【学习笔记】Windows GDI绘图(九)Graphics详解(上)

蓦然回首，写了这么多篇关于GDI+绘图的笔记，也一直在使用的Graphics对象，既然还没深入了解Graphics，在此补上吧。
（注意，本文中示例的方法都是在OnPaint事件中运行）
全文图像

Graphics 定义

public sealed class Graphics : MarshalByRefObject, IDisposable, System.Drawing.IDeviceContext

Graphics 类提供用于将对象绘制到显示设备的方法。 与 Graphics 特定设备上下文关联。

创建Graphics对象的方法

• 通过对继承自 System.Windows.Forms.Control的对象调用 Control.CreateGraphics 方法
• 通过处理控件的事件Control.Paint并访问 Graphics 类的 属性来获取 Graphics 对象System.Windows.Forms.PaintEventArgs
• 使用 FromImage 方法从图像创建 Graphics 对象

通过Graphics绘制不同的形状、线条、图像和文字等

• 提供DrawLine、 DrawArc、 DrawClosedCurve、DrawCurve、DrawEllipse、DrawPie、
  DrawPolygon、DrawBezier和 DrawRectangle等方法
• 提供DrawImage、DrawImageUnscale、DrawIcon和DrawString等方法

通过Graphics操作对象坐标

操作Transform或执行相关矩阵变换

Graphics属性

Clip(裁切/绘制区域)

原型：

public System.Drawing.Region Clip { get; set; }

作用：获取或设置Grahics的裁切区域

var region1 = new Region(new Rectangle(105, 100, 200, 30));
var region2 = new Region(new Rectangle(315, 100, 215, 30));
//合并两个区域
region1.Union(region2);

//设置裁切(绘制区域)
e.Graphics.Clip = region1;

// 填充裁切区域
e.Graphics.FillRegion(Brushes.LightGreen, e.Graphics.Clip);

//演示裁切区域 
e.Graphics.DrawString("裁切区域外的文字是看不到的", new Font("黑体",
    28.0F, FontStyle.Regular), Brushes.Black, 90F, 90F);

设置两个裁切区域并填充颜色，将要输出的文字一部分在区域内，一部分在区域外，显示其效果。

ClipBounds获取裁切区域矩形范围

原型：

public System.Drawing.RectangleF ClipBounds { get; }

作用：获取Graphics的裁切区域的外包矩形。生成的矩形单位用PageUnit决定。
注意，当裁切区域是无限的时，返回的矩形是一个无意义的大矩形。需要确定区域是否为无限的，可通过IsInfinite判断。

int offset = 20;
if (e.Graphics.Clip.IsInfinite(e.Graphics))
{
    DrawString(e, $"Clip为无限区域", ref offset);
}
else
{
    //获取裁切区域
    var rect = e.Graphics.ClipBounds;
    DrawString(e, $"ClipBounds:({rect.X},{rect.Y},{rect.Width},{rect.Height})", ref offset);
    var rect2 = e.ClipRectangle;

    DrawString(e, $"ClipRectangle:({rect2.X},{rect2.Y},{rect2.Width},{rect2.Height})", ref offset);
    //默认的裁切区域就是控件的可见范围
    e.Graphics.FillRectangle(new SolidBrush(Color.FromArgb(127,Color.LightGreen)), 
        new RectangleF(rect.X + 10, rect.Y + 10, rect.Width - 20, rect.Height - 20));
}

判断裁切区域是否为无限的，否则获取Graphics的裁切区域外接矩形，并四周各减去10像素后，填充。

CompositiongMode合成方式

原型：

public System.Drawing.Drawing2D.CompositingMode CompositingMode { get; set; }

CompositingMode枚举

Graphics g = e.Graphics;
Rectangle rect = new Rectangle(150, 150, 200, 200);

// 设置背景颜色
g.Clear(Color.White);

// 使用半透明颜色绘制重叠矩形
using (Brush redBrush = new SolidBrush(Color.FromArgb(128, Color.Red)))         
using (Brush greenBrush = new SolidBrush(Color.FromArgb(128, Color.Green)))
using (Brush blueBrush = new SolidBrush(Color.FromArgb(128, Color.Blue)))
{
    var dy = 100f;
    var dx = (float)(dy / Math.Sqrt(3));
    // 设置合成模式为 SourceOver
    g.CompositingMode = System.Drawing.Drawing2D.CompositingMode.SourceOver;
    // 绘制三个圆填充红、绿、蓝
    g.FillEllipse(redBrush, rect);
    g.TranslateTransform(-dx, dy);
    g.FillEllipse(greenBrush, rect);
    g.TranslateTransform(2 * dx, 0);
    g.FillEllipse(blueBrush, rect);


    g.ResetTransform();
    g.TranslateTransform(360, 0);
    // 设置合成模式为 SourceCopy
    g.CompositingMode = System.Drawing.Drawing2D.CompositingMode.SourceCopy;
    // 绘制三个圆填充红、绿、蓝
    g.FillEllipse(redBrush, rect);
    g.TranslateTransform(-dx, dy);
    g.FillEllipse(greenBrush, rect);
    g.TranslateTransform(2 * dx, 0);
    g.FillEllipse(blueBrush, rect);
}

使用不同的CompositingMode模式，绘制三原色红、绿、蓝的叠加效果。原本想实现三色光的效果，目前还没找到方法。

CompositingQuality渲染质量

原型：

public System.Drawing.Drawing2D.CompositingQuality CompositingQuality { get; set; }

作用：获取或设置合成图像的渲染质量
CompositingQuality枚举

当使用GammaCorredted时，用Gamma=2.2对图像数据进行转换。

Graphics g = e.Graphics;
Rectangle rect = new Rectangle(150, 150, 200, 200);

// 设置背景颜色
g.Clear(Color.White);

var width = 256;
var height = 256;
using (var bmp = new Bitmap("AIWoman.png"))
{
    var values = Enum.GetValues(typeof(CompositingQuality)) as CompositingQuality[];
    values = values.Where(z => z != CompositingQuality.Invalid).ToArray();

    for (int i = 0; i < values.Length; i++)
    {
        var quality = values[i];
        e.Graphics.CompositingQuality = quality;
        var sw = Stopwatch.StartNew();
        var times = 0;
        for (times = 0; times < 5; times++)
        {                        
            e.Graphics.DrawImage(bmp, 20 + 280 * (i % 3), 20 + 280 * (i / 3), width, height);
        }
        sw.Stop();
        e.Graphics.DrawString($"{quality},{sw.ElapsedMilliseconds}ms/{times}次", Font, Brushes.Red,
                new PointF(20 + 280 * (i % 3), 5 + 280 * (i / 3)));
    }
} 

用不同的CompositingQuality绘制图像。

质量上肉眼没看出多大区别，可能放大效果明显。（速度仅供参考）

DpiX和DpiY 水平、垂直分辨率

原型：

public float DpiX { get; }
public float DpiY { get; }

作用：获取水平和垂直的DPI。

InterpolationMode插值模式

原型：

public System.Drawing.Drawing2D.InterpolationMode InterpolationMode { get; set; }

作用：获取或设置Graphis的插值模式。
NearestNeighbor 是质量最低的模式，HighQualityBicubic 是质量最高的模式。

Graphics g = e.Graphics;
var width = 200;
var height = 200;
using (var bmp = new Bitmap("AIWoman.png"))
{
    var values = Enum.GetValues(typeof(InterpolationMode)) as InterpolationMode[];
    values = values.Where(z => z != InterpolationMode.Invalid).ToArray();

    long[] elapsed = new long[values.Length];
    var col = 4;
    var count = 5;
    for (int times = count - 1; times >= 0; times--)
    {
        for (int i = 0; i < values.Length; i++)
        {
            var interpolation = values[i];
            e.Graphics.InterpolationMode = interpolation;
            var sw = Stopwatch.StartNew();
            e.Graphics.DrawImage(bmp, 20 + 220 * (i % col), 20 + 220 * (i / col), width, height);
            sw.Stop();
            elapsed[i] += sw.ElapsedMilliseconds;
            if (times == 0)
            {
                e.Graphics.DrawString($"{interpolation},{elapsed[i]}ms/{count}次", Font, Brushes.Red,
                                        new PointF(20 + 220 * (i % col), 5 + 220 * (i / col)));
            }
        }
    }
}
e.Graphics.DrawString($"DpiX={e.Graphics.DpiX},DpiY={e.Graphics.DpiY}", Font, Brushes.Red, new PointF(100, 500));

用不同的InterpolationMode绘制图像，（速度仅供参考）

PageScale页面缩放

原型：

public float PageScale { get; set; }

作用：获取或设置世界单位和页面单位之间的缩放。
如果PageUnit为默认的Display时，修改PageScale后，绘制的图形没有缩放？！

using(var bmp=new Bitmap("AIWoman.png"))
{
    //如果PageUnit为默认的Display的话，PageScale不生效？
    e.Graphics.PageUnit = GraphicsUnit.Pixel;
    // 创建矩形
    Rectangle rectangle1 = new Rectangle(20, 20, 50, 100);

    // 绘制矩形
    e.Graphics.DrawRectangle(Pens.Blue, rectangle1);

    //绘制图像
    e.Graphics.DrawImage(bmp, 100, 0, 200, 200);

    // 修改PageScale 
    e.Graphics.PageScale = 2.0F;
    // 原点向右、向下各移10像素(实际是
    e.Graphics.TranslateTransform(10.0F, 15.0F);

    // 再次绘制矩形，实际的设备坐标为（60,70,100,200)
    e.Graphics.DrawRectangle(Pens.Red, rectangle1);

    //绘制图像
    e.Graphics.DrawImage(bmp, 100, 0, 200, 200);

    // Set the page scale and origin back to their original values.
    e.Graphics.PageScale = 1.0F;
    e.Graphics.ResetTransform();

    SolidBrush transparentBrush = new SolidBrush(Color.FromArgb(50,
        Color.Yellow));

    // 修改PageScale与TranslateTransform后的变换计算方法
    // x = (10 + 20) * 2
    // y = (15 + 20) * 2
    // Width = 50 * 2
    // Length = 100 * 2
    Rectangle newRectangle = new Rectangle(60, 70, 100, 200);

    //填充一个半透的矩形，与上面第二次绘制的矩形位置一致
    e.Graphics.FillRectangle(transparentBrush, newRectangle);
}     

注意修改PageScale后，绘制坐标与内容是如何计算得到的。

1. 使用 PageScale 进行缩放：

• 如果您希望以简单的方式实现缩放功能，并且不需要对图像进行更复杂的变换操作，那么可以使用 PageScale 属性。
• 当用户滚动鼠标时，您可以根据滚动的方向和幅度来调整 PageScale 的值，从而实现图像的缩放效果。
• 这种方式简单直观，适合于一般的图像浏览控件，但可能无法满足复杂的缩放需求。

2. 使用 Matrix 进行缩放：

• 如果您希望更灵活地控制图像的缩放效果，并且可能需要对图像进行更复杂的变换操作，那么可以使用 Matrix 类。
• 当用户滚动鼠标时，您可以根据滚动的方向和幅度来创建一个缩放变换矩阵，并将其应用于绘图操作，从而实现图像的缩放效果。
• 这种方式更灵活，可以实现各种复杂的缩放效果，但相对来说实现起来可能会稍微复杂一些。

PixelOffsetMode像素偏移模式

原型：

public System.Drawing.Drawing2D.PixelOffsetMode PixelOffsetMode { get; set; }

作用：获取或设置渲染图形时像素如何偏移

肉眼没看出多大的区别。

RenderingOrigin绘制原点

原型：

public System.Drawing.Point RenderingOrigin { get; set; }

作用：用于抖动或填充画笔的渲染原点。
测试过程中，没有生效，不知哪里方法不对。

SmoothingMode平滑方式

原型：

public System.Drawing.Drawing2D.SmoothingMode SmoothingMode { get; set; }

作用：获取或设置渲染质量。
SmoothingMode枚举
Default、None和HighSpeed是等效的，不启用抗锯齿。
AntiAlias和HighQuality是等效的，启用抗锯齿。
SmoothingMode对文本渲染无效。文本渲染需要设置TextRenderingHint。

// 设置背景颜色
e.Graphics.Clear(Color.White);
var pt1 = new Point(100, 100);
var pt2 = new Point(600, 550);
var values = Enum.GetValues(typeof(SmoothingMode)) as SmoothingMode[];
values = values.Where(z => z != SmoothingMode.Invalid).ToArray();

for (int i = 0; i < values.Length; i++)
{
    var val = values[i];
    e.Graphics.SmoothingMode = val;
    e.Graphics.DrawLine(Pens.Red, pt1, pt2);
    e.Graphics.DrawString($"{val}", Font, Brushes.Red, pt1);
    e.Graphics.TranslateTransform(30,15);
}

绘制不同的平滑模式的线段。

TextContrast 文本Gamma校正值 和 TextRenderingHint文本渲染方式

原型：

public int TextContrast { get; set; }
public System.Drawing.Text.TextRenderingHint TextRenderingHint { get; set; }

TextContrast 作用：获取或设置渲染文本的Gamma校正值。值的范围0到12，默认值为4。
TextRenderingHint 作用：获取或设置渲染文本的方式。

1. TextRenderingHint.SystemDefault

   说明：使用系统默认的文本渲染设置。这通常是一个折中的选择，基于操作系统的当前设置。
   用途：适用于大多数情况下，使用操作系统提供的默认设置。

2. TextRenderingHint.SingleBitPerPixelGridFit

   说明：使用单色（每像素1位）的文本渲染，并且文本像素对齐到字符网格。这提供了清晰的文本但没有抗锯齿。
   用途：适用于需要非常清晰和锐利文本的环境，例如某些嵌入式系统或低分辨率显示器。

3. TextRenderingHint.SingleBitPerPixel

   说明：使用单色（每像素1位）的文本渲染，不进行字符网格对齐。文本渲染相对较快，但质量较低。
   用途：当性能优先于文本质量时，例如绘制大量文本或在资源受限的环境中。

4. TextRenderingHint.AntiAliasGridFit

   说明：使用抗锯齿和字符网格对齐。这提供了高质量的文本渲染，但可能会牺牲一些性能。
   用途：适用于需要高质量文本显示的场景，例如桌面应用程序的用户界面。

5. TextRenderingHint.AntiAlias

   说明：使用抗锯齿，但不进行字符网格对齐。比 AntiAliasGridFit 提供稍低的文本质量，但性能更好。
   用途：当需要较好的文本质量，但对字符网格对齐要求不高时。

6. TextRenderingHint.ClearTypeGridFit

   说明：使用 ClearType 技术进行文本渲染，并进行字符网格对齐。ClearType 提供了最高的文本清晰度，特别是在 LCD 显示器上。
   用途：适用于高分辨率和 LCD 显示器，提供最佳的文本渲染质量。

e.Graphics.Clear(Color.White);
e.Graphics.ScaleTransform(4.5f,4.5f);
Font myFont = new Font(FontFamily.GenericSansSerif, 10,
    FontStyle.Regular);
var pt1 = new Point(5, 5);
var values = Enum.GetValues(typeof(TextRenderingHint)) as TextRenderingHint[];

for (int i = 0; i < values.Length; i++)
{
    var val = values[i];
    e.Graphics.TextRenderingHint = val;
    e.Graphics.TextContrast = i * 2;
    e.Graphics.DrawString($"{e.Graphics.TextContrast},{val}", myFont, Brushes.Red, pt1);
    e.Graphics.TranslateTransform(0, 20);
}

Transform变换矩阵

原型：

public System.Drawing.Drawing2D.Matrix Transform { get; set; }

作用：设置或获取Graphics的世界坐标系统的变换矩阵副本。用于将世界坐标映射到页面坐标。获取属性后需要调用Dispose()方法。

VisibleClipBounds可见裁切外接矩形

原型：

public System.Drawing.RectangleF VisibleClipBounds { get; }

作用：获取可见的裁切区域外接矩形。

e.Graphics.Clear(Color.White);
var rect = new Rectangle(50, 50, 200, 100);

var matrix = e.Graphics.Transform;
matrix.Translate(50, 60, MatrixOrder.Append);//这里是副本，进行的平移对原Transform无效
e.Graphics.DrawRectangle(Pens.Red, rect);
var vRect = e.Graphics.VisibleClipBounds;
int offset = 20;
//这里VisiableClipBounds左上角是(0,0)
DrawString(e,$"VisibleClipBounds:({vRect.X},{vRect.Y},{vRect.Width},{vRect.Height})",ref offset);

e.Graphics.Transform = matrix;//重新设置后生效
e.Graphics.DrawRectangle(Pens.Green, rect);
vRect = e.Graphics.VisibleClipBounds;
//因平移了(50,60)，这里VisibleClipBounds的左上角是(-50,-60)，★
DrawString(e, $"VisibleClipBounds:({vRect.X},{vRect.Y},{vRect.Width},{vRect.Height})", ref offset);

e.Graphics.ScaleTransform(2, 2);

vRect = e.Graphics.VisibleClipBounds;
//因平移了(50,60)，这里VisibleClipBounds的左上角是(-50,-60)，★
DrawString(e, $"VisibleClipBounds:({vRect.X},{vRect.Y},{vRect.Width},{vRect.Height})", ref offset);

var newRect = new Rectangle(-20, -20, 200, 100);
e.Graphics.DrawRectangle(Pens.LightSkyBlue, newRect);

matrix.Dispose();//需Dispose()释放

注意矩阵变换后的VisiableClipBounds

https://learn.microsoft.com/en-us/dotnet/api/system.drawing.graphics?view=netframework-4.8.1