Android自定义View02 - 绘制流程 - DarkFlameMaster's blog

概述

Android 坐标系都是以左上角为原点，并且 view、canvas、Camera 是一个独立的坐标系

所以在进行绘制的时候，比如：自定义 Drawable 或者自定义 View，该如何去思考这个绘制流程呢？

如过你看过扔物线的视频或者文章，又或者在网上搜索过，一定知道 “倒着写绘制流程” 这种方法，但为什么要倒着写呢？？？

今天我来讲解更详细的内部原理

原理

原理就是，Android 里面使用的都是 列矩阵右乘

也就是说，你需要反着写绘制流程才会正常的矩阵变换流程

本文内容需要对矩阵的左乘右乘有一定的理解，比如列矩阵左乘是对被乘物体的变换。

这些知识应该是很容易就可以在网上搜索到的，如果你之前已经了解了一些，那往下看也许会帮你回想起来一些

左乘

按理说，如果我们想要对一个坐标系里的物体进行变换，如果我们使用的是列向量，我们应该用变换矩阵左乘它

比如我们有一个向量 A

对它进行变换，比如位移，我们会这样

然后我们再对它进行旋转

最后我们对它进行缩放

我们用代码模拟一下，使用我写的一个小工具

implementation("io.github.darkflamemasterdev:MatrixKotlin:1.1.1")

// 3行1列 的 1维列向量
val a = Matrix(
  3, 1,
  1f,
  1f,
  1f
)

// 3行3列 的 位移矩阵
val matrixTranslate = Matrix(
  3, 3,
  1f, 0f, 7f,
  0f, 1f, 8f,
  0f, 0f, 1f
)

// 3行3列 的 旋转矩阵（绕 0 点）
val matrixRotate = Matrix(
  3, 3,
  0.8660254f, -0.5f, 0f,
  0.5f, 0.8660254f, 0f,
  0f, 0f, 1f
)

// 3行3列 的 缩放矩阵
val matrixScale = Matrix(
  3, 3,
  6f, 0f, 0f,
  0f, 2f, 0f,
  0f, 0f, 1f
)
println(matrixTranslate * a)
println(matrixRotate * matrixTranslate * a)
println(matrixScale * matrixRotate * matrixTranslate * a)

{[8.0],[9.0],[1.0]}
{[2.428203],[11.7942295],[1.0]}
{[14.569218],[23.588459],[1.0]}

我们来看结果，这里使用的是 desmos

可以看到，矩阵左乘会让一个列向量按我们写的顺序进行变换

右乘

我们把这个情况在 Android 上复现（为了更明显，我们以 50px 是单位 1）

当然，由于 Android 是右乘，我们需要倒着写，也就是先缩放，再旋转，最后位移

override fun onDraw(canvas: Canvas) {
  canvas.drawCircle(50f, 50f, 10f, paint)

  canvas.save()
  canvas.translate(400f, 450f)
  canvas.drawCircle(50f, 50f, 10f, paint)
  canvas.restore()

  canvas.save()
  canvas.rotate(30f)
  canvas.translate(400f, 450f)
  canvas.drawCircle(50f, 50f, 10f, paint)
  canvas.restore()

  canvas.scale(6f, 2f)
  canvas.rotate(30f)
  canvas.translate(400f, 450f)
  canvas.drawCircle(50f, 50f, 10f, paint)
}

我们把两个坐标系对比一下：

而对于 Matrix ，右乘就是 Matrix.post... ，而 Matrix.pre... 则是左乘，这个下面还会提到

坐标系

只进行 translate rotate clip skew scale 等系统预设的变换，我称之为简单变换

我们拿自定义 View 举例，在进行 canvas 绘制的时候，canvas 本身的坐标是和 View坐标独立的，也就是说 canvas 和 View 分别有自己的坐标

举个例子，蓝色为 View 坐标系，绿色为 Canvas 坐标系

override fun onDraw(canvas: Canvas) {
  canvas.translate(200f,100f)
  canvas.drawBitmap(bitmap, 0f, 0f, paint)
}

如图所示，这是先将画布平移，然后绘制在画布的 (0, 0) 的位置

也就是说，canvas.translate() 函数并不是改变了绘制的位置，而是改变了画布 canvas 的位置

3d 渲染（Matrix、Camera）

Matrix 可以实现几乎任何变换，包括 2d 或者 3d 渲染，而 Camera 本质也是计算出 Matrix 来实现 3d 变换

Matrix

Matrix 是什么

这里说的是 android.graphics.Matrix 而不是 android.opengl.Matrix

是的,每次我都想吐槽,只说这个类名而不说包名，然后遇到重名是真的抓狂

我们先看这个 Matrix 到底是什么！

log("matrix = $matrix")

matrix = Matrix{[1.0, 0.0, 0.0][0.0, 1.0, 0.0][0.0, 0.0, 1.0]}

这里我们调用 Matrix.toString() ，发现打印出来确实是一个矩阵，我们再看看他的 toString 是怎么写的

@Override
public String toString() {
    StringBuilder sb = new StringBuilder(64);
    sb.append("Matrix{");
    toShortString(sb);
    sb.append('}');
    return sb.toString();
}

private void toShortString(StringBuilder sb) {
    float[] values = new float[9];
    getValues(values);
    sb.append('[');
    sb.append(values[0]);
    sb.append(", ");
    sb.append(values[1]);
    sb.append(", ");
    sb.append(values[2]);
    sb.append("][");
    sb.append(values[3]);
    sb.append(", ");
    sb.append(values[4]);
    sb.append(", ");
    sb.append(values[5]);
    sb.append("][");
    sb.append(values[6]);
    sb.append(", ");
    sb.append(values[7]);
    sb.append(", ");
    sb.append(values[8]);
    sb.append(']');
}

public void getValues(float[] values) {
    if (values.length < 9) {
        throw new ArrayIndexOutOfBoundsException();
    }
    nGetValues(native_instance, values);
}

@FastNative
private static native void nGetValues(long nObject, float[] values);

可以看到，这里其实就是调用了 nGetValues 这个 native 方法来填充 values，然后通过 StringBuilder 将他们连接起来

而这个 values 其实就是关键性起作用的变量，但如果你看过 Java 层面的源码，你就知道，values 出现最多的就是 setValues 、 getValues 和 toString 里面，其他地方根本每调用过这个变量

也就是说，这个变量的计算逻辑被完全封装到的 C++ 层了，在我们调用 preRotate ， postRotate ， setSinCos …… 这些方法的时候，他会在 C++ 层为我们计算好 Matrix ，然后在我们调用 canvas.concat(matrix) 或者 canvas.setMatrix() 的时候，将计算好的 Matrix 应用到 Canvas

pre 对应矩阵左乘，而 post 对应矩阵右乘

Android 这么做的目的显而易见，是为了让我们不要过多关心矩阵运算，只通过他提供的一些方法，来完成绘制

值得一提的是

canvas.setMatrix() 这个方法并不好用，经常有人抱怨这个方法会出现奇奇怪怪的问题，但我还没遇到过，所以你可以优先使用 canvas.concat(matrix)

canvas.concat(matrix) 是将 Matrix 和 Canvas 进行组合计算，而 canvas.setMatrix() 则是直接替换 Canvas 的矩阵

那这个 concat 函数是如何进行矩阵操作的呢？我试验一下

override fun onDraw(canvas: Canvas) {
  canvasMatrix.setValues(floatArrayOf(2f, 4f, 3f, 8f, 5f, 9f, 2f, 5f, 7f))
  cameraMatrix.setValues(floatArrayOf(-6f, 2f, 1f, 9f, 6f, -3f, 6f, 3f, 3f))
  canvas.setMatrix(canvasMatrix)
  canvas.concat(cameraMatrix)
  log("canvas.matrix = ${canvas.matrix}")
}

Matrix{[42.0, 37.0, -1.0][51.0, 73.0, 20.0][75.0, 55.0, 8.0]}

我们猜测应该也是右乘的关系也就是

// 使用implementation("io.github.darkflamemasterdev:MatrixKotlin:1.1.1")

val canvasMatrix = Matrix(3, 3).apply {
  setMatrixValue(
    arrayOf(
      floatArrayOf(2f, 4f, 3f),
      floatArrayOf(8f, 5f, 9f),
      floatArrayOf(2f, 5f, 7f)
    )
  )
}
val cameraMatrix = Matrix(3, 3).apply {
  setMatrixValue(
    arrayOf(
      floatArrayOf(-6f, 2f, 1f),
      floatArrayOf(9f, 6f, -3f),
      floatArrayOf(6f, 3f, 3f)
    )
  )
}
val x = canvasMatrix * cameraMatrix
println(x)

{[42.0, 37.0, -1.0][51.0, 73.0, 20.0][75.0, 55.0, 8.0]}

果然和我们想的一模一样

Camera

Camera 模型

Camera 类似于 3d 软件里的模型，如果你使用过类似 Blender 之类的软件一定非常好理解

而 Camera 本质还是通过建立这样的 3d 模型计算出一个 Matrix

这是 Camera 的坐标系，除了 X 轴，其他的都是和 View 坐标轴相反的

我们打开 Camera 这个类，发现很短，就只有短短 171 行

方法也只有位移和旋转而已，所以相机这个模型就是为了解决投影的倾斜对应的矩阵计算的

dotwithNormal 这个方法在 Google 的 Api 文档里也没有任何解释，调用它我也没有发现产生任何作用，所以我们暂时不去考虑它

其中有一个 getMatrix 的方法

// android.graphics.Camera

public void getMatrix(Matrix matrix) {
    nativeGetMatrix(matrix.ni());
}

你可以传进去一个空的 Matrix 对象，然后 Camera 的信息会被复制进你传入的这个函数里

所以你有理由怀疑，所有的自定义 View 变换都是通过矩阵变换计算来的，当然我也是这样想的…大概吧

我们用 blender 模拟一下这样的摄像机模型，图片长 5 宽 5，摄像机距图片 14

当摄像头默认在正上方，不旋转的时候，是这样的

上图是摄像机旋转 45 度的样子

Location

我们先查看一下这个摄像机的默认设置，主要就是这个摄像机的位置信息

override fun onDraw(canvas: Canvas) {
  log("camera.locationX = ${camera.locationX}")
  log("camera.locationY = ${camera.locationY}")
  log("camera.locationZ = ${camera.locationZ}")
  camera.applyToCanvas(canvas)
}

camera.locationX = 0.0
camera.locationY = 0.0
camera.locationZ = -8.0

可以看到默认 X 是 0.0 ，Y 是 0.0 , Z 是 -8.0

值得注意的的是，只是调用 Camera 的 setLocation 并不会改变绘制主体的大小，而是会改变绘制主体的位置

// Bitmap 长宽均为 400
  private val padding = 200f
  private val camera by lazy {
    Camera().apply {
      setLocation(4f, 20f, -72f)
    }
  }

  private var matrix = Matrix()

  override fun onDraw(canvas: Canvas) {
    camera.getMatrix(matrix)
    log("matrix = $matrix")
    camera.applyToCanvas(canvas)
    canvas.drawBitmap(bitmap, padding, padding, paint)
  }

matrix = Matrix{[1.0, 0.0, -288.0][0.0, 1.0, 1440.0][0.0, 0.0, 1.0]}

这里通过简单的线性代数知识就知道，这是一个位移矩阵，而主对角线全是 1 说明了这个矩阵并不存在任何缩放

为什么会是这个数字呢？

首先我们将相机向右上角移动，对应的投影出来的绘制主体自然会向左下角移动

按比例计算，向左平移 4×72 = 288px ，向下平移 20×72=1440px

当我们在 Android 里调用 camera.setLocation() 的时候，里面填写的参数，单位是 inch（英寸），1 inch = 72 px，所以我们将这个 bitmap 设为宽高

Rotate

LocationZ 影响 Rotate

从现在开始，一定要牢记，camera 的原理是矩阵变换

// Bitmap 长宽均为 400
private val paint = Paint(Paint.ANTI_ALIAS_FLAG)
private val padding = 200f
private val camera by lazy {
  Camera().apply {
    rotateX(30f)
    setLocation(0f, 0f, -8)
    //setLocation(0f, 0f, -16)
  }
}

override fun onDraw(canvas: Canvas) {
  camera.applyToCanvas(canvas)
  canvas.drawBitmap(bitmap, padding, padding, paint)
}

我们让相机绕 X 轴旋转 30°，分别设置两个不同的 Z 轴值

左图是 LocationZ 为 -16，右图 Location 为 -8

可见，Location 虽然不会缩放，它会影响旋转的效果，这很容易理解，因为旋转的角度相同，距离越近，肯定效果越明显

我们将矩阵打印出来

LocationZ = -8, Matrix{[1.0, 0.0, 0.0][0.0, 0.8660254, 0.0][0.0, -8.6805556E-4, 1.0]}
LocationZ = -16, Matrix{[1.0, 0.0, 0.0][0.0, 0.8660254, 0.0][0.0, -4.3402778E-4, 1.0]}
LocationZ = -32, Matrix{[1.0, 0.0, 0.0][0.0, 0.8660254, 0.0][0.0, -2.1701389E-4, 1.0]}

可以发现，LocationZ 会直接影响下面这个值，并且是成比例的

对于这种效果我们是很难计算的，更多的我们是要进行更一些更有规律的变换效果，比如垂直翻转

垂直翻转

由于，Camera 的原理是矩阵运算，并且其他操作包括 Canvas.translate 等操作都是矩阵运算，所以我们先执行最简单的翻转

// Bitmap 长宽均为 400
private val camera by lazy {
  Camera().apply {
    rotateX(30f)
    setLocation(0f, 0f, -8f)
  }
}

override fun onDraw(canvas: Canvas) {
  camera.applyToCanvas(canvas)
  canvas.drawBitmap(bitmap, -200f, -200f, paint)
}

我们该如何将这个图放到中间呢？（也就是向右下角移动）

垂直翻转 + 平移

怎么才能让 Camera 计算出来的 Matrix 使得图形在任意位置垂直翻转呢？

我们可以将位移和相机的矩阵运算结合起来

先将矩阵的绘制中心和相机的 x, y 位置对准
然后进行相机的矩阵变换
最后将图像移回原位

当然，我们得倒着写，因为 Android 里面使用的是列矩阵右乘

override fun onDraw(canvas: Canvas) {
  canvas.translate(200f, 200f) // Translate_1
  camera.applyToCanvas(canvas)
  canvas.translate(-200f, -200f) // Translate_2
  canvas.drawBitmap(bitmap, 0f, 0f, paint)
}

这个矩阵

网上还有人提出了以下的做法，其实也是这个道理，只不过，将第一步的 canvas.translate() 变成了 matrix.preTranslate() 而已

这个矩阵也是这样的

private var matrix = Matrix()
private val centerX = 400f
private val centerY = 400f

override fun onDraw(canvas: Canvas) {
  camera.getMatrix(matrix)

  matrix.preTranslate(-centerX, -centerY) // 先左乘 Translate_1
  matrix.postTranslate(centerX, centerY)  // 再右乘 Translate_2
  canvas.concat(matrix)
  canvas.drawBitmap(bitmap, 200f, 200f, paint)
}

~~有人说这个 centerX 和 centerY 是实际物体显示的中心位置~~

这句话是不对的！！！！！！

你依旧是按照第一个代码倒着写的原理就行

这个代码我们将位移的变量进行了修改，最终效果就是这样的