GDI+: графика нового поколения

Часть 1. Краткое знакомство

Автор: Виталий Брусенцев
The RSDN Group
Источник: RSDN Magazine #1

Опубликовано: 13.12.2001
Исправлено: 13.03.2005
Версия текста: 1.0

За последний год компания Microsoft подготовила разработчикам множество сюрпризов. Новые продукты и технологии буквально завладели вниманием околокомпьютерного мира. Пока неясно, насколько успешным будет дебют технологии .NET и основанных на ней программных продуктов и средств разработки. Но одно из новшеств, безусловно, уже завоевало признание разработчиков, связанных с графикой и мультимедиа, — технология GDI+. Именно она, вернее, основанный на ней новый графический интерфейс является «лицом» новых операционных систем — Windows XP и .NET Server.

Что же такое GDI+? Официальная документация скромно называет ее Class-based API, то есть основанным на классах интерфейсе прикладных программ. Так как она встроена в Windows XP и .NET Server, ее называют частью этих операционных систем. Часто встречается также определение «библиотека» или «библиотека классов». В действительности, предоставляемый GDI+ набор классов является тонкой оболочкой над множеством обычных функций, реализованных в одной динамической библиотеке GdiPlus.dll . В общем, имея все это в виду, будем для краткости далее называть ее просто библиотекой.

Итак, GDI+ — это библиотека, призванная заменить существующий уже больше 11 (или 18 — как считать) лет интерфейс GDI, являющийся графическим ядром предыдущих версий Windows. Она сочетает в себе (по крайней мере, по замыслу) все достоинства своего предшественника и предоставляет множество новых мощных возможностей. Кроме того, при ее проектировании заранее ставилась цель наименее болезненного переноса приложений на 64-битные платформы. Следовательно, хотя существующие GDI-приложения будут выполняться на новых версиях Windows, для новых проектов следует использовать GDI+.

Заглянем «под капот»

Что новенького?

Далее мы еще будем рассматривать специфические (и такие эффектные!) возможности GDI+. Здесь же только опишем основные новшества.

Достоинства C++ — реализации:

• Объектно-ориентированный интерфейс: благодаря поддержке компилятора C++ мы «бесплатно» получаем контроль над типами и временем жизни объектов.
• Прозрачное управление памятью: объекты ядра GDI+ создаются в куче с помощью собственного менеджера памяти прозрачно для программиста.
• Использование перегрузки имен функций: функции одного назначения различаются только по своим параметрам.
• Собственное пространство имен: позволяет использовать понятные имена типов — такие, как Rect, Pen и Matrix — без конфликтов с другими библиотеками.
• Перегрузка операторов: предоставляет удобные операции ‘+’ и ‘-‘ для таких типов, как Point и Size.

Архитектурные новинки библиотеки:

• Аппаратная абстракция: как уже было замечено, упрощается перенос на 64-битные платформы.
• Новый дизайн графических функций/объектов: теперь можно не бояться «оставить выбранной кисть в контексте перед удалением» — такая типичная для GDI ошибка!
• Разделение функций закраски и отрисовки: предоставляет большую гибкость в рисовании, например, позволяет заливать незамкнутые фигуры.
• Появление графических контейнеров: контейнеры позволяют «сцепить» вместе несколько операций и использовать как одну команду.
• Увеличившаяся поддержка путей (paths) и их взаимодействия с регионами: теперь пути являются полноправными объектами вне контекста рисования и могут легко трансформироваться в регионы.

Новые технологии и возможности (задержите дыхание):

• Градиентная закраска: позволяет заливать сложные фигуры оттенками с различными законами распределения цвета, рисовать векторные примитивы (например, линии) с градиентной окраской.
• Поддержка прозрачности: можно создавать кисти и растры с прозрачными и полупрозрачными областями, заливать области полупрозрачным цветом, назначать Color Key для растрового изображения и работать с его альфа-каналом, а также рисовать полупрозрачные (!) векторные примитивы и текст.
• Режимы улучшения изображения: позволяют значительно улучшить пользовательское восприятие за счет сглаживания контурных неровностей (antialiasing) и префильтрации растровых изображений.
• Сплайны: кроме уже существующих в GDI кривых Безье, поддерживается новый вид кривых — так называемые сплайны, которые имитируют поведение натянутой и изогнутой стальной полосы. Сплайны являются гладкими кривыми.
• Пути: как уже говорилось, пути теперь существуют независимо от контекста рисования и представляют собой мощное средство создания сложных векторных объектов. Кроме того, появилась возможность выравнивать (flatten) пути, то есть преобразовывать их к набору отрезков прямых.
• Координатные преобразования: объект Matrix позволяет осуществлять операции поворота, переноса, масштабирования и отражения объектов GDI+.
• Регионы: в отличие от GDI, регионы теперь не привязаны к координатам устройства и подчиняются координатным преобразованиям.
• Работа с растрами: теперь можно практически все! Поддерживается отрисовка растров с наложением внешнего альфа-канала, масштабированием, растяжением, искажением и поворотом растров. При этом можно установить режимы отображения отдельных пикселей — от простого переноса до префильтрации (наилучшее качество изображения). Стало возможным рисовать векторные примитивы, залитые текстурами (!).
• Поддержка популярных форматов графических файлов: необычайно приятное новшество для всех программистов, имеющих дело с разными графическими форматами. Поддерживаются форматы BMP , GIF , TIFF , JPEG , Exif (расширение TIFF и JPEG для цифровых фотокамер), PNG , ICON , WMF и EMF . Декодеры различных форматов выполнены с учетом их специфики, так что Вы сможете, например, отобразить анимационный GIF или добавить комментарий к TIFF -файлу. Загруженный, созданный или модифицированный файл может быть сохранен на диск в одном из подходящих форматов. Существует возможность написания собственных декодеров.
• Формат EMF+ : разумеется, все это великолепие не могло уместиться в тесные рамки старого Enhanced Metafile. Для описания новых возможностей был создан новый формат метафайла EMF+, который позволяет сохранить на диск и затем проиграть последовательность графических команд. Существует возможность записать «дуальный» метафайл, понятный старым GDI-программам. Новые программы будут читать из него GDI+ — информацию.

Требования к среде выполнения

Поддержка GDI+ встроена непосредственно в операционные системы Windows XP и .NET Server. Для того чтобы приложения, использующие эту библиотеку, выполнялись на предыдущих версиях Windows, необходимо установить дистрибутив gdiplus_dnld.exe размером около одного мегабайта. Найти его (и, возможно, другие необходимые обновления) можно на сайте Microsoft по адресу:

В его состав входят только инструкция по установке и уже упомянутая динамическая библиотека GdiPlus.dll, которую необходимо скопировать в системный каталог Windows 98/ME, Windows NT SP6 или Windows 2000. При этом возможности, предоставляемые непосредственно ядром Windows XP (в частности, технология ClearType для качественного отображения шрифтов на LCD-мониторах), будут недоступны.

ПРИМЕЧАНИЕ Я не случайно не упомянул про Windows 95. На сайте Microsoft отсутствует всяческое упоминание о поддержке GDI+ для этой операционной системы. Тем не менее, единственная доступная мне для тестирования машина с Windows 95 OSR2 выполнила тестовое приложение без каких-либо проблем. Но ввиду отсутствия какой-либо официальной поддержки для использования GDI+ крайне рекомендуется обновить систему хотя бы до Windows 98.

Поддерживаемые технологии разработки

В этой статье рассматривается интерфейс к GDI+, реализованный для языка C++ — хотя уже существует реализация Microsoft для системы CLR, входящей в состав .NET, и, безусловно, вскоре усилиями энтузиастов появятся другие (например, для VB и Delphi).

Заметим, что GDI+ (вернее, ее обертка для CLR), входящая в состав Microsoft .NET Framework SDK, является основным средством рисования в среде .NET. Однако доступная на данный момент Beta 2 имеет довольно большие отличия от реализации для C++ (не только архитектурные, но и чисто внешние, например, различающиеся имена некоторых классов). Я постараюсь коротко описать эти отличия в конце статьи.

Набор заголовочных файлов (headers) и библиотека импорта GdiPlus.lib, необходимые для сборки демонстрационных приложений, входят в состав последнего Platform SDK. Те, кто до сих пор не обновил идущий с Visual Studio 6.0 Platform SDK образца 1998 года, могут загрузить его с сайта Microsoft по адресу:

Минимальный компонент, в состав которого входит GDI+, называется Windows Core SDK и имеет размер около 230 мегабайт.

ПРИМЕЧАНИЕ Я понимаю, что для многих читателей, имеющих доступ в Интернет через домашний модем, предложение скачать дистрибутив такого размера прозвучит как насмешка. В качестве крайней временной меры можно раздобыть только набор заголовочных файлов GdiPlus*.h, BaseTsd.h и библиотеку импорта GdiPlus.Lib из нового Platform SDK. Но гарантировать работоспособность такого решения во всех ситуациях я не возьмусь. Да и в любом случае, обновить Platform SDK необходимо. Возможно, вам удастся найти его на CD-ROM.

На момент написания этих строк доступна версия Platform SDK за август 2001 г.

Демонстрационные примеры будут в подавляющем большинстве написаны с использованием Windows API, что позволит сосредоточиться на использовании GDI+. Но вы без труда сможете подключить эту библиотеку к своим MFC- или WTL-приложениям. Иногда я также буду приводить соответствующий пример на C# для WinForms.

Начинаем работу

Иерархия классов GDI+

Типичное рабочее место программиста на C++, как правило, включает в себя стену, на которой гордо красуется Диаграмма классов (неважно каких). Теперь рядом можно наклеить еще один плакат.

Ниже приведена иерархия классов GDI+. Я не включил в нее 8 структур данных и перечисления (enumerations) — около 50 штук.

При первом взгляде на диаграмму видно, что она очень напоминает, например, ту часть библиотеки MFC, которая отвечает за рисование, только классов гораздо больше (40 против 15 у MFC). Это и неудивительно, учитывая фирму, которая разрабатывала эти библиотеки. Основные отличия отражают новые возможности GDI+. Мы подробно рассмотрим их в следующих частях.

Как видим, большинство объектов имеют в корне иерархии класс GdiPlusBase. Вам не понадобится создавать экземпляры этого класса, так как он содержит только средства управления памятью (для него перегружены операторы new/new[] и delete/delete[], которые используют функции GDI+ GdipAlloc и GdipFree ). Все классы, инкапсулирующие работу с ресурсами GDI+, порождены от GdiPlusBase . Это не значит, что их экземпляры нельзя создавать на стеке — напротив, так даже удобнее контролировать время их жизни. Зато такая архитектура позволит, например, передавать указатель на созданный объект GDI+ в модуль, написанный с использованием других средств разработки, и безопасно его удалять в этом модуле.

Не путайте управление памятью под экземпляры классов-оберток С++, которое осуществляется перегруженными операторами new/delete, и управление собственно ресурсами GDI+, которое скрыто от разработчиков в недрах соответствующих функций, например, GdipCreateSolidFill .

Ключевым же классом в GDI+ является Graphics (программисты на J++ вздрогнули). Именно он содержит почти две сотни методов, отвечающих за рисование, отсечение и параметры устройства вывода. Напрашивается явная аналогия с контекстом устройства (Device Context) прежнего GDI, и эти понятия действительно тесно связаны. Из четырех конструкторов Graphics два создают его из HDC. Главное отличие заключается в изменении программной модели: теперь вы не работаете с хендлом, а вызываете методы класса. Хотя программистам на MFC эта концепция уже хорошо знакома.

Дальнейшее наследование (например, класс TextureBrush порожден от Brush ) скорее отражает цели разработчиков (скрытие деталей реализации и повторное использование оберточного кода), чем инфраструктуру библиотеки, так как в inline-методах «родственных» классов просто содержатся вызовы различных функций GdiPlus.dll. Можно сказать, что Microsoft в очередной раз спроецировала обычный «плоский» API языка C на объектно-ориентированную библиотеку C++.

Оставшаяся часть классов не имеет общего родителя и предназначена для упрощения работы со структурами данных GDI+.

Инициализация и завершение

Перед тем как начать использовать классы и функции GDI+, необходимо инициализировать эту библиотеку. Для этого где-нибудь в начале своей программы нужно поместить вызов функции GdiplusStartup:

Поля структуры GdiplusStartupInput управляют различными аспектами инициализации: в частности, можно задать функцию, которая будет вызываться при возникновении ошибок, или перехватывать все обращения к функциям GDI+. Эти детали мы рассматривать не будем. К счастью, конструктор по умолчанию структуры GdiplusStartupInput выполняет инициализацию, достаточную в большинстве случаев. При этом в качестве выходного параметра output можно задать NULL.

«Магическое значение», на которое указывает выходной параметр token, необходимо сохранить.

Для завершения работы с библиотекой вызовите функцию GdiplusShutdown:

Здесь в качестве параметра и необходимо передать то самое число, которое возвратила GdiplusStartup в параметре token.

Вы можете вызвать GdiplusStartup и GdiplusShutdown из разных потоков, но необходимо убедиться, что вне этой пары функций никакого обращения к объектам GDI+ не происходит. В частности, будьте осторожны, объявляя глобальными экземпляры классов — ведь их деструкторы выполнятся уже после WinMain. Кроме того, как обычно, нельзя вызывать функции инициализации и очистки из DllMain , поскольку это может привести ко входу в бесконечную рекурсию или другим неприятностям.

Создаем первое приложение

Настало время применить все эти сведения на практике. Для этого создадим в MS Visual C++ базовое WINAPI-приложение, которое послужит полигоном для дальнейших экспериментов. Ниже для этого приведена пошаговая процедура.

Итак, создаем новый проект Win32 Application. Выбираем опцию A typical «Hello, World!» application и нажимаем «Finish». Получившееся приложение необходимо подготовить для использования GDI+. Для этого в файле stdafx.h после строки с комментарием:

добавляем следующие строчки:

и в конце файла stdafx.cpp добавляем строку

Кроме того, в файле stdafx.h необходимо удалить или закомментировать строку

Иначе компилятор выдаст кучу ошибок об отсутствии символов MIDL_INTERFACE, PROPID, IStream и т.д.

Если полученное в результате приложение успешно собралось, значит, мы все сделали правильно. Пойдем дальше.

Найдем в сгенерированном основном .cpp файле нашего проекта функцию WinMain и добавим в начале ее код инициализации:

а в конце, перед оператором return , добавим код очистки:

Готово. Наконец-то мы можем что-нибудь нарисовать. Найдите в теле функции WndProc обработчик сообщения WM_PAINT и замените следующим кодом:

Теперь где-нибудь перед функцией WndProc создадим функцию OnPaint с кодом рисования:

В результате у нас получится примерно вот что:

Приведенный пример носит только ознакомительный характер. В реальном приложении, для того чтобы нарисовать растр, его, как правило, не нужно каждый раз загружать с дискового файла :). Далее я буду пользоваться созданным макетом программы для создания других демонстрационных приложений. В качестве примера рисования будет приводиться только код функции OnPaint .

Пример WinForms — приложения с использованием GDI+

Для того чтобы можно было сравнить рассматриваемую реализацию GDI+ с той, что используется в .NET, приведу полный текст соответствующего приложения на новом языке C#:

Как видим, помимо чисто синтаксических отличий имеются и принципиальные, например, использование в CLR-модели свойств против использования Set-методов в C++. Кроме того, в .NET активно используются пространства имен.

Замечу, что здесь приведен полный текст программы, аналогичной по возможностям той, что мы создали в предыдущем разделе. Сравните объем исходных текстов этих двух примеров. NO COMMENTS.

Если вы запустите приведенный пример, то увидите, что текст отрисовывается без сглаживания, характерного для предыдущего примера. Это связано с тем, что WinForms по умолчанию отключает улучшенный режим отрисовки шрифтов — и без этого причин для торможения достаточно 🙂

Несколько замечаний о компиляции и сборке проектов

Хочется указать на несколько «подводных камней», которые могут сбить с толку при первой попытке откомпилировать и собрать проект, использующий GDI+. В основном здесь упомянуты те проблемы, с которыми сталкиваются (и постоянно спрашивают о них в различных форумах) начинающие.

Где взять GdiPlus.h?

Как я уже сказал, все заголовочные файлы, библиотека импорта и документация к библиотеке входят в состав последнего Platform SDK. Они не идут в составе Visual С++ 6.0 и его сервис паков.

Почему выдается ошибка о типе ULONG_PTR?

Похоже, что компилятор находит старый заголовочный файл basetsd.h — например, из комплекта VC++. Измените пути поиска заголовочных файлов так, чтобы вначале были найдены файлы Platform SDK.

Почему компилятор не дает создать объект GDI+ при помощи new?

Такое поведение возможно при попытке откомпилировать MFC-приложение с использованием GDI+ в Debug-конфигурации.

В начале файла программы, видимо, имеется следующий фрагмент:

Либо откажитесь от создания объектов GDI+ с помощью new , либо откажитесь от проверок динамической памяти в этом файле (удалив вышеприведенную директиву #define ).

Не забудьте про пространство имен Gdiplus и библиотеку импорта

В приводимых примерах кода используются простые имена классов, такие как Brush и Rect. Это стало возможным благодаря тому, что в начале заголовочного файла программы есть директива

Если это решение не подходит (например, в проекте уже существуют классы с такими именами), то перед именами классов необходимо ставить префикс пространства имен, например

Также, если по каким-то соображениям директива

не устраивает, в опциях компоновщика нужно явно указать библиотеку импорта gdiplus.lib .

На этом пока все. В следующей части мы рассмотрим богатые возможности, которые GDI+ предоставляет для работы с растровыми изображениями.