Quartz 2D编程指南

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。在需要的时候，Quartz 2D还可以借助图形硬件的功能。
在Mac OS X中，Quartz 2D可以与其它图形图像技术混合使用，如Core Image、Core Video、OpenGL、QuickTime。例如，通过使用 QuickTime的GraphicsImportCreateCGImage函数，可以用 Quartz从一个 QuickTime图形导入器中创建一个图像。

Page
Quartz 2D在图像中使用了绘画者模型(painter’s model)。在绘画者模型中，每个连续的绘制操作都是将一个绘制层(a layer of ‘paint’)放置于一个画布(‘canvas’)，我们通常称这个画布为(Page)。 Page上的绘图可以通过额外的绘制操作来叠加更多的绘图。Page上的图形对象只能通过叠加更多的绘图来改变。这个模型允许我们使用小的图元来构建复杂的图形。
图1-1展示了绘画者模型如何工作。从图中可以看出不同的绘制顺序所产生的效果不一样。

  
Page可以是一张纸(如果输出设备是打印机)，也可以是虚拟的纸张(如果输出设备是PDF文件)，还可以是bitmap图像。这根据实际使用的graphics context而定。

绘制目标：Graphics Context
Graphics Context是一个数据类型(CGContextRef)，用于封装Quartz绘制图像到输出设备的信息。设备可以是PDF文件、bitmap或者显示器的窗口上。Graphics Context中的信息包括在Page中的图像的图形绘制参数和设备相关的表现形式。Quartz中所有的对象都是绘制到一个Graphics Context中。
我们可以将Graphics Context想像成绘制目标，如图1-2所示。当用Quartz绘图时，所有设备相关的特性都包含在我们所使用的Graphics Context中。换句话说，我们可以简单地给Quartz绘图序列指定不同的Graphics Context，就可将相同的图像绘制到不同的设备上。我们不需要任何设备相关的计算；这些都由Quartz替我们完成。

  
Quartz提供了以下几种类型的Graphics Context，详细的介绍将在后续章节说明。

• Bitmap Graphics Context
• PDF Graphics Context
• Window Graphics Context
• Layer Context
• Post Graphics Context

Quartz 2D 数据类型
除了 Graphics Context 之外，Quartz 2D API还定义一些数据类型。由于这些API就Core Graphics框架的一部分，所以这些数据类型都是以CG开头的。
Quartz 2D使用这些数据类型来创建对象，通过操作这些对象来获取特定的图形。图1-3例举了三个使用Quartz 2D的绘制操作所获得的图像。

  
下面列出了Quartz 2D包含的数据类型：

• CGPathRef：用于向量图，可创建路径，并进行填充或描画(stroke)
• CGImageRef：用于表示bitmap图像和基于采样数据的bitmap图像遮罩。
• CGLayerRef：用于表示可用于重复绘制(如背景)和幕后(offscreen)绘制的绘画层
• CGPatternRef：用于重绘图
• CGShadingRef、CGGradientRef：用于绘制渐变
• CGFunctionRef：用于定义回调函数，该函数包含一个随机的浮点值参数。当为阴影创建渐变时使用该类型
• CGColorRef, CGColorSpaceRef：用于告诉Quartz如何解释颜色
• CGImageSourceRef,CGImageDestinationRef：用于在Quartz中移入移出数据
• CGFontRef：用于绘制文本
• CGPDFDictionaryRef, CGPDFObjectRef, CGPDFPageRef, CGPDFStream, CGPDFStringRef, and CGPDFArrayRef：用于访问PDF的元数据
• CGPDFScannerRef, CGPDFContentStreamRef：用于解析PDF元数据
• CGPSConverterRef：用于将PostScript转化成PDF。在iOS中不能使用。

图形状态
Quartz通过修改当前图形状态(current graphics state)来修改绘制操作的结果。图形状态包含用于绘制程序的参数。绘制程序根据这些绘图状态来决定如何渲染结果。例如，当你调用设置填充颜色的函数时，你将改变存储在当前绘图状态中的颜色值。
Graphics Context包含一个绘图状态栈。当Quartz创建一个Graphics Context时，栈为空。当保存图形状态时，Quartz将当前图形状态的一个副本压入栈中。当还原图形状态时，Quartz将栈顶的图形状态出栈。出栈的状态成为当前图形状态。
可使用函数CGContextSaveGState来保存图形状态，CGContextRestoreGState来还原图形状态。
注意：并不是当前绘制环境的所有方面都是图形状态的元素。如，图形状态不包含当前路径(current path)。下面列出了图形状态相关的参数：

• Current transformation matrix (CTM)：当前转换矩阵
• Clipping area：裁剪区域
• Line: 线
• Accuracy of curve estimation (flatness)：曲线平滑度
• Anti-aliasing setting：反锯齿设置
• Color: 颜色
• Alpha value (transparency)：透明度
• Rendering intent：渲染目标
• Color space: 颜色空间
• Text: 文本
• Blend mode：混合模式

Quartz 2D 坐标系统
坐标系统定义是被绘制到Page上的对象的位置及大小范围，如图1-4所示。我们在用户空间坐标系统(user-space coordination system，简称用户空间)中指定图形的位置及大小。坐标值是用浮点数来定义的。

  
由于不同的设备有不同的图形功能，所以图像的位置及大小依赖于设备。例如，一个显示设备可能每英寸只能显示少于96个像素，而打印机可能每英寸能显示300个像素。如果在设备级别上定义坐标系统，则在一个设备上绘制的图形无法在其它设备上正常显示。
Quartz通过使用当前转换矩阵(current transformation matrix， CTM)将一个独立的坐标系统(user space)映射到输出设备的坐标系统(device space)，以此来解决设备依赖问题。 CTM是一种特殊类型的矩阵(affine transform, 仿射矩阵)，通过平移(translation)、旋转(rotation)、缩放(scale)操作将点从一个坐标空间映射到另外一个坐标空间。
CTM还有另外一个目的：允许你通过转换来决定对象如何被绘制。例如，为了绘制一个旋转了45度的盒子，我们可以在绘制盒子之前旋转Page的坐标系统。Quartz使用旋转过的坐标系统来将盒子绘制到输出设备中。
用户空间的点用坐标对(x, y)来表示，(0, 0)表示坐标原点。Quartz中默认的坐标系统是：沿着x轴从左到右坐标值逐渐增大；沿着y轴从下到上坐标值逐渐增大。
有一些技术在设置它们的graphics context时使用了不同于Quartz的默认坐标系统。相对于Quartz来说，这些坐标系统是修改的坐标系统(modified coordinate system)，当在这些坐标系统中显示Quartz绘制的图形时，必须进行转换。最常见的一种修改的坐标系统是原点位于左上角，而沿着y轴从上到下坐标值逐渐增大。我们可以在如下一些地方见到这种坐标系统：

• 在Mac OS X中，重写过isFlipped方法以返回yes的NSView类的子类
• 在IOS中，由UIView返回的绘图上下文 
• 在IOS中，通过调用UIGraphicsBeginImageContextWithOptions函数返回的绘图上下文 

如果应用程序想以相同的绘制程序在一个UIView对象和PDF Graphics Context上进行绘制，需要做一个变换以使PDF Graphics Context使用与UIView相同的坐标系。要达到这一目的，只需要对PDF的上下文的原点做一个平移(移到左上角)和用-1对y坐标值进行缩放。图1-5显示了这种变换操作：

  

我们的应用程序负责调整Quartz调用以确保有一个转换应用到上下文中。例如，如果你想要一个图片或PDF正确的绘制到一个Graphics Context中，你的应用程序可能需要临时调整Graphics Context的CTM。在IOS中，如果使用UIImage对象来包裹创建的CGImage对象，可以不需要修改CTM。UIImage将自动进行补偿以适用UIKit的坐标系统。

复制代码 重要：如果你打算在IOS上开发与Quartz相关的程序，了解以上所讨论的是很有用的，但不是必须的。在IOS 3.2及后续的版本中，当UIKit为你的应用程序创建一个绘图上下文时，也对上下文进行了额外的修改以匹配UIKit的约定。特别的，patterns和shadows(不被CTM影响)单独进行调整以匹配UIKit坐标系统。在这种情况下，没有一个等价的机制让CTM来转换Quartz和UIKit的上下文。我们必须认识到在什么样的上下文中进行绘制，并调整行为以匹配上下文的预期。

内存管理：对象所有权
Quartz使用Core Foundation内存管理模型(引用计数)。所以，对象的创建与销毁与通常的方式是一样的。在Quartz中，需要记住如下一些规则：

• 如果创建或拷贝一个对象，你将拥有它，因此你必须释放它。通常，如果使用含有”Create”或“Copy”单词的函数获取一个对象，当使用完后必须释放，否则将导致内存泄露。
• 如果使用不含有”Create”或“Copy”单词的函数获取一个对象，你将不会拥有对象的引用，不需要释放它。
• 如果你不拥有一个对象而打算保持它，则必须retain它并且在不需要时release掉。可以使用Quartz 2D的函数来指定retain和release一个对象。例如，如果创建了一个CGColorspace对象，则使用函数CGColorSpaceRetain和CGColorSpaceRelease来retain和release对象。同样，可以使用Core Foundation的CFRetain和CFRelease，但是注意不能传递NULL值给这些函数。

一个Graphics Context表示一个绘制目标。它包含绘制系统用于完成绘制指令的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、线条宽度和样式信息、字体信息、混合模式等。

我们可以通过几种方式来获取Graphics Context：Quartz提供的创建函数、Mac OS X框架或IOS的UIKit框架提供的函数。Quartz提供了多种Graphics Context的创建函数，包括bitmap和PDF，我们可以使用这些Graphics Context创建自定义的内容。

本章介绍了如何为不同的绘制目标创建Graphics Context。在代码中，我们用CGContextRef来表示一个Graphics Context。当获得一个Graphics Context后，可以使用Quartz 2D函数在上下文(context)中进行绘制、完成操作(如平移)、修改图形状态参数(如线宽和填充颜色)等。

在iOS中的视图Graphics Context进行绘制
在iOS应用程序中，如果要在屏幕上进行绘制，需要创建一个UIView对象，并实现它的drawRect:方法。视图的drawRect:方法在视图显示在屏幕上及它的内容需要更新时被调用。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。我们可以通过调用UIGraphicsGetCurrentContext函数来获取这个Graphics Context。

UIKit默认的坐标系统与Quartz不同。在UIKit中，原点位于左上角，y轴正方向为向下。UIView通过将修改Quartz的Graphics Context的CTM[原点平移到左下角，同时将y轴反转(y值乘以-1)]以使其与UIView匹配。

在Mac OS X中创建一个窗口Graphics Context
在Mac OS X中绘制时，我们需要创建一个窗口Graphics Context。Quartz 2D API 没有提供函数来获取窗口Graphics Context。取而代之的是用Cocoa框架来获取一个窗口上下文。

我们可以在Cocoa应用程序的drawRect:中获取一个Quartz Graphics Context，如下代码所示：

复制代码 CGContextRef myContext = [[NSGraphicsContext currentContext] graphicsPort];

currentContext方法在当前线程中返回NSGraphicsContext实例。graphicsPort方法返回一个低级别、平台相关的Graphics Context(Quartz Graphics Context)。

在获取到Graphics Context后，我们可以在Cocoa应用程序中调用任何Quartz 2D的绘制函数。我们同样可以将Quartz 2D与Cocoa绘制操作混合使用。如图2-1是一个在Cocoa视图中用Quartz 2D绘制的实例。绘图由两个长方形组成(一个不透明的红色长方形和半透明的蓝色长方形)。

  
为了实现图2-1实例，需要先创建一个Cocoa应用程序。在Interface Builder中，拖动一个Custom View到窗口中，并子类化。然后实现子类视图的，如代码清单2-1所示。视图的drawRect:包含了所有的Quartz绘制代码。

引用

注：NSView的drawRect:方法在每次视图需要绘制时自动调用。

复制代码 Listing 2-1  Drawing to a window graphics context @implementation MyQuartzView - (id)initWithFrame:(NSRect)frameRect {     self = [super initWithFrame:frameRect];     return self; } - (void)drawRect:(NSRect)rec {     CGContextRef myContext = [[NSGraphicsContext  currentContext] graphicsPort]; //1    // ********** Your drawing code here **********       //2     CGContextSetRGBFillColor (myContext, 1, 0, 0, 1);     //3     CGContextFillRect (myContext, CGRectMake (0, 0, 200, 100 ));   //4     CGContextSetRGBFillColor (myContext, 0, 0, 1, .5);     //5     CGContextFillRect (myContext, CGRectMake (0, 0, 100, 200));   //6 } @end

代码说明：
1.为视图获取一个Graphics Context
2.插入绘图代码的地方。以下四行是使用Quartz 2D函数的例子
3.设置完全不透明的红色填充色。
4.填充一个长方形，其原点为(0, 0), 大小为(200, 100)
5.设置半透明的蓝色填充色。
6.填充一个长方形，其原点为(0, 0), 大小为(100, 200)

创建一个PDF Graphics Context
当创建一个PDF Graphics Context并绘制时，Quartz将绘制操作记录为一系列的PDF绘制命令并写入文件中。我们需要提供一个PDF输出的位置及一个默认的media box(用于指定页面边界的长方形)。图2-2显示了在PDF Graphics Context中绘制及在preview打开PDF的结果。

  
Quartz 2D API提供了两个函数来创建PDF Graphics Context:

• CGPDFContextCreateWithURL：当你需要用Core Foundation URL指定pdf输出的位置时使用该函数。代码清单2-2显示了该函数的使用方法(代码2-2及后面代码的详细解释略)：

复制代码 Listing 2-2  Calling CGPDFContextCreateWithURL to create a PDF graphics context CGContextRef MyPDFContextCreate (const CGRect *inMediaBox, CFStringRef path) {     CGContextRef myOutContext = NULL;     CFURLRef url;     url = CFURLCreateWithFileSystemPath (NULL, path, kCFURLPOSIXPathStyle, false);     if (url != NULL) {         myOutContext = CGPDFContextCreateWithURL (url,  inMediaBox,  NULL);         CFRelease(url);     }     return myOutContext; }

• CGPDFContextCreate：当需要将pdf输出发送给数据用户时使用该方法。代码清单2-3显示了该函数的使用方法：

复制代码 Listing 2-3  Calling CGPDFContextCreate to create a PDF graphics context CGContextRef MyPDFContextCreate (const CGRect *inMediaBox, CFStringRef path) {     CGContextRef        myOutContext = NULL;     CFURLRef            url;     CGDataConsumerRef   dataConsumer;     url = CFURLCreateWithFileSystemPath (NULL,  path, kCFURLPOSIXPathStyle, false);     if (url != NULL)     {         dataConsumer = CGDataConsumerCreateWithURL (url);         if (dataConsumer != NULL)         {             myOutContext = CGPDFContextCreate (dataConsumer, inMediaBox, NULL);             CGDataConsumerRelease (dataConsumer);         }         CFRelease(url);     }     return myOutContext; }

代码清单2-4显示是如何调用MyPDFContextCreate程序及绘制操作。

复制代码 Listing 2-4  Drawing to a PDF graphics context     CGRect mediaBox;     mediaBox = CGRectMake (0, 0, myPageWidth, myPageHeight);     myPDFContext = MyPDFContextCreate (&mediaBox, CFSTR("test.pdf"));     CFStringRef myKeys[1];     CFTypeRef myValues[1];     myKeys[0] = kCGPDFContextMediaBox;     myValues[0] = (CFTypeRef) CFDataCreate(NULL,(const UInt8 *)&mediaBox, sizeof (CGRect));     CFDictionaryRef pageDictionary = CFDictionaryCreate(NULL, (const void **) myKeys,                                                         (const void **) myValues, 1,                                                         &kCFTypeDictionaryKeyCallBacks,                                                         & kCFTypeDictionaryValueCallBacks);     CGPDFContextBeginPage(myPDFContext, &pageDictionary);         // ********** Your drawing code here **********         CGContextSetRGBFillColor (myPDFContext, 1, 0, 0, 1);         CGContextFillRect (myPDFContext, CGRectMake (0, 0, 200, 100 ));         CGContextSetRGBFillColor (myPDFContext, 0, 0, 1, .5);         CGContextFillRect (myPDFContext, CGRectMake (0, 0, 100, 200 ));     CGPDFContextEndPage(myPDFContext);     CFRelease(pageDictionary);     CFRelease(myValues[0]);     CGContextRelease(myPDFContext);

我们可以将任何内容(图片，文本，绘制路径)绘制到pdf中，并能添加链接及加密。

创建位图Graphics Context
一个位图Graphics Context接受一个指向内存缓存(包含位图存储空间)的指针，当我们绘制一个位图Graphics Context时，该缓存被更新。在释放Graphics Context后，我们将得到一个我们指定像素格式的全新的位图。

引用

注：位图Graphics Context有时用于后台绘制。CGLayer对象优化了后台绘制，因为Quartz在显卡上缓存了层。

引用

iOS提示：iOS应用程序使用了UIGraphicsBeginImageContextWithOptions取代Quartz低层函数。如果使用Quartz创建一下后台bitmap，bitmap Graphics Context使用的坐标系统是Quartz默认的坐标系统。而使用UIGraphicsBeginImageContextWithOptions创建图形上下文，UIKit将会对坐标系统使用与UIView对象的图形上下文一样的转换。这允许应用程序使用相同的绘制代码而不需要担心坐标系统问题。虽然我们的应用程序可以手动调整CTM达到相同的效果，但这种做没有任何好处。

我们使用CGBitmapContextCreate来创建位图Graphics Context，该函数有如下参数：

• data：一个指向内存目标的指针，该内存用于存储需要渲染的图形数据。内存块的大小至少需要(bytePerRow * height)字节。
• width：指定位图的宽度，单位是像素(pixel)。
• height：指定位图的高度， 单位是像素(pixel)。
• bitsPerComponent：指定内存中一个像素的每个组件使用的位数。例如，一个32位的像素格式和一个rgb颜色空间，我们可以指定每个组件为8位。
• bytesPerRow：指定位图每行的字节数。
• colorspace：颜色空间用于位图上下文。在创建位图Graphics Context时，我们可以使用灰度(gray), RGB, CMYK, NULL颜色空间。
• bitmapInfo：位图的信息，这些信息用于指定位图是否需要包含alpha组件，像素中alpha组件的相对位置(如果有的话)，alpha组件是否是预乘的，及颜色组件是整型值还是浮点值。

代码清单2-5显示了如何创建位图Graphics Context。当向位图Graphics Context绘图时，Quartz将绘图记录到内存中指定的块中。

复制代码 Listing 2-5  Creating a bitmap graphics context CGContextRef MyCreateBitmapContext (int pixelsWide, int pixelsHigh) {     CGContextRef    context = NULL;     CGColorSpaceRef colorSpace;     void *          bitmapData;     int             bitmapByteCount;     int             bitmapBytesPerRow;     bitmapBytesPerRow   = (pixelsWide * 4);     bitmapByteCount     = (bitmapBytesPerRow * pixelsHigh);     colorSpace = CGColorSpaceCreateWithName(kCGColorSpaceGenericRGB);     bitmapData = calloc( bitmapByteCount );     if (bitmapData == NULL)     {         fprintf (stderr, "Memory not allocated!");         return NULL;     }     context = CGBitmapContextCreate (bitmapData, pixelsWide, pixelsHigh, 8, bitmapBytesPerRow, colorSpace, kCGImageAlphaPremultipliedLast);     if (context== NULL)     {         free (bitmapData);         fprintf (stderr, "Context not created!");         return NULL;     }     CGColorSpaceRelease( colorSpace );     return context; }

代码清单2-6显示了调用MyCreateBitmapContext 创建一个位图Graphics Context，使用位图Graphics Context来创建CGImage对象，然后将图片绘制到窗口Graphics Context中。绘制结果如图2-3所示：

复制代码 Listing 2-6  Drawing to a bitmap graphics context     CGRect myBoundingBox;     myBoundingBox = CGRectMake (0, 0, myWidth, myHeight);     myBitmapContext = MyCreateBitmapContext (400, 300);     // ********** Your drawing code here **********      CGContextSetRGBFillColor (myBitmapContext, 1, 0, 0, 1);     CGContextFillRect (myBitmapContext, CGRectMake (0, 0, 200, 100 ));     CGContextSetRGBFillColor (myBitmapContext, 0, 0, 1, .5);     CGContextFillRect (myBitmapContext, CGRectMake (0, 0, 100, 200 ));     myImage = CGBitmapContextCreateImage (myBitmapContext);     CGContextDrawImage(myContext, myBoundingBox, myImage);     char *bitmapData = CGBitmapContextGetData(myBitmapContext);      CGContextRelease (myBitmapContext);     if (bitmapData) free(bitmapData);      CGImageRelease(myImage);

  

支持的像素格式
表2-1总结了位图Graphics Context支持的像素格式，相关的颜色空间及像素格式支持的Mac OS X最早版本。像素格式用bpp(每像素的位数)和bpc(每个组件的位数)来表示。表格同时也包含与像素格式相关的位图信息常量。

表2-1：位图Graphics Context支持的像素格式

Null	8 bpp, 8 bpc, kCGImageAlphaOnly	Mac OS X, iOS
Gray	8 bpp, 8 bpc,kCGImageAlphaNone	Mac OS X, iOS
Gray	8 bpp, 8 bpc,kCGImageAlphaOnly	Mac OS X, iOS
Gray	16 bpp, 16 bpc, kCGImageAlphaNone	Mac OS X
Gray	32 bpp, 32 bpc, kCGImageAlphaNone|kCGBitmapFloatComponents	Mac OS X
RGB	16 bpp, 5 bpc, kCGImageAlphaNoneSkipFirst	Mac OS X, iOS
RGB	32 bpp, 8 bpc, kCGImageAlphaNoneSkipFirst	Mac OS X, iOS
RGB	32 bpp, 8 bpc, kCGImageAlphaNoneSkipLast	Mac OS X, iOS
RGB	32 bpp, 8 bpc, kCGImageAlphaPremultipliedFirst	Mac OS X, iOS
RGB	32 bpp, 8 bpc, kCGImageAlphaPremultipliedLast	Mac OS X, iOS
RGB	64 bpp, 16 bpc, kCGImageAlphaPremultipliedLast	Mac OS X
RGB	64 bpp, 16 bpc, kCGImageAlphaNoneSkipLast	Mac OS X
RGB	128 bpp, 32 bpc, kCGImageAlphaNoneSkipLast |kCGBitmapFloatComponents	Mac OS X
RGB	128 bpp, 32 bpc, kCGImageAlphaPremultipliedLast |kCGBitmapFloatComponents	Mac OS X
CMYK	32 bpp, 8 bpc, kCGImageAlphaNone	Mac OS X
CMYK	64 bpp, 16 bpc, kCGImageAlphaNone	Mac OS X
CMYK	128 bpp, 32 bpc, kCGImageAlphaNone |kCGBitmapFloatComponents	Mac OS X

反锯齿
位图Graphics Context支持反锯齿，这一操作是人为的较正在位图中绘制文本或形状时产生的锯齿边缘。当位图的分辩率明显低于人眼的分辩率时就会产生锯齿。为了使位图中的对象显得平滑，Quartz使用不同的颜色来填充形状周边的像素。通过这种方式来混合颜色，使形状看起来更平滑。如图2-4显示的效果。我们可以通过调用CGContextSetShouldAntialias来关闭位图Graphics Context的反锯齿效果。反锯齿设置是图形状态的一部分。
可以调用函数CGContextSetAllowsAntialiasing来控制一个特定Graphics Context是否支持反锯齿；false表示不支持。该设置不是图形状态的一部分。当上下文及图形状态设置为true时，Quartz执行反锯齿。

  

获取打印的Graphics Context
Mac OS X中的Cocoa应用程序通过自定义的NSView子类来实现打印。一个视图通过调用print:方法来进行打印。然后视图以打印机为目标创建一个Graphics Context，并调用drawRect:方法。应用程序使用与在屏幕进行绘制相同的绘制代码。我们同样可以自定义drawRect: 方法将图形绘制到打印机。

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