Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen - Sommersemester 2011 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik und Ökologische Informatik.

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1 Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen - Sommersemester 2011 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik und Ökologische Informatik 3. Vorlesung: 28. 4. 2011

2 letztes Mal: Laden von dtd-Dateien Programmierparadigmen (imperativ, objektorientiert, regelbasiert) Turtle-Geometrie deren Ausführung mit GroIMP

3 Beispiel: Zeichnen eines Dreiecks protected void init() [ Axiom ==> RU(30) F(10) RU(120) F(10) RU(120) F(10) ] siehe Datei sm09_b01.rgg

4 heute: einfache L-Systeme (Zeichenketten-Ersetzungssysteme) ihre Ausführung mit GroIMP einfache Verzweigungsmuster, modelliert mit L-Systemen

5 Regelsysteme zur Ersetzung von Zeichenketten in jedem Ableitungsschritt parallele Ersetzung aller Zeichen, auf die eine Regel anwendbar ist von A. Lindenmayer (Botaniker) 1968 zur Modellierung des Wachstums von fadenförmigen Algen eingeführt L-Systeme (Lindenmayer-Systeme) Aristid Lindenmayer (1925-1989) Dynamische Strukturbeschreibung

6 L-Systeme mathematisch: Ein L-System ist ein Tripel (,, R); darin ist: eine Menge von Zeichen, das Alphabet, eine Zeichenkette mit Zeichen aus, das Startwort (auch "Axiom"), R eine Menge von Regeln der Form Zeichen Zeichenkette; darin sind das Zeichen auf der linken Regelseite und die Zeichenkette aus entnommen.

7 zum Vergleich: Grammatik für natürliche Sprache: Satz S P O S Max S Tina P lernt O Englisch O Französisch mögliche Ableitungen:SatzS P O Max lernt FranzösischTina lernt Englisch

8 Ein Ableitungsschritt (rewriting) einer Zeichenkette besteht aus der Ersetzung aller ihrer Zeichen, die in linken Regelseiten vorkommen, durch die entsprechenden rechten Regelseiten. Man vereinbart: Zeichen, auf die keine Regeln anwendbar sind, werden unverändert übernommen.

9 Ein Ableitungsschritt (rewriting) einer Zeichenkette besteht aus der Ersetzung aller ihrer Zeichen, die in linken Regelseiten vorkommen, durch die entsprechenden rechten Regelseiten. Man vereinbart: Zeichen, auf die keine Regeln anwendbar sind, werden unverändert übernommen. Ergebnis: Ableitungskette von Zeichenketten, die sich durch wiederholte Anwendung des Ersetzungsvorgangs aus dem Startwort ergeben. 1 2 3....

10 Beispiel: Alphabet {A, B}, Startwort A Regelmenge: A B B AB

11 Beispiel: Alphabet {A, B}, Startwort A Regelmenge: A B B AB A

12 Beispiel: Alphabet {A, B}, Startwort A Regelmenge: A B B AB B

13 Beispiel: Alphabet {A, B}, Startwort A Regelmenge: A B B AB AB parallele Ersetzung

14 Beispiel: Alphabet {A, B}, Startwort A Regelmenge: A B B AB

15 Beispiel: Alphabet {A, B}, Startwort A Regelmenge: A B B AB

16 Beispiel: Alphabet {A, B}, Startwort A Regelmenge: A B B AB ABBAB

17 Beispiel: Alphabet {A, B}, Startwort A Regelmenge: A B B AB Ableitungskette: A B AB BAB ABBAB BABABBAB ABBABBABABBAB BABABBABABBABBABABBAB...

18 Beispiel: Alphabet {A, B}, Startwort A Regelmenge: A B B AB Ableitungskette: A B AB BAB ABBAB BABABBAB ABBABBABABBAB BABABBABABBABBABABBAB... wie lang ist die n-te Zeichenkette in dieser Ableitung?

19 was für die Modellierung von grafischen und biologischen Strukturen noch fehlt: eine geometrische Interpretation

20 was für die Modellierung von grafischen und biologischen Strukturen noch fehlt: eine geometrische Interpretation Füge also hinzu: eine Abbildung, die jeder Zeichenkette eine Teilmenge des 3-dimensionalen Raumes zuordnet dann: "interpretierte" L-System-Abarbeitung 1 2 3.... S 1 S 2 S 3.... S 1, S 2, S 3,... können als Entwicklungsstufen eines Objekts, einer Szene oder eines Organismus interpretiert werden.

21 Für die Interpretation der Zeichenketten: Turtle-Geometrie Der Turtle-Befehlsvorrat wird zu einer Untermenge der Zeichenmenge des L-Systems. Symbole, die nicht Turtle-Befehle sind, werden von der Turtle ignoriert.

22 Für die Interpretation der Zeichenketten: Turtle-Geometrie Der Turtle-Befehlsvorrat wird zu einer Untermenge der Zeichenmenge des L-Systems. Symbole, die nicht Turtle-Befehle sind, werden von der Turtle ignoriert. Verbindung mit dem imperativen Paradigma

23 Beispiel: Regeln A ==> F0 [ RU(45) B ] A ; B ==> F0 B ; Startwort A ( A und B werden normalerweise nicht geometrisch interpretiert.) Interpretation durch Turtle-Geometrie

24 was für eine Struktur liefert das L-System A ==> [ LMul(0.25) RU(-45) F0 ] F0 B; B ==> [ LMul(0.25) RU(45) F0 ] F0 A; mit Startwort L(10) A ?

25 was für eine Struktur liefert das L-System A ==> [ LMul(0.25) RU(-45) F0 ] F0 B; B ==> [ LMul(0.25) RU(45) F0 ] F0 A; mit Startwort L(10) A ? äquivalente Regel: A ==> [ LMul(0.25) RU(-45) F0 ] F0 RH(180) A;

26 Flächenfüllende Kurve: Axiom ==> L(10) RU(-45) X RU(-45) F(1) RU(-45) X; X ==> X F0 X RU(-45) F(1) RU(-45) X F0 X weiteres Beispiel:

27 Flächenfüllende Kurve: Axiom ==> L(10) RU(-45) X RU(-45) F(1) RU(-45) X; X ==> X F0 X RU(-45) F(1) RU(-45) X F0 X

28 Flächenfüllende Kurve: Axiom ==> L(10) RU(-45) X RU(-45) F(1) RU(-45) X; X ==> X F0 X RU(-45) F(1) RU(-45) X F0 X indisches Kolam-Muster Anklets of Krishna

29 Beispiel für ein Fraktal: Koch'sche Kurve Axiom ==> RU(90) F(10); F(x) ==> F(x/3) RU(-60) F(x/3) RU(120) F(x/3) RU(-60) F(x/3)

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36 vergleiche Beispieldatei sm09_b02.rgg : geschlossene Koch-Kurve, entwickelt aus Dreieck protected void init () [ Axiom ==> RU(50) F(10) RU(120) F(10) RU(120) F(10); ] // oeffentliche Methode zur interaktiven Verwendung in GroIMP // (ueber Button): public void anwendung () // Regeln muessen in []-Klammern gesetzt und mit ; beendet werden [ // jedes F() wird durch 4 kleinere F() ersetzt // die Laenge des F auf der rechten Regelseite wird // durch das x auf die linke Seite mit heruebergemomen F(x) ==> F(x/3) RU(-60) F(x/3) RU(120) F(x/3) RU(-60) F(x/3); ]

37 Verzweigungsbeispiel: F0 ==> F0 [ RU(25.7) F0 ] F0 [ RU(-25.7) F0 ] F0 ; Ergebnis nach 7 Schritten: (Startwort L(10) F0 )

38 Verzweigungsbeispiel: F0 ==> F0 [ RU(25.7) F0 ] F0 [ RU(-25.7) F0 ] F0 ; Ergebnis nach 7 Schritten: (Startwort L(10) F0 ) nicht sehr botanisch!!

39 Beispieldatei sm09_b03.rgg : /* Sie lernen an diesem Beispiel: - wie Sie ein einfaches Pflanzenmodell (nach dem Architekturmodell Schoute) erstellen - wie sie Verzweigungen (Subgraphen) mit [ ] angeben */ // Beispiel einer einfachen botanischen Baumstruktur (Architekturmodell Schoute) //------ Erweiterungen des Standard-Alphabets (Turtle-Kommandos) -------- // Shoot() ist eine Erweiterung des Turtle-Kommandos F() und steht fuer einen Jahres- // trieb module Shoot(float len) extends F(len); // Bud ist eine Erweiterung eines Kugel-Objekts und steht fuer eine Terminalknospe, // ihre strength kontrolliert die Laenge des im naechsten Schritt erzeugten Triebes module Bud(float strength) extends Sphere(0.2) {{ setShader(RED); setTransform(0, 0, 0.3); }}; //----------------------------------------------------------- protected void init () [ // Startzustand (eine Knospe) Axiom ==> Bud(5); ] public void run () [ // eckige Klammern [] kennzeichnen einen Seitenzweig (Relation branch) // Rotationen um upward-Achse (RU) und head-Achse (RH) // Verminderung der Staerke der Knospe (in jedem Schritt um 20%) Bud(x) ==> Shoot(x) [ RU(30) Bud(0.8*x) ] [ RU(-30) Bud(0.8*x) ]; ]

40 Verzweigung, alternierende Zweigstellung und Verkürzung: Axiom ==> L(10) F0 A ; A ==> LMul(0.5) [ RU(90) F0 ] F0 RH(180) A ; in XL muss hier A zuvor als eigenes Modul deklariert werden: module A;

41 welche Struktur liefert Axiom ==> F(10) A ; A ==> [ RU(-60) F(6) RH(180) A Sphere(3) ] [ RU(40) F(10) RH(180) A Sphere(3) ]; Sphere ==> Z; ? ( F(n) liefert Linie der vorgegebenen Länge n, Sphere(n) eine Kugel mit Radius n)

42 Erweiterung des Symbol-Konzepts: Lasse reellwertige Parameter nicht nur bei Turtle-Kommandos wie " RU(45) " und " F(3) " zu, sondern bei allen Zeichen parametrische L-Systeme beliebig lange, endliche Parameterlisten Parameter werden bei Regel-Matching mit Werten belegt Beispiel: Regel A(x, y) ==> F(7*x+10) B(y/2) vorliegendes Zeichen z.B.: A(2, 6) nach der Regelanwendung: F(24) B(3) Parameter können in Bedingungen abgeprüft werden (logische Bedingungen mit Java-Syntax): A(x, y) (x >= 17 && y != 0) ==>....

43 Welche Struktur wird von folgendem L-System erzeugt? Axiom ==> [ RU(90) M(1) RU(90) A(1) ] A(1); A(n) ==> F(n) RU(90) A(n+1);

44 Welche Struktur wird von folgendem L-System erzeugt? Axiom ==> [ RU(90) M(1) RU(90) A(1) ] A(1); A(n) ==> F(n) RU(90) A(n+1); Variante: in der zweiten Regel " RU(90) " etwa durch " RU(92) " ersetzen.

45 Hausaufgaben: (1) Lesen Sie auf der Grogra-CD im Abschnitt Grogra die Unterabschnitte Turtle Rotation Verzweigung Beachten Sie die Unterschiede zwischen der Grogra-Syntax und XL (z.B. in XL M statt f, LMul statt L*...); siehe Tabelle der Turtle-Kommandos (2) Lesen Sie Chapter 1, Section 1.1 – 1.5 (ohne 1.4) im Buch The Algorithmic Beauty of Plants von P. Prusinkiewicz und A. Lindenmayer (online verfügbar, siehe Literaturseite zur Veranstaltung). (= S. 1-21 ohne Abschnitt 1.4).