Inkpad绘图原理浅析

Inkpad是一款非常优秀的iPad矢量绘图软件，保管你一看见就忘不了。我的感觉是“一览众山小”、“相见甚晚”，以至于我写的TouchVG就是“小巫见大巫”。必须好好学习这款软件的代码，破解其高性能绘图奥秘。

另外，在写这篇日志前本想使用Markdown语言写干净的博客，在 http://rhcad.github.io/ 基于Jekyll配置了日志项目，在本地配置了发布平台，无奈要做的事和要学的知识太多，半途停下来了，看来我不是当极客的料。

如果你阅读本文觉得哪里写得糟糕，可以提出来交流，如果本文能帮助你一点点就OK了，我也是在学习，本意不是想写漂亮的文章。

一、触摸交互绘图

交互式绘图当然得先看触摸响应机制，先看一张序列图：

WDCanvas是代表绘图画布的主视图，直接响应原始触摸事件（touchesBegan、touchesMoved等），没有使用双击、旋转、长按等很流行的手势识别器，奇怪吧？ 
我猜想Inkpad不使用手势识别器有两个原因：（1）手势识别器采用延迟识别技术进行手势二义性判断，有几百毫秒的延迟，会影响绘图快速响应的感觉；（2）Inkpad是独立的程序，所有界面都是自己的，不需要与各种带有手势识别器的界面组件共存（例如在滚动视图、电子书页面中绘图）。 
在WDCanvas中通过“[[WDToolManager sharedInstance].activeTool touchesBegan:touches withEvent:event inCanvas:self]”向当前命令传递触摸事件，当然用的是单实例模式和命令模式了。 
在WDCanvas的touchesBegan函数中不立即向交互命令WDTool发送触摸开始事件，而是延迟到touchesMoved才去发送。我猜想作者本想区分普通轻击（Tap）和拖动（Pan），但在实现时并不彻底：在下面的touchesEnded函数片段中，没有移动也是要发送touchesBegan的。我认为应该在touchesMoved中检查移动距离来判断是否算是已移动，而不是简单的直接切换到已移动状态。

if (!controlGesture_ && [self canSendTouchToActiveTool]) {
        if (!moved_) {
            [[WDToolManager sharedInstance].activeTool touchesBegan:touches withEvent:event inCanvas:self];
        }
        [[WDToolManager sharedInstance].activeTool touchesEnded:touches withEvent:event inCanvas:self];
    }

 

在开始触摸、当前不是钢笔命令（WDPenTool）时，设置WDCanvas的activePath为空（self.drawingController.activePath = nil）。当前路径（activePath）用于记忆钢笔命令的当前图形路径，将activePath定义在WDDrawingController中而不是定义在WDPenTool中，是方便于在多个类中检查使用。

交互命令类的触摸响应函数使用了如下所示的模板方法模式，具体的命令类重写beginWithEvent、moveWithEvent、endWithEvent函数实现具体的绘图逻辑。

- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event inCanvas:(WDCanvas *)canvas
{
    //.....
    WDEvent *genericEvent = [self genericEventForTouch:primaryTouch_ inCanvas:canvas];
    [self beginWithEvent:genericEvent inCanvas:canvas];
        self.previousEvent = genericEvent;
    //......
}

- (void)touchesMoved:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event inCanvas:(WDCanvas *)canvas
{
    //......
    [self moveWithEvent:genericEvent inCanvas:canvas];
    self.previousEvent = genericEvent;
    //......
}

- (void)touchesEnded:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event inCanvas:(WDCanvas *)canvas
{
    [self endWithEvent:genericEvent inCanvas:canvas];
}

- (void)touchesCancelled:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event inCanvas:(WDCanvas *)canvas
{
    [self touchesEnded:touches withEvent:event inCanvas:canvas];
}

下面就要说说Inkpad的一大亮点：在动态拖曳绘图中使用OpenGL ES高速绘图了！

在绘图命令（例如可绘制多种图形的WDShapeTool）中，设置WDCanvas的shapeUnderConstruction属性，将当前的临时图形（WDPath）传递给WDCanvas。WDCanvas的setShapeUnderConstruction函数将调用WDSelectionView成员的立即绘制函数，WDSelectionView使用OpenGL ES 1.1绘制各种动态图形。用了OpenGL ES，拖动上千图形也回显毫无延迟感觉，这是Inkpad的亮点。

Inkpad在使用OpenGL ES 1.1绘制动态图形时，采用的优化显示方法有：（1）单点线宽，（2）忽略虚线样式，（3）不填充，（4）缓存图形轮廓路径。

 

触摸操作完成后就要向文档提交静态图形了：（1）绘图命令在endWithEvent中向当前层提交新的图形对象（[canvas.drawing addObject:path]）；（2）WDDrawingController 触发WDCanvas视图的重绘消息；（3）在WDCanvas的drawRect:函数中，遍历各个图形，调用各个对象的renderInContext函数显示所有图形，其实质是将图形的path显示到当前CGContext上。

与动态图形的绘制相比，提交静态图形并没有采用OpenGL ES，而是使用最简单的CGContext显示方式，而且是重画全部图形，没有使用CALayer等高级渲染方式。这就产生一个疑问，大量图形会不会太慢？我还没去做性能分析实验，初步估计Inkpad采用的显示优化方法是：（1）缓存CGPath轮廓路径和填充路径等对象；（2）避免几何计算和对象重构。

Inkpad已经这么好了，就需要重新评估TouchVG最近做的一些显示优化实验，看看这些计算是否有必要：（1）在GCD中异步绘制，使用前台图形列表和后台图形列表避免多线程冲突；（2）在CALayer上提前绘制，在主视图中只贴图（使用renderInContext，利用GPU贴图）；（3）每一层图形一个CALayer，避免重绘所有图形；（4）是否有必要使用OpenGL ES 2.0绘制静态图形？

 

二、相关核心类

1、WDCanvas：绘图主视图，包含标尺视图、选择集渲染视图、删除提示线视图，包含交互命令类要用的临时图形对象。

2、WDCanvasController：绘图界面操作类，负责多种UI控件的管理和操作分发。

3、WDDrawingController：负责各种图形的增删改查逻辑。WDCanvasController是外壳功能，WDDrawingController是内核功能。

4、WDDrawing：图形文档类，容纳所有绘图内容。

5、WDLayer：一个层，包含多个图形元素WDElement。

6、WDStylable：可描边、填充的图形的基类。

7、WDAbstractPath：具有矢量路径的图形的基类。

8、WDPath：可指定线端箭头形状的矢量路径的图形类。

9、WDCompoundPath：复合路径的图形类。

 

10、WDTool：命令基类。

11、WDShapeTool：添加几何形状的命令，可绘制矩形、椭圆、星形、多边形、直线段、螺旋线。这些不同图形的绘图工具是在WDToolManager中构造的。

12、WDPenTool：贝塞尔曲线绘图工具。

13、WDFreehandTool：自由画光滑曲线工具。

 

对于色部分的Core.Model类，主要基于矢量路径设计了几何图形模型类，好像不包含图形的特征数据（即后续编辑保持形状特征）吧。

我觉得我们可以基于Inkpad对图形种类和交互命令工具进行扩充，做点行业相关的软件来，如果你感兴趣就加入讨论吧。

这两个UML图是用EA画的，InkpadUml.xmi可以导入到其他UML建模工具。

 

写了半天有点累了，先写到这吧。期望目标是把Inkpad吃透，结合TouchVG生出一个新孩子:)