30、Java 中的音频与图形编程

Java 中的音频与图形编程

在 Java 编程中，音频和图形编程为程序增添了丰富的交互性和趣味性。下面将详细介绍 Java 中音频播放和图形绘制的相关知识。

1. Java 中的音频播放

在 Java 里，我们可以通过 applet 实现音频播放，以 MathMan 小程序为例，展示了如何利用音频增强教育演示效果。

1.1 编译与运行 MathMan 小程序

若使用 SDK，可通过以下命令编译并测试 MathMan 小程序：

javac MathMan.java
MathMan.html

此小程序会显示一个使用加法的简单数学表达式，同时会将 12 个 WAV 文件加载到各自的 AudioClip 对象中，通过调用 play() 方法播放这些文件，从而让程序朗读数学表达式。

1.2 音频使用的注意事项

• 线程休眠的作用 ：在 MathMan 小程序中， Thread.sleep() 方法用于让控制程序的线程暂停一段时间，其整数参数表示线程继续执行前延迟的毫秒数，这样能避免数学表达式朗读时不同声音混在一起。你可以尝试不同的暂停时长，观察其对音频播放的影响。
• JApplet 与 Applet 类的选择 ：JApplet 类继承了 Applet 类的所有声音功能，所以在处理声音时，使用哪个类并无太大区别。不过，所有 Java 2 小程序都使用 JApplet 类，因此在处理与小程序相关的功能时，没必要使用其他类。

1.3 音频格式与相关问题

以下是一些关于 Java 音频的常见问题及解答：
|问题|选项|答案|
| ---- | ---- | ---- |
|以下哪种不是 Java 支持的音频格式？|a. WAV
b. AU
c. DISCO|c. DISCO 不是 Java 中的有效音频格式|
|在小程序中使用 getCodeBase() 方法指定声音文件位置有什么好处？|a. 声音文件加载更快
b. 可以将小程序移动到万维网上的新位置而无需更改程序
c. Java 社区的朋友都这样做，不会因与众不同而被排斥和嘲笑|b|
|URL 代表什么？|a. Universal Resource Locator
b. Uniform Resource Locator
c. Unexpected Radio Link|b（实际上 a 也不算错，因为 URL 有时也被称为 Universal Resource Locator）|

1.4 相关活动

• 创建减法版本的 MathMan 小程序 ：创建一个新的 MathMan 小程序版本，使用减法运算，确保数学表达式中的数字不高于 10 且不低于 0。
• 创建 JAR 存档 ：为 MathMan 小程序及其所有音频文件创建一个 JAR 存档，然后修改 MathMan.html，使其能从存档中加载这些文件。你可以访问相关网站查看实现这些活动的 Java 程序。

2. Java 中的图形编程

Java 支持多种图形表示方式，包括使用文件格式存储图像和使用矢量图形。Java 通过 Java2D 支持矢量图形，能让你在程序中绘制各种颜色的形状。

2.1 图形编程基础

• 图形表示方式 ：
  • 文件格式存储 ：如 JPEG 格式，适合以合理的文件大小存储摄影图像。
  • 矢量图形 ：以一系列绘图指令表示图像，文件大小小，可轻松以不同大小重绘，适合动画。
• Graphics 和 Graphics2D 对象 ：Graphics 类存储在屏幕上显示内容所需的信息，常用于表示容器（如面板或小程序窗口）中可绘图的区域。在 JPanel 组件的 paintComponent() 方法和小程序的 paint() 方法中，会自动传入 Graphics 对象。在这些方法内部，应先调用超类的相同方法，然后将 Graphics 对象转换为 Graphics2D 对象，通过调用 Graphics2D 对象的方法进行绘图。

graph TD;
    A[开始] --> B[创建Graphics对象];
    B --> C[调用超类方法];
    C --> D[转换为Graphics2D对象];
    D --> E[调用绘图方法];
    E --> F[结束];

2.2 绘图方法

• 绘制线条 ：Java 中的 2D 绘图操作分两步：创建表示要绘制形状的对象，调用 Graphics2D 对象的方法绘制该形状。可使用 Line2D.Float 或 Line2D.Double 类创建线条，例如：

Line2D.Float ln = new Line2D.Float(40F, 200F, 70F, 130F);
comp2D.draw(ln);

• 绘制矩形 ：矩形可以是填充或未填充的，角可以是圆角或直角。可使用 Rectangle2D.Float 类创建矩形，例如：

Rectangle2D.Float rr = new Rectangle2D.Float(245F, 65F, 20F, 10F);
comp2D.draw(rr); // 绘制未填充矩形
comp2D.fill(rr); // 绘制填充矩形

若要创建圆角矩形，可使用 RoundRectangle2D.Float 类。
- 绘制椭圆和圆 ：使用 Ellipse2D.Float 类创建椭圆和圆，例如：

Ellipse2D.Float cir = new Ellipse2D.Float(245F, 45F, 5F, 5F);
comp2D.draw(cir); // 绘制椭圆或圆的轮廓
comp2D.fill(cir); // 绘制填充的椭圆或圆

• 绘制弧形 ：使用 Arc2D.Float 类创建弧形，需要指定椭圆的相关信息、弧形的可见部分（以度为单位）和弧形的起始位置。例如：

Arc2D.Float smile = new Arc2D.Float(100F, 50F, 75F, 75F, 30F, 120F, Arc2D.Float.OPEN);
comp2D.draw(smile);

• 绘制多边形 ：创建多边形较为复杂，首先要创建 GeneralPath 对象，使用 moveTo() 方法定义多边形的第一个点，再用 lineTo() 方法添加后续点，最后可调用 closePath() 方法闭合多边形。例如：

GeneralPath polly = new GeneralPath();
polly.moveTo(100F, 20F);
polly.lineTo(80F, 45F);
polly.closePath();
comp2D.draw(polly);

• 绘制不同宽度的线条 ：可使用 BasicStroke 类改变线条宽度，例如：

BasicStroke pen = new BasicStroke(12);
comp2D.setStroke(pen);

2.3 创建标志应用程序

为了将上述各种形状组合起来，我们可以创建一个名为 Sign.java 的文件，以下是其完整代码：

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

public class Sign extends JFrame {
    public Sign() {
        super("Use of Compressed Air Prohibited");
        setSize(410, 435);
        setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
        SignPanel sp = new SignPanel();
        Container content = getContentPane();
        content.add(sp);
        setContentPane(content);
        setVisible(true);
    }

    public static void main(String[] arguments) {
        Sign sign = new Sign();
    }
}

class SignPanel extends JPanel {
    public void paintComponent(Graphics comp) {
        super.paintComponent(comp);
        Graphics2D comp2D = (Graphics2D) comp;
        comp2D.setColor(Color.white);
        comp2D.fillRect(0, 0, 400, 400);

        // draw sign
        comp2D.setColor(Color.red);
        Ellipse2D.Float sign1 = new Ellipse2D.Float(0F, 0F, 400F, 400F);
        comp2D.fill(sign1);
        comp2D.setColor(Color.white);
        Ellipse2D.Float sign2 = new Ellipse2D.Float(55F, 55F, 290F, 290F);
        comp2D.fill(sign2);

        // draw man
        comp2D.setColor(Color.black);
        Ellipse2D.Float head = new Ellipse2D.Float(160F, 96F, 32F, 32F);
        comp2D.fill(head);
        GeneralPath body = new GeneralPath();
        body.moveTo(159F, 162F);
        body.lineTo(119F, 303F);
        body.lineTo(139F, 303F);
        body.lineTo(168F, 231F);
        body.lineTo(190F, 303F);
        body.lineTo(213F, 303F);
        body.lineTo(189F, 205F);
        body.lineTo(203F, 162F);
        body.lineTo(247F, 151F);
        body.lineTo(236F, 115F);
        body.lineTo(222F, 118F);
        body.lineTo(231F, 140F);
        body.lineTo(141F, 140F);
        body.lineTo(101F, 190F);
        body.lineTo(112F, 197F);
        body.lineTo(144F, 162F);
        body.closePath();
        comp2D.fill(body);

        // draw can
        comp2D.setColor(Color.black);
        comp2D.fillRect(251, 191, 33, 118);
        comp2D.fillRect(262, 160, 13, 31);
        GeneralPath nozzle = new GeneralPath();
        nozzle.moveTo(252F, 176F);
        nozzle.lineTo(262F, 160F);
        nozzle.lineTo(262F, 176F);
        nozzle.closePath();
        comp2D.fill(nozzle);

        // draw lines
        comp2D.setColor(Color.black);
        BasicStroke pen = new BasicStroke(2F);
        comp2D.setStroke(pen);
        Line2D.Float ln1 = new Line2D.Float(203F, 121F, 255F, 102F);
        comp2D.draw(ln1);
        Line2D.Float ln2 = new Line2D.Float(255F, 102F, 272F, 116F);
        comp2D.draw(ln2);
        Line2D.Float ln3 = new Line2D.Float(272F, 134F, 252F, 158F);
        comp2D.draw(ln3);
    }
}

通过上述内容，我们了解了 Java 中音频播放和图形编程的基本方法和技巧，你可以根据这些知识进行更多有趣的编程实践。

2.4 图形编程的优势与乐趣

在编程世界里，很多 Java 编程主题往往显得枯燥乏味。例如，用 if - else 语句在数学应用中确定使用哪个方法，或是用 switch - case 块语句处理各种不同情况，这些对于非编程人士来说很难产生兴趣，也难以让人兴奋起来。然而，图形编程却是个例外。

当你编写一个能进行有趣图形操作的程序时，不仅能让自己在编程过程中获得乐趣，还能给亲戚、朋友、陌生人以及潜在雇主留下深刻印象。在 Java 小程序中绘制线条和多边形就像显示文本一样简单，只需要 Graphics 和 Graphics2D 对象来定义绘图表面和表示要绘制的对象即可。

2.5 图形绘制的坐标系统

在 Java 图形编程中，所有的绘图操作都基于一个坐标系统。这个坐标系统以容器（如面板或小程序窗口）的左上角为原点 (0, 0) ， x 值向右递增， y 值向下递增。你可以通过以下代码获取容器的最大 x 和 y 坐标值：

int maxXValue = getSize().width;
int maxYValue = getSize().height;

这两个值代表了在当前容器中绘图时 x 和 y 坐标的最大值，有助于你控制图形绘制的范围，避免图形超出容器边界。

2.6 图形绘制的流程总结

为了更清晰地理解 Java 图形编程的流程，我们可以将其总结为以下步骤：
1. 创建容器 ：例如创建 JFrame 或 JPanel 作为绘图的容器。
2. 重写绘图方法 ：在 JPanel 中重写 paintComponent() 方法，在小程序中重写 paint() 方法。
3. 调用超类方法 ：在重写的方法内部，首先调用超类的相同方法。
4. 转换为 Graphics2D 对象 ：将传入的 Graphics 对象转换为 Graphics2D 对象，以便使用更强大的绘图功能。
5. 设置绘图属性 ：如颜色、线条宽度等。
6. 创建图形对象 ：根据需要创建线条、矩形、椭圆、多边形等图形对象。
7. 绘制图形 ：调用 Graphics2D 对象的 draw() 或 fill() 方法绘制图形。

graph LR;
    A[创建容器] --> B[重写绘图方法];
    B --> C[调用超类方法];
    C --> D[转换为Graphics2D对象];
    D --> E[设置绘图属性];
    E --> F[创建图形对象];
    F --> G[绘制图形];

3. 总结与实践建议

通过前面的介绍，我们全面了解了 Java 中的音频播放和图形编程。音频播放能为程序增添声音元素，增强用户体验，而图形编程则能让程序更加直观和有趣。

3.1 音频编程总结

• 音频格式 ：Java 支持常见的音频格式如 WAV 和 AU，要避免使用不支持的格式。
• 线程休眠 ：合理使用 Thread.sleep() 方法，避免音频播放时声音混淆。
• 类的选择 ：在 Java 2 中，使用 JApplet 类进行小程序开发。
• 音频应用 ：可以通过创建不同版本的小程序和 JAR 存档来拓展音频应用。

3.2 图形编程总结

• 图形表示 ：了解文件格式存储和矢量图形两种表示方式，掌握 Java2D 的绘图方法。
• 绘图对象 ：熟悉 Graphics 和 Graphics2D 对象的使用，以及各种图形对象（如 Line2D 、 Rectangle2D 等）的创建和绘制。
• 坐标系统 ：理解并运用图形绘制的坐标系统，控制图形的位置和大小。
• 绘图流程 ：遵循图形绘制的流程，确保程序的正确性和可维护性。

3.3 实践建议

• 音频实践 ：尝试创建不同类型的音频小程序，如音乐播放器、语音提示系统等，通过调整线程休眠时间和音频文件格式，优化音频播放效果。
• 图形实践 ：可以从简单的图形绘制开始，逐渐尝试组合不同的图形，创建复杂的图案和动画。例如，在 Sign.java 的基础上进行修改，添加更多的图形元素或动画效果。

总之，Java 中的音频和图形编程为我们提供了丰富的创作空间。通过不断实践和探索，你可以开发出更具交互性和趣味性的 Java 程序。希望大家能充分利用这些知识，在编程的道路上创造出更多精彩的作品。