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LaTeX技巧906：插入动画（animate 宏包教程）
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在最初学习 LaTeX 插图的时候，我就发现，基本的 LaTeX 手段不支持 GIF 格式的动图。虽然一直保持对此的好奇，但是因为没有实际需要，再加上「论文等文稿不适合插入动画」的论调，所以一直没有去探究可行性和解决办法。 前段时间，因为制作一个幻灯片（离散卷积和卷积神经网络）的需要，不得不插入动画以演示「卷积」的过程和效果。于是就借此机会，摸索了如何在 LaTeX 中插入动画。此文是对上述过程的归纳总结。 本文主要介绍两部分内容 如何在 LaTeX 中插入 GIF 格式的动图； 如何在 LaTeX 中插入 TikZ 代码绘制的动画。 以及介绍一些运用动画效果实现的黑科技效果。 主角登场——animate 宏包 要在 LaTeX 中插入动画，首先要考虑输出文件类型是否支持这样的需求。否则，插入动画就变成了无根之木、无源之水。 目前来说，主流的 LaTeX 输出格式是 PDF。PDF 的全称是 Portable Document Format。它是最早由 Adobe 公司提出的文档格式标准；因其优良的特性，现已逐渐发展成为固定格式文本交换的事实标准。 自 2000 年始，1.3 版本的 PDF 开始支持 JavaScript。而后，相关特性在后续版本中不断完善。因此，若是 PDF 浏览器支持相关 API，则可以利用 JavaScript 在 PDF 文稿中做到很多事情——当然，包括了动画。因此，在 PDF 中插入动画是可能的。 Alexander Grahn 根据上述 API，开发了 animate 宏包。该宏包利用 JavaScript，允许用户在 LaTeX 文稿中插入动画，并在支持 JavaScript 的 PDF 阅读器中查看。特别喜人的是，animate 宏包支持目前最流行的几种编译方式；因此，你无须像使用 media9 之类的宏包那样，被编译方式绊住脚。目前 animate 支持的编译方式有 pdfLaTeX / LuaLaTeX LaTeX -> dvips -> ps2pdf / LaTeX -> dvipdfmx XeLaTeX -> xdvipdfmx 当然，支持这些特性的 PDF 阅读器则比较少。目前已知的有 Adobe Acrobat / Reader PDF-XChange Foxit Reader 使用 animate 宏包 此处不表如何安装 animate 宏包，我们来看如何使用 animate 宏包。 和其它宏包一样，在 LaTeX 中使用 \usepackage[]{animate} 即可引入 animate 宏包。唯独需要注意的有三点 必须在引入 animate 宏包之前，显式地引入 graphicx 宏包； 若希望使用 LaTeX -> dvipdfmx 这一工具链，则需要给 graphicx 和 animate 宏包都加上 dvipdfmx 选项（原因）； 和交叉引用中遇到的问题一样，使用 animate 宏包创建动画，也需要两次编译（第一次创建 JavaScript 内容，第二次在具体位置插入内容）。 animate 宏包支持不少参数。不过，仅有 dvipdfmx 和 xetex 两个驱动选项只能在载入宏包时使用——而其中仅有 dvipdfmx 是必须的。宏包支持的其他参数，具体的命令、环境也都支持。若是在载入宏包是提供这些参数，相当于给命令、环境设置了「默认值」。因此，这部分参数放在之后具体介绍。 使用 animate 宏包插入 GIF 动图——\animategraphics animate 提供了 \animategraphics 命令，用于插入「一系列」的图片，而后将他们组成动画——相当于插入了动图。 具体来说，其命令是 \animategraphics[]{}{}{}{} 此处 options 是命令的参数，主要用于控制动画的各种效果，具体参数将在下一节中介绍。先前我们讲过这部分参数大都也可用于宏包选项。frame rate 的单位是 Hz，表示 1 秒钟内，「放映」多少帧。 前面说该命令用于插入一系列图片，animate 宏包要求这一系列图片有共同的文件名前缀，而后以数字编号表述其顺序。file basename 选项用于记录该前缀；first 和 last 则是这一系列图片编号的起止。 关于文件名后缀，animate 也做了具体要求。首先，animate 要求插入的图片，后缀名必须是小写。其次，animate 对文件搜索顺序做了规定（实际上是 graphicx 的规定）： pdfLaTeX / LuaLaTeX：pdf, mps, png, jpg, jpeg, jbig2, jb2, jp2, j2k, jpx XeLaTeX / LaTeX -> dvipdfmx：pdf, mps, eps, ps, png, jpg, jpeg, bmp LaTeX -> dvips -> ps2pdf：eps, mps, ps 注意到两件事情：一，上述后缀名中没有 gif，这意味着不能直接插入 GIF 格式的动图；二，前面提到，使用 animate 宏包插入动图实际是插入一系列的图片，这意味着我们需要将 GIF 格式的动图，预先转换成一系列符合要求的格式之图片。 转换格式需要用到 ImageMagick 这一开源的工具。安装它，Mac 用户可以使用 brew install ImageMagick，Linux 用户可以使用各自的包管理器，Windows 用户则需要下载安装。 安装好 ImageMagick 之后，我们就可以用它提供的 convert 命令将 GIF 格式的动图逐帧地切分成一系列图片了。假设你的目标图片是 foo.gif，那么使用如下命令可以得到一系列图片：foo-0.png, foo-1.png, foo-2.png, … convert foo.gif -coalesce foo.png 而后，我们就可以用 animate 提供的 \animategraphics 命令插入动图了。 \documentclass{article} \usepackage{graphicx} \usepackage{animate} \begin{document} \animategraphics{24}{foo-}{0}{300} \end{document} 图片引用自 Wikipedia。
animate 选项
animate 宏包提供的选项，按照适用范围可以分为三类：只能用于宏包的选项、只能用于接口的选项（命令和环境）、二者皆适用的选项。现分别介绍。
这里仅介绍其中重要的部分，未尽之详细，请参考 animate 的宏包文档。
只能用于宏包的选项
dvipdfmx：驱动选项，表示用户希望使用 LaTeX -> dvipdfmx 进行编译。
xetex：驱动选项，表示用户希望使用 XeLaTeX -> xdvipdfmx 进行编译。
只能用于接口的选项
这里的接口指的是 animate 宏包提供的用户接口。例如我们已经见过的 \animategraphics 命令，以及下一节会介绍的 animateinline 环境。
label=：为 animate 对象指定唯一的标签，可用于之后的 JavaScript 控制。
every=：只为每个第 帧构建动画，而忽略剩余的帧。
二者皆适用的选项
type=：使用指定的图片类型（而不按照前面提到的顺序搜索）。
poster[= first | | last | none]：指定用于打印和默认展示的动画帧，默认是第一帧。
autopause：当动画所在页不再呈现时，自动暂停动画。
autoresume：当被暂停的动画重新呈现时，自动恢复播放。
autoplay：当动画所在页在 PDF 阅读器中呈现时，自动播放动画。
loop：播放到最后一帧时，从第一帧开始继续播放；如此往复。
palindrome：播放到最后一帧时，逐帧倒退；如此往复。
step：忽略 frame rate，只在每次点击鼠标时播放一帧。
width=, height=, totalheight=, keepaspectratio：按绝对长度缩放动画的大小。
scale=：按比例缩放动画的大小。
controls：展示用于控制动画的按钮。
begin=, end=：仅用于 animateinline 环境，在每一帧的内容前后添加相应内容。
使用 animate 插入用户绘制的动画——animateinline 环境
之前我们介绍了如何使用 ImageMagick 拆分 GIF 动图，而后用 \animategraphics 将拆分得到的一系列图片在 LaTeX 中插入 PDF 文档，变成动画。然而，这可能存在几个问题
从它处获取的 GIF 动图可能侵犯他人版权；
自行制作 GIF 动图成本较高——不如直接用 TikZ 等工具绘制。
因此，这就引出了更高级的主题：使用 animate 宏包，插入用户自行绘制的动画。这需要引入一个新的用户接口——animateinline 环境。它的语法是这样的：
\begin{animateinline}[]{}
... typeset material ...
\newframe[]
... typeset material ...
\newframe*[]
... typeset material ...
\newframe
\multiframe{}{[]}{
... repeated (parameterized) material ... }
\end{animateinline}
显而易见，animateinline 环境的语法比 \animategraphics 要复杂得多。不过，仔细看的话，其实是有想通之处的。
首先，和 \animategraphics 命令一样，animateinline 环境允许用户通过 options 和 frame rate 控制动画的基本行为。不同之处在于，\animategraphics 的动画内容是固定死的——由图片提供，而 animateinline 的动画内容则需要用户在 LaTeX 代码中逐帧绘制。因此，animateinline 环境提供了三个命令来辅助和控制这些内容。
\newframe 和 \newframe* 的作用正如其名：结束上一帧并开始下一帧。唯一的不同在于，\newframe 会立即开始下一帧，而 \newframe* 则会暂停并等待用户的点击再开始下一帧。它们接受一个可选参数，以便在动画的中途改变 frame rate。
\multiframe 则更为强大，它能提供类似循环的功能，并将「循环变量」传递到 \multiframe 内部供内部绘图命令使用。具体来说，首先我们需要给出循环的次数 number of frames，而后指定循环变量 variables。循环变量的书写格式如下
=+
这里，variable name 由若干个字母组成，不含 LaTeX 命令的反斜线。需要注意的是，variable name 的首字母是有意义的，它决定了变量的类型。
整数：i, I
浮点数：n, N, r, R
长度：d, D
initial value 表示循环变量的初始值，而 increment 表示循环变量在每次循环末尾自增的值。
因此，我们可以写出如下代码
\multiframe{10}{iAngle=0+10, dLineWidth=3pt+-0.1pt}{
... repeated (parameterized) material ... }
这样，循环会执行 10 次，同时带有两个循环变量：整型变量 iAngle 和 dLineWidth。前者从 0 开始，每次增加 10；后者从 3pt 开始，每次减少 0.1pt。而后，在循环体中（\multiframe 命令的内部），我们就可以使用 \iAngle 和 \dLineWidth 获得循环变量的值了。
\documentclass{article}
\usepackage{graphicx}
\usepackage{animate}
\usepackage{tikz}
\usetikzlibrary{positioning}
\tikzset{global scale/.style={
scale=#1,
every node/.append style={scale=#1}
}
}
\tikzset{global xscale/.style={
xscale=#1,
every node/.append style={xscale=#1}
}
}
\tikzset{global yslant/.style={
yslant=#1,
every node/.append style={yslant=#1}
}
}
\newcommand{\twodimdrawcontent}[2]{%
\useasboundingbox (0, -6) rectangle (16.1, 3);
\begin{scope}[global yslant = -0.6, xshift = 1cm, yshift = -1cm]
\node (A) at (0, 0) {};
\node (B) at (3, 0) {};
\node (C) at (3, 3) {};
\node (D) at (0, 3) {};
\draw (0,0) grid (3,3);
\end{scope}
\node[anchor = north, xscale = 2] at (2, -5) {Kernel};
\begin{scope}[xshift = 6cm, global yslant = -0.6, yshift = -2cm]
\node (E) at (0cm + #1cm, 2cm - #2cm) {};
\node (F) at (3cm + #1cm, 2cm - #2cm) {};
\node (G) at (3cm + #1cm, 5cm - #2cm) {};
\node (H) at (0cm + #1cm, 5cm - #2cm) {};
\draw[fill, blue!20] (0cm + #1cm, 2cm - #2cm) rectangle (3cm + #1cm, 5cm - #2cm);
\draw[fill, blue!50] (1cm + #1cm, 3cm - #2cm) rectangle (2cm + #1cm, 4cm - #2cm);
\draw (0,0) grid (5,5);
\end{scope}
\node[anchor = north, xshift = 6cm, xscale = 2] at (2, -5) {Input};
\begin{scope}[xshift = 12cm, global yslant = -0.6, xshift = 1cm, yshift = -1cm]
\node (I) at (0.5cm + #1cm, 2.5cm - #2cm) {};
\draw[fill, red!20] (0cm + #1cm, 2cm - #2cm) rectangle (1cm + #1cm, 3cm - #2cm);
\draw (0,0) grid (3, 3);
\end{scope}
\node[anchor = north, xshift = 12cm, xscale = 2] at (2, -5) {Output};
\draw[dashed, blue] (A.center) -- (E.center);
\draw[dashed, blue] (B.center) -- (F.center);
\draw[dashed, blue] (C.center) -- (G.center);
\draw[dashed, blue] (D.center) -- (H.center);
\draw[dashed, red] (E.center) -- (I.center);
\draw[dashed, red] (F.center) -- (I.center);
\draw[dashed, red] (G.center) -- (I.center);
\draw[dashed, red] (H.center) -- (I.center);
}
\begin{document}
\begin{animateinline}[
loop,autopause,controls,
buttonsize=1.2em,
buttonbg=0.6:0.6:1,buttonfg=0.2:0.2:1,
begin={\begin{tikzpicture}[global scale = 0.7, global xscale = 0.5, on grid]},
end={\end{tikzpicture}}]{1.8}
\multiframe{3}{icol=0+1}{%
\xdef\icol{\icol}
\xdef\irow{0}
\whiledo{\lengthtest{\irow sp < 2sp}}{
\twodimdrawcontent{\irow}{\icol}
\newframe
\pgfmathsetmacro{\irow}{\irow + 1}
\xdef\irow{\irow}
}
\twodimdrawcontent{\irow}{\icol}
}
\end{animateinline}
\end{document}
绘图的核心代码定义在 \twodimdrawcontent 这一命令当中。该命令的内容完全是 TikZ 的语法，不在此篇的涵盖范畴中。因此不表。唯一需要注意的是，我们使用了 \useasboundingbox (0, -6) rectangle (16.1, 3); 限定每一个动画帧的大小。这是因为 animateinline 会根据第一帧的大小来确定动画的大小；若是每一帧大小不同，则可能出现某些帧显示不全的现象。
我们仔细看 animateinline 环境中的参数。loop, autopause, controls 我们很熟悉了；buttomsize, buttonbg, buttonfg 顾名思义，是用来调整按钮的样式的；begin 和 end 则在每一帧的内容前后加上了 tikzpicture 环境。这样，我们可以直接使用 \twodimdrawcontent 来绘制动画帧。
animateinline 环境的帧率（frame rate）是 1.8，这意味着每秒会播放 1.8 个动画帧（每 5 秒播放 9 帧）。具体的动画帧内容，则由 \multiframe 给出。
\multiframe 循环 3 次，对应循环变量为 icol。这是一个整型变量，从 0 开始每次自增 1。在循环体内，我们首先定义 \xdef\icol{\icol}；这是因为，\multiframe 给出的循环变量，若直接传给 \twodimdrawcontent 则无法正确展开。随后我们将 \irow 定义为 0。接下来，我们使用 \whiledo 的循环。此处不使用 \multiframe 的原因是它无法嵌套。这一循环的变量是 \irow。它从 0 开始，每次循环末尾由 \pgfmathsetmacro{\irow}{\irow + 1}, \xdef\irow{\irow} 自增 1。\whiledo 循环两次，内部用 \twodimdrawcontent{\irow}{\icol}, \newframe 制作出一帧动画。最后在 \whiledo 循环的外部，画出第三帧。
如此，就能得到我们在前文中的动画效果了。
偏好使用 PSTricks 的用户，可以参考 animate 宏包文档里的示例。
一点彩蛋
\documentclass{article}
\usepackage{graphicx}
\usepackage{animate}
\newcommand{\myemph}[1]{%
\begin{animateinline}[autoplay, loop]{.5}
\emph{#1}
\newframe[1.5]
\relax
\end{animateinline}}
\begin{document}
This is \myemph{important}!
\end{document}
选自：https://liam0205.me/2017/08/10/importing-animate-in-LaTeX/
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