Android的(2D)画布绘制流程中的各个部分是如何组合在一起的？

Question

我希望更好地了解Android（2D）画布绘制管道的组件如何配合使用。

例如，XferMode、Shader、MaskFilter和ColorFilter如何交互？这些类的参考文档非常简洁，而Canvas和Paint的文档并没有提供任何有用的解释。

对于具有内在颜色的绘图操作（例如：drawBitmap与“向量”基元如drawRect），它们如何适应所有这些内容还不是很清楚 - 它们总是忽略Paint的颜色并使用它们的内在颜色吗？

我也对以下事实感到惊讶：

Paint eraser = new Paint();
eraser.setXfermode(new PorterDuffXfermode(PorterDuff.Mode.CLEAR));
canvas.drawOval(rectF, eraser);

这将擦除一个椭圆形。在我注意到这一点之前，我的心理模型是，绘制到画布（概念上）会绘制到单独的“层”，然后使用Paint的传输模式将该层与Canvas的位图组合。如果事情就那么简单，那么上面的代码将擦除整个位图（在剪辑区域内），因为CLEAR始终将颜色（和alpha）设置为0，而不管源的alpha如何。因此，这意味着还有另一种额外的掩蔽来限制擦除为椭圆形。

我确实找到了API演示，但每个演示都是“真空”中工作的，并没有展示它关注的东西（例如：XferModes）如何与其他内容（例如：ColorFilters）交互。

如果有足够的时间和精力，我可以通过经验法则弄清楚这些部分之间的关系或解密源代码，但我希望有人已经解决了这个问题，或者更好的是，我错过了某些实际的管道/绘图模型的文档。

这个问题的灵感来自于看到这个对另一个SO问题的答案中的代码。

更新

在寻找一些文档时，我想到由于我感兴趣的大部分内容似乎都是skia上覆盖的一个薄薄的表层，也许有一些skia文档会很有帮助。我能找到的最好的东西是SkPaint的文档，其中写道：

有6种类型的效果可以分配给画笔：

• SkPathEffect-在生成 alpha mask 之前对几何图形（路径）进行修改（例如虚线）
• SkRasterizer - 组合自定义遮罩层（例如阴影）
• SkMaskFilter - 在对 alpha mask 进行着色和绘制之前对其进行修改（例如模糊，浮雕）
• SkShader-例如渐变（线性，径向，扫描），位图模式（clamp，repeat，mirror）
• SkColorFilter-在应用xfermode之前修改源颜色
• SkXfermode-例如porter-duff传输模式，混合模式

虽然没有明确说明，但我猜这里的效果顺序是它们出现在管道中的顺序。

- Laurence Gonsalves

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它们最好被理解为数学函数，从1或2个源图像中获取(alpha，color)元组，并输出一个元组。http://hi-android.info/doc/android/graphics/PorterDuff.Mode.html（我从未使用过Skia，只是基于网络搜索结果） - rwong

@rwong：这是对PorterDuff.Mode的很好解释，但它并没有真正解释整个流程。例如，请参阅我关于PorterDuff.Mode.CLEAR和drawOval的问题部分。CLEAR被定义为始终将0输出到alpha和颜色通道，而不考虑输入，因此应用CLEAR应该擦除整个目标，除非有进一步的遮罩限制数学函数clear(src, dst) = [0,0]的应用。 - Laurence Gonsalves

为什么你假设有额外的遮罩？椭圆本身就是遮罩。软件渲染器不会费心混合绘制形状之外的像素。你的解释只适用于位图。 - Romain Guy

Answer 1

正如Romain Guy所说，“在StackOverflow上回答这个问题很困难”。实际上并没有完整的文档，而且要包含完整的文档可能会很大。

于是我开始阅读源代码并进行了一系列的实验。一路上我做了笔记，最后把它们整理成了一个文档，你可以在这里看到：

• Android的2D Canvas渲染流水线

以及这张图表：

这显然是“非官方”的，所以需要注意一些常规性的警告。

基于上述内容，下面是对一些“子问题”的答案：

我还不太确定具有内在颜色的绘制操作（例如：`drawBitmap`与`drawRect`等“向量”原语）如何适配到其中--它们是否总是忽略`Paint`的颜色并改用它们自己的内在颜色？

“源颜色”来自于`Shader`。在使用非`ALPHA_8`位图时，`drawBitmap`会临时替换`Shader`为一个`BitmapShader`。在其他情况下，如果没有指定`Shader`，则使用一个只生成纯色的`Shader`，即`Paint`的颜色。

我还惊讶于这样的事实：

Paint eraser = new Paint();
eraser.setXfermode(new PorterDuffXfermode(PorterDuff.Mode.CLEAR));
canvas.drawOval(rectF, eraser);

这会擦除一个椭圆形。在我意识到这点之前，我的心理模型认为绘制到画布上（在概念上）是绘制到一个单独的“层”，然后将该层与 Canvas 的 Bitmap 使用 Paint 的 transfer mode 组合。如果事情就这么简单，那么上面的代码将会擦除整个 Bitmap （在剪切区域内），因为 CLEAR 总是将颜色（和 alpha 值）设置为 0，无论源的 alpha 值是多少。所以这意味着还有一种额外的掩码操作限制了椭圆形的擦除。

XferMode 应用于“源颜色”（来自 Shader）和“目标颜色”（来自 Canvas 的 Bitmap）。然后使用在光栅化中计算出的遮罩与目标进行混合。有关更多详细信息，请参见上文中的传输阶段。

- Laurence Gonsalves

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@Aleadam 哎呀！谢谢提醒。现在应该已经修复了。 - Laurence Gonsalves

@Laurence 做得好！我需要很长时间才能浏览完所有的信息。 - Aleadam

你图表中的着色部分有点令人困惑。似乎着色器（Shader）会生成一张图像，然后通过颜色过滤器（ColorFilter）进行处理，最后再发送到 Xfermode。但是当你的 Shader 是线性渐变时，实际上并不会生成“图像”。你网站上的解释更加清晰（一个 Shader 是一个 f(x, y) 返回颜色的函数）。 - Romain Guy

您在网站上提到了两个可能的错误。第一个不是错误，这是一种保证行为。第二个确实很有趣，我认为它是一个错误。我需要与Skia的原始作者核实。 - Romain Guy

@Romain 是的，我知道着色器在一般情况下并不实际生成图像。着色函数会被调用多次，这有点破坏了管道的隐喻，除非你说着色阶段的结果是一个函数。我认为一等函数可能对高级描述（和图表）来说有点过于复杂，所以我把(x,y) → (α,r,g,b)函数称为图像（虽然是“虚拟”的）。我对这部分的写法并不完全满意，所以我可能会回去重写它，并且一定会考虑你的反馈意见。 - Laurence Gonsalves

Answer 2

这个问题在StackOverflow上很难回答。在开始回答之前，请注意，形状（例如drawRect()）没有固有的颜色。颜色信息始终来自于Paint对象。

这段代码清除了一个椭圆形。在我意识到这一点之前，我的心理模型是绘制到画布（从概念上讲）会绘制到一个单独的“层”，然后该图层使用Paint的转移模式与Canvas的位图组合。如果情况真的如此简单，那么上面的代码将擦除整个位图（在剪切区域内），因为CLEAR始终将颜色（和alpha）设置为0，而不考虑源的alpha。因此，这表明还有另一种额外的遮罩作用于限制擦除范围为椭圆形。

你的模型有点不对。椭圆形并没有被绘制到单独的层（除非您调用了Canvas.saveLayer()），它直接绘制到Canvas的背景位图上。每个由原语绘制的像素都应用了Paint的转移模式。在这种情况下，只有椭圆形的光栅化结果会影响位图。没有特殊的遮罩操作，椭圆形本身就是遮罩。

无论如何，这里是管道的简化视图：

1. 原语（矩形、椭圆形、路径等）
2. PathEffect
3. 光栅化
4. MaskFilter
5. 颜色/着色器/颜色过滤器
6. Xfermode

（我刚看到你的更新，是的，你找到的描述了管道的阶段顺序。）

当使用图层（Canvas.saveLayer()）时，管道会稍微复杂一些，因为它会加倍。首先通过管道渲染原语以在屏幕外的位图（即图层）内部，然后再通过管道将屏幕外的位图应用于Canvas。

- Romain Guy

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然后，Android 3中的2D和3D管道之间存在关系。 - Ed Burnette

谢谢。我认为你漏掉了“对比”这个词。我的意思是drawBitmap有固有的颜色，并将其与“矢量”原语（如drawRect）进行对比，后者没有颜色。可以这样说，Paint的颜色（或设置了Shader的情况下）用于没有颜色的基元，但对于位图，颜色来自位图本身。在这三种情况下都应用ColorFilters吗（颜色、Shader和Bitmap）？ - Laurence Gonsalves

@Ed 没关系，硬件加速的管道与软件管道相同，只是使用OpenGL进行光栅化/渲染，而不是使用软件。着色器、颜色滤镜等应用方式保持不变。 - Romain Guy

你所说的“生成像素集”是我所说的“掩码”。它们是同构的。我不确定你所说的“在光栅化器生成的每个像素的 alpha 通道上应用变换”的意思是什么。这是否意味着从光栅化器出来的像素集与从 MaskFilter 出来的像素集相同，但当它们从 MaskFilter 出来时，alpha 值不同，或者 MaskFilter 实际上可以改变生成的像素集？ - Laurence Gonsalves

当我谈论掩码和光栅化器时，我并不是指Skia的C++类，也从未这么说过。你的困惑可能来自于这个假设。 - Romain Guy

Answer 3

SkPathEffect - 对几何图形(路径)进行修改，然后生成alpha遮罩（例如虚线）。 SkRasterizer - 组合自定义遮罩层（例如阴影）。 SkMaskFilter - 修改alpha遮罩以便着色和绘制之前（例如模糊）。 SkShader - 例如渐变（线性、放射状、扫描），位图模式（夹紧、重复、镜像）。 SkColorFilter - 在应用xfermode（例如色彩矩阵）之前修改源颜色。 SkXfermode - 例如porter-duff转换模式、混合模式。

http://imgur.com/0X5Yqod

- Tường Vũ