Android基于绘制缓冲实现烟花效果
作者：时光少年
前言
三月以前，我也写过《Android 烟花效果》，这篇我相当于做了个基础框架，在此基础上扩展和填充，就能扩展出很多效果。不过，当时，我在这篇文章中着重强调了一件事
重点：构建闭合空间
之所以强调这件事的原因是，只有闭合空间的图形才能填充颜色、图片纹理。我们知道，Canvas 绘制方法仅仅只有圆、弧、矩形、圆角矩形是可以闭合的，除此之外就是Path了。
想象一下，如果让你画一个三角形并填充上颜色，你可能的方法只有通过裁剪Path或者使用Path绘制才行，而Path也有性能问题。
另外，闭合空间的填充也是件不容易的事。
所以，那篇文章中的烟花效果，本质上还不够完美，因为一些特殊的填充效果还是很难实现。
新方案
目前我觉得可行的方案有两种
基于数学和Paint线宽渐变
如：贝塞尔曲线函数 + strokeWidth渐渐增大 + Color 变化
这种方式是利用贝塞尔曲线计算出路径（不用Path，根据数学公式描绘），然后再规定的时间内让Paint的strokeWidth随着贝塞尔曲线 * time的偏移而增大，就能绘制出效果不错的的烟花条。
基于绘制缓冲
首先，要知道什么是缓冲，缓冲其实就是通常意义上存储数据的对象，比如byte数组、ByteBuffer等，但如果再聚焦Android 平台，我们还有FBO、VBO等。当然，最容易被忽略的是Bitmap，Bitmap 其实也是FBO的一种，不过这里我称之为“可视化缓冲”。
如果追踪的具体的对象上，除了Bitmap之外，Layer也是缓冲。
为什么使用缓冲可以优化烟花效果呢？
我们先了解下缓冲的特性：
- 占用空间较大，狭义上来说，这种数据不仅仅占用空间大，而且（虚拟）内存需要连续
- 空间可复用性强，如享元模式的ByteBuffer、alpha离屏渲染buffer、inBitmap等
- 会产生脏数据，比如上一次buffer中的数据，如果没有清理的话依然会保存
- 数据可复用性强，脏数据并不一定“脏”，有时还能复用
我们最终利用的还是空间可复用性和数据可复用性，如果我们以每次都在上次的数据中绘制，那么，意味着可以绘制出更多效果，间接解决了闭合空间填充问题。
那么，本篇我们选哪种呢？
最终方案
本篇，我们就选择基于缓冲的方案了，因为总的来说，第一种方式可能需要很多次的绘制，相当考验CPU。而使用绘制缓冲的的话，我们还可以复用上次的数据，这就相当于将上一次的绘制画面保留，然后再一次绘制时，在之前的基础上进一步完善，这种显然是利用“空间换取时间”的做法。
详细设计
本篇使用了绘制缓冲，原则上使用Bitmap是可以的，但是在使用的过程中发现，Bitmap在xformode绘制时性能还是很差，显然提升流畅度是必要原则。那么，你可能想到利用线程异步绘制，是的，我也打算这么做，但是想到使用线程渲染，那为什么不使用TextureView、SurfaceView或者GLSurfaceView呢？于是，我就没有再使用Bitmap的想法了。
但是，基于做以往的经验，我选了个兼容性最好性能最差的TextureView，其实我这里本打算选GLSurfaceView的，因为其性能和兼容性都是居中水平，不过涉及到顶点、纹理的一套东西，打算后续在音视频专栏写这类文章，因此本篇就选TexureView了。
简单说下SurfaceView的问题，性能最好，但其不适合在滑动的页面调用，因为有些设备会出现画面漂移和缩放的问题，另外不支持clipchildren等，理论上也是适合本篇的，但是如果app回到后台，其Surface会自动销毁，因此，控制线程的逻辑就会有些复杂。
在这里我们看下TextureView源码，其创建的SurfaceTexture并不是单缓冲模式，但是又有设置缓冲bufferSize大小的操作，此外TextLayer负责提供缓冲，因此，这里至少是双缓冲。
mLayer = mAttachInfo.mThreadedRenderer.createTextureLayer();
boolean createNewSurface = (mSurface == null);
if (createNewSurface) {
// Create a new SurfaceTexture for the layer.
mSurface = new SurfaceTexture(false); //非单缓冲
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);
}
下面是我们的详细流程。
实现烟花逻辑
下面是我们本篇的实现流程。
定义FireExploreView
我们本篇基于TextureView实现绘制逻辑，而TextureView必须要开启硬件加速，其次我们要实现TextureView.SurfaceTextureListener，用于监听SurfaceTexture的创建和销毁。理论上，TextureView的SurfaceTexture可以复用的，其次，如果onSurfaceTextureDestroyed返回false，那么SurfaceTexture的销毁是由你自己控制的，TextureView不会主动销毁。
@Override
public boolean onSurfaceTextureDestroyed(SurfaceTexture surface) {
return false;
}
另外，我们要知道，默认情况下TextureView使用的是TextureLayer，绘制完成之后，需要在RenderThread上使用gl去合成，这也是性能较差的主要原因。尤其是低配设备，使用TextureView也做不到性能优化，最终还是得使用SurfaceView或者GLTextureView或者GLSurfaceView，当然我比较推荐GL系列，主要是离屏渲染可以避免MediaCodec切换Surface引发黑屏和卡住的问题。
当然，这里我们肯定也要使用到线程和Surface了，相关代码如下
@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;
//不让TextureView 销毁SurfaceTexture，这里返回false
return false;
}
定义粒子
无论任何时候，不要把粒子不当对象，一些开发者对粒子对象嗤之以鼻，这显然是不对的，不受管理的粒子凭什么听你的指挥。
当然，任何粒子的运动需要符合运动学方程，而二维平面的运动是可以拆分为X轴和Y轴单方向的运动的。
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 轴速度
private float dx; // x 轴速度
private int color; //此颜色
private float radius; //半径
private float y; // y坐标
private float x; // x坐标
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，那么就会出现粒子重力现象，这里我们不使用时间了，这样简单点
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; //透明度递减
}
}
上面是粒子以及更新方法、绘制逻辑。
管理粒子
我们使用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，初始化位置的正确与否会影响粒子的整体效果，显然，这里我们需要注意。
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);
}
不过，在这里我们还需要注意的是，这里我们使用HLS，这是一种色彩空间，和RGB不一样的是，他有Hue（色调）、饱和度、亮度为基准，因此，有利于亮色的表示，因此适合获取强调亮度的色彩。
与rgb的转换逻辑如下
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);
}
粒子绘制
绘制当然简单了，方法实现不是很复杂，调用如下逻辑即可，当然，opacity<=0 的粒子我们并没有移除，原因是因为remove 时， 可能引发ArrayList内存重整，这个是相当消耗性能的，因此，还不如遍历效率高。
protected void drawParticles(Canvas canvas) {
canvas.drawColor(0x10000000); //为了让烟花减弱效果，每次加深绘制
for (int i = 0; i < particles.size(); i++) {
Particle particle = particles.get(i);
if (particle.opacity > 0) {
particle.draw(canvas, mPaint);
particle.update();
}
}
}
缓冲复用
那么，以上就是完整的绘制逻辑了，至于Surface调用逻辑呢，其实也很简单。
不过这里要注意的是，只有接受到command=true的时候，我们才清理画布，不然，我们要保留缓冲区中的数据。我们知道，一般View在onDraw的时候，RenderNode给你的Canvas都是清理过的，而这里，我们每次通过lockCanvas拿到的Canvas是带有上次缓冲数据的。
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); //清理画布
explode(getWidth() / 2f, getHeight() / 2f); //粒子初始化
isCommand = false;
}
//绘制粒子
drawParticles(canvas);
surface.unlockCanvasAndPost(canvas);
显然，我们能得到两条经验：
- lockCanvas获取到的Canvas是带有上次绘制数据的
- 利用缓冲绘制不仅强调结果，而且还强调过程，一般的Canvas绘制仅仅强调结果
Blend效果增强
实际上面的效果还有点差，就是尖端亮度太低，为此，我们可以使用Blend进行增强，我们设置BlendMode为PLUS，另外上面我们的重力是0，现在我们调整一下gravity=0.25f。
PaintCompat.setBlendMode(mPaint, BlendModeCompat.PLUS);
效果
多线程绘制
总的来说，TextureView可以在一些情况下显著提升性能，当然，前提是你的主线程流畅。
这里的逻辑就是TextureView的用法了，我们就不继续深入了，本篇末尾提供源码。
新问题
评论区有同学反馈，在真机上很卡，我试了一下，发现不是卡，而是TextureView 不是单缓冲，两次缓冲在没有CLEAR时会有交替闪烁问题。
因此，为了优化闪烁问题，我把可视化缓冲Bitmap重新加进来，使用之后在上是没有问题的，但是由于Android 6.0 之前的系统无法使用lockHardwareCanvas，卡顿是比较明显的。
为啥模拟器表现比较好，可能刷新率比较低。
性能优化
由于使用Bitmap作为缓冲，性能有所降低，我们这里进行如下优化
- 减少绘制区域大小
- 移除Surface 清理 canvas.drawColor(0x00000000, PorterDuff.Mode.CLEAR);
- Android 6.0+版本使用硬件Canvas
缩小绘制区域收益明显，后续考虑先缩小后绘制，再利用Matrix放大。
总结
以上是本篇的内容，也是我们要掌握的技巧，很多时候，我们对Canvas的绘制，过于强调结果，结果设计了很多复杂的算法，其实，基于过程的绘制显然更加简单和优化。
到这里本篇就结束了，希望本篇对你有所帮助。
源码
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() {
//否则提供给外部纹理绘制
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;
}
//这里其实目前没有加锁的必要，考虑到如果有其他SurfaceTexture相关操作会加锁，这里先加锁吧
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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