Welche Paradigmen der Programmierung braucht man für die Computergrafik und für die Ökologie?

Welche Paradigmen der Programmierung braucht man für die Computergrafik

und für die Ökologie?

Winfried Kurth

Brandenburgische Technische Universität Cottbus, Lehrstuhl Grafische Systeme

1. Begriff "Programmierparadigma"

Kurth Göttingen, 30. 11. 2007


2. Einige wichtige Programmierparadigmen




3. Synthese: Die Sprache XL





4. Anwendungsbeispiele






5. Das VR-Paradigma






5. Das VR-Paradigma

6. Zusammenfassung


1. Begriff "Programmierparadigma"2. Einige wichtige Programmierparadigmen3. Synthese: Die Sprache XL4. Anwendungsbeispiele5. Das VR-Paradigma6. Zusammenfassung

1. Der Begriff "Programmierparadigma"

Paradigma:

grundlegende Denkweise


Paradigma:

"Beschreibt eine Menge von Theorien,Standards und Methoden, die gemeinsameinen Weg repräsentieren, Wissen zu organisieren"

Thomas Kuhn 1970: The Structureof Scientific Revolutions


Paradigma:

"Beschreibt eine Menge von Theorien,Standards und Methoden, die gemeinsameinen Weg repräsentieren, Wissen zu organisieren"

Thomas Kuhn 1970: The Structureof Scientific Revolutions

Paradigmenwechsel: schwierig.Revolution im Denken!


wurde aufgegriffen von Robert Floyd 1978:

Turing Award Lecture

"The Paradigmsof Programming"

Robert W. Floyd (1936-2001)

Bildquelle: http://delivery.acm.org/10.1145/1290000/1283934/a1978-floyd.pdf?key1=1283934&key2=6725076911&coll=GUIDE&dl=GUIDE&CFID=45530762&CFTOKEN=68670312


Welche Paradigmen werden nahegelegtdurch Probleme...

... der Ökologie ?

... der Grafik ?


Ökologie:

Bildquelle:

www.lusttoeter.de/images/rehli.jpg (20.11.2007)


Ökologie:

Organismen


Ökologie:

Organismen

Aufbau beschreiben


Ökologie:

Organismen

Verhalten(unter bestimmtenBedingungen)

Aufbau beschreiben


Ökologie:

Organismen


Aufbau beschreiben

Gesetzmäßigkeiten(Regeln) bestimmen


Ökologie:

Organismen


Prozesse

Aufbau beschreiben

Gesetzmäßigkeiten(Regeln) bestimmen


Ökologie:

Organismen


Prozesse

Aufbau beschreiben

Gesetzmäßigkeiten(Regeln) bestimmenAblauf berechnen

1. Begriff "Programmierparadigma"2. Einige wichtige Programmierparadigmen3. Synthese: Die Sprache XL4. Anwendungsbeispiele5. Das VR-Paradigma6. ZusammenfassungGrafisches System:

1. Begriff "Programmierparadigma"2. Einige wichtige Programmierparadigmen3. Synthese: Die Sprache XL4. Anwendungsbeispiele5. Das VR-Paradigma6. ZusammenfassungGrafisches System:

Objekte(mit Attributen)

regelmäßigeStrukturen

Prozesse



- für numerische Simulation von Prozessen:

imperatives Paradigma



- für numerische Simulation von Prozessen:

imperatives Paradigma(auch: von-Neumann-Paradigma,Kontrollfluss-Paradigma)

John von Neumann (1903-1957)Bildquelle: hps.elte.hu/~redei/Utrecht/JVN1950S%20.jpg (20.11.2007)

"Befehls-Programmierung"

Computer = ?


imperativ:


Computer = Maschine zur Veränderung von Variablen-werten (diese Veränderungen können Seiteneffekte haben).




Programm = ?




Programm = Plan für den Berechnungsprozess mit Angabe der Befehle und des Kontrollflusses (z.B. Schleifen).




Programm = Plan für den Berechnungsprozess mit Angabe der Befehle und des Kontrollflusses (z.B. Schleifen).

Programmiersprachen, die dieses Paradigma unterstützen: Fortran, Pascal, C, ..., Teile von Java, ...


Beispiel:

x = 0;

while (x < 100)

x = x + 1;

Inhalt der Variable x wird verändert

Schleife legt Kontrollfluss fest

Beachte: "=" steht hier nicht für math. Gleichheit, sondern für Zuweisung (prozesshaft)!


(ein) Nachteil des imperativen Paradigmas:

simultane, parallele Zuweisung wird nicht unterstützt


(ein) Nachteil des imperativen Paradigmas:

simultane, parallele Zuweisung wird nicht unterstützt


Beispiel (Floyd 1978):

Räuber-Beute-System, beschrieben durch

Rneu = f(R, B), Bneu = g(R, B)

Anfängerfehler beim Programmieren:

for (i = ... ) { R = f(R, B); B = g(R, B); }

Beispiel für imperatives Grafik-Programmieren:

Turtle-Geometrie


Turtle:

zeichnende Schildkröte, die auf Befehle hört

Variablen: Position, Orientierung, Schrittweite, ...

Turtle:



F0


F0 RU(90)


F0 RU(90) F0


F0 RU(90) F0 RU(90) LMul(0.5) F0


anderes Beispiel:

for ((1:20)) ( for ((1:36))

( F0 RU(165) F0 RU(165) ) RU(270) )


Erweiterung auf 3D-Grafik:

Turtle-Rotationen um 3 Achsen




head

left

up




RHRL

RU


zurück zum Beispiel:

Objekte(mit Attributen)

Organismen

Objektorientiertes Paradigma

Computer = Umgebung für virtuelle Objekte

Programm = Auflistung von (Objekt-) Klassen,

d.h. allgemeiner Spezifikationen von Objekten

Programmiersprachen: Smalltalk, Simula, C++, Java, ...


Beispiel:

class Blatt

{

float blattflaeche;float trockenmasse;

float npp(){ ..... }

void seneszenz(){ ..... }

}



regelmäßigeStrukturen

Regelbasiertes Paradigma

Computer = Transformationsmaschine für Strukturen

Es gibt eine aktuelle Struktur, die solange transformiert wird, wie dies möglich ist.





Programm = Menge von Transformationsregeln





Programm = Menge von Transformationsregeln

Programmiersprachen: L-System-Sprachen, KI-Sprachen, Prolog, ...


Regelsysteme zur Ersetzung von Zeichen in Zeichenketten

Beispiel: L-Systeme (Lindenmayer-Systeme)


Regelsysteme zur Ersetzung von Zeichen in Zeichenketten

in jedem Arbeitsschritt parallele Ersetzung aller Zeichen, auf die eine Regel anwendbar ist

von A. Lindenmayer (Botaniker) 1968 eingeführt

Beispiel: L-Systeme (Lindenmayer-Systeme)


Aristid Lindenmayer (1925-1989)

Bildquelle: home.wtal.de/schwebin/lsyspics/einflsys01.jpg (20.11.2007)


Beispiel:

Startwort A

Regelmenge:

A BB AB


Beispiel:

Startwort A

Regelmenge:

A BB AB

A


Beispiel:

Startwort A

Regelmenge:

A BB AB

B


Beispiel:

Startwort A

Regelmenge:

A BB AB

AB


Beispiel:

Startwort A

Regelmenge:

A BB AB

AB

parallele Ersetzung


Beispiel:

Startwort A

Regelmenge:

A BB AB

BAB


Beispiel:

Startwort A

Regelmenge:

A BB AB

ABBAB


Beispiel:

Startwort A

Regelmenge:

A BB AB

Ableitungskette:

A B AB BAB ABBAB BABABBAB

ABBABBABABBAB BABABBABABBABBABABBAB

...


Beispiel:

Startwort A

Regelmenge:

A BB AB

Ableitungskette:

A B AB BAB ABBAB BABABBAB

ABBABBABABBAB BABABBABABBABBABABBAB

...

wie lang ist die n-te Zeichenkette in dieser Ableitung?


Geometrische Interpretation von L-Systemen

Turtle-Befehlsvorrat wird Teilmenge des L-System-Alphabets

Symbole, die nicht Turtle-Befehle sind, werden von der Turtle ignoriert.

Verbindung mit dem imperativen Paradigma

für die Grafik:

Beispiel für ein Fraktal:

Koch'sche Kurve

Start RU(90) F(10);F(x) F(x/3) RU(-60) F(x/3) RU(120) F(x/3) RU(-60) F(x/3)


Beispiel für ein Fraktal:

Koch'sche Kurve

Start RU(90) F(10);F(x) F(x/3) RU(-60) F(x/3) RU(120) F(x/3) RU(-60) F(x/3)


.


Beispiel: Fichtenmodell (3D)

mit L-System erzeugt

(auf Basis von Messungen)


ein anderer regelbasierter Mechanismus:

Graph-Grammatiken



Graph-Grammatiken

Regel:



Graph-Grammatiken

Regel:

Anwendung:

1. Begriff "Programmierparadigma"2. Einige wichtige Programmierparadigmen3. Synthese: Die Sprache XL4. Anwendungsbeispiele5. Das VR-Paradigma6. ZusammenfassungZusammenfassung:

Programmierparadigmen



● imperativ



● imperativ

- Veränderung von Variablen

- Turtle-Geometrie



● imperativ


- Turtle-Geometrie

● objektorientiert



● imperativ


- Turtle-Geometrie


● regelbasiert



● imperativ


- Turtle-Geometrie


● regelbasiert

- L-Systeme

- Graph-Grammatiken



● imperativ


- Turtle-Geometrie


● regelbasiert

- L-Systeme

- Graph-Grammatiken

● weitere: funktional; nebenläufig; chemisch ...


„eXtended L-system language“

Programmiersprache, die parallele Graph-Grammatiken einfach verfügbar macht



imperativ objektorientiert regelbasiert

Java


imperativ objektorientiert regelbasiert

Java

XL

Die Sprache XL

Sprachspezifikation: Kniemeyer (2007)


Ole Kniemeyer (1977- )


Eigenschaften der Sprache XL:

● Knoten der Graphen sind Java-Objekte, z.B. Geometrie-Objekte




● Steuerung der Regelanwendung durch Kontrollstrukturen möglich





Beispiel: Regeln für einen stochastischen Baum

Start ==> L(100) D(5) A;

A ==> F0 LMul(0.7) DMul(0.7) if (probability(0.5)) ( [ RU(50) A ] [ RU(-10) A ] ) else ( [ RU(-50) A ] [ RU(10) A ] );





● parallele Regelanwendung






● parallele Ausführung von Zuweisungen möglich







nochmal das Beispiel von Floyd:

Räuber-Beute-System, beschrieben durch Rneu = f(R, B), Bneu = g(R, B)

in XL korrekt:

R := f(R, B); B := g(R, B);







● mengenwertige Ausdrücke







● mengenwertige Ausdrücke

● Graph-Abfragen (queries) zur Analyse der aktuellen Struktur


Ein XL-Compiler wird zur Verfügung gestellt von der freien Software GroIMP (Growth-grammar related Interactive Modelling Platform)

http://www.grogra.de

dort auch Link auf Download-Seite




- realistische Darstellung eines Brettspiels

„Mensch ärgere dich nicht“

(Kniemeyer 2007,

AGTIVE'07 Tool Contest)


Spielzüge durch Regeln gesteuert



Figuren, Spielfelder etc. sind Objekte



Figuren, Spielfelder etc. sind Objekte

Prozesse sind imperativ programmiert, z.B. Raytracing für die realistische Darstellung des Spielfeldes


Regeln für Verhalten


Regeln für Verhalten

z.B. Schwarm-Organismen

„virtual birds“ = boids


Realisierung in XL leicht möglich (Hemmerling 2007)

Schwarm-Organismen

Regeln:

● orientiere dich zum Schwarmzentrum

● halte gleiche Richtung ein wie der Schwarm

● weiche nächstem Nachbar aus

wenn ein Leittier vorhanden ist:

● folge dem Leittier

● passe Geschwindigkeit der des Leittiers an


zahlreiche Grafik-Anwendungen einfach realisierbar, z.B. virtuelles Wachstum entlang einer Oberfläche (regelgesteuert)

Bischof 2006


5. Das VR-Paradigma

VR = Virtual Reality

interaktives Paradigma


5. Das VR-Paradigma

VR = Virtual Reality

interaktives Paradigma

Erweiterung des objektorientierten Paradigmas

Vorstellung:Der Benutzer wird Teil der virtuellen Weltund erlebt die Objekte als real


● Interaktivität


● Interaktivität

● Immersion


● Interaktivität

● Immersion

● virtuelle Raumzeit


● Interaktivität

● Immersion

● virtuelle Raumzeit

● Identifikation mit einem Objekt der virtuellen Welt (Avatar)

Beispiel:

Virtual Forester (Lanwert 2007)

Einsatz geplant im E-Learning an der Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie

(noch in der Experimentalphase)


Virtual Forester:

● Bestandesbeschreibung auf Basis von VRML

● forstliche Eingriffe in den Bestand interaktiv möglich

● Multiuser-fähig (Client-Server-Prinzip)

● Kopplung mit Wachstumsmodell auf Server (z.Zt. in XL programmiertes Modell, austauschbar)

1. Begriff "Programmierparadigma"2. Einige wichtige Programmierparadigmen3. Synthese: Die Sprache XL4. Anwendungsbeispiele5. Das VR-Paradigma6. ZusammenfassungZusammenfassung


● Programmierparadigmen



● imperativ, objektorientiert, regelbasiert



● imperativ, objektorientiert, regelbasiert- regelbasiert: nützlich zur Programmierung regelmäßiger Strukturen und von Verhalten




● Sprache XL- vereint die drei Paradigmen





- parallele Graph-Grammatiken (L-Systeme als Spezialfall), parallele Zuweisungen, Graph-Abfragen...






- vorteilhaft in der Ökologie (Interaktionen, Verhalten, Netzwerke, Strukturen und Funktionen...) und für Grafik-Modelle






- vorteilhaft in der Ökologie (Interaktionen, Verhalten, Netzwerke, Strukturen und Funktionen...) und für Grafik-Modelle

● zusätzlich: Virtual Reality - Paradigma


Weiterführendes Material

Literaturhinweise unter www.grogra.de

insbes.: W. K., Specification of morphological models with L-systems and relational growth grammars. IMAGE, 5 (2007), Themenheft; http://www-gs.informatik.tu-cottbus.de/ima_lsy.pdf

Buch:P. Prusinkiewicz / A. Lindenmayer: The Algorithmic Beauty of Plants. Springer, Berlin 1990; http://algorithmicbotany.org/papers/abop/abop.pdf

Tutorial, integriert in die Software GroIMP (Download unter www.grogra.de)

Publikationsseite des Lehrstuhls Grafische Systeme, BTU Cottbus: http://www-gs.informatik.tu-cottbus.de/deutsch/publ.htm


Diese Folien werden zur Verfügung gestellt unter der URL

http://www-gs.informatik.tu-cottbus.de/deutsch/ank.htm

BTU Cottbus (www.tu-cottbus.de)

- Fakultäten und Einrichtungen

- Fakultät 1

- „Die Fakultät“

- Lehrstuhl Grafische Systeme

- Announcements

Danke für die Aufmerksamkeit!

(Buck-Sorlin 2007, mit GroIMP / XL)

http://www-gs.informatik.tu-cottbus.de/deutsch/ank.htm

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