Использование JAVA-технологий для разработки графических приложений

КУРСОВАЯ РАБОТА

Использование JAVA-технологий для разработки графических приложений

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Инструменты

2. Разработки

2.1. Разработки Java 2D

2.2. Разработки Java 3D

2.3. Разработки 3D Paint

3. Заключение…

Список используемой литературы

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Последние несколько лет разработчики прилагали массу усилий, чтобы интегрировать графику и анимацию в свои апплеты и приложения Java. Однако первоначально включенные в Java графические пакеты AWT Java имели ограниченные средства для решения таких задач. Теперь же, используя интерфейсы прикладного программирования Java 2D и Java 3D, разработчики могут реализовывать гораздо более сложные графические приложения, включая игры, хранители экрана, экранные заставки и трехмерный графический пользовательский интерфейс.

Цель работы. Целью моей курсовой работы является разработка собственного графического редактора для рисования двухмерной и трехмерной графики, используя язык программирования Java и интерфейсы прикладного программирования Java 2D и Java 3D.

Программное обеспечение я назвал 3D Paint.

Актуальность. На сегодняшний день графика имеет немаловажное значение для языков программирования. Она позволяет визуализировать любые программы, что придает яркость и удобство для использования тех или иных программ. Позволяет создавать яркие и интересные Web-страницы, удобна при разработке баз данных, написании мобильных и компьютерных игр.

Так как мы живем в трехмерном мире, то программирование трехмерной графики на сегодняшний день является актуальной и разработчики языков программирования не могут оставить эту тему в стороне.

Начнем с рассмотрения некоторых графических возможностей Java 2D и Java 3D. Далее рассмотрим созданный графический редактор 3D Paint.

1. ИНСТРУМЕНТЫ

Для написания курсовой работы использовались следующие программы:

1. Язык программирования Java с версией jdk1.6.0.

2. Инструмент для создания трехмерной графики на Java - Java3D с версией 1.5.1.

3. Платформа, интегрированная под Java - NetBeans IDE 6.0.

2. РАЗРАБОТКИ

2.1. Разработки Java 2D

Программы, тесно взаимодействующие с пользователем, воспринимающие сигналы от клавиатуры и мыши, работают в графической среде. Каждое приложение, предназначенное для работы в графической среде, должно создать хотя бы одно окно, в котором будет происходить его работа, и зарегистрировать его в графической оболочке операционной системы, чтобы окно могло взаимодействовать с операционной системой и другими окнами: перекрываться, перемещаться, менять размеры, сворачиваться в ярлык.

В технологии Java графика осложняется тем, что приложения Java должны работать в любой или хотя бы во многих графических средах. Нужна библиотека классов, независимая от конкретной графической системы. В первой версии JDK задачу решили следующим образом: были разработаны интерфейсы, содержащие методы работы с графическими объектами. Классы библиотеки AWT реализуют эти интерфейсы для создания приложений. Приложения Java используют данные методы для размещения и перемещения графических объектов, изменения их размеров, взаимодействия объектов.

Библиотека классов Java, основанных на peer-интерфейсах, получила название AWT (Abstract Window Toolkit). При выводе объекта, созданного в приложении Java и основанного на peer-интерфейсе, на экран создается парный ему (peer-to-peer) объект графической подсистемы операционной системы, который и отображается на экране.

В версии JDK 1.1 библиотека AWT была переработана. В нее добавлена возможность создания компонентов, полностью написанных на Java и не зависящих от peer-интерфейсов. Такие компоненты стали называть "легкими" (lightweight) в отличие от компонентов, реализованных через peer-интерфейсы, названных "тяжелыми" (heavy).

Была создана обширная библиотека "легких" компонентов Java, названная Swing. В ней были переписаны все компоненты библиотеки AWT, так что библиотека Swing может использоваться самостоятельно, несмотря на то, что все классы из нее расширяют классы библиотеки AWT.

Библиотека классов Swing поставлялась как дополнение к JDK 1.1. В состав Java 2 SDK она включена как основная графическая библиотека классов, реализующая идею "100% Pure Java", наряду с AWT.

В Java 2 библиотека AWT значительно расширена добавлением новых средств рисования, вывода текстов и изображений, получивших название Java 2D, и средств, реализующих перемещение текста методом DnD (Drag and Drop).

Кроме того, в Java 2 включены новые методы ввода/вывода Input Method Framework и средства связи с дополнительными устройствами ввода/вывода, такими как световое перо или клавиатура Бройля, названные Accessibility.

Все эти средства Java 2: AWT, Swing, Java 2D, DnD, Input Method Framework и Accessibility составили библиотеку графических средств Java, названную JFC (Java Foundation Classes).

Компонент и контейнер

Основное понятие графического интерфейса пользователя (ГИП) -- компонент (component) графической системы. В русском языке это слово подразумевает просто составную часть, элемент чего-нибудь, но в графическом интерфейсе это понятие гораздо конкретнее. Оно означает отдельный, полностью определенный элемент, который можно использовать в графическом интерфейсе независимо от других элементов. Например, это поле ввода, кнопка, строка меню, полоса прокрутки, радиокнопка. Само окно приложения -- тоже его компонент. Компоненты могут быть и невидимыми, например, панель, объединяющая компоненты, тоже является компонентом.

В AWT компонентом считается объект класса Component или объект всякого класса, расширяющего класс component. В классе Component собраны общие методы работы с любым компонентом графического интерфейса пользователя. Этот класс -- центр библиотеки AWT.

Каждый компонент перед выводом на экран помещается в контейнер (Container). Контейнер "знает", как разместить компоненты на экране. Разумеется, в языке Java контейнер -- это объект класса Container или всякого его расширения. Прямой наследник этого класса -- класс JСomponent -- вершина иерархии многих классов библиотеки Swing.

Создав компонент -- объект класса Component или его расширения, следует добавить его к предварительно созданному объекту класса Container или его расширения одним из методов add ().

Класс Container сам является невидимым компонентом, он расширяет класс Component. Таким образом, в контейнер наряду с компонентами можно помещать контейнеры, в которых находятся какие-то другие компоненты, достигая тем самым большой гибкости расположения компонентов.

Иерархия классов AWT

Иерархию основных классов AWT составляют готовые компоненты: Button, Canvas, Checkbox, Choice, Container, Label, List, Scrollbar, TextArea, TextField, Menubar, Menu, PopupMenu, Menultem, CheckboxMenuItem. Если этого набора не хватает, то от класса Canvas можно породить собственные "тяжелые" компоненты, а от класса Component -- "легкие" компоненты (используемые в библиотеке Swing).

Основные контейнеры - это классы Panel, ScrollPane, Window, Frame, Dialog, FileDialog. Свои "тяжелые" контейнеры можно породить от класса Panel, а "легкие" -- от класса Container.

Целый набор классов помогает размещать компоненты, задавать цвет, шрифт, рисунки и изображения, реагировать на сигналы от мыши и клавиатуры.

Графические примитивы

При создании компонента, т. е. объекта класса Component, автоматически формируется его графический контекст (graphics context). В контексте размещается область рисования и вывода текста и изображений. Контекст содержит текущий и альтернативный цвет рисования и цвет фона -- объекты класса Color, текущий шрифт для вывода текста -- объект класса Font.

В контексте определена система координат, начало которой с координатами (0, 0) расположено в верхнем левом углу области рисования, ось Ох направлена вправо, ось Оу -- вниз. Точки координат находятся между пикселями.

Управляет контекстом класс Graphics или новый класс Graphics2D, введенный в Java 2. Поскольку графический контекст сильно зависит от конкретной графической платформы, эти классы сделаны абстрактными. Поэтому нельзя непосредственно создать экземпляры класса Graphics или Graphics2D.

Однако каждая виртуальная машина Java реализует методы этих классов, создает их экземпляры для компонента и предоставляет объект класса Graphics методом getGraphics() класса Component или как аргумент методов paint() и update().

Методы класса Graphics

В следующей таблице приведены некоторые методы класса Graphics:

Таблица 1. Основные методы класса Graphics

Возможности Java 2D

В системе пакетов и классов Java 2D, основа, которой-- класс Graphics2D пакета java.awt, имеется несколько принципиально новых положений.

§ Кроме координатной системы, принятой в классе Graphics и названной координатным пространством пользователя (User Space), введена еще система координат устройства вывода (Device Space): экрана монитора, принтера. Методы класса Graphics2D автоматически переводят (transform) систему координат пользователя в систему координат устройства при выводе графики.

§ Преобразование координат пользователя в координаты устройства можно задать "вручную", причем преобразованием способно служить любое аффинное преобразование плоскости, в частности, поворот на любой угол и/или сжатие/растяжение. Оно определяется как объект класса AffineTransform. Его можно установить как преобразование по умолчанию методом setTransform(). Возможно выполнять преобразование "на лету" методами transform и translate и делать композицию преобразований методом concatenate().

§ Поскольку аффинное преобразование вещественно, координаты задаются вещественными, а не целыми числами.

§ Графические примитивы: прямоугольник, овал, дуга и др., реализуют теперь новый интерфейс shape пакета java.awt. Для их вычерчивания можно использовать новый единый для всех фигур метод draw, аргументом которого способен служить любой объект, реализовавший интерфейс shape. Введен метод fill, заполняющий фигуры-- объекты класса, реализовавшего интерфейс shape.

§ Для вычерчивания (stroke) линий введено понятие пера (реп). Свойства пера описывает интерфейс stroke. Класс Basicstroke реализует этот интерфейс. Перо обладает четырьмя характеристиками:

Ш оно имеет толщину (width) в один (по умолчанию) или несколько пикселей;

Ш оно может закончить линию (end cap) закруглением -- статическая константа CAP_ROUND, прямым обрезом -- CAP_SQUARE (по умолчанию), или не фиксировать определенный способ окончания -- CAP_BUTT;

Ш оно может сопрягать линии (line joins) закруглением -- статическая константа JOIN_ROOND, отрезком прямой -- JOIN_BEVEL, или просто состыковывать -- JOIN_MITER (по умолчанию);

Ш оно может чертить линию различными пунктирами (dash) и штрих-пунктирами, длины штрихов и промежутков задаются в массиве, элементы массива с четными индексами задают длину штриха, с нечетными индексами -- длину промежутка между штрихами.

§ Методы заполнения фигур описаны в интерфейсе Paint. Три класса реализуют этот интерфейс. Класс color реализует его сплошной (solid) заливкой, класс GradientPaint -- градиентным (gradient) заполнением, при котором цвет плавно меняется от одной заданной точки к другой заданной точке, класс Texturepaint -- заполнением по предварительно заданному образцу (pattern fill).

§ Буквы текста понимаются как фигуры, т. е. объекты, реализующие интерфейс shape, и могут вычерчиваться методом draw с использованием всех возможностей этого метода. При их вычерчивании применяется перо, все методы заполнения и преобразования.

§ Кроме имени, стиля и размера, шрифт получил много дополнительных атрибутов, например, преобразование координат, подчеркивание или перечеркивание текста, вывод текста справа налево. Цвет текста и его фона являются теперь атрибутами самого текста, а не графического контекста. Можно задать разную ширину символов шрифта, надстрочные и подстрочные индексы. Атрибуты устанавливаются константами класса TextAttribute.

§ Процесс визуализации (rendering) регулируется правилами (hints), определенными Константами класса RenderingHints.

С такими возможностями Java 2D стала полноценной системой рисования, вывода текста и изображений.

2.2. Разработки Java 3D

Мы живем в трехмерном мире. Наше зрение позволяет нам видеть в трех измерениях с координатами x, y и z. Многие из поверхностей, на которых отображается графика, -- например, экраны мониторов или листы бумаги -- являются плоскими. Программирование трехмерной графики позволяет нам воспроизводить реалистичные модели нашего объемного мира на поверхностях в двухмерном виде. Трехмерная графика имеет преимущества в том смысле, что практически все, что вы можете видеть вокруг, можно моделировать -- цифровым образом представить форму и размеры, а также отобразить -- нарисовать на экране компьютера.

В настоящее время существует большое число приложений, позволяющих работать с трехмерной графикой -- от игр и медицинского оборудования до трехмерных игр и хранителей экранов. Достижения в области компьютерного аппаратного обеспечения привели к значительному росту интереса к трехмерной графике. Успех в создании высокопроизводительного аппаратного обеспечения способствовали разработкам высокоэффективных интерфейсов прикладного программирования трехмерной графики -- от созданного в 70-х годах API CORE от Siggraph и создания в 80-х годах прошлого века OpenGL компанией SGI, до сегодняшних средств программирования трехмерной графики, включая Microsoft DirectSD и Java3D.

Трехмерная графика требует графических алгоритмов, использующих сложный математический аппарат. Java 3D предоставляет разработчикам надежные и развитые возможности для работы с трехмерной графикой, в то же время оставляя за сценой математику, необходимую для реализации графических алгоритмов. Java 3D -- это высокоуровневый API программирования трехмерной графики. Java 3D управляет всеми необходимыми низкоуровневыми операциями для работы с графикой, поэтому разработчики могут создавать сложные трехмерные сцены, не задумываясь об используемом аппаратном обеспечении. Подобно Java, код Java 3D, будучи написанным, однажды, работает повсеместно. Приложения Java 3D будут работать аналогичным образом на различных графических платформах.

Sun Microsystems разрабатывала Java 3D API, имея в виду четыре основные цели: переносимость приложений, независимость от аппаратного обеспечения, масштабирование производительности и способность работать с трехмерной графикой через сеть. Упрощение сложных графических операций играло ключевую роль при разработке Java 3D API. Вот некоторые области и сферы применения API Java 3D:

визуализация трехмерных данных,

взаимодействующие между собой приложения,

игры (особенно сетевые с несколькими участниками),

деловая графика,

интерактивные обучающие системы,

моделирование и визуализация молекулярных структур,

разработка трехмерных Web-приложений,

разработка трехмерных графических пользовательских интерфейсов.

Java 3D предлагает несколько функциональных возможностей, которые могут использоваться для разработки трехмерных графических приложений:

Поведения. Java 3D поддерживает множество поведений, включая анимацию и перемещение, обнаружение столкновений (выявление, когда два объекта сталкиваются) и морфинг (трансформацию одного изображения в другое изображение).

Вуалирование. Java 3D поддерживает вуалирование содержимого, что ограничивает возможность просмотра определенных объектов в сцене. Например, вуалирование помогает создать реалистичную модель ливня или урагана в игре.

Геометрия. Java 3D имеет встроенные трехмерные графические примитивы для создания геометрических фигур. В Java 3D можно отображать сцены, созданные в других приложениях трехмерной графики, например, SDStudio Мах, VRML и LightwaveSD.

Освещение. Java 3D позволяет освещать объекты трехмерной сцены. Java 3D поддерживает различные виды освещения и управления его цветом, направлением и интенсивностью.

Звук. Уникальной особенностью Java 3D является поддержка SD-звука.

* Текстуры. Java 3D поддерживает наложение текстур на поверхности трехмерных фигур.

Сцены Java 3D.

Изображения, отображаемые с помощью Java 3D, называют сценами. Сцену также называют виртуальной вселенной - это трехмерное пространство, которое содержит набор фигур. Корнем сцены Java 3D является объект VirtualUniverse. Объект VirtualUniverse имеет систему координат для местоположения графов сцены, которые она содержит. Каждая трехмерная сцена Java 3D описывается рядом графов сцены - иерархических структур, которые задают атрибуты трехмерной среды. Каждый граф сцены прикреплен к объекту VirtualUniverse в определенной точке системы координат виртуальной системы. Граф сцены состоит из внутренней системы координат и графов - ветвей. Каждый граф сцены имеет внутреннюю систему координат. Класс Locale является корневым узлом графа сцены и содержит вложенные системы координат для виртуальной вселенной и ряд графов-ветвей. В Java 3D имеется два типа графов-ветвей: графы-ветви содержимого и графы-ветви представления. Графы-ветви содержимого задают содержимое в трехмерных сценах, включая геометрию, освещение, текстуры, вуалирование и поведение. Графы-ветви представления содержат платформы наблюдения -- коллекции объектов, которые определяют перспективу, позицию, ориентацию и масштаб в трехмерных сценах. Платформу наблюдения также называют точкой зрения.

Класс SceneGraphObject Java 3D -- базовый класс для всех объектов в графе-ветви. Объект SceneGraphObject может содержать группу Group, которая представляет собой узел, содержащий множество дочерних узлов. Дочерними узлами группы Group могут быть группы (объект Group), листья (объект Leaf) или узлы-компоненты (объект NodeComponents). Узлы-листья Leaf задают геометрию, освещение и звук в графах-ветвях содержимого и компоненты платформы наблюдения в графе-ветви представления. Объекты NodeComponent задают различные компоненты в объектах Group и Leaf, такие как текстура и атрибуты цвета.

В следующей таблице приведены некоторые подклассы классов Group, Leaf и Node-Component:

Таблица 2. Основные методы подкласса классов Group, Leaf и Node-Component

2.3. Разработки 3D Paint

В данной работе я создал графический редактор 3D Paint.

Идеей моего проекта является использование двухмерной и трехмерной графики на Java для создания удобного и многофункционального графического редактора.

Для реализации проекта мне потребовалась изучить подробно графику на Java и разработки вышеперечисленных программных интерфейсов Java 2D и Java 3D.

На первом этапе я создал саму визуальную оболочку (каркас графического редактора); трехмерные фигуры: «цветной куб», «цилиндр», «сфера», «параллелепипед», «конус» и создание трехмерного текста, с возможностью изменение типа шрифта, размера и стиля; панель изменения цвета для фигур и для фона, где размещаются фигуры.

На втором этапе я планирую создать панель с двухмерной графикой, которая будет рисовать: линии, прямоугольники, треугольники и другие элементы, с возможностью изменения цвета, затирания, трансформации. Также я хочу связать трехмерную и двухмерную графику для создания общих проектов, таких как дизайн трехмерного объекта или обычное рисование графических картинок.

В начала проекта, используя программное обеспечение NetBeans IDE 6.0, я создал так называемый каркас приложения (Рис 1). Он позволяет управлять, созданными фигурами трехмерной графики. Все кнопки и панели (меню, управления) находятся в пакетах SWING и AWT.

Рис 1. Графический редактор 3D Paint

На левой панели приложения располагаются кнопки с фигурами, на нижней панели кнопки управления этими фигурами, центральная панель отображает фигуры и действия над ними. Панели расположены при помощи раскладчика BorderLayout (раскладчик по сторонам света). А кнопки на этих панелях располагаются при помощи раскладчика FreeDesignLayout.

Далее создал примитивные геометрические фигуры, используя библиотеку com.sun.j3d.utils.geometry. Класс geometry хранит в себе трехмерные фигуры: cylinder, box, cube, sphere, cone.

Например для создания трехмерной фигуры «Цилиндр» используется следующий код:

Cylinder CylinderObj = new Cylinder(0.7f, 1.4f, ap);

objTrans.addChild(CylinderObj);

где 0.7f и 1.4f это размер фигуры (ширина и длина).

Фигура может выполнять следующие действия:

MouseRotate behavior = new MouseRotate(objTrans);

objTrans.addChild(behavior);

behavior.setSchedulingBounds(bounds);

- вращение при помощи левой кнопки мыши.

MouseZoom behavior2 = new MouseZoom(objTrans);

objTrans.addChild(behavior2);

behavior2.setSchedulingBounds(bounds);

- изменение размера фигуры при помощи колесика мыши (трансформация).

orbit = new OrbitBehavior(c, OrbitBehavior.REVERSE_ALL |

OrbitBehavior.STOP_ZOOM);

BoundingSphere bounds = new BoundingSphere(new Point3d(0.0, 0.0, 0.0), 100.0);

orbit.setSchedulingBounds(bounds);

viewingPlatform.setViewPlatformBehavior(orbit);

- перетаскивание фигуры по рабочей области при помощи правой кнопки мыши.

Transform3D yAxis = new Transform3D();

Alpha rotationAlpha = new Alpha(-1, 10);

RotationInterpolator rotator = new RotationInterpolator(rotationAlpha, objTrans, yAxis, 0.0f, (float) Math.PI*-2.0f);

BoundingSphere bounds1 = new BoundingSphere(new Point3d(0.0,0.0,0.0), 100.0);

rotator.setSchedulingBounds(bounds1);

objRoot.addChild(rotator);

- вращение трехмерной фигуры. С помощью этого кода можно задавать скорость вращения и направление вращения фигуры (по часовой или против часовой стрелки).

Для создания трехмерного текста используется класс Font3D из библиотеки javax.media.j3d. Класс Font3D содержит в себе методы задания имени трехмерного текста, типа текста (жирный, курсив, подчеркнутый), размера. К трехмерному тексту, как и к другим трехмерным объектам можно применять выше перечисленные действия: вращение, перемещение и трансформацию.

Также в программе есть возможность управления цветом. Можно менять как цвет фона, так и цвет самого трехмерного объекта. Управление цветом осуществляется при помощи класса ColorChooser из пакета javax.swing. Цвет можно менять с помощью разных систем задания цвета. ColorChooser содержит три системы RGB, HSB и Swatches.

Для удобства в программе создана панель меню, содержащая меню-бар «Файл» и «Справка» из класса JMenyBar. А меню-бар содержит вкладки «Выход» и «О 3DPaint» из класса JMeny.

При нажатии на вкладку в меню «О 3DPaint» выходит диалоговая панель, принадлежащая пакету javax.swing, содержащая информацию о программном обеспечении, версии и создателе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Этим завершается наше рассмотрение графики на Java. В этой работе мы представили краткий обзор средств программирования трехмерной и двухмерной графики на Java. Мы показали, что эффективность, расширяемость и простота Java 3D делает этот интерфейс прикладного программирования отличным выбором для разработчиков, стремящихся встроить в свои приложения трехмерную графику. Мы представили приложение, которое демонстрируют использование геометрических фигур, текстур, освещения и поведений в Java 3D.

Мы обсудили некоторые графические возможности Java. Мы начали с краткого знакомства с фундаментальными основами графики, такими как системы координат и графические контексты. Затем мы обсудили средства Java 2D. Мы также вкратце рассказали, как использовать графические эффекты.

Вторая половина нашего знакомства с графическим программированием касалась Java 3D. Используя классы Java 3D и Java 2D мы создали простой графический редактор 3D Paint, который дает возможность пользователю изменять свойства сцены Java 3D, включая манипулирование трехмерными объектами (вращение, масштабирование и перемещение) с помощью мыши и изменение освещения сцены.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Х. М. Дейтел, П.Дж. Дейтел, С.И. Сантри - Технологии программирования на Java, книга 1 (графика, JAVABEANS, интерфейс пользователя)

2. Джуди Бишоп - Эффективная работа Java

3. James Gosling, Bill Joy, Guy Steele, Gilad Bracha - The Java Language Specification, Second Edition.

4. Tim Lindholm, Frank Yellin - The Java Virtual Machine Specification, Second Edition.

5. Гослинг Дж., Арнольд К. - Язык программирования Java

6. Информация с сайта www.infocom.uz

7. Информация с официального сайта Java www.java.sun.com