Step By Step(Java 2D图形篇<三>)
本篇将继续介绍Java 2D 图形部分的内容。
10. BufferedImage：
BufferedImage中包含着width*height个像素点的颜色值，同时BufferedImage中还带有色彩模型(ColorModel)的信息，用于描述像素点的颜色模型，如TYPE_INT_ARGB、TYPE_INT_RGB等。Graphic2D在渲染目标图像时，也需要依照ColorModel来计算图像像素的颜色信息并执行渲染。
在有些情况下，我们需要对BufferedImage中的每一个像素的颜色值进行计算，并将计算的结果回写到BufferedImage中相应的位置。那么我们是如果获取这些像素信息的呢？又是如果将计算后的颜色值回写的呢？Java 2D中提供了BufferedImage.getRaster()方法，可以直接获取BufferedImage中的光栅信息，再通过WritableRaster.getPixel()方法获取指定位置的像素的颜色值。在对取得的颜色值执行必要的计算后，可通过WritableRaster.setPixel()方法将计算结果回写到光栅的指定位置中。如果图像很大，这样反复的调用getPixel()/setPixel()势必会引起效率问题，WritableRaster为我们提供了getPixels()/setPixels()方法，可以一次获取/回写一组像素颜色值。其使用方式和getPixel()/setPixel()基本一致。
试想一下，如果我们需要每一种颜色模型(ColorModel)都实现一种处理和计算逻辑，这样会给我们的图形算法带来一些额外的负担，使我们的算法不得不和这些细节打交道，我想这并不是我们希望看到的结果，还有更好的方式可以规避这样的问题吗？答案是肯定的，Java 2D通过下面两条语句来获取标准的颜色值：
BufferedImage img = loadImageFromFile(filename);
Raster r = img.getRaster();
ColorModel cm = img.getColorModel();
Object data = r.getDataElements(x,y,null);
int argb = cm.getRGB(data);
在基于标准ARGB模型的颜色值计算后，可将结果颜色值通过下面两条语句回写到光栅的指定位置。
Object data = cm.getDataElements(argb,null);
r.setDataElements(x,y,data);
下面提供几个典型的代码示例，以供参考。
1) 在Graphics上绘制BufferedImage的一个简单示例：
主要功能是将一个图片切割成为4份(2行 * 2列)，然后再将切分后的4个子图像进行乱序，换句话说，就是让切割后的子图像不在显示在原有的位置上，最后渲染到Swing的组件上。
1 public class MyTest extends JPanel {
2 private int numlocs = 2;
3 private int numcells = numlocs * numlocs;
4 private int[] cells;
5 private BufferedImage bi;
6 private int w, h, cw, ch;
7 public MyTest() {
8 try {
9 bi = ImageIO.read(new File("D:/desktop.png"));
10 w = bi.getWidth();
11 h = bi.getHeight();
12 } catch (IOException e) {
13 e.printStackTrace();
14 }
15 //将整个图片分隔成为4分，2行 * 2列，这里cx和cy是每个子图片的宽和高
16 cw = w / numlocs;
17 ch = h / numlocs;
18 cells = new int[numcells];
19 //初始化每个子图片的位置信息
20 for (int i = 0; i < numcells; i++)
21 cells[i] = i;
22 }
23 void doExchange() {
24 Random rand = new Random();
25 int ri;
26 //将2 * 2 = 4个图片的位置通过随机数的方式打乱。
27 for (int i = 0; i < numcells; i++) {
28 while ((ri = rand.nextInt(numlocs)) == i) {
29 }
30 int tmp = cells[i];
31 cells[i] = cells[ri];
32 cells[ri] = tmp;
33 }
34 }
35 public void paintComponent(Graphics g) {
36 super.paintComponent(g);
37 int dx, dy;
38 //逐个渲染乱序后的每个子图片
39 for (int x = 0; x < numlocs; x++) {
40 int sx = x * cw;
41 for (int y = 0; y < numlocs; y++) {
42 int sy = y * ch;
43 int cell = cells[x * numlocs + y];
44 dx = (cell / numlocs) * cw;
45 dy = (cell % numlocs) * ch;
46 //参数说明：
47 //BufferedImage: 目标绘制图像缓冲区
48 //dx1,dy1: 绘制目标的左上角x,y坐标
49 //dx2,dy2: 绘制目标的右下角x,y坐标
50 //sx1,sy1: 源图像(第一个参数)的左上角x,y坐标
51 //sx2,sy2: 源图像(第一个参数)的右下角x,y坐标
52 g.drawImage(bi, dx, dy, dx + cw, dy + ch, sx, sy, sx + cw, sy + ch, null);
53 }
54 }
55 }
56 public static void main(String[] args) {
57 JFrame frame = new JFrame();
58 frame.setTitle("BufferedImage");
59 frame.setSize(1000, 600);
60 frame.addWindowListener(new WindowAdapter() {
61 public void windowClosing(WindowEvent e) {
62 System.exit(0);
63 }
64 });
65 Container contentPane = frame.getContentPane();
66 MyTest p = new MyTest();
67 contentPane.add(p);
68 p.doExchange();
69 frame.show();
70 }
71 }
2) 通过多种方式在(利用Graphics2D.drawImage()的不同重载方法)目标Graphics上绘制多种处理后的图像，如缩放、ConvolveOp的锐化，RescaleOp的改变亮度等。
1 public class MyTest extends JPanel {
2 private BufferedImage bi;
3 private static int ALL_WIDTH = 900;
4 private static int ALL_HEIGHT = 600;
5 private int w, h;
6 public static final float[] SHARPEN3x3 = { 0.f, -1.f, 0.f, -1.f, 5.f, -1.f, 0.f, -1.f, 0.f };
7 //可以将1,1坐标的锐化data替换为这里的模糊data，该观察效果。
8 public static final float[] BLUR3x3 = { 0.1f, 0.1f, 0.1f, 0.1f, 0.2f, 0.1f, 0.1f, 0.1f, 0.1f };
9 public MyTest() {
10 try {
11 // 这里的样例图片是截取的桌面背景，width和height都是比较大的，
12 // 同时为了简化代码突出重点，因此这里只是给出了固定的宽和高
13 bi = ImageIO.read(new File("D:/desktop.png"));
14 // 由于我们的整个JFrame将同时显示六种(2行*3列)不同效果的目标
15 // 子图像，因此这里需要针对原图的宽和高作特殊处理，并取出子图像
16 bi = bi.getSubimage(0, 0, ALL_WIDTH / 3, ALL_HEIGHT / 2);
17 w = bi.getWidth();
18 h = bi.getHeight();
19 if (bi.getType() != BufferedImage.TYPE_INT_RGB) {
20 BufferedImage bi2 = new BufferedImage(w, h, BufferedImage.TYPE_INT_RGB);
21 bi2.getGraphics().drawImage(bi, 0, 0, null);
22 bi = bi2;
23 }
24 } catch (IOException e) {
25 }
26 }
27 public void paintComponent(Graphics g) {
28 super.paintComponent(g);
29 Graphics2D g2 = (Graphics2D) g;
30
31 int offsetx = 0;
32 int offsety = 0;
33 // 1. 在0,0的位置显示原始图像
34 g.drawImage(bi, offsetx, offsety, null);
35 offsetx += bi.getWidth();
36 // 2. 在0,1的位置显示通过原始坐标进行缩放的图像,该行代码将原始图像的部分图像放大一倍
37 g.drawImage(bi, offsetx, offsety, offsetx + w, offsety + h, 0, 0, w / 2, h / 2, null);
38 offsetx += bi.getWidth();
39 // 3. 在0,2的位置显示通过AffineTransform进行缩放后的图像
40 AffineTransform at = AffineTransform.getTranslateInstance(offsetx, offsety);
41 at.scale(0.7, 0.7);
42 g2.drawImage(bi, at, null);
43 offsetx = 0;
44 offsety += bi.getHeight();
45 // 4. 在1,0的位置显示通过AffineTransformOp处理后的图像.
46 // AffineTransformOp是通过TYPE_BICUBIC(质量最高的)提示将原始图像进行缩放。
47 AffineTransform at2 = AffineTransform.getScaleInstance(1.5, 1.5);
48 AffineTransformOp aop = new AffineTransformOp(at2, AffineTransformOp.TYPE_BICUBIC);
49 BufferedImage bi2 = new BufferedImage(bi.getWidth()
50 ,bi.getHeight(),BufferedImage.TYPE_INT_RGB);
51 //这里主要是为了确保每个图像都显示在各自的单元格内，因此用一个临时的
52 //BufferedImage对象替换原有对象显示。事实上，是可以通过以下语句直接渲染的。
53 //g2.drawImage(bi,aop,offsetx,offsety);但是这样的渲染结果将会使width放大1.5倍。
54 aop.filter(bi, bi2);
55 g2.drawImage(bi2, offsetx, offsety,null);
56 offsetx += bi.getWidth();
57 // 5. 在1,1的位置显示锐化后原图
58 float[] data = SHARPEN3x3;
59 ConvolveOp cop = new ConvolveOp(new Kernel(3, 3, data), ConvolveOp.EDGE_NO_OP, null);
60 g2.drawImage(bi, cop, offsetx, offsety);
61 offsetx += bi.getWidth();
62 // 6. 在1,2的位置显示通过RescaleOp图像处理器改变原图的灰度。
63 RescaleOp rop = new RescaleOp(1.1f, 20.0f, null);
64 g2.drawImage(bi, rop, offsetx, offsety);
65 }
66 public static void main(String[] args) {
67 JFrame frame = new JFrame();
68 frame.setTitle("BufferedImage");
69 frame.setSize(ALL_WIDTH, ALL_HEIGHT);
70 frame.addWindowListener(new WindowAdapter() {
71 public void windowClosing(WindowEvent e) {
72 System.exit(0);
73 }
74 });
75 Container contentPane = frame.getContentPane();
76 MyTest p = new MyTest();
77 contentPane.add(p);
78 frame.show();
79 }
80 }
3) 在介绍ColorModel之前，我们需要先了解在Java 2D 中另外一组比较重要的图形工具对象--图形环境(GraphicsEnvironment)、图形设备(GraphicsDevice)和图形配置(GraphicsConfiguration)。通过下面这个简单的示例代码，可以非常清楚的看出他们之间的关系以及各自的作用。
1 public class MyTest {
2 public static void main(String[] args) {
3 //1. 获取本地的图形环境
4 GraphicsEnvironment ge = GraphicsEnvironment.getLocalGraphicsEnvironment();
5 //2. 获取所有的屏幕设备
6 GraphicsDevice[] gs = ge.getScreenDevices();
7 //3. 获取每个屏幕设备的配置对象
8 for (int j = 0; j < gs.length; j++) {
9 GraphicsDevice gd = gs[j];
10 System.out.println("Device " + j + ": " + gd);
11 GraphicsConfiguration[] gc = gd.getConfigurations();
12 for (int i = 0; i < gc.length; i++) {
13 System.out.println(" Configuration " + i + ": " + gc[i]);
14 System.out.println(" Bounds: " + gc[i].getBounds());
15 }
16 }
17 }
18 }
19 /* 输出结果如下：
20 Device 0: Win32GraphicsDevice[screen=0]
21 Configuration 0: sun.awt.Win32GraphicsConfig@1b8d6f7[dev=Win32GraphicsDevice[screen=0],pixfmt=0]
22 Bounds: java.awt.Rectangle[x=0,y=0,width=1280,height=800]
23 */
4) 通过图形设备工具类获取和屏幕相关的Metrics信息。
1 public class MyTest {
2 public static void main(String[] args) {
3 GraphicsEnvironment ge = GraphicsEnvironment.getLocalGraphicsEnvironment();
4 GraphicsDevice gs = ge.getDefaultScreenDevice();
5 DisplayMode[] dmodes = gs.getDisplayModes();
6 for (int i = 0; i < dmodes.length; i++) {
7 int w = dmodes[i].getWidth();
8 int h = dmodes[i].getHeight();
9 int depth = dmodes[i].getBitDepth();
10 int refreshRate = dmodes[i].getRefreshRate();
11 System.out.printf("ScreenWidth = %d\t ScreenHeight = %d\t " +
12 "BitDepth = %d\t RefreshRate = %d\n",w,h,depth,refreshRate);
13 }
14 DisplayMode currentDMode = gs.getDisplayMode();
15 int w = currentDMode.getWidth();
16 int h = currentDMode.getHeight();
17 int depth = currentDMode.getBitDepth();
18 int refreshRate = currentDMode.getRefreshRate();
19 System.out.println("The current Display Modes is ");
20 System.out.printf("ScreenWidth = %d\t ScreenHeight = %d\t " +
21 "BitDepth = %d\t RefreshRate = %d\n",w,h,depth,refreshRate);
22 }
23 }
5) 通过图形配置工具类创建和当前图形设备类型兼容的BufferedImage。
这里需要说明一下，每个图形设备都会有一组和当前设备相关的图形配置信息，如分辨率、位深度和色彩类型等。不同的设备之间其图形配置可能存在较大的差异，如屏幕和打印机。那么创建和设备兼容的BufferedImage的目的和应用是什么呢？目的很简单就是为了提高渲染效率。比如当前的BufferedImage对象需要被渲染到JPanel上面，如果该BufferedImage对象的图形配置信息和显示JPanel的屏幕的配置信息相一致，那么在Graphics渲染时，就可以避免因大量的数据转义而带来的额外开销。这种技巧一个非常典型的应用就是Swing的双缓冲技术。由于本篇并不是介绍Swing的专题，而双缓冲又是一个非常通用的技术，这里就不再给出更多的解释了。
下面的示例代码将给出一个用于创建与设备兼容的BufferedImage对象的工具类。
1 class CompatibleImageUtil {
2 private static GraphicsConfiguration gc;
3 public static GraphicsConfiguration getConfiguration() {
4 if (gc == null) {
5 // 1. 获取本地当前正在使用的图形环境
6 GraphicsEnvironment ge = GraphicsEnvironment.getLocalGraphicsEnvironment();
7 // 2. 获取当前环境正在使用的图形设备
8 GraphicsDevice gs = ge.getDefaultScreenDevice();
9 // 3. 获取当前设备正在使用的图形配置。
10 gc = gs.getDefaultConfiguration();
11 }
12 return gc;
13 }
14 //基于参数srcImage的宽度、高度和透明度参数来创建一个和设备兼容的BufferedImage对象
15 public static BufferedImage createCompatibleImage(BufferedImage srcImage) {
16 return createCompatibleImage(srcImage, srcImage.getWidth(), srcImage.getHeight());
17 }
18 public static BufferedImage createCompatibleImage(BufferedImage srcImage, int width, int height) {
19 return getConfiguration().createCompatibleImage(width, height, srcImage.getTransparency());
20 }
21 public static BufferedImage createCompatibleImage(int width, int height) {
22 return getConfiguration().createCompatibleImage(width, height);
23 }
24 public static BufferedImage createCompatibleTranslucentImage(int width, int height) {
25 return getConfiguration().createCompatibleImage(width, height, Transparency.TRANSLUCENT);
26 }
27 //加载原图像，在基于加载后源图像的宽度、高度和透明度创建一个和设备兼容的BufferedImage对象
28 public static BufferedImage loadCompatibleImage(File filename) throws IOException {
29 BufferedImage image = ImageIO.read(filename);
30 return toCompatibleImage(image);
31 }
32 public static BufferedImage toCompatibleImage(BufferedImage image) {
33 GraphicsConfiguration gc = getConfiguration();
34 //如果源图像的ColorModel和当前设备的ColorModel兼容，则直接返回
35 if (image.getColorModel().equals(gc.getColorModel()))
36 return image;
37 //基于源图像创建和设备兼容的目标图像
38 BufferedImage compatibleImage = gc.createCompatibleImage(image.getWidth()
39 , image.getHeight(),image.getTransparency());
40 //再将源图像绘制到目标图像后返回
41 Graphics g = compatibleImage.getGraphics();
42 g.drawImage(image, 0, 0, null);
43 g.dispose();
44 return compatibleImage;
45 }
46 }
6) 通过直接操作BufferedImage对象内部的光栅对象来处理图像的每一个像素。
1 public class MyTest extends JPanel {
2 private BufferedImage srcImage;
3 private BufferedImage flippedImage;
4 MyTest() {
5 try {
6 Image image = ImageIO.read(new File("D:/desktop.png"));
7 // 由于该测试图片是桌面的快照，因此比较大，这里为了显示方便需要截取
8 srcImage = new BufferedImage(300,300, BufferedImage.TYPE_INT_ARGB);
9 Graphics g = srcImage.getGraphics();
10 g.drawImage(image, 0, 0, 300,300,0,0,300,300,null);
11 flippedImage = new BufferedImage(srcImage.getWidth(),
12 srcImage.getHeight(), srcImage.getType());
13 //直接获取源图像和目的图像的光栅数据
14 DataBuffer dbSrc = srcImage.getRaster().getDataBuffer();
15 DataBuffer dbFlipped = flippedImage.getRaster().getDataBuffer();
16 //直接操作光栅数据，这里将源图像的数据数组反向写入目标图像。
17 //从而达到翻转的效果
18 for (int i = dbSrc.getSize() - 1, j = 0; i >= 0; --i, j++) {
19 dbFlipped.setElem(j, dbSrc.getElem(i));
20 }
21 } catch (IOException e) {
22 }
23 }
24 public void paintComponent(Graphics g) {
25 super.paintComponent(g);
26 g.drawImage(srcImage, 0, 0, null);
27 g.drawImage(flippedImage,300,0,null);
28 }
29 public static void main(String[] args) throws IOException {
30 JFrame frame = new JFrame();
31 frame.setTitle("Write with Raster");
32 frame.setSize(600, 300);
33 frame.addWindowListener(new WindowAdapter() {
34 public void windowClosing(WindowEvent e) {
35 System.exit(0);
36 }
37 });
38 Container contentPane = frame.getContentPane();
39 contentPane.add(new MyTest());
40 frame.show();
41 }
42 }
7) 通过直接操作像素颜色数组的方式更新BufferedImage的光栅数据：
1 public class MyTest extends JPanel {
2 public static void main(String[] args) throws IOException {
3 JFrame frame = new JFrame();
4 frame.setTitle("");
5 frame.setSize(600, 300);
6 frame.addWindowListener(new WindowAdapter() {
7 public void windowClosing(WindowEvent e) {
8 System.exit(0);
9 }
10 });
11 Container contentPane = frame.getContentPane();
12 contentPane.add(new MyTest());
13 frame.show();
14 }
15
16 private BufferedImage originalImage;
17 private int w;
18 private int h;
19 private WritableRaster raster;
20
21 MyTest() {
22 Image image = null;
23 try {
24 image = ImageIO.read(new File("D:/desktop.png"));
25 } catch (IOException e) {
26 e.printStackTrace();
27 }
28 originalImage = new BufferedImage(image.getWidth(null),image.getHeight(null),
29 BufferedImage.TYPE_INT_RGB);
30 Graphics g = originalImage.getGraphics();
31 g.drawImage(image,0,0,null);
32 raster = originalImage.getRaster();
33 w = originalImage.getWidth();
34 h = originalImage.getHeight();
35 int[] iArray = null;
36 //getPixels返回的数组是BufferedImage内部真实数据的copy
37 int[] array = raster.getPixels(0, 0, w, h, iArray);
38 for (int i = 0; i < array.length; ++i) {
39 array[i] = array[i] - 10;
40 }
41 raster.setPixels(0, 0, w, h, array);
42 }
43
44 public void paintComponent(Graphics g) {
45 super.paintComponent(g);
46 g.drawImage(originalImage, 0, 0, null);
47 }
48 }
11. 图像处理：
如果你有一个图像并且想改变他的外观，该怎么办呢？这是你将需要访问该图像的每一个像素，并用其他的像素来取代这些像素。Java 2D中提供了BufferedImageOp的接口，实现了该接口的类可以对图像进行变换操作。具体使用方式可以参照下面示例代码：
BufferedImageOp op = getBufferedImageOperation();
BufferedImage fileteredImage = new BufferedImage(img.getWidth(),img.getHeight(),img.getType());
op.filter(img,filteredImage);
在Java 2D中为我们提供了5个BufferedImageOp接口的实现类，他们分别是AffineTransformOp、RescaleOp、LookupOp、ColorConvertOp和ConvolveOp。下面的示例代码将给出三种比较常用的图像处理实现类AffineTransformOp、Rescale和ConvolveOp的使用方式。
1 public class MyTest extends JPanel {
2 private BufferedImage image;
3 private static int WINDOW_WIDTH = 600;
4 private static int WINDOW_HEIGHT = 600;
5 static AffineTransform mirrorTransform;
6 static {
7 mirrorTransform = AffineTransform.getTranslateInstance(WINDOW_WIDTH/4,0);
8 // 水平翻转
9 mirrorTransform.scale(-1.0, 1.0);
10 }
11 //初始化所有的BufferedImageOp
12 static BufferedImageOp[] filters = new BufferedImageOp[] {
13 // 1) 显示源图像作为对比
14 null,
15 // 2) 图像的反色显示，这里需要将BufferedImage中每个点的像素都
16 // 乘以-1，在加255。
17 new RescaleOp(-1.0f, 255f, null),
18 // 3) 将亮度提高1.25倍
19 new RescaleOp(1.25f, 0, null),
20 // 4) 模糊该图像，这里的图像过滤主要是和Kernel的数据值相关。
21 new ConvolveOp(new Kernel(3, 3, new float[] { 1/9f, 1/9f, 1/9f, 1/9f, 1/9f, 1/9f,
22 1/9f, 1/9f, 1/9f })),
23 // 5) 锐化该图像。
24 new ConvolveOp(new Kernel(3, 3, new float[] { 0.0f, -0.75f, 0.0f, -0.75f, 4.0f, -0.75f, 0.0f,
25 -0.75f, 0.0f })),
26 // 6) 边缘检测。
27 new ConvolveOp(new Kernel(3, 3, new float[] { 0.0f, -0.75f, 0.0f, -0.75f, 3.0f, -0.75f, 0.0f,
28 -0.75f, 0.0f })),
29 // 7) 通过mirrorTransform.scale(-1.0, 1.0)的技巧翻转图片(水平翻转)
30 new AffineTransformOp(mirrorTransform, AffineTransformOp.TYPE_BILINEAR),
31 // 8) 通过rotate变换方式翻转，这里的180度翻转只是一个特例，为了便于演示，
32 // 事实上可以翻转任意角度, AnchorPoint表示翻转是的作用点(圆心)，该坐标是
33 // 相对于该图像的左上角的偏移值。
34 new AffineTransformOp(AffineTransform.getRotateInstance(Math.PI,WINDOW_WIDTH/8,WINDOW_HEIGHT/4),
35 AffineTransformOp.TYPE_NEAREST_NEIGHBOR)
36 };
37 public MyTest() {
38 try {
39 image = ImageIO.read(new File("D:/desktop.png"));
40 //这里做一个源图像截取，便于后面的规范化显示。
41 image = image.getSubimage(0, 0,WINDOW_WIDTH/4, WINDOW_HEIGHT/2);
42 } catch (IOException e) {
43 }
44 }
45 @Override
46 public Dimension getPreferredSize() {
47 return new Dimension(WINDOW_WIDTH,WINDOW_HEIGHT);
48 }
49 public void paintComponent(Graphics g) {
50 super.paintComponent(g);
51 BufferedImage bimage = new BufferedImage(image.getWidth(), image.getHeight()
52 , BufferedImage.TYPE_INT_RGB);
53 Graphics2D ig = bimage.createGraphics();
54 ig.drawImage(image, 0, 0, null);
55 for (int i = 0; i < filters.length; i++) {
56 // 如果filters[i]的值是null，需要copy源图像，否则使用图像处理器处理图像。
57 if (filters[i] == null)
58 g.drawImage(bimage, 0, 0, null);
59 else
60 g.drawImage(filters[i].filter(bimage, null), 0, 0, null);
61 //平行移动
62 g.translate(WINDOW_WIDTH / 4, 0);
63 //向下移动，同时将x的坐标移回0的位置，由于translate和Graphics中
64 //之前的坐标变换是组合的，所以这里只能用这种方法偏移，而不能直接置零
65 if ((i + 1) % 4 == 0 && i != 0)
66 g.translate(-WINDOW_WIDTH, WINDOW_HEIGHT / 2);
67 }
68 ig.dispose();
69 }
70 public static void main(String[] args) {
71 JFrame frame = new JFrame();
72 frame.setTitle("BufferedImageOp");
73 frame.addWindowListener(new WindowAdapter() {
74 public void windowClosing(WindowEvent e) {
75 System.exit(0);
76 }
77 });
78 frame.setContentPane(new MyTest());
79 frame.pack();
80 frame.setVisible(true);
81 }
82 }
