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Axiom

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Viste le considerazioni degli ultimi mesi in materia di grafica generativa con Processing, e sperimentazione sulla possibile ramificazione degli alberi 3D, non potevo non affrontare lo studio degli L-Systems che poi, sono niente di più che un sistema ricorsivo di riscrittura di stringhe. Ah bene, chissà che mi credevo. Si, ma richiedono moltissima sperimentazione anche se a prima vista appaiono semplici.

In questo breve primo post sugli L-Systems voglio solo annotare alcuni concetti di base nel solito monologo – non necessariamente chiaro e comprensbile – atto a tener traccia dei miei progressi, se di progressi posso parlare; tutti gli L-System, come già visto per gli automi, funzionano richiamando sempre una stessa funzione – sono ricorsivi – che implementa determinate regole e possono essere realizzati con questi elementi:

  • Una grammatica generativa (assioma, regole, processo di sostituzione)
  • Un parser (di stringhe)

La grammatica generativa.
Per grammatica di un sistema semplice si intende un set di 3 simboli come F+-
I simboli si differenziano in terminali e non-terminali; i simboli terminali (+-) servono, per esempio, a ‘girare’ entro un certo angolo un oggetto disegnato; i simboli non-terminali (F) servono a disegnare un nuovo oggetto. Questi simboli sono convenzioni, si posso usare tutti i simboli che si vuole, ma é sempre meglio attenersi alle convenzioni, per praticità.
All’inizio del processo viene letto un assioma e cioé un simbolo (o più simboli) del linguaggio predefinito (F ma anche F+F o più lunga) a partire dal quale inizia il processo di sostituzione ricorsiva; potremmo definirlo il ’seme’ del processo. A seguire viene applicata la regola, scritta con un qualsiasi elemento del linguaggio predefinito, come per esempio: F+-F–F+F. Ogni volta che il parser incontra un carattere F (non-terminale), genera una nuova forma e rigenera per intero la regola, una volta per ogni simbolo non-terminale; ogni volta che il parser incontra un simbolo terminale (+-) ruota il sistema di coordinate prima di generarla. Voilà, ecco il branching? Non proprio, le piante crescono in un contesto tridimensionale e quindi non basta girare su un asse soltanto. Vanno perciò introdotti altri simboli per effettuare il push ed il pop del matrix stack; per convenzione sono []<>^&
In un contesto bidimensionale però sono sufficienti i set di caratteri di base F+- per creare il Koch snowflake e lo Sierpinski triangle, che sono ritenuti un tipo di frattale.

Il parser.
Questo é il cuore di un L-System, é la funzione ricorsiva che applica la regola iniziale (assioma) e da il via alla generazione della nuova stringa. Ad ogni loop – o generazione – la stringa viene analizzata carattere-per-carattere e genera una nuova stringa, più grande, fino all’infinito. Il solo limite é la potenza del computer sul quale gira il sistema.

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L-System test
Axiom: F
Rule: F-<[F>-^-<F]>+F

Insomma, c’è molto da sperimentare perchè le cose si fanno davvero complicate quando si cerca di controllare la complessità/caoticità proprie degli L-Systems; l’appeal estetico di questi sistemi (queste due immagini non sono appealing, ma rendolo l’idea della rapidità di crescita e caoticità di forma ottenibili in sole 6-7 generazioni) risiede nella imprevedibilità delle forme che si possono creare. La tentazione di creare ‘arte’ generativa con questi sistemi é forte, ma c’è un ma: essi sono ricorsivi e deterministici, cioè si ottiene – a fronte di una certa regola – sempre la stessa forma, per quanto inaspetattamente stravagante; per questo esiste la possibilità di complicare ulteriormente la faccenda con sistemi randomici, parametrici, dipendenti dal contesto e/o da altri fattori. Di queste amenità continuerò l’esplorazione, chissà che non mi esca qualcosa di interessante.

pineTree forest

Innanzi tutto, felice 2010.

Sarà stata l’aria di Ortisei, la neve e i boschi ma da quando sono tornato ho in mente di voler realizzare degli alberi con Processing. Ho creato una versione molto semplificata e stilizzata di un pino (per il momento é quanto sono riusciuto a pensare con qualche ora di tempo libero) ma ammetto che per realizzare forme convincenti c’è molto da approfondire sulle strutture geometriche e matematiche costruite dalla natura – in particolare sui frattali. Si può trovare qualche compromesso, probabilmente, ma ritengo interessante cercare di riprodurre il pattern col quale si dispongono e suddividono i rami nelle piante. Si lo so, non ci siamo. Almeno non al primo sketch.

forest

Per creare questi alberelli ’simil-Lego’ ho pensato di partire disegnando un tronco principale (una linea posizionata randomicamente e con altezza casuale, il cui spessore diminuisce mentre si sale) e dei rami, anche questi con spessore e lunghezza decrescente.

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Per i rami ho quindi semplicemente disegnato delle rette le cui coordinate esterne x e z (come fosse solo in 2D) fossero: x = initPos.x + radius * cos(theta); z = initPos.z + radius * sin(theta); qui PVector initPos contiene le coordinate x, y, z del tronco; radius è la lunghezza del ramo, e diminuisce mentre si sale. In pratica non ho fatto altro che calcolare alcuni dei punti che descrivono una serie di cerchi con raggio decrescente e poi ho usato tali coordinate per descrive l’ancoraggio del secondo punto (quello esterno) dei rami (i punti iniziali sono gli stessi del tronco). Salendo con la y (-y) ecco che i rami vengono wrappati attorno al tronco e divengono sempre più corti, fino alla cima, dove radius è 0. Il codice dello sketch e la Applet li trovate nel link sotto al video (il risultato finale è abbastanza gradevole).

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Recursive Tree. Rendered with p5sunflow lib – GC Mingati

Ecco invece una versione in cui rami e tronchi sono formati da coni/cilindri. Questo mi permette di ottenere un effetto 3D pieno e – se riesco – texturizabile; ma quello che appare subito evidente é che usando una funzione ricorsiva si ottengono rapidamente più rami (una funzione ricorsiva richiama se stessa fino a quando una data condizione non viene raggiunta – in questo esempio un numero di 5 cicli). Anche questo esempio é visibile sotto forma di Applet a questa url, ma credo dovrò cambiare radicalmente modalità di generazione: la ricursività non soddisfa la randomicità di forma/lunghezza che desidero poichè in realtà i rami nascono ruotati randomicamente sugli assi Z ed X solo alla prima generazione; i rami più piccoli sono copie rimpicciolite dei primi e non sono riuscito a trovare un modo per allontanarli dai loro ’simili’; credo però che aggiungendo una forza magnetico-repulsiva ad ogni ramo eviterò che essi si sovrappongano (al momento è inevitabile) e probabilmente avranno una forma più naturale.

pineTree forest http://www.openprocessing.org/visuals/?visualID=6824 – GC Mingati

Anche quest’anno quindi parecchi progetti da realizzare – alcuni ancora troppo complessi visti i miei skills attuali e per il tempo che richiedono (terreni 3D, alberi, flocking e piante mosse dal vento) e altri certamente più ‘alla portata’ (approfondire Struts e lo sviluppo delle apps J2EE) ma tutti comunque necessiteranno di costanza ed impegno. Ho un anno a diposizione, e Saturno contro…