最后一次更新于2019/07/08

修复问题:

错误输入未提醒问题

碰撞小球的图形重叠问题

高速小球越界问题

感谢

大一暑假拜读学姐的一篇文章：我说这是一篇很严肃的技术文章你信吗，本篇在她的基础上加以改进。

效果演示图

基本思路

要实现小球运动，可以从以下几点切入：

1. 小球都有那些具体特征?

涉及动能定理就需要考虑质量了，除此之外常规的几个变量也不能忘：方向、球的尺寸，所在位置以及当前速度。

2. 谁能初始小球的状态？

小球的状态无非两种：(随机)默认值、人工手动输入。

3. 谁能控制小球的运动？

我们控制小球是需要给予一定的指令的，就算是鼠标点击也是简单的指令之一，除此之外如果想要拥有稍微复杂一点的指令可以使用按钮来实现。

根据分析，我们大概能构造出大概的类，无非是一个专门描述小球状态的，一个控制所有命令的，一个构建出窗口和选项的。我们还可以在细化这三个类的功能：

球类

因为窗口也是二维的，构造方法仅需要包含：质量，沿x、y轴的分速度，二维坐标表示的位置，颜色，大小, 所在的画板。

小球的外在属性：颜色，尺寸。

小球的移动情况:

遇到边界直接反弹

移动距离利用公式：距离 = 当前距离 + 速度 × 时间(这边直接简化成1)

小球之间的完全弹性碰撞公式：

$$\frac{{{\rm{(}}{{\rm{m}}_1} - {m_2}){v_{10}} + 2{m_2}{v_{20}}}}{{{{\rm{m}}_1} + {m_2}}}$$

$$\frac{{{\rm{(}}{{\rm{m}}_2} - {m_1}){v_{20}} + 2{m_1}{v_{10}}}}{{{{\rm{m}}_1} + {m_2}}}$$

碰撞的两球形状尽量不要重叠,当程序检测到这种意外时要尽可能拉开两球之间的距离，直到两球距离恰好等于两球半径之和。

代码如下：

/**

* 这个类主要是用来设置小球的各种属性以及运动关系。

* @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{

/**

* 声明小球的各种变量。

*/

private int xPos, yPos, size, xSpeed, ySpeed,mass;

private Color color;

private BallFrame bf;

/**

* 球类的构造函数。

* @param xPos 小球在X轴上的位置。

* @param yPos 小球在Y轴上的位置。

* @param size 小球的直径长度。

* @param xSpeed 小球在X轴上的分速度。

* @param ySpeed 小球在Y轴上的分速度。

* @param color 小球的颜色。

* @param mass 小球的质量。

* @param bf 当前小球所在的画板。

*/

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;

}

/**

* 在画板上绘制小球。

* @param g 当前小球。

*/

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);

}

/**

* 该方法是用来判断下一秒小球的移动方向并计算当前小球的位置。

* @param bf 当前小球所在的画板。

*/

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;

}

/**

* 该方法是用于判断碰撞是否发生了，如果发生了，尽量避免小球形状之间的重叠。

* @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++;

}

/* 应用完美弹性碰撞的速度公式 */

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);

}

}

}

}

}

事件监听器

构造方法中需要同时引入涉及文本框、按钮和小球所在的类。

如果点击鼠标，生成一个除了大小给定其他随机的彩色小球。

如果点 Play 文本框的信息被读取，生成指定的小球。

如果点 Stop 小球停止运动但不消失。

如果点 Reset 文本框恢复默认值，用户可以选择重新输入。

如果点 Continue 小球继续刚刚的运动。

如果点 Clear 小球停止运动且线程立即中断。

代码如下：

/**

* 此类是用于监听 BallFrame GUI 的文字输入和按监听的。

* 用户可以输入参数然后点击按钮"Play"或者在画板中指定区域单机鼠标生成小球。

* @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 {

/**

* 声明监听器里的所有变量。

* 需要注意何时更改 clearFlag 和 pauseFlag 的布尔值。

*/

private BallFrame bf;

private Random rand = new Random();

private volatile boolean clearFlag = false, pauseFlag = false;

private ArrayList ball;

Thread playing;

/**

* 监听器的构造函数。

* @param bf BallFrame 类的实例。

* @param ball 所有小球组成的列表。

*/

public Listener(BallFrame bf, ArrayList ball) {

this.bf = bf;

this.ball = ball;

}

/**

* 每次点击小球时，只能直到生成小球的初始位置，但是它的速度分量都是随机数。

*/

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

/**

* 该方法是 Runnable 的重写。

* 如果用户选择暂停的话，需要停止画板刷新和新的绘制。

*/

public void run() {

while (!clearFlag) {

if(!pauseFlag)

{

bf.repaint();

try {

Thread.sleep(30);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

}

}

}

/**

* 该方法用来响应不同按钮的需求。

*/

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();

}

}

/**

* 该方法用来响应 "Reset" 按钮。

* 每个文本框都设置默认值。

* 重置完后无法再点击 "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);

}

/**

* 该方法用来响应 "Play" 按钮。

* 需要创建一个新的进程并设置 clearFlag 为 false, 这样 run() 函数可以正常运行。

* 运行完后无法再点击 "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);

}

/**

* 该方法用来响应 "Stop" 按钮。

* 这个不需要重新绘制。

* 用户无法再点击 "Stop" 按钮。

*/

void stopPlaying() {

bf.stop.setEnabled(false);

bf.play.setEnabled(true);

bf.reset.setEnabled(true);

bf.Continue.setEnabled(true);

bf.clear.setEnabled(true);

pauseFlag=true;

}

/**

* 该方法用来响应 "Continue" 按钮。

* 需要设置 pauseFlag 的值用来一遍又一遍地重绘窗口。

* 需要记住线程 "Playing" 仍在工作!

* 用户无法再点击 "Continue" 按钮。

*/

void continuePlaying()

{

bf.stop.setEnabled(true);

bf.play.setEnabled(true);

bf.reset.setEnabled(true);

bf.Continue.setEnabled(false);

bf.clear.setEnabled(true);

pauseFlag = false;

}

/**

* 该方法用来响应 "Clear" 按钮。

* 通过将线程声明为null来减少CPU的浪费。

* 需要清空所有小球并重新绘制。

* 用户无法再点击 "Clear" 或 "Stop" 或 "Continue" 按钮。

*/

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();

}

/**

* 核查用户在文本框里的输入是否正确。

* @param mass 小球的质量。

* @param size 小球的直径。

* @param xPos 小球在X轴的位置。

* @param yPos 小球在Y轴的位置。

* @return 返回核验结果。

*/

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

需要文本框实现输入，两行，每行3个变量。

需要5个按钮，分别代表 "Play"、"Stop"、"Reset"、"Continue"、"Clear"。

需要一个画布，可以显示出球类的动画。

代码如下

/**

* 该类主要用于绘制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钮

*/

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 类的构造函数。

*/

public BallFrame()

{

super("BallGame");

setSize(600, 600);

setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);

//使第一个模块都是文本框。

row1.setLayout(new GridLayout(2, 3, 10, 10));

//把文本框和标签加到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");

//使按钮居中。

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);

}

//主函数。

public static void main(String[] args) {

BallFrame.setLookAndFeel();

BallFrame bf = new BallFrame();

bf.UI();

}

/**

* 添加监听器。

*/

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();

}

/**

* 这种方法是为了确保跨操作系统能够显示窗口。

*/

private static void setLookAndFeel() {

try {

UIManager.setLookAndFeel(

"com.sun.java.swing.plaf.nimbus.NimbusLookAndFeel"

);

} catch (Exception exc) {

// 忽略。

}

}

/**

* 该方法是用于重绘不同区域的画布。

*/

public void paint(Graphics g) {

// Panel需要被重绘，不然无法显示。

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();

//渲染使无锯齿。

graph.setRenderingHint(RenderingHints.KEY_ANTIALIASING, RenderingHints.VALUE_ANTIALIAS_ON);

graph.setBackground(getBackground());

//遍历更新每一个小球的运动情况。

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);

}

}

源码

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