优化Java动画编程中的显示效果

作者:赵福军 曹代勇 李青云


Java动画编程有多种实现方法,但它们实现的基本原理是一样的,即在屏幕上画出一系列的帧来造成运动的感觉。Java多线程技术是Java动画编程中普遍运用的技术,它在控制动画程序的流程和动画的显示效果方面起着重要的作用。Java动画编程中的动画闪烁和图像残缺不全等现象,是Java程序员经常遇到的问题。本文以作者应用实例程序为基础,阐述如何运用多线程、重载Update、双缓冲和图像跟踪等技巧来解决这类问题,以达到动画显示的最佳效果。


Java多线程技术


Java多线程技术简介


目前,线程(Thread)已经为许多操作系统和应用开发系统所采用。线程是程序的单个控制流,具有顺序程序的特点。但是,线程不是一个程序,它仅仅是程序的一个执行序列。线程具有很强的并发功能,在同一时刻可以有多个线程同时处于执行状态。线程是动态的,具有一定的生命周期,分别经历从创建、执行、阻塞、直到消亡的过程。Java语言对多线程编程的支持有两种实现方法:一种是直接继承Thread类,另一种是实现Runnable接口。Thread类提供了对线程的控制方法,如start(),stop(),run()、suspend()、resume()和sleep()等方法,它们可以对线程的状态进行控制。


动画线程的设计与实现


为了每秒中多次更新屏幕,必须创建一个线程来实现动画的循环,这个循环要跟踪当前帧并响应周期性的屏幕更新要求。许多Java初学者容易犯的一个错误是将动画循环放在paint()中,这样占据了主AWT线程,而主线程将负责所有的绘图和事件处理。因此,应该生成一个独立的动画线程来完成图像的显示和更新。例如,在一个Applet框架下,当Applet启动(Start)时,生成一个动画线程;在Applet停止(stop)时,终止该动画线程以释放它所占用的CPU资源。下列程序代码(简称“C1”代码)是该动画线程的具体实现:




上面终止动画线程的时候,并不是调用该动画线程的stop()方法,而是设置该动画线程为null。因为如果直接调用线程的stop()方法会强制线程终止所有的执行工作,有时会带来不好的结果。设置该动画线程为null,则在run()方法中,由于不满足循环条件,线程会自然退出。这样,也进一步优化了该动画程序。


重载update()和双缓冲技术消除闪烁


在Java中,动画发生闪烁有两个原因:一个是由于在显示下一帧画面的时候,调用了repaint()方法;而repaint()方法被调用时,要清除整个背景,然后才调用paint()方法显示画面。这样,在清除背景和绘制图像的短暂时间间隔内被用户看见的就是闪烁。另一个是由于paint()方法要进行复杂的计算,绘制每一帧花费的时间太长,图像中的各个像素值不能同时得到,使得动画的生成频率低于显示器的刷新频率,从而造成闪烁。


下面两种方法可以明显地消除或减弱闪烁。


重载update()方法


当AWT接收到一个Applet的重绘请求时,它就调用Applet的update()方法。缺省情况下,update()方法清除Applet的背景,然后调用paint()方法。重载update()方法就可以将以前在paint()方法中的绘图代码包含在update()方法中,从而避免每次重绘时将整个区域清除。既然背景不再自动清除,Java程序员需要自己在update()中完成。


双缓冲技术


另一种消除帧之间闪烁的方法是使用双缓冲技术,它在许多动画Applet中被使用。主要原理是创建一幅后台图像,将每一帧画入图像,然后调用drawImage()方法将整个后台图像一次画到屏幕上去。这种方法的优点在于大部分绘制是离屏的。将离屏图像一次绘至屏幕上,比直接在屏幕上绘制要有效得多。在创建后台图像前,首先要通过调用createImage()方法生成合适的后台缓冲区,然后获得在缓冲区做图的环境(即Graphics类对象)。


下列实例程序代码(简称“C2”代码)就是这两种方法的结合使用,双缓冲技术在重载update()方法中实现。其中,offImage是Image类的对象,offGraphics是Graphics类的对象,这两个类对象是实现双缓冲技术的关键。相关代码如下:




双缓冲技术可以使动画平滑,但有一个缺点,要分配一个后台图像的缓冲,如果图像相当大,这将占用很大一块内存。


图像跟踪与程序的逐步完善


图像跟踪


当动画线程刚刚启动的时候,由于没有全部载入图像,屏幕上显示的画面经常是残缺不全的。这时可以使用MediaTracker或ImageOberver类对象进行图像跟踪,待图像全部载入后,再调用drawImage()方法将图像输出到屏幕上去。DrawImage()方法的第四个参数正是ImageObserver类对象,所以可以用ImageObserver类对象进行图像跟踪。在实际应用Applet程序的init()方法中实现图像跟踪,相当于在动画线程的DrawImage()方法调用以前就画了一次图像,因为动画线程的初始化过程,即init()方法是先被调用的。下列代码(简称“C3”代码)展示了init()方法使用MediaTracker类对象来实现跟踪图像的载入,代码如下:




程序的进一步完善


在“C2”代码的重载update()方法中加入下列if语句,从而对MediaTracker类对象的图像跟踪方法做出判断,if语句如下:




在“C1”代码的stop()方法中加入两行代码,用以释放由双缓冲技术所占用的内存资源,这时stop()方法改为:




程序修改到此,还有一个小问题,就是动画线程启动后,第一幅图像有时仍有残留痕迹,而不是随着图像的更新而完全擦除掉。如果想解决此问题,只要将“C2”代码中最后的for()循环和g.drawImage()方法改为如下代码就可以了。




保持恒定的帧速度


为了使用户观看动画时没有闪烁感,至少需要达到每秒12帧的速度。更高的帧速度会产生更平滑的动画。通常,在动画显示的每两帧之间,调用线程的sleep()方法休眠一个固定的时间。这样做的缺点是使用绝对的延迟时间会使延迟过长,即造成等待时间过长。为了每秒显示10~20帧图像,并保持恒定的帧速度(也就是恒定的显示频率),在动画线程的run()方法中可加入如下代码:

           
           try{
	startTime+=delay;
	Thread.sleep(Math.max(0,startTime-System.currentTimeMillis()));
}catch(InterruptedException e){
 break;
}



本文着重阐述了优化Java动画编程的显示效果的几种方法。当然,随着Java技术以及其它计算机技术的发展,还将会有多种优化动画显示效果的方法,例如,在提高动画的帧速度方面,可在Java中调用微软公司的DirectDraw工具。但是本文所介绍的方法更具有通用性。