Quartz 2D编程指南(2)图形上下文(Graphics Contexts)

Graphics Contexts

      一个Graphics Context表示一个绘制目标(也可以理解为图形上下文)。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。

      通过使用Quartz提供的创建函数获得图形上下文或者使用Mac OS X框架或IOS的UIKit框架提供的更高级的函数来获取。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这种数据类型来表示一个Graphics Context。当获得一个Graphics Context后，可以使用Quartz2D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。

Drawing to a View Graphics Context in iOS

      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。关于坐标系的更多信息：Quartz 2D Coordinate Systems.也可以看我之前的文章。

     UIView对象的详情可以看：View Programming Guide for iOS.

Creating a Window Graphics Context in Mac OS X

     在Mac OS X中绘制时，我们需要创建一个窗口Graphics Context。Quartz2D 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：

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Quartz2D的绘制函数。我们同样可以将Quartz2D与Cocoa绘制操作混合使用。如图2-1是一个在Cocoa视图中用Quartz2D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)。可以学习更多有关于透明度：Color and Color Spaces.

Figure 2-1  A view in the Cocoa framework that contains Quartz drawing

      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。

注：NSView的drawRect:方法在每次视图需要绘制时自动调用。

Listing 2-1  Drawing to a window graphics context

@implementation MyQuartzView

- (id)initWithFrame:(NSRect)frameRect
{
    self = [super initWithFrame:frameRect];
    return self;
}
- (void)drawRect:(NSRect)rect
{
    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

代码解释：

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Quartz2D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)，更多学习有关于绘制矩形：see Paths.

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)

Creating a 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。

Figure 2-2  A PDF created by using CGPDFContextCreateWithURL

       

Quartz2D 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(Listing 2-2详细使用解释)：

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, // 1
                                         path,
                                         kCFURLPOSIXPathStyle,
                                         false);
    if (url != NULL) {
        myOutContext = CGPDFContextCreateWithURL (url,// 2
                                                  inMediaBox,
                                                  NULL);
        CFRelease(url);// 3
    }
    return myOutContext;// 4
}

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：

Listing2-3Calling 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。
Listing 2-4Drawing 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。

Creating a Bitmap 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。

       注：位图Graphics Context有时用于后台绘制。再你决定使用位图Graphics Context进行后台绘制时，先看：Core Graphics Layer Drawing 。因为CGLayer对象优化了后台绘制，Quartz在显卡上缓存了层。

       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。(当你创建位图上下文时，如果数据和bytesPerRow使用16-byte将获得最好的效果)。

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。对于创建和使用颜色在Quartz, see Color and Color Spaces。对于颜色空间的使用see Color Spaces and Bitmap Layout in the Bitmap Images and Image Masks chapter.

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。

Listing2-5  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);// 1
    bitmapByteCount     = (bitmapBytesPerRow * pixelsHigh);
    
    colorSpace = CGColorSpaceCreateWithName(kCGColorSpaceGenericRGB);// 2
    bitmapData = calloc( bitmapByteCount );// 3
    if (bitmapData == NULL)
    {
        fprintf (stderr, "Memory not allocated!");
        returnNULL;
    }
    context = CGBitmapContextCreate (bitmapData,// 4
                                     pixelsWide,
                                     pixelsHigh,
                                     8,      // bits per component
                                     bitmapBytesPerRow,
                                     colorSpace,
                                     kCGImageAlphaPremultipliedLast);
    if (context== NULL)
    {
        free (bitmapData);// 5
        fprintf (stderr, "Context not created!");
        returnNULL;
    }
    CGColorSpaceRelease( colorSpace );// 6
    
    return context;// 7
}

具体解释：
1):声明一个变量代表每行的字节数，每一个像素在位图中是代表4个字节，红、绿、蓝、和透明度是8个字节。
2):创建一个通用RGB的颜色空间，你也可以创建 CMYK color space。
3):调用alloc函数创建并开辟一个block的内存来存储位图数据。这个例子创建了一个32位的RGBA bitmap。在Mac OS X10.6和iOS4之后这个步骤能够被省略，如果使用NULL作为位图数据，Quartz会自动为位图创建空间。
4):创建位图图像上下文，提高所需要的参数。
5):如果上下文由于某些原因没有被创建，释放创建的内存。
6):释放颜色空间

7):返回位图上下文。当上下文不在需要的时候记得释放。

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：

Listing2-6  Drawing to a bitmap graphics context

CGRect myBoundingBox;// 1

myBoundingBox = CGRectMake (0, 0, myWidth, myHeight);// 2
myBitmapContext = MyCreateBitmapContext (400, 300);// 3

// ********** Your drawing code here ********** // 4
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);// 5
CGContextDrawImage(myContext, myBoundingBox, myImage);// 6
char *bitmapData = CGBitmapContextGetData(myBitmapContext); // 7
CGContextRelease (myBitmapContext);// 8
if (bitmapData) free(bitmapData); // 9
CGImageRelease(myImage);

Figure 2-3  An image created from a bitmap graphics context and drawn to a window graphics context

Supported Pixel Formats  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.

Table 2-1  Pixel formats supported for bitmap graphics contexts

CS	Pixel format and bitmap information constant	Availability
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

Anti-Aliasing 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。

Figure 2-4  A comparison and anti-aliasing drawing

Obtaining a Graphics Context for Printing

    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。