BufferedImage 与像素级渲染

常有人说 Java 图形渲染很慢？嗯，相对 C/C++ 而言， Java2D 固有的图像处理能力确实有待提高。

 

但是，这也仅仅局限于对比 C/C++ 应用而言。

 

如果您是以其它什么东西与之比较，却得出 Java 渲染很慢的结论。那么，或者并不是出自 Java 本身的原因，而在于您并没能搞清楚该怎样正确的使用 Java 绘图。

 

况且，即便是相对于 C/C++ 而谈， Java 也并非相差到难以望其项背的地步。相对于某些行将就木的技术，至少我们除了异常积极的自行修改 JRE ，或者极端消极的等待 JRE 官方更新以外，还有使用 OpenGL 或者像素级优化这两条道路可走。

 

在本节当中，我们就先谈点基础的，来说说 Java 渲染的像素级优化吧。

 

像素与 RGB ：

 

像素是什么？简单的讲，像素就是色彩，像素是系统能够在计算机屏幕上显示的最小染色点。越高位的像素，其拥有的色板也就越丰富，越能表达颜色的真实感。

 

众所周知，图像是像素的复合，看似绚丽的形象，也无外是一个个肉眼难以分辨的细微颗粒集合罢了。

 

比如，在一些常见的 Java 图像处理中，我们经常会用到所谓的 RGB24 模式（ 24 位三原色模式，在 Java2D 中以 TYPE_INT_RGB 表示），将 Red ， Green ， Blue 三种色彩加以混合，创造出唯一的色彩点并绘制到计算机之上。而这个色彩点，也就是所谓的像素。因为在 RGB24 中 Red ， Green ， Blue 三者都被分配有一个 0~255 的强度值，所以该 RGB 模式的极限机能就是 256*256*256 ，即至多可以显示出 16777216 种颜色。

 

PS ：关于 16 位的 RGB565 （ Java2D 中表示为 TYPE_USHORT_565_RGB ）以及 RGB555 （ Java2D 中表示为 TYPE_USHORT_555_RGB ）会在以后章节中涉及，大家此刻只要知道，使用 24 位以下的图形处理模式，在显示速度上虽然会有提高，视觉效果上却必然会有损失就可以了。

 

也许有网友会感叹。哇！ 16777216 种颜色，这么多？难道都能用上吗？！

 

没错， 16777216 种颜色确实很多；事实上，这已非常接近于人类肉眼所能观察到的颜色数目极限 , 所以我们又将它称之为真彩色。然而，人类的欲求却是无止境的，即便能够展现出 16777216 种颜色的 RGB 真彩模式，依旧有人嫌弃它的效果太差。

 

否则，在您计算机“颜色质量”一栏中，或许就不会再有 32 位这种“多余”的选择了。

 

正是因为人类天性的贪婪，当今 2D 、 3D 图形渲染中最为常见的 ARGB 模式，也就是 32 位真彩模式才会应运而生。

 

ARGB 模式：

 

您问什么是 ARGB ？其实，它就是个穿了 Alpha 通道马甲的 RGB 。

事实上，较之最初的 RGB 模式， ARGB 仅仅增加了一个名为 Alpha 的色彩通道。这是一个 8 位的灰度通道，用 256 级灰度来记录图像中的透明度信息，定义透明、不透明和半透明区域。通俗的说，你的 ARGB 图像是否透明，与底层图像的遮挡关系如何，都将由 Alpha 这个参数所决定。

 

在 Java2D 中， TYPE_INT_ARGB 象征着 32 位十六进制数的 ARGB 色彩模式。

 

将“ 32 位十六进制数”的概念具象化后，也就是四对十六进制数字的序列。每个十六进制对定义四个颜色通道，即 Red 、 Green 、 Blue 和 Alpha 中每个颜色通道的强度，全以范围介于 0 到 255 之间的十进制数的十六进制表示法。（在 16 进制表示中， FF 是指全强度 ，最高的 255 。 00 是指通道中无颜色，最低为 0 ）

 

正如大家都知道的那样 , 由于颜色值长度需要两位数字 , 因此您需要填充一个通道 , 例如用 01 代替 1 ，这样才可确保十六进制数中始终具有八个数字。还应确保指定十六进制数前缀 0x ，这样才能被 Java 识别为 16 进制。

 

例如，白色 ( 全强度 ) 用十六进制记数法表示为 : 0xFFFFFFFF 。而黑色正好相反；它在红色、绿色和蓝色中的任何一个通道中都 无颜色，结果就成了 : 0xFF000000 。请注意 , Alpha 通道中的全强度意味着没有 Alpha (FF) ，也就是不透明 , 而无强度 (00) ，则意味着全透明。

利用 ARGB 模式，我们可以轻易的创建出一些 RGB 所无法实现的艳丽图像，完成一些 RGB 所无法企及的缤纷效果。应该说，如果您只是想制作一个让人可以入目的画面，那么普通的 RGB 模式已然游刃有余，但如果您想百尺竿头更进一步，制作出一些让人心旷神怡的视觉盛宴，那就非 ARGB 不可。而一旦您开始使用 ARGB ，就与 Alpha 、 Red 、 Green 、 Blue 这四层色彩通道留下了不解之缘。

 

在 Java 中获得 ARGB 像素的方法如下：

 

public static int getARGB( int r, int g, int b, int alpha) {

        return (alpha << 24) | (r << 16) | (g << 8) | b;

}

关于 BufferedImage ：

 

当我们需要使用像素级操作，当我们需要设定针对不同图像的不同色彩模式时，最直接有效的方法，就是使用 BufferedImage 。

 

事实上，就像深入优化 Flash 渲染必须利用 BitmapData 一样，没有对 BufferedImage 的相关了解，提高 Java2D 性能根本无从谈起，甚至不能说你会用 Java2D 。

 

当您想要创建 BufferedImage ，并对其中像素进行直接操作时，大体上有三种方式可选：

 

1 、直接创建 BufferedImage ，导出 DataBufferInt 对象获取像素集合。

 

// 创建一个 640x480 的 BufferedImage ，设定渲染模式为 ARGB

BufferedImage image = new BufferedImage (640, 480,

              BufferedImage . TYPE_INT_ARGB );

// 获得当前 BufferedImage 的图像数据 存储器，并转为 DataBufferInt

DataBufferInt dataBuffer = ((DataBufferInt) image.getRaster()

              .getDataBuffer());

// 获得对应 BufferedImage 的像素数组

int [] pixels = dataBuffer.getData();  

2 、以 int[] 生成 WritableRaster ，以 WritableRaster 产生 BufferedImage 。

// 设定 BufferedImage 的宽与高

int width = 640, height = 480;

int size = width * height;

// 创建数组，用以保存对应 BufferedImage 的像素集合

int [] pixels = new int [size];

// 以指定数组创建出指定大小的 DataBuffer

DataBuffer dataBuffer = new DataBufferInt(pixels, size);

// 创建一个 WritableRaster 对象，用以 管理光栅

WritableRaster raster = Raster.createPackedRaster (dataBuffer, width, height,width, new int [] { 0xFF0000, 0xFF00, 0xFF }, null );

// 创建一个 24 位的 RGB 色彩模型，并填充相应的 R 、 G 、 B 掩码

DirectColorModel directColorModel = new DirectColorModel(24, 0xFF0000, 0xFF00, 0xFF);

// 以下为 32 位 RGB 色彩模型

// DirectColorModel directColorModel = new DirectColorModel(32, 0xFF000000, 0xFF0000, 0xFF00, 0xFF);

// 生成 BufferedImage, 预设 Alpha ，无配置

BufferedImage image = new BufferedImage(directColorModel, raster, true , null );

 

3 、与方法 2 基本相同，唯一差别在于使用了 SampleModel

int width = 640, height = 480;

int size = width * height;

int [] pixels = new int [size];

// 24 位色彩模型

DirectColorModel directColorModel = new DirectColorModel(24, 0xFF0000,

              0xFF00, 0xFF);

// 以 SinglePixelPackedSampleModel 构建像素包

SampleModel sample = new SinglePixelPackedSampleModel(

              DataBuffer . TYPE_INT , width, height, new int [] { 0xFF0000,

                     0xFF00, 0xFF });

// 生成 DataBuffer

DataBuffer dataBuffer = new DataBufferInt(pixels, size);

// 以 SampleModel 及 DataBuffer 生成 WritableRaster

WritableRaster raster = Raster.createWritableRaster (sample, dataBuffer,

              new Point(0, 0));

// 生成 BufferedImage

BufferedImage image = new BufferedImage(directColorModel, raster, true , null );

 

实际上，虽然表面上有所不同，但无论您采用以上何种方式获得 BufferedImage 及其对应的像素集合（ PS: 此处并非一定要获得像素的 int[] 形式，如 short[] 、 byte[] 等各式亦可，请根据实际需求决定）， pixels 对您而言都将成为一块保存有图像数据的内存区域，针对此 pixels 进行的任何修改，都将被直接反馈于 BufferedImage 之上。

 

得到了像素集合，我们又该如何将其应用到 Java2D 中呢？下面，我将介绍两个像素级 Java 渲染组件给大家参考。下面我们所使用到的一切操作，也都将围绕 pixels 这个以 int[] 形式出现的数组展开。

一、 古董级的 Processing

 

项目地址： http://processing.org/

 

这是一套完整的，开源的，兼顾 2D 与 3D 方面的 Java 渲染组件。事实上， Processing 在针对 Java2D 性能优化上的意义并不太大，因为它本来就不是为了解决性能问题而出现的。

 

Processing 所做的，更多的是一种效果优化，一种对 Java 语言的延伸。它希望人们能利用它对 Java 的扩充，以简单高效的方式实现绚丽夺目的图形效果。应该说， Processing 将 Java 的语法简化并将其运算结果 “ 感官化 ” ，让使用者能很快享有声光兼备的交互式多媒体作品。

 

由于 Processing 运行于 PApplet 之上，而 PApplet 继承自 Applet 。也就是说原本的 Processing 也是一种小程序，如果我们要将它应用在网页环境之外，要们就将 PApplet 插入到 Frame/JFrame 当中，要么就将其改写。

 

为了未来的演示更加方便，笔者选择了改写的道路，将其 PGraphics 渲染层直接封装。以下，是一个已经替换为 Processing 渲染的 LGame 示例：

 

public   class  ProcessingBall  extends  Screen {

    class  Ball {

       float  x;

       float  y;

       float  speed;

       float  gravity;

       float  w;

       float  life =  255 ;

       Ball(float  tempX,  float  tempY,  float  tempW) {
           x = tempX;
           y = tempY;
           w = tempW;
           speed = 0 ;
           gravity = 0 .1f;
       }

       void  move() {
           speed = speed + gravity;
           y = y + speed;
           if  (y > getHeight()) {
              speed = speed * -0 .8f;
              y = getHeight();
           }
       }

       boolean  finished() {
           life--;
           if  (life <  0 ) {
              return   true ;
           } else  {
              return   false ;
           }
       }

       void  display(LPGraphics g) {
           g.fill(0 , life);
           g.ellipse(x, y, w, w);
       }
    }

    private  ArrayList balls;

    private   int  ballWidth =  48 ;

    PImage image=Utils.loadImage("system/image/logo.png" );

    public  ProcessingBall() {
       balls = new  ArrayList();
       balls.add(new  Ball(getWidth() /  2 ,  0 , ballWidth));
    }

    public   void  draw(LPGraphics g) {
       g.background(255 );
       for  ( int  i = balls.size() -  1 ; i >=  0 ; i--) {
           Ball ball = (Ball) balls.get(i);
           ball.move();
           ball.display(g);
           if  (ball.finished()) {
              balls.remove(i);
           }
       }
    }

    public   void  leftClick(MouseEvent e) {
       balls.add(new  Ball(getMouseX(), getMouseY(), ballWidth));
    }

    public   void  middleClick(MouseEvent e) {

    }

    public   void  rightClick(MouseEvent e) {

    }

    public   void  onKey(KeyEvent e) {

    }

    public   void  onKeyUp(KeyEvent e) {

    }

    public   static   void  main(String[] args) {
       GameScene frame = new  GameScene( "球体下落" ,  480 ,  360 );
       Deploy deploy = frame.getDeploy();
       deploy.setScreen(new  ProcessingBall());
       deploy.setShowFPS(true );
       deploy.setFPS(100 );
       deploy.mainLoop();
       frame.showFrame();
    }

}

public class ProcessingBall extends Screen { class Ball { float x; float y; float speed; float gravity; float w; float life = 255; Ball(float tempX, float tempY, float tempW) { x = tempX; y = tempY; w = tempW; speed = 0; gravity = 0.1f; } void move() { speed = speed + gravity; y = y + speed; if (y > getHeight()) { speed = speed * -0.8f; y = getHeight(); } } boolean finished() { life--; if (life < 0) { return true; } else { return false; } } void display(LPGraphics g) { g.fill(0, life); g.ellipse(x, y, w, w); } } private ArrayList balls; private int ballWidth = 48; PImage image=Utils.loadImage("system/image/logo.png"); public ProcessingBall() { balls = new ArrayList(); balls.add(new Ball(getWidth() / 2, 0, ballWidth)); } public void draw(LPGraphics g) { g.background(255); for (int i = balls.size() - 1; i >= 0; i--) { Ball ball = (Ball) balls.get(i); ball.move(); ball.display(g); if (ball.finished()) { balls.remove(i); } } } public void leftClick(MouseEvent e) { balls.add(new Ball(getMouseX(), getMouseY(), ballWidth)); } public void middleClick(MouseEvent e) { } public void rightClick(MouseEvent e) { } public void onKey(KeyEvent e) { } public void onKeyUp(KeyEvent e) { } public static void main(String[] args) { GameScene frame = new GameScene("球体下落", 480, 360); Deploy deploy = frame.getDeploy(); deploy.setScreen(new ProcessingBall()); deploy.setShowFPS(true); deploy.setFPS(100); deploy.mainLoop(); frame.showFrame(); } }

二、 新生代的 PulpCore

 

项目地址： http://www.interactivepulp.com/pulpcore/

 

事实上， PulpCore 在国外的 Java 圈中也算颇有名气，甚至连某位 JavaFX 开发者都曾以它和自己的项目作过比较。如果有朋友泡过 http://www.javagaming.org/ ，想必应该知道，如果你在该论坛中寻求 Java 游戏框架，那么 3D 方面的优先推荐必然是 JME ， 2D 方面的优先推荐绝对是 Slick2D ，至于网页游戏开发方面，则必属 PulpCore 无疑。

 

在以 OpenGL 为绝对主流的 javagaming 上，一款以标准 Java2D 开发的框架，居然会受到如此推崇， PulpCore 的技术价值我们可想而知。

 

下图为 PulpCore 提供的应用示例：

PS ：虽然 PulpCore 所提供的示例多为小游戏，但该作者曾反复强调， PulpCore 是一个开源的 2D 渲染和动画处理框架。

 

与 Processing 一样，启动 PulpCore 的 CoreApplet 继承自 Applet ，所以 PulpCore 依旧属于 Applet 实现，也就是默认情况下只能运行于网页之上。但相对于标准 Applet 应用， PulpCore 却做了更多的优化，尤其注重用户体验与动画效果。应该说， Pulpcore 是目前为止笔者所见过的，在不损失图像色彩的情况 下最高效的 Java2D 解决方案。

 

关于图像渲染部分， PulpCore 中有对应于标准 Java2D 的 Graphics 类，名为 CoreGraphics 。其中对像素级操作进行了必要的封装，也基本参照标准 Java2D API 命名。（ PS ：具体留待下节讲解，目前请自行参考其源码）不过，或许是方便模块化管理的缘故， CoreGraphics 默认情况下并不对外开放，而被统一封装在 PulpCore 所提供的各种精灵类里。

 

如果您想要获得 CoreGraphics 进行修改，要么请重载 Sprite 的 draw( 需要 super.draw 一下，否则会覆盖到基础操作 ) ，要么请在 Scene2D 中重载 drawScene （需要 super.drawScene 一下，否则会覆盖到基础操作）， PulpCore 并没有直接提供给您。对于仅想进行简单图形绘制的用户而言，这不得不说是一个小小的不足。

 

另外，虽然 PulpCore 也有对应于 Font 的 CoreFont 类，但相比于 Processing 的字体绘制方案，它明显寒酸了很多。

 

实际上， PulpCore 中的 CoreFont 只是一个分图管理器，由用户导入一张由英文字母及各种符号组成的图像，而 CoreFont 负责分配不同的图像对应不同的字母绘制。这意味着，如果您不自行扩充其 CoreFont 部分，那么 PulpCore 将绝对无法支持中文输入及显示。（ PS ：目前来说，最偷懒的方法就是将 Processing 中的 PFont 和 text 部分直接“移植”到 CoreGraphics 中使用。毕竟两者都是操作像素绘制图像，很好 copy ……）

 

针对 PulpCore 的 CoreGraphics ，笔者也提供了一个 LGame 的替代封装，以方便后文讲解分析其渲染方式之用。

示例源码：

 

public   class  Test  extends  Screen {

    class  Ball {

       private  CoreImage image = CoreImage.loadImage( "ball.png" );

       private   int  x, y, size;

       protected   int  vx, vy;

       public  Ball( int  x,  int  y,  int  vx,  int  vy) {
           this .size = image.getWidth();
           this .x = x;
           this .y = y;
           this .vx = vx;
           this .vy = vy;
       }

       public   void  move() {
           x += vx;
           y += vy;
           if  (x <  0  || x > getWidth() - size) {
              vx = -vx;
           }
           if  (y <  0  || y > getHeight() - size) {
              vy = -vy;
           }
       }

       public   void  draw(CoreGraphics g) {
           g.drawImage(image, x, y);
       }

    }

    private   static   final   int  NUM_BALLS =  99 ;

    private  Random rand;

    private  Ball[] ball;

    public  Test() {
       // 以当前毫秒生成随机数
       rand = new  Random(System.currentTimeMillis());
       ball = new  Ball[NUM_BALLS];
       // 初始化球体参数
       for  ( int  i =  0 ; i < NUM_BALLS; i++) {
           int  x = rand.nextInt(getWidth());
           int  y = rand.nextInt(getHeight());
           int  vx = rand.nextInt( 10 );
           int  vy = rand.nextInt( 10 );
           ball[i] = new  Ball(x, y, vx, vy);
       }
    }

    public   void  draw(CoreGraphics g) {
       for  ( int  i =  0 ; i < NUM_BALLS; i++) {
           ball[i].move();
           ball[i].draw(g);
       }
    }

    public   void  leftClick(MouseEvent e) {

    }

    public   void  middleClick(MouseEvent e) {

    }

    public   void  onKey(KeyEvent e) {

    }

    public   void  onKeyUp(KeyEvent e) {

    }

    public   void  rightClick(MouseEvent e) {

    }

    public   static   void  main(String[] args) {
       GameScene frame = new  GameScene( "多球体渲染" ,  480 ,  360 );
       Deploy deploy = frame.getDeploy();
       deploy.setScreen(new  Test());
       deploy.setShowFPS(true );
       deploy.setFPS(100 );
       deploy.mainLoop();
       frame.showFrame();
    }

}

public class Test extends Screen { class Ball { private CoreImage image = CoreImage.loadImage("ball.png"); private int x, y, size; protected int vx, vy; public Ball(int x, int y, int vx, int vy) { this.size = image.getWidth(); this.x = x; this.y = y; this.vx = vx; this.vy = vy; } public void move() { x += vx; y += vy; if (x < 0 || x > getWidth() - size) { vx = -vx; } if (y < 0 || y > getHeight() - size) { vy = -vy; } } public void draw(CoreGraphics g) { g.drawImage(image, x, y); } } private static final int NUM_BALLS = 99; private Random rand; private Ball[] ball; public Test() { // 以当前毫秒生成随机数 rand = new Random(System.currentTimeMillis()); ball = new Ball[NUM_BALLS]; // 初始化球体参数 for (int i = 0; i < NUM_BALLS; i++) { int x = rand.nextInt(getWidth()); int y = rand.nextInt(getHeight()); int vx = rand.nextInt(10); int vy = rand.nextInt(10); ball[i] = new Ball(x, y, vx, vy); } } public void draw(CoreGraphics g) { for (int i = 0; i < NUM_BALLS; i++) { ball[i].move(); ball[i].draw(g); } } public void leftClick(MouseEvent e) { } public void middleClick(MouseEvent e) { } public void onKey(KeyEvent e) { } public void onKeyUp(KeyEvent e) { } public void rightClick(MouseEvent e) { } public static void main(String[] args) { GameScene frame = new GameScene("多球体渲染", 480, 360); Deploy deploy = frame.getDeploy(); deploy.setScreen(new Test()); deploy.setShowFPS(true); deploy.setFPS(100); deploy.mainLoop(); frame.showFrame(); } }  

 

另外笔者还要补充一点，那就是 PulpCore 虽然提供了较为完善的“脏绘”机制，却必须和 Sprite 一起使用才能看到效果（被封装到了 Sprite 的 draw 函数里，所以单就渲染速度而言，在 PulpCore 中使用精灵绘图反而比不用更快）。

 

从下文开始，笔者将以 PulpCore 为基础，逐步讲解 Java 像素级渲染框架的设计与实现。

以下为以PulpCore与Processing进行渲染的LGame实验工程：

 

http://loon-simple.googlecode.com/files/Pixels-LGame.7z

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心理学上有一个名词叫做 The Halo Effect ，也就是俗称的晕轮效应或者说“刻板印象”。在这种心理现象影响下，很多人往往会将某种事物的“第一印象”当作终身的准则，而无视其实际究竟是怎样的。

 

其实对于 Java 桌面或网页应用而言，性能上的问题早就已经算不得什么问题。只要人们稍微留心一下，就会发现 Java 在游戏开发方面，至少在网页游戏方面完全可以比某些东西作的更好，更强，更复杂，更快捷，也更稳定。真正关键的，反倒是那些听信了流言蜚语的人们对于 Java 性能上的误解，以及食古不化的偏见，才是真正制约 Java 发展的拦路虎。

 

所谓积重难返，要想扭转这种顽固偏见，只凭小弟一人是绝对不足够的，还要靠各位 Java 同仁的努力。

 

都说“荒田无人耕，耕开有人争”，可都等着别人耕田，毕竟太慢，始终没有自己动手那么快捷。毕竟只有将 Java 做大做强，各位同仁才能有更多的出路，更好的待遇，以及更多的 Money 好赚……