Qt グラフィックスシーンの再描画をマスター：invalidate() 完全ガイド

2025-04-26

基本的な概念

再描画
シーン内のアイテムが変更されたり、表示領域が変更されたりした場合に、画面を更新して最新の状態を表示することです。
QGraphicsView
QGraphicsSceneの内容を表示するウィジェットです。
QGraphicsScene
描画アイテム（QGraphicsItem）を管理する領域です。

QGraphicsScene::invalidate()の役割

invalidate()関数は、シーン内の特定の領域または全体が変更されたことをシステムに知らせます。これにより、Qtは必要な部分だけを再描画し、効率的な描画処理を行います。

具体的な動作

無効化領域の指定
invalidate()関数は、引数として無効化する領域（QRectF）を受け取ることができます。引数を省略すると、シーン全体が無効化されます。
再描画の実行
イベントループが処理される際に、スケジュールされた再描画が実行されます。QGraphicsViewは、無効化された領域を再描画し、画面を更新します。

使用例

QGraphicsScene *scene = new QGraphicsScene();

// アイテムを追加
QGraphicsRectItem *rect = scene->addRect(0, 0, 100, 100);

// アイテムの位置を変更
rect->setPos(50, 50);

// 変更された領域を無効化
scene->invalidate(rect->boundingRect(), QGraphicsScene::ItemLayer);

この例では、長方形のアイテムの位置を変更した後、invalidate()を呼び出して変更された領域を無効化しています。これにより、QGraphicsViewは変更された部分だけを再描画し、効率的な画面更新を行います。

QGraphicsScene::ItemLayerは再描画のレイヤーを指定します。
無効化する領域を適切に指定することで、再描画のパフォーマンスを向上させることができます。
invalidate()は、シーンの内容が変更されたときに必ず呼び出す必要があります。

よくあるエラーとトラブルシューティング

- 原因
  - invalidate()が呼び出されていない。
  - invalidate()が間違った領域で呼び出されている。
  - QGraphicsViewが正しく表示されていない。
  - イベントループがブロックされている。
- トラブルシューティング
  - invalidate()が適切なタイミングで呼び出されているか確認します。
  - 無効化する領域(QRectF)が、変更されたアイテムの領域を正しく含んでいるか確認します。
  - QGraphicsViewが正しくレイアウトされ、表示されているか確認します。
  - イベントループがブロックされていないか確認します。長時間処理を行う場合は、スレッドやタイマーを使用してイベントループをブロックしないようにします。
アイテムの描画が崩れる (表示がおかしい)
- 原因
  - invalidate()が間違ったレイヤーで呼び出されている。
  - アイテムの描画処理に問題がある。
  - アイテムの座標系が正しく設定されていない。
- トラブルシューティング
  - invalidate()を呼び出すレイヤー(QGraphicsScene::ItemLayerなど)が適切かどうか確認します。
  - アイテムのpaint()関数内の描画処理をデバッグし、問題のある部分を特定します。
  - アイテムの座標系(setPos(), setTransform())が正しく設定されているか確認します。
  - アイテムの親子関係が正しく設定されているか確認します。
アイテムの更新が遅延する
- 原因
  - invalidate()の呼び出しが遅れている。
  - イベントループの処理が遅延している。
- トラブルシューティング
  - invalidate()を必要なタイミングで呼び出すようにします。
  - イベントループの処理を最適化します。長時間処理を行う場合は、スレッドやタイマーを使用してイベントループをブロックしないようにします。
  - QGraphicsView::update()を呼び出して、強制的に再描画を行う。しかし、これはパフォーマンスを低下させる可能性があるため、必要な場合のみ使用します。
スレッド環境での問題
- 原因
  - メインスレッド以外からinvalidate()を呼び出している。
  - スレッド間の同期が正しく行われていない。
- トラブルシューティング
  - invalidate()はメインスレッドから呼び出す必要があります。Qt::QueuedConnectionを使用して、メインスレッドにシグナルを送るようにします。
  - スレッド間の同期を正しく行い、競合状態を回避します。ミューテックスやセマフォを使用します。

デバッグのヒント

Qt Creatorのデバッガを使用して、ステップ実行でプログラムの動作を追跡します。
QGraphicsView::render()を使用して、シーンの内容を画像ファイルに保存し、描画結果を確認します。
qDebug()を使用して、invalidate()が呼び出されているタイミングや引数の値を確認します。

例1: アイテムの位置変更後の再描画

この例では、長方形のアイテムの位置を変更し、変更された領域のみを再描画します。

#include <QApplication>
#include <QGraphicsScene>
#include <QGraphicsView>
#include <QGraphicsRectItem>

int main(int argc, char *argv[]) {
  QApplication app(argc, argv);

  QGraphicsScene scene;
  QGraphicsView view(&scene);

  // 長方形アイテムを作成してシーンに追加
  QGraphicsRectItem *rect = scene.addRect(0, 0, 100, 100);

  // アイテムの位置を変更
  rect->setPos(50, 50);

  // 変更された領域を無効化して再描画を促す
  scene.invalidate(rect->boundingRect(), QGraphicsScene::ItemLayer);

  view.show();
  return app.exec();
}

解説

QGraphicsSceneとQGraphicsViewを作成します。
QGraphicsRectItemを作成し、シーンに追加します。
rect->setPos(50, 50)でアイテムの位置を変更します。
scene.invalidate(rect->boundingRect(), QGraphicsScene::ItemLayer)で、変更されたアイテムの境界ボックス(boundingRect())を無効化します。QGraphicsScene::ItemLayerは、アイテムレイヤーを再描画することを指定します。
view.show()でビューを表示します。

例2: タイマーを使用した複数アイテムの更新と再描画

#include <QApplication>
#include <QGraphicsScene>
#include <QGraphicsView>
#include <QGraphicsRectItem>
#include <QTimer>
#include <QRandomGenerator>

int main(int argc, char *argv[]) {
  QApplication app(argc, argv);

  QGraphicsScene scene;
  QGraphicsView view(&scene);

  // 複数の長方形アイテムを作成してシーンに追加
  QGraphicsRectItem *rect1 = scene.addRect(0, 0, 50, 50);
  QGraphicsRectItem *rect2 = scene.addRect(100, 100, 50, 50);

  QTimer timer;
  QObject::connect(&timer, &QTimer::timeout, [&]() {
    // 各アイテムの位置をランダムに変更
    rect1->setPos(QRandomGenerator::global()->bounded(200), QRandomGenerator::global()->bounded(200));
    rect2->setPos(QRandomGenerator::global()->bounded(200), QRandomGenerator::global()->bounded(200));

    // シーン全体を無効化して再描画を促す
    scene.invalidate();
  });

  timer.start(1000); // 1秒ごとに更新

  view.show();
  return app.exec();
}

解説

複数のQGraphicsRectItemを作成し、シーンに追加します。
QTimerを作成し、1秒ごとにタイムアウトするように設定します。
タイムアウトシグナルに接続されたラムダ関数内で、各アイテムの位置をランダムに変更します。
scene.invalidate()でシーン全体を無効化し、再描画を促します。
timer.start(1000)でタイマーを開始します。
view.show()でビューを表示します。

例3: 特定の領域のみを更新する

#include <QApplication>
#include <QGraphicsScene>
#include <QGraphicsView>
#include <QGraphicsRectItem>
#include <QTimer>
#include <QRandomGenerator>

int main(int argc, char *argv[]) {
    QApplication app(argc, argv);
    QGraphicsScene scene;
    QGraphicsView view(&scene);
    QGraphicsRectItem *rect = scene.addRect(0, 0, 100, 100);
    QTimer timer;

    QObject::connect(&timer, &QTimer::timeout, [&](){
        int x = QRandomGenerator::global()->bounded(50);
        int y = QRandomGenerator::global()->bounded(50);
        rect->setPos(x,y);

        scene.invalidate(QRectF(x,y,100,100), QGraphicsScene::ItemLayer);
    });

    timer.start(1000);
    view.show();
    return app.exec();
}

上記例2と似ていますが、シーン全体ではなく更新されたアイテムの領域のみを更新します。
scene.invalidate(QRectF(x,y,100,100), QGraphicsScene::ItemLayer);にて、更新されたアイテムの場所を元にQRectFを作成し、描画を更新する場所を指定しています。

QGraphicsItem::update()

使用例
利点
- 特定のアイテムのみを更新するため、パフォーマンスが向上する場合があります。
- アイテム自身が変更されたことを把握している場合に、より直接的な更新方法です。
説明
QGraphicsItem自体が持つupdate()関数は、アイテム自身の領域を再描画するように要求します。invalidate()がシーン全体または複数のアイテムに影響を与える場合に比べて、特定のアイテムのみを更新する場合に便利です。

QGraphicsRectItem *rect = new QGraphicsRectItem(0, 0, 100, 100);
// ...アイテムの変更...
rect->update(); // アイテム自身の領域を再描画

QGraphicsView::viewport()->update()

使用例
利点
- ビューポートの特定の領域のみを更新するため、パフォーマンスが向上する場合があります。
- ビューポートに直接書き込んだ場合などに有効です。
説明
QGraphicsViewのビューポート(viewport())のupdate()関数は、ビューポートの特定の領域を再描画します。これは、ビューポートの表示領域が変更されたり、ビューポートに直接描画したりする場合に有効です。

QGraphicsView *view = new QGraphicsView(&scene);
// ...ビューポートの変更...
view->viewport()->update(QRect(0, 0, 100, 100)); // ビューポートの特定の領域を再描画

QGraphicsView::render()

使用例
利点
- シーンの内容を画像として出力できます。
- シーンの内容を他のウィジェットに描画できます。
- 描画のキャッシュなどに有効です。
説明
QGraphicsView::render()は、シーンの内容をQPainterを使用して描画します。これは、シーンの内容を画像ファイルに保存したり、他のウィジェットに描画したりする場合に有効です。

QPixmap pixmap(view->viewport()->size());
QPainter painter(&pixmap);
view->render(&painter);
pixmap.save("scene.png"); // シーンの内容を画像ファイルに保存

QTimerとQGraphicsScene::update()

使用例
利点
- 定期的な再描画を実現できます。
- アニメーションやリアルタイムデータの表示に適しています。
説明
QTimerを使用して定期的にQGraphicsScene::update()を呼び出すことで、シーン全体を定期的に再描画できます。これは、アニメーションやリアルタイムデータの表示などに有効です。

QTimer timer;
QObject::connect(&timer, &QTimer::timeout, [&]() {
    scene.update(); // シーン全体を再描画
});
timer.start(30); // 30ミリ秒ごとに再描画

QPainterによる直接描画

使用例
利点
- 描画を細かく制御できます。
- 複雑な描画や特殊効果を実現できます。
説明
QGraphicsView::drawBackground()やQGraphicsItem::paint()内でQPainterを使用して直接描画することで、シーンの描画をカスタマイズできます。

class CustomItem : public QGraphicsItem {
public:
    // ...
    void paint(QPainter *painter, const QStyleOptionGraphicsItem *option, QWidget *widget) override {
        painter->fillRect(boundingRect(), Qt::red); // 赤い長方形を描画
    }
    // ...
};

描画を細かく制御する場合は、QPainterを使用して直接描画します。
定期的に再描画する場合は、QTimerとQGraphicsScene::update()を使用します。
シーンの内容を画像として出力する場合はQGraphicsView::render()を使用します。
ビューポートの特定の領域のみを更新する場合は、QGraphicsView::viewport()->update()を使用します。
特定のアイテムのみを更新する場合は、QGraphicsItem::update()を使用します。

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