Die größte Gefahr geht nicht von den Erfahrungen aus, die man machen muss, sondern von denen, die man nicht machen darf. – Hellmut Walters
16 Grafikprogrammierung
16.1 Grundlegendes zum Zeichnen 
Ist das Fenster geöffnet, lässt sich etwas in dem Fenster zeichnen. Da sich die Wege zwischen AWT und Swing trennen, wollen wir erst mit dem AWT beginnen und dann alle weiteren Beispiele mit Swing bestreiten.
16.1.1 Die paint()-Methode für das AWT-Frame 
Als einleitendes Beispiel soll uns genügen, einen Text zu platzieren. Dafür überschreiben wir die Funktion paint() der Klasse Frame und setzen dort alles hinein, was gezeichnet werden soll, etwa Linien, Texte oder gefüllte Polygone. Der gewünschte Inhalt wird immer dann gezeichnet, wenn das Fenster neu aufgebaut wird oder wir von außen repaint() aufrufen, denn genau in diesem Fall wird das Grafiksystem paint() aufrufen und das Zeichnen anstoßen.
Listing 16.1 com/tutego/insel/ui/graphics/Bee.java
package com.tutego.insel.ui.graphics;
import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
public class Bee extends Frame
{
private static final long serialVersionUID = –3800165321162121122L;
public Bee()
{
setSize( 500, 100 );
addWindowListener( new WindowAdapter() {
@Override
public void windowClosing ( WindowEvent e ) { System.exit( 0 ); }
} );
}
@Override
public void paint( Graphics g )
{
g.drawString( "\"Maja, wo bist du?\" (Mittermeier)", 120, 60 );
}
public static void main( String[] args )
{
new Bee().setVisible( true );
}
}
Abbildung 16.1 Ein Fenster mit gezeichnetem Inhalt
Der Grafikkontext Graphics
Das Grafiksystem ruft von unserem Programm die paint()-Methode auf und übergibt ein Objekt vom Typ Graphics – beziehungsweise Graphics2D, wie wir später sehen werden. Dieser Grafikkontext bietet verschiedene Methoden zum Setzen von Zeichenzuständen und zum Zeichnen selbst, etwa von Linien, Kreisen, Ovalen, Rechtecken, Zeichenfolgen oder Bildern. Dies funktioniert auch dann, wenn die Zeichenfläche nicht direkt sichtbar ist, wie bei Hintergrundgrafiken.
Das Graphics-Objekt führt Buch über mehrere Dinge:
- die Komponente, auf der gezeichnet wird (hier erst einmal das rohe Fenster);
- Koordinaten des Bildbereichs und des Clipping-Bereichs. Die Zeichenoperationen außerhalb des Clipping-Bereichs werden nicht angezeigt. Daher wird ein Clipping-Bereich auch Beschnitt-Bereich genannt;
- den aktuellen Zeichensatz (java.awt.Font) und die aktuelle Farbe (java.awt.Color);
- die Pixeloperation (Xor [Zur Bewegung des Grafik-Cursors wird gern eine Xor-Operation eingesetzt. Obwohl dies absolut einfach erscheint, ist die Realisierungsidee patentiert. ] oder Paint);
- die Funktion, mit der die Farbe verknüpft wird;
- die Translation – eine Verschiebung vom Nullpunkt.
Wir können nur in der paint()-Methode auf das Graphics-Objekt zugreifen. Diese wird immer dann aufgerufen, wenn die Komponente neu gezeichnet werden muss. Dies nutzen wir, um einen Text zu schreiben.
Dem Beispiel ist zu entnehmen, dass drawString(String text, int x, int y) einen Text in den Zeichenbereich des Grafikkontexts schreibt. Im Folgenden werden wir noch weitere Funktionen kennenlernen.
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Hinweis 16.1.2 Zeichen von Inhalten mit JFrame
Grundsätzlich ließe sich auch von JFrame eine Unterklasse bilden und paint() überschreiben, doch ist das nicht der übliche Weg. Stattdessen wählen wir einen anderen Ansatz, der sogar unter AWT eine gute Lösung ist. Wir bilden eine eigene Komponente, eine Unterklasse von JPanel (unter AWT Panel, was wir aber nicht mehr weiter verfolgen wollen), und setzen diese auf das Fenster. Wird das Fenster neu gezeichnet, gibt das Grafiksystem den Zeichenauftrag an die Kinder weiter, also auf unser spezielles JPanel, und ruft die überschriebene paint()-Funktion auf. Allerdings überschreiben eigene Unterklassen von Swing-Komponenten im Regelfall nicht paint(), sondern paintComponent(). Das liegt daran, dass Swing in paint() zum Beispiel noch Rahmen zeichnet und sich um eine Pufferung des Bildschirminhalts zur Optimierung kümmert. So ruft paint() die drei Funktionen paintComponent(), paintBorder() und paintChildren() auf, und bei einer Neudarstellung kümmert sich ein RepaintManager um eine zügige Darstellung mit Hilfe der gepufferten Inhalte, was bei normalen Swing-Interaktionskomponenten wie Schaltflächen wichtig ist.
Damit ist die Darstellung von Inhalten in einem JFrame einfach. Wir importieren drei Klassen, JPanel und JFrame aus javax.swing sowie Graphics aus java.awt. Dann bilden wir eine Unterklasse von JPanel und überschreiben paintComponent().
Listing 16.2 com/tutego/insel/ui/graphics/DrawFirstLine.java, Teil 1
package com.tutego.insel.ui.graphics;
import java.awt.Graphics;
import javax.swing.*;
class DrawPanel extends JPanel
{
@Override
protected void paintComponent( Graphics g )
{
super.paintComponent( g );
g.drawLine( 10, 10, 100, 50 );
}
}paintComponent() besitzt in der Oberklasse die Sichtbarkeit protected, was wir beibehalten sollten; die Funktion wird nicht von außen aufgerufen, daher muss eine Unterklasse die Sichtbarkeit nicht zu public erweitern. Der Aufruf von super.paintComponent() ist immer dann angebracht, wenn die Oberklasse ihre Inhalte zeichnen soll. Bei vollständig eigenem Inhalt ist das nicht notwendig.
Der letzte Schritt ist ein Testprogramm, das ein Exemplar des spezialisierten JPanels bildet und auf den JFrame setzt:
Listing 16.3 com/tutego/insel/ui/graphics/DrawFirstLine.java, Teil 2
public class DrawFirstLine
{
public static void main( String[] args )
{
JFrame f = new JFrame();
f.setDefaultCloseOperation( JFrame.EXIT_ON_CLOSE );
f.setSize( 100, 100 );
f.add( new DrawPanel() );
f.setVisible( true );
}
}Die Lösung mit dem JPanel muss nicht die Höhe der Titelleiste berücksichtigen; die Komponente JPanel, die auf das Fenster gesetzt wird, befindet sich korrekt unterhalb der Titelleiste, und die Zeichenfläche liegt nicht verdeckt unter der Titelleiste.
16.1.3 Auffordern zum Neuzeichnen mit repaint()
Die Methode repaint() kann von außen aufgerufen werden, um ein Neuzeichnen zu erzwingen. Wenn die Komponente wie unsere Unterklasse von JPanel eine Swing-Komponente ist, dann wird die paint()-Methode der Komponente aufgerufen. Im Fall einer AWT-Komponente, wie Frame, wird update() aufgerufen, das ja automatisch paint() aufruft.
abstract class java.awt.Component
implements ImageObserver, MenuContainer, Serializable |
- void repaint() Erbittet sofortiges Neuzeichnen der Komponente.
- void repaint( long tm ) Erbittet Neuzeichnen in millis Millisekunden.
- void repaint( int x, int y, int width, int height ) Erbittet Neuzeichnen der Komponente im angegebenen Bereich.
- void repaint( long tm, int x, int y, int width, int height ) Erbittet Neuzeichnen der Komponente nach tm Millisekunden im angegebenen Bereich.
16.1.4 Grundbegriffe: Koordinaten, Punkte, Pixel
Gelegentlich vermischt sich die Umgangssprache mit der Sprache der Mathematik und Computergrafik, sodass wir noch einmal die wichtigsten Begriffe aufzählen.
Koordinatensystem
Die grafischen Objekte werden in einem Koordinatensystem platziert, das seine Ursprungskoordinaten – also standardmäßig (0,0) – links oben definiert. Das Koordinatensystem kann jedoch beliebig verschoben und in den Ausmaßen angepasst werden. Andernfalls stehen die Objekte bei überschriebenem paint() vom Frame/JFrame absolut zum Fensterrahmen. Wählen wir die Koordinate auf der y-Achse zu klein, kann es vorkommen, dass wir nichts mehr sehen, weil das Objekt unter die Titelleiste des Fensters wandert.
Punkte
Ein Punkt ist abhängig von den Dimensionen durch zwei oder mehrere Koordinaten gekennzeichnet. Da er, wie wir aus der Mathematik wissen, keine Ausdehnung hat, dürften wir ihn eigentlich gar nicht sehen. In Java gibt es keine Funktion, um Punkte zu zeichnen. Diese können nur durch einen Linienbefehl erzeugt werden.
Pixel
Das Wort Pixel ist eine Abkürzung für »Picture Element«. Ein Pixel beschreibt einen physikalischen Punkt auf dem Bildschirm und ist daher nicht zu verwechseln mit einem Punkt (obwohl hier umgangssprachlich nicht unterschieden wird). Pixel besitzen – wie Punkte – Koordinaten. Wird ein grafisches Objekt gezeichnet, so werden die entsprechenden Punkte auf dem Bildschirm gesetzt. Die Anzahl der Pixel auf dem Monitor ist beschränkt; unter einer Auflösung von 1 024 × 768 »Punkten« sind dies also 786 432 Pixel, die einzeln zu setzen sind. »Ein Pixel setzen« heißt aber nichts anderes, als ihm eine andere Farbe zu geben.
16.1.5 Die ereignisorientierte Programmierung ändert Fensterinhalte
Der Einstieg in die Welt der Grafikprogrammierung mag etwas seltsam erscheinen, weil in der prozeduralen, nicht ereignisgesteuerten Welt (wie der C-64) die Programmierung anders verlief. Es gab einige Funktionen, mit denen sich direkt sichtbar auf dem Bildschirm operieren ließ. Ein Beispiel [Commodore 128 System Guide, Commodore Business Machine, Inc. in 1985, online zugänglich unter http://members.tripod.com/~rvbelzen/c128sg/toc.htm. ] aus der C-128-Zeit:
10 COLOR 0,1 :REM SELECT BACKGROUND COLOR 20 COLOR 1,3 :REM SELECT FOREGROUND COLOR 30 COLOR 4,1 :REM SELECT BORDER COLOR 40 GRAPHIC 1,1 :REM SELECT BIT MAP MODE 60 CIRCLE 1,160,100,40,40 :REM DRAW A CIRCLE 70 COLOR 1,6 :REM CHANGE FOREGROUND COLOR 80 BOX 1,20,60,100,140,0,1 :REM DRAW A BLOCK 90 COLOR 1,9 :REM CHANGE FOREGROUND COLOR 100 BOX 1,220,62,300,140,0,0 :REM DRAW A BOX 110 COLOR 1,9 :REM CHANGE FOREGROUND COLOR 120 DRAW 1,20,180 TO 300,180 :REM DRAW A LINE 130 DRAW 1,250,0 TO 30,0 TO 40,40 TO 250,0 :REM DRAW A TRIANGLE 140 COLOR 1,15 :REM CHANGE FOREGROUND COLOR 150 DRAW 1,160,160 :REM DRAW A POINT 160 PAINT 1,150,97 :REM PAINT IN CIRCLE 170 COLOR 1,5 :REM CHANGE FOREGROUND COLOR 180 PAINT 1,50,25 :REM PAINT IN TRIANGLE 190 COLOR 1,7 :REM CHANGE FOREGROUND COLOR 200 PAINT 1,225,125 :REM PAINT IN EMPTY BOX 210 COLOR 1,11 :REM CHANGE FOREGROUND COLOR 220 CHAR 1,11,24,"GRAPHIC EXAMPLE" :REM DISPLAY TEXT 230 FOR I=1 TO 5000:NEXT:GRAPHIC 0,1:COLOR 1,2
Diese Vorgehensweise funktioniert in Java (und auch in vielen modernen Systemen) nicht mehr. Auch mit Objektorientierung hat sie nicht viel zu tun!
In Java führt ein Repaint-Ereignis zum Aufruf der paint()-Funktion. Dieses Ereignis kann ausgelöst werden, wenn der Bildschirm zum ersten Mal gezeichnet wird, aber auch, wenn Teile des Bildschirms verdeckt werden. Falls das Repaint-Ereignis kommt, springt das Java-System in die paint()-Methode, in der der Bildschirm aufgebaut werden kann. Nur dort finden die Zeichenoperationen statt. Wenn wir nun selbst etwas zeichnen wollen, kann das nur in der paint()-Funktion geschehen, beziehungsweise in Methoden, die von paint() aufgerufen werden. Wenn wir aber selbst etwas zeichnen wollen, wie lässt sich paint() dann parametrisieren?
Um mit diesem Problem umzugehen, müssen wir der paint()-Funktion Informationen mitgeben. Diese kann paint() nur aus den Objektattributen beziehen. Daher implementieren wir eine Unterklasse einer Komponente, die eine paint()-Funktion besitzt. Anschließend können wir Objektzustände ändern, sodass paint() neue Werte bekommt und somit gewünschte Inhalte zeichnen kann.
Bleibt zuletzt die Frage, wie sich so etwas wie das C-128-Feeling nachbilden lässt. Die zu zeichnenden Elemente (wie Line, Kreis) können Objekte sein, die in eine Datenstruktur eingereiht werden. Dazu bietet die Java 2D-API Klassen wie Line2D, Arc2D und weitere an. Sie werden später vorgestellt.
16.1.6 Java 2D-API
Seit dem JDK 1.2 – und das ist nun schon etwas her – hat sich beim Zeichnen einiges getan. So wird der paint()-Methode – und paintComponent() ebenso – nicht mehr nur ein Graphics-Objekt übergeben, sondern eine Unterklasse von Graphics, Graphics2D. Die Klasse wurde im Rahmen der Java 2D-API aus den Java Foundation Classes (JFC) eingeführt und bietet erweiterte Zeichenmöglichkeiten, die mit der Sprache Postscript vergleichbar sind. Als wichtige Ergänzung sind Transformationen auf beliebig geformten Objekten, Füllmustern und Kompositionen zu nennen. Die Zeichenoperationen sind optional weichgezeichnet.
Da die Entwickler bei Sun die Signatur der paintXXX()-Methoden nicht ändern wollten, blieb Graphics als Parametertyp stehen, und wir müssen es, um die erweiterte Funktionalität nutzen zu können, im Rumpf auf Graphics2D anpassen.
protected void paintComponent( Graphics g )
{
Graphics2D g2 = (Graphics2D) g;
...
}Obwohl Graphics2D selbst im java.awt-Paket untergebracht ist, befinden sich viele der 2D-Klassen im Paket java.awt.geom.
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