数学之美之分形——C++及OpenCV实现Julia集和Mandelbrot集绘制

搞了一天，终于全部搞定了，久久惊叹于分形的美而不能自拔……

先来简单介绍下Julia集和Mandelbrot集：（来自这里）

     曼德勃罗特（Mandelbrot）集是人类有史以来做出的最奇异,最瑰丽的几何图形.曾被称为“上帝的指纹”。 

       这个点集均出自公式:Zn+1=(Zn)^2+C,

　　这是一个迭代公式,式中的变量都是复数.这是一个大千世界,从他出发可以产生无穷无尽美丽图案,他是曼德勃罗特教授在二十世纪七十年代发现的.你看上图中,有的地方象日冕,有的地方象燃烧的火焰,只要你计算的点足够多,不管你把图案放大多少倍,都能显示出更加复杂的局部.这些局部既与整体不同,又有某种相似的地方,好像着梦幻般的图案具有无穷无尽的细节和自相似性.曼德勃罗特教授称此为"魔鬼的聚合物".为此,曼德勃罗特在1988年获得了"科学为艺术大奖".

      更详尽的解释请看维基百科。

      好了，让我们边讲代码边体会吧：我们要做这样一个程序，它

1.     可以快速计算分形
2.     可以彩色显示
3.     可以鼠标画矩形放大
4.     可以将观察过程的图片存起来

      1、首先，做一些准备工作：

#include <cv.h>
#include <highgui.h>
#include <cxcore.h>

#define IMG_8UB(img,x,y) ((uchar*)(img->imageData + img->widthStep * (y)))[3 * (x)] 
#define IMG_8UG(img,x,y) ((uchar*)(img->imageData + img->widthStep * (y)))[3 * (x) + 1]
#define IMG_8UR(img,x,y) ((uchar*)(img->imageData + img->widthStep * (y)))[3 * (x) + 2]
#define IMG8U(img,x,y) ((uchar*)(img->imageData + img->widthStep * (y)))[(x)] 

CvPoint pt1 = {-1,-1};//两个用来记录鼠标点击和放松的点
CvPoint pt2 = {-1,-1};
IplImage* fractal;
IplImage* fcopy;//用来画矩形
int width = 600;//图像宽和高
int height = 400;
double XMax = 2.5;//复平面的最大坐标
double XMin = -2.5;
double YMax = 2.5;
double YMin = -2.5;

#define MAX_COLOR 256//用来记录配色，毕竟黑白的不是那么好看
int B[MAX_COLOR];
int G[MAX_COLOR];
int R[MAX_COLOR];

struct Complex//复数
{
	double real;
	double img;
};

char* name[100];//即时输出观察时候的图片的名字
int fileIndex = 0;//标号

2.初始化文件

char* itoa(int value)
{
	char* tmp = (char*)calloc(11,sizeof(char));
	char reverse[15];
	int index = 0;
	do
	{
		reverse[index++] = value % 10 + '0';
		value /= 10;
	}while(value);
	int size = index - 1;
	while(index--)
	{
		tmp[size - index] = reverse[index];
	}
	tmp[++size] = '.';
	tmp[++size] = 'j';
	tmp[++size] = 'p';
	tmp[++size] = 'g';
	tmp[++size] = '\0';
	return tmp;
}
void initFileName()//直接用数字命名图片了
{
	for(int i = 0;i < 100;i++)
		name[i] = itoa(i);
}

3初始化图片彩色像素库

分形配色是最麻烦的了，这里配了一个还算可以看的颜色系，别介意~如果你有好的配色方案，请分享下，谢了~^_^

void initColor()//这里需要说明下，虽然写的是bgr，但是这里是当作HSV来初始化的，然后图片绘制完成后直接转下空间即可
{
	for(int i = 0;i < MAX_COLOR;i++)
	{
		B[i] = i * 4 % 256;
		G[i] = 0.7 * 255.0;
		R[i] = 255.0 * (1.0 - i / 255.0 * i / 255.0 / 1.2);
	}
}

4、绘制分形：

void drawPic()
{
	double deltaX = (XMax - XMin) / width;
	double deltaY = (YMax - YMin) / height;
	int max_iterations = 256;//最大迭代次数
	double max_size = 4.0;//这里是2的平方，为什么？建议看看维基百科的介绍~
	for(int row = 0;row < height;row++)
	{
		for(int col = 0;col < width;col++)
		{
			int color = 0;
			Complex c,z;
			z.real = 0;//这里是Mandelbrot集，下面被注释掉的是Julia集
			z.img = 0;
			c.real  = XMin + col * deltaX;
			c.img = YMin + row * deltaY;
			//z.real = XMin + col * deltaX;
			//z.img = YMin + row * deltaY;
			//c.real = 0.285;
			//c.img = 0.01;

			while((color < max_iterations) && ((z.img * z.img + z.real * z.real) < max_size))
			{	
				double tmp = z.real * z.real - z.img * z.img + c.real;
				z.img = z.img * z.real + z.real * z.img + c.img;
				z.real = tmp;
				color++;
			}
			if(color >= max_iterations)
				color = 255;
			color %= MAX_COLOR;
			IMG_8UB(fractal,col,row) = B[color];
			IMG_8UG(fractal,col,row) = G[color];
			IMG_8UR(fractal,col,row) = R[color];
		}
	}
	cvCvtColor(fractal,fractal,CV_HSV2BGR);//将HSV空间转换为BGR，方便显示
	cvShowImage("Fractal",fractal);
	cvSaveImage(name[fileIndex++],fractal);//记录查看过程

	cvWaitKey(0);
}

5、鼠标事件：

void on_mouse( int event, int x, int y, int flags, void *param  =  NULL)
{
	if( !fractal)
		return;

	if( event == CV_EVENT_LBUTTONDOWN)
	{
		pt1 = cvPoint(x,y);
	}
	else if(  event == CV_EVENT_LBUTTONUP || !(flags & CV_EVENT_FLAG_LBUTTON) )
	{
		pt2 = cvPoint(x,y);
		int dx = abs(pt2.x - pt1.x);
		int dy = abs(pt2.y - pt1.y);

		if(pt1.x > 0 && pt1.y > 0 
			&& pt2.x > 0 && pt2.y > 0
			&& dx > 5 && dy > 5)
		{
			cvSaveImage(name[fileIndex++],fcopy);//记录查看过程
			double DX = XMax - XMin;//接下来转换放大的坐标
			double DY = YMax - YMin;
			double offX = DX / width;
			double offY = DY / height;
			if(pt1.x < pt2.x)
			{		    
				XMax = offX * pt2.x + XMin;
				XMin = offX * pt1.x + XMin;
			}
			else
			{			
				XMax = offX * pt1.x + XMin;
				XMin = offX * pt2.x + XMin;
			}
			if(pt1.y < pt2.y)
			{
				YMax = offY * pt2.y + YMin;
				YMin = offY * pt1.y + YMin;
			}
			else
			{
				YMax = offY * pt1.y + YMin;
				YMin = offY * pt2.y + YMin;	
			}
			pt1 = cvPoint(-1,-1);//注意重新赋值，否则鼠标移动时还会进来，造成重复计算
			pt2 = cvPoint(-1,-1);
			printf("XMax:%.15lf XMin:%.15lf\nYMax:%.15lf YMin:%.15lf\n",XMax,XMin,YMax,YMin); 
			drawPic();//重新绘制分形
		}
	}
	else if(event == CV_EVENT_RBUTTONDOWN)//右键取消放大，重新选取放大区域
	{
		pt1 = cvPoint(-1,-1);
		pt2 = cvPoint(-1,-1);
	}
	else if( event == CV_EVENT_MOUSEMOVE && (flags & CV_EVENT_FLAG_LBUTTON) )//在选取过程中画矩形
	{
		pt2 = cvPoint(x,y);
		if(pt1.x > 0 && pt1.y > 0 
			&& pt2.x > 0 && pt2.y > 0
			&& abs(pt2.x - pt1.x) > 5
			&& abs(pt2.y - pt1.y) > 5)
		{
			cvCopy(fractal,fcopy);
			cvRectangle(fcopy,pt1,pt2,cvScalar(255,255,255));
			cvShowImage( "Fractal", fcopy);
		}
	}
}

6、主函数：

int main()
{
	cvNamedWindow("Fractal",1);
	cvSetMouseCallback( "Fractal", on_mouse, 0 );//注册鼠标事件
	fractal = cvCreateImage(cvSize(width,height),8,3);
	fcopy = cvCreateImage(cvSize(width,height),8,3);
	initFileName();//初始化
	initColor();

	drawPic();

	cvReleaseImage(&fractal);
	cvReleaseImage(&fcopy);
	cvDestroyWindow("Fractal");
	for(int i = 0;i < 100;i++)
		free(name[i]);
	return 0;
}

今天花了一天的时间在这上面，但是，很值得~

让我来看看这些美丽的分形吧~

下面是Julia集：

c = 0.285, 0.01

c = 0.285, 0

c = -0.8, 0.156

c = -0.835, -0.2321

c = -0.70176, -0.3842

c = 0.45, -0.1428

今天的收获还是挺大的，起码，这些美丽无比的画，让我真正体会到了数学之美。

不过还是有点遗憾，毕竟没有把颜色配好，不是非常好看，比起维基百科上的那些图片简直没法比。

还有就是对这两个集合没有深入理解，有时间还要研究下。

STL的complex实在太操蛋了，太慢了，我用complex要用将近一分钟才能出一幅画！！！

据说用多线程能加快计算，看来我得学下了~