iOS坐標系的深入探究

發(fā)布時間：2020-10-14 19:25:10 來源：腳本之家閱讀：170 作者：落影l(fā)oyinglin 欄目：移動開發(fā)

前言

app在渲染視圖時，需要在坐標系中指定繪制區(qū)域。

這個概念看似乎簡單，事實并非如此。

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

我們先從一段最簡單的代碼入手，在drawRect中顯示一個普通的UILabel；

為了方便判斷，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];
}

這段代碼首先創(chuàng)建一個UILabel，然后設置文本，顯示到屏幕上，沒有修改坐標。

所以按照UILabel.layer默認的坐標(0, 0)，在左上角進行了繪制。

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UILabel繪制

接著，我們嘗試使用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(jù)富文本創(chuàng)建排版類CTFramesetterRef
 UIBezierPath * bezierPath = [UIBezierPath bezierPathWithRect:CGRectMake(0, 0, 100, 20)];
 CTFrameRef frameRef = CTFramesetterCreateFrame(frameSetter, CFRangeMake(0, 0), bezierPath.CGPath, NULL); // 創(chuàng)建排版數(shù)據(jù)
 CTFrameDraw(frameRef, context);
}

首先用NSString創(chuàng)建一個富文本，然后根據(jù)富文本創(chuàng)建CTFramesetterRef，結合CGRect生成的UIBezierPath，我們得到CTFrameRef，最終渲染到屏幕上。

但是結果與上文不一致：文字是上下顛倒。

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CoreText的文本繪制

從這個不同的現(xiàn)象開始，我們來理解iOS的坐標系。

坐標系概念

在iOS中繪制圖形必須在一個二維的坐標系中進行，但在iOS系統(tǒng)中存在多個坐標系，常需要處理一些坐標系的轉(zhuǎn)換。
先介紹一個圖形上下文(graphics context)的概念，比如說我們常用的CGContext就是Quartz 2D的上下文。圖形上下文包含繪制所需的信息，比如顏色、線寬、字體等。用我們在Windows常用的畫圖來參考，當我們使用畫筆🖌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，每個圖形上下文都會有三種坐標：

1、繪制坐標系（也叫用戶坐標系），我們平時繪制所用的坐標系；

2、視圖（view）坐標系，固定左上角為原點（0，0）的view坐標系；

3、物理坐標系，物理屏幕中的坐標系，同樣是固定左上角為原點；

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根據(jù)我們繪制的目標不同（屏幕、位圖、PDF等），會有多個context；

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Quartz常見的繪制目標

不同context的繪制坐標系各不相同，比如說UIKit的坐標系為左上角原點的坐標系，CoreGraphics的坐標系為左下角為原點的坐標系；

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CoreGraphics坐標系和UIKit坐標系的轉(zhuǎn)換

CoreText基于CoreGraphics，所以坐標系也是CoreGraphics的坐標系。

我們回顧下上文提到的兩個渲染結果，我們產(chǎn)生如下疑問：

UIGraphicsGetCurrentContext返回的是CGContext，代表著是左下角為原點的坐標系，用UILabel（UIKit坐標系）可以直接renderInContext，并且“測”字對應為UILabel的（0，0）位置，是在左上角？

當用CoreText渲染時，坐標是（0，0），但是渲染的結果是在左上角，并不是在左下角；并且文字是上下顛倒的。

為了探究這個問題，我在代碼中加入了一行l(wèi)og：

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：

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一個二維坐標系上的點p，可以表達為(x, y, 1)，乘以變換的矩陣，如下：

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把結果相乘，得到下面的關系

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此時，我們再來看看打印的結果[2, 0, 0, -2, 0, 200]，可以化簡為

x' = 2x, y' = 200 - 2y

因為渲染的view高度為100，所以這個坐標轉(zhuǎn)換相當于把原點在左下角（0，100）的坐標系，轉(zhuǎn)換為原點在左上角（0，0）的坐標系！通常我們都會使用UIKit進行渲染，所以iOS系統(tǒng)在drawRect返回CGContext的時候，默認幫我們進行了一次變換，以方便開發(fā)者直接用UIKit坐標系進行渲染。

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我們嘗試對系統(tǒng)添加的坐標變換進行還原：

先進行CGContextTranslateCTM(context, 0, self.bounds.size.height);

對于x' = 2x, y' = 200 - 2y，我們使得x=x,y=y+100；（self.bounds.size.height=100）

于是有x' = 2x, y' = 200-2(y+100) = -2y;

再進行CGContextScaleCTM(context, 1.0, -1.0);

對于x' = 2x, y' = -2y，我們使得x=x, y=-y;

于是有 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(jù)富文本創(chuàng)建排版類CTFramesetterRef
 UIBezierPath * bezierPath = [UIBezierPath bezierPathWithRect:CGRectMake(0, 0, 100, 20)];
 CTFrameRef frameRef = CTFramesetterCreateFrame(frameSetter, CFRangeMake(0, 0), bezierPath.CGPath, NULL); // 創(chuàng)建排版數(shù)據(jù)
 CTFrameDraw(frameRef, context);
}

通過log也可以看出來CGContext default matrix [2, 0, -0, 2, 0, 0]；

最終結果如下，文本從左下角開始渲染，并且沒有出現(xiàn)上下顛倒的情況。

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這時我們產(chǎn)生新的困擾：

用CoreText渲染文字的上下顛倒現(xiàn)象解決，但是修改后的坐標系UIKit無法正常使用，如何兼容兩種坐標系？

iOS可以使用CGContextSaveGState()方法暫存context狀態(tài)，然后在CoreText繪制完后通過CGContextRestoreGState ()可以恢復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(jù)富文本創(chuàng)建排版類CTFramesetterRef
 UIBezierPath * bezierPath = [UIBezierPath bezierPathWithRect:CGRectMake(0, 0, 100, 20)];
 CTFrameRef frameRef = CTFramesetterCreateFrame(frameSetter, CFRangeMake(0, 0), bezierPath.CGPath, NULL); // 創(chuàng)建排版數(shù)據(jù)
 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];
}

渲染結果如下，控制臺輸出的兩個matrix都是[2, 0, 0, -2, 0, 200]；

遇到的問題

1、UILabel.layer在renderInContext的時候frame失效

初始化UILabel時設定了frame，但是沒有生效。

UILabel *testLabel = [[UILabel alloc] initWithFrame:CGRectMake(20, 20, 100, 28)];

這是因為frame是在上一層view中坐標的偏移，在renderInContext中坐標起點與frame無關，所以需要修改的是bounds屬性：

testLabel.layer.bounds = CGRectMake(50, 50, 100, 28);

2、renderInContext和drawInContext的選擇

在把UILabel.layer渲染到context的時候，應該采用drawInContext還是renderInContext？

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雖然這兩個方法都可以生效，但是根據(jù)畫線部分的內(nèi)容來判斷，還是采用了renderInContext，并且問題1就是由這里的一句Renders in the coordinate space of the layer，定位到問題所在。

3、如何理解CoreGraphics坐標系不一致后，會出現(xiàn)繪制結果異常？

我的理解方法是，我們可以先不考慮坐標系變換的情況。

如下圖，上半部分是普通的渲染結果，可以很容易的想象；

接下來是增加坐標變換后，坐標系變成原點在左上角的頂點，相當于按照下圖的虛線進行了一次垂直的翻轉(zhuǎn)。

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也可以按照坐標系變換的方式去理解，將左下角原點的坐標系相對y軸做一次垂直翻轉(zhuǎn)，然后向上平移height的高度，這樣得到左上角原點的坐標系。

附錄

Drawing and Printing Guide for iOS
Quartz 2D Programming Guide

總結

以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，如果有疑問大家可以留言交流，謝謝大家對億速云的支持。

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