元素的背景填充为指定颜色。ctx 参数是一个 Canvas 的 Context 对象，因此 paint 的逻辑跟 Canvas 的绘制方式一样。

3、CSS 中使用的时候，只需要调用 paint 方法：

.rect {
  width: 100vw;
  height: 100vh;
  background-image: paint(rect);
  --rect-color: rgb(255, 64, 129);
}

这是一个自定义 CSS 背景色属性的简单实现，看得出利用 CSS Houdini，我们可以像操作 canvas 一样灵活自如地实现我们想要的样式功能。

进阶：实现动态波纹

根据上述步骤，我们演示一下如何用 CSS Painting API 实现一个动态波浪的效果：








// paintworklet.js
registerPaint('wave', class {
  static get inputProperties() {
    return ['--animation-tick'];
  }
  paint(ctx, geom, properties) {
    let tick = Number(properties.get('--animation-tick'));
    const {
      width,
      height
    } = geom;
    const initY = height * 0.4;
    tick = tick * 2;

    ctx.beginPath();
    ctx.moveTo(0, initY + Math.sin(tick / 20) * 10);
    for (let i = 1; i <= width; i++) {
      ctx.lineTo(i, initY + Math.sin((i + tick) / 20) * 10);
    }
    ctx.lineTo(width, height);
    ctx.lineTo(0, height);
    ctx.lineTo(0, initY + Math.sin(tick / 20) * 10);
    ctx.closePath();

    ctx.fillStyle = 'rgba(255, 255, 255, 0.5)';
    ctx.fill();
  }
})

paintworklet 中，利用 sin 函数绘制波浪线，由于 AnimationWorklets 尚处于实验阶段，开放较少，这里我们在 worklet 外部用 requestAnimationFrame API 来做动画驱动，让波浪纹动起来。完成后能看到下边这样的效果。

然而事实上这个效果略显僵硬，sin 函数太过于规则了，现实中的波浪应该是不规则波动的，这种不规则主要体现在两个方面：

1）波纹高度（Y）随位置（X）变化而不规则变化

把图按照 x-y 正交分解之后，我们希望的不规则，可以认为是固定某一时刻，随着 x 轴变化，波纹高度 y 呈现不规则变化；

2）固定某点（X 固定），波纹高度（Y）随时间推进而不规则变化

动态过程需要考虑时间维度，我们希望的不规则，还需要体现在时间的影响中，比如风吹过的前一秒和后一秒，同一个位置的波浪高度肯定是不规则变化的。

提到不规则，有朋友可能想到了用 Math.random 方法，然而这里的不规则并不适合用随机数来实现，因为前后两次取的随机数是不连续的，而前后两个点的波浪是连续的。这个不难理解，你见过长成锯齿状的波浪吗？又或者你见过上一刻 10 米高、下一刻就掉到 2 米的波浪吗？

为了实现这种连续不规则的特征，我们弃用 sin 函数，引入了一个包 simplex-noise。由于影响波高的有两个维度，位置 X 和时间 T，这里需要用到 noise2D 方法，它提前在一个三维的空间中，构建了一个连续的不规则曲面：

// paintworklet.js
import SimplexNoise from 'simplex-noise';
const sim = new SimplexNoise(() => 1);

registerPaint('wave', class {
  static get inputProperties() {
    return ['--animation-tick'];
  }

  paint(ctx, geom, properties) {
    const tick = Number(properties.get('--animation-tick'));

    this.drawWave(ctx, geom, 'rgba(255, 255, 255, 0.4)', 0.004, tick, 15, 0.4);
    this.drawWave(ctx, geom, 'rgba(255, 255, 255, 0.5)', 0.006, tick, 12, 0.4);
  }
  
  /**
   * 绘制波纹
   */
  drawWave(ctx, geom, fillColor, ratio, tick, amp, ih) {
    const {
      width,
      height
    } = geom;
    const initY = height * ih;
    const speedT = tick * ratio;

    ctx.beginPath();
    for (let x = 0, speedX = 0; x <= width; x++) {
      speedX += ratio * 1;
      var y = initY + sim.noise2D(speedX, speedT) * amp;
      ctx[x === 0 ? 'moveTo' : 'lineTo'](x, y);
    }
    ctx.lineTo(width, height);
    ctx.lineTo(0, height);
    ctx.lineTo(0, initY + sim.noise2D(0, speedT) * amp);
    ctx.closePath();

    ctx.fillStyle = fillColor;
    ctx.fill();
  }
})

修改峰值和偏置项等参数，可以再画多一个不一样的波浪纹，效果如下，完工！