Quartz－2D绘图之图形上下文详解

上一篇文章大概描述了下Quartz里面大体所包含的东西，但是对具体的细节实现以及如何调用相应API却没有讲。这篇文章就先讲讲图形上下文（Graphics Context）的具体操作。

所谓Graphics Context，其实就是表示了一个绘制目标，也就是你打算绘制的地方，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。然而，我们怎样才能获得或者创建一个Graphics Context呢？方法自然有很多：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。下面我们就介绍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。

一、在iOS中的UIView的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。

例如在UIView中画个圆

 1 - (void)drawRect:(CGRect)rect {
 2
 3     //    1. 获取一个与视图相关联的上下文
 4     CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
 5
 6     // 设置颜色
 7     [[UIColor greenColor]setFill];
 8
 9     // 2. 增加圆形的路径
10     CGContextAddEllipseInRect(context, CGRectMake(50, 50, 200, 200));
11     // 3. 画圆
12     CGContextFillPath(context);
13
14 }

PS：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。这些都是系统自动帮我们完成。

二、创建一个PDF Graphics Context

 Quartz 2D API提供了两个函数来创建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)。

1.CGPDFContextCreateWithURL：当你需要用Core Foundation URL指定pdf输出的位置时使用该函数。

 1 CGContextRef MyPDFContextCreate (const CGRect *inMediaBox, CFStringRef path)
 2 {
 3     CGContextRef myOutContext = NULL;
 4     CFURLRef url;
 5     url = CFURLCreateWithFileSystemPath (NULL, path, kCFURLPOSIXPathStyle, false);
 6     if (url != NULL) {
 7         myOutContext = CGPDFContextCreateWithURL (url,  inMediaBox,  NULL);
 8         CFRelease(url);
 9     }
10     return myOutContext;
11 }

2.CGPDFContextCreate：当需要将pdf输出发送给数据用户时使用该方法。

 1 CGContextRef MyPDFContextCreate (const CGRect *inMediaBox, CFStringRef path)
 2 {
 3     CGContextRef        myOutContext = NULL;
 4     CFURLRef            url;
 5     CGDataConsumerRef   dataConsumer;
 6     url = CFURLCreateWithFileSystemPath (NULL,  path, kCFURLPOSIXPathStyle, false);
 7     if (url != NULL)
 8     {
 9         dataConsumer = CGDataConsumerCreateWithURL (url);
10         if (dataConsumer != NULL)
11         {
12             myOutContext = CGPDFContextCreate (dataConsumer, inMediaBox, NULL);
13             CGDataConsumerRelease (dataConsumer);
14         }
15         CFRelease(url);
16     }
17     return myOutContext;
18 } 

下面是如何调用MyPDFContextCreate程序及绘制操作。

 1     CGRect mediaBox;
 2     mediaBox = CGRectMake (0, 0, myPageWidth, myPageHeight);
 3     myPDFContext = MyPDFContextCreate (&mediaBox, CFSTR("test.pdf"));
 4     CFStringRef myKeys[1];
 5     CFTypeRef myValues[1];
 6     myKeys[0] = kCGPDFContextMediaBox;
 7     myValues[0] = (CFTypeRef) CFDataCreate(NULL,(const UInt8 *)&mediaBox, sizeof (CGRect));
 8     CFDictionaryRef pageDictionary = CFDictionaryCreate(NULL, (const void **) myKeys,
 9                                                         (const void **) myValues, 1,
10                                                         &kCFTypeDictionaryKeyCallBacks,
11                                                         & kCFTypeDictionaryValueCallBacks);
12     CGPDFContextBeginPage(myPDFContext, &pageDictionary);
13         // ********** 绘制代码 **********
14         CGContextSetRGBFillColor (myPDFContext, 1, 0, 0, 1);
15         CGContextFillRect (myPDFContext, CGRectMake (0, 0, 200, 100 ));
16         CGContextSetRGBFillColor (myPDFContext, 0, 0, 1, .5);
17         CGContextFillRect (myPDFContext, CGRectMake (0, 0, 100, 200 ));
18     CGPDFContextEndPage(myPDFContext);
19     CFRelease(pageDictionary);
20     CFRelease(myValues[0]);
21     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。

添加链接
我们可以在PDF上下文中添加链接和锚点。Quartz提供了三个函数，每个函数都以PDF图形上下文作为参数，还有链接的信息：
· CGPDFContextSetURLForRect可以让我们指定在点击当前PDF页中的矩形时打开一个URL。
· CGPDFContextSetDestinationForRect指定在点击当前PDF页中的矩形区域时设置目标以进行跳转。我们需要提供一个目标名。
· CGPDFContextAddDestinationAtPoint指定在点击当前PDF页中的一个点时设置目标以进行跳转。我们需要提供一个目标名。
保护PDF内容
为了保护PDF内容，我们可以在辅助字典中指定一些安全选项并传递给CGPDFContextCreate。我们可以通过包含如下关键字来设置所有者密码、用户密码、PDF是否可以被打印或拷贝：
· kCGPDFContextOwnerPassword: 定义PDF文档的所有者密码。如果指定该值，则文档使用所有者密码来加密；否则文档不加密。该关键字的值必须是ASCII编码的CFString对象。只有前32位是用于密码的。该值没有默认值。如果该值不能表示成ASCII，则无法创建文档并返回NULL。Quartz使用40-bit加密。
· kCGPDFContextUserPassword: 定义PDF文档的用户密码。如果文档加密了，则该值是文档的用户密码。如果没有指定，则用户密码为空。该关键字的值必须是ASCII编码的CFString对象。只有前32位是用于密码的。如果该值不能表示成ASCII，则无法创建文档并返回NULL。
· kCGPDFContextAllowsPrinting:指定当使用用户密码锁定时文档是否可以打印。该值必须是CFBoolean对象。默认值是kCGBooleanTrue。
· kCGPDFContextAllowsCopying: 指定当使用用户密码锁定时文档是否可以拷贝。该值必须是CFBoolean对象。默认值是kCGBooleanTrue。
代码清单14-4(下一章)显示了确认PDF文档是否被锁定，及用密码打开文档。

当然在iOS中，我们完全可以pass掉这些晦涩难懂的底层代码，因为系统给我们提供了更高一级的函数来生成PDF文件,下面是代码

 1 - (void)createPDFFile
 2 {
 3     // 1. 上下文
 4     // 1) 路径
 5     // 2) 大小，指定为空，那么使用612 * 792大小作为pdf文件的页面大小
 6     // 3) dict
 7     UIGraphicsBeginPDFContextToFile(@"/Users/apple/Desktop/demo.pdf", CGRectZero, nil);
 8
 9     // 2. 写入内容
10     // 在pdf里面是有页面的，一个页面一个页面的写入的
11     // 建立PDF页面
12     // 一个页面最多能够写入两张图片，因此写入6张图片需要三个页面
13     for (NSInteger i = 0; i < 6; i++) {
14         if (i % 2 == 0) {
15             UIGraphicsBeginPDFPageWithInfo(CGRectMake(0, 0, 612, 792), nil);
16         }
17
18         // 生成UIImage
19         UIImage *image = [UIImage imageNamed:[NSString stringWithFormat:@"NatGeo%02d.png", i + 1]];
20         // 写入
21         [image drawAtPoint:CGPointMake(0, 400 * (i % 2))];
22     }
23
24     // 3. 关闭上下文
25     UIGraphicsEndPDFContext();
26 }

三、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。

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。

下列代码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。

 1 CGContextRef MyCreateBitmapContext (int pixelsWide, int pixelsHigh)
 2 {
 3     CGContextRef    context = NULL;
 4     CGColorSpaceRef colorSpace;
 5     void *          bitmapData;
 6     int             bitmapByteCount;
 7     int             bitmapBytesPerRow;
 8     bitmapBytesPerRow   = (pixelsWide * 4);
 9     bitmapByteCount     = (bitmapBytesPerRow * pixelsHigh);
10     colorSpace = CGColorSpaceCreateWithName(kCGColorSpaceGenericRGB);
11     bitmapData = calloc( bitmapByteCount );
12     if (bitmapData == NULL)
13     {
14         fprintf (stderr, "Memory not allocated!");
15         return NULL;
16     }
17     context = CGBitmapContextCreate (bitmapData, pixelsWide, pixelsHigh, 8, bitmapBytesPerRow, colorSpace, kCGImageAlphaPremultipliedLast);
18     if (context== NULL)
19     {
20         free (bitmapData);
21         fprintf (stderr, "Context not created!");
22         return NULL;
23     }
24     CGColorSpaceRelease( colorSpace );
25     return context;
26 }

下面是调用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。

 1 CGRect myBoundingBox;
 2     myBoundingBox = CGRectMake (0, 0, myWidth, myHeight);
 3     myBitmapContext = MyCreateBitmapContext (400, 300);
 4     // ********** Your drawing code here **********
 5     CGContextSetRGBFillColor (myBitmapContext, 1, 0, 0, 1);
 6     CGContextFillRect (myBitmapContext, CGRectMake (0, 0, 200, 100 ));
 7     CGContextSetRGBFillColor (myBitmapContext, 0, 0, 1, .5);
 8     CGContextFillRect (myBitmapContext, CGRectMake (0, 0, 100, 200 ));
 9     myImage = CGBitmapContextCreateImage (myBitmapContext);
10     CGContextDrawImage(myContext, myBoundingBox, myImage);
11     char *bitmapData = CGBitmapContextGetData(myBitmapContext);
12     CGContextRelease (myBitmapContext);
13     if (bitmapData) free(bitmapData);
14     CGImageRelease(myImage);

上面的都是Quartz的底层代码，然后在iOS的实际开发中，iOS应用程序使用了UIGraphicsBeginImageContextWithOptions取代Quartz低层函数。所以说如果只搞iOS开发，上面晦涩的代码完全可以pass掉。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。

下面是iOS中利用UIGraphicsBeginImageContextWithOptions来剪裁成圆型位图并返回的代码

+ (instancetype)circleImageWithName:(NSString *)name borderWidth:(CGFloat)borderWidth borderColor:(UIColor *)borderColor
{
    // 1.加载原图
    UIImage *oldImage = [UIImage imageNamed:name];

    // 2.开启上下文
    CGFloat imageW = oldImage.size.width + 2 * borderWidth;
    CGFloat imageH = oldImage.size.height + 2 * borderWidth;
    CGSize imageSize = CGSizeMake(imageW, imageH);
    UIGraphicsBeginImageContextWithOptions(imageSize, NO, 0.0);

    // 3.取得当前的上下文
    CGContextRef ctx = UIGraphicsGetCurrentContext();

    // 4.画边框(大圆)
    [borderColor set];
    CGFloat bigRadius = imageW * 0.5; // 大圆半径
    CGFloat centerX = bigRadius; // 圆心
    CGFloat centerY = bigRadius;
    CGContextAddArc(ctx, centerX, centerY, bigRadius, 0, M_PI * 2, 0);
    CGContextFillPath(ctx); // 画圆

    // 5.小圆
    CGFloat smallRadius = bigRadius - borderWidth;
    CGContextAddArc(ctx, centerX, centerY, smallRadius, 0, M_PI * 2, 0);
    // 裁剪(后面画的东西才会受裁剪的影响)
    CGContextClip(ctx);

    // 6.画图
    [oldImage drawInRect:CGRectMake(borderWidth, borderWidth, oldImage.size.width, oldImage.size.height)];

    // 7.取图
    UIImage *newImage = UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext();

    // 8.结束上下文
    UIGraphicsEndImageContext();

    return newImage;
}

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

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，如下图

四、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。