Android基于繪制緩沖實現(xiàn)煙花效果
前言
三月以前，我也寫過《Android 煙花效果》，這篇我相當(dāng)于做了個基礎(chǔ)框架，在此基礎(chǔ)上擴展和填充，就能擴展出很多效果。不過，當(dāng)時，我在這篇文章中著重強調(diào)了一件事
重點：構(gòu)建閉合空間
之所以強調(diào)這件事的原因是，只有閉合空間的圖形才能填充顏色、圖片紋理。我們知道，Canvas 繪制方法僅僅只有圓、弧、矩形、圓角矩形是可以閉合的，除此之外就是Path了。
想象一下，如果讓你畫一個三角形并填充上顏色，你可能的方法只有通過裁剪Path或者使用Path繪制才行，而Path也有性能問題。
另外，閉合空間的填充也是件不容易的事。
所以，那篇文章中的煙花效果，本質(zhì)上還不夠完美，因為一些特殊的填充效果還是很難實現(xiàn)。
新方案
目前我覺得可行的方案有兩種
基于數(shù)學(xué)和Paint線寬漸變
如：貝塞爾曲線函數(shù) + strokeWidth漸漸增大 + Color 變化
這種方式是利用貝塞爾曲線計算出路徑（不用Path，根據(jù)數(shù)學(xué)公式描繪），然后再規(guī)定的時間內(nèi)讓Paint的strokeWidth隨著貝塞爾曲線 * time的偏移而增大，就能繪制出效果不錯的的煙花條。
基于繪制緩沖
首先，要知道什么是緩沖，緩沖其實就是通常意義上存儲數(shù)據(jù)的對象，比如byte數(shù)組、ByteBuffer等，但如果再聚焦Android 平臺，我們還有FBO、VBO等。當(dāng)然，最容易被忽略的是Bitmap，Bitmap 其實也是FBO的一種，不過這里我稱之為“可視化緩沖”。
如果追蹤的具體的對象上，除了Bitmap之外，Layer也是緩沖。
為什么使用緩沖可以優(yōu)化煙花效果呢？
我們先了解下緩沖的特性：
- 占用空間較大，狹義上來說，這種數(shù)據(jù)不僅僅占用空間大，而且（虛擬）內(nèi)存需要連續(xù)
- 空間可復(fù)用性強，如享元模式的ByteBuffer、alpha離屏渲染buffer、inBitmap等
- 會產(chǎn)生臟數(shù)據(jù)，比如上一次buffer中的數(shù)據(jù)，如果沒有清理的話依然會保存
- 數(shù)據(jù)可復(fù)用性強，臟數(shù)據(jù)并不一定“臟”，有時還能復(fù)用
我們最終利用的還是空間可復(fù)用性和數(shù)據(jù)可復(fù)用性，如果我們以每次都在上次的數(shù)據(jù)中繪制，那么，意味著可以繪制出更多效果，間接解決了閉合空間填充問題。
那么，本篇我們選哪種呢？
最終方案
本篇，我們就選擇基于緩沖的方案了，因為總的來說，第一種方式可能需要很多次的繪制，相當(dāng)考驗CPU。而使用繪制緩沖的的話，我們還可以復(fù)用上次的數(shù)據(jù)，這就相當(dāng)于將上一次的繪制畫面保留，然后再一次繪制時，在之前的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善，這種顯然是利用“空間換取時間”的做法。
詳細(xì)設(shè)計
本篇使用了繪制緩沖，原則上使用Bitmap是可以的，但是在使用的過程中發(fā)現(xiàn)，Bitmap在xformode繪制時性能還是很差，顯然提升流暢度是必要原則。那么，你可能想到利用線程異步繪制，是的，我也打算這么做，但是想到使用線程渲染，那為什么不使用TextureView、SurfaceView或者GLSurfaceView呢？于是，我就沒有再使用Bitmap的想法了。
但是，基于做以往的經(jīng)驗，我選了個兼容性最好性能最差的TextureView，其實我這里本打算選GLSurfaceView的，因為其性能和兼容性都是居中水平，不過涉及到頂點、紋理的一套東西，打算后續(xù)在音視頻專欄寫這類文章，因此本篇就選TexureView了。
簡單說下SurfaceView的問題，性能最好，但其不適合在滑動的頁面調(diào)用，因為有些設(shè)備會出現(xiàn)畫面漂移和縮放的問題，另外不支持clipchildren等，理論上也是適合本篇的，但是如果app回到后臺，其Surface會自動銷毀，因此，控制線程的邏輯就會有些復(fù)雜。
在這里我們看下TextureView源碼，其創(chuàng)建的SurfaceTexture并不是單緩沖模式，但是又有設(shè)置緩沖bufferSize大小的操作，此外TextLayer負(fù)責(zé)提供緩沖，因此，這里至少是雙緩沖。
mLayer = mAttachInfo.mThreadedRenderer.createTextureLayer();
boolean createNewSurface = (mSurface == null);
if (createNewSurface) {
// Create a new SurfaceTexture for the layer.
mSurface = new SurfaceTexture(false); //非單緩沖
nCreateNativeWindow(mSurface);
}
mLayer.setSurfaceTexture(mSurface);
mSurface.setDefaultBufferSize(getWidth(), getHeight());
mSurface.setOnFrameAvailableListener(mUpdateListener, mAttachInfo.mHandler);
if (mListener != null && createNewSurface) {
mListener.onSurfaceTextureAvailable(mSurface, getWidth(), getHeight());
}
mLayer.setLayerPaint(mLayerPaint);
}
下面是我們的詳細(xì)流程。
實現(xiàn)煙花邏輯
下面是我們本篇的實現(xiàn)流程。
定義FireExploreView
我們本篇基于TextureView實現(xiàn)繪制邏輯，而TextureView必須要開啟硬件加速，其次我們要實現(xiàn)TextureView.SurfaceTextureListener，用于監(jiān)聽SurfaceTexture的創(chuàng)建和銷毀。理論上，TextureView的SurfaceTexture可以復(fù)用的，其次，如果onSurfaceTextureDestroyed返回false，那么SurfaceTexture的銷毀是由你自己控制的，TextureView不會主動銷毀。
@Override
public boolean onSurfaceTextureDestroyed(SurfaceTexture surface) {
return false;
}
另外，我們要知道，默認(rèn)情況下TextureView使用的是TextureLayer，繪制完成之后，需要在RenderThread上使用gl去合成，這也是性能較差的主要原因。尤其是低配設(shè)備，使用TextureView也做不到性能優(yōu)化，最終還是得使用SurfaceView或者GLTextureView或者GLSurfaceView，當(dāng)然我比較推薦GL系列，主要是離屏渲染可以避免MediaCodec切換Surface引發(fā)黑屏和卡住的問題。
當(dāng)然，這里我們肯定也要使用到線程和Surface了，相關(guān)代碼如下
@Override
public void onSurfaceTextureAvailable(SurfaceTexture surfaceTexture, int width, int height) {
drawThread = new Thread(this);
this.surfaceTexture = surfaceTexture;
this.surface = new Surface(this.surfaceTexture);
this.isRunning = true;
this.drawThread.start();
}
@Override
public boolean onSurfaceTextureDestroyed(SurfaceTexture surface) {
isRunning = false;
if (drawThread != null) {
try {
drawThread.interrupt();
}catch (Throwable e){
e.printStackTrace();
}
}
drawThread = null;
//不讓TextureView 銷毀SurfaceTexture，這里返回false
return false;
}
定義粒子
無論任何時候，不要把粒子不當(dāng)對象，一些開發(fā)者對粒子對象嗤之以鼻，這顯然是不對的，不受管理的粒子憑什么聽你的指揮。
當(dāng)然，任何粒子的運動需要符合運動學(xué)方程，而二維平面的運動是可以拆分為X軸和Y軸單方向的運動的。
static final float gravity = 0.0f;
static final float fraction = 0.88f;
static final float speed = 50f; //最大速度
static class Particle {
private float opacity; //透明度
private float dy; // y 軸速度
private float dx; // x 軸速度
private int color; //此顏色
private float radius; //半徑
private float y; // y坐標(biāo)
private float x; // x坐標(biāo)
Particle(float x, float y, float r, int color, float speedX, float speedY) {
this.x = x;
this.y = y;
this.radius = r;
this.color = color;
this.dx = speedX;
this.dy = speedY;
this.opacity = 1f;
}
void draw(Canvas canvas, Paint paint) {
int save = canvas.save();
paint.setAlpha((int) (this.opacity * 255));
paint.setColor(this.color);
canvas.drawCircle(this.x, this.y, this.radius, paint);
canvas.restoreToCount(save);
}
void update() {
this.dy += gravity;
//加上重力因子，那么就會出現(xiàn)粒子重力現(xiàn)象，這里我們不使用時間了，這樣簡單點
this.dx *= fraction; // fraction 是小于1的，用于降低速度
this.dy *= fraction; // fraction 是小于1的，用于降低速度
this.x += this.dx;
this.y += this.dy;
this.opacity -= 0.03; //透明度遞減
}
}
上面是粒子以及更新方法、繪制邏輯。
管理粒子
我們使用List管理粒子
static final int maxParticleCount = 300; List<Particle> particles = new ArrayList<>(maxParticleCount);
初始化粒子
粒子的初始化是非常重要的，初始化位置的正確與否會影響粒子的整體效果，顯然，這里我們需要注意。
float angleIncrement = (float) ((Math.PI * 2) / maxParticleCount); //平分 360度
float[] hsl = new float[3];
for (int i = 0; i < maxParticleCount; i++) {
hsl[0] = (float) (Math.random() * 360);
hsl[1] = 0.5f;
hsl[2] = 0.5f;
int hslToColor = HSLToColor(hsl);
Particle p = new Particle(x, y,
2.5f,
hslToColor,
(float) (Math.cos(angleIncrement * i) * Math.random() * speed),
(float) (Math.sin(angleIncrement * i) * Math.random() * speed)
);
particles.add(p);
}
不過，在這里我們還需要注意的是，這里我們使用HLS，這是一種色彩空間，和RGB不一樣的是，他有Hue（色調(diào)）、飽和度、亮度為基準(zhǔn)，因此，有利于亮色的表示，因此適合獲取強調(diào)亮度的色彩。
與rgb的轉(zhuǎn)換邏輯如下
public static int HSLToColor(@NonNull float[] hsl) {
final float h = hsl[0];
final float s = hsl[1];
final float l = hsl[2];
final float c = (1f - Math.abs(2 * l - 1f)) * s;
final float m = l - 0.5f * c;
final float x = c * (1f - Math.abs((h / 60f % 2f) - 1f));
final int hueSegment = (int) h / 60;
int r = 0, g = 0, b = 0;
switch (hueSegment) {
case 0:
r = Math.round(255 * (c + m));
g = Math.round(255 * (x + m));
b = Math.round(255 * m);
break;
case 1:
r = Math.round(255 * (x + m));
g = Math.round(255 * (c + m));
b = Math.round(255 * m);
break;
case 2:
r = Math.round(255 * m);
g = Math.round(255 * (c + m));
b = Math.round(255 * (x + m));
break;
case 3:
r = Math.round(255 * m);
g = Math.round(255 * (x + m));
b = Math.round(255 * (c + m));
break;
case 4:
r = Math.round(255 * (x + m));
g = Math.round(255 * m);
b = Math.round(255 * (c + m));
break;
case 5:
case 6:
r = Math.round(255 * (c + m));
g = Math.round(255 * m);
b = Math.round(255 * (x + m));
break;
}
r = constrain(r, 0, 255);
g = constrain(g, 0, 255);
b = constrain(b, 0, 255);
return Color.rgb(r, g, b);
}
private static int constrain(int amount, int low, int high) {
return amount < low ? low : Math.min(amount, high);
}
粒子繪制
繪制當(dāng)然簡單了，方法實現(xiàn)不是很復(fù)雜，調(diào)用如下邏輯即可，當(dāng)然，opacity<=0 的粒子我們并沒有移除，原因是因為remove 時， 可能引發(fā)ArrayList內(nèi)存重整，這個是相當(dāng)消耗性能的，因此，還不如遍歷效率高。
protected void drawParticles(Canvas canvas) {
canvas.drawColor(0x10000000); //為了讓煙花減弱效果，每次加深繪制
for (int i = 0; i < particles.size(); i++) {
Particle particle = particles.get(i);
if (particle.opacity > 0) {
particle.draw(canvas, mPaint);
particle.update();
}
}
}
緩沖復(fù)用
那么，以上就是完整的繪制邏輯了，至于Surface調(diào)用邏輯呢，其實也很簡單。
不過這里要注意的是，只有接受到command=true的時候，我們才清理畫布，不然，我們要保留緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。我們知道，一般View在onDraw的時候，RenderNode給你的Canvas都是清理過的，而這里，我們每次通過lockCanvas拿到的Canvas是帶有上次緩沖數(shù)據(jù)的。
if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.M) {
canvas = surface.lockHardwareCanvas();
} else {
canvas = surface.lockCanvas(null);
}
if(isCommand){
canvas.drawColor(0x99000000, PorterDuff.Mode.CLEAR); //清理畫布
explode(getWidth() / 2f, getHeight() / 2f); //粒子初始化
isCommand = false;
}
//繪制粒子
drawParticles(canvas);
surface.unlockCanvasAndPost(canvas);
顯然，我們能得到兩條經(jīng)驗：
- lockCanvas獲取到的Canvas是帶有上次繪制數(shù)據(jù)的
- 利用緩沖繪制不僅強調(diào)結(jié)果，而且還強調(diào)過程，一般的Canvas繪制僅僅強調(diào)結(jié)果
Blend效果增強
實際上面的效果還有點差，就是尖端亮度太低，為此，我們可以使用Blend進(jìn)行增強，我們設(shè)置BlendMode為PLUS，另外上面我們的重力是0，現(xiàn)在我們調(diào)整一下gravity=0.25f。
PaintCompat.setBlendMode(mPaint, BlendModeCompat.PLUS);
效果
多線程繪制
總的來說，TextureView可以在一些情況下顯著提升性能，當(dāng)然，前提是你的主線程流暢。
這里的邏輯就是TextureView的用法了，我們就不繼續(xù)深入了，本篇末尾提供源碼。
新問題
評論區(qū)有同學(xué)反饋，在真機上很卡，我試了一下，發(fā)現(xiàn)不是卡，而是TextureView 不是單緩沖，兩次緩沖在沒有CLEAR時會有交替閃爍問題。
因此，為了優(yōu)化閃爍問題，我把可視化緩沖Bitmap重新加進(jìn)來，使用之后在上是沒有問題的，但是由于Android 6.0 之前的系統(tǒng)無法使用lockHardwareCanvas，卡頓是比較明顯的。
為啥模擬器表現(xiàn)比較好，可能刷新率比較低。
性能優(yōu)化
由于使用Bitmap作為緩沖，性能有所降低，我們這里進(jìn)行如下優(yōu)化
- 減少繪制區(qū)域大小
- 移除Surface 清理 canvas.drawColor(0x00000000, PorterDuff.Mode.CLEAR);
- Android 6.0+版本使用硬件Canvas
縮小繪制區(qū)域收益明顯，后續(xù)考慮先縮小后繪制，再利用Matrix放大。
總結(jié)
以上是本篇的內(nèi)容，也是我們要掌握的技巧，很多時候，我們對Canvas的繪制，過于強調(diào)結(jié)果，結(jié)果設(shè)計了很多復(fù)雜的算法，其實，基于過程的繪制顯然更加簡單和優(yōu)化。
到這里本篇就結(jié)束了，希望本篇對你有所幫助。
源碼
public class FireExploreView extends TextureView implements TextureView.SurfaceTextureListener, Runnable {
private TextPaint mPaint;
private SurfaceTexture surfaceTexture;
private Surface surface;
private BitmapCanvas mBitmapCanvas;
private boolean updateOnSizeChanged = false;
private volatile boolean isRunning = false;
private final Object lockSurface = new Object();
{
initPaint();
}
public FireExploreView(Context context) {
this(context, null);
}
public FireExploreView(Context context, @Nullable AttributeSet attrs) {
super(context, attrs);
setSurfaceTextureListener(this);
}
private void initPaint() {
//否則提供給外部紋理繪制
mPaint = new TextPaint(Paint.ANTI_ALIAS_FLAG);
mPaint.setAntiAlias(true);
mPaint.setStyle(Paint.Style.FILL_AND_STROKE);
mPaint.setStrokeCap(Paint.Cap.ROUND);
mPaint.setStyle(Paint.Style.FILL);
PaintCompat.setBlendMode(mPaint, BlendModeCompat.PLUS);
}
static final float gravity = 0.21f;
static final float fraction = 0.88f;
static final int maxParticleCount = 300;
List<Particle> particles = new ArrayList<>(maxParticleCount);
float[] hsl = new float[3];
volatile boolean isCommand = false;
static final float speed = 60f;
Thread drawThread = null;
public void startExplore() {
isCommand = true;
}
//初始化粒子
void explode(float x, float y) {
float angleIncrement = (float) ((Math.PI * 2) / maxParticleCount);
for (int i = 0; i < maxParticleCount; i++) {
hsl[0] = (float) (Math.random() * 360);
hsl[1] = 0.5f;
hsl[2] = 0.5f;
int hslToColor = HSLToColor(hsl);
Particle p = null;
if (particles.size() > i) {
p = particles.get(i);
}
if (p == null) {
p = new Particle();
particles.add(p);
}
p.init(x, y,
4f,
hslToColor,
(float) (Math.cos(angleIncrement * i) * Math.random() * speed),
(float) (Math.sin(angleIncrement * i) * Math.random() * speed)
);
}
}
protected void drawParticles(Canvas canvas) {
canvas.drawColor(0x10000000);
for (int i = 0; i < particles.size(); i++) {
Particle particle = particles.get(i);
if (particle.opacity > 0) {
particle.draw(canvas, mPaint);
particle.update();
}
}
}
static class Particle {
private float opacity;
private float dy;
private float dx;
private int color;
private float radius;
private float y;
private float x;
public void init(float x, float y, float r, int color, float speedX, float speedY) {
this.x = x;
this.y = y;
this.radius = r;
this.color = color;
this.dx = speedX;
this.dy = speedY;
this.opacity = 1f;
}
void draw(Canvas canvas, Paint paint) {
int save = canvas.save();
paint.setColor(argb((int) (this.opacity * 255),Color.red(this.color),Color.green(this.color),Color.blue(this.color)));
canvas.drawCircle(this.x, this.y, this.radius, paint);
canvas.restoreToCount(save);
}
void update() {
this.dy += gravity;
this.dx *= fraction;
this.dy *= fraction;
this.x += this.dx;
this.y += this.dy;
this.opacity -= 0.02;
}
}
Matrix matrix = new Matrix();
@Override
public void run() {
while (true) {
synchronized (this) {
try {
this.wait(16);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (!isRunning || Thread.currentThread().isInterrupted()) {
synchronized (lockSurface) {
if (surface != null && surface.isValid()) {
surface.release();
}
surface = null;
}
break;
}
Canvas canvas = null;
synchronized (lockSurface) {
if(mBitmapCanvas == null || updateOnSizeChanged) {
updateOnSizeChanged = false;
mBitmapCanvas = createBitmapCanvas(getWidth(),getHeight());
}
if(isCommand){
mBitmapCanvas.bitmap.eraseColor(0x00000000);
explode(mBitmapCanvas.getWidth() / 2f, mBitmapCanvas.getHeight() / 2f);
isCommand = false;
}
//這里其實目前沒有加鎖的必要，考慮到如果有其他SurfaceTexture相關(guān)操作會加鎖，這里先加鎖吧
if (android.os.Build.VERSION.SDK_INT >= android.os.Build.VERSION_CODES.M) {
canvas = surface.lockHardwareCanvas();
}else {
canvas = surface.lockCanvas(null);
}
Bitmap bitmap = mBitmapCanvas.getBitmap();
drawParticles(mBitmapCanvas);
matrix.reset();
matrix.setTranslate((getWidth() - bitmap.getWidth()) / 2f, (getHeight() - bitmap.getHeight()) / 2f);
canvas.drawBitmap(mBitmapCanvas.getBitmap(), matrix, null);
surface.unlockCanvasAndPost(canvas);
}
}
}
private BitmapCanvas createBitmapCanvas(int width,int height){
if(mBitmapCanvas != null){
mBitmapCanvas.recycle();
}
int size = Math.max(Math.min(width,height),1);
return new BitmapCanvas(Bitmap.createBitmap(size,size, Bitmap.Config.ARGB_8888));
}
static class BitmapCanvas extends Canvas{
Bitmap bitmap;
public BitmapCanvas(Bitmap bitmap) {
super(bitmap);
this.bitmap = bitmap;
}
public Bitmap getBitmap() {
return bitmap;
}
public void recycle() {
if(bitmap == null || bitmap.isRecycled()){
return;
}
bitmap.recycle();
}
}
@Override
public void onSurfaceTextureAvailable(SurfaceTexture surfaceTexture, int width, int height) {
this.drawThread = new Thread(this);
this.surfaceTexture = surfaceTexture;
this.surface = new Surface(this.surfaceTexture);
this.isRunning = true;
this.drawThread.start();
}
@Override
public void onSurfaceTextureSizeChanged(SurfaceTexture surface, int width, int height) {
updateOnSizeChanged = true;
}
@Override
public boolean onSurfaceTextureDestroyed(SurfaceTexture surface) {
isRunning = false;
if (drawThread != null) {
try {
drawThread.interrupt();
}catch (Throwable e){
e.printStackTrace();
}
}
drawThread = null;
return false;
}
@Override
public void onSurfaceTextureUpdated(SurfaceTexture surface) {
}
@ColorInt
public static int HSLToColor(@NonNull float[] hsl) {
final float h = hsl[0];
final float s = hsl[1];
final float l = hsl[2];
final float c = (1f - Math.abs(2 * l - 1f)) * s;
final float m = l - 0.5f * c;
final float x = c * (1f - Math.abs((h / 60f % 2f) - 1f));
final int hueSegment = (int) h / 60;
int r = 0, g = 0, b = 0;
switch (hueSegment) {
case 0:
r = Math.round(255 * (c + m));
g = Math.round(255 * (x + m));
b = Math.round(255 * m);
break;
case 1:
r = Math.round(255 * (x + m));
g = Math.round(255 * (c + m));
b = Math.round(255 * m);
break;
case 2:
r = Math.round(255 * m);
g = Math.round(255 * (c + m));
b = Math.round(255 * (x + m));
break;
case 3:
r = Math.round(255 * m);
g = Math.round(255 * (x + m));
b = Math.round(255 * (c + m));
break;
case 4:
r = Math.round(255 * (x + m));
g = Math.round(255 * m);
b = Math.round(255 * (c + m));
break;
case 5:
case 6:
r = Math.round(255 * (c + m));
g = Math.round(255 * m);
b = Math.round(255 * (x + m));
break;
}
r = constrain(r, 0, 255);
g = constrain(g, 0, 255);
b = constrain(b, 0, 255);
return Color.rgb(r, g, b);
}
private static int constrain(int amount, int low, int high) {
return amount < low ? low : Math.min(amount, high);
}
public static int argb(
@IntRange(from = 0, to = 255) int alpha,
@IntRange(from = 0, to = 255) int red,
@IntRange(from = 0, to = 255) int green,
@IntRange(from = 0, to = 255) int blue) {
return (alpha << 24) | (red << 16) | (green << 8) | blue;
}
public void release(){
synchronized (lockSurface) {
isRunning = false;
updateOnSizeChanged = false;
if (surface != null && surface.isValid()) {
surface.release();
}
surface = null;
}
}
}
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