利用Java实现数据矩阵的可视化

1. 引言

在进行工程开发时，通常需要在窗口的某个区域将有效数据形象化地呈现出来，例如：对于某一区域的高程数据以伪色彩的方式呈现出高度的变化，这就需要解决利用Java进行数据呈现的问题。本文将建立新工程开始，逐步地介绍利用容器实现数据呈现的方法。

2. 建立新工程

在Esclipse中选择菜单：File-->New-->Project

在弹出的对话框中，选择Java Project

随后，在新的窗口中设置工程名称与工程存储位置

在这里需要说明的是，一般情况下，工程的存储位置不建议使用缺省位置，建议根据自己的实际情况，指定工程存储的路径，这样有利于后期对工程文件的管理与维护。

工程设置好后，在Eclipse中会呈现下图形式，在Eclipse的左侧将新工程以目录形式呈现。

通过文件资源管理器，可以在电脑的软件系统中找到如下目录。后期编写的软件都会存储在这个目录的相应子目录中。也可以在这个目录内建立本工程独特的目录，用于对某些特殊类型文件的管理。

至此，一个新的工程框架已经构建，但其内尚无任何可编辑的代码，此时需要建立相应的类文件，以便构造出程序的入口。

右击工程PaintPic下的src目录，在弹出鼠标菜单中选择：New --> Class

设置类文件的名称

注意，这里的Source folder建议采用其默认值，不需要修改。

将新的类文件PaintMain加入工程后，该文件名称会出现在src目录下的缺省包内，同时在编码窗口也将该文件打开，可以进行编辑。

此时，在电脑的文件系统中，工程目录中的src子目录下会出现文件PaintMain.java

在建立类文件时，可以发现文件PaintMain.java被放置在工程的缺省包内。当进行一个较复杂项目的开发时，工程中会涉及大量的java文件，为了能够对文件进行分类管理，通常需要根据文件的分类建立不同的包，并将相应的文件放置在包内。

建立新的包。右击src目录，在弹出的鼠标菜单中选择：New --> Package

在弹出的窗口中，给出包的名称

同样，这里的Source folder建议采用其默认值，不需要修改。

点击完成后，会在工程PaintPic的src目录下生成一个新的包MainPackage

同时，在电脑的文件系统中，在工程PaintPic目录的src子目录下会生成一个名为MainPackage的新子目录。 

建立新的包后，可以直接将java文件拖到包内，也可选择右击包，建立新的类文件。

至此，一个工程的基本架构已经设置完成，后续将进行代码的编写。

3. 编写窗口文件

首先设置程序入口，在PaintMain类中增加代码

public static void main(String[] args) {EventQueue.invokeLater(new Runnable() {public void run() {try {PaintMain window = new PaintMain();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}});
}

代码中的PaintMain window = new PaintMain();指向程序PaintMain()。

在PaintMain()中进行窗口信息的设置。

public PaintMain() {// 设置应用的主窗口JFrame frame = new JFrame();// 设置窗口位置及大小frame.setBounds(0, 0, Toolkit.getDefaultToolkit().getScreenSize().width, Toolkit.getDefaultToolkit().getScreenSize().height);// 将窗口最大化frame.setExtendedState(JFrame.MAXIMIZED_BOTH);// 设置窗口关闭时即退出工程frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);// 设置窗口可见frame.setVisible(true);// 设置背景容器JPanel contentPane = new JPanel();contentPane.setBorder(new EmptyBorder(5, 5, 5, 5));contentPane.setLayout(null);contentPane.setSize(frame.getContentPane().getSize());frame.setContentPane(contentPane);}

在PaintMain()中，首先设置框架frame的相关参数，随后在框架frame中设置背景容器contentPane。注意，在框架中一定要有容器，后续的所有内容都需要以这个背景容器为基础建立。

此时，运行代码即可获得一个空白的窗口。

有了窗体后，我们需要在这个窗体的指定区域将有效数据可视化。这个区域也需要用容器来处理，因此，建立新的类Backgnd用于生成相应的容器。

public class Backgnd extends JPanel {public Backgnd() {// 设置JPanel的宽与高int width_JPanel = 1000;int height_JPanel = 1000;this.setSize(width_JPanel, height_JPanel);// 设置JPanel的左上角位置this.setLocation(30, 50);// 设置JPanel的背景颜色this.setBackground(Color.RED);}
}

在这个类中，定义了容器的宽度、高度（以像素为单位）、其左上角的位置、及背景颜色。

在Backgnd中完成对容器的设置后，还需要在PaintMain中将Backgnd类声明，并加入到背景容器contentPane中。

public PaintMain() {// 设置应用的主窗口JFrame frame = new JFrame();// 设置窗口位置及大小frame.setBounds(0, 0, Toolkit.getDefaultToolkit().getScreenSize().width, Toolkit.getDefaultToolkit().getScreenSize().height);// 将窗口最大化frame.setExtendedState(JFrame.MAXIMIZED_BOTH);// 设置窗口关闭时即退出工程frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);// 设置窗口可见frame.setVisible(true);// 设置背景容器JPanel contentPane = new JPanel();contentPane.setBorder(new EmptyBorder(5, 5, 5, 5));contentPane.setLayout(null);contentPane.setSize(frame.getContentPane().getSize());frame.setContentPane(contentPane);// 定义并加载地图显示窗口Backgnd backPanel = new Backgnd();// 将地图窗口加入到背景容器中contentPane.add(backPanel);}

再次运行工程，其效果如下：

由运行的结果可以看出，在工程窗体的左上部区域出现了一块红色背景的方块，这就是将来用于可视化数据的区域。

4.生成数据文件，并将其可视化

首先产生一组数据，数据的尺寸应与容器Backgnd的尺寸相当。确保每个像素点与数据中的每一位一一对应。

public static int[][] GenerateData(int width_Image, int height_Image){int[][] imageData = new int[width_Image][height_Image];double omega = Math.PI*2/500;for (int w = 0; w < width_Image; w++){for (int h = 0; h < height_Image; h++){imageData[w][h] = (int) (500*Math.sin(omega * w)*Math.cos(omega * h));}}return imageData;
}

这里是生成一个简单的波动数据。在实际中，这里应该是有效数据的整合代码。

随后，需要将数据转换为可进行图像显示的BufferedImage格式。

public static BufferedImage DrawImageBackground(int width_Image, int height_Image, int[][] imageData) {BufferedImage imageBackground = new BufferedImage(width_Image, height_Image, BufferedImage.TYPE_INT_RGB);// 获取数据中的最大值与最小值int d_max = 0;int d_min = 0;for (int wn = 0; wn < width_Image; wn++){for (int hn = 0; hn < height_Image; hn++) {d_max = Math.max(d_max, imageData[wn][hn]);d_min = Math.min(d_min, imageData[wn][hn]);}}// 为数据点赋颜色float r, g, b, temp;for (int wn = 0; wn < width_Image; wn++){for (int hn = 0; hn < height_Image; hn++) {// 颜色图设置temp = ((float) (imageData[wn][hn] - d_min)) / ((float) (d_max - d_min));r = temp;g = 1-temp;b = (float) (Math.sin(2*Math.PI*temp)*0.5 + 0.5);// 将颜色赋值给数据点imageBackground.setRGB(wn, hn, new Color(r, g, b).getRGB());}}return imageBackground;
}

在转换的过程中，需要对数据逐点进行着色。由于颜色参数r、g、b的取值范围是[0,1]，所以需要对数据的范围进行归一化，而后再根据不同的着色方案对参数进行赋值。

代码中，首先通过for循环实现对数据中最小值d_min与最大值d_max的提取。而后，再利用for循环逐一对各个数据点的值进行归一化。利用归一化的值，按着不同的着色方案设置相应的r、g、b值。

产生数据的程序GenerateData和将数据转换为特定格式的程序DrawImageBackground可以放置在同一个类文件内。

至此，可以将上述两程序加载到Backgnd类中，以使得数据能够在相应的容器内呈现。

public class Backgnd extends JPanel {BufferedImage imageBackground;	// 初始化背景图public Backgnd() {// 设置JPanel的宽与高int width_JPanel = 1000;int height_JPanel = 1000;this.setSize(width_JPanel, height_JPanel);// 设置JPanel的左上角位置this.setLocation(30, 50);// 设置JPanel的背景颜色this.setBackground(Color.RED);int[][] imageData = DataProcess.GenerateData(1000, 1000);imageBackground = DataProcess.DrawImageBackground(width_JPanel, height_JPanel, imageData);}public void paintComponent(Graphics g) { // 重载窗口组件的paint()方法// 1.调用父类函数完成初始化任务// 这句话不能少super.paintComponent(g);Graphics2D g2 = (Graphics2D) g;g2.setRenderingHint(RenderingHints.KEY_ANTIALIASING, RenderingHints.VALUE_ANTIALIAS_ON);g2.drawImage(imageBackground, 0, 0, this);}}

运行工程，得到下面的结果。

此至，完成了数据矩阵可视化的全部任务。

5. 结束语

本文只是给出了一个简单的数据矩阵可视化的例程，根据工程的实际情况，可以修改数据生成代码，着色代码等，形成工程所需的形式。