iOS开发必会的坐标系探究

**欢迎大家前往[腾讯云+社区](https://cloud.tencent.com/developer/?fromSource=waitui)，获取更多腾讯海量技术实践干货哦~** > 本文由[落影](https://cloud.tencent.com/developer/user/1024461?fromSource=waitui)发表于[云+社区专栏](https://cloud.tencent.com/developer/column/2672?fromSource=waitui) # 前言 app在渲染视图时，需要在坐标系中指定绘制区域。 这个概念看似乎简单，事实并非如此。 > 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 我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： ```javascript - (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]; } ``` 这段代码首先创建一个UILabel，然后设置文本，显示到屏幕上，没有修改坐标。 所以按照UILabel.layer默认的坐标(0, 0)，在左上角进行了绘制。 UILabel绘制 接着，我们尝试使用CoreText来渲染一段文本。 ```javascript - (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); // 根据富文本创建排版类CTFramesetterRef UIBezierPath * bezierPath = [UIBezierPath bezierPathWithRect:CGRectMake(0, 0, 100, 20)]; CTFrameRef frameRef = CTFramesetterCreateFrame(frameSetter, CFRangeMake(0, 0), bezierPath.CGPath, NULL); // 创建排版数据 CTFrameDraw(frameRef, context); } ``` 首先用NSString创建一个富文本，然后根据富文本创建CTFramesetterRef，结合CGRect生成的UIBezierPath，我们得到CTFrameRef，最终渲染到屏幕上。 但是结果与上文不一致：文字是上下颠倒。 CoreText的文本绘制 从这个不同的现象开始，我们来理解iOS的坐标系。 ### 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，常需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，比如说我们常用的CGContext就是Quartz 2D的上下文。图形上下文包含绘制所需的信息，比如颜色、线宽、字体等。用我们在Windows常用的画图来参考，当我们使用画笔????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。 iOS中，每个图形上下文都会有三种坐标： 1、绘制坐标系（也叫用户坐标系），我们平时绘制所用的坐标系； 2、视图（view）坐标系，固定左上角为原点（0，0）的view坐标系； 3、物理坐标系，物理屏幕中的坐标系，同样是固定左上角为原点；  根据我们绘制的目标不同（屏幕、位图、PDF等），会有多个context； Quartz常见的绘制目标 不同context的绘制坐标系各不相同，比如说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，所以坐标系也是CoreGraphics的坐标系。 我们回顾下上文提到的两个渲染结果，我们产生如下疑问： UIGraphicsGetCurrentContext返回的是CGContext，代表着是左下角为原点的坐标系，用UILabel（UIKit坐标系）可以直接renderInContext，并且“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），但是渲染的结果是在左上角，并不是在左下角；并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，可以表达为(x, y, 1)，乘以变换的矩阵，如下：  把结果相乘，得到下面的关系  此时，我们再来看看打印的结果[2, 0, 0, -2, 0, 200]，可以化简为 x' = 2x, y' = 200 - 2y 因为渲染的view高度为100，所以这个坐标转换相当于把原点在左下角（0，100）的坐标系，转换为原点在左上角（0，0）的坐标系！通常我们都会使用UIKit进行渲染，所以iOS系统在drawRect返回CGContext的时候，默认帮我们进行了一次变换，以方便开发者直接用UIKit坐标系进行渲染。  我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，我们使得x=x,y=y+100；（self.bounds.size.height=100） 于是有x' = 2x, y' = 200-2(y+100) = -2y; 再进行`CGContextScaleCTM(context, 1.0, -1.0);` 对于x' = 2x, y' = -2y，我们使得x=x, y=-y; 于是有 x'=2x, y' = -2(-y) = 2y； ```javascript - (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); // 根据富文本创建排版类CTFramesetterRef UIBezierPath * bezierPath = [UIBezierPath bezierPathWithRect:CGRectMake(0, 0, 100, 20)]; CTFrameRef frameRef = CTFramesetterCreateFrame(frameSetter, CFRangeMake(0, 0), bezierPath.CGPath, NULL); // 创建排版数据 CTFrameDraw(frameRef, context); } ``` 通过log也可以看出来`CGContext default matrix [2, 0, -0, 2, 0, 0]；` 最终结果如下，文本从左下角开始渲染，并且没有出现上下颠倒的情况。  这时我们产生新的困扰： 用CoreText渲染文字的上下颠倒现象解决，但是修改后的坐标系UIKit无法正常使用，如何兼容两种坐标系？ iOS可以使用`CGContextSaveGState()`方法暂存context状态，然后在CoreText绘制完后通过`CGContextRestoreGState ()`可以恢复context的变换。 ```javascript - (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); // 根据富文本创建排版类CTFramesetterRef UIBezierPath * bezierPath = [UIBezierPath bezierPathWithRect:CGRectMake(0, 0, 100, 20)]; CTFrameRef frameRef = CTFramesetterCreateFrame(frameSetter, CFRangeMake(0, 0), bezierPath.CGPath, NULL); // 创建排版数据 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]; } ``` 渲染结果如下，控制台输出的两个matrix都是`[2, 0, 0, -2, 0, 200]`；  ### 遇到的问题 #### 1、UILabel.layer在drawContext的时候frame失效 初始化UILabel时设定了frame，但是没有生效。 `UILabel *testLabel = [[UILabel alloc] initWithFrame:CGRectMake(20, 20, 100, 28)];` 这是因为frame是在上一层view中坐标的偏移，在renderInContext中坐标起点与frame无关，所以需要修改的是bounds属性： `testLabel.layer.bounds = CGRectMake(50, 50, 100, 28);` #### 2、renderInContext和drawInContext的选择 在把UILabel.layer渲染到context的时候，应该采用drawInContext还是renderInContext？  虽然这两个方法都可以生效，但是根据画线部分的内容来判断，还是采用了renderInContext，并且问题1就是由这里的一句`Renders in the coordinate space of the layer`，定位到问题所在。 #### 3、如何理解CoreGraphics坐标系不一致后，会出现绘制结果异常？ 我的理解方法是，我们可以先不考虑坐标系变换的情况。 如下图，上半部分是普通的渲染结果，可以很容易的想象； 接下来是增加坐标变换后，坐标系变成原点在左上角的顶点，相当于按照下图的虚线进行了一次垂直的翻转。  也可以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轴做一次垂直翻转，然后向上平移height的高度，这样得到左上角原点的坐标系。 ### 附录 [Drawing and Printing Guide for iOS](https://developer.apple.com/library/archive/documentation/2DDrawing/Conceptual/DrawingPrintingiOS/GraphicsDrawingOverview/GraphicsDrawingOverview.html) [Quartz 2D Programming Guide](https://developer.apple.com/library/archive/documentation/GraphicsImaging/Conceptual/drawingwithquartz2d/dq_overview/dq_overview.html) >**相关阅读** >[【每日课程推荐】机器学习实战！快速入门在线广告业务及CTR相应知识](https://cloud.tencent.com/developer/edu/course-1128?fromSource=waitui) **此文已由作者授权腾讯云+社区发布，更多原文请[点击](https://cloud.tencent.com/developer/article/1360267?fromSource=waitui )** **搜索关注公众号「云加社区」，第一时间获取技术干货，关注后回复1024 送你一份技术课程大礼包！** 海量技术实践经验，尽在[云加社区](https://cloud.tencent.com/developer?fromSource=waitui)！