iOS开发必会的坐标系探究

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**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。 ![img](https://ask.qcloudimg.com/http-save/1734423/vz9706yytk.png?imageView2/2/w/1620)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。 ![img](https://ask.qcloudimg.com/http-save/1734423/8wit7bnw8l.png?imageView2/2/w/1620)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; ![img](https://ask.qcloudimg.com/http-save/1734423/3u9qcstzqa.png?imageView2/2/w/1620) 根据我们绘制的目标不同(屏幕、位图、PDF等),会有多个context; ![img](https://ask.qcloudimg.com/http-save/1734423/amrt3wezyn.png?imageView2/2/w/1620)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; ![img](https://ask.qcloudimg.com/http-save/1734423/8oennjfq2j.png?imageView2/2/w/1620) ### 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: ![img](https://ask.qcloudimg.com/http-save/1734423/zof93aqqz0.png?imageView2/2/w/1620) 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: ![img](https://ask.qcloudimg.com/http-save/1734423/pzu9g6kjca.png?imageView2/2/w/1620) 把结果相乘,得到下面的关系 ![img](https://ask.qcloudimg.com/http-save/1734423/hzx8xe0jyg.png?imageView2/2/w/1620) 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。 ![img](https://ask.qcloudimg.com/http-save/1734423/blvd158yzu.png?imageView2/2/w/1620) 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。 ![img](https://ask.qcloudimg.com/http-save/1734423/99yo0hz254.png?imageView2/2/w/1620) 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]`; ![img](https://ask.qcloudimg.com/http-save/1734423/0aqwo103yp.png?imageView2/2/w/1620) ### 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? ![img](https://ask.qcloudimg.com/http-save/1734423/zpi9o2eze8.png?imageView2/2/w/1620) 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。 ![img](https://ask.qcloudimg.com/http-save/1734423/44b43ivpx0.png?imageView2/2/w/1620) 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)!

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