transzformáció - címke - Oldal 2 a 2-ből

Fibonacci-spirál

2023. augusztus 4.2020. november 23. Szerző: Balogh Péter

A Fibonacci-spirál a népszerű Fibonacci-sorozat elemei által meghatározott oldalhosszúságú négyzetekbe rajzolt maximális sugarú negyedkörök megfelelően összeillesztett darabjaiból/sorozatából áll. Sokszor hasonlítják az arany spirálhoz (jól közelíti), amely az aranymetszéshez kötődik.

A Fibonacci-spirál

Vegyük a Fibonacci-sorozat első 10 elemét! Rajzoljuk egymás mellé az alábbi elrendezésben belülről kifelé haladva az 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55 oldalhosszúságú négyzeteket (az alábbi ábrán vékony sárgával jelölve). Piros színnel rajzoljuk bele a négyzetekbe a négyzet oldalhosszával megegyező sugarú negyedköröket. A negyedkörök megfelelő elrendezésben folytonos görbét alkotnak, és ezt nevezzük Fibonacci-spirálnak (az alábbi ábrán vastag pirossal jelölve).

A rajzolás bármeddig folytatható, mert a sorozat végtelen, a négyzetek illeszkednek és az ábra rekurzív, önhasonló. Az alábbi animáció mutatja, hogyan alakul a spirál a nézőpont közelítésével. A viselkedés távolítás során is azonos lenne.

Korábban blogoltunk már a Fibonacci napról, amelyet minden évben november 23-án ünneplünk. A sorozat első néhány eleméből összeáll a 11.23. és értelmezhető dátumként. Most nem a sorozat elemeinek előállítására fókuszálunk, hanem arra, hogy ezekből felépítsük a Fibonacci-spirált.

Készítsünk Java programot!

Grafikus felületű Java programot készítünk, amely 21 animációs fázisban mutatja be a Fibonacci-sorozat első 10 eleméből álló Fibonacci-spirál felépítését. A rajzolás fázisai:

Az 1. fázis a kiindulópontként tekinthető fehér, üres rajzlap. A rajzlap fekvő, mérete 890*550 pixel, amelyre éppen elfér a 10 negyedkörből álló spirál.
A 2-11. fázisban megfelelő pozícióba/koordinátákra kerülnek fel az ábra vázát alkotó négyzetek, belülről kifelé haladva. A négyzetek oldalainak hosszúsága a sorozat elemeinek megfelelő. A szomszédos négyzetek különböző színekkel kitöltöttek és mindegyikben megjelenik a sorozat megfelelő eleme.
A 12-21. fázisban – szintén belülről kifelé haladva – a négyzetek törlődnek és helyükre a spirált alkotó negyedkörök kerülnek fekete színnel. A 21. fázist tekintjük végeredménynek.

A fázisok kézzel, nyilakkal jelölt (Első, Előző, Következő, Utolsó) vezérlő nyomógombokkal megjeleníthetők, illetve egyben, időzítve animációként is lejátszható a rajzolási folyamat. Az elkészült program működése megfigyelhető az ábrán:

A bejegyzéshez tartozó teljes forráskódot ILIAS e-learning tananyagban tesszük elérhetővé tanfolyamaink résztvevői számára.

A Java SE szoftverfejlesztő tanfolyamunkon, a szakmai modul Objektumorientált programozás témakörét követő 29-36. óra Grafikus felhasználói felület alkalmain már tudunk egyszerűbb szimulációs programot tervezni, kódolni, tesztelni.

Koch-görbe rajzolása

2023. július 8.2018. április 23. Szerző: Kaczur Sándor

A Koch-görbe egyike a legrégebben ismert egyszerű fraktáloknak. Mint ilyen, önhasonlóan rekurzív. Az önhasonlóság azt jelenti, hogy az ábra tetszőleges részét felnagyítva mindig hasonló/ugyanolyan részek jelennek meg (a méretaránytól függetlenül). Az n=1 szinten a Koch-görbe kiindulópontja egy szabályos háromszög. A n+1-edik szinten az n-edik szinten található szakaszokat harmadoljuk, és a középső szakasz helyére egy harmad akkora háromszög két szárát illesztjük (az alapját kihagyjuk). Ezt rekurzívan folytatva kapjuk meg a Koch-görbét, másképpen Koch-féle hópelyhet.

Írtam egy egyszerű Java programot, amely n=1-től 9-ig paraméterezhetően kirajzolja a Koch-görbét egy grafikus felületre. Így működik:

A program elkészítéséhez néhány alapvető dolgot kell csupán tudni:

Vászontechnikával tudunk swing GUI felületre ( Graphics osztályú g objektum) rajzolni, ahol a koordináta-rendszer origója egy téglalap alakú terület bal felső csúcsa, X jobbra növekszik, Y pedig lefelé növekszik.
Kétféle szín áll rendelkezésre: háttérszín (most Color.WHITE), illetve rajzolószín (most Color.BLUE).
A rajzoláshoz grafikai primitíveket használhatunk, például pont, szakasz, téglalap, ellipszis. Szakaszt két végpontjának koordinátáival tudunk rajzolni a drawLine() metódussal.
Be kell állítani a vászon méreteit, azaz annak a komponensnek ( JPanel-ből öröklött KochPanel osztályú pnKoch objektum) a méreteit, amelyre ráfeszül a vászon.
Egy Slider osztályú sSzint nevű vezérlőobjektum ChangeListener figyelőinterfész stateChanged() eseménykezelő metódust implementáló objektumával paraméterezzük a rajzolást 1-től 9-ig.
A pnKoch objektumnak küldött repaint() üzenet/metódushívás meghívja a felüldefiniált paintComponent() metódust.

@Override

protected void paintComponent(Graphics g) {

super.paintComponent(g);

g.setColor(Color.BLUE);

koch(n, 200, 51, 60, 300, g);

koch(n, 60, 300, 340, 300, g);

koch(n, 340, 300, 200, 51, g);

}

A szakasz négy darab harmad akkora szakaszra osztását a megfelelően paraméterezett rekurzív metódushívások oldják meg az alábbi lépéseket követve:

A rekurzív rajzolást a koch() metódus végzi el, ahol a fraktál szabályának megfelelően szakaszharmadolás és a szükséges pontok koordinátáinak (szakaszok végpontjai) kiszámítása történik:

private void koch(int n, int x1, int y1, int x5, int y5, Graphics g) {

if(n==1)

g.drawLine(x1, y1, x5, y5);

else {

double gy=Math.sqrt(3)/6;

int dx=x5-x1, dy=y5-y1,

x2=x1+dx/3, y2=y1+dy/3,

x3=(int)((x1+x5)/2+gy*(y1-y5)), y3=(int)((y1+y5)/2+gy*(x5-x1)),

x4=x1+dx*2/3, y4=y1+dy*2/3;

koch(n-1, x1, y1, x2, y2, g);

koch(n-1, x2, y2, x3, y3, g);

koch(n-1, x3, y3, x4, y4, g);

koch(n-1, x4, y4, x5, y5, g);

}

A Koch-görbének van néhány érdekes tulajdonsága:

kerülete minden rekurzív lépésben minden határon túl növekszik, azaz a végtelenhez tart,
területe véges, hiszen minden rekurzív lépésben belefér a háromszög köré írható körbe,
dimenziója tört, ~ 1,261859.

A bejegyzéshez tartozó teljes forráskódot ILIAS e-learning tananyagban tesszük elérhetővé tanfolyamaink résztvevői számára.

A feladat a Java SE szoftverfejlesztő tanfolyam szakmai moduljának 9-12. óra: Metódusok, rekurzió alkalomra építő 29-36. Grafikus felhasználói felület alkalomhoz kötődik.

Kígyókocka grafikus felületen

2023. január 1.2017. augusztus 18. Szerző: Kaczur Sándor

A JavaFX grafikus felhasználói felületének és eseménykezelésének megvalósítása némileg eltér más Java GUI implementációk működésétől, például swing vagy Java3D. Főként animációk során hasznos használni. Megközelítése természetesen objektumorientált: a térbeli objektumok koordinátái, viselkedésük, transzformációkkal valósul meg, és azok is objektumok. A korábban elkészített konzolos kígyókocka programot valósítjuk meg most JavaFX GUI-val.

Ez egy két részből álló blog bejegyzés 2. része. A blog bejegyzés 1. része itt található.

A program működése

A program megvalósítása

A start() JavaFX életciklust indító eljárás felépíti a createGridUI() függvényt meghívva a felhasználói felületet (színpad/jelenet JavaFX-ben), beállítva a méreteket, címsort, és meghívja az eseménykezelésért felelős handleRotateButtons() eljárást.

@Override

public void start(Stage stage) {

StackPane root=new StackPane();

root.getChildren().add(createGridUI());

Scene scene=new Scene(root,

DRAW_AREA.getWidth()+160, DRAW_AREA.getHeight()+146);

stage.setTitle("Snake cube 2.0");

stage.setScene(scene);

stage.setResizable(false);

stage.show();

handleRotateButtons();

}

A createGridUI() függvény a grafikus felhasználói felület elemeit paraméterezi (szerepe szerint Factory metódus). Öt elemből álló rács ( GridPane osztályú grid nevű objektum) készül el, amelyre nyilakat tartalmazó nyomógombok (pl.: Button típusú btLeft objektum) kerülnek fel a négy égtájnak megfelelően, valamint rajta középen helyezkedik el a kígyókocka 3D megjelenítését megvalósító objektum. A nyilak entitásai az Unikód karaktertáblából származnak. A kígyókocka objektumot a meghívott createSnakeCube() függvény hozza létre. A Node osztályú snakeCube nevű objektum geometriai transzformációs objektumot is hozzá kell rendelni: ez most a négyirányú forgatást megvalósítani képes névtelen Rotate osztályú objektum lesz. A forgatást 5 paraméterrel célszerű beállítani (van rá megfelelő túlterhelt konstruktor), ezek rendre: szög, X, Y, Z tengely origója és a forgatás tengelye. Az objektumok tulajdonosi hierarchiája swing-es szemmel nézve szokatlannak tűnik, de szemléletben legalább azonos a Java3D és a JavaFX megvalósítás.

private GridPane createGridUI() {

String textStyle="-fx-font-size:32; -fx-text-fill: blue";

btUp.setStyle(textStyle);

btDown.setStyle(textStyle);

btLeft.setStyle(textStyle);

btRight.setStyle(textStyle);

GridPane grid=new GridPane();

grid.setHgap(10);

grid.setVgap(10);

grid.add(btUp, 1, 0);

GridPane.setHalignment(btUp, HPos.CENTER);

grid.add(btLeft, 0, 1);

grid.add(btRight, 2, 1);

grid.add(btDown, 1, 2);

GridPane.setHalignment(btDown, HPos.CENTER);

Pane drawSnakeCube=new Pane();

drawSnakeCube.setPrefSize(

DRAW_AREA.getWidth(), DRAW_AREA.getHeight());

grid.add(drawSnakeCube, 1, 1);

snakeCube=createSnakeCube();

snakeCube.getTransforms().add(

new Rotate(30, ORIGO.getX(), ORIGO.getY(), 0,

new Point3D(1, 1.5, 1.5)));

drawSnakeCube.getChildren().add(snakeCube);

return grid;

}

A createSnakeCube() függvény előállítja a színpadra/jelenetbe kikerülő kígyókockát Node osztályú objektumként. A konstans CUBE tömb egységvektor rendszerben tartalmazza a kígyót alkotó kockák középpontjait. Az első ciklus mindezt nagyítást alkalmazva skálázza. A második ciklus koordináta és pont transzformációk alkalmazásával ( moveToMidPoint: eltolás középre, rotateAroundCenter: forgatás a középpont körül) a kiinduló állapotnak megfelelő méretben és pozícióban elhelyezi a kígyó útvonalát mutató hengerobjektumokat. A konstrukciós és transzformációs műveletek esetén alkalmazkodni kell ahhoz, hogy a JavaFX koordinátarendszerben az X jobbra, az Y lefelé, a Z pedig befelé (a nézőponttól távolodva a térben) növekszik. A matematikai hátteret részletesen most nem magyarázzuk el.

private Node createSnakeCube() {

final int SCALE=100;

final Point3D Y_AXIS=new Point3D(0, 1, 0);

final int[][] CUBE=new int[][] {

{-1, 1, -1}, {0, 1, -1}, {1, 1, -1}, {1, 1, 0},

{1, 1, 1}, {0, 1, 1}, {-1, 1, 1}, {-1, 0, 1},

{-1, -1, 1}, {0, -1, 1}, {0, 0, 1}, {1, 0, 1},

{1, 0, 0}, {1, 0, -1}, {0, 0, -1}, {-1, 0, -1},

{-1, -1, -1}, {-1, -1, 0}, {-1, 0, 0}, {-1, 1, 0},

{0, 1, 0}, {0, 0, 0}, {0, -1, 0}, {0, -1, -1},

{1, -1, -1}, {1, -1, 0}, {1, -1, 1}

};

Point3D[] cube=new Point3D[CUBE.length];

for(int i=0; i<cube.length; i++)

cube[i]=new Point3D(

CUBE[i][0]*SCALE, CUBE[i][1]*SCALE, CUBE[i][2]*SCALE);

Group group=new Group();

for(int i=0; i<cube.length-1; i++) {

Point3D p1=cube[i];

Point3D p2=cube[i+1];

Point3D diff=p2.subtract(p1);

double height=diff.magnitude();

Point3D mid=p2.midpoint(p1);

Translate moveToMidpoint=new Translate(

ORIGO.getX()+mid.getX(), ORIGO.getY()+mid.getY(), mid.getZ());

Point3D axisOfRotation=diff.crossProduct(Y_AXIS);

double angle=Math.acos(diff.normalize().dotProduct(Y_AXIS));

Rotate rotateAroundCenter=

new Rotate(-Math.toDegrees(angle), axisOfRotation);

Cylinder c=new Cylinder(5, height);

c.getTransforms().addAll(moveToMidpoint, rotateAroundCenter);

group.getChildren().add(c);

}

return group;

}

A handleRotateButtons() eljárás a forgatás 4 nyíl eseménykezelésének hozzárendelést végzi el. A nyomógomb objektumok setOnAction() hozzárendelő metódusának paramétere EventHandler funkcionális interfésszel és lambda művelettel működik. A forgatás irányát hozzárendeljük a megfelelő nyomógombhoz. Ez még csak végrendelkezés a jövőre: csak definiáljuk, hogy minek kell majd történnie, ha bekövetkezik az esemény (valamelyik nyílra/nyomógombra kattint a felhasználó).

private void handleRotateButtons() {

btUp.setOnAction((event) -> { rotateSnake(Pos.TOP_CENTER); });

btDown.setOnAction((event) -> { rotateSnake(Pos.BOTTOM_CENTER); });

btLeft.setOnAction((event) -> { rotateSnake(Pos.CENTER_LEFT); });

btRight.setOnAction((event) -> { rotateSnake(Pos.CENTER_RIGHT); });

}

A rotateSnake() eljárás minden nyíl feliratú nyomógombra kattintva reagál a bekövetkezett eseményre. A rotateAxis objektum a forgatás tengelye, a paraméterként átvett direction enum-tól függ, szinkronban azzal a nyomógombbal, amelyikre kattintott a felhasználó.

Ötletek a továbbfejlesztésre

Lehetne többféle irány is, például a négy sarokba átlós vagy mélységi irányú elforgatással.
Beépülhetne többféle transzformáció is, például skálázás (kicsinyítés, nagyítás), eltolás (közelítés, távolítás).
A kígyó útvonalát mutató hengerobjektumok kirajzolásának sorrendjén lehetne változtatni, mert a megjelenítés nem tökéletes. Jelenleg néhány helyzetben lehetetlennek, Escher lehetetlen konstrukcióihoz hasonlónak tűnhet a kígyókocka. Ha a tér mélységéből a nézőpont felé közeledve rajzolnánk ki a hengerobjektumokat, akkor a 3D látvány nem sérülne.

Tanfolyamainkon JavaFX grafikus felülettel hangsúlyosan nem foglalkozunk, de egy-egy kész forráskódot közösen megbeszélünk, és össze is hasonlítjuk a swing-es változattal. Fejlesztünk játékprogramot, de inkább konzolosan, vagy swing-es ablakban, vagy webes alkalmazásként.

A grafikus felületek felépítésének megismerése fontos lépcső az objektumorientált programozás elmélyítéséhez, gyakorlásához. A grafikus felületekhez egy másik lényeges szemléletváltás is kapcsolódik, hiszen a korábbi algoritmusvezérelt megközelítést felváltja az eseményvezérelt (eseménykezelés).

Tudatosan hangsúlyozott MVC-s projektben megoldva a feladatot, a modell rétegben tárolhatnánk többféle kígyókocka megjelenítéséhez és animációjához szükséges adatszerkezetet és transzformációs objektumokat/metódusokat is és a nézet/vezérlő rétegekben biztosíthatnánk ezek közül a kijelölést/kiválasztást menüvel, ikonokkal, eszköztárral, gyorsbillentyűkkel.

A bejegyzéshez tartozó teljes forráskódot ILIAS e-learning tananyagban tesszük elérhetővé tanfolyamaink résztvevői számára.

Tanfolyamaink orientáló moduljának 9-12. óra: Mesterséges intelligencia alkalmához kapcsolódóan a kígyókocka véletlenszerű előállítása helyett stratégiával rendelkező visszalépéses algoritmust specifikálhatunk és implementálhatunk.

Ez egy két részből álló blog bejegyzés 2. része. A blog bejegyzés 1. része itt található.