iOS開發必會的座標系探究

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本文由 落影發表於 雲+社區專欄

前言

app在渲染視圖時，須要在座標系中指定繪製區域。 這個概念看彷佛簡單，事實並不是如此。

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

咱們先從一段最簡單的代碼入手，在drawRect中顯示一個普通的UILabel； 爲了方便判斷，我把整個view的背景設置成黑色：

- (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 = @"測試文本";
    testLabel.font = [UIFont systemFontOfSize:14];
    testLabel.textColor = [UIColor whiteColor];
    [testLabel.layer renderInContext:context];
}

這段代碼首先建立一個UILabel，而後設置文本，顯示到屏幕上，沒有修改座標。 因此按照UILabel.layer默認的座標(0, 0)，在左上角進行了繪製。

UILabel繪製

接着，咱們嘗試使用CoreText來渲染一段文本。

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

首先用NSString建立一個富文本，而後根據富文本建立CTFramesetterRef，結合CGRect生成的UIBezierPath，咱們獲得CTFrameRef，最終渲染到屏幕上。 可是結果與上文不一致：文字是上下顛倒。

CoreText的文本繪製

從這個不一樣的現象開始，咱們來理解iOS的座標系。

座標系概念

在iOS中繪製圖形必須在一個二維的座標系中進行，但在iOS系統中存在多個座標系，常須要處理一些座標系的轉換。 先介紹一個圖形上下文(graphics context)的概念，好比說咱們經常使用的CGContext就是Quartz 2D的上下文。圖形上下文包含繪製所需的信息，好比顏色、線寬、字體等。用咱們在Windows經常使用的畫圖來參考，當咱們使用畫筆🖌在白板中寫字時，圖形上下文就是畫筆的屬性設置、白板大小、畫筆位置等等。

iOS中，每一個圖形上下文都會有三種座標： 一、繪製座標系（也叫用戶座標系），咱們平時繪製所用的座標系； 二、視圖（view）座標系，固定左上角爲原點（0，0）的view座標系； 三、物理座標系，物理屏幕中的座標系，一樣是固定左上角爲原點；

根據咱們繪製的目標不一樣（屏幕、位圖、PDF等），會有多個context；

Quartz常見的繪製目標

不一樣context的繪製座標系各不相同，好比說UIKit的座標系爲左上角原點的座標系，CoreGraphics的座標系爲左下角爲原點的座標系；

CoreGraphics座標系和UIKit座標系的轉換

CoreText基於CoreGraphics，因此座標系也是CoreGraphics的座標系。 咱們回顧下上文提到的兩個渲染結果，咱們產生以下疑問： UIGraphicsGetCurrentContext返回的是CGContext，表明着是左下角爲原點的座標系，用UILabel（UIKit座標系）能夠直接renderInContext，而且「測」字對應爲UILabel的（0，0）位置，是在左上角？ 當用CoreText渲染時，座標是（0，0），可是渲染的結果是在左上角，並非在左下角；而且文字是上下顛倒的。 爲了探究這個問題，我在代碼中加入了一行log： NSLog(@"CGContext default matrix %@", NSStringFromCGAffineTransform(CGContextGetCTM(context))); 其結果是CGContext default matrix [2, 0, 0, -2, 0, 200]； CGContextGetCTM返回是CGAffineTransform仿射變換矩陣：

一個二維座標系上的點p，能夠表達爲(x, y, 1)，乘以變換的矩陣，以下：

把結果相乘，獲得下面的關係

此時，咱們再來看看打印的結果[2, 0, 0, -2, 0, 200]，能夠化簡爲 x' = 2x, y' = 200 - 2y 由於渲染的view高度爲100，因此這個座標轉換至關於把原點在左下角（0，100）的座標系，轉換爲原點在左上角（0，0）的座標系！一般咱們都會使用UIKit進行渲染，因此iOS系統在drawRect返回CGContext的時候，默認幫咱們進行了一次變換，以方便開發者直接用UIKit座標系進行渲染。

咱們嘗試對系統添加的座標變換進行還原： 先進行CGContextTranslateCTM(context, 0, self.bounds.size.height); 對於x' = 2x, y' = 200 - 2y，咱們使得x=x,y=y+100；（self.bounds.size.height=100） 因而有x' = 2x, y' = 200-2(y+100) = -2y; 再進行CGContextScaleCTM(context, 1.0, -1.0); 對於x' = 2x, y' = -2y，咱們使得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:@"測試文本" attributes:@{
                                                                                                  NSForegroundColorAttributeName:[UIColor whiteColor],
                                                                                                  NSFontAttributeName:[UIFont systemFontOfSize:14],
                                                                                                  }];
    CTFramesetterRef frameSetter = CTFramesetterCreateWithAttributedString((__bridge CFAttributedStringRef) attrStr); // 根據富文本建立排版類CTFramesetterRef
    UIBezierPath * bezierPath = [UIBezierPath bezierPathWithRect:CGRectMake(0, 0, 100, 20)];
    CTFrameRef frameRef = CTFramesetterCreateFrame(frameSetter, CFRangeMake(0, 0), bezierPath.CGPath, NULL); // 建立排版數據
    CTFrameDraw(frameRef, context);
}

經過log也能夠看出來CGContext default matrix [2, 0, -0, 2, 0, 0]； 最終結果以下，文本從左下角開始渲染，而且沒有出現上下顛倒的狀況。

這時咱們產生新的困擾： 用CoreText渲染文字的上下顛倒現象解決，可是修改後的座標系UIKit沒法正常使用，如何兼容兩種座標系？ iOS可使用CGContextSaveGState()方法暫存context狀態，而後在CoreText繪製完後經過CGContextRestoreGState ()能夠恢復context的變換。

- (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:@"測試文本" attributes:@{
                                                                                                  NSForegroundColorAttributeName:[UIColor whiteColor],
                                                                                                  NSFontAttributeName:[UIFont systemFontOfSize:14],
                                                                                                  }];
    CTFramesetterRef frameSetter = CTFramesetterCreateWithAttributedString((__bridge CFAttributedStringRef) attrStr); // 根據富文本建立排版類CTFramesetterRef
    UIBezierPath * bezierPath = [UIBezierPath bezierPathWithRect:CGRectMake(0, 0, 100, 20)];
    CTFrameRef frameRef = CTFramesetterCreateFrame(frameSetter, CFRangeMake(0, 0), bezierPath.CGPath, NULL); // 建立排版數據
    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 = @"測試文本";
    testLabel.font = [UIFont systemFontOfSize:14];
    testLabel.textColor = [UIColor whiteColor];
    [testLabel.layer renderInContext:context];
}

渲染結果以下，控制檯輸出的兩個matrix都是[2, 0, 0, -2, 0, 200]；

遇到的問題

一、UILabel.layer在drawContext的時候frame失效

初始化UILabel時設定了frame，可是沒有生效。 UILabel *testLabel = [[UILabel alloc] initWithFrame:CGRectMake(20, 20, 100, 28)]; 這是由於frame是在上一層view中座標的偏移，在renderInContext中座標起點與frame無關，因此須要修改的是bounds屬性： testLabel.layer.bounds = CGRectMake(50, 50, 100, 28);

二、renderInContext和drawInContext的選擇

在把UILabel.layer渲染到context的時候，應該採用drawInContext仍是renderInContext？

雖然這兩個方法均可以生效，可是根據畫線部分的內容來判斷，仍是採用了renderInContext，而且問題1就是由這裏的一句Renders in the coordinate space of the layer，定位到問題所在。

三、如何理解CoreGraphics座標系不一致後，會出現繪製結果異常？

個人理解方法是，咱們能夠先不考慮座標系變換的狀況。 以下圖，上半部分是普通的渲染結果，能夠很容易的想象； 接下來是增長座標變換後，座標系變成原點在左上角的頂點，至關於按照下圖的虛線進行了一次垂直的翻轉。

也能夠按照座標系變換的方式去理解，將左下角原點的座標系相對y軸作一次垂直翻轉，而後向上平移height的高度，這樣獲得左上角原點的座標系。

附錄

Drawing and Printing Guide for iOS Quartz 2D Programming Guide

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