Java的绘图世界--Java 2D

Ja va 2D 绘图世界：从入门到实战

先聊一个背景：Ja va 2D API 是 JFC（Ja va Foundation Classes）的一部分，它的出现让传统 AWT 的绘图能力上了一个大台阶。早在 JDK 1.2 时代，开发者就已经可以用它来绘制任意几何图形、实现各种填充效果，甚至轻松完成旋转、缩放、扭曲这些变换操作。下面这张图（图一）展示的就是一个典型的统计图——利用不同线型和填充效果区分数据，整个过程只用了几行代码。当然，2D API 的能耐远不止这些：它还能给图片加滤镜、做任意图形的碰撞检测、以及图形叠加时的混色计算。这篇文章会把这些技术挨个过一遍。

Ja va 2D API 相关包一览

JDK 1.2 中与 2D API 相关的包主要有以下几个，每个都承担着不同的角色。

ja va.awt

这个包包含了一些新增的 2D API 类和接口。其中最核心的是 Graphics2D，它继承自 ja va.awt.Graphics，是所有 2D 图形描绘的“画板”。和之前版本的 JDK 一样，当有对象需要被绘制时，paint 或 update 方法会自动根据当前的 Graphics Context 执行绘图操作。所谓 Graphics Context，其实就是与 Graphics 对象相关的状态属性集合，在 Graphics2D 中新增了不少属性，比如 Stroke、Paint、Clip、Transform 等。

ja va.awt.geom

这个包提供了可以勾勒任意形状的 GeneralPath 类。它允许由多种子路径（如直线、二次曲线）组合而成。为了方便使用，里面还预定义了许多基本几何图形，比如 Arc2D、CubicCurve2D、Line2D 等。这些类都有两种精度版本：Float 和 Double。此外还有一种特别的图形类 Area，它支持构造性区域几何（CGA）——简单说就是对已有图形做布尔运算来生成新图形。图二展示了 Area 支持的几种布尔运算：并集、交集、差集、异或。最后，AffineTransform 类提供了缩放、扭曲、旋转等坐标变换能力。

ja va.awt.font

这个包定义了 TextLayout 类，负责构建文本形状、执行文本操作（比如碰撞检测与高亮），以及确定文本的合适位置与顺序。

ja va.awt.image

Ja va 2D API 支持三种图像处理模式：producer/consumer（push）模型、immediate mode 模型和 pipeline（pull）模型。Push 模型在之前的 JDK 版本中就已存在，Pull 模型则会在后续的 Ja va Advanced Imaging API 中支持。这里重点介绍 JDK 1.2 中间出现的 immediate mode 模型。在这个模型下，开发者可以通过 2D API 对图像数据（BufferedImage 或 Raster）施加滤镜效果。在 ja va.awt.image 包中，immediate mode 的 API 可以分成六大类：接口、图像数据类、图像操作类、样本模型类、颜色模型类和异常类。其中操作类定义了许多滤镜，比如 AffineTransformOp、BandCombineOp、ColorConvertOp、ConvolveOp、LookupOp、RescaleOp 等。利用这些滤镜，可以实现几何变换、模糊、锐化、对比度增强、阈值化、颜色校正等效果。图三展示的就是原始图像经过滤镜后生成新图像的过程。

ja va.awt.color

这个包定义了 ColorSpace 类，为开发者提供了转换色盘的方法。

ja va.awt.print

Ja va Printing API 提供了打印 AWT 和 Ja va 2D 图形（包括组合图形和图像）的方法，并且允许用户设置打印属性，比如双面打印。

Ja va 2D 编程入门

了解了各个包之后，就可以动手写点简单的应用程序来感受 2D 的魅力了。不过在此之前，先打好基础——掌握几个基本的编程步骤和代码套路。

基本步骤

绘图的第一步是创建 Graphics2D 对象，接着设置你需要的状态属性。比如你想给一个图形做渐变填充，就把 Paint 属性设为 GradientPaint。最后调用 Graphics2D 提供的渲染方法 fill 或 draw，完成整个绘图流程。下面是一段示例代码：

import ja va.awt.*;
import ja va.awt.geom.*;

public void paint(Graphics g) {
    Ellipse2D.Float shape;
    GradientPaint gp;
    // 创建 Graphics2D
    Graphics2D g2 = (Graphics2D) g;
    // 创建椭圆 (x, y, w, h)
    shape = new Ellipse2D.Float(200, 200, 60, 60);
    // 创建循环渐变 (x1,y1,color1, x2,y2,color2, cyclic)
    gp = new GradientPaint(180, 190, Color.yellow, 220, 210, Color.red, true);
    g2.setPaint(gp);
    g2.fill(shape);
}

如何画线

在 JDK 还没支持 2D 图形之前，开发者只能画直的、相同粗细的线条。现在有了 2D API，画不同粗细的线条和圆滑的曲线就和呼吸一样简单。ja va.awt.geom 包提供了 Line2D、QuadCurve2D 和 CubicCurve2D 等类，让开发者轻松画出想要的线条。示例代码如下：

import ja va.awt.geom.*;
…
Line2D.Float line;
CubicCurve2D.Float cubic;
// 创建直线
line = new Line2D.Float(20, 390, 200, 390);
// 创建三次曲线，比直线多了两个控制点
cubic = new CubicCurve2D.Float(70, 100, 120, 50, 170, 270, 220, 100);
// 设置线条粗细
g2.setStroke(new BasicStroke(2.0f));
g2.setColor(Color.blue);
g2.draw(line);
// 再画一条更粗的线
line = new Line2D.Float(30, 400, 250, 400);
g2.setStroke(new BasicStroke(5.0f));
g2.draw(line);

显示字串

通过 Ja va 2D，可以显示更加精致的文字。下面的代码效果是：显示一个外边为淡蓝色的字符串 "Font Test"。

import ja va.awt.font.*;
…
Shape sha;
FontRenderContext frc = g2.getFontRenderContext();
TextLayout tl = new TextLayout("Font Test", 
    new Font("Modern", Font.BOLD+Font.ITALIC, 20), frc);
sha = tl.getOutline(AffineTransform.getTranslateInstance(50, 380));
g2.setColor(Color.blue);
g2.setStroke(new BasicStroke(2.0f));
g2.draw(sha);
g2.setColor(Color.white);
g2.fill(sha);

图档处理

过去，想要给图片加滤镜效果，必须借助外部图像处理软件。现在 2D API 提供了一些简单的方法，开发者可以直接用代码控制滤镜效果。下面是一个示例：

float[] elements = {0.0f, -1.0f, 0.0f, -1.0f, 4.f, -1.0f, 0.0f, -1.0f, 0.0f};
Image img = Toolkit.getDefaultToolkit().getImage("boat.gif");
int w = img.getWidth(this);
int h = img.getHeight(this);
BufferedImage bi = new BufferedImage(w, h, BufferedImage.TYPE_INT_RGB);
Graphics2D big = bi.createGraphics();
big.drawImage(img, 0, 0, this);
BufferedImageOp biop = null;
AffineTransform at = new AffineTransform();
BufferedImage bimg = new BufferedImage(img.getWidth(this), img.getHeight(this),
    BufferedImage.TYPE_INT_RGB);
Kernel kernel = new Kernel(3, 3, elements);
ConvolveOp cop = new ConvolveOp(kernel, ConvolveOp.EDGE_NO_OP, null);
cop.filter(bi, bimg);
biop = new AffineTransformOp(at, AffineTransformOp.TYPE_NEAREST_NEIGHBOR);
g2 = (Graphics2D) this.getGraphics();
g2.drawImage(bimg, biop, 0, 0);

参考资料

• [1] Ja va Tutorial - 2D Graphics, http://ja va.sun.com/docs/books/tutorial/2d/index.html
• [2] Ja va 2D Programmer's Guide, Chapter 3 - Geometries, http://ja va.sun.com/products/jdk/1.2/docs/guide/2d/spec/j2d-geom.fm2.html
• [3] Ja va 2D Programmer's Guide, Chapter 5 - Imaging, http://ja va.sun.com/products/jdk/1.2/docs/guide/2d/spec/j2d-image.fm2.html