Qt 绘制系统

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绘制系统简介

Qt 的绘图系统允许使用相同的 API 在屏幕和其它打印设备上进行绘制。整个绘图系统基于QPainter,QPainterDevice和QPaintEngine三个类。

QPainter用来执行绘制的操作；QPaintDevice是一个二维空间的抽象，这个二维空间允许QPainter在其上面进行绘制，也就是QPainter工作的空间；QPaintEngine提供了画笔（QPainter）在不同的设备上进行绘制的统一的接口。QPaintEngine类应用于QPainter和QPaintDevice之间，通常对开发人员是透明的。

三个类的关系：QPainter->QPaintEngine->QPaintDevice。通过这个关系我们也可以知道，QPainter通过QPaintEngine翻译指令在QPaintDevice上绘制。

通过一个实例来了解一下绘制系统的，

//main.h
#include <QPainter>
#include <QWidget>
#include <QPaintEvent>
#include <QApplication>
#include <QMainWindow>

class PaintedWidget : public QWidget
{
    Q_OBJECT
public:
    PaintedWidget(QWidget *parent = 0);

protected:
    void paintEvent(QPaintEvent *);
};

//main.cpp
#include "paintwidget.h"

PaintedWidget::PaintedWidget(QWidget *parent) : QWidget(parent)
{
    resize(800, 600);
    setWindowTitle(tr("Paint Demo"));
}

void PaintedWidget::paintEvent(QPaintEvent *)
{
    QPainter painter(this);
    painter.drawLine(20, 20, 700, 20);
    painter.setPen(Qt::red);
    painter.drawRect(10, 10, 100, 400);
    painter.setPen(QPen(Qt::green, 5));
    painter.setBrush(Qt::blue);
    painter.drawEllipse(0, 0, 300, 40);
    // painter.drawRect(120, 50, 50, 400);

}

int main(int argc, char *argv[])
{
    QApplication app(argc, argv);
    PaintedWidget paintMap;
    paintMap.show();
    return app.exec();
}

在构造函数中，我们仅仅设置了窗口的大小和标题。而paintEvent()函数则是绘制的代码。

首先，我们在栈上创建了一个QPainter对象，也就是说，每次运行paintEvent()函数的时候，都会重建这个QPainter对象。注意，这一点可能会引发某些细节问题：由于我们每次重建QPainter，因此第一次运行时所设置的画笔颜色、状态等，第二次再进入这个函数时就会全部丢失。有时候我们希望保存画笔状态，就必须自己保存数据，否则的话则需要将QPainter作为类的成员变量。

paintEvent()作为重绘函数，会在需要重绘时由 Qt 自动调用。“需要重绘”可能发生在很多地方，比如组件刚刚创建出来的时候就需要重绘；组件最大化、最小化的时候也需要重新绘制；组件由遮挡变成完全显示的时候也需要等等。

QPainter接收一个QPaintDevice指针作为参数。QPaintDevice有很多子类，比如QImage，以及QWidget。注意回忆一下，QPaintDevice可以理解成要在哪里去绘制，而现在我们希望画在这个组件，因此传入的是 this 指针。

我们还需要注意绘制的顺序，直线-矩形 - 椭圆，所以直线位于最下方，以此类推。

如果了解 OpenGL，肯定听说过这么一句话：OpenGL 是一个状态机。所谓状态机，就是说，OpenGL 保存的只是各种状态。比如，将画笔颜色设置成红色，那么，除非你重新设置另外的颜色，它的颜色会一直是红色。QPainter也是这样，它的状态不会自己恢复，除非你使用了各种设置函数。因此，如果在上面的代码中，我们在椭圆绘制之后再画一个矩形，它的样式还会是绿色5像素的轮廓线以及蓝色的填充，除非你显式地调用了设置函数进行状态的更新。

这是大多数绘图系统的实现方式，包括 OpenGL、QPainter以及 Java2D。正因为QPainter是一个状态机，才会引出我们前面曾经介绍过的一个细节问题：由于paintEvent()是需要重复进入的，因此，需要注意第二次进入时，QPainter的状态是不是和第一次一致，否则的话可能会造成闪烁的现象。这个闪烁并不是由于双缓冲的问题，而是由于绘制状态的快速切换。

画刷和画笔

画刷和画笔。前者使用QBrush描述，大多用于填充；后者使用QPen描述，大多用于绘制轮廓线。

//main.cpp
void PaintedWidget::paintEvent(QPaintEvent *)
{
    QPainter painter(this);
    painter.drawLine(20, 20, 700, 20);
    painter.setPen(Qt::red);
    painter.drawRect(10, 10, 100, 400);
    painter.setPen(QPen(Qt::green, 5));
    painter.setBrush(Qt::blue);
    painter.drawEllipse(0, 0, 300, 40);
    painter.drawRect(120, 50, 50, 400);
    ///////////////////画笔与笔刷
    QLinearGradient gradient(QPointF(180, 50), QPointF(230, 400));
    gradient.setColorAt(0, Qt::black);
    gradient.setColorAt(1, Qt::red);
    gradient.setSpread(QGradient::PadSpread);

    QBrush brush(gradient);

    QPen pen(Qt::green, 3, Qt::DashDotLine, Qt::RoundCap, Qt::RoundJoin);
    // painter.setPen(pen);
    painter.setBrush(brush);
    painter.drawRect(180, 50, 50, 400);
}

画刷的style()定义了填充的样式，使用Qt::BrushStyle枚举，默认值是Qt::NoBrush，也就是不进行任何填充。我们可以从下面的图示中看到各种填充样式的区别：

画刷的gradient()定义了渐变填充。这个属性只有在样式是Qt::LinearGradientPattern、Qt::RadialGradientPattern或者Qt::ConicalGradientPattern之一时才有效。渐变可以由QGradient对象表示。Qt 提供了三种渐变：QLinearGradient、QConicalGradient和QRadialGradient，它们都是QGradient的子类。

本文以QLinearGradient为例，两个坐标分别为起点与重点坐标。setColorAt设置渐变颜色，0表示开始，1表示结束。意思就是从黑色渐变到红色。setSpread设置显示方式为平铺。

QLinearGradient gradient(QPointF(180, 50), QPointF(230, 400));
gradient.setColorAt(0, Qt::black);
gradient.setColorAt(1, Qt::red);
gradient.setSpread(QGradient::PadSpread);

默认的画笔属性是纯黑色，0 像素，方形笔帽（Qt::SquareCap），斜面型连接（Qt::BevelJoin）。

画笔样式有一下几种，

你也可以使用setDashPattern()函数自定义样式，例如如下代码片段：

QVector<qreal> dashes;
qreal space = 4;

dashes << 1 << space << 3 << space << 9 << space
        << 27 << space << 9 << space;
pen.setColor(Qt::black);
pen.setDashPattern(dashes);
painter.setPen(pen);
painter.drawLine(30, 300, 600, 30);

pen.setCapStyle(Qt::RoundCap)笔帽定义了画笔末端的样式，例如：

pen.setJoinStyle(Qt::RoundJoin)连接样式定义了两条线连接时的样式，例如：

反走样

我们在光栅图形显示器上绘制非水平、非垂直的直线或多边形边界时，或多或少会呈现锯齿状外观。这是因为直线和多边形的边界是连续的，而光栅则是由离散的点组成。在光栅显示设备上表现直线、多边形等，必须在离散位置采样。由于采样不充分重建后造成的信息失真，就叫走样；用于减少或消除这种效果的技术，就称为反走样。也就是常说的防锯齿现象。因为性能方面的考虑，Qt 默认关闭反走样。

void paintEvent(QPaintEvent *)
{
    ///////////////////对比反走样效果
    QPainter painter(this);
    painter.setPen(QPen(Qt::black, 5, Qt::DashDotLine, Qt::RoundCap));
    painter.setBrush(Qt::yellow);
    painter.drawEllipse(550, 150, 200, 150);

    painter.setRenderHint(QPainter::Antialiasing, true);
    painter.setPen(QPen(Qt::black, 5, Qt::DashDotLine, Qt::RoundCap));
    painter.setBrush(Qt::yellow);
    painter.drawEllipse(300, 150, 200, 150);
}

我们可以明显观察到右边的椭圆轮廓是有锯齿现象的，这两个椭圆除了位置位置不同，唯一的区别就是右边的开启了反锯齿。

painter.setRenderHint(QPainter::Antialiasing, true);

虽然反走样比不反走样的图像质量高很多，但是，没有反走样的图形绘制还是有很大用处的。首先，就像前面说的一样，在一些对图像质量要求不高的环境下，或者说性能受限的环境下，比如嵌入式和手机环境，一般是不进行反走样的。另外，在一些必须精确操作像素的应用中，也是不能进行反走样的。

坐标系统

在 Qt 的坐标系统中，每个像素占据 1x1 的空间。你可以把它想象成一张方格纸，每个小格都是 1 个像素。方格的焦点定义了坐标，也就是说，像素 (x, y) 的中心位置其实是在(x + 0.5, y + 0.5)的位置上。这个坐标系统实际上是一个“半像素坐标系”。我们可以通过下面的示意图来理解这种坐标系：

我们使用一个像素的画笔进行绘制，可以看到，每一个绘制像素都是以坐标点为中心的矩形。注意，这是坐标的逻辑表示，实际绘制则与此不同。因为在实际设备上，像素是最小单位，我们不能像上面一样，在两个像素之间进行绘制。所以在实际绘制时，Qt 的定义是，绘制点所在像素是逻辑定义点的右下方的像素。

接下来，我们探究 Qt 绘制图像的坐标情况， 对于画笔大小为一个像素的情况比较容易理解，当我们绘制矩形左上角 (1, 2) 时，实际绘制的像素是在右下方。

当画笔大小超过 1 个像素时，就略显复杂了。如果绘制像素是偶数，则实际绘制会包裹住逻辑坐标值；如果是奇数，则是包裹住逻辑坐标值，再加上右下角一个像素的偏移。具体请看下面的图示：

从上图可以看出，如果实际绘制是偶数像素，则会将逻辑坐标值夹在相等的两部分像素之间；如果是奇数，则会在右下方多出一个像素。

Qt 的这种处理，带来的一个问题是，我们可能获取不到真实的坐标值。由于历史原因，QRect::right()和QRect::bottom()的返回值并不是矩形右下角点的真实坐标值：QRect::right()返回的是left() + width() - 1；QRect::bottom()则返回 top() + height() - 1，上图的绿色点指出了这两个函数的返回点的坐标。

为避免这个问题，我们建议是使用QRectF。QRectF使用浮点值，而不是整数值，来描述坐标。这个类的两个函数QRectF::right()和QRectF::bottom()是正确的。如果你不得不使用QRect，那么可以利用 x() + width() 和 y() + height()来替代 right()和bottom()函数。

对于反走样，实际绘制会包裹住逻辑坐标值：

前面说过，QPainter是一个状态机。那么，有时我想保存下当前的状态：当我临时绘制某些图像时，就可能想这么做。当然，我们有最原始的办法：将可能改变的状态，比如画笔颜色、粗细等，在临时绘制结束之后再全部恢复。对此，QPainter提供了内置的函数：save()和restore()。save()就是保存下当前状态；restore()则恢复上一次保存的结果。这两个函数必须成对出现：QPainter使用栈来保存数据，每一次save()，将当前状态压入栈顶，restore()则弹出栈顶进行恢复。

在了解了这两个函数之后，我们就可以进行示例代码了：

//绘制一个网格背景
void CoordinateWidget::paintGrid()
{
    size_t win_width = this->geometry().width();
    size_t win_height = this->geometry().height();
    QPainter painter(this);
    for (size_t x = 0; x < win_width; x += 25)
    {
        painter.drawLine(QPoint(x, 1), QPoint(x, win_height));
    }
    for (size_t y = 0; y < win_height; y += 25)
    {
        painter.drawLine(QPoint(1, y), QPoint(win_width, y));
    }
}
void CoordinateWidget::paintEvent(QPaintEvent *)
{
    paintGrid();
    QPainter painter(this);
    painter.fillRect(10, 10, 50, 100, Qt::red);
    painter.save();
    painter.translate(100, 0); // 向右平移 100px
    painter.fillRect(10, 10, 50, 100, Qt::yellow);
    painter.restore();
    painter.save();
    painter.translate(300, 0); // 向右平移 300px
    painter.rotate(30);        // 顺时针旋转 30 度
    painter.fillRect(10, 10, 50, 100, Qt::green);
    painter.restore();
    painter.save();
    painter.translate(400, 0); // 向右平移 400px
    painter.scale(2, 3);       // 横坐标单位放大 2 倍，纵坐标放大 3 倍
    painter.fillRect(10, 10, 50, 100, Qt::blue);
    painter.restore();
    painter.save();
    painter.translate(600, 0); // 向右平移 600px
    painter.shear(0, 1);       // 横向不变，纵向扭曲 1 倍
    painter.fillRect(10, 10, 50, 100, Qt::cyan);
    painter.restore();
}

Qt 提供了四种坐标变换：平移 translate，旋转 rotate，缩放 scale 和扭曲 shear。在这段代码中，我们首先在 (10, 10) 点绘制一个红色的 50x100 矩形。保存当前状态，将坐标系平移到 (100, 0)，绘制一个黄色的矩形。注意，translate()操作平移的是坐标系，不是矩形。因此，我们还是在(10, 10) 点绘制一个 50x100 矩形，现在，它跑到了右侧的位置。然后恢复先前状态，也就是把坐标系重新设为默认坐标系（相当于进行translate(-100, 0)），再进行下面的操作。之后也是类似的。由于我们只是保存了默认坐标系的状态，因此我们之后的translate()横坐标值必须增加，否则就会覆盖掉前面的图形。所有这些操作都是针对坐标系的，因此在绘制时，我们提供的矩形的坐标参数都是不变的。

为了更直观的查看绘制坐标，先在背景画了一个网格。

运行结果如下：