毕业论文基于JAVA的分形图像生成研究

安徽农业大学毕业论文（设计）论文题目基于JAVA的分形图像生成技术的研究姓名李万奎学号05138047院系信息与计算机学院专业计算机科学与技术指导教师魏雅鹛职称讲师中国·合肥二oo九年六月安徽农业大学学士学位论文（设计）开题报告课题名称基于JAVA技术分形图像生成技术的研究课题来源指导老师学生姓名李万奎专业计算机科学与技术学号05138047指导教师姓名魏雅鹛职称讲师研究内容该课题深入研究了分形理论并基于分形理论生成各种形式的分形图像，使用Java进行编程，完成如下功能1.L系统和Koch曲线实现图像公里2.利用Java代码编写L系统和Koch曲线公里3.JavaApplet技术处理Java代码4.运行程序显示分形图像研究计划2009．3．1~3.20做整体的需求分析并完成开题报告2009．3．21~4.4完成各模块的设计方案2009．4．5~5.10分别编写各模块的代码、调试程序、方案实现2009．5．11~5.20总结毕业设计结果并书写毕业设计说明书2009.6月初撰写毕业设计论文特色与创新用JavaApplet来处理L系统图像和Koch曲线分形理论算法，同时Java技术解决了跨平台的问题。指导教师意见教研室意见学院意见主要领导签名：年月日目录1引言.......................................................................................................................-4-2设计思想...............................................................................................................-5-3系统的总体设计...................................................................................................-6-3.1系统分析..........................................................................................................-6-3.2系统功能设计..................................................................................................-8-3.3系统流程设计..................................................................................................-8-4系统实现...............................................................................................................-8-4.1L系统算法设计.............................................................................................-8-4.2KOCH曲线算法设计.................................................................................-14-4.3APPLET模块设计......................................................................................-17-5小结.....................................................................................................................-19-参考文献................................................................................................................-19-英文摘要................................................................................................................-19-致谢........................................................................................................................-20-附录........................................................................................................................-20-基于JAVA的分形图像生成技术的研究学生:李万奎指导老师：魏雅鹛(安徽农业大学信息与计算机学院合肥230036)摘要：分形是描述自然界和非线性系统中不光滑和不规则几何形体的有力工具。大量事实表明，分形广泛存在于自然界，分形涉及的领域已遍及数学、理、化学、材料科学、生物与医学、地质和地理学、地震和天文学以及计算机科学等。分形的研究既有重要的理论意义，又有广泛的应用价值。分形理论与计算机科学理论的结合为实现图像数据压缩提供了新的途径。其中分形理论包括几种分形算法：字符串替换算法、随机迭代算法、逃逸时间算法、反函数迭代算法、分形插值算法、动力系统迭代等等，使大量复杂的信息资料由“分形理论中最基本运算”进行图像压缩处理，提高计算机信息储存功能，具有重要的理论和经济意义。本课题就是研究分形理论结合Java技术、L系统算法和Koch曲线实现分形图像的生成。关键字：JAVA；分形；L系统；Koch曲线1引言自然界是宇宙万物的总称，是各种物质系统相互作用相互联系的总体，它包括大至宇宙天体的形成演化，小到微观世界中基本粒子的运动。随着牛顿经典力学的创立，爱因斯坦相对论，以及量子力学的发展，人类在自然科学方面已经取得了辉煌的成就；随着天体物理学以及其他相关学科的迅速发展，人类已经登上月球，进入太空；人类对微观世界由质点组成的简单系统的运动规律也有了全面而正确的认识。尽管如此，如果人们稍微注意一下周围环境中发生的大量非线形不可逆现象，就会发现，人们对这些现象知之甚少，对许多问题甚至于束手无策。当你仰望蔚蓝的天空，常常可以看到天空中漂浮着一团团白云，尽管它的形态是千变万化的，但是如果用不同倍数的望远镜来观察云团时，它的形态几乎是保持不变，也既是说白云的形态和望远镜的放大倍数无关[1]。分形理论使人们能以新的观念，新的手段来处理这些难题，透过扑朔迷离的无序的混乱现象和不规则的形态，揭示隐藏在复杂现象背后的规律，局部和整体之间的本质联系。分形理论在某些学科的成功尝试，极大地激发了科学研究工作者的兴趣，他们把分形理论逐渐扩展到其它的学科领域，更进一步的促进了分形学的发展。分形作为一门新兴学科，其应用潜力是巨大的，尤其是在计算机模拟方面更是具有很大的实用价值。所以，学习和研究分形，实现分形在实际生活中的应用，都具有一定很强的诱惑力。JAVA是一种简单的，面向对象的，分布式的，解释型的，健壮安全的，结构中立的，可移植的，性能优异、多线程的动态语言。同时java平台也具有跨平台的功能，使用Java语言编写的程序,不需要任何改动,就可以移植到另一个平台上运行。在JavaApple中，可以实现图形绘制、字体和颜色控制、动画和声音的插入、人机交互及网络交流等功能.Apple还提供各种名为抽象窗口工具箱(AWT)的窗口环境开发工具,但是AWT的设计是存在缺陷的,取而代之的Swing技术为JavaGUI足见的轻量组建。它们利用用户计算机的GUI元素,可以建立标准的图形用户界面,如窗口、按钮、滚动条等等。目前，在网络上用Applet来生动地展现这些功能越来越多。L系统通过对植物对象生长过程的经验式概括和抽象，初始状态与描述规则，进行有限次迭代，生成字符发展序列以表现植物的拓扑结构，并对产生的字符串进行几何解释，就能生成非常复杂的分形图形2设计思想本研究课题主要的功能是分形图像生成，主要表现为：第一：分形理论的图像的生成分形的概念是美籍数学家曼德布罗特(B.B.Mandelbort)首先提出的.它也是当今科学很有影响的，自相似原则和迭代生成原则是分形理论的重要原则。分形形体中的自相似性可以是完全相同,也可以是统计意义上的相似。对分形的研究极大的赋予人们对自然界想象和认识。分形研究不断发现很多美丽的图像，让人联想起现实世界的复杂多变的自然结构，利用的价值就会很高。比较典型的生成分形图像方法，L系统。L系统是美国生物学家AristidLinderMayer于1968年提出的.L－系统的本质是一个重写系统，通过对植物对象生长过程的经验式概括和抽象，初始状态与描述规则，进行有限次迭代，生成字符发展序列以表现植物的拓扑结构，并对产生的字符串进行几何解释，就能生成非常复杂多变的分行图像.L系统是极其有趣的，1，这种方法能够生成许多经典的分形，2.用它可以模拟生物形态，特别是能表达植物的分枝结构。就因为是L系统本质是一个字符串重写系统，我们把字符串解释成曲线(更准确地说，称作图形)，于是只要能生成字符串，也就等于生成了图形。L系统的工作原理非常简单，仅仅是对几个简单的字符进行操作。L系统是一个简单由“F”，“+”，“-”等字符组成的字符串，串的形成前提是必须具备的条件，并且按照一定的规则替换。母串中的字母“F”可以被子串替代，这样就完成了一次替换，依此类推，就可以完成L系统的迭代。比如：公理：F规则：F-F++F-F第一次迭代：F-F++F-F第二次迭代：F-F++F-F-F-F++F-F++F-F++F-F-F-F++F-F………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………生成原理是:F表示向前画一条线段;“+”表示旋转+N°,“-”表示旋转-N°,每作用一级,所画线段的长度变为上一级的三分之一,其中N表示多少度。从一个初始串(叫做公理)开始，将变换规则多次作用于其上，最后产生一个较长的命令串，用它来绘图。作用一次，称作一级(order),一般说来选择的级数不宜太高，通常选2-8级，最多15级[6]。L系统细说起来也有若干种，通常指“0L系统”。0L系统可定义为一个三元组〈V,ω,P〉，设V表示“字母表”(alphabet)，V^*表示V上的所有“单词”(words)，ω∈V^*是一个非空的单词，称作公理(axiom)，P包含于V×V^*是产生规则的有穷集。（见附录B）因此,理论上由L系统产生的分形曲线,又叫Koch曲线，同时实际上也是一个无限迭代的过程。第二用随机L系统表示植物分形信息自然界中的物质不是固定不变化的，几乎都是随机的，世界上也不可能又2种生物是完全一样的，尽管是相同的植物，同样也会存在差异。环境改变了形态变异，为了产生细节上的不同变化，能让植物够逼真，就引入随机L系统[5]。随机的L系统是有序的四元素集，表达式为：GV,ω,P,π其中V,ω的意义和三元式一样的。P是随机的生产规则集，π为函数。3系统的总体设计3.1系统分析本课题研究分行理论分形图像技术的研究，现实的形态多种多样，如果都用图片收藏的话，会占用很多空间，同样使用