Java 图形渲染很慢

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。