Processing 2.0
Mit Flocking Algorithmen lassen sich sehr imposante Graphiken und Animationen erstellen. Flocking Algorithmen versuchen das Verhalten von Tieren in Schwärmen nachzubilden.
Dafür erstellt man eine Klasse, die ein Individuum repräsentiert, das sich in seinen Bewegungen an den, in der Nähe befindlichen Individuen orientiert. Dabei folgt jedes Individuum einigen einfachen Regeln.
In einer einfachen Implementierung von Daniel Shiffman auf http://processing.org/learning/topics/flocking.html sind das folgende:
- Separation (Aufteilung); wähle eine Richtung, die einer Häufung von Individuen entgegenwirkt.
2 Individuen dürfen sich nicht am selben Ort befinden. Deshalb müssen sie einander ausweichen, wenn sie einen bestimmten Abstand unterschreiten. - Alignment (Angleichung): wähle eine Richtung, die der mittleren Richtung der benachbarten Individuen entspricht.
Jedes Individuum richtet seine Bewegungsrichtung nach den Nachbarn aus. D.h. es wird eine durchschnittl. Bewegungsrichtung der, innerhalb eines bestimmten Abstands befindlichen Individuen errechnet. Die eigenen Bewegungsrichtung passt sich dieser an. - Cohesion (Zusammenhalt): wähle eine Richtung, die der mittleren Position der benachbarten Individuen entspricht.
Alle Individuen immerhalb eines bestimmten Bereichs bewegen sich Richtung dessen Zentrum.
Diese 3 Regeln führen zu einem Verhalten, wie im untenstehenden Sketch von Daniel Shiffman. Es können bei Bedarf natürlich noch weitere Regeln definiert werden.
Flock flock;
void setup() {
size(640, 360);
flock = new Flock();
// Add an initial set of boids into the system
for (int i = 0; i < 150; i++) {
flock.addBoid(new Boid(width/2,height/2));
}
}
void draw() {
background(50);
flock.run();
}
// Add a new boid into the System
void mousePressed() {
flock.addBoid(new Boid(mouseX,mouseY));
}
// The Boid class
class Boid {
PVector location;
PVector velocity;
PVector acceleration;
float r;
float maxforce; // Maximum steering force
float maxspeed; // Maximum speed
Boid(float x, float y) {
acceleration = new PVector(0,0);
velocity = new PVector(random(-1,1),random(-1,1));
location = new PVector(x,y);
r = 2.0;
maxspeed = 2;
maxforce = 0.03;
}
void run(ArrayList<Boid> boids) {
flock(boids);
update();
borders();
render();
}
void applyForce(PVector force) {
// We could add mass here if we want A = F / M
acceleration.add(force);
}
// We accumulate a new acceleration each time based on three rules
void flock(ArrayList<Boid> boids) {
PVector sep = separate(boids); // Separation
PVector ali = align(boids); // Alignment
PVector coh = cohesion(boids); // Cohesion
// Arbitrarily weight these forces
sep.mult(1.5);
ali.mult(1.0);
coh.mult(1.0);
// Add the force vectors to acceleration
applyForce(sep);
applyForce(ali);
applyForce(coh);
}
// Method to update location
void update() {
// Update velocity
velocity.add(acceleration);
// Limit speed
velocity.limit(maxspeed);
location.add(velocity);
// Reset accelertion to 0 each cycle
acceleration.mult(0);
}
// A method that calculates and applies a steering force towards a target
// STEER = DESIRED MINUS VELOCITY
PVector seek(PVector target) {
PVector desired = PVector.sub(target,location); // A vector pointing from the location to the target
// Normalize desired and scale to maximum speed
desired.normalize();
desired.mult(maxspeed);
// Steering = Desired minus Velocity
PVector steer = PVector.sub(desired,velocity);
steer.limit(maxforce); // Limit to maximum steering force
return steer;
}
void render() {
// Draw a triangle rotated in the direction of velocity
float theta = velocity.heading2D() + radians(90);
fill(200,100);
stroke(255);
pushMatrix();
translate(location.x,location.y);
rotate(theta);
beginShape(TRIANGLES);
vertex(0, -r*2);
vertex(-r, r*2);
vertex(r, r*2);
endShape();
popMatrix();
}
// Wraparound
void borders() {
if (location.x < -r) location.x = width+r;
if (location.y < -r) location.y = height+r;
if (location.x > width+r) location.x = -r;
if (location.y > height+r) location.y = -r;
}
// Separation
// Method checks for nearby boids and steers away
PVector separate (ArrayList<Boid> boids) {
float desiredseparation = 25.0f;
PVector steer = new PVector(0,0,0);
int count = 0;
// For every boid in the system, check if it's too close
for (Boid other : boids) {
float d = PVector.dist(location,other.location);
// If the distance is greater than 0 and less than an arbitrary amount (0 when you are yourself)
if ((d > 0) && (d < desiredseparation)) {
// Calculate vector pointing away from neighbor
PVector diff = PVector.sub(location,other.location);
diff.normalize();
diff.div(d); // Weight by distance
steer.add(diff);
count++; // Keep track of how many
}
}
// Average -- divide by how many
if (count > 0) {
steer.div((float)count);
}
// As long as the vector is greater than 0
if (steer.mag() > 0) {
// Implement Reynolds: Steering = Desired - Velocity
steer.normalize();
steer.mult(maxspeed);
steer.sub(velocity);
steer.limit(maxforce);
}
return steer;
}
// Alignment
// For every nearby boid in the system, calculate the average velocity
PVector align (ArrayList<Boid> boids) {
float neighbordist = 50;
PVector sum = new PVector(0,0);
int count = 0;
for (Boid other : boids) {
float d = PVector.dist(location,other.location);
if ((d > 0) && (d < neighbordist)) {
sum.add(other.velocity);
count++;
}
}
if (count > 0) {
sum.div((float)count);
sum.normalize();
sum.mult(maxspeed);
PVector steer = PVector.sub(sum,velocity);
steer.limit(maxforce);
return steer;
} else {
return new PVector(0,0);
}
}
// Cohesion
// For the average location (i.e. center) of all nearby boids, calculate steering vector towards that location
PVector cohesion (ArrayList<Boid> boids) {
float neighbordist = 50;
PVector sum = new PVector(0,0); // Start with empty vector to accumulate all locations
int count = 0;
for (Boid other : boids) {
float d = PVector.dist(location,other.location);
if ((d > 0) && (d < neighbordist)) {
sum.add(other.location); // Add location
count++;
}
}
if (count > 0) {
sum.div(count);
return seek(sum); // Steer towards the location
} else {
return new PVector(0,0);
}
}
}
// The Flock (a list of Boid objects)
class Flock {
ArrayList<Boid> boids; // An ArrayList for all the boids
Flock() {
boids = new ArrayList<Boid>(); // Initialize the ArrayList
}
void run() {
for (Boid b : boids) {
b.run(boids); // Passing the entire list of boids to each boid individually
}
}
void addBoid(Boid b) {
boids.add(b);
}
}
Erläuterungen zur Boid Klasse:
- Die Vektoren location, velocity und acceleration kontrollieren Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung.
- In jedem draw() Durchlauf wird die acceleration (Beschleunigung) basierend auf der 3 Kräfte Separation, Alignment und Cohesion neu berechnet.
- Separation: Es werden alle Boids durchlaufen und ein Distanzvektor errechnet. Weiters wird aus allen Distanzvektoren, die größer 0 und kleiner als ein desiredseparation genannter Wert sind, ein Durchsschnittdistanzsvektor namens steer errechnet. Von diesem wird dann noch der aktuelle Geschwindigkeitsvektor abgezogen.
- Alignment: Auch hier werden wieder alle Boids durchlaufen. Dabei wird ein durchschnittlicher Geschwindigkeitsvektor aller Boids errechnet, die sich innerhalb einer bestimmten Distanz (neighbordist) befinden. Auch von diesem wird dann wieder der Boid eigene Geschwindigkeitsvektor abgezogen.
- Cohesion: Bei der Cohesion wird ein durchschnittlicher Positionsvektor aller, sich innerhalb einer best. Distanz befindenen Boids errechnet. In diese Richtung wird dann gesteuert.
- In der flock-Methode der Boid Klasse werden dann alle Kräfte gewichtet und zur aktuellen Beschleunigung aufsummiert.
- In update wird dann die aktuelle Beschleunigung zur aktuellen Geschwindigkeit hinzugerechnet. Dann wird noch die Geschwindigkeit auf die Maximalgeschwindigkeit begrenzt und die Beschleunigung auf 0 gesetzt.
processing - tutorial 