Фрактальная компьютерная графика

Слово фрактал образовано от латинского «fractus» и в переводе означает состоящий из фрагментов. Оно было предложено Бенуа Мандельбротом в 1975 году. Определение фрактала, данное Мандельбротом, звучит так: «Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому». Одним из основных свойств фракталов является самоподобие. В самом простом случае небольшая часть фрактала содержит информацию о всем фрактале. Понятия фрактал и фрактальная геометрия, появившиеся в конце 70-х, с середины 80-х прочно вошли в обиход математиков и программистов.

Фракталы широко применяются в компьютерной графике для построения изображений природных объектов, таких, как деревья, кусты, горные ландшафты, поверхности морей и т. д. Роль фракталов в машинной графике сегодня достаточно велика. Они приходят на помощь, например, когда требуется, получить линии и поверхности очень сложной формы. Фракталы используются для описания кривизны поверхностей. С точки зрения машинной графики, фрактальная геометрия незаменима при генерации искусственных облаков, объемных рельефных гор, поверхности моря. Фактически найден способ легкого представления сложных неевклидовых объектов, образы которых весьма похожи на природные. Фрактальная компьютерная графика широко используется при создании мультфильмов и фантастических художественных фильмов. Используются антенны, имеющие фрактальные формы, что сильно уменьшает их размеры и вес.

1. Теоретическая часть

1.1 Применение фракталов

· Компьютерные системы.

Наиболее полезным использованием фракталов в компьютерной науке является фрактальное сжатие данных. Достоинство фрактального сжатия изображений — очень маленький размер упакованного файла и малое время восстановления картинки. Фрактально упакованные картинки можно масштабировать без появления пикселизации. Но процесс сжатия занимает продолжительное время и иногда длится часами. Алгоритм фрактальной упаковки с потерей качества позволяет задать степень сжатия, аналогично формату jpeg.

В основе алгоритма лежит поиск больших кусков изображения подобных некоторым маленьким кусочкам. И в выходной файл записывается только какой кусочек какому подобен. При сжатии обычно используют квадратную сетку (кусочки — квадраты), что приводит к небольшой угловатости при восстановлении картинки, шестиугольная сетка лишена такого недостатка.

· Механика жидкостей.

Изучение турбулентности в потоках очень хорошо подстраивается под фракталы. Турбулентные потоки хаотичны и поэтому их сложно точно смоделировать.

При помощи фракталов также можно смоделировать языки пламени.

Пористые материалы хорошо представляются в фрактальной форме в связи с тем, что они имеют очень сложную геометрию. Это используется в нефтяной науке.

· Телекоммуникации.

В телекоммуникациях фракталы используются для создания фрактальных антенн. Фрактальные антенны — относительно новый класс электрически малых антенн (ЭМА), принципиально отличающийся своей геометрией от известных решений. По сути, традиционная эволюция антенн базировалась на евклидовой геометрии, оперирующей объектами целочисленной размерности (линия, круг, эллипс, параболоид и т. п.). Фрактальная антенны с удивительно компактным дизайном обеспечивает превосходную широкополосную производительность в маленьком форм-факторе. Достаточно компактны для установки или встраивания в различных местах, фрактальные антенны используются для морских, воздушных транспортных средств, или персональных устройств. На изображении выше пример фрактальной антенны.

Также в сфере сетевых технологий было проведено множество исследований показывающих самоподобие траффика передаваемого по разного рода сетям. Особенно это касается речевых, аудио и видео сервисов. Поэтому сейчас ведутся разработки и исследования возможности фрактального сжатия траффика передаваемого по сетям, с целью более эффективной передачи информации.

1.2 Классификация фракталов

Вообще фракталом называется предмет который обладает одним из указанных свойств:

v Обладает нетривиальной структурой на всех масштабах. В этом и есть отличие от регулярных фигур, таких как окружность или эллипс. Если мы рассмотрим небольшой фрагмент регулярной фигуры в крупном масштабе, то он будет похож на фрагмент прямой. Для фрактала увеличение масштаба не ведет к упрощению структуры, на всех шкалах мы увидим одинаково сложную картину.

v Является самоподобным или приближенно самоподобным.

v Обладает дробной метрической размерностью.

В основном фракталы классифицируют по трём видам:

1. Алгебраические фракталы

2. Геометрические фракталы

3. Стохастические фракталы Алгебраические фракталы Алгебраические фракталы — это самая крупная группа фракталов, получившая название за использование алгебраических формул. Методов получения алгебраических фракталов несколько. Один из методов представляет собой многократный (итерационный) расчет функции Zn+1=f (Zn), где Z — комплексное число, а f некая функция. Расчет данной функции продолжается до выполнения определенного условия. И когда это условие выполнится — на экран выводится точка. При этом функция для разных точек комплексной плоскости может иметь разное поведение: с течением времени она может стремиться к бесконечности; стремиться к 0; принимать несколько фиксированных значений и не выходить за их пределы. Поведение хаотично, без каких-либо тенденций. Таким образом было получено множество Мандельброта — фрактал, определённый, как множество точек С на комплексной плоскости. Бенуа Мандельброт предложил модель фрактала, которая стала классической и часто используется для демонстрации, как типичного примера самого фрактала, так и для демонстрации красоты фракталов, которая также привлекает исследователей, художников, просто интересующихся людей.

Рис. 1. Пример алгебраического фрактала.

Геометрические фракталы Фракталы этого класса самые наглядные, потому что в них сразу видна самоподобность. В двухмерном случае такие фракталы можно получить, задав некоторую ломаную, называемую генератором. За один шаг алгоритма каждый из отрезков, составляющих ломаную, заменяется на ломаную-генератор. В результате бесконечного повторения этой процедуры (а, точнее, при переходе к пределу) получается фрактальная кривая. При видимой сложности полученной кривой, её общий вид задается только формой генератора. Примерами таких кривых служат: кривая Коха (снежинка Коха), кривая Леви, кривая Минковского, кривая Пеано.

Рис. 2. Пример геометрического фрактала.

Стохастические фракталы Типичный представитель данного класса фракталов «Плазма». Для ее построения возьмем прямоугольник и для каждого его угла определим цвет. Далее находим центральную точку прямоугольника и раскрашиваем ее в цвет равный среднему арифметическому цветов по углам прямоугольника плюс некоторое случайное число. Чем больше случайное число — тем более «рваным» будет рисунок. Если мы теперь скажем, что цвет точки это высота над уровнем моря — получим вместо плазмы — горный массив. Именно на этом принципе моделируются горы в большинстве программ.

1.3 Виды фракталов

Рассмотрим несколько распространённых видов фракталов.

Решётка Серпинского.

Это один из фракталов, с которыми экспериментировал Мандельброт, когда разрабатывал концепции фрактальных размерностей и итераций. Треугольники, сформированные соединением средних точек большего треугольника вырезаны из главного треугольника, образовывая треугольник, с большим количеством дырочек. В этом случае инициатор — большой треугольник, а шаблон — операция вырезания треугольников, подобных большему. Так же можно получить и трехмерную версию треугольника, используя обыкновенный тетраэдр и вырезая маленькие тетраэдры. Размерность такого фрактала ln3/ln2 = 1.584 962 501.

Рис. 3. Решетка Серпинского.

Треугольник Серпинского.

Не перепутайте этот фрактал с решеткой Серпинского. Это два абсолютно разных объекта. В этом фрактале, инициатор и генератор одинаковы. При каждой итерации, добавляется уменьшенная копия инициатора к каждому углу генератора и так далее. Если при создании этого фрактала произвести бесконечное число итераций, он бы занял всю плоскость, не оставив ни одной дырочки. Поэтому его фрактальная размерность ln9/ln3 = 2.0.

Рис. 4. Треугольник Серпинского.

Кривая Коха.

Кривая Коха один из самых типичных детерминированных фракталов. Она была изобретена в 1904 году шведским математиком по имени Хельге фон Кох, который, изучая работы Георга Контора и Карла Вейерштрассе, натолкнулся на описания некоторых странных кривых с необычным поведением. Инициатор — прямая линия. Генератор — равносторонний треугольник, стороны которого равны трети длины большего отрезка. Эти треугольники добавляются к середине каждого сегмента снова и снова. В своем исследовании, Мандельброт много экспериментировал с кривыми Коха, и получил фигуры такие как Острова Коха, Кресты Коха, Снежинки Коха и даже трехмерные представления кривой Коха, используя тетраэдр и прибавляя меньшие по размерам тетраэдры к каждой его грани. Кривая Коха имеет размерность ln4/ln3 = 1.261 859 507.

Рис. 5. Кривая Коха.

Фрактал Мандельброта.

Это НЕ множество Мандельброта, которое можно достаточно часто видеть. Множество Мандельброта основано на нелинейных уравнениях и является комплексным фракталом. Это тоже вариант кривой Коха несмотря на то, что этот объект не похож на нее. Инициатор и генератор так же отличны от использованных для создания фракталов, основанных на принципе кривой Коха, но идея остается той же. Вместо того, чтобы присоединять равносторонние треугольники к отрезку кривой, квадраты присоединяются к квадрату. Благодаря тому, что этот фрактал занимает точно половину отведенного пространства при каждой итерации, он имеет простую фрактальную размерность 3/2 = 1.5

Рис. 6. Фрактал Мандельброта.

Кривая Дракона.

Изобретенная итальянским математиком Джузеппе Пеано, Кривая Дракона или Взмах Дракона, как он назвал его, очень похож на колбасу Минковского. Использован более простой инициатор, а генератор тот же самый. Мандельброт назвал этот фрактал Река Двойного Дракона. Его фрактальная размерность приблизительно равна 1.5236.

Рис. 7. Дракон Джузеппе Пеано.

Множество Мандельброта.

Множества Мандельброта и Жюлиа, вероятно, два наиболее распространенных среди сложных фракталов. Их можно найти во многих научных журналах, обложках книг, открытках, и в компьютерных хранителях экрана. Множество Мандельброта, которое было построено Бенуа Мандельбротом, наверное первая ассоциация, возникающая у людей, когда они слышат слово фрактал. Этот фрактал, напоминающий чесальную машину с прикрепленными к ней пылающими древовидными и круглыми областями, генерируется простой формулой Zn+1=Zna+C, где Z и C — комплексные числа и, а — положительное число.

Множество Мандельброта, которое чаще всего можно увидеть — это множество Мандельброта 2й степени, то есть а=2. Тот факт, что множество Мандельброта не только Zn+1=ZnІ+C, а фрактал, показатель в формуле которого может быть любым положительным числом ввел в заблуждение многих. На этой странице вы видите пример множества Мандельброта для различных значений показателя а.

Также популярен процесс Z=Z*tg (Z+C). Благодаря включению функции тангенса, получается множество Мандельброта, окруженное областью, напоминающей яблоко. При использовании функции косинуса, получаются эффекты воздушных пузырьков. Короче говоря, существует бесконечное количество способов настройки множества Мандельброта для получения различных красивых картинок.

Рис. 8. Множество Мандельброта.

Модель Джулии Модель фрактала Джулии имеет то же уравнение, что и модель Мандельброта: Z=Z²+c, только здесь переменным параметром является не c, a z.

Соответственно, меняется вся структура фрактала, так как теперь на начальное положение не накладывается никаких ограничений. Между моделями Мандельброта и Джулии существует такое различие: если модель Мандельброта является статической (так как z начальное всегда равно нулю), то модель Джулии является динамической моделью фрактала.

Рис. 9. Модель Джулии.

2. Постановка задачи

Необходимо спроектировать и разработать программный продукт, при помощи которого возможно наглядно посмотреть изображения фрактальной графики. Программа должна позволять раскрыть сущность фрактала — многократное самоповторение (всего изображения или определённой его части). Интерфейс должен быть максимально понятным. Скорость работы должна быть такой, чтобы сбалансировать производительность и качество, то есть при данной скорости прорисовывается достаточно наглядное изображение. Необходима так же возможность сохранения фрактального изображения. Программа должна быть интуитивно понятной и «не отталкивать при первом взгляде». Возможностями программы должны быть доступны прорисовки алгебраического и геометрического фракталов.

Программная структура представляет собой набор функций, каждая из которых является «формулой» прорисовки одного фрактала. И процедуры самой прорисовки.

Рис. 10. Схема работы программы.

Работать мы будем в среде программирования PascalABC.NET, поговорим о ней подробнее. PascalABC.NET — это язык программирования Паскаль нового поколения, который включает в себя классический Паскаль, большинство возможностей языка Delphi, а также ряд собственных расширений. Он реализован на платформе Microsoft.NET и содержит все современные языковые средства такие как: классы, перегрузку операций, интерфейсы, обработку исключений, обобщенные классы и подпрограммы, сборку мусора, лямбда-выражения, средства параллельного программирования.

PascalABC.NET является мультипарадигменным языком: на нем можно программировать в структурном, объектно-ориентированном и функциональном стилях. Также это простая и мощная интегрированная среда разработки, поддерживающая технологию IntelliSense, содержащая средства автоформатирования, встроенный отладчик и встроенный дизайнер форм. Кроме того, консольный компилятор PascalABC.NET функционирует на Linux и MacOS под Mono.

Среда PascalABC.NET проектируется как простая, но мощная оболочка, обеспечивающая подсветку синтаксиса, подсказку по коду (подсказка по точке, подсказка параметров подпрограмм, всплывающая подсказка по именам), форматирование текста программы по запросу, переход к определению и реализации подпрограммы, элементы рефакторинга. Она разрабатывается в большей степени с целью обучения программированию и содержит в своем составе ряд дополнительных модулей, предназначенных для обучения.

Особенности:

· доступ к существующим .NET библиотекам и возможность создания новых. В частности, существуют библиотеки для основных алгоритмов и структур данных.

· среда разработки, ориентированная на обучение: подсказки по коду, отладчик, автоформатирование кода и подсветка синтаксиса, простая навигация по коду и т. д.

· поддержка современных возможностей языков программирования: модули, классы, пространства имен, обработка исключений, сборка мусора и т. д.

· средства параллельного программирования (директивы OpenMP).

· обучающий инструментарий, сохранившийся с Pascal ABC: встроенный задачник, механизм проверяемых заданий, «исполнители» Робот и Чертежник и т. д.

По функциональному назначению выделяется три области экрана:

Ш Строка меню Ш Рабочая область Ш Строка состояния В рабочей области есть возможность открывать различные окна программы: окна редактируемого текста, окна помощи, отладки и настройки. Имя файла написано в заголовке окна. Строка состояния показывает некоторые доступные и важные в настоящее время операции и комбинации клавиш соответствующие им.

Рис. 11. Главное окно в PascalABC.NET

Основные команды и горячие клавиши.

Основные команды языка программирования Pascal и соответствующие им горячие клавиши:

· Ctrl+F9 — запуск программы

· Alt+F5 — просмотр пользовательского экрана

· F2 — сохранение программы

· F3 — открытие сохраненной программы

· Alt+F3 — закрытие активного окна

· Alt+X — выход из Турбо Паскаль

· F1 — контекстная помощь

· Ctrl+F1 — справка об операторе, на котором установлен курсор

· Alt+Backspace — отмена последнего изменения

· Ctrl+Y — удаление строки

· Shift+стрелки — выделение блока текста

· Ctrl+Insert — копирование выделенного блока в буфер

· Shift+Insert — вставка из буфера Операции отношения.

К операциям отношения в Pascal относят:

· > - больше

· < - меньше

· = - равно

· <> - не равно

· >= - больше или равно

· <= - меньше или равно В операциях отношения могут быть не только числа, но также и символы, строки, множества и указатели.

Приоритет операций.

Существует следующий приоритет операций:

· унарная операция not, унарный минус -, взятие адреса @

· операции типа умножения: * / div mod and

· операции типа сложения: + - or xor

· операции отношения: = <> < > <= >= in

Логические операции.

· NOT — логическое отрицание («НЕ»)

· AND — логическое умножение («И»)

· OR — логическое сложение («ИЛИ»)

· XOR — логическое («Исключающее ИЛИ»)

Структура программы Программа на языке Pascal состоит из заголовка, разделов описаний и раздела операторов. Заголовок программы должен содержат имя программы (program tab;)

Описания могут включать в себя:

фрактал стохастический множество кривая Рис. 12.Структура программы.

Раздел описания модулей. Состоит из служебного слова USES и содержит имена подключаемых модулей (библиотек). Раздел описания модулей должен быть первым среди разделов описаний. Имена модулей разделяются друг от друга запятыми (uses CRT, tab;).

Все метки, которые используются в программе, должны быть описаны в разделе описания меток (label 5, 365, 95, Quit;).

Описание констант позволяет использовать имена как синонимы констант, их необходимо определить в разделе описания констант:

const K=524; MAX= 17 850;

В разделе описания переменных необходимо внести все переменные, которые используются в программе, и еще нужно определить их тип:

var S, R, M: Integer;

B, Y: Char;

D5,D6: Boolean;

Раздел операторов — составной оператор, содержащий между служебными словами begin… end последовательность операторов. Операторы отделяются символом "; «. А текст заканчивается точкой (.) .

Кроме описаний и операторов PascalABC.NET может содержать комментарии, представляющие собой произвольную последовательность символов, которые располагаются между скобкой комментариев { … }:

3. Практическая часть

В этой части мы приступим к созданию фракталов, в нашем случае это треугольник Серпинского. Этот фрактал описал в 1915 году польский математик Вацлав Серпинский. Чтобы его получить, нужно взять (равносторонний) треугольник с внутренностью, провести в нём средние линии и выкинуть центральный из четырех образовавшихся маленьких треугольников. Дальше эти же действия нужно повторить с каждым из оставшихся трех треугольников, и т. д. На рисунке показаны первые три шага.

Рис. 13. Пошаговое создание треугольника Серпинского.

Выкидывание центральных треугольников — не единственный способ получить в итоге треугольник Серпинского. Можно двигаться «в обратном направлении»: взять изначально «пустой» треугольник, затем достроить в нём треугольник, образованный средними линиями, затем в каждом из трех угловых треугольников сделать то же самое, и т. д. Поначалу фигуры будут сильно отличаться, но с ростом номера итерации они будут всё больше походить друг на друга, а в пределе совпадут.

Рис. 14. Пошаговое создание треугольника Серпинского.

Вот наш конечный код написание нашей программы треугольника Серпинского в среде программирования PascalABC.NET.

program Serpinskiy;

uses CRT, GraphABC;

var

gd, gm: Integer;

const

iter = 9;

procedure tr (x1, y1, x2, y2, x3, y3: Real);

begin

Line (Round (x1), Round (y1), Round (x2), Round (y2));

Line (Round (x2), Round (y2), Round (x3), Round (y3));

Line (Round (x3), Round (y3), Round (x1), Round (y1));

end;

procedure draw (x1, y1, x2, y2, x3, y3: Real; n: Integer);

var

x1n, y1n, x2n, y2n, x3n, y3n: Real;

begin

if n > 0 then

begin

x1n := (x1 + x2) / 2;

y1n := (y1 + y2) / 2;

x2n := (x2 + x3) / 2;

y2n := (y2 + y3) / 2;

x3n := (x3 + x1) / 2;

y3n := (y3 + y1) / 2;

tr (x1n, y1n, x2n, y2n, x3n, y3n);

draw (x1, y1, x1n, y1n, x3n, y3n, n — 1);

draw (x2, y2, x1n, y1n, x2n, y2n, n — 1);

draw (x3, y3, x2n, y2n, x3n, y3n, n — 1);

end;

end;

begin

tr (320,10,600,470,40,470);

draw (320,10,600,470,40,470,iter);{}

end.

Рис. 15. Готовая программа в PascalABC.NET.

После того как написали код, следует запустить нашу программу. Для этого заходим в раздел «Программа» и выбираем пункт «Выполнить без связи с оболочкой» .

Рис. 16. Запуск программы.

После запуска откроется дополнительное окно, в котором мы можем увидеть наш готовый рисунок.

Рис. 17. Готовый Треугольник Серпинского.

Заключение

Наука о фракталах очень молода, потому что они стали появляться с развитием компьютерных технологий. Поэтому многое еще не изучено и многое еще предстоит открыть. Основная причина применения фракталов в различных науках заключается в том, что они описывают реальный мир иногда даже лучше, чем традиционная физика или математика. Мы выяснили, что фракталы можно применять не только в точных науках, но и практически во всем, что нас окружает. В этом мы можем убедиться на конкретном примере, представленном в практической части работы, а именно на примере создания фрактала треугольника Серпинского. Кроме большой функциональности, возможности применения фракталов в самых различных сферах жизни, это очень яркие, изумительные по своей красоте изображения, которые доставляют огромное эстетическое удовольствие, позволяют насладиться ими. Создавать свои собственные фракталы может каждый, используя доступные программы. От самого процесса создания совершенно для нас нового и одновременно невероятно красивого, порой фантастического, получаешь массу удовольствия. Фракталы очень разнообразны, как и их применение. Изучая фрактальные модели для практического применения, каждый сможет выбрать подходящее для себя направление.

1. Божокин С. В., Паршин Д. А. Фракталы и мультифракталы. РХД 2008 г.

2. Дж. Милнор Голоморфная динамика. РХД 2010 г.

3. Витолин Д. Применение фракталов в машинной графике. // Computerworld-Россия.-2007.

4. Пайтген Х.-О., Рихтер П. Х. Красота фракталов. — М.: «Мир», 2009.

5. Кроновер Р. М. Фракталы и хаос в динамических системах. Основы теории 2011.

6. Мандельброт Б. Самоаффинные фрактальные множества, «Фракталы в физике». М.: Мир 2010.

7. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. 2009.

8. Морозов А. Д.

Введение

в теорию фракталов. Н. Новгород: Изд-во Нижегород. ун-та 2009.