//-----------------------------------------------------------------------------
// Fraktaly v pocitacove grafice
// Ukazkovy priklad cislo 48.3
// Autor: Pavel Tisnovsky
//
// Vykresleni plasmy pomoci spektralni syntezy (2D syntezy).
// Pomoci klaves [A] a [S] je mozne menit celkovy pocet koeficientu Fourierovy
// transformace, klavesy [Z] a [X] slouzi k urceni Hurstova koeficientu a tim
// i fraktalni dimenze vytvorene krivky.
// Ukonceni aplikace se provede klavesou [Esc] nebo klavesou [Q].
//-----------------------------------------------------------------------------
#ifdef __BORLANDC__
#include <windows.h>
#endif
#include <GL/glut.h> // hlavickovy soubor funkci GLUTu a OpenGL
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <math.h>
#include <limits.h>
#define WINDOW_TITLE "Fraktaly 48.3" // titulek okna
#define WINDOW_WIDTH 256 // pocatecni velikost okna
#define WINDOW_HEIGHT 356
#define PIXMAP_WIDTH 256 // sirka pixmapy
#define PIXMAP_HEIGHT 256 // vyska pixmapy
#define FILE_NAME "fraktaly48_3.tga" // jmeno souboru s ulozenym obrazkem
typedef struct { // struktura popisujici pixmapu
unsigned int width;
unsigned int height;
unsigned char *pixels;
} pixmap;
pixmap *pix;
float h=0.5; // Hurstuv exponent
int n=10; // pocet koeficientu spektralni syntezy
//-----------------------------------------------------------------------------
// Funkce pro vytvoreni pixmapy o zadane velikosti
//-----------------------------------------------------------------------------
pixmap * createPixmap(const unsigned int width, const unsigned int height)
{
pixmap *p=(pixmap *)malloc(sizeof(pixmap)); // alokace struktury pixmapy
if (!p) return NULL;
p->width=width; // naplneni struktury
p->height=height;
p->pixels=(unsigned char *)malloc(3*width*height);
if (!p->pixels) { // alokace pole pro pixely
free(p); // alokace se nepovedla
return NULL;
}
else {
memset(p->pixels, 0, 3*width*height); // smazani pixmapy
}
return p;
}
//-----------------------------------------------------------------------------
// Funkce pro zruseni pixmapy
//-----------------------------------------------------------------------------
void destroyPixmap(pixmap *p)
{
if (p->pixels) free(p->pixels); // uvolnit vlastni pixmapu
if (p) free(p); // i okolni strukturu
}
//-----------------------------------------------------------------------------
// Vymazani pixmapy
//-----------------------------------------------------------------------------
void clearPixmap(const pixmap *p)
{
if (!p) return;
if (!p->pixels) return;
memset(p->pixels, 0, 3*p->width*p->height);
}
//-----------------------------------------------------------------------------
// Funkce pro vykresleni pixmapy do barvoveho bufferu
//-----------------------------------------------------------------------------
void drawPixmap(const pixmap *p)
{
if (!p || !p->pixels) return;
glDrawPixels( // vykresleni pixmapy
p->width, p->height, // sirka a vyska pixmapy
GL_RGB, // format dat pixelu
GL_UNSIGNED_BYTE, // datovy typ kazde barevne slozky
p->pixels); // ukazatel na pamet s barvami pixelu
}
//-----------------------------------------------------------------------------
// Ulozeni pixmapy do externiho souboru
//-----------------------------------------------------------------------------
void savePixmap(const pixmap *p, const char *fileName)
{
FILE *fout;
unsigned int i, j, k;
unsigned char tgaHeader[18]={ // hlavicka formatu typu TGA
0x00, // typ hlavicky TGA
0x00, // nepouzivame paletu
0x02, // typ obrazku je RGB TrueColor
0x00, 0x00, // delka palety je nulova
0x00, 0x00, 0x00, // pozice v palete nas nezajima
0x00, 0x00, 0x00, 0x00, // obrazek je umisteny na pozici [0, 0]
0x00, 0x00, 0x00, 0x00, // sirka a vyska obrazku (dva byty na polozku)
0x18, // format je 24 bitu na pixel
0x20 // orientace bitmapy v obrazku
};
if (!p || !p->pixels) return;
memcpy(tgaHeader+12, &(p->width), 2); // do hlavicky TGA zapsat velikost obrazku
memcpy(tgaHeader+14, &(p->height), 2);
fout=fopen(fileName, "wb");
if (fout) {
fwrite(tgaHeader, 18, 1, fout); // zapsat hlavicku TGA do souboru
for (j=p->height; j; j--) { // radky zapisovat v opacnem poradi
unsigned int yoff=(j-1)*3*p->width; // y-ovy offset v poli
unsigned int xoff=0; // x-ovy offset v poli
for (i=0; i<p->width; i++) { // pro kazdy pixel na radku
for (k=0; k<3; k++) { // prohodit barvy RGB na BGR
fputc(p->pixels[xoff+yoff+2-k], fout); // a zapsat do souboru
}
xoff+=3; // posun na dalsi pixel
}
}
fclose(fout);
}
}
//-----------------------------------------------------------------------------
// Zmena barvy pixelu na zadanych souradnicich
//-----------------------------------------------------------------------------
void putpixel(pixmap *p,
const unsigned int x, // pozice pixelu v pixmape
const unsigned int y,
const unsigned char r, // barva pixelu
const unsigned char g,
const unsigned char b)
{
int pos;
// zde se vyuziva zkraceneho vyhodnoceni vyrazu - pokud plati !p, nic se dale netestuje
if (!p || !p->pixels || x>=p->width || y>=p->height) return;
pos=3*(x+y*p->width);
p->pixels[pos++]=r; // nastaveni barvy pixelu
p->pixels[pos++]=g;
p->pixels[pos]=b;
}
//-----------------------------------------------------------------------------
// Vygenerovani nahodneho cisla v rozsahu 0..1 s pribliznym Gaussovym rozlozenim
//-----------------------------------------------------------------------------
float randomGauss(void)
{
#define N 50
float sum=0.0;
int i;
for (i=0; i<N; i++)
sum+=(float)rand()/(float)RAND_MAX;
return sum/N;
}
//-----------------------------------------------------------------------------
// Vygenerovani nahodneho cisla v rozsahu 0..1 s rovnomernym rozlozenim
//-----------------------------------------------------------------------------
float randomN(void)
{
return (float)rand()/(float)RAND_MAX;
}
//-----------------------------------------------------------------------------
// Spektralni synteza v 2D
//-----------------------------------------------------------------------------
void spectralSynthesis2D(void)
{
#define PI 3.1415927
float bitmap[PIXMAP_HEIGHT][PIXMAP_WIDTH];
float min=1e10, max=-1e10; // pro prepocet intenzit pixelu
float fmin=1e10, fmax=-1e10; // pro prepocet intenzit pixelu
float A[n/2][n/2]; // koeficienty Ak
float B[n/2][n/2]; // koeficienty Bk
float beta=2.0*h+1; // promenna svazana s Hurstovym koeficientem
int i, j, k, l; // pocitadla smycek
for (j=0; j<PIXMAP_HEIGHT; j++) // vymazani pracovni bitmapy
for (i=0; i<PIXMAP_WIDTH; i++)
bitmap[j][i]=0.0;
srand(123456);
for (j=0; j<n/2; j++) { // vypocet koeficientu Ak a Bk
for (i=0; i<n/2; i++) {
float rad_i=pow((i+1), -beta/2.0)*randomGauss();
float rad_j=pow((j+1), -beta/2.0)*randomGauss();
float phase_i=2.0*PI*randomN();
float phase_j=2.0*PI*randomN();
A[j][i]=rad_i*cos(phase_i)*rad_j*cos(phase_j);
B[j][i]=rad_i*sin(phase_i)*rad_j*sin(phase_j);
}
}
for (j=0; j<PIXMAP_HEIGHT; j++) { // generovani plasmy
for (i=0; i<PIXMAP_WIDTH; i++) {
float z=0;
for (k=0; k<n/2; k++) { // inverzni Fourierova transformace
for (l=0; l<n/2; l++) {
float u=(i-n/2)*2.0*PI/PIXMAP_WIDTH; // transormace na
float v=(j-n/2)*2.0*PI/PIXMAP_HEIGHT; // stred obrazku
z+=A[k][l]*cos(k*u+l*v)+B[k][l]*sin(k*u+l*v);
}
}
bitmap[j][i]=z;
}
}
// ziskani statistiky o obrazku
for (j=0; j<PIXMAP_HEIGHT; j++)
for (i=0; i<PIXMAP_WIDTH; i++) {
if (max<bitmap[j][i]) max=bitmap[j][i];
if (min>bitmap[j][i]) min=bitmap[j][i];
}
//printf("min=%f\nmax=%f\n", min, max);
// zmena kontrastu a kopie bitmapy
for (j=0; j<PIXMAP_HEIGHT; j++)
for (i=0; i<PIXMAP_WIDTH; i++) {
float f=bitmap[j][i];
f-=min;
f*=255.0/(max-min);
if (fmin>f) fmin=f;
if (fmax<f) fmax=f;
putpixel(pix, i, j, (int)f, (int)f, (int)f);
}
//printf("fmin=%f\nfmax=%f\n", fmin, fmax);
}
//-----------------------------------------------------------------------------
// Vykresleni retezce na obrazovku
//-----------------------------------------------------------------------------
void drawString(const int x, const int y, // umisteni retezce
const float r, const float g, const float b, // barva pisma
char *str) // ukazatel na retezec
{
char *c;
glColor3f(r, g, b);
glRasterPos2i(x, y);
for (c=str; *c!=0; c++) {
glutBitmapCharacter(GLUT_BITMAP_9_BY_15, *c);
}
}
//-----------------------------------------------------------------------------
// Vypsani informaci o zadanych parametrech
//-----------------------------------------------------------------------------
void drawInfo(int n, float Hexp)
{
char str[100];
sprintf(str, "[a][s] N: %d", n);
drawString(2, 42, 1.0, 1.0, 0.0, str);
sprintf(str, "[z][x] Hurst exponent: %4.2f", Hexp);
drawString(2, 26, 1.0, 0.8, 0.2, str);
sprintf(str, "Fractal dimension: %5.2f", 3.0-Hexp);
drawString(2, 10, 1.0, 0.6, 0.4, str);
}
//-----------------------------------------------------------------------------
// Funkce volana pro inicializaci vykreslovani
//-----------------------------------------------------------------------------
void onInit(void)
{
glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f); // barva pozadi
glPixelStorei(GL_UNPACK_ALIGNMENT, 1); // mod ulozeni pixelu
pix=createPixmap(PIXMAP_WIDTH, PIXMAP_HEIGHT);
}
//-----------------------------------------------------------------------------
// Nastaveni souradneho systemu v zavislosti na velikosti okna
//-----------------------------------------------------------------------------
void onResize(int w, int h) // argumenty w a h reprezentuji novou velikost okna
{
glViewport(0, 0, w, h); // viditelna oblast pres cele okno
glMatrixMode(GL_PROJECTION); // zacatek modifikace projekcni matice
glLoadIdentity(); // vymazani projekcni matice (=identita)
glOrtho(0, w, 0, h, -1, 1); // mapovani abstraktnich souradnic do souradnic okna
}
//-----------------------------------------------------------------------------
// Tato callback funkce je zavolana pri kazdem prekresleni okna
//-----------------------------------------------------------------------------
void onDisplay(void)
{
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); // vymazani vsech bitovych rovin barvoveho bufferu
drawInfo(n, h);
spectralSynthesis2D(); // vytvoreni obrazce spektralni syntezou
glDrawBuffer(GL_BACK); // pixmapa se bude kreslit do zadniho barvoveho bufferu
glRasterPos2i(0, 70);
drawPixmap(pix); // vykresleni pixmapy
glFlush(); // provedeni a vykresleni vsech zmen
glutSwapBuffers();
}
//-----------------------------------------------------------------------------
// Tato callback funkce je zavolana pri stlaceni ASCII klavesy
//-----------------------------------------------------------------------------
#ifdef __BORLANDC__
#pragma option -w-par
#endif
void onKeyboard(unsigned char key, int x, int y)
{
if (key>='A' && key<='Z') key+='a'-'A';
switch (key) {
case 'q':
case 27: exit(0); break;// pokud byla stlacena klavesa ESC, konec programu
case 'w': savePixmap(pix, FILE_NAME); break;
case 'a': if (n>3) n-=2; glutPostRedisplay(); break;
case 's': if (n<50) n+=2; glutPostRedisplay(); break;
case 'z': if (h>0.1) h-=0.1; glutPostRedisplay(); break;
case 'x': if (h<1.0) h+=0.1; glutPostRedisplay(); break;
default: break;
}
}
#ifdef __BORLANDC__
#pragma option -w+par
#endif
//-----------------------------------------------------------------------------
// Hlavni funkce konzolove aplikace
//-----------------------------------------------------------------------------
int main(int argc, char **argv)
{
glutInit(&argc, argv); // inicializace knihovny GLUT
glutInitDisplayMode(GLUT_RGB | GLUT_DOUBLE);
glutCreateWindow(WINDOW_TITLE); // vytvoreni okna pro kresleni
glutReshapeWindow(WINDOW_WIDTH, WINDOW_HEIGHT);// zmena velikosti okna
glutPositionWindow(100, 100); // pozice leveho horniho rohu okna
glutDisplayFunc(onDisplay); // registrace funkce volane pri prekreslovani okna
glutReshapeFunc(onResize); // registrace funkce volane pri zmene velikosti okna
glutKeyboardFunc(onKeyboard); // registrace funkce volane pri stlaceni klavesy
onInit(); // inicializace vykreslovani
glutMainLoop(); // nekonecna smycka, kde se volaji zaregistrovane funkce
return 0; // navratova hodnota vracena operacnimu systemu
}
//-----------------------------------------------------------------------------
// finito
//-----------------------------------------------------------------------------