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本文由落影发表于云 + 社区专栏
前言
app 在渲染视图时，需要在坐标系中指定绘制区域。这个概念看似乎简单，事实并非如此。
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
我们先从一段最简单的代码入手，在 drawRect 中显示一个普通的 UILabel；为了方便判断，我把整个 view 的背景设置成黑色：
– (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 = @” 测试文本 ”;
testLabel.font = [UIFont systemFontOfSize:14];
testLabel.textColor = [UIColor whiteColor];
[testLabel.layer renderInContext:context];
}
这段代码首先创建一个 UILabel，然后设置文本，显示到屏幕上，没有修改坐标。所以按照 UILabel.layer 默认的坐标(0, 0)，在左上角进行了绘制。
UILabel 绘制
接着，我们尝试使用 CoreText 来渲染一段文本。
– (void)drawRect:(CGRect)rect {
[super drawRect:rect];
CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
NSLog(@”CGContext default matrix %@”, NSStringFromCGAffineTransform(CGContextGetCTM(context)));
NSAttributedString *attrStr = [[NSAttributedString alloc] initWithString:@” 测试文本 ” attributes:@{
NSForegroundColorAttributeName:[UIColor whiteColor],
NSFontAttributeName:[UIFont systemFontOfSize:14],
}];
CTFramesetterRef frameSetter = CTFramesetterCreateWithAttributedString((__bridge CFAttributedStringRef) attrStr); // 根据富文本创建排版类 CTFramesetterRef
UIBezierPath * bezierPath = [UIBezierPath bezierPathWithRect:CGRectMake(0, 0, 100, 20)];
CTFrameRef frameRef = CTFramesetterCreateFrame(frameSetter, CFRangeMake(0, 0), bezierPath.CGPath, NULL); // 创建排版数据
CTFrameDraw(frameRef, context);
}
首先用 NSString 创建一个富文本，然后根据富文本创建 CTFramesetterRef，结合 CGRect 生成的 UIBezierPath，我们得到 CTFrameRef，最终渲染到屏幕上。但是结果与上文不一致：文字是上下颠倒。
CoreText 的文本绘制
从这个不同的现象开始，我们来理解 iOS 的坐标系。
坐标系概念
在 iOS 中绘制图形必须在一个二维的坐标系中进行，但在 iOS 系统中存在多个坐标系，常需要处理一些坐标系的转换。先介绍一个图形上下文 (graphics context) 的概念，比如说我们常用的 CGContext 就是 Quartz 2D 的上下文。图形上下文包含绘制所需的信息，比如颜色、线宽、字体等。用我们在 Windows 常用的画图来参考，当我们使用画笔???? 在白板中写字时，图形上下文就是画笔的属性设置、白板大小、画笔位置等等。
iOS 中，每个图形上下文都会有三种坐标：1、绘制坐标系（也叫用户坐标系），我们平时绘制所用的坐标系；2、视图（view）坐标系，固定左上角为原点（0，0）的 view 坐标系；3、物理坐标系，物理屏幕中的坐标系，同样是固定左上角为原点；
根据我们绘制的目标不同（屏幕、位图、PDF 等），会有多个 context；
Quartz 常见的绘制目标
不同 context 的绘制坐标系各不相同，比如说 UIKit 的坐标系为左上角原点的坐标系，CoreGraphics 的坐标系为左下角为原点的坐标系；
CoreGraphics 坐标系和 UIKit 坐标系的转换
CoreText 基于 CoreGraphics，所以坐标系也是 CoreGraphics 的坐标系。我们回顾下上文提到的两个渲染结果，我们产生如下疑问：UIGraphicsGetCurrentContext 返回的是 CGContext，代表着是左下角为原点的坐标系，用 UILabel（UIKit 坐标系）可以直接 renderInContext，并且“测”字对应为 UILabel 的（0，0）位置，是在左上角？当用 CoreText 渲染时，坐标是（0，0），但是渲染的结果是在左上角，并不是在左下角；并且文字是上下颠倒的。为了探究这个问题，我在代码中加入了一行 log：NSLog(@”CGContext default matrix %@”, NSStringFromCGAffineTransform(CGContextGetCTM(context))); 其结果是 CGContext default matrix [2, 0, 0, -2, 0, 200]；CGContextGetCTM 返回是 CGAffineTransform 仿射变换矩阵：
一个二维坐标系上的点 p，可以表达为(x, y, 1)，乘以变换的矩阵，如下：
把结果相乘，得到下面的关系
此时，我们再来看看打印的结果[2, 0, 0, -2, 0, 200]，可以化简为 x’ = 2x, y’ = 200 – 2y 因为渲染的 view 高度为 100，所以这个坐标转换相当于把原点在左下角（0，100）的坐标系，转换为原点在左上角（0，0）的坐标系！通常我们都会使用 UIKit 进行渲染，所以 iOS 系统在 drawRect 返回 CGContext 的时候，默认帮我们进行了一次变换，以方便开发者直接用 UIKit 坐标系进行渲染。
我们尝试对系统添加的坐标变换进行还原：先进行 CGContextTranslateCTM(context, 0, self.bounds.size.height); 对于 x ’ = 2x, y’ = 200 – 2y，我们使得 x =x,y=y+100；（self.bounds.size.height=100）于是有 x ’ = 2x, y’ = 200-2(y+100) = -2y; 再进行 CGContextScaleCTM(context, 1.0, -1.0); 对于 x ’ = 2x, y’ = -2y，我们使得 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:@” 测试文本 ” attributes:@{
NSForegroundColorAttributeName:[UIColor whiteColor],
NSFontAttributeName:[UIFont systemFontOfSize:14],
}];
CTFramesetterRef frameSetter = CTFramesetterCreateWithAttributedString((__bridge CFAttributedStringRef) attrStr); // 根据富文本创建排版类 CTFramesetterRef
UIBezierPath * bezierPath = [UIBezierPath bezierPathWithRect:CGRectMake(0, 0, 100, 20)];
CTFrameRef frameRef = CTFramesetterCreateFrame(frameSetter, CFRangeMake(0, 0), bezierPath.CGPath, NULL); // 创建排版数据
CTFrameDraw(frameRef, context);
}
通过 log 也可以看出来 CGContext default matrix [2, 0, -0, 2, 0, 0]；最终结果如下，文本从左下角开始渲染，并且没有出现上下颠倒的情况。
这时我们产生新的困扰：用 CoreText 渲染文字的上下颠倒现象解决，但是修改后的坐标系 UIKit 无法正常使用，如何兼容两种坐标系？iOS 可以使用 CGContextSaveGState()方法暂存 context 状态，然后在 CoreText 绘制完后通过 CGContextRestoreGState ()可以恢复 context 的变换。
– (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:@” 测试文本 ” attributes:@{
NSForegroundColorAttributeName:[UIColor whiteColor],
NSFontAttributeName:[UIFont systemFontOfSize:14],
}];
CTFramesetterRef frameSetter = CTFramesetterCreateWithAttributedString((__bridge CFAttributedStringRef) attrStr); // 根据富文本创建排版类 CTFramesetterRef
UIBezierPath * bezierPath = [UIBezierPath bezierPathWithRect:CGRectMake(0, 0, 100, 20)];
CTFrameRef frameRef = CTFramesetterCreateFrame(frameSetter, CFRangeMake(0, 0), bezierPath.CGPath, NULL); // 创建排版数据
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 = @” 测试文本 ”;
testLabel.font = [UIFont systemFontOfSize:14];
testLabel.textColor = [UIColor whiteColor];
[testLabel.layer renderInContext:context];
}
渲染结果如下，控制台输出的两个 matrix 都是[2, 0, 0, -2, 0, 200]；
遇到的问题
1、UILabel.layer 在 drawContext 的时候 frame 失效
初始化 UILabel 时设定了 frame，但是没有生效。UILabel *testLabel = [[UILabel alloc] initWithFrame:CGRectMake(20, 20, 100, 28)]; 这是因为 frame 是在上一层 view 中坐标的偏移，在 renderInContext 中坐标起点与 frame 无关，所以需要修改的是 bounds 属性：testLabel.layer.bounds = CGRectMake(50, 50, 100, 28);
2、renderInContext 和 drawInContext 的选择
在把 UILabel.layer 渲染到 context 的时候，应该采用 drawInContext 还是 renderInContext？
虽然这两个方法都可以生效，但是根据画线部分的内容来判断，还是采用了 renderInContext，并且问题 1 就是由这里的一句 Renders in the coordinate space of the layer，定位到问题所在。
3、如何理解 CoreGraphics 坐标系不一致后，会出现绘制结果异常？
我的理解方法是，我们可以先不考虑坐标系变换的情况。如下图，上半部分是普通的渲染结果，可以很容易的想象；接下来是增加坐标变换后，坐标系变成原点在左上角的顶点，相当于按照下图的虚线进行了一次垂直的翻转。
也可以按照坐标系变换的方式去理解，将左下角原点的坐标系相对 y 轴做一次垂直翻转，然后向上平移 height 的高度，这样得到左上角原点的坐标系。
附录
Drawing and Printing Guide for iOS Quartz 2D Programming Guide
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