IOS: Quartz2D图像处理 一片

Quartz2D 图像处理

　　本文将为大家介绍常见的IOS图像处理操作包括以下四部分：旋转，缩放，裁剪以及像素和UIImage之间的转化，主要使用的知识是quartz2D。Quartz2D是CoreGraphics框架中的一个重要组成部分，可以完成几乎所有的2D图像绘制，处理功能。跟window编程中GDI的功能一样，而且很多概念都差不多。

一、图像旋转

　　图像旋转是图像处理过程中一中常见操作，按照旋转的角度不同，可以分为以下两种:

　　1、特殊角度旋转

　　特殊角度旋转是指对图像做90°，180°，270°等这一类旋转，这一类旋转操作通常是最频繁的，如看照片时偶尔会碰到一些方向有问题，我们只需要进行简单的左转90°，右转90°就可以装好。关于特殊角度旋转的处理我的上一篇博客《IOS：聊一聊UIImage几点知识》有介绍过创建图像时指定imageOrientation来完成，有兴趣可以去看看。这种方法由于没有牵扯到具体的绘制操作，因此速度很快，在IOS和Mac系统中都可以正确显示，但是如果将图片倒到windows系统中，方向可能依然是错的，具体原因上一篇文章也解释过了。

　　2、任意角度旋转

　　任意角度旋转顾名思义即对图像做任意角度的旋转，可能是30°也可能是35°等等。很显然这一种旋转是没法通过imageOrientaion来完成的，因此我们得想点儿别的办法。我们知道UIView有一个transform属性，通过设置transform可以实现偏移，缩放，旋转的效果。在quartz2D中我们也同样可以通过对context设置不同的transform来完成相应的功能，下面我们要介绍的任意角度旋转的方法就是基于对context的一系列操作来完成的。

　　这块儿你可能有个疑问，问什么让UIView旋转只需要设置一个旋转的transform就可以了，而context则需要通过“一系列”的transform操作才能完成相应的功能？

　　原因是UIView中我们通过transform进行的所有操作都是基于view的中心点的，而context中我们进行的操作是基于context的坐标原点。下面我们首先看一下UIView进行旋转时的图示：

　　由于旋转时绕着中心点转动，所以我们只需要一步就可以从原位置(黑色表示)转到目标位置(蓝色表示)，其中黑色虚线和蓝色虚线之间的夹角就是转过的角度。我们想一下如果转动时绕着左上角的原点转动，完成同样角度转动后会是怎么一种情况呢？请看下图

　　

　　如上图所示，由于旋转是绕着原点进行的，虽然我们转过了相同的角度，但是得到的结果却相差甚远。因此context中如果想把一幅图片旋转任意角度的话，至少得进行两步：旋转和平移。

　　第一步旋转很好做，问题是第二部如何从旋转过后图片的中心移动到原图中心，这个计算还不是那么直观。于是我们想着去模拟UIView的旋转，我们分如下三步走：

　　

　　我们设图片的宽度为width，高度为height，旋转的三个步骤依次如上图所示：

　　a、将context进行平移，将原点移动到原图的中心位置，x，y方向的平移距离分别为width / 2，height / 2。

　　b、对context进行旋转操作。

　　c、将旋转后的图像的中心点重新移回原图的中心点，即x，y方向的平移距离分别是-width / 2，-height / 2。

　　进过这三步我们就可以很方便的实现图片的任意角度旋转了。你可能会发现步骤a中向下移动了半个图片宽高，步骤c中又向相反方向移动了半个图片宽高。这两个操作不会抵消吗？答案是NO，步骤a中我们的移动是基于原坐标系统进行移动的，到了步骤c时我们的移动是基于这个时候的坐标系移动的，两个坐标系是不一样的，所以才能通过一来一回完成对图片的旋转。

　　图片旋转的代码如下:

//
//  UIImage+Rotate_Flip.m
//  SvImageEdit
//
//  Created by  maple on 5/14/13.
//  Copyright (c) 2013 smileEvday. All rights reserved.
//

#import "UIImage+Rotate_Flip.h"

/*
 * @brief rotate image with radian
 */
- (UIImage*)rotateImageWithRadian:(CGFloat)radian cropMode:(SvCropMode)cropMode
{
    CGSize imgSize = CGSizeMake(self.size.width * self.scale, self.size.height * self.scale);
    CGSize outputSize = imgSize;
    if (cropMode == enSvCropExpand) {
        CGRect rect = CGRectMake(0, 0, imgSize.width, imgSize.height);
        rect = CGRectApplyAffineTransform(rect, CGAffineTransformMakeRotation(radian));
        outputSize = CGSizeMake(CGRectGetWidth(rect), CGRectGetHeight(rect));
    }
    
    UIGraphicsBeginImageContext(outputSize);
    CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
    
    CGContextTranslateCTM(context, outputSize.width / 2, outputSize.height / 2);
    CGContextRotateCTM(context, radian);
    CGContextTranslateCTM(context, -imgSize.width / 2, -imgSize.height / 2);
    
    [self drawInRect:CGRectMake(0, 0, imgSize.width, imgSize.height)];
    
    UIImage *image = UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext();
    UIGraphicsEndImageContext();
    
    return image;
}

　　其中的CropMode定义如下:

enum {
    enSvCropClip,               // the image size will be equal to orignal image, some part of image may be cliped
    enSvCropExpand,             // the image size will expand to contain the whole image, remain area will be transparent
};
typedef NSInteger SvCropMode;

　　clip模式下，旋转后的图片和原图一样大，部分图片区域会被裁剪掉；expand模式下，旋转后的图片可能会比原图大，所有的图片信息都会保留，剩下的区域会是全透明的。

　　

　　小结：第一部分讲述了两种图片旋转的方法，第一种方法处理速度块，但是只能处理特殊角度旋转。第二种方法处理速度比第一种要慢，因为牵扯到了实际的绘制和重新采样生成图片的过程。在实际操作中如果第一种方法满足需求，应该尽量使用第一种方法完成图片旋转。

二、图像缩放

　　图像缩放顾名思义即对图片的尺寸进行缩放，由于尺寸不同所以在生成新图的过程中像素不可能是一一对应，因此会有插值操作。所谓插值即根据原图和目标图大小比例，结合原图像素信息生成的新的像素的过程。常见的插值算法有线性插值，双线性插值，立方卷积插值等。网上有很多现成的算法，感兴趣的话可以去看看。

　　下面我们看看图像缩放的原理图示:

　　上图中，我们假设黑色代表原图尺寸，蓝色代表缩放后的尺寸。我们将图片放大两倍，那么原图中的每一个像素将会对应缩放后图片中的四个像素。如何从一个像素生成四个像素，这个就是插值算法要解决的问题。

　　今天我们主要讨论IOS图像处理，使用quartz2D帮助我们完成图像缩放，只需要通过CGContextSetInterpolationQuality函数即可完成插值质量的设置。之于底层具体使用哪种插值算法，我们无从得知，也不需要去关心。使用quartz2D解决图像缩放的时候，所有我们需要做的事情只有生成一个目标大小的画布，然后设置插值质量，再使用UIImage的draw方法将图片绘制到画布中即可。

　　下面看代码:

//
//  UIImage+Zoom.h
//  SvImageEdit
//
//  Created by  maple on 5/22/13.
//  Copyright (c) 2013 maple. All rights reserved.
//

#import <UIKit/UIKit.h>

enum {
    enSvResizeScale,            // image scaled to fill
    enSvResizeAspectFit,        // image scaled to fit with fixed aspect. remainder is transparent
    enSvResizeAspectFill,       // image scaled to fill with fixed aspect. some portion of content may be cliped
};
typedef NSInteger SvResizeMode;



@interface UIImage (Zoom)

/*
 * @brief resizeImage
 * @param newsize the dimensions（pixel） of the output image
 */
- (UIImage*)resizeImageToSize:(CGSize)newSize resizeMode:(SvResizeMode)resizeMode;

@end

//
//  UIImage+Zoom.m
//  SvImageEdit
//
//  Created by  maple on 5/22/13.
//  Copyright (c) 2013 maple. All rights reserved.
//

#import "UIImage+Zoom.h"

@implementation UIImage (Zoom)

/*
 * @brief resizeImage
 * @param newsize the dimensions（pixel） of the output image
 */
- (UIImage*)resizeImageToSize:(CGSize)newSize resizeMode:(SvResizeMode)resizeMode
{
    CGRect drawRect = [self caculateDrawRect:newSize resizeMode:resizeMode];
    
    UIGraphicsBeginImageContext(newSize);
    CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
    CGContextClearRect(context, CGRectMake(0, 0, newSize.width, newSize.height));
    
    CGContextSetInterpolationQuality(context, 0.8);
    
    [self drawInRect:drawRect blendMode:kCGBlendModeNormal alpha:1];
    
    UIImage *image = UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext();
    UIGraphicsEndImageContext();
    
    return image;
}

// caculate drawrect respect to specific resize mode
- (CGRect)caculateDrawRect:(CGSize)newSize resizeMode:(SvResizeMode)resizeMode
{
    CGRect drawRect = CGRectMake(0, 0, newSize.width, newSize.height);
    
    CGFloat imageRatio = self.size.width / self.size.height;
    CGFloat newSizeRatio = newSize.width / newSize.height;
    
    switch (resizeMode) {
        case enSvResizeScale:
        {
            // scale to fill
            break;
        }
        case enSvResizeAspectFit:                    // any remain area is white
        {
            CGFloat newHeight = 0;
            CGFloat newWidth = 0;
            if (newSizeRatio >= imageRatio) {        // max height is newSize.height
                newHeight = newSize.height;
                newWidth = newHeight * imageRatio;
            }
            else {
                newWidth = newSize.width;
                newHeight = newWidth / imageRatio;
            }
            
            drawRect.size.width = newWidth;
            drawRect.size.height = newHeight;
            
            drawRect.origin.x = newSize.width / 2 - newWidth / 2;
            drawRect.origin.y = newSize.height / 2 - newHeight / 2;
            
            break;
        }
        case enSvResizeAspectFill:
        {
            CGFloat newHeight = 0;
            CGFloat newWidth = 0;
            if (newSizeRatio >= imageRatio) {        // max height is newSize.height
                newWidth = newSize.width;
                newHeight = newWidth / imageRatio;
            }
            else {
                newHeight = newSize.height;
                newWidth = newHeight * imageRatio;
            }
            
            drawRect.size.width = newWidth;
            drawRect.size.height = newHeight;
            
            drawRect.origin.x = newSize.width / 2 - newWidth / 2;
            drawRect.origin.y = newSize.height / 2 - newHeight / 2;
            
            break;
        }
        default:
            break;
    }
    
    return drawRect;
}

@end

　　这个工具类里面，实现了三种缩放模式(与缩放质量无关)，分别是: enSvResizeScale，enSvResizeAspectFit，enSvResizeAspectFill。

a、拉伸填充。即不管目标尺寸中宽高的比例如何，我们都将对原图进行拉伸，使之充满整个目标图像。

b、保持比例显示。即缩放后尽量使原图最大，同事维持原图本身的比例，剩余区域将会做全透明的填充。这个类似于UIImageView中contentMode中的UIViewContentModeScaleAspectFit模式。

c、保持比例填充。即缩放后的图像依旧保持原图比例的基础上进行填充，部分图片可能会被裁剪。这个类似于UIImageView中contentMode中的UIViewContentModeScaleAspectFill模式。

　　

　　小结: 第二部分讲述使用quartz2D进行图像缩放的知识，我们可以看出quartz2D帮我们完成了图像缩放过程中插值的处理，十分方便。　　

三、图像裁剪

　　图像裁剪即去除不必要的图像区域，抠出我们希望保留的信息。按照裁剪形状可以分为以下两种:

　　1、矩形裁剪

 　　矩形裁剪是最常见的裁剪操作，操作方法比较简单。下面我们看一下矩形裁剪示意图:

　　上图中黑色的框代表原图大小，蓝色的虚线框代表要裁剪出来的大小。很显然裁剪出来的图片不会比原图更大，如果你裁剪出来的图片比原图更大的话通常情况下就错了，当然除非你刻意为之。我们设裁剪区域的左上角坐标为(x，y)，裁剪的宽高分别为cropWidth，cropHeight，原图像宽高分别为width，height。要完成裁剪功能，我们只需要三步：

　　a、创建目标大小(cropWidth，cropHeight)的画布。

　　b、使用UIImage的drawInRect方法进行绘制的时候，指定rect为(-x，-y，width，height)。

　　c、从画布中得到裁剪后的图像。

　　关键是在第二步，指定原图像的绘制区域，因为我们需要得到从x，y位置开始的图像，所做一个简单的坐标转换，只需要从-x，-y位置开始绘制即可。

　　下面是裁剪部分的源码:

//  UIImage+SvImageEdit.m
//  SvImageEdit
//
//  Created by  maple on 5/8/13.
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//

#import "UIImage+Crop.h"

@implementation UIImage (SvImageEdit)

/*
 * @brief crop image
 */
- (UIImage*)cropImageWithRect:(CGRect)cropRect
{
    CGRect drawRect = CGRectMake(-cropRect.origin.x , -cropRect.origin.y, self.size.width * self.scale, self.size.height * self.scale);
    
    UIGraphicsBeginImageContext(cropRect.size);
    CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
    CGContextClearRect(context, CGRectMake(0, 0, cropRect.size.width, cropRect.size.height));
    
    [self drawInRect:drawRect];
    
    UIImage *image = UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext();
    UIGraphicsEndImageContext();
    
    return image;
}

@end

　　

　　2、任意形状裁剪

 　　任意形状裁剪一个比较典型的例子就是photo中通过磁性套索进行抠图，通过指定一系列的关键点来控制要扣出的图片区域。这种裁剪的实现比矩形裁剪要稍微复杂一点，主要用到quartz2D中的两个知识: Path，Clipping Area。任意形状裁剪的示意图如下:

　　上图中黑色的框代表原图大小，虚线代表实际裁剪的形状，蓝色的框代表着时间裁剪路径的边框，完成任意形状抠图，通常需要以下六步:

　　a、通过给定的点集确定出整个裁剪区域的尺寸和位置cropRect，即目标画布的大小和裁剪区域的左上角的位置。

　   通常有两种方法可以完成这个需求: 第一种创建一个空的画布，然后开始一个Path，添加所有的点到path中，CGContextGetPathBoundingBox获取到裁剪区域的边框。或者直接创建一个mutablePath，然后添加所有点到该path中，通过通过CGPathGetBoundingBox获取裁剪区域的边框。当然也可以通过自己遍历点集重的每一个点，找到最小点的坐标和最大点的坐标计算出裁剪区域的边框。

b、创建目标大小的画布。

c、在目标画布中开启一个path，然后添加所有点到path中。

　  这块需要对path进行一个移动操作，因为传入的点集是相对于原图的原点位置的，因此我们需要对该path做一个(-cropRect.origin.x，-cropRect.origin.y)的平移操作。

d、通过该path设置裁剪区域。

e、使用UIImage的drawInRect方法进行绘制的时候，指定rect为(-cropRect.origin.x，-cropRect.origin.x，cropRect.size.width，cropRect.size.height)。

　　 f、从画布中获取目标图像。

　　下面是任意形状裁剪的源码:

//
//  UIImage+SvImageEdit.m
//  SvImageEdit
//
//  Created by  maple on 5/8/13.
//  Copyright (c) 2013 maple. All rights reserved.
//

#import "UIImage+Crop.h"

@implementation UIImage (SvImageEdit)

/*
 * @brief crop image with path
 */
- (UIImage*)cropImageWithPath:(NSArray*)pointArr
{
    if (pointArr.count == 0) {
        return nil;
    }
    
    CGPoint *points = malloc(sizeof(CGPoint) * pointArr.count);
    for (int i = 0; i < pointArr.count; ++i) {
        points[i] = [[pointArr objectAtIndex:i] CGPointValue];
    }
    
    UIGraphicsBeginImageContext(CGSizeMake(self.size.width * self.scale, self.size.height * self.scale));
    CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
    
    CGContextBeginPath(context);
    CGContextAddLines(context, points, pointArr.count);
    CGContextClosePath(context);
    CGRect boundsRect = CGContextGetPathBoundingBox(context);
    UIGraphicsEndImageContext();

    UIGraphicsBeginImageContext(boundsRect.size);
    context = UIGraphicsGetCurrentContext();
    CGContextClearRect(context, CGRectMake(0, 0, boundsRect.size.width, boundsRect.size.height));
    
    CGMutablePathRef  path = CGPathCreateMutable();
    CGAffineTransform transform = CGAffineTransformMakeTranslation(-boundsRect.origin.x, -boundsRect.origin.y);
    CGPathAddLines(path, &transform, points, pointArr.count);
    
    CGContextBeginPath(context);
    CGContextAddPath(context, path);    
    CGContextClip(context);
    
    [self drawInRect:CGRectMake(-boundsRect.origin.x, -boundsRect.origin.y, self.size.width * self.scale, self.size.height * self.scale)];
    
    UIImage *image = UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext();
    
    CGPathRelease(path);
    UIGraphicsEndImageContext();
    
    return image;
}

@end

　　小结: 第三部分讲述了两种裁剪: 矩形裁剪，任意形状裁剪，主要用到的知识是quartz2D中的path和clipping area。

四、获取UIImage中图像的像素和使用像素创建UIImage

　　UIImage是UIKit中一个存储和绘制图像的工具类，可以打开常见的jpg，png，tif等格式的图片。IOS中通常情况下使用该类就可以满足日常使用了，但有些时候我们也需要获取到图像的像素，进行更细粒度的编辑操作，例如灰度化，二值话等等。

　　1、从UIImage获取像素

　　要获取到UIImage所表示的图像的像素，我们需要借助quartz2D中的CGBitmapContext，前面我们创建BitmapContext的时候都是使用UIKit中的一个便利方法UIGraphicsBeginImageContext，这个方法的好处是方便易用，但易用的同时也就导致了很多细节我们不能控制。为了得到图片中的像素我们需要使用更低级别的CGBitmapContextCreate方法，该方法需要指定位深(RGB中每一位所占的字节)，颜色空间(前面的博客中有提到)以及alpha信息等。

　　完成获取像素需要以下四步:

　　a、申请图像大小的内存。

　　b、使用CGBitmapContextCreate方法创建画布。

　　c、使用UIImage的draw方法绘制图像到画布中。

　　d、使用CGBitmapContextGetData方法获取画布对应的像素数据。

　　代码如下:

// return bmpData is rgba
- (BOOL)getImageData:(void**)data (NSInteger*)width height:(NSInteger*)height alphaInfo:(CGImageAlphaInfo*)alphaInfo
{
    int imgWidth = self.size.width * self.scale;
    int imgHegiht = self.size.height * self.scale;
    
    CGColorSpaceRef colorspace = CGColorSpaceCreateDeviceRGB();
    if (colorspace == NULL) {
        NSLog(@"Create Colorspace Error!");
        return NO;
    }
    
    void *imgData = NULL;
    imgData = malloc(imgWidth * imgHegiht * 4);
    if (imgData == NULL) {
        NSLog(@"Memory Error!");
        return NO;
    }
    
    CGContextRef bmpContext = CGBitmapContextCreate(imgData, imgWidth, imgHegiht, 8, imgWidth * 4, colorspace, kCGImageAlphaPremultipliedLast);
    CGContextDrawImage(bmpContext, CGRectMake(0, 0, imgWidth, imgHegiht), self.CGImage);
    
    *data = CGBitmapContextGetData(bmpContext);
    *width = imgWidth;
    *height = imgHegiht;
    *alphaInfo = kCGImageAlphaLast;
    
    CGColorSpaceRelease(colorspace);
    CGContextRelease(bmpContext);
    
    return YES;
}

　　

　　2、从像素创建UIImage

　　上面讲到了从UIImage获取像素，在我们编辑完像素以后，大部分情况会需要重新生成UIImage并显示出来。这一部分的逻辑跟上一部分差不多，通过传进来的像素创建画布，然后通过CGBitmapContextCreateImage方法从画布中获取到CGImage，最后再创建出UIImage。注意如果指定的alpha信息需要和实际的像素格式对应，否则会得到错误的效果。

　　下面是从像素创建UIImage的源码:

// the data should be RGBA format
+ (UIImage*)createImageWithData:(Byte*)data (NSInteger)width height:(NSInteger)height alphaInfo:(CGImageAlphaInfo)alphaInfo
{
    CGColorSpaceRef colorSpaceRef = CGColorSpaceCreateDeviceRGB();
    if (!colorSpaceRef) {
        NSLog(@"Create ColorSpace Error!");
    }
    CGContextRef bitmapContext = CGBitmapContextCreate(data, width, height, 8, width * 4, colorSpaceRef, kCGImageAlphaPremultipliedLast);
    if (!bitmapContext) {
        NSLog(@"Create Bitmap context Error!");
        CGColorSpaceRelease(colorSpaceRef);
        return nil;
    }
    
    CGImageRef imageRef = CGBitmapContextCreateImage(bitmapContext);
    UIImage *image = [[UIImage alloc] initWithCGImage:imageRef];
    CGImageRelease(imageRef);

    CGColorSpaceRelease(colorSpaceRef);
    CGContextRelease(bitmapContext);

    return image;
}

　　

　　小结: 第四部分主要讨论了一下UIImage和实际像素数据之间的相互转换，整个流程中最关键的函数就是CGBitmapContextCreateImage，如果传入参数错误，可能会得到错误的结果。

 　　总结：本篇博客中讨论了IOS中常见的图像编辑操作的原理和实现方法，所有操作都是基于quartz2D框架。quartz2D框架在完成2D图像的编辑和绘制方面功能还是很强大的，还包括了pattern，shadow，gradients以及pdf的加载和展示等等，文中所用到只是quartz2D中很少的一部分知识，学会了quartz2D你就可以写一个完整的图片编辑软件。

注: 文中所有图片都是我用quartz2D绘制的，转载请注明出去，有什么不对的地方，欢迎指正。