Web 3D 地图中 CPU 和 GPU 动画的实现 - 哈喽比特

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导读

阅读完此文，你会了解：

1. Web 3D 地图中动画的应用

2. 如何实现 CPU 动画和 GPU 动画

在地图场景中，通常会有一些视角的切换、数据的更新，通过补间动画，可以让视图的切换更加流畅，凸显数据的变化和关系。Web3D 地图动画的实现有两种方式，一种是 CPU 动画，一种是 GPU 动画，接下来就分别介绍这两种动画的实现方式。

CPU 动画

CPU 动画是说数据的插值完全是在 CPU 中执行的。如果需要计算动画的实体太多，就会占用大量的 CPU资源，造成卡顿，所以 CPU 动画的计算适用于需要较少实体动画的场景。

在 Web 3D 地图中，我们主要使用 CPU 动画来实现相机动画。

TweenJS 介绍

TweenJS 是一个简单的制作 javascript 的动画引擎。它提供了一系列的接口来控制动画的变化，如 duration, delay, onStart, onUpdate, onComplete, 也提供了近 30 种缓动函数来控制动画变化的趋势。

缓动函数

在 Web 3D 地图中，使用 TweenJS 实现了相机动画的插值计算。

相机动画

相机的变化可以展现地图方位的变化，展现不同视角下数据的表现形式。

飞行视角

地图相机动画的变化类似飞行器视角的变化。地图视角可以用四个参数来表达：pitch（倾斜角）、bearing（旋转角）、pan（平移）、zoom（层级），这四个参数可以转换为 WebGL 相机的 position、target、rotation 变换。

参数设置

除了相机本身的变换的参数之外，还需要定义动画变换的参数。动画的参数有 duration（动画持续时长）、delay（动画延迟）、和 easing（缓动函数），将这些参数应用到 TweenJS，便可生成相机的插值动画。

相机聚焦

GPU 动画

对于相机动画，参与动画计算的实体只有1个，参数比较少，CPU 动画十分合适。但是对于动画实体多，参数比较多，插值计算量比较大的动画，CPU 动画就不太合适了，比如大量散点的变化。

“点的变化动画”视频里的类似“热力”的图，并不是真正的热力图，而是大量散点通过数据映射出来的。每个点本身的动画都可能有不同的参数，如果使用 TweenJS 控制每个点的动画的话，每个点都会生成一个 Tween 的实例来在 CPU 中进行变换，每一帧计算时间会超时，造成动画不流畅。我们知道 GPU 是并行的，如果每个点的动画能在 GPU 中完成，那么性能就能得到很大的提升。于是我们采用空间换时间的策略，为每个点生成控制自身动画参数的 attribute，然后在 GPU 中控制这些参数的变换，从而控制每个点的动画。

数据动画的形式

数据图层示例

数据图层最终都可以归为下面三类：

点、线、面

所以，创建数据动画只需要考虑点、线、面三者的可做数据映射的属性即可。动画可分为出入场动画和数据变化动画。

对于出入场动画，点、线、面三者都会有透明度变化；点本身有半径大小变化，柱（体）有高度的变化；轨迹有逐渐增多的变化。

对于数据更新的动画，点、线、面有大小、高度、颜色、透明度以及海拔的变化等。

GPU 动画控制

要控制 GPU 动画，首先要定相关参数。如下图，enabled 定义是否开启 GPU 动画；transitionKey 定义动画时新旧数据之间的映射关系；与 CPU 动画类似，每个可插值的属性都有 duration、delay 和 easing 三个属性，这三个属性将做个每个顶点的 attribute 传入着色器，在着色器中根据这三个动画参数做插值。

参数定义

动画随着时间的推动，循环往复。通过 uniform 传入 u_time 作为驱动动画的时间，要知道某个时间点动画所在的状态，需要计算出每个动画循环中当前动画所在的位置百分比。

动画序列

u_time 传入时间

计算公式为：

percent = fract( ( u_time - delay ) / duration )

缓动函数实现

缓动函数定义

每个点的动画变化趋势可能是不同的，所以需要定义缓动函数。TweenJS 的缓动函数是无法在着色器中使用的，需要将 TweenJS 缓动函数代码翻译成 glsl 代码。有了 glsl 缓动函数，还需要根据缓动函数计算新的 percent。最后，还需要为每个缓动函数设置一个编号，使用缓动函数时，向着色器传入对应的编号即可。


// currentTime 从动画开始到当前的时间
// transition 动画参数 vec3
float getTransitionPercent(float currentTime, vec3 transition) {
  // during 动画的时长
  // delay 动画开始时延
  // easing 动画缓动函数 id
  float during = transition.x;
  float delay = transition.y;
  float easing = transition.z;


  float percent = 0.;


  if (currentTime >= delay) {
    percent = easeFunc(easing, (currentTime - delay) / during);
    percent = clamp(percent, 0., 1.);
  }


  return percent;
}

数据更新动画的实现

上面定义 transition 配置时，有一个 transitionKey 的配置项，他是用来做新旧数据映射的函数，类似于 D3 的 enter、update、exit 函数。旧数据相当于是 D3 的选择集，新数据相当于是 D3 的数据集。transitionKey 只提供如何进行新旧数据映射的能力，新旧动画之间的插值变化是内置的。

当通过 transitionKey 区分出新旧数据映射后，update 的数据会在新旧数据属性之间进行插值；enter 的数据会淡入，所以 enter 的数据需要补一个对应的 opacity 为 0 的旧数据；exit 的数据会淡出，所以 exit 的数据需要补一个对应的 opacity 为 0 的新数据。

另外，我们也制定了一个规则，当 transitionKey 为 null 时，整个数据图层的数据更新时，旧数据会淡出，新数据会淡入。

新旧数据都需要通过 attribute 传入着色器，这样才能在 GPU 中根据 percent 计算动画的中间状态：


attribute float a_old_attribute;
attribute float a_new_attribute;
void main () {
  float currentVal = mix(a_old_attribute, a_new_attribute, percent);
}

遇到的问题

如果传入动画控制参数过多，着色器可传入的 attribute 数量是不够的。打开下面这个站点可以检测出着色器传入 attribute 等的限制：

https://math.hws.edu/graphicsbook/demos/c6/webgl-limits.html

检测 attribute 最大限制

上图中显示的某台机器最大传入的 attribute 数量是 16 个，当超出 16 个时就会出错。attribute 是硬件的限制，所以无法在编码上解决这个问题，只有压缩 attribute 来增加可传入的 attribute 的数量。

解决办法有：

将 float, vec2, vec3 类型的 attribute 合并成 vec4；
根据取值范围，将多个值压缩成一个值；比如将 r, g, b 合并成一个 float，然后在着色器中解码；

总结

CPU 动画能够简单灵活的控制动画，GPU 动画极大提升了大数据量动画的流畅度；二者结合，能够提升时空数据可视化的表达能力，增强对用户的吸引力。