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众所周知, Java 应用的运行速度虽然不慢,却也谈不上快,以最新的 JRE1.6 表现来说,至多也就是优胜于一些纯粹的解释型语言,距离 C/C++ 等编译型的执行效率还有一定差距。
平心而论,如果我们使用 Java 去制作一些简单的桌面应用,那么目前 Java 组件的绘图速度勉强还能接受;但如果用 Java 来进行游戏开发,尤其是制作一些需要高 FPS 才能满足的动态效果,就必须利用技术手段对其加以优化,解决其绘图效率问题,其它才有的谈。
什么是 FPS ?
这里所说的 FPS ,并非指射击游戏,而是指俗称的“帧率”( Frames per Second ,缩写: FPS )或“赫兹”( Hz )。笔者在以前的博文中曾给出过专门的解释及 Java 实现示例,此处不再赘述。
受到人类眼球的生理结构制约,通常情况下只要我们所见画面高于每秒 16 帧,就会认为画面是连贯的,生物学上称此现象为视觉暂留,这也就是为什么电影胶片是一格一格拍摄出来,然而我们却认为它是连续的一段。当然,所谓的 16 帧也只是一个中值,并非放之四海而皆准,根据具体视觉对象不同,帧率的具体标准会有所变化。在最坏情况下,动画不低于每秒 12 帧,现代电影不低于 24 帧,动作游戏不低于 30 帧,在人眼中的画面才是连续不间断的。
总之, FPS 数值越高则画面流畅度便越高,越低则越显停滞,要提高 Java 游戏运行效率,那么焦点就必然要集中在如何提高程序的 FPS 之上。
我们该从什么地方入手,才能提高 FPS ?
Java 绘图最终要通过 native ,这是地球人都知道的事情。这意味着除非我们学习 SWT 重写本地图形接口,否则显示部分我们无法干涉;这样便决定了我们对 FPS 的优化必然要集中在本地图形系统调用之前,而非之后。也就是说,提高 Java 应用的 FPS ,还要老生常谈的从 Image 与 Graphics 及其相关子类入手。
那么,对这些尽人皆知的 Java 绘图组件,我们究竟能改进那些部分呢?
我在不久前发布的博文《 Java 游戏开发中应始终坚持的 10 项基本原则》中,曾经就如何构建一个高效的 Java 游戏发表过一些见解,其中第 7 点“始终双缓冲游戏图像”,它不但是解决 Java 图像闪烁问题的关键所在,而且同样是提高 Java 游戏帧率的制胜法宝之一。是的, Java 绘图机能的优化与改进,关键就在于如何对其缓冲区域进行优化处理。
下面,我将展示三种不同的 Java 缓冲绘图方式。
1 、采用 BufferedImage 对象进行缓冲
这种方法是最简单,同时也是最常用的双缓冲构建方式,也就是构建一个 BufferedImage 缓冲当前绘图,所有 Graphics 操作在其上进行,仅在需要时才将贴图 paint 于窗体之上,使用上再简单不过,但效率如何呢?文章进行到此处时尚不得而知。
2 、采用 BufferStrategy 构建缓冲区
使用 BufferStrategy 构建缓冲能够获得系统所提供的硬件加速, Java 系统会根据本地环境选择最适合的 BufferStrategy 。要创建 BufferStrategy ,需要使用 createBufferStrategy() 方法告诉系统你所期望的缓冲区数目(通常使用双缓冲,也就是填入“ 2 ”),并使用 getDrawGraphics() 方法在缓冲区之间进行交换,该方法返回下一个要使用的缓冲区。 BufferStrategy 最大的缺点与优点都在于其受本地图形环境影响,既不会出现很快的图形环境跑出很慢的 FPS ,也别指望很慢的图形环境跑出很快的 FPS 。
3 、完全在 BufferedImage 的 DataBuffer 中进行图像处理
每个 BufferedImage 都有一个与之对应得 WritableRaster 对象( getRaster 方法获得),通过它我们获得指定 BufferedImage 的 DataBuffer ( getDataBuffer 方法获得),与方法 1 类似,我们同样构建一个 BufferedImage 缓冲当前所有绘图,所有操作都在其上进行,仅在需要时才将贴图 paint 于窗体之上。但区别在于,由于 DataBuffer 可以转化为描述 BufferedImage 象素点的 int[] , byte[] 或 short[] 等数组集合,因此我们不再使用 Java 提供的 Graphics 对象,而是直接操作像素点进行所有绘图的实现。 但是,这样进行数组操作会快吗?
现在我们为其各自构建三个示例,尽量以比较趋同的处理流程构建,分别测算三种方法的具体效率。
( PS :写完才突然想起,这台 2002 年买的电脑实在不适合测试 FPS ( -_-||| ),较新机型的 FPS 至少能达到此测试结果的 2 倍以上,特此声明……)
( PS :以下图像素材源自成都汉森信息技术有限公司首页,特此声明)
以下开始将分别对三种方法分别进行绘制 1 名角色、绘制 100 名角色、绘制 1000 名角色的简单 FPS 绘图效率测算。
一、采用 BufferedImage 对象进行缓冲
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源码如下:
1 、 DoubleBufferGameFrame.Java
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2 、 DoubleBufferCanvas.Java
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场景图 1 、角色图 1 、 FPS 60 - 70
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场景图 1 、角色图 100 、 FPS 20 - 25
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场景图 1 、角色图 1000 、 FPS 13 - 17
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二、采用 BufferStrategy 构建缓冲区(双缓冲)
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2 、 BufferStrategyCanvas.java <!--[if gte mso 9]><xml> <w:WordDocument> <w:View>Normal</w:View> <w:Zoom>0</w:Zoom> <w:PunctuationKerning /> <w:DrawingGridVerticalSpacing>7.8 磅</w:DrawingGridVerticalSpacing> <w:DisplayHorizontalDrawingGridEvery>0</w:DisplayHorizontalDrawingGridEvery> <w:DisplayVerticalDrawingGridEvery>2</w:DisplayVerticalDrawingGridEvery> <w:ValidateAgainstSchemas /> <w:SaveIfXMLInvalid>false</w:SaveIfXMLInvalid> <w:IgnoreMixedContent>false</w:IgnoreMixedContent> <w:AlwaysShowPlaceholderText>false</w:AlwaysShowPlaceholderText> <w:Compatibility> <w:SpaceForUL /> <w:BalanceSingleByteDoubleByteWidth /> <w:DoNotLeaveBackslashAlone /> <w:ULTrailSpace /> <w:DoNotExpandShiftReturn /> <w:AdjustLineHeightInTable /> <w:BreakWrappedTables /> <w:SnapToGridInCell /> <w:WrapTextWithPunct /> <w:UseAsianBreakRules /> <w:DontGrowAutofit /> <w:UseFELayout /> </w:Compatibility> <w:BrowserLevel>MicrosoftInternetExplorer4</w:BrowserLevel> </w:WordDocument> </xml><![endif]--><!--[if gte mso 9]><xml> <w:LatentStyles DefLockedState="false" LatentStyleCount="156"> </w:LatentStyles> </xml><![endif]--> <!--[if gte mso 10]> <mce:style><! /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:普通表格; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin:0cm; mso-para-margin-bottom:.0001pt; mso-pagination:widow-orphan; font-size:10.0pt; font-family:"Times New Roman"; mso-ansi-language:#0400; mso-fareast-language:#0400; mso-bidi-language:#0400;} --> <!--[endif]-->
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场景图 1 、角色图 1 、 FPS 80 - 90
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场景图 1 、角色图 100 、 FPS 25 - 35
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场景图 1 、角色图 1000 、 FPS 3 - 6
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三、完全在 BufferedImage 的 DataBuffer 中进行图像处理
实际上在 Java 网游海盗时代、 Java 网游暗影世界等等网络游戏、还有 netbaens 以及其它种种不算慢的 Java 应用中,都存在大量使用 DataBuffer 进行的图像渲染;但在使用方式上,却只有暗影使用的 JGnet 引擎与常用的 Image 与 Graphics 搭配模式较为接近,所以此示例使用了 JGnet 的部分代码构建。
( PS :实际上汉森的 JGnet 客户端引擎目前并未开源,此部分代码得自其主页 homepage.jar 的反编译,是前天我看 csdn 的 CTO 栏目专访汉森老总后去其首页发现的;视频中说 JGnet 有部分代码准备开源,我估计应该是 homepage.jar 里这部分,因为没有混淆且功能较少,其网站地址 http://www.handseeing.com ,纯 Applet 站点 )。
为给不愿反编译的看客提供方便,这里我稍微对 JGnet 进行一点分析(即 homepage.jar 中的那部分)。
就代码来看, JGnet 中所有 UI 继承自 GUIWidget ( GUIWidget 继承自 Container ),所有 JGnet 产生的 GUI 组件也都应当继承它。 JGnet 提供了一个 GUIRoot 为底层面板,所有 GUIWidget 衍生组件都应附着于 GUIRoot 之上,另外该引擎提供有 AbstractGameClient 、 ClientContext 接口及相关实现用以调度相关组件, JGnet 的 GUIRoot 载体可以使用 Applet 或者 Frame 。
JGnet 中大部分资源采用 zip 打包,当然也可以读取单图, JGnet 资源加载依赖于其提供的 ImageFactory 类, ImageFactory 的操作可分为如下两步:
第一步是 addArchive ,进行此步骤时指定的 zip 资源会被加载,其后将 read 图像资源为 ShortBufferImage ,再根据 zip 中该资源对应路径缓存到 daff.utill 包自备的 HashMap 中。
第二步是 getImage ,即获得指定路径的 ShortBufferImage 对象,此步骤以缓存优先,如果获得失败会尝试调用 loadImage 方法再次加载,并缓存到 daff 包自备的 HashMap 对象中。其中 loadImage 方法会根据后缀判定加载的资源类型,其中 jpg 、 gif 或者 png 后缀文件会调用 daff 包中提供的 AwtImageLoader 类转化为 ShortBufferImage ,而非此后缀文件会直接按照 ShortBufferImage 格式进行加载。
JGnet 的图像绘制主要使用其内部提供的 ShortBufferImage 及 ShortBufferGraphics 以及相关衍生类。 ShortBufferImage 是一个抽象类,没有父类,所有 JGnet 中图形资源都将表现为 ShortBufferImage ,绘制 ShortBufferImage 需要使用 daff.gui 包提供的专用画布 ShortBufferGraphics ,实际上 ShortBufferGraphics 是一个针对于 ShortBufferImage 的象素渲染器,内部以 short 数组形式保存有一个空白 BufferedImage 的 DataBuffer ,所有绘制基于其上。
同大多数网游一样, JGnet 中大量使用自定义图形格式 ( 后缀 .img) ,其解释与转化通过 CompressedImage 类得以完成,由于自定义格式通常能更简洁的声明图像中各元素关系,所以 JGnet 处理其自定义格式资源会比加载普通图像资源更快。
JGnet 会根据环境的不同会采用 MsJvmGraphics 或 SunJvmGraphics 两套绘图组件(皆继承自 ShortBufferGraphics ),据此我们可以初步断定其运行环境上兼容微软 jvm ,也就是最低可运行于 JRE1.1 之上。
讲解结束,下面我以 JGnet 进行针对 DataBuffer 进行渲染的 FPS 测试(对其某些细节进行了使用习惯上的扩展)。
1 、 DataBufferGameFrame.java
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2 、 DataBufferCanvas.java
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场景图 1 、角色图 1 、 FPS 140 - 160
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场景图 1 、角色图 100 、 FPS 115 - 125
<!--[if gte vml 1]><v:shape id="_x0000_i1026" type="#_x0000_t75" style='width:414.75pt;height:327.75pt'> <v:imagedata src="file:///C:/DOCUME~1/chenpeng/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image003.png" mce_src="file:///C:/DOCUME~1/chenpeng/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image003.png" o:title="20090402_jgnet_01" /> </v:shape><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->
场景图 1 、角色图 1000 、 FPS 55 - 70
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通过简单比较后我们可以发现, Graphics 绘图无论在直接 BufferedImage 双缓冲或者利用 BufferStrategy 以换取硬件加速的前提下,都无法与使用 DataBuffer 直接进行像素绘图的 ShortBufferGraphics 相比, BufferStrategy 在绘制千人时更出现了令笔者整个人都斯巴达了的 4 帧 ||| ,即使在测试中笔者改 BufferedImage 为 VolatileImage 也收效甚微,在配置较高的微机上应当会有些许改善,但用户使用机型却并非我们所能控制的。
由于 JGnet 中直接获得图像 DataBuffer 的 short[] 形式,并以此进行图像绘制,所以 ShortBufferImage 及 ShortBufferGraphics 称得上是一组先天的 Java 图形缓冲对象,就效率上讲,使用 ShortBufferGraphics 绘图获得的 FPS 明显高于使用 Graphics2D 绘图,这是数组操作先天性的效率优势所决定的。但缺点在于, ShortBufferImage 及 ShortBufferGraphics 其并非直接继承自 Image 与 Graphics ,两者间函数不能完全对应,有些常用方法尚待实现,很多常用方法尚需 ShortBufferGraphics 使用者自行解决。
单就效率而言,应该说采取 DataBuffer 进行缓冲绘图明显优于单纯利用 BufferStrategy 或者 BufferedImage 获得 Graphics 后进行绘图。
总体上看,如果我们追求最高 FPS ,则使用 BufferedImage 产生 DataBuffer 进行象素处理是最为高效的,与方法二混用后效率还将更高,但遗憾的是目前缺少相关开源组件,可用资源上略显不足,有待相关公司或者个人提供,另外我们也可以考虑功能混用,即主体部分使用 DataBuffer 渲染,未实现部分以 Graphics 补足,但这肯定会对运行效率产生影响。
由于 JGnet 目前属于闭源项目,所以我无法公开其任何代码实现。为此我自制了一个非常简单的 DataBuffer 中图像处理类 SimpleIntBufferImage ,以供各位看客参考。
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SimpleIntBufferImage.java 源码如下:
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简单应用:
效果如下: