以前学习过分形几何，很有意思，由简单的数学公式迭代计算得到的分形图形，放大后不会丢失细节。典型的如Mandelbrot图形：
Mandelbrot.png
计算方式也不复杂，由f(z) = z^2 + c,迭代计算 z1=f(z0), z2=f(z1), z3=f(z2)...其中z, c都是复数，可以表示为复平面上的一个点，而每个点的计算次数可以映射为一个颜色值（就像不同温度映射为热成像），把这些不同坐标、不同颜色的点组合起来，就是一张分形图形了。分形图形的详细介绍可以看Matrix67网站。
那么，Android下如何实现呢？
已知使用Bitmap.setPixel(int x, int y, int color)方法可以将计算结果保存到Bitmap中，有多种方法展示：
- 一次计算出整个图形的Bitmap，显示到ImageView上：
计算时间可能较长，计算过程中看不到任何画面 - 使用SurfaceView，利用可以动态刷新的特点，开启多个线程各计算图片的一部分，某个线程计算完成后将结果刷新到Surface上，直到所有线程结束
- 使用TextureView，原理跟SurfaceView相同。在Android4.0之后使用，支持硬件加速，并且TextureView可以放大，缩小，平移等（这些操作在SurfaceView上无效）
SurfaceView效果图如下：
rects.gif
SurfaceView的基本使用
//创建SurfaceView，也可以直接放到layout布局中
SurfaceView surface = new SurfaceView(this);
//获取SurfaceHolder
SurfaceHolder holder = surface.getHolder();
//添加Callback
holder.addCallback(mCallback);
//创建Callback
SurfaceHolder.Callback mCallback = new SurfaceHolder.Callback() {
@Override
public void surfaceCreated(SurfaceHolder holder) {
//表示Surface准备好，可以绘制了
//绘制在整个Surface上
Canvas canvas = holder.lockCanvas();
canvas.drawColor(Color.BLACK);
holder.unlockCanvasAndPost(canvas);
//绘制在Surface中的一个矩形区域内
canvas = holder.lockCanvas(new Rect(0,0,100,100));
canvas.drawColor(Color.RED);
holder.unlockCanvasAndPost(canvas);
}
@Override
public void surfaceChanged(SurfaceHolder holder, int format, int width, int height) {
}
@Override
public void surfaceDestroyed(SurfaceHolder holder) {
//表示Surface销毁，不能绘制
}
};
几个注意点：
- Surface的可绘制状态是在SurfaceHolder.Callback的
surfaceCreated(SurfaceHolder holder)方法回调后，surfaceDestroyed(SurfaceHolder holder)方法回调前，可以用一个boolean变量标记可绘制状态，在每次绘制前先判断这个变量。如果在Surface创建前，或者Surface销毁后进行绘制，也会直接抛出异常
-
holder.unlockCanvasAndPost(Canvas c)，从方法名中的post可以看出，这个方法不是立即执行的，连续多次调用会一次显示最终的结果。比如，画一个矩形，调用unlockCanvasAndPost，接着画另一个矩形，调用unlockCanvasAndPost，Surface上会直接显示两个矩形 -
holder.lockCanvas(Rect r)，这个方法会从Surface中取出一块矩形区域进行刷新，Surface中的其他部分保持原样，也就是动态局部刷新。这个方法调用后会修改传入的参数 Rect r！！！如果后面还要用 r，就不能指望 r 中还是原来的数据，建议传入参数时构造一个新的Rect对象--lockCanvas(new Rect(r)) - 从lockCavas()到unlockCanvasAndPost()的过程只能有一个线程操作(不需要是主线程)。也就是不能线程A调用了lockCavas()，还没有unlock，另一个线程B就跑来lock，这时会直接抛出异常。要使用多线程操作SurfaceView的话，可以把这两个方法封装在一个同步方法里，或者使用其他方式保证同一时间只有一个线程在修改Surface
（下面是具体的方法）
计算一块矩形区域的分形图形，并保存到Bitmap中
调整传入的参数可以得到不同的图形
public Bitmap calculateBitmap(Rect r, float re, float im) {
Complex z = new Complex(0f,0f);
Complex c = new Complex(re, im);
Bitmap bitmap = Bitmap.createBitmap(r.width(), r.height(), Bitmap.Config.RGB_565);
for (int i = r.left - width / 2; i < r.right - width / 2; i++) {
for (int j = r.top - height / 2; j < r.bottom - height / 2; j++) {
z.re = i * 2f / width;
z.im = j * 3f / height;
int k = 0;
for (; k < ITERATE_TIMES; k++) {
if (z.abs() > 2) break;
z.mul(z);
z.add(c);
}
int color = generateColor(k);
bitmap.setPixel((i + width / 2) % r.width(), (j + height / 2) % r.height(), color);
}
}
return bitmap;
}
把迭代次数映射为颜色值
修改这个方法可以得到不同的颜色效果
protected int generateColor(int k) {
int r, g, b;
if (k < 16) {
g = 0;
b = 16 * k - 1;
r = b;
} else if (k < 32) {
g = 16 * (k - 16);
b = 16 * (32 - k) - 1;
r = g;
} else if (k < 64) {
g = 8 * (64 - k) - 1;
r = g;
b = 0;
} else { // range is 64 - 127
r = 0;
g = 0;
b = 0;
}
return Color.argb(255, r, g, b);
}
同步绘图
synchronized void drawBitmap(SurfaceHolder holder, Rect r, Bitmap bitmap) {
if (isAvailable.get()) {
Canvas canvas = holder.lockCanvas(new Rect(r));
canvas.drawBitmap(bitmap, r.left, r.top, null);
holder.unlockCanvasAndPost(canvas);
}
}
多线程计算
- 先将屏幕切分成多个矩形方块，便于开启多线程计算，将得到的所有Rect保存到一个集合中，可以使用
Collections.shuffle()方法打乱排序，获得不同的视觉效果； - 然后使用
Executors.newFixedThreadPool(5)方法建立一个最大5个线程的线程池（这个数字跟设备CPU核数有关，一般用2*核数+1。线程数太少不能充分发挥CPU的性能；线程数太多了没有意义，实际开不了那么多线程，但没有发现负面作用）； - 遍历Rect集合，每取出一个Rect就丢到线程池中去计算，计算完调用同步绘图方法刷新SurfaceView。
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
ArrayList<Rect> list = new ArrayList<>(xCount * yCount);
for (int i = 0; i < xCount; i++) {
for (int j = 0; j < yCount; j++) {
Rect r = new Rect(i * xSize, j * ySize, (i + 1) * xSize, (j + 1) * ySize);
list.add(r);
}
}
//打乱排序
Collections.shuffle(list);
for (final Rect r : list) {
executorService.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
Bitmap bitmap = calculateBitmap(r);
syncDraw(r, bitmap);
}
});
}
将Surface切分为条状的效果如下
bars.gif
上面是绘制一张图形的方法，改变calculateBitmap(Rect r, float re, float im)方法的参数可以得到完全不同的图形。如果每个线程计算一个参数下的整个图形，计算完刷新整个Surface，就能看到参数变化的动态效果（即帧动画，由于计算速度的限制，导致帧数很低-_-!!）：
(0.285,0.01).gif
这里用到生产者-消费者模型，多个线程生产（计算Bitmap），一个线程消费（将Bitmap绘制到SurfaceView上）。Java中一般而言有两种方法：一是利用wait/notify(notifyAll)机制；二是使用java.util.concurrent包中的对象，如BlockingQueue、ConcurrentMap等。后者能自动处理并发问题，使用起来比较方便，新代码中没有必要使用前者。当然后者也是对前者的封装，最好能了解前者的原理。
- 构造一个
ConcurrentHashMap<Integer, Bitmap>用于保存序号和对应的Bitmap图形 - 构造一个线程池，在一个固定次数（如500）的循环内，添加线程任务（生产者线程）：根据循环变量生成渐变的参数，计算出对应的Bitmap图形，然后将循环的次数和Bitmap图形添加到ConcurrentHashMap中（如果直接绘图，就不能保证图形变化跟随参数变化的顺序）
- 添加消费者线程任务：每个一段时间从ConcurrentHashMap中取出循环变量对应的Bitmap，要用
remove()而不是get()，否则map的大小会不断增大。如果取出的Bitmap不为空，就绘制到SurfaceView上（因为是单线程操作，所以没必要用同步方法），否则继续等待和取出。
注意要先添加消费者线程，再添加生产者线程（我的叙述是反的），否则消费者线程可能挤不进去！
final ConcurrentHashMap<Integer, Bitmap> map = new ConcurrentHashMap<>(10);
service = Executors.newFixedThreadPool(6);
service.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
int i = 0;
paint = new Paint();
paint.setColor(Color.RED);
while (isAvailable.get()) {
int waitTime = map.size() == 0 ? 1000 : 1000 / map.size();
SystemClock.sleep(waitTime);
Bitmap bitmap = map.remove(i);
if (bitmap != null) {
String text = "(" + String.format("%.5f", C.re + FACTOR_RE * i)
+" , " + String.format("%.5f", C.im + FACTOR_IM * i)
+ ") buffered: " + map.size();
drawBitmapAndText(bitmap, text);
i++;
}
}
}
});
for (int i = 0; i < 500; i++) {
final int I = i;
service.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
float re = C.re + FACTOR_RE * I;
float im = C.im + FACTOR_IM * I;
Bitmap bitmap = calculateBitmap(new Rect(0, 0, width, height), re, im);
map.put(I, bitmap);
}
});
}
调整参数的变化范围后的动画如下
(-0.75,0).gif
思路和主要代码上面都讲了，完整的项目代码放到了Github上：
- rome753/SurfacePaint，欢迎star和fork
感谢 http://www.matrix67.com 网站和分形绘图的开源项目 https://github.com/redknotmiaoyuqiao/Fractal
