iOS开发必会的坐标系探究

时间 2020-08-18

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本文由落影发表于云+社区专栏

前言

app在渲染视图时，须要在坐标系中指定绘制区域。这个概念看彷佛简单，事实并不是如此。html

When an app draws something in iOS, it has to locate the drawn content in a two-dimensional space defined by a coordinate system. This notion might seem straightforward at first glance, but it isn’t.

正文

咱们先从一段最简单的代码入手，在drawRect中显示一个普通的UILabel；为了方便判断，我把整个view的背景设置成黑色：java

- (void)drawRect:(CGRect)rect {
    [super drawRect:rect];
    CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
    NSLog(@"CGContext default CTM matrix %@", NSStringFromCGAffineTransform(CGContextGetCTM(context)));
    UILabel *testLabel = [[UILabel alloc] initWithFrame:CGRectMake(0, 0, 100, 28)];
    testLabel.text = @"测试文本";
    testLabel.font = [UIFont systemFontOfSize:14];
    testLabel.textColor = [UIColor whiteColor];
    [testLabel.layer renderInContext:context];
}

这段代码首先建立一个UILabel，而后设置文本，显示到屏幕上，没有修改坐标。因此按照UILabel.layer默认的坐标(0, 0)，在左上角进行了绘制。app

UILabel绘制机器学习

接着，咱们尝试使用CoreText来渲染一段文本。ide

- (void)drawRect:(CGRect)rect {
    [super drawRect:rect];
    CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
    NSLog(@"CGContext default matrix %@", NSStringFromCGAffineTransform(CGContextGetCTM(context)));
    NSAttributedString *attrStr = [[NSAttributedString alloc] initWithString:@"测试文本" attributes:@{
                                                                                                  NSForegroundColorAttributeName:[UIColor whiteColor],
                                                                                                  NSFontAttributeName:[UIFont systemFontOfSize:14],
                                                                                                  }];
    CTFramesetterRef frameSetter = CTFramesetterCreateWithAttributedString((__bridge CFAttributedStringRef) attrStr); // 根据富文本建立排版类CTFramesetterRef
    UIBezierPath * bezierPath = [UIBezierPath bezierPathWithRect:CGRectMake(0, 0, 100, 20)];
    CTFrameRef frameRef = CTFramesetterCreateFrame(frameSetter, CFRangeMake(0, 0), bezierPath.CGPath, NULL); // 建立排版数据
    CTFrameDraw(frameRef, context);
}

首先用NSString建立一个富文本，而后根据富文本建立CTFramesetterRef，结合CGRect生成的UIBezierPath，咱们获得CTFrameRef，最终渲染到屏幕上。可是结果与上文不一致：文字是上下颠倒。学习

CoreText的文本绘制测试

从这个不一样的现象开始，咱们来理解iOS的坐标系。字体

坐标系概念

在iOS中绘制图形必须在一个二维的坐标系中进行，但在iOS系统中存在多个坐标系，常须要处理一些坐标系的转换。先介绍一个图形上下文(graphics context)的概念，好比说咱们经常使用的CGContext就是Quartz 2D的上下文。图形上下文包含绘制所需的信息，好比颜色、线宽、字体等。用咱们在Windows经常使用的画图来参考，当咱们使用画笔🖌在白板中写字时，图形上下文就是画笔的属性设置、白板大小、画笔位置等等。ui

iOS中，每一个图形上下文都会有三种坐标：一、绘制坐标系（也叫用户坐标系），咱们平时绘制所用的坐标系；二、视图（view）坐标系，固定左上角为原点（0，0）的view坐标系；三、物理坐标系，物理屏幕中的坐标系，一样是固定左上角为原点；

根据咱们绘制的目标不一样（屏幕、位图、PDF等），会有多个context；

Quartz常见的绘制目标

不一样context的绘制坐标系各不相同，好比说UIKit的坐标系为左上角原点的坐标系，CoreGraphics的坐标系为左下角为原点的坐标系；

CoreGraphics坐标系和UIKit坐标系的转换

CoreText基于CoreGraphics，因此坐标系也是CoreGraphics的坐标系。咱们回顾下上文提到的两个渲染结果，咱们产生以下疑问： UIGraphicsGetCurrentContext返回的是CGContext，表明着是左下角为原点的坐标系，用UILabel（UIKit坐标系）能够直接renderInContext，而且“测”字对应为UILabel的（0，0）位置，是在左上角？当用CoreText渲染时，坐标是（0，0），可是渲染的结果是在左上角，并非在左下角；而且文字是上下颠倒的。为了探究这个问题，我在代码中加入了一行log： NSLog(@"CGContext default matrix %@", NSStringFromCGAffineTransform(CGContextGetCTM(context))); 其结果是CGContext default matrix [2, 0, 0, -2, 0, 200]； CGContextGetCTM返回是CGAffineTransform仿射变换矩阵：

一个二维坐标系上的点p，能够表达为(x, y, 1)，乘以变换的矩阵，以下：

把结果相乘，获得下面的关系

此时，咱们再来看看打印的结果[2, 0, 0, -2, 0, 200]，能够化简为 x' = 2x, y' = 200 - 2y 由于渲染的view高度为100，因此这个坐标转换至关于把原点在左下角（0，100）的坐标系，转换为原点在左上角（0，0）的坐标系！一般咱们都会使用UIKit进行渲染，因此iOS系统在drawRect返回CGContext的时候，默认帮咱们进行了一次变换，以方便开发者直接用UIKit坐标系进行渲染。

咱们尝试对系统添加的坐标变换进行还原：先进行CGContextTranslateCTM(context, 0, self.bounds.size.height); 对于x' = 2x, y' = 200 - 2y，咱们使得x=x,y=y+100；（self.bounds.size.height=100）因而有x' = 2x, y' = 200-2(y+100) = -2y; 再进行CGContextScaleCTM(context, 1.0, -1.0); 对于x' = 2x, y' = -2y，咱们使得x=x, y=-y; 因而有 x'=2x, y' = -2(-y) = 2y；

- (void)drawRect:(CGRect)rect {
    [super drawRect:rect];
    CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
    CGContextTranslateCTM(context, 0, self.bounds.size.height);
    CGContextScaleCTM(context, 1.0, -1.0);
    NSLog(@"CGContext default matrix %@", NSStringFromCGAffineTransform(CGContextGetCTM(context)));
    NSAttributedString *attrStr = [[NSAttributedString alloc] initWithString:@"测试文本" attributes:@{
                                                                                                  NSForegroundColorAttributeName:[UIColor whiteColor],
                                                                                                  NSFontAttributeName:[UIFont systemFontOfSize:14],
                                                                                                  }];
    CTFramesetterRef frameSetter = CTFramesetterCreateWithAttributedString((__bridge CFAttributedStringRef) attrStr); // 根据富文本建立排版类CTFramesetterRef
    UIBezierPath * bezierPath = [UIBezierPath bezierPathWithRect:CGRectMake(0, 0, 100, 20)];
    CTFrameRef frameRef = CTFramesetterCreateFrame(frameSetter, CFRangeMake(0, 0), bezierPath.CGPath, NULL); // 建立排版数据
    CTFrameDraw(frameRef, context);
}

经过log也能够看出来CGContext default matrix [2, 0, -0, 2, 0, 0]； 最终结果以下，文本从左下角开始渲染，而且没有出现上下颠倒的状况。

这时咱们产生新的困扰：用CoreText渲染文字的上下颠倒现象解决，可是修改后的坐标系UIKit没法正常使用，如何兼容两种坐标系？ iOS可使用CGContextSaveGState()方法暂存context状态，而后在CoreText绘制完后经过CGContextRestoreGState ()能够恢复context的变换。

- (void)drawRect:(CGRect)rect {
    [super drawRect:rect];

    CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
    NSLog(@"CGContext default matrix %@", NSStringFromCGAffineTransform(CGContextGetCTM(context)));
    CGContextSaveGState(context);
    CGContextTranslateCTM(context, 0, self.bounds.size.height);
    CGContextScaleCTM(context, 1.0, -1.0);
    NSAttributedString *attrStr = [[NSAttributedString alloc] initWithString:@"测试文本" attributes:@{
                                                                                                  NSForegroundColorAttributeName:[UIColor whiteColor],
                                                                                                  NSFontAttributeName:[UIFont systemFontOfSize:14],
                                                                                                  }];
    CTFramesetterRef frameSetter = CTFramesetterCreateWithAttributedString((__bridge CFAttributedStringRef) attrStr); // 根据富文本建立排版类CTFramesetterRef
    UIBezierPath * bezierPath = [UIBezierPath bezierPathWithRect:CGRectMake(0, 0, 100, 20)];
    CTFrameRef frameRef = CTFramesetterCreateFrame(frameSetter, CFRangeMake(0, 0), bezierPath.CGPath, NULL); // 建立排版数据
    CTFrameDraw(frameRef, context);
    CGContextRestoreGState(context);
    
    
    NSLog(@"CGContext default CTM matrix %@", NSStringFromCGAffineTransform(CGContextGetCTM(context)));
    UILabel *testLabel = [[UILabel alloc] initWithFrame:CGRectMake(0, 0, 100, 20)];
    testLabel.text = @"测试文本";
    testLabel.font = [UIFont systemFontOfSize:14];
    testLabel.textColor = [UIColor whiteColor];
    [testLabel.layer renderInContext:context];
}

渲染结果以下，控制台输出的两个matrix都是[2, 0, 0, -2, 0, 200]；

遇到的问题

一、UILabel.layer在drawContext的时候frame失效

初始化UILabel时设定了frame，可是没有生效。 UILabel *testLabel = [[UILabel alloc] initWithFrame:CGRectMake(20, 20, 100, 28)]; 这是由于frame是在上一层view中坐标的偏移，在renderInContext中坐标起点与frame无关，因此须要修改的是bounds属性： testLabel.layer.bounds = CGRectMake(50, 50, 100, 28);

二、renderInContext和drawInContext的选择

在把UILabel.layer渲染到context的时候，应该采用drawInContext仍是renderInContext？

虽然这两个方法均可以生效，可是根据画线部分的内容来判断，仍是采用了renderInContext，而且问题1就是由这里的一句Renders in the coordinate space of the layer，定位到问题所在。

三、如何理解CoreGraphics坐标系不一致后，会出现绘制结果异常？

个人理解方法是，咱们能够先不考虑坐标系变换的状况。以下图，上半部分是普通的渲染结果，能够很容易的想象；接下来是增长坐标变换后，坐标系变成原点在左上角的顶点，至关于按照下图的虚线进行了一次垂直的翻转。

也能够按照坐标系变换的方式去理解，将左下角原点的坐标系相对y轴作一次垂直翻转，而后向上平移height的高度，这样获得左上角原点的坐标系。

附录

Drawing and Printing Guide for iOS Quartz 2D Programming Guide

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