Qt开发：如何使用QPainter进行2D图形的绘制

一、QPainter简介

QPainter 是Qt框架中的一个强大的绘图类，用于在各种设备上进行 2D 图形绘制，例如窗口、图像、打印机等。QPainter 提供了丰富的 API，可以用来绘制形状、文本、图像以及其他图形对象，还支持高级特性，比如反锯齿、透明度、渐变填充等。绘图系统基于QPainter、QPaintDevice和QPaintEngine类，QPainter是用来绘图操作的类，QPaintDevice是一个可以使用QOPainter进行绘图的抽象的二维界面，QPaintEngine给QPainter提供在不同设备上绘图的接口。QPaintEngine类由QPainter和QPaintDevice内部使用，应用程序一般无需和QPaintEngine打交道，除非要创建自己的设备类型。一般的绘图设备包括QWidget、QPixmap、QImage等，这些绘图设备为QPainter提供一个画布。

二、如何使用QPainter绘图

使用QPainter绘图步骤：

1. 需要继承QWidget，然后重写painEvent方法。
2. 在重写的paintEvent方法中创建一个QPainter对象。
3. 设置我们绘图中需要的参数，例如笔（QPen）、画刷（QBrush）、字体（QFont）等。
4. 最后调用对应的方法去绘制我们想要的图像，如直接、三角形、矩形、圆形等。

那么我们为什么一定要在重写的painEvent方法中去绘制图形呢，而不是在其他地方绘制？

1. 界面更新机制：当窗口被最小化、放大、还原或被其他窗口覆盖时，窗口内容可能会丢失，因此需要重绘。Qt 会自动触发 paintEvent 来重新绘制窗口内容，而不会漏掉任何刷新请求。这种机制避免了手动管理重绘的繁琐，同时保证绘图操作的统一性。
2. 确保绘图的正确顺序：paintEvent 确保所有绘图内容按照先后顺序绘制。特别是当窗口部件有多个层次的绘制需求时，paintEvent 的绘制过程由 Qt 的绘制系统管理，从而避免了绘制冲突和不一致的问题。
3. Qt 使用了“脏矩形”（dirty rectangle）更新策略，即仅重绘需要更新的区域。paintEvent 会自动接收到需要更新的区域（通过 QPaintEvent 的 region() 获取），这样可以提高效率，避免不必要的重绘和资源浪费。

三、QPainter的绘图区域

QWidget的绘制区域就是其窗口的内部区域，如上图所示，是在一个QWidget窗口上绘制了一个填充矩形。在整个窗口内部的矩形区就是QPainter可绘图的区域。QWidget的内部绘图区的坐标系统如上图所示，坐标系统的单位是像素，左上角坐标为(0, 0)，向右是X轴正方向，向下是Y轴正方向，绘图区的宽度由QWidget::width()函数获取，高度由QWidget::height()函数获取，所以绘图区右下角的点坐标为(width(), height())。我们使用QPainter在绘图设备上绘图，主要绘制的是一些基本的图形元素，包括点、直线、圆形、矩形、曲线、文字等，控制这些绘图元素特性的主要是QPainter的三个属性。

1. QPen：它主要用于控制线条的颜色、宽度、线型等。
2. QBrush：用于设置一个区域的填充特性，可以设置填充颜色、填充方式、渐变特性等，还可以采用图片做材质填充。
3. QFont：用于绘制文字时，设置文字的字体样式、大小属性等。

当然除了上述的三个基本的绘图属性，还有一些其他的功能结合，比如叠加模式、旋转和缩放等功能。

以下示例代码展示了如何使用 QPainter 绘制矩形：

void MainWindow::paintEvent(QPaintEvent *event)
{
    QPainter painter(this); //创建与绘图设备关联的QPainter对象
    painter.setRenderHint(QPainter::Antialiasing); //启用反走样，使得绘图边缘更平滑，减少锯齿状边缘
    painter.setRenderHint(QPainter::TextAntialiasing); //启用文本反走样，改善文本渲染的质量
    QRect rect(this->width() / 4, this->height() / 4, this->width() / 2, this->height() / 2);

    QPen pen; //设置画笔
    pen.setWidth(3); //线宽
    pen.setColor(Qt::red); //划线颜色
    pen.setStyle(Qt::SolidLine); //线端点样式
    pen.setCapStyle(Qt::FlatCap); //线的样式，实践、虚线等
    pen.setJoinStyle(Qt::RoundJoin); //线的连接点样式
    painter.setPen(pen);

    QBrush brush;
    brush.setColor(Qt::yellow); //画刷颜色
    brush.setStyle(Qt::SolidPattern); //画刷填充样式
    painter.setBrush(brush);

    painter.drawRect(rect); //绘图

    QWidget::paintEvent(event);
}

四、QPainter的常用方法

QPainter支持基本图形绘制、文本绘制、图像绘制等多种功能，并包含了高级的绘制选项，比如反锯齿、透明度、渐变填充、坐标变换等。

基本形状的绘制：

drawLine()：绘制直线。
drawRect()：绘制矩形。
drawEllipse()：绘制椭圆。
drawPolygon()：绘制多边形。
drawPath()：绘制复杂路径。

文本绘制：

drawText()：在指定位置绘制文本，支持设置字体、颜色等属性。

图形绘制：

drawImage()：在指定位置绘制QImage对象。
drawPixmap()：绘制QPixmap，适用于显示图标等小图片。

设置绘制属性：

setPen()：设置绘制线条的样式、颜色、宽度等。
setBrush()：设置填充图形的画刷，可以时纯色、渐变色、纹理等。
setFont()：设置文本绘制的字体。
setOpacity()：设置透明度。

高级功能：

抗锯齿：通过setRenderHint(QPainter::Antialiasing, true)开启抗锯齿，以获取更平滑的绘制效果。
渐变填充：支持线性渐变、径向渐变和锥形渐变，可以使用QLinearGradient、QRadialGradient等来来实现。
坐标转换：QPainter提供了平移(translate())、旋转(rorate())和缩放(scale())等方法，可以方便的对绘制的内容进行几何变化。

五、QPen的主要功能和属性

QPen 是 Qt 中用于定义绘图线条样式的类，它控制线条的颜色、宽度、线型、连接风格、端点样式等。 QPen 通常用于 QPainter，可以自定义绘制图形的边框属性，使其绘图效果更灵活和丰富。

1.设置颜色 (color)
设置绘制线条的颜色，可以使用 QColor 或标准颜色名来指定，例如 Qt::black、QColor(255, 0, 0)。
示例：

pen.setColor(Qt::blue)

2.设置宽度 (width)
设置线条的宽度，以像素为单位。默认宽度为 1。
示例：

pen.setWidth(3)

3.设置线型 (style)
设置线条样式，可以选择实线、虚线、点线等。Qt::PenStyle 枚举提供了一些预定义的样。
示例：

pen.setStyle(Qt::DashLine)

Qt::SolidLine：实线
Qt::DashLine：虚线
Qt::DotLine：点线
Qt::DashDotLine：点划线
Qt::DashDotDotLine：双点划线

4.设置端点样式 (capStyle)
设置线条的端点样式（在绘制线段时起作用），即线条的起点和终点形状。
示例：

pen.setCapStyle(Qt::RoundCap)

Qt::SquareCap：方形端点
Qt::FlatCap：平直端点
Qt::RoundCap：圆形端点

5.设置连接样式 (joinStyle)
设置线段交汇处的连接样式（适用于折线等多段线的连接点）。

> Qt::MiterJoin：尖角连接
> Qt::BevelJoin：斜角连接
> Qt::RoundJoin：圆角连接

示例：
```cpp
pen.setJoinStyle(Qt::RoundJoin)

**6.设置虚线模式 (dashPattern)**
对于自定义虚线，可以通过 setDashPattern() 设置虚线的具体模式，传入一个 QVector<qreal> 来定义虚线和间隔的交替长度。
 示例：
```cpp
pen.setDashPattern({3, 5}); // 表示绘制3个像素线段，间隔5个像素。

下面是一个完整示例，展示如何创建并设置 QPen 以绘制不同风格的线条：

void MainWindow::paintEvent(QPaintEvent *event)
{
    QPainter painter(this);

    QPen pen;
    pen.setColor(Qt::red);
    pen.setWidth(5);
    pen.setStyle(Qt::DashDotLine);
    pen.setCapStyle(Qt::RoundCap);
    pen.setJoinStyle(Qt::RoundJoin);

    painter.setPen(pen);
    painter.drawLine(10, 10, 200, 10);

    // 绘制另一个线条
    pen.setColor(Qt::blue);
    pen.setStyle(Qt::DotLine);
    painter.setPen(pen);
    painter.drawLine(10, 30, 200, 30);

    QWidget::paintEvent(event);
}

六、QBrush的主要功能和属性

QBrush 是 Qt 中的填充工具类，用于定义图形的填充模式（即画刷样式），可填充纯色、渐变色、纹理、图案等。QBrush 在绘制形状时可以配合 QPainter 使用，以设置形状内部的填充效果。

1.设置填充颜色 (color)
QBrush 可以使用纯色填充图形区域。可以通过 QColor 或颜色名称（如 Qt::red）来定义填充颜色。
示例：

QBrush brush(Qt::blue)

2.设置填充样式 (style)
QBrush 提供了丰富的填充样式，
常用的样式包括：

Qt::SolidPattern：实心填充。
Qt::NoBrush：无填充，区域将保持透明。
Qt::Dense1Pattern 到 Qt::Dense7Pattern：不同密度的点状填充。
Qt::HorPattern / Qt::VerPattern：水平或垂直线条填充。
Qt::CrossPattern / Qt::DiagCrossPattern：十字交叉或对角交叉线条填充。
Qt::LinearGradientPattern、Qt::RadialGradientPattern、Qt::ConicalGradientPattern：渐变填充。

示例：

brush.setStyle(Qt::Dense4Pattern)

3.设置渐变填充 (QGradient)
QBrush 支持渐变色填充，可以创建线性渐变（QLinearGradient）、径向渐变（QRadialGradient）和锥形渐变（QConicalGradient）。可以设置渐变的起点、终点以及多种颜色，从而实现平滑的颜色过渡。
示例：

QLinearGradient gradient(0, 0, 100, 100);
gradient.setColorAt(0, Qt::red);
gradient.setColorAt(1, Qt::blue);
QBrush brush(gradient);

4.设置纹理填充 (QPixmap)
QBrush 支持使用图像纹理填充，即通过 QPixmap 对象指定纹理图案，可以将图案作为填充效果应用到图形上。
示例：

QPixmap texture(":/images/pattern.png");
QBrush brush(texture);

5.设置透明度
QBrush 的透明度可以通过 QColor 的 alpha 值或渐变的透明设置来控制，以创建半透明效果的填充。
示例：

QBrush brush(QColor(0, 255, 0, 128));  // 半透明绿色

以下示例展示了如何使用不同的 QBrush 填充样式绘制矩形和椭圆：

void MainWindow::paintEvent(QPaintEvent *event)
{
    QPainter painter(this);

    // 实心填充
    QBrush solidBrush(Qt::blue, Qt::SolidPattern);
    painter.setBrush(solidBrush);
    painter.drawRect(10, 10, 100, 100);

    // 渐变填充
    QLinearGradient gradient(0, 0, 100, 100);
    gradient.setColorAt(0, Qt::red);
    gradient.setColorAt(1, Qt::yellow);
    QBrush gradientBrush(gradient);
    painter.setBrush(gradientBrush);
    painter.drawEllipse(120, 10, 100, 100);

    // 纹理填充
    QPixmap texture("./cat.jpg");
    QBrush textureBrush(texture);
    painter.setBrush(textureBrush);
    painter.drawRect(230, 10, 100, 100);

    // 点状填充
    QBrush denseBrush(Qt::green, Qt::Dense3Pattern);
    painter.setBrush(denseBrush);
    painter.drawEllipse(350, 10, 100, 100);

    QWidget::paintEvent(event);
}

七、QFont的主要功能和属性

QFont 是 Qt 中用于设置文本字体的类，可以定义字体的家族、样式、大小等。它在绘制文本时通常与 QPainter 搭配使用，使开发者能够精确控制文本的外观。

1.设置字体家族 (family)
设置字体的家族名称，例如 “Arial”、“Times New Roman”、“Courier” 等，具体可选的字体家族取决于系统上已安装的字体。
示例：

font.setFamily("Arial")

2.设置字体大小 (pointSize 和 pixelSize)
字体大小可以通过点大小（point size）或像素大小（pixel size）来设置。setPointSize() 以点为单位，而 setPixelSize() 以像素为单位。
示例：

font.setPointSize(12);      // 设置字体为 12 点大小
font.setPixelSize(20);      // 设置字体为 20 像素大小

3.设置字体加粗 (bold)
通过设置 setBold(true) 可以使字体加粗。
示例：

font.setBold(true);

4.设置字体为斜体 (italic)
通过 setItalic(true) 将字体设置为斜体。
示例：

font.setItalic(true);

5.设置字体下划线 (underline)
通过 setUnderline(true) 在字体下方添加下划线。
示例：

font.setUnderline(true);

6.设置字间距 (letterSpacing)
设置字符之间的间距，可以通过 setLetterSpacing() 增加或减少字母之间的距离。常见单位为像素。
示例：

font.setLetterSpacing(QFont::AbsoluteSpacing, 2); // 增加 2 像素的字间距

7.设置字重 (weight)
QFont 提供多种预定义的字重（粗细），如 QFont::Thin、QFont::Light、QFont::Normal、QFont::Bold 等，通过 setWeight() 进行设置。
示例：

font.setWeight(QFont::Bold);

8.设置字体间距 (spacing)
设置字体的间距缩放因子，可以通过 setStretch() 方法调整字体宽度的百分比（默认 100%）。
示例：

font.setStretch(150); // 设置字体宽度为原来的 150%

9.字体大写转换 (capitalization)
设置字体的字母转换方式，通过 setCapitalization() 可指定不同的大写样式，如全部大写、小写字母等。

QFont::MixedCase：混合大小写（默认）
QFont::AllUppercase：全部大写
QFont::AllLowercase：全部小写
QFont::SmallCaps：小型大写字母

示例：

font.setCapitalization(QFont::AllUppercase);

10.设置字体样式策略 (StyleStrategy)
定义字体的渲染策略，比如抗锯齿、默认样式、强制替代字体等。
示例：

font.setStyleStrategy(QFont::PreferAntialias);

下面是一个简单的示例，展示了如何使用 QFont 设置字体，并用 QPainter 绘制文本：

QPainter painter(this);

    QFont font;
    font.setFamily("Times New Roman");
    font.setPointSize(14);
    font.setBold(true);
    font.setItalic(true);
    font.setUnderline(true);
    font.setLetterSpacing(QFont::AbsoluteSpacing, 2);
    font.setCapitalization(QFont::AllUppercase);

    painter.setFont(font);
    painter.drawText(10, 50, "Hello, QFont!");

    QWidget::paintEvent(event);