4. Специальные средства визуализации и звука

Специальные средства визуализации и звука

Системы Mathematica содержат множество средств, повышающих наглядность представления (визуализации) результатов вычислений — как простых, так и сложных. К ним можно отнести особые виды трехмерной графики, используемые при параметрическом задании поверхностей, в том числе пересекающихся в пространстве, а также графики объемных фигур — полиэдров. Возможности визуализации расширяются при использовании импортируемых рисунков и вставки графических объектов. К специфическим приемам визуализации относится и применение звуковых объектов, способных генерировать и воспроизводить звуки при наличии в компьютере звуковой карты.

Параметрическая трехмерная графика

Особый шик построениям трехмерных фигур и поверхностей придает функция ParametricPlot3D, в которой предусмотрено параметрическое задание всех трех функций, описывающих координаты точек. Каждая из функций, задающих координаты точек, является функцией двух переменных.

Функция ParametricPlot3D используется в следующих видах:

• PararnetricPlot3D[ {fx, fy, fz}, {t, tmin, tmax}, {u, umin, umax} ] — строит трехмерную поверхность, параметризованную по t и u;
• ParametricPlot3D[{fx, fy, fz}, {t, tmin, tmax}] — создает трехмерную пространственную кривую, параметризованную переменной t, которая изменяется от tmin до tmax;
• ParametricPlot3D[ { fx, fy, fz, s},...] — выполняет затенение графика в соответствии с цветовой спецификацией s;
• ParametricPlot3D[ { {fx, fy, fz}, {gx, gy, gz},...},...] — строит несколько объектов вместе.

Эта функция имеет множество опций, которые можно вывести с помощью команды Options [ParametricPlotSD]. Большая часть из них уже рассматривалась ранее. При этом даже при использовании только опций, заданных по умолчанию, можно получить любопытные построения. На рис. 8.29 показан простой пример применения функции ParametricPlot3D для построения замкнутой линии, расположенной в пространстве. Это, так сказать, объемный вариант, фигур Лиссажу, построение которых было описано ранее.

Параметрическое задание функций позволяет легко строить сложные пространственные фигуры, визуально весьма напоминающие реальные объекты. Покажем это на трех характерных примерах.

Рис. 8.29. Построение пространственной кривой, заданной в параметрической форме

Первым примером может служить фигура «рог изобилия», показанная на рис. 8.30. По существу, это раскручивающаяся объемная спираль, диаметр которой постепенно нарастает.

Рис. 8.30. Построение фигуры «рог»

Другой пример — объемное кольцо с сечением, напоминающим знак бесконечности (бесконечность). Результат построения показан на рис. 8.31. Обратите внимание на интересный эффект — из кольца удален сектор, что позволяет рассмотреть его внутреннее строение. Все, что потребовалось для создания этого эффекта, — это задать верхний предел изменения переменной t равным 2л - 0.6. Если сделать этот предел равным 2л, то кольцо станет непрерывным.

Рис. 8.31. Построение кольца с удаленным сектором

Рис. 8.32. Построение сферы с удаленным сегментом

Третий пример такого рода — построение объемной сферы. Этот пример показан на рис. 8.32. Здесь также использован прием изменения значений переменной t для получения выреза сегмента сферы. Опять-таки, задав изменение t от 0 до 2л, можно получить построение всей сферы без выреза.

Любопытно отметить, что описанные приемы создания вырезов в объемных фигурах позволяют наблюдать внутреннюю часть фигур, которая обычно (без вырезов) не видна. Это делает описанный прием построения фигур с вырезом достаточно продуктивным.

Построение фигур, пересекающихся в пространстве

Пожалуй, наиболее впечатляющими являются построения трехмерных фигур, пересекающихся в пространстве. Для этого достаточно представить каждую фигуру в виде графического объекта, а затем с помощью директивы Show вывести их на одном графике. При этом Mathematica автоматически рассчитывает линии пересечения фигур и строит график так, чтобы заслоненные ячейки фигур не были видны.

Проиллюстрируем это на примере. На рис. 8.33 показано задание и построение одного графического объекта gl — объемной спирали, полученной сворачиванием ленты.

Рис. 8.33. Построение объекта gl — объемной спирали

Второй объект, построение которого представлено на рис. 8.34, — это объемное кольцо. Его построение было описано выше. В конце части документа, показанного на рис. 8.34, задана функция Show для вывода объектов на одном графике.

Рис. 8.34. Построение объекта g2 — объемного кольца с удаленным сегментом

Рисунок 8.35 демонстрирует комбинированный график, построенный функцией Show. Он показывает кольцо, через отверстие которого проходит объемная спираль. Вырез в кольце показывает, как спираль проходит внутри кольца.

Рис. 8.35. Построение комбинированного объекта — спираль проходит внутри кольца

Графики такого типа дают большие возможности визуализации трехмерных поверхностей и фигур.

Функция Graphics3D, ее опции и примитивы

Наряду с построением графиков поверхностей, заданных аналитическими выражениями, имеется возможность создания графиков из различных элементарных геометрических объектов, называемых примитивами. Они включаются в список параметров функции Graphics3D [primitives, options] и позволяют строить в пространстве различные простые фигуры. Помимо примитивов двумерной графики могут использоваться примитивы трехмерной графики, приведенные в приложении.

Функция Graphics3D со своими примитивами может использоваться для построения в пространстве различных объектов, например точек, кубиков или многоугольников.

Рисунок 8.36 показывает два варианта размещения случайных точек в пространстве. Для генерации координат точек используется функция Random [ ], возвращающая случайные числа, распределенные по равномерному закону.

Рис. 8.36. Построение случайных точек в пространстве

Поскольку ограничительный «ящик» не удален, создается впечатление о построении точек внутри куба.

На рис. 8.37 показано построение в пространстве ряда небольших кубиков. Для этого используется примитив Cuboid, повторенный 7 раз. Для воспроизведения набора кубиков, перечисленных в функции GraphicsSD, применяется функция-директива Show.

Нетрудно заметить, что и здесь неплохо работают встроенные алгоритмы удаления невидимых линий. Это дает довольно реалистическое изображение объектов в пространстве.

Рис. 8.37. Построение нескольких кубиков в пространстве

Еще более наглядное представление об этом алгоритме дает рис. 8.38. На нем показано построение в пространстве ряда плоских многоугольников, частично проникающих друг в друга. Нетрудно заметить, что и здесь алгоритм удаления невидимых поверхностей работает превосходно.

Рис. 8.38. Построение взаимно пересекающихся плоских многоугольников в пространстве

Здесь каждый из многоугольников формируется с помощью функции пользователя randpoly [n_], в теле которой используется примитив Polygon. Эта функция формирует случайные многоугольники, выводимые затем функцией-директивой Show.

Построение полиэдров

Язык программирования системы Mathematica позволят создавать средства визуального программирования графических задач. Примером таких средств является приложение Polyhedron Explorer, предназначенное для создания множества объемных фигур класса полиэдров. Это приложение (вместе с системой Mathematica, разумеется) вполне может заменить множество бумажных объемных фигур, которые можно еще встретить в кабинетах математики школ и вузов. Его можно получить по Интернету с файлового сервера фирмы Wolfram Research.

При загрузке этого приложения (как обычного документа) создается панель с окном просмотра фигуры и пультом с множеством кнопок, с помощью которых легко выбрать подходящую фигуру и наблюдать ее в окне просмотра (рис. 8.39).

Рис. 8.39. Работа с приложением PolyhedronExplorer

Обратите внимание на кнопки внизу панели пульта (см. рис. 8.39). Стоит нажать кнопку Paste Code, как фрагмент программы, рисующий выбранную фигуру, будет вставлен в окно редактирования документов — оно видно на рис. 8.39 слева.

Теперь достаточно выполнить этот фрагмент программы, как в строке вывода появится соответствующая фигура. Добавляя те или опции, можно получить нужные изменения ее вида.

В состав примеров системы Mathematica входит немало и других иллюстраций реализации объектно-ориентированного программирования: палитры физических констант и химических элементов (таблица Менделеева), палитры дополнительных функций и т. д. Элементы такого программирования просматриваются и при работе с селектором положения трехмерных графиков (вставка опций с указанием о положении графика).

Импорт графических изображений

Несмотря на обширные возможности встроенных в ядро системы Mathematica графических функций, примитивов и опций, они не способны охватить все многообразие графических приложений в математике. Поэтому предусмотрен импорт рисунков, созданных в различных графических системах или в документах самой системы Mathematica.

Описанное выше приложение PolyhedronExplorer позволяет импортировать выбранную фигуру в документ. Для этого достаточно нажать кнопку Paste Graphic. Этот процесс иллюстрирует рис. 8.40.

Рис. 8.40. Пример импорта рисунка из приложения PolyhedronExplorer в документ системы Mathematica

Возможен также импорт изображения с использованием буфера обмена. Нужное -изображение, открытое в каком-либо приложении (например, в графическом редакторе), нужно выделить и поместить в буфер командой Сору или Cut. Затем надо перейти к работе с системой Mathematica. Установив текстовый курсор в нужное место, достаточно исполнить команду меню Edit -> Paste. Если при импорте изображения надо очистить буфер, следует использовать команду Edit -> Paste As -> Paste and Discard.

Импортированное изображение размещается в ячейке вывода, и с ним возможны все манипуляции, характерные для рисунков в ячейках вывода. Так, их можно растягивать или сжимать, а также перемещать в пределах ячейки. Этот способ импорта изображений полезен для создания средствами системы Mathematica электронных книг, уроков и статей.

Вставка графических и иных объектов

Более широкие возможности предоставляет вставка объектов. Как уже отмечалось в уроке 2, она реализуется командой Insert Object из меню Edit. Эта команда открывает окно со списком возможных приложений, которые могут экспортировать объекты в систему Mathematica.

Если, к примеру, выбрать в качестве объекта рисунок графического редактора Paint, то на экране появится окно редактора (рис. 8.41). Теперь в этом редакторе можно создавать любые изображения, например, вроде рожицы, квадрата и эллипса, представленных в окне редактора на рис. 8.41.

Если теперь закрыть окно редактора, то созданный рисунок появится в ячейке вывода документа системы Mathematica (рис. 8.42). Его можно выделять, растягивать в разных направлениях, перемещать и т. д.

Вставка объекта отличается от импорта рисунков (или текстов) одним принципиально важным обстоятельством — объект может редактироваться с автоматическим вызовом приложения, в котором он был создан. Для редактирования объекта, например нашего рисунка, достаточно сделать на нем двойной щелчок. Произойдет загрузка графического редактора, и мы увидим картину, подобную приведенной на рис. 8.41, — в нашем распоряжении будет окно редактора с рисунком, который можно произвольно изменять. После закрытия окна редактора новый рисунок появится в месте вставки.

Разумеется, объектами вставки могут быть не только рисунки, но также тексты и документы других систем. Интересно оценить, насколько Mathematica восприимчива к другим математическим системам. Увы, эта «высокопоставленная мадам» очень критична к своим возможным партнерам или соперницам. Так, она не воспринимает системы Maple V и MATLAB, которые способны соперничать с ней по своим возможностям и скорости работы. Не понимает система и такую «мелочь», как системы начального уровня Derive и MuPAD.

Зато Mathematica сравнительно благосклонно относится к системе Mathcad, известной своим бесподобным интерфейсом и, главное, возможностями задания в документах сложных формул в их вполне естественном виде. Рисунок 8.43 показывает подготовку в Mathcad графика трех функций и вычисление определенного интеграла.

Рис. 8.41. Подготовка объекта в среде графического редактора Paint, вызванного из документа системы Mathematica

Риc. 8.42. Пример вставленного объекта, созданного в среде графического редактора Paint

Рис. 8.43 .Подготовка в Mathcad графика функций и вычисление определенного интеграла

Увы, Mathematica не способна воспринимать документ Mathcad целиком, если в нем больше одного блока, ибо каждый блок воспринимается как отдельный объект. Поэтому приходится располагать блоки Mathcad (поочередно выделяя их) в отдельных ячейках системы Mathematica, что и показано на рис. 8.44.

Рис. 8.44. Документ системы Mathematica с двумя объектами из документа Mathcad

Из этого следует, что Mathematica реализует полноценную объектную связь еще далеко не со всеми программами. И, по всей видимости, это сделано разработчиками намеренно. Не случайно пары «Mathematica — Word» и «Mathematica — Excel» поставляются фирмой Wolfram как самостоятельные программные продукты.

Синтез звуков

Mathematica, в отличие от других систем компьютерной математики, имеет средства для синтеза звука. Сопровождение звуком описания некоторых математических закономерностей (например, биений, развития взрывных процессов и т. д.) делает это описание более понятным и естественным. Особенно удобна эта возможность в теоретической акустике и в технике аналоговой и цифровой обработки акустических сигналов. Таким образом, при более серьезном рассмотрении можно найти немало прикладных задач, где звуковое сопровождение их решения полезно и является важной составляющей общего описания результатов решения.

Возможности синтеза звука становятся доступными, если компьютер оборудован звуковой картой класса Sound Blaster фирмы Creative Labs или совместимой с ней. К карте должна быть подключена стереофоническая акустическая система для воспроизведения звуков. Возможен синтез как монофонических, так и стереофонических звуков.

С синтезируемым звуком связан некоторый графический образ — ячейка. Этот графический образ имеет вид осциллограмм звуковых сигналов по обоим стереоканалам. Если такая ячейка выделена, то возможен запуск воспроизведения звука с помощью главного меню, как описывалось в уроке 2.

Для синтеза звуков в системе Mathematica используются следующие функции:

• ListPlay [ {a1l, a2,...}] — проигрывает звук с амплитудой, заданной последовательностью уровней ai;
• Play[f, {t, tmin, tmax}] — воспроизводит звук с амплитудой, заданной f как функцией от времени t в секундах между значениями tmin и tmax;
• PlayRange — опция для Play и родственных функций, указывающая, какой диапазон уровней звуковых амплитуд должен использоваться;
• SampleDepth — опция для звуковых примитивов, устанавливающая количество бит для кодирования уровней амплитуды звуковых сигналов;
• SampledSoundFunction [f, n, r] — звуковой примитив; воспроизводит звук с частотой дискретизации г герц; значения дискретных отсчетов генерируются применением функции f к последовательным целым от 1 до л;
• SampledSoundList [ {al, а2,...},r] — звуковой примитив, воспроизводящий звук, амплитуда которого имеет уровни ai с дискретностью г раз в секунду;
• SampleRate — опция для звуковых примитивов, устанавливающая частоту дискретизации звука в герцах;
• Sound [primitives] — представляет звук;
• $SoundDisplayFunction — возвращает значение по умолчанию для опции Display Function в звуковых функциях.

Некоторые из указанных функций напоминают графические функции, и это не случайно. Идеология применения этих функций та же, что при использовании функций графики. Звуковые объекты имеют много схожего с графическими объектами, их можно наряду с последними включать в различные функции-директивы. Таким образом, единство работы со звуком и графикой обеспечено специально.

Рисунок 8.45 показывает использование функции Sound для создания звукового объекта. Графически этот объект представляет собой сдвоенную «осциллограмму» звука. Слово «осциллограмма» не случайно взято в кавычки — на самом деле речь идет лишь о некотором графическом представлении звуковых сигналов, отдаленно напоминающем осциллограмму. К тому же вид этого отображения сильно зависит от компьютерной платформы, на которой установлена система Mathe-matica и даже от применяемых в компьютере видеосредств.

Рис. 8.45. Создание звукового объекта

Принятый в системе способ синтеза звуков имеет определенные недостатки. Звуковые средства слишком привязаны к математике — для задания звука надо описать звуковые колебания математической формулой. Наконец, надо отметить, что графическая интерпретация звукового объекта не всегда понятна — например, неясно, что нового дает нижняя осциллограмма при синтезе монофонического звука.

Использование звуковых объектов сильно увеличивает объем файлов документов. Да и скорость синтеза звуков даже по простым выражениям оставляет желать лучшего.

Что нового мы узнали?

В этом уроке мы научились:

• Строить двумерные и трехмерные графики различного вида.
• Использовать опции графических функций для форматирования графиков.
• Применять графические директивы.
• Строить графики по точкам.
• Использовать графические примитивы.
• Вставлять в документы графические и иные объекты.
• Осуществлять синтез звуков.