Java2Dの心臓部！java.awt.geomパッケージ徹底解説

JavaでGUIアプリケーションやゲームを開発する際、避けては通れないのが2Dグラフィックスの描画です。その中核を担うのがjava.awt.geomパッケージです。このパッケージは、Java 2D APIの一部として、2次元の幾何学的図形を表現し、操作するための強力なクラス群を提供します。

この記事では、java.awt.geomパッケージの基本的な使い方から、複雑な図形の作成、図形同士の演算、さらには当たり判定や図形の変形といった実践的な応用まで、詳細なコード例を交えながら徹底的に解説します。この記事を読み終える頃には、java.awt.geomを自在に操り、表現力豊かな2Dグラフィックスを実現できるようになるでしょう。

第1章: 全ての図形の基本 `Shape` インタフェース

java.awt.geomパッケージを理解する上で、まず最初に知っておくべきなのがShapeインタフェースです。このインタフェースは、幾何学的な「形」を表す全てのオブジェクトが実装すべきメソッドを定義しています。つまり、後述するLine2D（線）やRectangle2D（長方形）といった具体的な図形クラスは、すべてこのShapeインタフェースを実装しています。

これにより、どんな形の図形であっても、Shape型として統一的に扱うことができます。これは、描画処理を非常に柔軟にしてくれる重要な概念です。たとえば、Graphics2Dクラスの描画メソッドdraw(Shape s)は、引数にShapeオブジェクトを取るため、長方形だろうと複雑な多角形だろうと、同じメソッドで描画できます。

Shapeインタフェースが提供する主要なメソッドには、以下のようなものがあります。

第2章: 基本的な図形クラス

java.awt.geomには、日常的によく使われる基本的な図形を表すクラスが多数用意されています。これらのクラスは、内部的に座標値を保持する方法として、単精度浮動小数点数 (float) を使う.Floatクラスと、倍精度浮動小数点数 (double) を使う.Doubleクラスの、2種類の静的内部クラスを持つのが一般的です。より高い精度が必要な場合は.Doubleを、メモリ効率を重視する場合は.Floatを選択します。

Point2D – 2次元の点

すべての基本となるのが、2次元座標空間上の一点を表すPoint2Dです。これは抽象クラスであり、通常はそのサブクラスであるPoint2D.FloatまたはPoint2D.Doubleを使用します。

import java.awt.geom.Point2D;

// double型で点を生成
Point2D.Double p1 = new Point2D.Double(10.5, 20.5);

// float型で点を生成
Point2D.Float p2 = new Point2D.Float(30.0f, 40.0f);

// 座標の取得
double x = p1.getX(); // 10.5
double y = p1.getY(); // 20.5

// 2点間の距離を計算
double distance = p1.distance(p2);
System.out.println("2点間の距離: " + distance);

Line2D – 線分

2つの点を結ぶ線分を表します。始点と終点の座標を指定して生成します。

import java.awt.geom.Line2D;

// 座標を指定して線分を生成
Line2D.Double line = new Line2D.Double(10, 20, 100, 120);

// Point2Dオブジェクトを使って線分を生成
Point2D.Double start = new Point2D.Double(10, 20);
Point2D.Double end = new Point2D.Double(100, 120);
Line2D.Double lineFromPoints = new Line2D.Double(start, end);

Rectangle2D – 長方形

左上の角の座標 (x, y) と、幅 (width)、高さ (height) で定義される長方形です。当たり判定や描画領域の指定など、用途は非常に広いです。

import java.awt.geom.Rectangle2D;

// 左上(x,y)=(50,50), 幅=200, 高さ=100 の長方形を生成
Rectangle2D.Double rect = new Rectangle2D.Double(50, 50, 200, 100);

// 長方形の中心座標を取得
double centerX = rect.getCenterX();
double centerY = rect.getCenterY();

// 特定の点が含まれるか判定
boolean containsPoint = rect.contains(60, 60); // true

// 別の長方形と交差するか判定
Rectangle2D.Double anotherRect = new Rectangle2D.Double(150, 100, 100, 100);
boolean intersects = rect.intersects(anotherRect); // true

Ellipse2D – 楕円

長方形の領域に内接する楕円（または円）を表します。長方形と同様に、外接する矩形の情報で定義します。

import java.awt.geom.Ellipse2D;

// (x,y)=(50,50), 幅=200, 高さ=100 の長方形に内接する楕円を生成
Ellipse2D.Double ellipse = new Ellipse2D.Double(50, 50, 200, 100);

// 正円を作成したい場合は、幅と高さを同じにする
Ellipse2D.Double circle = new Ellipse2D.Double(100, 100, 150, 150);

Arc2D – 円弧

楕円の一部である円弧を表します。定義が少し複雑で、外接矩形、開始角度、弧の角度、そして閉じ方のタイプを指定します。閉じ方には3種類あります。

• Arc2D.OPEN: 円弧のみ（閉じない）
• Arc2D.CHORD: 円弧の始点と終点を直線で結ぶ
• Arc2D.PIE: 円弧の始点と終点を、楕円の中心とそれぞれ直線で結ぶ（パイのような形）

import java.awt.geom.Arc2D;

// 外接矩形(50,50,200,200)、開始角度45度、弧の角度90度、パイ形式の円弧
// 角度は右向きが0度で、反時計回りに増加する
Arc2D.Double pieArc = new Arc2D.Double(50, 50, 200, 200, 45.0, 90.0, Arc2D.PIE);

第3章: 複雑な図形の作成 `Path2D`

基本的な図形だけでは表現できない、より自由で複雑な形状を作成したい場合に登場するのがPath2Dクラスです。Path2Dは、直線や二次曲線、三次ベジェ曲線といったセグメントを組み合わせて、任意の図形の輪郭（パス）を定義することができます。これは、ペンを使って紙に図形を描くプロセスに似ています。

Path2D.Float（以前はGeneralPathという名前でした）とPath2D.Doubleがあり、座標の精度で使い分けます。

ペン操作のイメージ

Path2Dの操作は、仮想的なペンを動かすメソッド群によって行います。

サンプルコード: 三角形と星形の作成

実際にPath2Dを使って、三角形と五芒星を作成してみましょう。

import java.awt.geom.Path2D;

// --- 三角形の作成 ---
Path2D.Double triangle = new Path2D.Double();
triangle.moveTo(100, 20);  // 頂点Aにペンを移動
triangle.lineTo(180, 150); // 頂点Bへ直線を引く
triangle.lineTo(20, 150);  // 頂点Cへ直線を引く
triangle.closePath();      // パスを閉じて三角形を完成させる (CからAへ直線を引く)

// --- 五芒星の作成 ---
Path2D.Double star = new Path2D.Double();
double centerX = 250;
double centerY = 100;
double outerRadius = 80;
double innerRadius = 30;
int numPoints = 5;

star.moveTo(centerX, centerY - outerRadius); // 一番上の頂点から開始

for (int i = 1; i < numPoints * 2; i++) {
    double angle = i * Math.PI / numPoints;
    double radius = (i % 2 == 0) ? outerRadius : innerRadius;
    double x = centerX + Math.sin(angle) * radius;
    double y = centerY - Math.cos(angle) * radius;
    star.lineTo(x, y);
}
star.closePath();

第4章: 図形の演算 `Area` クラス

java.awt.geomの中でも特に強力で便利なのがAreaクラスです。Areaは、任意のShapeオブジェクトから生成でき、図形同士の足し算や引き算といったブーリアン演算（Constructive Area Geometry – CSG）を簡単に行うことができます。

これにより、基本図形を組み合わせるだけでは作成が困難な、非常に複雑な形状（例えば、くり抜かれた図形など）を生成できます。

Areaの演算メソッド

Areaオブジェクトは、別のAreaオブジェクトを引数に取り、自身の形状を変化させるメソッドを持ちます。

サンプルコード: ドーナツと月の形

Areaの演算を使って、ドーナツ形（大きい円から小さい円をくり抜く）と三日月形（大きい円と少しずらした円の重なり）を作成してみましょう。

import java.awt.geom.Area;
import java.awt.geom.Ellipse2D;

// --- ドーナツ形の作成 ---
// まずは外側の大きな円
Ellipse2D.Double outerCircle = new Ellipse2D.Double(50, 50, 200, 200);
// 次に内側の小さな円
Ellipse2D.Double innerCircle = new Ellipse2D.Double(100, 100, 100, 100);

// Areaオブジェクトを生成
Area donut = new Area(outerCircle);
// 大きい円のAreaから小さい円のAreaをくり抜く
donut.subtract(new Area(innerCircle));

// --- 三日月形の作成 ---
Ellipse2D.Double moonBase = new Ellipse2D.Double(300, 50, 200, 200);
// 少しずらした円でくり抜く
Ellipse2D.Double moonSubtract = new Ellipse2D.Double(350, 50, 200, 200);

// Areaオブジェクトを生成
Area crescentMoon = new Area(moonBase);
// ベースの円からずらした円をくり抜く
crescentMoon.subtract(new Area(moonSubtract));

このように、Areaクラスを使えば、コーディングの発想が「どう描くか」から「どう組み合わせて形を作るか」へと変わり、より直感的で高度な図形デザインが可能になります。

第5章: 実践的応用

これまで学んできた図形クラスを、実際のアプリケーションでどのように活用するのか、具体的な応用例を見ていきましょう。

`Graphics2D`による図形の描画

作成したShapeオブジェクトを画面に表示するには、Graphics2Dクラスの描画メソッドを使用します。Graphics2Dは、ComponentのpaintComponent(Graphics g)メソッドの引数gをキャストすることで取得できます。

• draw(Shape s): 図形の輪郭線を描画します。
• fill(Shape s): 図形の内部を現在の色で塗りつぶします。

線の太さや種類はsetStroke()で、塗りつぶしや線の色はsetColor()やsetPaint()で設定できます。また、setRenderingHint()でアンチエイリアシングを有効にすると、図形の境界が滑らかになり、見た目の品質が向上します。

import javax.swing.*;
import java.awt.*;
import java.awt.geom.*;

public class DrawingPanel extends JPanel {
    @Override
    protected void paintComponent(Graphics g) {
        super.paintComponent(g);
        Graphics2D g2d = (Graphics2D) g;

        // アンチエイリアシングを有効化
        g2d.setRenderingHint(RenderingHints.KEY_ANTIALIASING, RenderingHints.VALUE_ANTIALIAS_ON);

        // 第3章で作成した星形を描画
        Path2D star = createStar(100, 100, 80, 30);
        g2d.setColor(Color.YELLOW);
        g2d.fill(star); // 塗りつぶし
        g2d.setColor(Color.BLACK);
        g2d.setStroke(new BasicStroke(3)); // 線の太さを3pxに
        g2d.draw(star); // 輪郭線を描画

        // 第4章で作成したドーナツを描画
        Area donut = createDonut(250, 100, 100, 50);
        g2d.setColor(new Color(239, 159, 119)); // 茶色っぽい色
        g2d.fill(donut);
    }
    
    // (createStar, createDonutメソッドの実装は省略)
}

当たり判定 (Collision Detection)

ゲーム開発などで必須となるのが、オブジェクト同士の当たり判定です。java.awt.geomは、この当たり判定を実装するのに非常に役立ちます。

矩形による単純な判定

最もシンプルで高速なのは、各オブジェクトのバウンディングボックス（外接矩形）同士が交差するかどうかで判定する方法です。ShapeのgetBounds2D()で矩形を取得し、intersects()メソッドを使います。

Shape shapeA = /* ... */;
Shape shapeB = /* ... */;

Rectangle2D boundsA = shapeA.getBounds2D();
Rectangle2D boundsB = shapeB.getBounds2D();

if (boundsA.intersects(boundsB)) {
    System.out.println("衝突している可能性がある！");
}

`Area`による精密な判定

矩形による判定は高速ですが、円形や複雑な形のオブジェクトでは、実際に当たっていなくても「衝突」と判定されてしまうことがあります。よりピクセルパーフェクトな当たり判定を行いたい場合は、Areaクラスが威力を発揮します。

2つのオブジェクトをAreaに変換し、その積集合 (intersect) を取ります。もし結果のAreaが空 (isEmpty()) でなければ、2つの図形はどこかで重なっている、つまり衝突していると判定できます。

Area areaA = new Area(shapeA);
Area areaB = new Area(shapeB);

// areaAを、areaBとの積集合で更新する
areaA.intersect(areaB);

if (!areaA.isEmpty()) {
    System.out.println("精密な判定で衝突を確認！");
} else {
    System.out.println("衝突していない。");
}

アフィン変換 (`AffineTransform`)

作成した図形を移動、回転、拡大・縮小、傾斜（せん断）させたい場合、java.awt.geom.AffineTransformクラスを使用します。アフィン変換は、線の直線性や平行性を保ったまま行う2次元の座標変換です。

AffineTransformオブジェクトを作成し、変換内容（回転や移動など）を設定した後、Graphics2Dに適用する方法と、Shapeオブジェクト自体を直接変形させる方法があります。

1. `Graphics2D`に適用する方法

この方法では、Graphics2Dの座標系自体を変換します。setTransform()を呼び出した後に行われるすべての描画処理は、その変換が適用された状態で行われます。

// 元のTransformを保存しておく
AffineTransform oldTransform = g2d.getTransform();

// (100, 50)だけ平行移動
g2d.translate(100, 50);

// 原点を中心に45度回転
g2d.rotate(Math.toRadians(45));

// この後に描画する図形は、移動・回転した状態で描画される
g2d.draw(new Rectangle2D.Double(0, 0, 80, 50));

// Transformを元に戻す
g2d.setTransform(oldTransform);

2. `Shape`を直接変形させる方法

AffineTransformのcreateTransformedShape(Shape src)メソッドを使うと、元のShapeオブジェクトは変更せずに、変形後の新しいShapeオブジェクトを生成できます。

Rectangle2D originalRect = new Rectangle2D.Double(10, 10, 80, 50);

// 拡大・縮小する変換を定義 (x方向に1.5倍, y方向に0.8倍)
AffineTransform scaleTransform = AffineTransform.getScaleInstance(1.5, 0.8);

// 元の長方形を変形させて、新しいShapeオブジェクトを得る
Shape scaledRect = scaleTransform.createTransformedShape(originalRect);

// 変形後の図形を描画
g2d.draw(scaledRect);

まとめ

本記事では、Javaの2Dグラフィックスの根幹をなすjava.awt.geomパッケージについて、その基礎から応用までを包括的に解説しました。

基本となるShapeインタフェースから始まり、Line2DやRectangle2Dといった基本的な図形クラス、Path2Dによる自由な形状の作成、そしてAreaクラスを使った強力な図形演算まで、一連の機能を学ぶことで、静的な図形描画から、ゲーム開発における当たり判定やアニメーションといった動的な処理まで、幅広いニーズに対応できる知識が身についたはずです。

特に、Areaによる図形合成と、AffineTransformによる座標変換は、Java 2Dプログラミングの表現力を飛躍的に向上させる強力なツールです。これらを組み合わせることで、アイデア次第で無限のビジュアル表現が可能になります。

java.awt.geomは、Javaプラットフォームが長年にわたって提供してきた、成熟し安定したAPIです。ここで得た知識は、Javaによるグラフィカルなアプリケーション開発において、長く役立つ確かな土台となるでしょう。