Lekce 18 - JS requestAnimationFrame - Za lepší vykreslování

V předešlém cvičení, Řešené úlohy k 17. lekci JavaScriptu, jsme si procvičili nabyté zkušenosti z předchozích lekcí.

Spolu s HTML5 přišlo nové javascriptové API - requestAnimationFrame(). Jedná se o technologii, která nám umožňuje plynuleji a s vyšším výkonem vykreslovat animace v prohlížeči a my si ji v tomto tutoriálu představíme.

Staré řešení

Pokud jste někdy zkoušeli napsat např. nějakou jednoduchou hru v prohlížeči, jistě vaše hlavní smyčka vypadala nějak takto.

setInterval(function() {
    posun();
    vykresli();
}, 1000 / FPS);

Naše dosavadní animace vypadaly velmi podobně, pouze jsme spojili posouvání a vykreslování do jedné funkce. Alternativní vykreslovací smyčka může vypadat i např. takto:

function smycka() {
    setTimeout(smycka, 1000 / FPS);
    posun();
    vykresli();
}
smycka();

Kód funguje, dokonce si můžeme i omezit FPS. Co je na něm ale špatně?

Plýtvání výkonem počítače

Problém výše uvedeného kódu je ten, že prohlížeč jej vykonává, i když se uživatel na danou stránku zrovna nedívá (má překliknuto na jinou záložku, případně je prohlížeč minimalizovaný). Prohlížeč Google Chrome tyto situace řeší omezením takovýchto smyček pouze na 1 FPS. To je ale pouze jeho dobrovolné chování a v ostatních prohlížečích to tak vůbec být nemusí, takže na mobilních zařízeních může docházet zbytečně k poklesu výkonu a vybíjení baterie.

requestAnimationFrame() to řeší!

S použitím funkce requestAnimationFrame() místo setTimeout() bude náš kód vypadat velmi podobně:

function smycka() {
    requestAnimationFrame(smycka);
    posun();
    vykresli();
}
smycka();

Tuto funkci vymyslela Mozilla a později ji převzal a vylepšil tým WebKitu. Pomocí funkce se může vykreslovat CSS, DOM elementy, WebGL nebo na Canvas.

Výhody

Tento výukový obsah pomáhají rozvíjet následující firmy, které dost možná hledají právě tebe!

requestAnimationFrame() nám zajistí, že všechny naše animace se budou vykreslovat najednou, s vyšším výkonem a nižší spotřebou baterie.

Pokud v prohlížeči překliknete na jinou stránku, nebo prohlížeč minimalizujete, vykreslování se zastaví, aby se šetřil výkon a bude se pokračovat, jakmile bude stránka opět viditelná.

Mohli jste si také všimnout, že u použití requestAnimationFrame() jsme nikde nenastavovali počet FPS. Počet FPS závisí na konkrétní implementaci v prohlížeči a může být tedy v různých prohlížečích odlišný, dále závisí na výkonu PC nebo mobilního zařízení a také na obnovovací frekvenci monitoru.

Nejčastěji se setkáte s rychlostí 60 FPS, chybou je však na to v aplikaci spoléhat.

Demo

Ukážeme si jednoduchou aplikaci, ve které se čtverec pohybuje po Canvas a implementujeme jí jak pomocí setInterval(), tak pomocí requestAnimationFrame().

Řešení pomocí setInterval()

window.onload = function() {
    let platno = document.querySelector('#platno');
    let kontext = platno.getContext('2d');
    let ctverec = {
        x: 25,
        y: 25,
        rychlostX: -2,
        rychlostY: 2,
        strana: 50,
        barva: 'red'
    };

    function smycka() {
        posun();
        prekresli();
    }

    function posun() {
        if (ctverec.x + ctverec.strana + ctverec.rychlostX > platno.width) ctverec.rychlostX *= -1;
        else if (ctverec.x + ctverec.rychlostX < 0) ctverec.rychlostX *= -1;
        if (ctverec.y + ctverec.strana + ctverec.rychlostY > platno.height) ctverec.rychlostY *= -1;
        else if (ctverec.y + ctverec.rychlostY < 0) ctverec.rychlostY *= -1;
        ctverec.x += ctverec.rychlostX;
        ctverec.y += ctverec.rychlostY;
    }

    function prekresli() {
        kontext.clearRect(0, 0, platno.width, platno.height);
        kontext.fillStyle = ctverec.barva;
        kontext.fillRect(ctverec.x, ctverec.y, ctverec.strana, ctverec.strana);
    }

    setInterval(smycka, 1000 / 60);
};

Výsledek:

Řešení pomocí requestAnimationFrame() a setInterval()

Všimněte se, že v příkladu jsou použity dvě smyčky:

• setInterval() pro logiku a
• requestAnimationFrame() pro vykreslování.

Pokud bychom použili jen requestAnimationFrame(), mohlo by se stát, že na některých sestavách poběží animace rychleji než v prvním příkladu. Šetříme tedy výkon při vykreslení a spouštíme stále stejně jen logiku:

window.onload = function() {
    let platno = document.querySelector('#platno');
    let kontext = platno.getContext('2d');
    let ctverec = {
        x: 25,
        y: 25,
        rychlostX: -2,
        rychlostY: 2,
        strana: 50,
        barva: 'red'
    };

    function smycka() {
        posun();
    }

    function posun() {
        if (ctverec.x + ctverec.strana + ctverec.rychlostX > platno.width) ctverec.rychlostX *= -1;
        else if (ctverec.x + ctverec.rychlostX < 0) ctverec.rychlostX *= -1;
        if (ctverec.y + ctverec.strana + ctverec.rychlostY > platno.height) ctverec.rychlostY *= -1;
        else if (ctverec.y + ctverec.rychlostY < 0) ctverec.rychlostY *= -1;
        ctverec.x += ctverec.rychlostX;
        ctverec.y += ctverec.rychlostY;
    }

    function prekresli() {
        kontext.clearRect(0, 0, platno.width, platno.height);
        kontext.fillStyle = ctverec.barva;
        kontext.fillRect(ctverec.x, ctverec.y, ctverec.strana, ctverec.strana);
        requestAnimationFrame(prekresli);
    }

    setInterval(smycka, 1000 / 60);
    prekresli();
};

Výsledek:

Řešení pomocí requestAnimationFrame() s úpravou rychlosti

V předchozím příkladu jsme si ukázali, že rychlost volání requestAnimationFrame() nemáme tak úplně pod kontrolou. Záleží totiž na konkrétním zařízení, jaká má nastavená FPS (to může být 60, ale klidně i 144). Navíc kód záleží i na výpočetní složitosti naší aplikace. Snadno se nám může stát, že se nějaký kód bude vykonávat příliš dlouho a volaní requestAnimationFrame() se o nějaký čas odsune.

Následují příklad poběží na všech zařízeních stejně rychle a to proto, že si měří čas od posledního vykreslení. Toho docílíme tím, že si určíme jakýsi chtěný interval opakování (zakladniIntervalOpakovani) a následně každé opakování smycka() měříme čas uběhnutý od posledního běhu. Pokud je čas kratší, než chtěný interval, tak podle poměru dobaOdPoslednihoOpakovani / zakladniIntervalOpakovani snížíme rychlost posunu a naopak:

window.onload = function() {
    let platno = document.querySelector('#platno');
    let kontext = platno.getContext('2d');
    let zakladniIntervalOpakovani = 1000 / 60;
    let casPoslednihoOpakovani = 0;
    let dobaOdPoslednihoOpakovani = 0;
    let ctverec = {
        x: 25,
        y: 25,
        rychlostX: -2,
        rychlostY: 2,
        strana: 50,
        barva: 'black',
        zakladniRychlost: 2,
        upravaRychlosti: 1
    };

    function smycka() {
        // for (let i = 0; i < 100000000; i++) {}
        upravRychlost();
        posun();
        prekresli();
        requestAnimationFrame(smycka);
    }

    // Pokud je requestAnimationFrame() rychlejší nebo pomalejší
    // než předpokládáme, přizpůsobíme posun tak, aby byl vždy stejný.
    function upravRychlost() {
        if (casPoslednihoOpakovani) {
            dobaOdPoslednihoOpakovani = Date.now() - casPoslednihoOpakovani;
            ctverec.upravaRychlosti = dobaOdPoslednihoOpakovani / zakladniIntervalOpakovani;
        }
        casPoslednihoOpakovani = Date.now();
    }

    function posun() {
        let posunX = ctverec.rychlostX * ctverec.upravaRychlosti;
        let posunY = ctverec.rychlostY * ctverec.upravaRychlosti;
        if (ctverec.x + ctverec.strana + posunX > platno.width) ctverec.rychlostX *= -1;
        else if (ctverec.x + posunX < 0) ctverec.rychlostX *= -1;
        if (ctverec.y + ctverec.strana + posunY > platno.height) ctverec.rychlostY *= -1;
        else if (ctverec.y + posunY < 0) ctverec.rychlostY *= -1;
        ctverec.x += posunX;
        ctverec.y += posunY;
        // nedovolíme posun mimo plátno
        if (ctverec.x < 0) ctverec.x = 0;
        else if (ctverec.x + ctverec.strana > platno.width) ctverec.x = platno.width - ctverec.strana;
        if (ctverec.y < 0) ctverec.y = 0;
        else if (ctverec.y + ctverec.strana > platno.height) ctverec.y = platno.height - ctverec.strana;
    }

    function prekresli() {
        kontext.clearRect(0, 0, platno.width, platno.height);
        kontext.fillStyle = ctverec.barva;
        kontext.fillRect(ctverec.x, ctverec.y, ctverec.strana, ctverec.strana);
        kontext.font = '12px Arial';
        kontext.fillText('FPS: ' + Math.round(1000 / dobaOdPoslednihoOpakovani), 5, 10);
    }

    smycka();
};

Výsledek:

Jak vidíme, problematika optimalizovaného vykreslování není obecně jednoduchá, protože při velkém zaseknutí se může rychlost zvýšit tak, že čtverec vyjede mimo obrazovku.

Ukázka s nižší rychlostí

U předchozího příkladu odkomentujeme for cyklus, který v něm simuluje zpomalení programu. Rychlost posunu ale zůstane stejná:

function smycka() {
    for (let i = 0; i < 100000000; i++) {}
    upravRychlost();
    posun();
    prekresli();
    requestAnimationFrame(smycka);
}

Tuto ukázku si vyzkoušejte u sebe, aby zbytečně nezpomalovala tuto stránku se všemi dalšími příklady. Můžete si zkusit zpomalovací cyklus přidat i do předchozích příkladů s setInterval() a uvidíte, že se animace na rozdíl od posledního řešení zpomalí.

Doufám, že vám byla lekce užitečná a že od teď budete pro animace v prohlížeči používat requestAnimationFrame()