Java 實現(xiàn)小球碰撞GUI

Dogee 發(fā)布于2019-08-15 15:23 / 2365人閱讀

摘要：球類的構(gòu)造函數(shù)。如果點文本框的信息被讀取，生成指定的小球。所有小球組成的列表?？蚣苄枰谋究?qū)崿F(xiàn)輸入，兩行，每行個變量。用于一行一行的放置文本框和按鈕類的構(gòu)造函數(shù)。

最后一次更新于2019/07/08
修復(fù)問題:

錯誤輸入未提醒問題

碰撞小球的圖形重疊問題

高速小球越界問題

感謝

大一暑假拜讀學(xué)姐的一篇文章：我說這是一篇很嚴(yán)肅的技術(shù)文章你信嗎，本篇在她的基礎(chǔ)上加以改進。

效果演示圖

基本思路

要實現(xiàn)小球運動，可以從以下幾點切入：

1. 小球都有那些具體特征?
涉及動能定理就需要考慮質(zhì)量了，除此之外常規(guī)的幾個變量也不能忘：方向、球的尺寸，所在位置以及當(dāng)前速度。
2. 誰能初始小球的狀態(tài)？
小球的狀態(tài)無非兩種：(隨機)默認(rèn)值、人工手動輸入。
3. 誰能控制小球的運動？
我們控制小球是需要給予一定的指令的，就算是鼠標(biāo)點擊也是簡單的指令之一，除此之外如果想要擁有稍微復(fù)雜一點的指令可以使用按鈕來實現(xiàn)。

根據(jù)分析，我們大概能構(gòu)造出大概的類，無非是一個專門描述小球狀態(tài)的，一個控制所有命令的，一個構(gòu)建出窗口和選項的。我們還可以在細(xì)化這三個類的功能：

球類

因為窗口也是二維的，構(gòu)造方法僅需要包含：質(zhì)量，沿x、y軸的分速度，二維坐標(biāo)表示的位置，顏色，大小, 所在的畫板。
小球的外在屬性：顏色，尺寸。
小球的移動情況:

遇到邊界直接反彈

移動距離利用公式：距離 = 當(dāng)前距離 + 速度 × 時間(這邊直接簡化成1)

小球之間的完全彈性碰撞公式：
$$frac{{{ m{(}}{{ m{m}}_1} - {m_2}){v_{10}} + 2{m_2}{v_{20}}}}{{{{ m{m}}_1} + {m_2}}}$$
$$frac{{{ m{(}}{{ m{m}}_2} - {m_1}){v_{20}} + 2{m_1}{v_{10}}}}{{{{ m{m}}_1} + {m_2}}}$$

碰撞的兩球形狀盡量不要重疊,當(dāng)程序檢測到這種意外時要盡可能拉開兩球之間的距離，直到兩球距離恰好等于兩球半徑之和。

代碼如下：

/**
 * 這個類主要是用來設(shè)置小球的各種屬性以及運動關(guān)系。
 * @author Hephaest
 * @version 2019/7/5
 * @since jdk_1.8.202
 */
import java.awt.Color;
import java.awt.Graphics;
import java.util.ArrayList;

public class Ball{

    /**
     * 聲明小球的各種變量。
     */
    private int xPos, yPos, size, xSpeed, ySpeed,mass;
    private Color color;
    private BallFrame bf;

    /**
     * 球類的構(gòu)造函數(shù)。
     * @param xPos 小球在X軸上的位置。
     * @param yPos 小球在Y軸上的位置。
     * @param size 小球的直徑長度。
     * @param xSpeed 小球在X軸上的分速度。
     * @param ySpeed 小球在Y軸上的分速度。
     * @param color 小球的顏色。
     * @param mass 小球的質(zhì)量。
     * @param bf 當(dāng)前小球所在的畫板。
     */
    public Ball(int xPos, int yPos, int size, int xSpeed, int ySpeed, Color color, int mass, BallFrame bf) {
        super();
        this.xPos = xPos;
        this.yPos = yPos;
        this.size = size;
        this.xSpeed = xSpeed;
        this.ySpeed = ySpeed;
        this.color = color;
        this.mass = mass;
        this.bf = bf;
    }

    /**
     * 在畫板上繪制小球。
     * @param g 當(dāng)前小球。
     */
    public void drawBall(Graphics g) {
        if(xPos + size> bf.getWidth() - 4) xPos = bf.getWidth() - size - 4;
        else if(xPos < 4) xPos = 4;
        if(yPos < 4) yPos = 4;
        else if(yPos > bf.getHeight()) yPos = bf.getHeight() - size - 4;
        g.setColor(color);        
        g.fillOval(xPos, yPos, size, size);    
    }

    /**
     * 該方法是用來判斷下一秒小球的移動方向并計算當(dāng)前小球的位置。
     * @param bf 當(dāng)前小球所在的畫板。
     */
    public void moveBall(BallFrame bf) {
        if (xPos + size + xSpeed > bf.getWidth() - 4 || xPos + xSpeed < 4)
        {
            xSpeed = -xSpeed;
        }
        if (yPos + ySpeed < 2 || yPos + size + ySpeed > bf.getHeight() - 163)
        {
            ySpeed = - ySpeed;
        }
        xPos += xSpeed;        
        yPos += ySpeed;

    }
    
    /**
     * 該方法是用于判斷碰撞是否發(fā)生了，如果發(fā)生了，盡量避免小球形狀之間的重疊。
     * @param balls 所有小球。
     */
    public void collision(ArrayList balls) {
        for (int i = 0; i < balls.size(); i++) {
            Ball ball = balls.get(i);
            if (ball != this) {        
                double d1 = Math.abs(this.xPos - ball.xPos);    
                double d2 = Math.abs(this.yPos - ball.yPos);    
                double d3 = Math.sqrt(Math.pow(d1,2) + Math.pow(d2,2));    
                if (d3 <= (this.size / 2 + ball.size / 2)) {
                    if (this.xPos > ball.xPos) {
                        xPos++;
                        while(Math.sqrt(Math.pow(this.xPos - ball.xPos,2) + Math.pow(d2,2)) < this.size / 2 + ball.size / 2) xPos++;
                    } else {
                        ball.xPos++;
                        while(Math.sqrt(Math.pow(ball.xPos - this.xPos,2) + Math.pow(d2,2)) < this.size / 2 + ball.size / 2) ball.xPos++;
                    }

                    /* 應(yīng)用完美彈性碰撞的速度公式 */
                    this.xSpeed=((this.mass - ball.mass) * this.xSpeed + 2 * ball.mass * ball.xSpeed)/(this.mass + ball.mass);
                    this.ySpeed=((this.mass - ball.mass) * this.ySpeed + 2 * ball.mass * ball.ySpeed)/(this.mass + ball.mass);
                    ball.xSpeed=((ball.mass - this.mass) * ball.xSpeed + 2 * this.mass * this.xSpeed)/(this.mass + ball.mass);
                    ball.ySpeed=((ball.mass - this.mass) * ball.ySpeed + 2 * this.mass * this.ySpeed)/(this.mass + ball.mass);
                }
            }
        }

    }

}

事件監(jiān)聽器

構(gòu)造方法中需要同時引入涉及文本框、按鈕和小球所在的類。

如果點擊鼠標(biāo)，生成一個除了大小給定其他隨機的彩色小球。

如果點 Play 文本框的信息被讀取，生成指定的小球。

如果點 Stop 小球停止運動但不消失。

如果點 Reset 文本框恢復(fù)默認(rèn)值，用戶可以選擇重新輸入。

如果點 Continue 小球繼續(xù)剛剛的運動。

如果點 Clear 小球停止運動且線程立即中斷。

代碼如下：

/**
 * 此類是用于監(jiān)聽 BallFrame GUI 的文字輸入和按監(jiān)聽的。
 * 用戶可以輸入?yún)?shù)然后點擊按鈕"Play"或者在畫板中指定區(qū)域單機鼠標(biāo)生成小球。  
 * @author Hephaest
 * @version 2019/7/5
 * @since jdk_1.8.202
 */
import java.awt.Color;
import java.awt.event.ActionEvent;
import java.awt.event.ActionListener;
import java.awt.event.MouseAdapter;
import java.awt.event.MouseEvent;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Random;
import java.util.regex.Pattern;

import javax.swing.*;

public class Listener extends MouseAdapter implements ActionListener,Runnable {
    /**
     * 聲明監(jiān)聽器里的所有變量。
     * 需要注意何時更改 clearFlag 和 pauseFlag 的布爾值。 
     */
    private BallFrame bf;
    private Random rand = new Random();
    private volatile boolean clearFlag = false, pauseFlag = false;
    private ArrayList ball;
    Thread playing;

    /**
     * 監(jiān)聽器的構(gòu)造函數(shù)。
     * @param bf BallFrame 類的實例。
     * @param ball 所有小球組成的列表。
     */
    public Listener(BallFrame bf, ArrayList ball) {
        this.bf = bf;
        this.ball = ball;
    }

    /**
     * 每次點擊小球時，只能直到生成小球的初始位置，但是它的速度分量都是隨機數(shù)。
     */
    public void mousePressed(MouseEvent e) {
        int x = e.getX();    
        int y = e.getY();
        if(x + 50 > bf.getWidth() - 4) x = bf.getWidth() - 54;
        else if(x < 4) x = 4;
        if(y < 163) y = 163;
        else if(y + 50 > bf.getHeight()) y = bf.getHeight() - 46;
        Ball newBall = new Ball(x, y - 163, 50, (1 + rand.nextInt(9) * (Math.random() > 0.5 ? 1 : -1)),
                (1 + rand.nextInt(9) * (Math.random() > 0.5? 1 : -1)),
                new Color(rand.nextInt(255),rand.nextInt(255), rand.nextInt(255)),rand.nextInt(9) + 1, bf);
        ball.add(newBall);
    }

    @Override
    /**
     * 該方法是 Runnable 的重寫。 
     * 如果用戶選擇暫停的話，需要停止畫板刷新和新的繪制。
     */
    public void run() {
        while (!clearFlag) {
            if(!pauseFlag)
            {
                bf.repaint();
                try {
                    Thread.sleep(30);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
            
    /**
     * 該方法用來響應(yīng)不同按鈕的需求。
     */
    public void actionPerformed(ActionEvent event) {
        String command = event.getActionCommand();
        if (command.equals("Play")) {
            if (checkValid(bf.massText.getText(), bf.sizeText.getText(), bf.xPositionText.getText(), bf.yPositionText.getText())) {
                startPlaying();
            } else {
                JOptionPane.showMessageDialog(null, "Please enter correct numbers!");
            }
        }
        if (command.equals("Stop")) {
            stopPlaying();
        }
        if (command.equals("Reset")) {
            setAllFields();
        }
        if (command.equals("Continue")) {
            continuePlaying();
        }
        if (command.equals("Clear")) {
            clearPlaying();
        }
    }

    /**
     * 該方法用來響應(yīng) "Reset" 按鈕。
     * 每個文本框都設(shè)置默認(rèn)值。
     * 重置完后無法再點擊 "Reset" 或 "Continue"。
     */
    void setAllFields() {
        bf.massText.setText("1");
        bf.xSpeedText.setText("1");
        bf.xPositionText.setText("0");
        bf.sizeText.setText("50");
        bf.ySpeedText.setText("1");
        bf.yPositionText.setText("0");
        bf.reset.setEnabled(false);
        bf.play.setEnabled(true);
        bf.Continue.setEnabled(false);
        bf.clear.setEnabled(true);
    }

    /**
     * 該方法用來響應(yīng) "Play" 按鈕。
     * 需要創(chuàng)建一個新的進程并設(shè)置 clearFlag 為 false, 這樣 run() 函數(shù)可以正常運行。
     * 運行完后無法再點擊 "play" again 或 "Continue"。
     */
    void startPlaying() {   
        playing = new Thread(this);
        playing.start();
        clearFlag = false;
        bf.play.setEnabled(false);
        bf.Continue.setEnabled(false);
        bf.stop.setEnabled(true);
        bf.reset.setEnabled(true);
        bf.clear.setEnabled(true);
        String xP = bf.xPositionText.getText();
        int x = Integer.parseInt(xP);
        String yP = bf.yPositionText.getText();
        int y = Integer.parseInt(yP);
        String Size = bf.sizeText.getText();
        int size = Integer.parseInt(Size);
        String Xspeed = bf.xSpeedText.getText();
        int xspeed = Integer.parseInt(Xspeed);
        String Yspeed = bf.ySpeedText.getText();
        int yspeed = Integer.parseInt(Yspeed);
        String Mass = bf.massText.getText();
        int mass = Integer.parseInt(Mass);
        Ball myball = new Ball(x, y, size, xspeed,yspeed, 
                new Color(rand.nextInt(255), rand.nextInt(255), rand.nextInt(255)), mass, bf);
        ball.add(myball);
    }

    /**
     * 該方法用來響應(yīng) "Stop" 按鈕。
     * 這個不需要重新繪制。
     * 用戶無法再點擊 "Stop" 按鈕。
     */
    void stopPlaying() {
        bf.stop.setEnabled(false);
        bf.play.setEnabled(true);
        bf.reset.setEnabled(true);
        bf.Continue.setEnabled(true);
        bf.clear.setEnabled(true);
        pauseFlag=true;
    }

    /**
     * 該方法用來響應(yīng) "Continue" 按鈕。
     * 需要設(shè)置 pauseFlag 的值用來一遍又一遍地重繪窗口。
     * 需要記住線程 "Playing" 仍在工作!
     * 用戶無法再點擊 "Continue" 按鈕。
     */
    void continuePlaying()
    {
        bf.stop.setEnabled(true);
        bf.play.setEnabled(true);
        bf.reset.setEnabled(true);
        bf.Continue.setEnabled(false);
        bf.clear.setEnabled(true);
        pauseFlag = false;
    }

    /**
     * 該方法用來響應(yīng) "Clear" 按鈕。
     * 通過將線程聲明為null來減少CPU的浪費。
     * 需要清空所有小球并重新繪制。
     * 用戶無法再點擊 "Clear" 或 "Stop" 或 "Continue" 按鈕。
     */
    void clearPlaying()
    {
        bf.clear.setEnabled(false);
        bf.stop.setEnabled(false);
        bf.play.setEnabled(true);
        bf.reset.setEnabled(true);
        bf.Continue.setEnabled(false);
        playing = null;
        clearFlag = true;
        ball.clear();
        bf.repaint();
    }

    /**
     * 核查用戶在文本框里的輸入是否正確。
     * @param mass 小球的質(zhì)量。
     * @param size 小球的直徑。
     * @param xPos 小球在X軸的位置。
     * @param yPos 小球在Y軸的位置。
     * @return 返回核驗結(jié)果。
     */
    private boolean checkValid(String mass, String size, String xPos, String yPos)
    {
        Pattern pattern = Pattern.compile("[0-9]*");
        if (!pattern.matcher(mass).matches() || !pattern.matcher(size).matches() || !pattern.matcher(xPos).matches() || !pattern.matcher(yPos).matches())
            return false;
        else if (Integer.parseInt(mass) <= 0 || Integer.parseInt(size) <= 0 || Integer.parseInt(xPos) < 0 || Integer.parseInt(yPos) < 0)
            return false;
        else
            return true;
    }
}

GUI框架

需要文本框?qū)崿F(xiàn)輸入，兩行，每行3個變量。

需要5個按鈕，分別代表 "Play"、"Stop"、"Reset"、"Continue"、"Clear"。

需要一個畫布，可以顯示出球類的動畫。

代碼如下

/**
 * 該類主要用于繪制GUI。
 * @author Hephaest
 * @version 2019/7/5
 * @since jdk_1.8.202
 */
import java.awt.FlowLayout;
import java.awt.Graphics;
import java.awt.Graphics2D;
import java.awt.GridLayout;
import java.awt.Image;
import java.awt.RenderingHints;
import java.util.ArrayList;

import javax.swing.JButton;
import javax.swing.JFrame;
import javax.swing.JLabel;
import javax.swing.JPanel;
import javax.swing.JTextField;
import javax.swing.UIManager;

public class BallFrame extends JFrame {
    private ArrayList ball = new ArrayList(); 
    private Image img;
    private Graphics2D graph;
    
/**
     * JPanel 用于一行一行的放置文本框和按鈕
     */
    JPanel row1 = new JPanel();
    JLabel mass = new JLabel("mass:", JLabel.RIGHT);
    JTextField massText, xSpeedText, xPositionText, sizeText, ySpeedText, yPositionText;
    JLabel xSpeed = new JLabel("xSpeed:", JLabel.RIGHT);
    JLabel xPosition = new JLabel("xPosition:", JLabel.RIGHT);
    JLabel size = new JLabel("size:", JLabel.RIGHT);
    JLabel ySpeed = new JLabel("ySpeed:", JLabel.RIGHT);
    JLabel yPosition = new JLabel("yPosition:", JLabel.RIGHT);

    JPanel row2 = new JPanel();
    JButton stop = new JButton("Stop");
    JButton Continue = new JButton("Continue");
    JButton clear = new JButton("Clear");
    JButton play = new JButton("Play");
    JButton reset = new JButton("Reset");

    /**
     * BallFrame 類的構(gòu)造函數(shù)。
     */
    public BallFrame()
    {
        super("BallGame");
        setSize(600, 600);
        setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);

        //使第一個模塊都是文本框。
        row1.setLayout(new GridLayout(2, 3, 10, 10));

        //把文本框和標(biāo)簽加到row1。
        row1.add(mass);
        massText = new JTextField("1");
        row1.add(massText);
        row1.add(xSpeed);
        xSpeedText = new JTextField("1");
        row1.add(xSpeedText);
        row1.add(xPosition);
        xPositionText = new JTextField("0");
        row1.add(xPositionText);
        row1.add(size);
        sizeText = new JTextField("50");
        row1.add(sizeText);
        row1.add(ySpeed);
        ySpeedText = new JTextField("1");
        row1.add(ySpeedText);
        row1.add(yPosition);
        yPositionText = new JTextField("0");
        row1.add(yPositionText);
        add(row1,"North");

        //使按鈕居中。
        FlowLayout layout3 = new FlowLayout(FlowLayout.CENTER, 10, 10);
        row2.setLayout(layout3);
        row2.add(play);
        row2.add(stop);
        row2.add(reset);
        row2.add(Continue);
        row2.add(clear);
        add(row2);
        
        setResizable(false);
        setVisible(true);
    }

    //主函數(shù)。
    public static void main(String[] args) {
        BallFrame.setLookAndFeel();
        BallFrame bf = new BallFrame();
        bf.UI();
    }

    /**
     * 添加監(jiān)聽器。
     */
    public void UI() {                               
        Listener lis = new Listener(this, ball);    
        this.addMouseListener(lis);    
        clear.addActionListener(lis);
        Continue.addActionListener(lis);
        stop.addActionListener(lis);
        play.addActionListener(lis);
        reset.addActionListener(lis);
        Thread current = new Thread(lis);     
        current.start();                        

    }

    /**
     * 這種方法是為了確?？绮僮飨到y(tǒng)能夠顯示窗口。
     */
    private static void setLookAndFeel() {
        try {
            UIManager.setLookAndFeel(
                "com.sun.java.swing.plaf.nimbus.NimbusLookAndFeel"
            );
        } catch (Exception exc) {
            // 忽略。
        }
    }

    /**
     * 該方法是用于重繪不同區(qū)域的畫布。
     */
    public void paint(Graphics g) {
        // Panel需要被重繪，不然無法顯示。
        row1.repaint(0,0,this.getWidth(), 80);
        row2.repaint(0,0,this.getWidth(), 42);
        img = this.createImage(this.getWidth(), this.getHeight());
        graph = (Graphics2D)img.getGraphics();
        //渲染使無鋸齒。
        graph.setRenderingHint(RenderingHints.KEY_ANTIALIASING, RenderingHints.VALUE_ANTIALIAS_ON);
        graph.setBackground(getBackground());
        //遍歷更新每一個小球的運動情況。
        for (int i = 0; i < ball.size(); i++) {
            Ball myBall = ball.get(i);
            myBall.drawBall(graph);
            myBall.collision(ball);
            myBall.moveBall(this);
        }
        g.drawImage(img, 0, 150, this);
    }
    
}

源碼

如果我的文章可以幫到您，勞煩您點進源碼點個 ★ Star 哦！
https://github.com/Hephaest/B...

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