2024年7月21日

WPF 中某元素执行旋转动画时另一元素如何进行跟随

作者独立观察员在 WPF 标签 Kimi, TranslateTransform, VisualState, WPF, 动画, 旋转, 机械手, 跟随 | 387 次访问百度已收录

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WPF 中某元素执行旋转动画时另一元素如何进行跟随

独立观察员 2024 年 7 月 21 日

一、前言

最近要做一个机械手的动画，由于之前对于 WPF 的动画方面涉猎较少，所以先在网上找找有没有现成可参考的例子。很快啊，一下就找到了《WPF 开发经验 – 实现一种三轴机械手控件》这篇文章，第一眼看到其中开篇的动图，就知道很有参考价值，于是便开始研究。

我这里也先给出我改造之后运行效果的动图，大家可以先看看是不是自己需要的：

二、版本介绍

原文是没有给出项目地址的（不过代码还是贴得比较全的），所以我这个 Demo 中，“机械手动画” 标签页中的基本就是原文的代码，不过里面使用了 VisualTransition，我看了一下好像不太需要，所以精简为仅使用 VisualState 替代 VisualTransition 效果。

由于原始版本中，整个三轴机械手都是用 Xaml 代码（Path）绘制的，确实是比较精细，不过我个人感觉没必要，各部分零件用普通图片或者 Svg 图片即可，所以在 “机械手动画 (V2)” 中，我改为使用图片的方式（不过截图技术不太行，有点瑕疵），以下是两者代码结构的对比：

然后由于原版是使用 “自定义控件”，界面元素和动画都在样式里面，不太利于开发的时候调整位置，而且我感觉在这个场景下，“用户控件” 完全能够胜任，所以我在 “机械手动画 (V3)” 中使用了用户控件的方式进行改造，包括本文的重点 —— 跟随旋转动画。

三、动画简单介绍

本控件主要使用了 VisualState 机制进行各个部件的动画处理，基本机制就是前台定义了几个 VisualStateGroup，每个 VisualStateGroup 中有几个互斥的 VisualState，也就是对于一个组来说同时只会处于其中的一种状态，如果状态属于不同的组则可以同时出现。

至于每个 VisualState 中则是 Storyboard，如下图（RobotRunActions 组是我新增的）：

后台使用 VisualStateManager.GoToState 方法即可切换视觉状态：

具体的动画，以 Z 轴 (上下) 为例，就是在 “Z_Up” 或 “Z_Down” 等状态时，给柱子（pillar）和机械手（robot）的 TranslateTransform（放在 RenderTransform 的 TransformGroup 中）执行 Y 方向的偏移动画：

运行动画则要复杂一些，分别设置了大臂、小臂、抓手的 RotateTransform（通过设置 Angle 属性）来进行各部分的旋转：

四、各部分分别旋转产生的问题

各部分单独旋转会有什么问题呢？先来看看这张旋转介绍图：

其它地方都没有问题，就是如果大臂单独旋转时，就会与小臂分离开，因为小臂只有旋转的变换，没有平移的变换。

有人可能会说了，不是有整个机械手的旋转吗，为什么要让大臂单独旋转？原因有二：一是，如果只旋转整个机械手而不配合小臂旋转，则只能形成摆臂姿势，无法形成屈肘姿势；那如果配合小臂旋转呢，也不行，这就引出了第二个原因，因为整个机械手的旋转是代表 T 轴的动作 (旋转)，而大臂单独旋转则是代表了 X 轴 (前后伸缩) 的动作的，两者于情于理都不能混为一谈（不过因为只有二维平面，有的时候两者有点混在一起了）。

然后又有人可能会说了，小臂没有平移的变换，那就给它加上呗。是的，这确实是一个方法，原版也是这样做的，不过具体的写法不敢苟同，可以先来看看。

原版确实给小臂加上了平移变换（TranslateTransform），然后在 VisualState 中使用关键帧动画，写死了每一步的平移变换：

这个在原版代码中是能完美工作，但是一是不知道这个数据是怎么生成的，二是通用性太差了，所以对于新需求来说无法使用这个方案。

五、跟随旋转的解决方案

由于原版的跟随旋转方案行不通，我也没什么头绪，只能问问 [Kimi] 了，它倒是胸有成竹地回答了一通（https://kimi.moonshot.cn/share/cqefrnmc2kur5tngvmf0），确实很有启发，不过不能直接用，经过断断续续的几天尝试和研究，我最终调整出了满足需求的方法。

首先是两个附加属性 RotationCenter（旋转中心）和 RotationPointRelative（旋转点相对位置 – 内部计算和使用）：

然后又是两个附加属性 ChangedAngle（变化角度）和 GapPoint（跟随元素变换原点与元素左上角的相对位置 – 内部计算和使用）：

最后就是更新位置的方法了（这里最终是设置 Left 和 Top，应该可以改进为设置 TranslateTransform）：

使用方法如下（ChangeAngle 绑定变换角度，RotationCenter 设置为旋转元素的原点）：

使用时的关键代码：

<attached:RotateToTranslateAttached.ChangedAngle>
    <Binding ElementName="rotateTransform" Path="Angle"/>
</attached:RotateToTranslateAttached.ChangedAngle>
<attached:RotateToTranslateAttached.RotationCenter>
    <Point X="101" Y="154"/>
</attached:RotateToTranslateAttached.RotationCenter>

六、资源

代码托管：https://gitee.com/dlgcy/WPFTemplateLib/blob/master/Attached/RotateToTranslateAttached.cs

using System;
using System.Windows;
using System.Windows.Controls;

namespace WPFTemplateLib.Attached
{
    /*
    * 源码已托管：https://gitee.com/dlgcy/WPFTemplateLib
    * 版本：2024年7月21日
    */

    /// <summary>
    /// [DLGCY] 附加属性帮助类：旋转转为位移（用于跟随旋转）。
    /// </summary>
    /// <remarks>修改自[Kimi]的回答</remarks>
    public class RotateToTranslateAttached
    {
        #region [附加属性] 旋转中心
        public static Point GetRotationCenter(DependencyObject obj)
        {
            return (Point)obj.GetValue(RotationCenterProperty);
        }
        /// <summary>
        /// 旋转中心
        /// </summary>
        public static void SetRotationCenter(DependencyObject obj, Point value)
        {
            obj.SetValue(RotationCenterProperty, value);
        }
        /// <summary>
        /// [附加属性] 旋转中心
        /// </summary>
        public static readonly DependencyProperty RotationCenterProperty =
            DependencyProperty.RegisterAttached("RotationCenter", typeof(Point), typeof(RotateToTranslateAttached), new PropertyMetadata(new Point(), OnRotationCenterChanged));
        /// <summary>
        /// 旋转中心改变
        /// </summary>
        private static void OnRotationCenterChanged(DependencyObject d, DependencyPropertyChangedEventArgs e)
        {
            if(d is FrameworkElement element)
            {
                Point renderTransformOrigin = element.RenderTransformOrigin;
                double width = element.Width;
                double height = element.Height;
                double left = Canvas.GetLeft(element);
                double top = Canvas.GetTop(element);
                double transformX = left + width * renderTransformOrigin.X;
                double transformY = top + height * renderTransformOrigin.Y;
                double gapX = transformX - left;
                double gapY = transformY - top;
                SetGapPoint(d, new Point(gapX, gapY));

                var rotationCenter = GetRotationCenter(d);
                var rotationPointRelative = new Point(transformX - rotationCenter.X, transformY - rotationCenter.Y);
                SetRotationPointRelative(d, rotationPointRelative);
            }
        }
        #endregion

        #region [附加属性] 旋转点相对位置（私有）
        private static Point GetRotationPointRelative(DependencyObject obj)
        {
            return (Point)obj.GetValue(RotationPointRelativeProperty);
        }
        /// <summary>
        /// 旋转点相对位置（使用跟随元素的坐标减去旋转元素中心点的坐标）
        /// </summary>
        private static void SetRotationPointRelative(DependencyObject obj, Point value)
        {
            obj.SetValue(RotationPointRelativeProperty, value);
        }
        /// <summary>
        /// [附加属性] 旋转点相对位置
        /// </summary>
        public static readonly DependencyProperty RotationPointRelativeProperty =
            DependencyProperty.RegisterAttached("RotationPointRelative", typeof(Point), typeof(RotateToTranslateAttached), new PropertyMetadata(new Point()));
        #endregion

        #region [附加属性] 变化角度
        public static double GetChangedAngle(DependencyObject obj)
        {
            return (double)obj.GetValue(ChangedAngleProperty);
        }
        /// <summary>
        /// 变化角度
        /// </summary>
        public static void SetChangedAngle(DependencyObject obj, double value)
        {
            obj.SetValue(ChangedAngleProperty, value);
        }
        /// <summary>
        /// [附加属性] 变化角度
        /// </summary>
        public static readonly DependencyProperty ChangedAngleProperty =
            DependencyProperty.RegisterAttached("ChangedAngle", typeof(double), typeof(RotateToTranslateAttached), new PropertyMetadata(0d, ChangedAngleChangedCallback));
        /// <summary>
        /// 变化角度变化
        /// </summary>
        private static void ChangedAngleChangedCallback(DependencyObject d, DependencyPropertyChangedEventArgs e)
        {
            if(d is FrameworkElement element)
            {
                UpdateFollowPointPosition(element);
            }
        }
        #endregion

        #region [附加属性] 距离（私有）
        private static Point GetGapPoint(DependencyObject obj)
        {
            return (Point)obj.GetValue(GapPointProperty);
        }
        /// <summary>
        /// 距离
        /// </summary>
        private static void SetGapPoint(DependencyObject obj, Point value)
        {
            obj.SetValue(GapPointProperty, value);
        }
        /// <summary>
        /// [附加属性] 距离
        /// </summary>
        public static readonly DependencyProperty GapPointProperty =
            DependencyProperty.RegisterAttached("GapPoint", typeof(Point), typeof(RotateToTranslateAttached), new PropertyMetadata(new Point()));
        #endregion

        /// <summary>
        /// 更新位置
        /// </summary>
        private static void UpdateFollowPointPosition(DependencyObject d)
        {
            var element = d as FrameworkElement;
            if(element == null)
                return;

            var angle = GetChangedAngle(d);
            var rotationCenter = GetRotationCenter(d);
            var rotationPointRelative = GetRotationPointRelative(d);
            var gapPoint = GetGapPoint(d);

            var newLeft = rotationCenter.X + rotationPointRelative.X * Math.Cos(angle * Math.PI / 180) - rotationPointRelative.Y * Math.Sin(angle * Math.PI / 180);
            var newTop = rotationCenter.Y + rotationPointRelative.Y * Math.Cos(angle * Math.PI / 180) + rotationPointRelative.X * Math.Sin(angle * Math.PI / 180);

            newLeft = Math.Round(newLeft - gapPoint.X, 1);
            newTop = Math.Round(newTop - gapPoint.Y, 1);
            Canvas.SetLeft(element, newLeft);
            Canvas.SetTop(element, newTop);
        }
    }
}

也可以使用 NuGet 包：https://www.nuget.org/packages/WPFTemplateLib/

Demo 地址：https://gitee.com/dlgcy/WpfAnimationDemo/tree/Blog20240721

全文完，感谢阅读！欢迎交流讨论。

七、更新

2024年7月23日

RotateToTranslateAttachedV2：使用设置旋转元素（RotationElement）来取代设置旋转中心点，更加方便和准确，不过不确定会不会影响性能。支持旋转中心的动态偏移（旋转后识别）。支持通过设置 PositionChangeLeft 和/或 PositionChangeTop，以便在 “旋转元素” 只是平移（Canvas.Left 或 Canvas.Top 变化）的情况下，跟随元素能够跟随。

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原创文章，转载请注明： 转载自独立观察员(dlgcy.com)

本文链接地址: [WPF 中某元素执行旋转动画时另一元素如何进行跟随](https://dlgcy.com/wpf-animation-rotate-follow/)

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