Java 2D

什么是 Java 2D

Java 2D API 是 Java 标准类库中的一个强大的绘图工具包，它为开发人员提供了用于创建高质量二维图形、文本和图像处理的一系列类和接口。Java 2D API 在 JDK 1.2 中首次引入，是对 Java 原始绘图功能的显著增强，让程序员能够创建出更加复杂和美观的图形界面。

备注

Java 2D API 主要位于 java.awt 和 java.awt.geom 包中，代表了对原始 AWT 图形库的一次重大扩展。

Java 2D 的核心概念

在开始使用 Java 2D 之前，我们需要理解几个核心概念：

1. Graphics2D 类

Graphics2D 是 Java 2D 的核心类，它扩展了基本的 Graphics 类，提供了更多的二维图形渲染功能。我们可以通过 paint() 或 paintComponent() 方法获取 Graphics 对象，然后将其强制转换为 Graphics2D。

2. 形状(Shape)

Java 2D 提供了各种预定义的形状类，如矩形(Rectangle2D)、椭圆(Ellipse2D)、线(Line2D)等，都实现了 Shape 接口。这使得绘制各种几何图形变得简单。

3. 笔画(Stroke)

Stroke 接口定义了如何绘制线条的属性，例如线宽、连接方式和线帽样式。最常用的实现是 BasicStroke 类。

4. 绘制属性(Paint)

Paint 接口定义了如何填充形状的属性。常见的实现有 Color（单色填充）、GradientPaint（渐变填充）和 TexturePaint（纹理填充）。

5. 仿射变换(AffineTransform)

AffineTransform 类允许对图形执行各种变换操作，如平移、旋转、缩放和切变。

基础图形绘制

让我们通过一个简单的例子来了解如何使用 Java 2D 绘制基本图形：

import javax.swing.*;
import java.awt.*;
import java.awt.geom.*;

public class SimpleDrawing extends JPanel {
    
    @Override
    protected void paintComponent(Graphics g) {
        super.paintComponent(g);
        
        // 将Graphics对象转换为Graphics2D
        Graphics2D g2d = (Graphics2D) g;
        
        // 设置抗锯齿以使绘图更平滑
        g2d.setRenderingHint(RenderingHints.KEY_ANTIALIASING, 
                            RenderingHints.VALUE_ANTIALIAS_ON);
        
        // 绘制一个矩形
        Rectangle2D rect = new Rectangle2D.Double(50, 50, 200, 100);
        g2d.setColor(Color.BLUE);
        g2d.fill(rect);
        
        // 绘制一个椭圆
        Ellipse2D ellipse = new Ellipse2D.Double(300, 50, 150, 100);
        g2d.setColor(Color.RED);
        g2d.fill(ellipse);
        
        // 绘制一条线
        Line2D line = new Line2D.Double(50, 200, 450, 200);
        g2d.setColor(Color.BLACK);
        g2d.setStroke(new BasicStroke(5)); // 设置线宽为5像素
        g2d.draw(line);
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        JFrame frame = new JFrame("Java 2D 基础绘图");
        frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
        frame.add(new SimpleDrawing());
        frame.setSize(500, 300);
        frame.setVisible(true);
    }
}

运行这段代码，会显示一个窗口，其中包含一个蓝色矩形、一个红色椭圆和一条粗黑线。

高级绘图技术

渐变填充

Java 2D 允许使用渐变色填充形状，以创建更有吸引力的视觉效果：

// 创建线性渐变填充（从蓝色到绿色）
GradientPaint gradient = new GradientPaint(
    50, 50, Color.BLUE, 
    250, 150, Color.GREEN, 
    true);  // true表示循环渐变
g2d.setPaint(gradient);
g2d.fill(rect);

// 创建径向渐变
RadialGradientPaint radialGradient = new RadialGradientPaint(
    new Point2D.Double(375, 100),  // 中心点
    75,                           // 半径
    new float[] {0.0f, 0.8f, 1.0f},  // 分布点
    new Color[] {Color.RED, Color.YELLOW, Color.WHITE}  // 颜色
);
g2d.setPaint(radialGradient);
g2d.fill(ellipse);

透明度控制

通过设置 AlphaComposite，可以控制绘制元素的透明度：

// 设置50%透明度
AlphaComposite ac = AlphaComposite.getInstance(
    AlphaComposite.SRC_OVER, 0.5f);
g2d.setComposite(ac);
g2d.fill(shape);

图形变换

使用 AffineTransform 可以对图形进行各种变换：

// 保存当前变换状态
AffineTransform oldTransform = g2d.getTransform();

// 平移、旋转和缩放
g2d.translate(100, 100);  // 平移到(100,100)
g2d.rotate(Math.PI / 4);  // 旋转45度
g2d.scale(1.5, 0.5);      // x方向放大1.5倍，y方向缩小一半

// 绘制变换后的形状
g2d.draw(shape);

// 恢复原始变换
g2d.setTransform(oldTransform);

文本渲染

Java 2D 提供了强大的文本渲染功能，包括字体选择、文本布局和样式控制：

// 设置字体
Font font = new Font("Arial", Font.BOLD, 24);
g2d.setFont(font);

// 启用文本抗锯齿
g2d.setRenderingHint(
    RenderingHints.KEY_TEXT_ANTIALIASING,
    RenderingHints.VALUE_TEXT_ANTIALIAS_ON);

// 绘制文本
g2d.setColor(Color.BLACK);
g2d.drawString("Hello, Java 2D!", 50, 250);

// 获取文本边界
FontMetrics metrics = g2d.getFontMetrics(font);
String text = "Centered Text";
int x = (getWidth() - metrics.stringWidth(text)) / 2;
int y = 300;
g2d.drawString(text, x, y);

图像处理

Java 2D API 还提供了丰富的图像处理功能：

try {
    // 加载图片
    BufferedImage image = ImageIO.read(new File("image.jpg"));
    
    // 绘制图片
    g2d.drawImage(image, 50, 300, this);
    
    // 应用缩放
    int w = image.getWidth();
    int h = image.getHeight();
    g2d.drawImage(image, 200, 300, w/2, h/2, this);  // 缩小到一半大小
    
    // 应用图像滤镜
    BufferedImageOp op = new GaussianBlurFilter(5);
    BufferedImage filteredImage = op.filter(image, null);
    g2d.drawImage(filteredImage, 350, 300, this);
    
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

警告

上面的 GaussianBlurFilter 类不是 Java 标准库的一部分，需要额外的图像处理库，如 JAI（Java Advanced Imaging）或其他第三方库。

实际应用案例：简单绘图程序

下面是一个简单的绘图程序，允许用户通过鼠标绘制线条和形状：

import javax.swing.*;
import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
import java.awt.geom.*;
import java.util.ArrayList;

public class SimpleDrawingApp extends JPanel {
    
    private ArrayList<Shape> shapes = new ArrayList<>();
    private Point startPoint, endPoint;
    private int shapeType = 0; // 0=线条, 1=矩形, 2=椭圆
    
    public SimpleDrawingApp() {
        setPreferredSize(new Dimension(800, 600));
        setBackground(Color.WHITE);
        
        MouseAdapter mouseHandler = new MouseAdapter() {
            @Override
            public void mousePressed(MouseEvent e) {
                startPoint = e.getPoint();
                endPoint = startPoint;
                repaint();
            }
            
            @Override
            public void mouseDragged(MouseEvent e) {
                endPoint = e.getPoint();
                repaint();
            }
            
            @Override
            public void mouseReleased(MouseEvent e) {
                Shape shape = null;
                
                if (shapeType == 0) { // 线条
                    shape = new Line2D.Double(
                        startPoint.x, startPoint.y, 
                        endPoint.x, endPoint.y);
                } else if (shapeType == 1) { // 矩形
                    shape = makeRectangle(startPoint, endPoint);
                } else if (shapeType == 2) { // 椭圆
                    shape = makeEllipse(startPoint, endPoint);
                }
                
                if (shape != null) {
                    shapes.add(shape);
                }
                
                startPoint = null;
                endPoint = null;
                repaint();
            }
        };
        
        addMouseListener(mouseHandler);
        addMouseMotionListener(mouseHandler);
    }
    
    private Rectangle2D.Double makeRectangle(Point p1, Point p2) {
        return new Rectangle2D.Double(
            Math.min(p1.x, p2.x),
            Math.min(p1.y, p2.y),
            Math.abs(p1.x - p2.x),
            Math.abs(p1.y - p2.y));
    }
    
    private Ellipse2D.Double makeEllipse(Point p1, Point p2) {
        return new Ellipse2D.Double(
            Math.min(p1.x, p2.x),
            Math.min(p1.y, p2.y),
            Math.abs(p1.x - p2.x),
            Math.abs(p1.y - p2.y));
    }
    
    @Override
    protected void paintComponent(Graphics g) {
        super.paintComponent(g);
        Graphics2D g2d = (Graphics2D) g;
        
        // 启用抗锯齿
        g2d.setRenderingHint(RenderingHints.KEY_ANTIALIASING, 
                            RenderingHints.VALUE_ANTIALIAS_ON);
        
        // 设置绘图属性
        g2d.setColor(Color.BLACK);
        g2d.setStroke(new BasicStroke(2));
        
        // 绘制已保存的形状
        for (Shape shape : shapes) {
            g2d.draw(shape);
        }
        
        // 绘制当前正在创建的形状
        if (startPoint != null && endPoint != null) {
            if (shapeType == 0) { // 线条
                g2d.draw(new Line2D.Double(
                    startPoint.x, startPoint.y, 
                    endPoint.x, endPoint.y));
            } else if (shapeType == 1) { // 矩形
                g2d.draw(makeRectangle(startPoint, endPoint));
            } else if (shapeType == 2) { // 椭圆
                g2d.draw(makeEllipse(startPoint, endPoint));
            }
        }
    }
    
    public void setShapeType(int type) {
        shapeType = type;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        JFrame frame = new JFrame("简单绘图程序");
        frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
        
        SimpleDrawingApp drawingPanel = new SimpleDrawingApp();
        
        // 创建工具栏
        JToolBar toolbar = new JToolBar();
        JButton lineButton = new JButton("线条");
        JButton rectButton = new JButton("矩形");
        JButton ellipseButton = new JButton("椭圆");
        JButton clearButton = new JButton("清除");
        
        lineButton.addActionListener(e -> drawingPanel.setShapeType(0));
        rectButton.addActionListener(e -> drawingPanel.setShapeType(1));
        ellipseButton.addActionListener(e -> drawingPanel.setShapeType(2));
        clearButton.addActionListener(e -> {
            drawingPanel.shapes.clear();
            drawingPanel.repaint();
        });
        
        toolbar.add(lineButton);
        toolbar.add(rectButton);
        toolbar.add(ellipseButton);
        toolbar.add(clearButton);
        
        frame.add(toolbar, BorderLayout.NORTH);
        frame.add(drawingPanel, BorderLayout.CENTER);
        
        frame.pack();
        frame.setLocationRelativeTo(null);
        frame.setVisible(true);
    }
}

这个应用程序允许用户：

1. 选择绘制线条、矩形或椭圆
2. 通过拖拽鼠标来创建所选形状
3. 清除画布上的所有内容

总结

Java 2D API 是一个功能强大的库，它使 Java 开发人员能够创建高质量的二维图形应用程序。主要特点包括：

• 各种几何形状的绘制
• 颜色、笔画和填充的精细控制
• 图形变换（旋转、缩放等）
• 文本渲染和高级字体支持
• 丰富的图像处理功能

通过本教程，你已经了解了 Java 2D 的基础知识，并学习了如何创建简单的绘图应用程序。随着不断练习，你将能够创建更加复杂和精美的图形界面。

练习

1. 修改简单绘图程序，添加颜色选择功能，允许用户为不同的形状选择不同的颜色。
2. 实现一个简单的图表应用程序，使用 Java 2D 绘制饼图或条形图。
3. 创建一个图像查看器，可以加载图像并应用各种效果，如灰度转换、调整亮度或应用模糊效果。
4. 尝试使用 Java 2D 实现一个简单的 2D 游戏，如贪吃蛇或俄罗斯方块。

附加资源

• Oracle 的 Java 2D 官方教程: Java 2D Graphics
• Java 2D API 的 JavaDoc 文档: javax.swing 和 java.awt
• 《Filthy Rich Clients》一书，作者 Chet Haase 和 Romain Guy，深入探讨了 Java 2D 和 Swing 的高级技术

继续探索和实践，你将能够掌握 Java 2D API，并创建出令人印象深刻的图形应用程序！