szimuláció

Naprendszer szimulációt terveztünk és valósítottunk meg Java nyelven, amit három részből álló blog bejegyzés sorozatban mutatunk be (ez a 3. rész):

• Naprendszer szimuláció 1. rész – elméleti háttér
• Naprendszer szimuláció 2. rész – objektumorientált tervezés
• Naprendszer szimuláció 3. rész – megvalósítás Java nyelven

A Naprendszer szimuláció megvalósítása Java nyelven

Fejlesztőeszközként a Java Swinges projekthez a JDK+JRE aktuális verziót támogató NetBeans IDE-t használtuk. Hibakeresés során, a modell adatainak ellenőrzését és a működés helyességének egyszerű tesztelését, debuggolást konzolra történő szöveges kiírással oldottuk meg. A megvalósítás során az előre megtervezett osztálydiagramok alapján készült el Java nyelven a forráskód. Az MVC modell szerint elkülönített programrészek külön csomagokba kerültek, ezzel is kiemelve a funkciók szerinti szétválasztást – eleget téve a terv követelményeinek.

Részlet a Java forráskódból

Megmutatjuk a Java forráskódnak azt a részét, ami megvalósítja az elméleti háttérnél ismertetett transzformációs mátrix alkalmazását X tengely körüli elforgatásra, a nézőponttól való távolság függvényében az égitest látható méretének kiszámítását, valamint a 3D→2D leképezést.

A teljes és megjegyzésekkel ellátott forráskód ILIAS e-learning tananyagban hozzáférhető, letölthető, tesztelhető tanfolyamaink résztvevői számára.

Az elkészült Java Swinges alkalmazás felhasználói felülete

Tapasztalatok

• A Java nyelv erősen típusos, így a kötelező és sok lebegőpontos/egész átalakítás miatt észrevehető, hogy a legkisebb égitest (Hold) kissé ugrál.
• Az OO szempontból szép Java megvalósítás könnyen módosítható és bővíthető, a funkciók jól csoportosítottak, a felelősségi kör egyértelműen meghatározott.
• A projekt megtervezéséhez és elkészítéséhez magasabb szintű absztrakciós készség szükséges.
• A példaprogram alkalmas a különböző szakterületek, témakörök (matematika – lineáris algebra, fizika, számítógépes grafika, virtuális valóság modellezése) közötti kapcsolatok felismertetésére, megerősítésére, a (legalább részben) egymásra épülések felderítésére.
• A ter­v átgondolásával, implementálásával gyors, látványos eredmény érhető el, a sikerélmény hamar jelentkezik.

Továbbfejlesztési lehetőségek

• Célszerű ötlet a hardveres gyorsítás és 3D megjelenítés megvalósítása.
• Felkínálható lenne a felhasználó számára több paraméter módosítása.
• Az égitestek lehetnének textúrázhatók is.
• Az égitestek pozíciója kiinduló helyzetben lehetne valós.
• A szimuláció szükség esetén lehetne elindítható, leállítható, újraindítható, gyorsítható, lassítható.
• A terv könnyen implementálható lehet Java3D techno­lógia alkalmazásával, illetve DirectX és/vagy OpenGL támogatással is.
• Az égitestek pozíciója és mozgása demonstrálhatna/modellezhetne nevezetes együttállást is, külön esettanulmányként.
• A program paraméterezhető lehetne konfigurációs fájlból (amelynek formátuma tetszőleges: INI, XML).
• Fejlettebb matematikai modell is alkalmazható lenne.

Forrás

• Friedel, A.; Kaczur, S. (előadó: Friedel, A.): Naprendszer szimuláció a Virtuális valóság modellezése tantárgyban, Informatika Korszerű Technikái Konferencia, Dunaújváros, Dunaújvárosi Főiskola, 2012. november 16-17. (előadás hazai konferencián)
• Friedel, A.; Kaczur, S.: Naprendszer szimuláció a Virtuális valóság modellezése tantárgyban, Cserny, L.; Hadaricsné Dudás, N.; Nagy, B. (szerk): Dunakavics Könyvek 2. – Az Informatika Korszerű Technikái, Dunaújvárosi Főiskola, Új Mandátum Könyvkiadó, 2014, ISBN 978 963 287 069 4, ISSN 2064-3837, p. 72-84 (magyar nyelvű szakcikk)

Naprendszer szimulációt terveztünk és valósítottunk meg Java nyelven, amit három részből álló blog bejegyzés sorozatban mutatunk be (ez a 2. rész):

• Naprendszer szimuláció 1. rész – elméleti háttér
• Naprendszer szimuláció 2. rész – objektumorientált tervezés
• Naprendszer szimuláció 3. rész – megvalósítás Java nyelven

A Naprendszer szimuláció objektumorientált tervezése

A Naprendszer égitestjeinek ábrázolása a valódi világban előforduló méretük és távolságuk szerint történik azért, hogy a szimuláció stabil legyen. A példában a Nap és a három belső bolygó szerepel, valamint a Hold. Utóbbi igazolja, hogy nem csak Nap középpontú égitestekre működőképes a modell. A szimuláció diszkrét lépések véges sorozataként valósul meg, az egyes lépések között az égitestek a virtuális térben egyenes vonalú egyenletes mozgást végeznek. Olyan lépésközt kell választani, amely rövid idő alatt kellően nagy változást képes bemutatni, ilyen például az 1 számítási ciklus / 1 nap érték. 10 képkocka / másodperces megjelenítést feltételezve – melyet egy időzítő biztosít – egy virtuális év kb. 37 másodperc alatt telik el, vagyis a Föld ennyi idő alatt tesz meg egy teljes fordulatot a Nap körül. Az égitestek kezdő pozíciója fiktív, nem függ konkrét dátumtól, együttállástól, méretük a jobb láthatóság érdekében torzított.

A program indításakor a szimuláció automatikusan indul, és nincs lehetőség a leállításra. Az alkalmazás felületének tetején foglalnak helyet a kezelő nyomógombok, a többi részt a megjelenítés/transzformált modelltér tölti ki. Futás közben – egyszerű ese­mény­ke­zelést megvalósítva – lehet változtatni a méretarányt és a nézőpontot, így az ekliptika síkját felülről és elbillentve is ábrázolhatjuk.

Kivételkezelés nem szükséges a programhoz, mert ez egy önálló demonstrációs eszköz, nem épül rá több elem, nem érhetőek el a szolgáltatásai külső programok számára.

Meghatározott cél és a szempontok: a Java projektben a csomagokat az MVC szerint hozzuk létre, a funkciókat logikusan osszuk szét, csoportosítsuk, tartsuk be az objektumorientált szemléletmód elveit, használjunk interfészt, biztosítsuk az egység­bezárást, legyen öröklődés, alkalmazzuk a polimorfizmust, legyen szép és elegáns megoldás, legyen a jelölésrendszer UML osztálydiagram. Mindez grafikus asztali Java alkalmazásként valósuljon meg.

A modell csomag (M – Model)

A modellhez 1 interfész és 5 osztály tartozik:

Az AdatInterfesz tárolja a modell számításhoz és megjelenítéshez tartozó konstansait (ezek a szimuláció paraméterei), és metódusfejet nem tartalmaz. A Pont2D osztály egy kétdimenziós pont sémája, valós x és y koordinátapárral, eltol() és túlterhelt tavolsag() metódusokkal. Ennek leszármazottja a Pont3D osztály, amely mindezt három dimenzióban biztosítja, valamint pozícióként és sebességvektorként is használható. Az Egitest osztályból létrehozott objektumnak van mérete, pozíciója, sebessége, színe és tömege. Az interfészt implementálja az Adattar osztály, amelynek egitestLista nevű generikus listája elérhetővé és egységesen kezel­hetővé teszi a tervben felsorolt 5 égitestet. A ZIndex osztályú objektumok az égitestek kirajzolásakor szükséges mélységpufferbeli adatot képesek kezelni.

A nézet csomag (V – View)

A nézet 2 osztályból áll:

Az Ablak osztály egy javax.swing.JFrame le­szár­mazott, az alkalmazás teljes grafikus felületét biztosítja, valamint előkészíti az eseménykezelést. Tartalompanelje négy vezérlő nyomógombot tartalmaz és rajta található a rajzpanel objektum, a vaszon. A RajzPanel osztály egy javax.swing.JPanel leszármazott, amely kapcsolatban áll az adattárral, és kezeli a mélységpuffert. Ez felel a szimulált 3D térben lévő objektumok 2D-beli leképezéséért, figyelembe véve a nézőpont elmozdulását is. A rajzolást a felüldefiniált (öröklődés) paintComponent() metódus végzi el.

Az Ablak osztályú objektum elsődleges szerepet tölt be a megjelenítésben, keretbe foglalva a látható komponenseket, vagyis a kezelő nyomógombokat és a modellteret. Az objektum megvalósít egy ActionListener eseménykezelőt, így a program reagálni tud a felhasználó által kiváltott eseményekre. Az ablakobjektum nagyítás és forgatás üzenetek küldésével saját vásznát – és csak azt – frissíti.

A vezérlő csomag (C – Controller)

A vezérlőt 2 osztály valósítja meg:

A Main osztály összefogja a projektet, ez a végrehajtás belépési pontja. Szükség szerint átadja az MVC szerinti objektumok referenciáit egymásnak, ezzel biztosítva a kommunikációt közöttük, valamint el is indítja a szimulációt. A Logika osztály képes az égitestek gyorsulásának és vonzásának kiszámítására, az égitestek mozgatására, továbbá a megjelenítésért felelős komponenst megfelelő időközönként értesíti a képernyő frissítésének szükségességéről, ami az alapbeállítás szerint 30 frissítés másod­percenként.