使用 Java 2D API 制作艺术动画

Paul Reiners 展示了如何通过 Java 2D API 和细胞自动机（cellular automata）以独特的艺术方式制作图像动画。在这个过程中，他演示了用 Java 代码实现图像操作器并介绍了循环空间（cyclic space ），循环空间是一种 2D 细胞自动机。您可以根据本文的思路创建自己的图像操作器，并使用 Java 技术创建艺术应用程序。

本文说明如何通过实现 BufferedImageOp 接口来编写自定义 Java 2D 图像处理类。它使用一个 2D 细胞自动机（CA），即循环空间，来构造图像处理应用程序。CA 会 “操作” 图像（例如，一个 PEG 文件），使图像不断地按有趣的方式转换。我希望本文能开阔您的视野，使您能编写一个全新的图像处理应用程序类。

2D 细胞自动机

2D 细胞自动机由分布在 2D 网格（通常称为布局）中的细胞 组成。每个细胞都有一个状态，可以是 0 到 n 之间的任意整数。清单 1 显示了如何用 Java 代码声明一个细胞自动机布局：

清单 1. 定义 TwoDCellularAutomaton.universe

				
protected int[][] universe;

所有细胞每个时刻都同时更新状态。一个细胞的新状态取决于该细胞的当前状态和它相邻细胞的当前状态，状态的转换根据特定的规则进行。清单 2 更新了下一时刻的布局：

清单 2. TwoDCellularAutomaton 类（部分清单）

				public void update() {
    int[][] newUniverse = new int[rowCount][colCount];
    for (int row = 0; row < rowCount; row++) {
        for (int col = 0; col < colCount; col++) {
            newUniverse[row][col] = updateCell(row, col);
        }
    }
    for (int row = 0; row < rowCount; row++) {
        for (int col = 0; col < colCount; col++) {
            universe[row][col] = newUniverse[row][col];
        }
    }
}

protected abstract int updateCell(int row, int col);

不同类型的 CA 更新单个细胞所用的规则不相同。规则的定义由子类完成。

循环空间

循环空间是由麦迪逊市威斯康星大学数学系的 David Griffeath 发现的，并由 A. K. Dewdney 在 Scientific American 的一个专栏中推广（请参阅 参考资料）。

在循环空间中，每个细胞都有一个状态，它是 n 种状态中的一种。每个细胞的初始状态通常是随机定义的，也就是说，是 0 和 n - 1（包括 0 和 n - 1）之间的一个随机数字。细胞的邻居定义为 von Neumann 邻居：包括它的上下左右 4 个邻近细胞。

清单 3 通过给出每个细胞邻居和细胞本身的不同座标来定义该细胞的 von Neumann 邻居：

清单 3. 定义 TwoDCellularAutomaton.VON_NEUMANN_NEIGHBORHOOD

				
protected static final int[][] VON_NEUMANN_NEIGHBORHOOD = { { -1, 0 },
        { 1, 0 }, { 0, -1 }, { 0, 1 } };

循环空间由以下规则定义：

如果一个细胞的状态是 k，它有一个邻居的状态是 k + 1，那么该状态在下一时刻将会有一个新的状态 k + 1。否则，该细胞的状态将保持不变。

这个规则是循环的，因此，如果一个细胞处于状态 n - 1，而且有一个状态为 0 的邻居，那么该细胞在下一时刻的状态将为 0。

ConvolveOp 算是一个细胞自动机 Java 2D API 的 ConvolveOp 类代表一个空间螺旋：每个目标像素的颜色通过对应的源像素及其邻居像素的颜色来确定。 您是不是觉得这个定义很熟悉呢？这与 2D 细胞自动机基本上是同一个东西，但不尽相同。例如，状态（颜色）是连续的而不是分散的（也不完全如此：RGB 值的个数是无限的，但很接近连续）。这使得该类更像是一个连续自动机。而且您不能使用像 CA 那样细的粒度控制基于细胞及其邻居细胞当前状态的新状态。 因此，您无法使用一个 ConvolveOp 定义循环空间，但它仍然是很有趣的。它是查看 ConvolveOp 的另一种方式。

这个简单规则会导致意想不到的复杂行为。清单 4 实现了在循环空间中更新细胞的规则：

清单 4. 定义 CyclicSpace.updateCell(int, int)

				
protected int updateCell(int row, int col) {
    int[] neighborStates = getNeighborStates(row, col, neighborhood);
    int currentState = universe[row][col];
    for (int i = 0; i < neighborStates.length; i++) {
        int neighborState = neighborStates[i];
        if (neighborState == (currentState + 1) % n) {
            return neighborState;
        }
    }

    return currentState;
}

我曾说过，循环空间布局的初始状态是随机的。细胞会被 “更大的” 细胞 “吃掉”，最后会再次循环回到状态 0。在这个过程中，区域自行组织并展开，成为波浪形。最后，会出现一个稳定的波浪图案。这些波浪呈对角线在布局中移动，看上去有点像纸风车。

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创建图像操作器

java.awt.image.BufferedImageOp 接口允许您创建自己的图像操作器（也称为过滤器）。本文只讨论 BufferedImageOp 的一个方法：

BufferedImage filter(BufferedImage src, BufferedImage dest)

src 和 dest 是 2D 像素网格。实现此方法时，您可以按任意方式从 src 构建 dest。普遍做法是在 src 中迭代像素，并按照一定规则在 dest 中创建相应的像素。这就是在图像处理应用程序中需要做的事情，我根据著名的法国画家 Georges-Pierre Seurat 将它命名为 Seurat（参见 下载 获取完整的示例代码）。

Seurat 应用程序

您可能知道图像像素与 CA 中的细胞存在映射关系。它们都以 2D 网格形式存在，每个都有状态，对于像素就是它的红绿蓝（RGB）值。我将在 filter(BufferedImage src, BufferedImage dest) 实现中探讨这种映射关系。对于 src 中的每个像素，我会根据一定规则将该像素的 RGB 值与 CA 中相应细胞的状态组合起来，创建 dest 中相应像素的新 RGB 值。这个规则将定义一个过滤器。

清单 5 显示如何迭代 src 中的所有像素并在 dest 中构建像素。抽象方法 getNewRGB(Color) 由单独的过滤器定义。它为输入颜色计算并返回经过过滤的 RGB 值。

清单 5. CellularAutomataFilter 类（部分清单）

本文转自IBM Developerworks中国

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