iOS实现图形编程可以使用三种API（UIKITCore GraphicsOpenGL ES及GLKit）

Posted 2020-11-21 zzfx

这些api包含的绘制操作都在一个图形环境中进行绘制。一个图形环境包含绘制参数和所有的绘制需要的设备特定信息，包括屏幕图形环境、offscreen 位图环境和PDF图形环境，用来在屏幕表面、一个位图或一个pdf文件中进行图形和图像绘制。在屏幕图形环境中进行的绘制限定于在一个UIView类或其子类的实例中绘制，并直接在屏幕显示，在offscreen位图或PDF图形环境中进行的绘制不直接在屏幕上显示。

一、UIKIT API

UIKIT是一组Objective-C API，为线条图形、Quartz图像和颜色操作提供Objective-C 封装，并提供2D绘制、图像处理及用户接口级别的动画。

UIKIT包括UIBezierPath（绘制线、角度、椭圆及其它图形）、UIImage（显示图像）、UIColor（颜色操作）、UIFont和UIScreen（提供字体和屏幕信息）等类以及在位图图形环境、PDF图形环境上进行绘制和 操作的功能等, 也提供对标准视图的支持，也提供对打印功能的支持。

在UIKIT中UIView类本身在绘制时自动创建一个图形环境（对应Core Graphics层的CGContext类型）作为当前的图形绘制环境。在绘制时可以调用UIGraphicsGetCurrentContext 函数获得当前的图形环境。

二、Core Graphics 与Quartz 2D API

Core Graphics是一套C-based API， 支持向量图形，线、形状、图案、路径、剃度、位图图像和pdf 内容的绘制。

Quartz 2D 是Core Graphics中的2D 绘制呈现引擎。Quartz是资源和设备无关的,提供路径绘制，anti-aliased呈现，剃度填充图案，图像，透明绘制和透明层、遮蔽和阴影、颜色管理，坐标转换，字体、offscreen呈现、pdf文档创建、显示和分析等功能。

Quartz 2D能够与所有的图形和动画技术（如Core Animation, OpenGL ES, 和 UIKit 等）一起使用。

Quartz采用paint模式进行绘制。

Quartz 中使用的图形环境也由一个类CGContext表示。

在Quartz 中可以把一个图形环境作为一个绘制目标。当使用Quartz 进行绘制时，所有设备特定的特性被包含在你使用的特定类型的图形环境中，因此通过给相同的图像操作函数提供不同的图像环境你就能够画相同的图像到不同的设备上，因此做到了图像绘制的设备无关性。

Quartz 为应用提供如下几个图形环境：

1）位图图形环境，用来创建一个位图。

使用函数CGBitmapContextCreate来创建。

2）PDF图形环境，用来创建一个pdf文件。

Quartz 2D API提供了两个函数来创建一个PDF图形环境：

CGPDFContextCreateWithURL，带有一个作为pdf 输出的位置的Core Foundation URL来创建一个pdf 图形环境。

CGPDFContextCreate, 当想PDF 输出到一个data consumer时使用该函数。

3） 窗口图形环境，用来在一个窗口上进行绘制。

4） 层环境（CGLayer) ，是一个与另一个图形环境关联的offscreen绘制目标，使用层环境的目的是为了优化绘制层到创建它的图形环境的性能。层环境能够比位图图形环境提供更好的offscreen绘制性能。

Quartz提供的主要类包括：

CGContext：表示一个图形环境；

CGPath：使用向量图形来创建路径，并能够填充和stroke；

CGImage：用来表示位图；

CGLayer：用来表示一个能够用于重复绘制和offscreen绘制的绘制层；

CGPattern：用来表示Pattern，用于重复绘制；

CGShading和 CGGradient：用于绘制剃度；

CGColor 和 CGColorSpace；用来进行颜色和颜色空间管理；

CGFont, 用于绘制文本；

CGPDFContentStream、CGPDFScanner、CGPDFPage、CGPDFObject,CGPDFStream, CGPDFString等用来进行pdf文件的创建、解析和显示。

三、OpenGL ES和GLKit

OpenGL ES是一套多功能开放标准的用于嵌入系统的C-based的图形库，用于2D和3D数据的可视化。OpenGL被设计用来转换一组图形调用功能到底层图形硬件（GPU），由GPU执行图形命令，用来实现复杂的图形操作和运算，从而能够高性能、高帧率利用GPU提供的2D和3D绘制能力。

OpenGL ES规范本身不定义绘制表面和绘制窗口，因此ios为了使用它必须提供和创建一个OpenGLES 的呈现环境，创建和配置存储绘制命令结果的framebuffer 及创建和配置一个或多个呈现目标。

在 iOS中使用EAGL提供的EAGLContext类 来实现和提供一个呈现环境，用来保持OpenGLES使用到的硬件状态。  EAGL是一个Objective-C API，提供使OpenGL ES与Core Animation和UIKIT集成的接口。

在调用任何OpenGLES 功能之前必须首先初始化一个EAGLContext 对象。

每一个iOS应用的每一个线程都有一个当前context，在调用OpenGLES函数时，使用或改变此context中的状态。

EAGLContext 的类方法setCurrentContext:用来设置当前线程的当前context。EAGLContext 的类方法currentContext 返回当前线程的当前context。在切换相同线程的两个上下文之前，必须调用glFlush函数来确保先前已提交的命令被提交到图形硬件中。

可以采用不同的方式使用OpenGL ES以便呈现OpenGL ES内容到不同的目标：GLKit和CAEAGLLayer。

为了创建全屏幕的视图或使OpenGL ES内容与UIKit视图集成，可以使用GLKit。在使用GLKit时，GLKit提供的类GLKView类本身实现呈现目标及创建和维护一个framebuffer。

为了使OpenGL ES内容作为一个Core Animation层的部分内容时，可以使用CAEAGLLayer 作为呈现目标，并需要另外创建framebuffer以及自己实现和控制整个绘制流程。

GLKit是一组Objective-C 类，为使用OpenGL ES 提供一个面向对象接口，用来简化OpenGL ES应用的开发。GLKit支持四个3D应用开发的关键领域：

1） GLKView 和GLKViewController类提供一个标准的OpenGLES视图和相关联的呈现循环。GLKView可以作为OpenGLES内容的呈现目标，GLKViewController提供内容呈现的控制和动画。视图管理和维护一个framebuffer，应用只需在framebuffer进行绘画即可。

2）GLKTextureLoader 为应用提供从iOS支持的各种图像格式的源自动加载纹理图像到OpenGLES 图像环境的方式，并能够进行适当的转换，并支持同步和异步加载方式。

3）数学运算库，提供向量、矩阵、四元数的实现和矩阵堆栈操作等OpenGL ES 1.1功能。

4）Effect效果类提供标准的公共着色效果的实现。能够配置效果和相关的顶点数据，然后创建和加载适当的着色器。GLKit 包括三个可配置着色效果类：GLKBaseEffect实现OpenGL ES 1.1规范中的关键的灯光和材料模式, GLKSkyboxEffect提供一个skybox效果的实现, GLKReflectionMapEffect 在GLKBaseEffect基础上包括反射映射支持。

使用GLKView和OpenGLES进行绘制过程：

1）创建一个GLKView 对象

GLKView 对象可以编程或使用Interface Builder来创建和配置。

在采用编程方式时，首先创建一个context然后调用initWithFrame:context:方法。

使用Interface Builder方式时，在从storyboard加载一个GLKView后，创建一个context和设置它作为视图的context属性.

在iOS中GLKit的使用需要创建OpenGL ES 2.0以上的图形环境context。

GLKit视图自动创建和配置它所有的OpenGLES framebuffer对象和renderbuffers，可以通过修改视图的drawable属性来控制这些对象的属性。

2）绘制OpenGL内容（发布绘制命令）

使用GLKit视图绘制OpenGL内容需要三个子步骤：准备OpenGLES基础；发布绘制命令；呈现显示内容到Core Animation。       GLKit类本身已经实现了第一个和第三个步骤，用户只需实现第二个步骤，在视图的方法drawRect或视图的代理对象的glkView:drawInRect:中调用适当的OpenGLES绘制命令进行内容绘制。

GLKViewController类维护一个animation 呈现循环（包含两个方法update和display），用来实现连续的动画复杂的场景。

animation 呈现循环的交替速率由GLKViewController的属性framesPerSecond 指示，并使用preferredFramesPerSecond 属性来修改它。

四、其它图形编程相关API

1）Core Animation

Core Animation是一套Objective-C API，实现了一个高性能的复合引擎，并提供一个简单易用的编程接口，给用户UI添加平滑运动和动态反馈能力。

Core Animation 是 UIKit实现动画和变换的基础，也负责视图的复合功能。使用Core Animation可以实现定制动画和细粒度的动画控制，创建复杂的、支持动画和变换的layered 2D视图。

Core Animation不属于绘制系统，但它是以硬件复合和操作显示内容的基础设施。这个基础设施的核心是layer对象，用来管理和操作显示内容。在ios 中每一个视图都对应Core Animation的一个层对象，与视图一样，层之间也组织为层关系树。一个层捕获视图内容为一个被图像硬件容易操作的位图。在多数应用中层作为管理视图的方式使用，但也可以创建独立的层到一个层关系树中来显示视图不够支持的显示内容。

OpenGL ES的内容也可以与Core Animation内容进行集成。

 

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