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关键词

CATransform3D 旋转缩放平移动画矩阵绘制图层转换形变

本文所有示例代码或Demo可以在此获取：https://github.com/WillieWangWei/SampleCode_CATransform3D

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概述

CATransform3D是QuartzCore下声明的一个结构体，文档对它的描述：

The transform matrix is used to rotate, scale, translate, skew, and project the layer content. Functions are provided for creating, concatenating, and modifying CATransform3D data.

它是用来对一个layer的内容进行旋转、缩放、平移、扭转变化的变形矩阵，它提供了一些创建、叠加和修改（layer的）CATransform3D数据的函数。

它作为CALayer的一个属性对外访问，注释说明：

A transform applied to the layer relative to the anchor point of its bounds rect. Defaults to the identity transform. Animatable.

它以一个layer的锚点为准，将形变作用于此layer的范围内。默认是初始值，Animatable意味着此属性可以作用于动画。

CATransform3D可以用来实现以下效果

几种常见的应用方式

分析

首先来看它的定义：

public struct CATransform3D {

    
    public var m11: CGFloat

    public var m12: CGFloat

    public var m13: CGFloat

    public var m14: CGFloat

    public var m21: CGFloat

    public var m22: CGFloat

    public var m23: CGFloat

    public var m24: CGFloat

    public var m31: CGFloat

    public var m32: CGFloat

    public var m33: CGFloat

    public var m34: CGFloat

    public var m41: CGFloat

    public var m42: CGFloat

    public var m43: CGFloat

    public var m44: CGFloat

    public init()

    public init(m11: CGFloat, m12: CGFloat, m13: CGFloat, m14: CGFloat, m21: CGFloat, m22: CGFloat, m23: CGFloat, m24: CGFloat, m31: CGFloat, m32: CGFloat, m33: CGFloat, m34: CGFloat, m41: CGFloat, m42: CGFloat, m43: CGFloat, m44: CGFloat)
}

属性

它有16个存储属性，含义如下：

m11：x轴方向进行缩放
m12：和m21一起决定z轴的旋转
m13：和m31一起决定y轴的旋转
m14：

m21：和m12一起决定z轴的旋转
m22：y轴方向进行缩放
m23：和m32一起决定x轴的旋转
m24：

m31：和m13一起决定y轴的旋转
m32：和m23一起决定x轴的旋转
m33：z轴方向进行缩放
m34：透视效果，m34 = -1 / D，D越小，透视效果越明显，必须在有旋转效果的前提下，才会看到透视效果。

m41：x轴方向进行平移
m42：y轴方向进行平移
m43：z轴方向进行平移
m44：初始为1

矩阵乘法计算

同时它声明了一个 默认构造器和一个 成员逐一构造器，但这并不常用。

函数

/* 初始化一个CATransform3D的实例，默认的值是[1 0 0 0; 0 1 0 0; 0 0 1 0; 0 0 0 1]*/
public let CATransform3DIdentity: CATransform3D

/* 判断一个CATransform3D的实例是否是初始化值。*/
public func CATransform3DIsIdentity(_ t: CATransform3D) -> Bool

/* 判断两个CATransform3D的实例的值是否相等。*/
public func CATransform3DEqualToTransform(_ a: CATransform3D, _ b: CATransform3D) -> Bool

/* 以默认值为基准，返回一个平移'(tx, ty, tz)'后的CATransform3D实例t':
 * t' =  [1 0 0 0; 0 1 0 0; 0 0 1 0; tx ty tz 1] 
 * tx, ty, tz分别代表在x方向、y方向、z方向的位移量 */
public func CATransform3DMakeTranslation(_ tx: CGFloat, _ ty: CGFloat, _ tz: CGFloat) -> CATransform3D

/* 以默认值为基准，返回一个缩放'(sx, sy, sz)'后的CATransform3D实例t':
 * t' = [sx 0 0 0; 0 sy 0 0; 0 0 sz 0; 0 0 0 1]
 * sx, sy, sz分别代表在x方向、y方向、z方向的缩放比例，缩放是以layer的中心对称变化
 * 当sx < 0时，layer会在缩放的基础上沿穿过其中心的竖直线翻转
 * 当sy < 0时，layer会在缩放的基础上沿穿过其中心的水平线翻转 */
public func CATransform3DMakeScale(_ sx: CGFloat, _ sy: CGFloat, _ sz: CGFloat) -> CATransform3D

/* 以默认值为基准，返回一个沿矢量'(x, y, z)'轴线，逆时针旋转'angle'弧度后的CATransform3D实例
* 弧度 = π / 180 × 角度，'M_PI'代表180角度
* x,y,z决定了旋转围绕的轴线，取值为[-1, 1]。例如(1,0,0)是绕x轴旋转，(0.5,0.5,0)是绕x轴与y轴夹角45°为轴线旋转 */
public func CATransform3DMakeRotation(_ angle: CGFloat, _ x: CGFloat, _ y: CGFloat, _ z: CGFloat) -> CATransform3D

/* 以't'为基准，返回一个平移'(tx, ty, tz)'后的CATransform3D实例t':
 * t' = translate(tx, ty, tz) * t. 
 * '(tx, ty, tz)'同'CATransform3DMakeTranslation' */
public func CATransform3DTranslate(_ t: CATransform3D, _ tx: CGFloat, _ ty: CGFloat, _ tz: CGFloat) -> CATransform3D

/* 以't'为基准，返回一个缩放'(sx, sy, sz)'后的CATransform3D实例t':
 * t' = scale(sx, sy, sz) * t. 
 * '(sx, sy, sz)'同'CATransform3DMakeScale' */
public func CATransform3DScale(_ t: CATransform3D, _ sx: CGFloat, _ sy: CGFloat, _ sz: CGFloat) -> CATransform3D

/* 以't'为基准，返回一个沿矢量'(x, y, z)'轴线，逆时针旋转'angle'弧度后的CATransform3D实例t':
 * t' = rotation(angle, x, y, z) * t. 
 * '(angle, x, y, z)'同'CATransform3DMakeRotation' */
public func CATransform3DRotate(_ t: CATransform3D, _ angle: CGFloat, _ x: CGFloat, _ y: CGFloat, _ z: CGFloat) -> CATransform3D

/* 叠加两个CATransform3D实例的值并返回得到的CATransform3D实例t':
 * t' = a * b. */
public func CATransform3DConcat(_ a: CATransform3D, _ b: CATransform3D) -> CATransform3D

/* 反转一个CATransform3D实例并返回结果
 * 如果没有翻转则返回原始矩阵 */
public func CATransform3DInvert(_ t: CATransform3D) -> CATransform3D

/* 将一个CGAffineTransform实例转换得到一个同样效果的CATransform3D实例 */
public func CATransform3DMakeAffineTransform(_ m: CGAffineTransform) -> CATransform3D

/* 判断一个CATransform3D实例能否被成功的转换成一个CGAffineTransform实例 */
public func CATransform3DIsAffine(_ t: CATransform3D) -> Bool

/* 将一个CATransform3D实例转换得到一个同样效果的CGAffineTransform实例
 * 如果不能成功转换，则返回空值 */
public func CATransform3DGetAffineTransform(_ t: CATransform3D) -> CGAffineTransform

坐标系

x、y、z轴的方向和旋转

基本使用

平移

let transformTranslation = CATransform3DMakeTranslation(0, 100, 0)
imageView.layer.transform = transformTranslation

缩放

let transformSclae = CATransform3DMakeScale(0.5, 0.5, 1)
imageView.layer.transform = transformSclae

旋转

let transformRotation = CATransform3DMakeRotation(CGFloat(M_PI_4), 0, 0, 1)
imageView.layer.transform = transformRotation

叠加

let transformTranslation = CATransform3DMakeTranslation(0, 100, 0)
let transformSclae = CATransform3DMakeScale(0.5, 0.5, 1)
let transformConcat = CATransform3DConcat(transformTranslation, transformSclae)
        
imageView.layer.transform = transformConcat

反转

let transformSclae = CATransform3DMakeScale(0.5, 0.5, 1)
let transformInvert = CATransform3DInvert(transformSclae)
        
imageView.layer.transform = transformInvert

注意问题

CATransform3DConcat有什么用？如果想同时平移和缩放为什么不先使用CATransform3DMakeTranslation再使用CATransform3DMakeScale来实现？

这样的使用结果只有最后的修改或赋值才会生效。
回头看'CATransform3DMake...'系列函数的说明：以默认值为基准，...先使用CATransform3DMakeTranslation平移后，值是[1 0 0 0; 0 1 0 0; 0 0 1 0; tx ty tz 1]。接下来使用CATransform3DMakeScale时，修改的值以初始化的默认值[1 0 0 0; 0 1 0 0; 0 0 1 0; 0 0 0 1]为基准，得到的值为[sx 0 0 0; 0 sy 0 0; 0 0 sz 0; 0 0 0 1]，上一步平移的修改不再生效，以此类推。
你还可以使用不带'Make'的'CATransform3D...'系列函数，它需要传入一个CATransform3D实例，并以此为基准进行形变，可以实现和CATransform3DConcat同样的效果。

为什么使用CATransform3DMakeRotation或CATransform3DRotate，绕平行于x轴或y轴的某一条线旋转后，感觉内容被压扁了，并没有旋转呢？

其实是旋转了，只不过没有透视效果（简单来说就是近大远小的视觉效果），看起来就像是”压扁了“。
如果想要内容看起来有旋转的立体效果，可以修改实例m34属性的值，它决定透视效果，m34 = -1 / D，D越小，透视效果越明显。你可以这样使用：

var transform = CATransform3DIdentity
transform.m34 = -1 / 400.0
transform = CATransform3DRotate(transform, CGFloat(M_PI_4), 0, 1, 0)
imageView.layer.transform = transform

D具体的取值范围需要开发者根据实际显示效果调试，建议取400左右。

另外，将上面代码旋转的角度变成M_PI(180°)后，可以观察到它的背面。图层是双面绘制的，背面显示的是正面的一个镜像图片。
当场景中不需要展示背面内容时，这个机制有可能让GPU绘制了无意义的内容，造成资源浪费。我们可以通过CALayer的isDoubleSided属性来控制图层的背面是否要被绘制。这是一个Bool类型，默认为true，如果设置为false，将会取消背面的绘制工作。

使用CATransform3DMakeTranslation或CATransform3DTranslate改变z方向位移量？

这样会改变不同视图之间的遮挡关系。
3D空间中，视图在z方向也有值，默认值是0，你可以想象成里手机屏幕的远近。当z值越大，表示离屏幕越近。但我建议不要这样使用。
比如我添加了两张图片，遮挡关系是这样的：

上图盖住下图

然后使用CATransform3DMakeTranslation修改了下图的z方向位移量为1，变成了这样：

下图盖住上图

看起来下图盖住了上图，但是来看图层层级：

真实的图层关系

上图依然处于下图的”上部“，这样的操作有可能造成布局紊乱或显示异常，请慎用。

修改CATransform3D对frame的影响？

修改CATransform3D的值也同样会作用于frame。
这意味着，使用CATransform3DMakeRotation或CATransform3DRotate后，view的frame有可能发生变化。例如将一个正方逆时针旋转45°后，此时的width就变成了其对角线的长度，同样x和y的值也发生了改变。
若在动画开启后，默认情况下视图的frame会直接更新到最新的状态，也就是动画将要运动到的位置。因此，在动画期间处理view的点击事件需要特别考虑。

CATransform3D和CGAffineTransform的区别？

CATransform3D包含于QuartzCore，是贯穿Core Animation的一个4x4标准变形矩阵，作为CALayer的一个属性，常用来对内容进行3D变换。由于 Core Animation 是建立在OpenGL之上的，CALayer是OpenGL结构的一种封装，所以CATransform3D有着与OpenGL模型视图矩阵相同的内部结构。
CGAffineTransform包含于Core Graphics，是一个3x3的仿射矩阵，作为UIView的一个属性，常用来绘制2D图像或进行2D变换。
当满足条件时，CATransform3D和CGAffineTransform可以通过各自提供的函数进行等价转换。

实际应用

一个简单的Demo，结合了几种常见的CATransform3D用法。在处理打开效果时需要注意一些小问题，有兴趣的同学可以看看代码。

总结

CATransform3D是在开发中处理视图变形经常用到的技术，配合UIView的Block动画或CAAnimation可以轻松的做出大量流畅和高效的动画。