细胞自动机初探——生命游戏
细胞自动机(Cellular Automaton),简单说就是能在生成许多自行演变的“小细胞”的程序,是一种很强大的人工智能实现,强大到几乎可以用来仿真研究社会和自然科学各个领域的问题,比如:构建模拟人群研究经济危机爆发过程,构建模拟生物群落研究生态系统演变,构建微观粒子群研究物理化学问题,构建“军队”模拟军事战场等等。由它引申出了数量地理学等学科,它更是分布式计算中的重要工具。。。。嘿嘿,是不是听起来很高端?想深入了解么?鄙人不才,今天带大家初步了解一下元胞自动机背后的故事。
1950年,计算机之父冯·诺伊曼写了一段程序用来模拟细胞复制过程,这就是最早的细胞自动机,只不过连冯诺伊曼本人也没太重视,所以这项研究很快就沉了。。。直到20年后的1970年,剑桥大学的约翰·何顿·康威设计了一个名为生命游戏(Life)的电脑游戏,细胞自动机才进入了科学家们的视野。后来,又有了模拟蚂蚁行为的兰顿蚂蚁(Langton ant)、模拟二极管电子逻辑的线世界(Wire world),再有史蒂芬·沃尔夫勒姆对初等细胞机256种规则所产生的模型进行了深入研究,并用熵来描述其演化行为,将细胞自动机分为平稳型、周期型、混沌型和复杂型,以至于今天应用到各个领域问题的研究……当然这是后话了,今天我们就以《生命游戏》为起点,揭开细胞自动机的神秘面纱。
生命游戏是一段很经典的仿真程序,我在网上可以找到很多实现代码,在Matlab上也有自带的demo。今天我就带大家从Matlab的demo入手,用java重写一个生命游戏。
首先我们运行Matlab中自带的demo文件我也传到了附件中 (MATLAB\R2010b\toolbox\matlab\demos\life.m),运行结果如下:
屏幕中每个蓝点即所谓的“细胞”,当程序跑起来,你会看到很多神奇的现象,如某些区域出现像核爆一样的“细胞爆发”,然后归于沉寂,只剩零星的固定细胞,或者有像小飞船一样的细胞“小飞船”在平移;但是经过几十秒后,整个画面几乎都沉寂了:只有个别区域还有稳定存在的小细胞团。
事实上,这个程序中的“细胞”只遵循以下几个简单的规则:
1、当前细胞为死亡状态时,当周围有3个存活细胞时,该细胞变成存活状态。 (模拟繁殖)
2、当前细胞为存活状态时,当周围低于2个(不包含2个)存活细胞时, 该细胞变成死亡状态。(模拟人口稀少)
3、当前细胞为存活状态时,当周围有2个或3个存活细胞时, 该细胞保持原样。
4、当前细胞为存活状态时,当周围有3个以上的存活细胞时,该细胞变成死亡状态。(模拟过度拥挤)
可以把最初的细胞结构定义为种子,当所有种子中的细胞同时被以上规则处理后, 可以得到第一代细胞图。按规则继续处理当前的细胞图,可以得到下一代的细胞图,周而复始,我们就看到了屏幕中的神奇的效果。
怎么样,是不是迫不及待了?下面我们就可以动手用java再现一个这样的生命游戏。
这个程序用到四个类:
MainUI:主窗体类,用来画出图形
Earth:地球(想不出更好的比喻了),承载”细胞”的容器,里面的land数组模拟地面上的细胞分布情况
LifeThread:用来不断更新数组以及执行重绘操作的线程类
MyListener:按钮监听器类,实现界面上start与stop按钮的功能
程序的逻辑其实很简单:用二维数组模拟地面空间的细胞图,1代表存活,0代表死亡,不断地遍历数组,根据上述规则更新数组,然后重绘,就实现了生命游戏。当然这里涉及到了线程的简单应用,很想我另一篇文章中的彩蛋程序,具体细节我就不再赘述了。
运行效果如下:
下面直接贴源代码:
MainUI类
import java.awt.BorderLayout;
import java.awt.Dimension;
import java.awt.Graphics;
import javax.swing.JButton;
import javax.swing.JFrame;
import javax.swing.JPanel;
public class MainUI extends JFrame{
//地球
private Earth earth;
//窗体组件
private JButton jb_start,jb_stop;
private JPanel jp_center,jp_west;
//初始化程序的方法
public void init(){
this.initEarth();
this.showUI();
}
//显示界面的方法
public void showUI(){
this.setTitle("生命游戏");
this.setSize(500,500);
this.setDefaultCloseOperation(3);
this.setLocationRelativeTo(null);
this.jb_start = new JButton("start");
this.jb_stop = new JButton("stop");
this.jp_west = new JPanel();
this.jp_west.setPreferredSize(new Dimension(80,100));
this.jp_west.add(jb_start);
this.jp_west.add(jb_stop);
//this.jp_west.setBackground(Color.green);
this.add(jp_west,BorderLayout.WEST);
this.jp_center = new JPanel();
//this.jp_center.setBackground(Color.red);
this.add(jp_center,BorderLayout.CENTER);
MyListener ml = new MyListener(this);
this.jb_start.addActionListener(ml);
this.jb_stop.addActionListener(ml);
this.setVisible(true);
Graphics g = this.jp_center.getGraphics();
this.earth.setG(g);
this.repaint();
}
//初始化大地的方法
public void initEarth(){
this.earth = new Earth();
this.earth.initLand();
this.repaint();
}
//重绘方法
public void repaint(Graphics g){
super.repaint();
//System.out.println("在重绘");
earth.drawCells();
}
public static void main(String [] args){
new MainUI().init();
}
public Earth getEarth() {
return this.earth;
}
}
Earth类 import java.awt.Color; import java.awt.Graphics; import java.util.ArrayList; import java.util.Random; public class Earth { //表示地面的数组 private int[][] land; //图像处理类 private Graphics g; public void setG(Graphics g){ this.g = g; } public Graphics getG() { return g; } //初始化大地的方法(增加边缘方便后面判断) public void initLand(){ this.land = new int [102][102]; for(int ii = 0;ii<102;ii++){ for (int jj = 0;jj < 102;jj++){ land[ii][jj] = 0; } }//初值为0 //生成种子细胞 System.out.println("生成种子之前:"); printLand(); this.setSeeds(); } //生成种子细胞的方法 public void setSeeds(){ Random rand = new Random(); int count = rand.nextInt(2000)+1000;//生成种子数 //随机创建细胞种子 int x= 0,y = 0; for (int ii = 0;ii < count;ii++){ x = rand.nextInt(100)+1; y = rand.nextInt(100)+1; land[x][y] = 1; } System.out.println("生成种子之后:"); printLand(); } //更新地面数组的方法 public void updataLand(){ //创建临时数组,避免之前的改动影响后面 int [][] tland = new int [102][102]; for(int ii = 0;ii < 102;ii++){ for(int jj = 0;jj< 102;jj++){ tland[ii][jj] = land[ii][jj]; } } //根据规则更新临时数组 for(int ii = 1;ii<= 100;ii++){ for(int jj = 1;jj <= 100;jj++){ //计算周围存活数 int neighbor = this.countNeighbors(jj, ii); //执行规则 //规则1: 当前细胞为死亡状态时,当周围有3个存活细胞时,该细胞变成存活状态。 if(land[ii][jj] == 0 && neighbor == 3){ tland[ii][jj] = 1; } //规则2.当前细胞为存活状态时,当周围低于2个(不包含2个)存活细胞时, 该细胞变成死亡状态。(模拟人口稀少) if(land[ii][jj] == 1 && neighbor < 2){ tland[ii][jj] = 0; } //规则3.当前细胞为存活状态时,当周围有2个或3个存活细胞时, 该细胞保持原样。 if(land[ii][jj] == 1 && (neighbor == 2 || neighbor == 3)){ tland[ii][jj] = 1; } //规则4.当前细胞为存活状态时,当周围有3个以上的存活细胞时,该细胞变成死亡状态。(模拟过度拥挤) if(land[ii][jj] == 1 && neighbor > 3){ tland[ii][jj] = 0; } } } //最后替换以更新数组 this.land = tland; } //计数细胞周围细胞数的方法 public int countNeighbors(int x,int y){ int count = 0; if(land[x-1][y] == 1){ count++; } if(land[x+1][y] == 1){ count++; } if(land[x][y-1] == 1){ count++; } if(land[x][y+1] == 1){ count++; } if(land[x-1][y-1] == 1){ count++; } if(land[x-1][y+1] == 1){ count++; } if(land[x+1][y-1] == 1){ count++; } if(land[x+1][y+1] == 1){ count++; } return count; } //画出细胞的方法 public void drawCells(){ for(int ii = 1;ii <= 100;ii++){ for(int jj = 1;jj<= 100;jj++){ if(land[ii][jj] == 1){ g.setColor(Color.BLUE); g.drawRect(4*jj, 4*ii, 4, 4); } } } } //打印land数组的方法 public void printLand(){ for(int ii = 0;ii< 102;ii++){ for(int jj = 0;jj < 102;jj++){ System.out.print(land[jj][ii]+" "); } System.out.println(); } } }
LifeThread类 public class LifeThread extends Thread{ private boolean running = true; private Earth earth; private MainUI mainUI; //传入窗体对象 public LifeThread(MainUI mainUI){ this.mainUI = mainUI; this.earth = mainUI.getEarth(); } public void run(){ while(running){ earth.updataLand(); mainUI.repaint(earth.getG()); //earth.printLand(); try { sleep(10); } catch (InterruptedException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } } mainUI.init(); } public void setRunning(boolean running) { this.running = running; } }
MyListener类 import java.awt.event.ActionEvent; import java.awt.event.ActionListener; public class MyListener implements ActionListener{ private LifeThread life; private MainUI mainUI; boolean pressstart = false; //传入窗体对象 public MyListener(MainUI mainUI){ this.mainUI = mainUI; } //监听方法 public void actionPerformed(ActionEvent e) { String com = e.getActionCommand(); if(com.equals("start")){ System.out.println("点击了start!"); if(!pressstart){ pressstart = true; life = new LifeThread(this.mainUI); life.start(); } } if(com.equals("stop")){ System.out.println("点击了stop"); if(this.life != null){ this.life.setRunning(false); this.pressstart = false; } } } }
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