iOS开发-Quartz 2D基础篇

Quartz 2D是一个二维图形绘制引擎，支持iOS环境和Mac OS X环境。我们可以使用Quartz 2D API来实现许多功能，如基本路径的绘制、透明度、描影、绘制阴影、透明层、颜色管理、反锯齿、PDF文档生成和PDF元数据访问。

绘制原理

Quartz 2D在图像绘制中使用了绘画者模型。在绘画者模型中，每个连续的绘制操作都是将一个绘制层放置于一个画布(canvas)，我们可以理解为图像的绘制即为在画布上绘画，而绘画操作的顺序同时影响着我们绘制的结果，如图：

图形上下文（Graphics Context）

一个Graphics Context表示一个绘制目标。它包含完成绘制任务所需的一些绘制参数和设备相关信息。Graphics Context定义了基本的绘制属性，如颜色、裁减区域、线条宽度和字体信息、混合模式等。

Quartz 2D 坐标系

Quartz 2D中默认的坐标系统为：左下角为坐标系统原点(0,0)，屏幕水平方向为x轴，沿着x轴从左到右为正方向；屏幕垂直方向为y轴，沿着y轴从下到上为正方向。在实际应用中，不同的Graphics Context可能使用了不同的坐标系统，它们在Quartz 2D默认的坐标系统基础之上做了调整，来适应不同的场景。

iOS中的视图绘制

在iOS应用程序中，如果需要在屏幕上进行视图绘制，需要创建一个UIView对象，UIView是定义为在屏幕上的一块矩形区域，用于管理这块区域所呈现的内容，而在这个矩形区域内，我们可以通过重写drawRect:方法来自定义一些需要显示的内容。drawRect:方法在视图显示在屏幕上及它的内容需要更新时被系统自动调用，我们手动调用是无效的，系统提供了两个方法让我们进行间接调用drawRect:来达到重绘视图的目的：

// 方法一：重新绘制这个view
- (void)setNeedsDisplay;
// 方法二：重新绘制view的某个区域
- (void)setNeedsDisplayInRect:(CGRect)rect;

获取Graphics Context

在调用自定义的drawRect:后，视图对象自动配置绘图环境以便代码能立即执行绘图操作。作为配置的一部分，视图对象将为当前的绘图环境创建一个Graphics Context。我们可以在drawRect:中使用代码获取这个context：

CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();

这里需要注意的是，这个context的坐标系是默认原点位于左上角，y轴正方向为向下。这是因为UIKit使用的默认的坐标系统与Quartz 2D默认的坐标系统不同，在UIKit中，默认原点位于左上角，y轴正方向为向下。所以UIView通过修改Quartz的Graphics Context的CTM（ps：一种仿射矩阵，通过平移(translation)、旋转(rotation)、缩放(scale)操作可以将点从一个坐标空间映射到另外一个坐标空间）以使其与UIKit的坐标系匹配。

创建与绘制路径（Path）

路径我们可以理解为我们手中的画笔绘制出来的一个或者多个形状（子路径），每一个形状可以是线、圆、矩形、星形等简单的形状，也可以是一些更复杂的自定义形状。如下图显示了一些路径。左上角的直线可以是虚线；直线也可以是实线。上边中间的路径是由多条曲线组成的开放路径；右上角的同心圆填充了颜色，但没有描边；左下角的加利福尼亚州是闭合路径，由许多曲线和直线构成，且对路径进行填充和描边。

• 创建路径：
  路径的创建和绘制是两个独立的工作，我们可以手动创建一个路径，也可以使用一些便利的函数帮我们隐式的创建一些路径，我们获取到的Quartz Context其实默认会在内部创建一个path用来保存绘图信息。我们以构建一条直线线段路径为例：

    - (void)drawRect:(CGRect)rect {
    
    // 1.获取Quartz Context
    CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
    // 2.开始构建路径，设置一个起点的坐标，绘制系统会追踪至该点进行绘制
    // 参数一：关联的绘制目标
    // 参数二：起点的x坐标
    // 参数三：起点的y坐标
    CGContextMoveToPoint(context, 100, 100);
    // 3.将当前点与一个点（这里我们举例为（200，100））之间构建一条直线
    // 参数一：关联的绘制目标
    // 参数二：该端点的x坐标
    // 参数三：该端点的y坐标
    CGContextAddLineToPoint(context, 200, 100);
    
    }

让我们共同分析一下上面的代码:
第一步，我们在drawRect:方法中获取Quartz Context；
第二步，我们准备开始构建路径，在构建路径时我们使用了CGContextMoveToPoint()函数来确定绘制的一个起始点，context会将该点信息存储至默认生成的path中；
第三步，我们使用了CGContextAddLineToPoint()函数将两点之间建立直线关系，同样context会将该点信息也存储至默认生成的path中，注意此时，我们只是构建了一个直线路径，并没有绘制，所以运行后不会有效果。
但是上述代码的可读性并不友好，而且在绘制路径后，系统将清空Quartz Context，我们可能想保留路径，特别是在绘制一些比较复杂场景时，我们需要反复使用，所以我们在实际开发中，通常会手动创建一个path对象，而且这个path对象通常是可变的，使用的函数为CGPathCreateMutable()，数据类型为：CGMutablePathRef，然后我们可以向该对象添加直线、弧、曲线和矩形等。Quartz提供了一个类似于操作图形上下文的CGPath的函数集合。这些路径函数直接操作CGPath对象，而不是Quartz Context。这些函数包括：

CGPathCreateMutable，取代CGContextBeginPath
CGPathMoveToPoint，取代CGContextMoveToPoint
CGPathAddLineToPoint，取代CGContexAddLineToPoint
CGPathAddCurveToPoint，取代CGContexAddCurveToPoint
CGPathAddEllipseInRect，取代CGContexAddEllipseInRect
CGPathAddArc，取代CGContexAddArc
CGPathAddRect，取代CGContexAddRect
CGPathCloseSubpath，取代CGContexClosePath

如果想要添加一个路径或者多个路径到Quartz Context，可以调用CGContextAddPath。路径将保留在Quartz Context中，直到Quartz绘制它。

• 绘制路径：
  构建路径后我们可以给它描边(Stroke)或者填充(Fill)。
  描边：绘制路径的边框；
  填充：填充是绘制路径包含的区域。
  Quartz提供了关于描边和填充的函数，我们可以设置描边线的属性，如宽度、颜色等，也可以设置填充的颜色以及填充的方式。

基本图形绘制

• 线段绘制：
  一条最基本的直线线段需要两个端点，一个起始点一个结束点，下面的代码案例绘制了一条P1(100, 100) 至P2(200, 100)之间的直线线段；

    CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
    CGMutablePathRef linePath = CGPathCreateMutable();
    // 设置一个起点的坐标，绘制系统会追踪至该点进行绘制
    CGPathMoveToPoint(linePath, NULL, 100, 100);
    // 将当前点与一个点（这里我们举例为（200，100））之间构建一条直线
    CGPathAddLineToPoint(linePath, NULL, 200, 100);
    CGContextAddPath(context, linePath);
    // 设置描边的颜色（两种方式）
    // 方法一：
    // CGContextSetRGBStrokeColor(context, 211.f / 255.f, 106.f / 255.f, 119.f / 255.f, 1.0);
    // 方法二：
    [[UIColor redColor] setStroke];
    // 设置描边的宽度
    CGContextSetLineWidth(context, 10);
    // 绘制路径－仅描边
    CGContextStrokePath(context);
    // 注意内存管理
    CGPathRelease(linePath);

• 多条连续线段绘制：
  如果绘制多个且连续的线段，只需多次调用CGPathAddLineToPoint()函数连接更多的点即可，当然也有更便利的方式提供给我们:

    CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
    CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
    CGMutablePathRef linesPath = CGPathCreateMutable();
    CGPoint pointArray[] = {CGPointMake(100, 100), CGPointMake(200, 100), CGPointMake(200, 200), CGPointMake(100, 200)};
    // 通过数组绘制一条多端点的线
    // 参数一：关联的绘制路径
    // 参数二：仿射变化
    // 参数三：数组
    // 参数四：数组元素个数
    CGPathAddLines(linesPath, NULL, pointArray, sizeof(pointArray) / sizeof(CGPoint));
    CGContextAddPath(context, linesPath);
    // 设置填充的颜色
    // 方法一：
    CGContextSetRGBFillColor(context, 211.f / 255.f, 106.f / 255.f, 119.f / 255.f, 1.0);
    // 方法二：
    [[UIColor redColor] setFill];
    // 闭合绘制路径，会从当前点绘制至起点
    CGContextClosePath(context);
    // 绘制路径-仅描边
    //    CGContextStrokePath(context);
    // 绘制路径-仅填充
    //    CGContextFillPath(context);
    // 绘制路径-既有描边也有填充
    CGContextDrawPath(context, kCGPathFillStroke);
    CGPathRelease(linesPath);

• 弧线绘制：
  弧指的是圆弧段。我们指定一个圆心，半径和放射角(以弧度为单位)。放射角为2*PI时，创建的是一个圆。

    CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
    CGMutablePathRef arcPath = CGPathCreateMutable();
    // 绘制一条弧
    // 参数一：关联的绘制路径
    // 参数二：仿射变化
    // 参数三：原点的坐标x
    // 参数四：原点的坐标y
    // 参数五：半径
    // 参数六：起始弧度
    // 参数七：结束弧度
    // 参数八：绘制方向（0为顺时针，1为逆时针）
    CGPathAddArc(arcPath, NULL, 100, 100, 50, 0, 135 * (M_PI / 180), 1);
    CGContextAddPath(context, arcPath);
    CGContextStrokePath(context);
    CGPathRelease(arcPath);   

• 贝赛尔（Bezier）曲线绘制：
  Bezier曲线是应用于二维图形的曲线。曲线由顶点和控制点组成，通过改变控制点坐标可以改变曲线的形状。
  一次Bezier曲线是由P0至P1的连续点，描述的一条线段：
  

二次Bezier曲线是 P0至P1 的连续点Q0和P1至P2 的连续点Q1 组成的线段上的连续点B(t)，描述一条抛物线：

三次Bezier曲线：

绘制一条三次Bezier曲线：

CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
CGMutablePathRef curvePath = CGPathCreateMutable();
CGPathMoveToPoint(curvePath, NULL, 20, 100);
// 绘制贝赛尔曲线
// 参数一：关联的绘制路径
// 参数二：仿射变化
// 参数三：控制点1的x坐标
// 参数四：控制点1的y坐标
// 参数五：控制点2的x坐标
// 参数六：控制点2的y坐标
// 参数七：终点的x坐标
// 参数八：终点的y坐标
CGPathAddCurveToPoint(curvePath, NULL, 50, 50, 80, 100, 130, 100);
CGContextAddPath(context, curvePath);
CGContextStrokePath(context);
CGPathRelease(curvePath);   

• 矩形绘制：
  我们可以调用CGPathAddRect或者CGContextAddRect来添加一个矩形到当前路径中，并提供一个CGRect结构体(包含矩形的原点及大小)作为参数。
  添加到路径的矩形开始于一个move-to-point操作，结束于一个close-subpath操作，所有的移动方向都是顺时针。
  我们也可能调用CGPathAddRects或者CGContextAddRects函数来添加一系列的矩形到当前路径，并传递一个CGRect结构体的数组。

    CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
    
    CGMutablePathRef rectPath = CGPathCreateMutable();
    // 绘制矩形
    // 参数一：关联的绘制路径
    // 参数二：仿射变化
    // 参数二：绘制位置及大小
    CGPathAddRect(rectPath, NULL, CGRectMake(100, 100, 100, 100));
    
    CGContextAddPath(context, rectPath);
    CGContextStrokePath(context);
    CGPathRelease(rectPath);

• 椭圆绘制：
  椭圆是一种特殊的圆。椭圆是通过定义两个焦点，在平面内所有与这两个焦点的距离之和相等的点所构成的图形。

    CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
    
    CGMutablePathRef ellipsePath = CGPathCreateMutable();
    // 绘制椭圆
    // 参数一：关联的绘制路径
    // 参数二：仿射变化
    // 参数三：绘制的位置及大小
    CGPathAddEllipseInRect(ellipsePath, NULL, CGRectMake(100, 100, 200, 200));
    
    CGContextAddPath(context, ellipsePath);
    [[UIColor redColor] setFill];
    CGContextDrawPath(context, kCGPathFillStroke);
    CGPathRelease(ellipsePath);

参考：《Quartz 2D Programming Guide》