利用Jetpack Compose绘制可爱的天气动画

1. 项目背景

最近参加了compose挑战赛的终极挑战，使用compose完成了一个天气app。之前几轮挑战也都有参与，每次都学到不少新东西。如今迎来最终挑战，希望能将这段时间的积累活学活用，做出更加成熟的作品。

项目挑战

因为没有美工协助，所以我考虑通过代码实现app中的所有ui元素例如各种icon等，这样的ui在任何分辨率下都不会失真，跟重要的是可以灵活地实现各种动画效果。

为了降低实现成本，我将app中的ui元素定义成偏卡通的风格，可以更容易地通过代绘实现：

上面的动画没有使用gif、lottie或者其他静态资源，所有图形都是基于compose代码绘制的。

2. myapp：cuteweather

app界面比较简洁，采用单页面呈现（挑战赛要求），卡通风格的天气动画算是相对于同类app的特色：

项目地址:https://github.com/vitaviva/compose-weather

app界面构成

app纵向划分为几个功能区域，每个区域都涉及到一些不同的compose api的使用

涉及技术点较多，本文主要介绍如何使用compose绘制自定义图形、并基于这些图形实现动画，其他内容有机会再单独介绍。

3. compose自定义绘制

像常规的android开发一样，除了提供各种默认的composable控件以外，compose也提供了canvas用来绘制自定义ui。

其实canvas相关api在各个平台都大同小异，但在compose上的使用有以下特点：

• 用声明式的方式创建和使用canvas
• 通过drawscope提供必要的state及各种apis
• api更简单易用

声明式地创建和使用canvas

compose中，canvas作为composable，可以声明式地添加到其他composable中，并通过modifier进行配置

canvas(modifier = modifier.fillmaxsize()){ // this: drawscope 
 //内部进行自定义绘制
}

传统方式需要获取canvas句柄命令式的进行绘制，而canvas{...}通过状态驱动的方式在block内执行绘制逻辑、刷新ui。

强大的drawscope

canvas{...}内部通过drawscope提供必要的state用来获取当前绘制所需环境变量，例如我们最常用的size。drawscope还提了各种常用的绘制api，例如drawline等

canvas(modifier = modifier.fillmaxsize()){
 //通过size获取当前canvas的width和height
    val canvaswidth = size.width
    val canvasheight = size.height

 //绘制直线
    drawline(
        start = offset(x=canvaswidth, y = 0f),
        end = offset(x = 0f, y = canvasheight),
        color = color.blue,
        strokewidth = 5f //设置直线宽度
    )
}

上面代码绘制效果如下：

4.简单易用的api

传统的canvas api需要进行paint等配置；drawscope提供的api更简单，使用更友好。

例如绘制一个圆，传统的api是这样：

public void drawcircle(float cx, float cy, float radius, @nonnull paint paint) {
 //... 
}

drawscope提供的api：

fun drawcircle(
    color: color,
    radius: float = size.mindimension / 2.0f,
    center: offset = this.center,
    alpha: float = 1.0f,
    style: drawstyle = fill,
    colorfilter: colorfilter? = null,
    blendmode: blendmode = defaultblendmode
) {...}

看起来参数变多了，但是其实已经通过size等设置了合适的默认值，同时省去了对paint的创建和配置，使用起来更方便。

使用原生canvas

目前drawscope提供的api还不及原生canvas丰富（比如不支持drawtext等），当不满足使用需求时，也可以直接使用原生canvas对象进行绘制

drawintocanvas { canvas ->
            //nativecanvas是原生canvas对象，android平台即android.graphics.canvas
            val nativecanvas  = canvas.nativecanvas

        }

上面介绍了compose canvas的基本知识，下面结合app中的具体示例看一下实际使用效果

首先，看一下雨水的绘制过程。

5. 雨天效果

雨天天气的关键是如何绘制不断下落的雨水

雨滴的绘制

我们先绘制构成雨水的基本单元：雨滴

经拆解后，雨水效果可由三组雨滴构成，每一组雨滴分成上下两端，这样在运动时就可以形成接连不断的雨水效果。我们使用drawline绘制每一段黑线，设置适当的stokewidth，并通过cap设置端点的圆形效果：

@composable
fun raindrop() {

 canvas(modifier) {

       val x: float = size.width / 2 //x坐标：1/2的位置

        drawline(
            color.black,
            offset(x, line1y1), //line1 的起点
            offset(x, line1y2), //line1 的终点
            strokewidth = width, //设置宽度
            cap = strokecap.round//头部圆形
        )

  // line2同上
        drawline(
            color.black,
            offset(x, line2y1),
            offset(x, line2y2),
            strokewidth = width,
            cap = strokecap.round
        )
    }
}

雨滴下落动画

完成基本图形的绘制后，接下来为两线段实现循环往复的位移动画，形成雨水的流动效果。

以两线段中间空隙为动画的锚点，根据animationstate设置其y轴位置，让其从绘制区域的顶端移动到低端（0 ~ size.hight），然后restart这个动画。

以锚点为基准绘制上下两线段，就可以行成接连不断的雨滴效果了

代码如下：

@composable
fun raindrop() {
 //循环播放的动画 （ 0f ~ 1f)
    val animatetween by rememberinfinitetransition().animatefloat(
        initialvalue = 0f,
        targetvalue = 1f,
        animationspec = infiniterepeatable(
            tween(durationmillis, easing = lineareasing),
            repeatmode.restart //start动画
        )
    )

    canvas(modifier) {

        // scope ： 绘制区域
        val width = size.width
        val x: float = size.width / 2

   // width/2是strokcap的宽度，scopeheight处预留strokcap宽度，让雨滴移出时保持正圆，提高视觉效果
        val scopeheight = size.height - width / 2 

        // space ： 两线段的间隙
        val space = size.height / 2.2f + width / 2 //间隙size
        val spacepos = scopeheight * animatetween //锚点位置随animationstate变化
        val sy1 = spacepos - space / 2
        val sy2 = spacepos + space / 2

        // line length
        val lineheight = scopeheight - space

        // line1
        val line1y1 = max(0f, sy1 - lineheight)
        val line1y2 = max(line1y1, sy1)

        // line2
        val line2y1 = min(sy2, scopeheight)
        val line2y2 = min(line2y1 + lineheight, scopeheight)

        // draw
        drawline(
            color.black,
            offset(x, line1y1),
            offset(x, line1y2),
            strokewidth = width,
            colorfilter = colorfilter.tint(
                color.black
            ),
            cap = strokecap.round
        )

        drawline(
            color.black,
            offset(x, line2y1),
            offset(x, line2y2),
            strokewidth = width,
            colorfilter = colorfilter.tint(
                color.black
            ),
            cap = strokecap.round
        )
    }
}

6.compose自定义布局

上面完成了单个雨滴的图形和动画，接下来我们使用三个雨滴组成雨水的效果。

首先可以使用row+space的方式进行组装，但是这种方式缺少灵活性，仅通过modifier很难准确布局三个雨滴的相对位置。因此考虑转而使用compose的自定义布局，以提高灵活性和准确性：

layout(
    modifier = modifier.rotate(30f), //雨滴旋转角度
    content = { // 定义子composable
  raindrop(modifier.fillmaxsize())
  raindrop(modifier.fillmaxsize())
  raindrop(modifier.fillmaxsize())
    }
) { measurables, constraints ->
    // list of measured children
    val placeables = measurables.mapindexed { index, measurable ->
        // measure each children
        val height = when (index) { //让三个雨滴的height不同，增加错落感
            0 -> constraints.maxheight * 0.8f
            1 -> constraints.maxheight * 0.9f
            2 -> constraints.maxheight * 0.6f
            else -> 0f
        }
        measurable.measure(
            constraints.copy(
                minwidth = 0,
                minheight = 0,
                maxwidth = constraints.maxwidth / 10, // raindrop width
                maxheight = height.toint(),
            )
        )
    }

    // set the size of the layout as big as it can
    layout(constraints.maxwidth, constraints.maxheight) {
        var xposition = constraints.maxwidth / ((placeables.size + 1) * 2)

        // place children in the parent layout
        placeables.foreachindexed { index, placeable ->
            // position item on the screen
            placeable.place(x = xposition, y = 0)

            // record the y co-ord placed up to
            xposition += (constraints.maxwidth / ((placeables.size + 1) * 0.8f)).roundtoint()
        }
    }
}

compose中，可以通过layout{...}对composable进行自定义布局，content{...}中定义参与布局的子composable。

跟传统android视图一样，自定义布局需要先后经历measure、layout两步。

measrue：measurables返回所有待测量的子composable，constraints类似于measurespec，封装父容器对子元素的布局约束。measurable.measure()中对子元素进行测量

layout：placeables返回测量后的子元素，依次调用placeable.place()对雨滴进行布局，通过xposition预留雨滴在x轴的间隔

经过layout之后，通过 modifier.rotate(30f) 对composable进行旋转，完成最终效果：

7.. 雪天效果

雪天效果的关键在于雪花的飘落。

雪花的绘制

雪花的绘制非常简单，用一个圆圈代表一个雪花

canvas(modifier) {

 val radius = size / 2

 drawcircle( //白色填充
  color = color.white,
  radius = radius,
  style = fill
 )

  drawcircle(// 黑色边框
   color = color.black,
     radius = radius,
  style = stroke(width = radius * 0.5f)
 )
}

雪花飘落动画

雪花飘落的过程相对于雨滴坠落要复杂一些，由三个动画组成:

• 下降：通过改变y轴位置实现 (0f ~ 2.5f)
• 左右飘移：通过该表x轴的offset实现 （-1f ~ 1f）
• 逐渐消失：通过改变alpha实现（1f ~ 0f）

借助infinitetransition同步控制多个动画，代码如下：

@composable
private fun snowdrop(
 modifier: modifier = modifier,
 durationmillis: int = 1000 // 雪花飘落动画的druation
) {

 //循环播放的transition
    val transition = rememberinfinitetransition()

 //1\. 下降动画：restart动画
    val animatey by transition.animatefloat(
        initialvalue = 0f,
        targetvalue = 2.5f,
        animationspec = infiniterepeatable(
            tween(durationmillis, easing = lineareasing),
            repeatmode.restart
        )
    )

 //2\. 左右飘移：reverse动画
    val animatex by transition.animatefloat(
        initialvalue = -1f,
        targetvalue = 1f,
        animationspec = infiniterepeatable(
            tween(durationmillis / 3, easing = lineareasing),
            repeatmode.reverse
        )
    )

 //3\. alpha值：restart动画，以0f结束
    val animatealpha by transition.animatefloat(
        initialvalue = 1f,
        targetvalue = 0f,
        animationspec = infiniterepeatable(
            tween(durationmillis, easing = fastoutslowineasing),
        )
    )

    canvas(modifier) {

        val radius = size.width / 2

  // 圆心位置随animationstate改变，实现雪花飘落的效果
        val _center = center.copy(
            x = center.x + center.x * animatex,
            y = center.y + center.y * animatey
        )

        drawcircle(
            color = color.white.copy(alpha = animatealpha),//alpha值的变化实现雪花消失效果
            center = _center,
            radius = radius,
        )

        drawcircle(
            color = color.black.copy(alpha = animatealpha),
            center = _center,
            radius = radius,
            style = stroke(width = radius * 0.5f)
        )
    }
}

animatey的targetvalue设为2.5f，让雪花的运动轨迹更长，看起来更加真实

雪花的自定义布局

像雨滴一样，对雪花也使用layout自定义布局

@composable
fun snow(
    modifier: modifier = modifier,
    animate: boolean = false,
) {

    layout(
        modifier = modifier,
        content = {
         //摆放三个雪花，分别设置不同duration，增加随机性
            snowdrop( modifier.fillmaxsize(), 2200)
            snowdrop( modifier.fillmaxsize(), 1600)
            snowdrop( modifier.fillmaxsize(), 1800)
        }
    ) { measurables, constraints ->
        val placeables = measurables.mapindexed { index, measurable ->
            val height = when (index) {
             // 雪花的height不同，也是为了增加随机性
                0 -> constraints.maxheight * 0.6f
                1 -> constraints.maxheight * 1.0f
                2 -> constraints.maxheight * 0.7f
                else -> 0f
            }
            measurable.measure(
                constraints.copy(
                    minwidth = 0,
                    minheight = 0,
                    maxwidth = constraints.maxwidth / 5, // snowdrop width
                    maxheight = height.roundtoint(),
                )
            )
        }

        layout(constraints.maxwidth, constraints.maxheight) {
            var xposition = constraints.maxwidth / ((placeables.size + 1))

            placeables.foreachindexed { index, placeable ->
                placeable.place(x = xposition, y = -(constraints.maxheight * 0.2).roundtoint())

                xposition += (constraints.maxwidth / ((placeables.size + 1) * 0.9f)).roundtoint()
            }
        }
    }
}

最终效果如下：

8. 晴天效果

通过一个旋转的太阳代表晴天效果

太阳的绘制

太阳的图形由中间的圆形和围绕圆环的等分竖线组成。

@composable
fun sun(modifier: modifier = modifier) {

    canvas(modifier) {

        val radius = size.width / 6
        val stroke = size.width / 20

        // draw circle
        drawcircle(
            color = color.black,
            radius = radius + stroke / 2,
            style = stroke(width = stroke),
        )
        drawcircle(
            color = color.white,
            radius = radius,
            style = fill,
        )

        // draw line

        val linelength = radius * 0.2f
        val lineoffset = radius * 1.8f
        (0..7).foreach { i ->

            val radians = math.toradians(i * 45.0)

            val offsetx = lineoffset * cos(radians).tofloat()
            val offsety = lineoffset * sin(radians).tofloat()

            val x1 = size.width / 2 + offsetx
            val x2 = x1 + linelength * cos(radians).tofloat()

            val y1 = size.height / 2 + offsety
            val y2 = y1 + linelength * sin(radians).tofloat()

            drawline(
                color = color.black,
                start = offset(x1, y1),
                end = offset(x2, y2),
                strokewidth = stroke,
                cap = strokecap.round
            )
        }
    }
}

均分360度，每间隔45度画一条竖线，cos计算x轴坐标，sin计算y轴坐标。

太阳的旋转

太阳的旋转动画很简单，通过modifier.rotate不断转动canvas即可。

@composable
fun sun(modifier: modifier = modifier) {

 //循环动画
    val animatetween by rememberinfinitetransition().animatefloat(
        initialvalue = 0f,
        targetvalue = 360f,
        animationspec = infiniterepeatable(tween(5000), repeatmode.restart)
    )

    canvas(modifier.rotate(animatetween)) {// 旋转动画

        val radius = size.width / 6
        val stroke = size.width / 20
        val centeroffset = offset(size.width / 30, size.width / 30) //圆心偏移量

        // draw circle
        drawcircle(
            color = color.black,
            radius = radius + stroke / 2,
            style = stroke(width = stroke),
            center = center + centeroffset //圆心偏移
        )

        //...略
    }
}

此外，drawscope也提供了rotate的api，也可以实现旋转效果。

最后我们给太阳的圆心增加一个偏移量，让转动更加活泼：

9. 动画的组合、切换

上面分别实现了rain、snow、sun等图形，接下来使用这些元素组合成各种天气效果。

将图形组合成天气

compose的声明式语法非常有利于ui的组合：

比如，多云转阵雨，我们摆放sun、cloud、rain等元素后，通过modifier调整各自位置即可：

@composable
fun cloudyrain(modifier: modifier) {
 box(modifier.size(200.dp)){
  sun(modifier.size(120.dp).offset(140.dp, 40.dp))
  rain(modifier.size(80.dp).offset(80.dp, 60.dp))
  cloud(modifier.align(aligment.center))
 }
}

让动画切换更加自然

当在多个天气动画之间进行切换时，我们希望能实现更自然的过渡。实现思路是将组成天气动画的各元素的modifier信息变量化，然后通过animation进行改变state 假设所有的天气都可以由cloud、sun、rain组合而成，无非就是offset、size、alpha值的不同：

composeinfo
data class iconinfo(
    val size: float = 1f, 
    val offset: offset = offset(0f, 0f),
    val alpha: float = 1f,
) 

//天气组合信息，即sun、cloud、rain的位置信息
data class composeinfo(
    val sun: iconinfo,
    val cloud: iconinfo,
    val rains: iconinfo,

) {
    operator fun times(float: float): composeinfo =
        copy(
            sun = sun * float,
            cloud = cloud * float,
            rains = rains * float
        )

    operator fun minus(composeinfo: composeinfo): composeinfo =
        copy(
            sun = sun - composeinfo.sun,
            cloud = cloud - composeinfo.cloud,
            rains = rains - composeinfo.rains,
        )

    operator fun plus(composeinfo: composeinfo): composeinfo =
        copy(
            sun = sun + composeinfo.sun,
            cloud = cloud + composeinfo.cloud,
            rains = rains + composeinfo.rains,
        )
}

如上，composeinfo中持有各种元素的位置信息，运算符重载使其可以在animation中计算当前最新值。

接下来，使用composeinfo为不同天气定义各元素的位置信息

//晴天
val sunnycomposeinfo = composeinfo(
    sun = iconinfo(1f),
    cloud = iconinfo(0.8f, offset(-0.1f, 0.1f), 0f),
    rains = iconinfo(0.4f, offset(0.225f, 0.3f), 0f),
)

//多云
val cloudycomposeinfo = composeinfo(
    sun = iconinfo(0.1f, offset(0.75f, 0.2f), alpha = 0f),
    cloud = iconinfo(0.8f, offset(0.1f, 0.1f)),
    rains = iconinfo(0.4f, offset(0.225f, 0.3f), alpha = 0f),
)

//雨天
val raincomposeinfo = composeinfo(
    sun = iconinfo(0.1f, offset(0.75f, 0.2f), alpha = 0f),
    cloud = iconinfo(0.8f, offset(0.1f, 0.1f)),
    rains = iconinfo(0.4f, offset(0.225f, 0.3f), alpha = 1f),
)

composedicon

接着，定义composedicon，根据composeinfo实现不同的天气组合

@composable
fun composedicon(modifier: modifier = modifier, composeinfo: composeinfo) {

 //各元素的composeinfo
    val (sun, cloud, rains) = composeinfo

    box(modifier) {

  //应用composeinfo到modifier
        val _modifier = remember(unit) {
            { icon: iconinfo ->
                modifier
                    .offset( icon.size * icon.offset.x, icon.size * icon.offset.y )
                    .size(icon.size)
                    .alpha(icon.alpha)
            }
        }

        sun(_modifier(sun))
        rains(_modifier(rains))
        animatablecloud(_modifier(cloud))
    }
}

composedweather

最后，定义composedweather记录当前composedicon，并在其发生更新时使用动画进行过度：

@composable
fun composedweather(modifier: modifier, composedicon: composedicon) {

    val (cur, setcur) = remember { mutablestateof(composedicon) }
    var trigger by remember { mutablestateof(0f) }

    disposableeffect(composedicon) {
        trigger = 1f
        ondispose { }
    }

 //创建动画（0f ~ 1f)，用于更新composeinfo
    val animatefloat by animatefloatasstate(
        targetvalue = trigger,
        animationspec = tween(1000)
    ) {
     //当动画结束时，更新composeweather到最新state
        setcur(composedicon)
        trigger = 0f
    }

 //根据animationstate计算当前composeinfo
    val composeinfo = remember(animatefloat) {
        cur.composedicon + (weathericon.composedicon - cur.composedicon) * animatefloat
    }

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