- Подписка на печатную версию:
- Подписка на электронную версию:
- Подшивки старых номеров журнала (печатные версии)
LXF78:MetaPost
Материал из Linuxformat.
MetaPost |
---|
|
Часть 3. Компьютер не умеет читать ваши мысли, зато неукоснительно следует инструкциям. Евгений Балдин научит вас отдавать правильные команды и извлекать из этого выгоду.
До сего момента мы концентрировались на том, как объяснить компьютеру, чтобы он сделал то или иное движение. Теперь воспользуемся способностью компьютера помнить предыдущие действия и извлекать их из памяти по мере необходимости. Автоматизация рутинных процедур это то, для чего компьютеры и предназначены. Практиковаться в автоматизации следует постоянно. Несмотря на затраченное на обучение время, в результате время же и экономится.
Содержание |
Объекты picture
В процесс повествования объект picture или картинка уже упоминался. Картинка представляет из себя совокупность путей и точек, которую можно подвергать трансформации. В уже существующие картинки можно добавлять пути, замкнутые области и другие картинки.
Для начала опять же воспользуемся миллиметровкой для отрисовки какого-либо рисунка, например, ракеты:
Ракета может быть без выхлопа (rocket) и c выхлопом (firerocket). В процессе создания firerocket был использован рисунок самого выхлопа (fire).
%Файл picture.1.mp %Ракета без выхлопа 10x12 Центр у стабилизаторов picture rocket;rocket:=nullpicture; addto rocket contour (-2,-1)--(-2,6)--(0,10)--(2,6)--(2,-1)--cycle withpen pencircle scaled 0.4 withcolor white; addto rocket doublepath (-2,-1)--(-2,6)--(0,10)--(2,6)--(2,-1)--cycle withpen pencircle scaled 0.5;%Корпус addto rocket contour (-2,2.5)--(-4,1)--(-4.5,-3)--(-2,-3)--cycle withpen pencircle scaled 0.4 withcolor white; addto rocket doublepath (-2,2.5)--(-4,1)--(-4.5,-3)--(-2,-3)--cycle withpen pencircle scaled 0.5;%левая дюза addto rocket contour (2,2.5)--(4,1)--(4.5,-3)--(2,-3)--cycle withpen pencircle scaled 0.4 withcolor white; addto rocket doublepath (2,2.5)--(4,1)--(4.5,-3)--(2,-3)--cycle withpen pencircle scaled 0.5;%правая дюза addto rocket doublepath (0,2.5)--(0,-3) withpen pencircle scaled 0.8;%центральная дюза %выхлоп picture fire;fire:=nullpicture; addto fire doublepath (0,-4)--(0,-6) withpen pencircle scaled 0.3;%выхлоп 1 addto fire doublepath (-1.5,-4)--(-1.5,-6) withpen pencircle scaled 0.3;%выхлоп 2 addto fire doublepath (1.5,-4)--(1.5,-6) withpen pencircle scaled 0.3;%выхлоп 3 addto fire contour (-2.5,-6.5){dir 135}..(-4,-8).. {dir 50}(-1.2,-8.2){dir -110}..(0,-10) ..{dir 110}(1.2,-8.2){dir -50}..(4,-8)..{dir -135}(2.5,-6.5)--cycle withpen pencircle scaled 0.4 withcolor white; addto fire doublepath (-2.5,-6.5){dir 135}..(-4,-8).. {dir 50}(-1.2,-8.2){dir -110}..(0,-10) ..{dir 110}(1.2,-8.2){dir -50}..(4,-8)..{dir -135}(2.5,-6.5) withpen pencircle scaled 0.3;%облако %ракета и выхлоп picture firerocket;firerocket:=rocket; addto firerocket also fire;
Прежде чем что-то добавить к картинке, её необходимо инициализировать. В MetaPost есть две определённые по умолчанию картинки: nullpicture — пустая картинка и currentpicture — текущая картинка. Пользуясь последней переменной, можно в любой момент сохранить результаты промежуточной отрисовки. Добавление элементов к картинке производится с помощью инструкции addto, после которой указывается картинка, к которой и добавляется тот или иной элемент. Путь добавляется с помощью инструкции doublepath, замкнутая область — с помощью инструкции contour, а другая картинка с помощью инструкции also.
Ранее был создан рисунок черепашки. Для его обозначения была выбрана переменная Turtle. Теперь с ней можно поработать, как с единым элементом, например, для иллюстрации задачи: «Черепашки расположены в углах правильного треугольника со стороной a и всегда ползут в направлении своей соседки против часовой стрелки со скоростью v. Когда они встретятся?»
Картинку можно отобразить с помощью команды draw. Над картинкой можно производить различные преобразования. В данном случае картинка поворачивалась, масштабировалась и сдвигалась.
%Файл pic.mp beginfig(17) ; numeric u;u = 0.8mm; numeric dphi; dphi=20; draw 30u*dir (90+dphi)--30u*dir (210+dphi)--30u*dir (330+dphi)--cycle dashed evenly scaled 1u; draw Turtle rotated (-120+dphi) scaled 1u shifted (30u*dir (90+dphi)); draw Turtle rotated dphi scaled 1u shifted (30u*dir (210+dphi)); draw Turtle rotated (120+dphi) scaled 1u shifted (30u*dir (330+dphi)); endfig ;
Обратите внимание, что линия, соединяющая черепах, нарисована пунктиром. Определённая по умолчанию переменная evenly тоже является картинкой, поэтому её можно масштабировать с помощью декларации scaled. То есть, если вам нужен более широкий шаг пунктира, то вместо масштаба 1u можно указать 2u. Если вас не устраивает где располагаются штрихи у штриховки, то можно воспользоваться декларацией сдвига shifted.
Кроме шаблона evenly в MetaPost определён шаблон withdots, который позволяет рисовать кривую с помощью точек.
Вы можете определить свой шаблон для пунктира примерно следующим образом:
picture dash_center; dash_center:=dashpattern(on 3 off 1.5 on 0.5 off 1.5); draw 30u*dir (90+dphi)--30u*dir (210+dphi)-- 30u*dir (330+dphi)--cycle dashed dash_center scaled 1u;
Функция dashpattern принимает список on/off с числовой информацией в какой момент рисовать/не рисовать. В этом примере определён шаблон для штрих-пунктирной линии, которая обычно используется для обозначения оси симметрии.
Трансформация
К задаче N 3 варианта ГГФ-51в требовалось изобразить L-образную трубку с водой. По условию, трубка сначала стояла вертикально, а потом была положена на стол.
Чтобы схематично это изобразить, вовсе необязательно уметь работать в трёхмерном редакторе. Ниже идёт код, который рисует вертикально стоящую пробирку с размерами, а затем наклоняет её.
%Файл transform.mp %пример использования slanted beginfig(1) ; numeric u; u = 0.8mm; %пробирка cutdraw (0u,0u)--(20u,0u)--(20u,30u){dir 90}.. {dir -90}(17u,30u)--(17u,3u)--(0u,3u) withpen pencircle scaled 0.5u; drawdblarrow (23u,10u)--(23u,1u); label.rt(btex \(h\) etex,1/2[(23u,10u),(23u,1u)]); drawdblarrow (30u,30u)--(30u,1u); label.lft(btex \(H\) etex,1/2[(30u,30u),(30u,1u)]); picture Base; Base:=currentpicture; %запоминаем clearit; %очищаем текущую картинку %рисуем воду когда пробирка будет наклонена fill (15u,0u)--(20u,0u)--(20u,20u)--(17u,20u)-- (17u,3u)--(15u,3u)--cycle withcolor 0.7white; draw Base; draw (12u,20u)--(20u,20u);draw (12u,10u)--(20u,10u); drawdblarrow (14u,20u)--(14u,10u); label.lft(btex \(d\) etex,(14u,16u)); picture Slant; Slant=currentpicture; %запоминаем clearit; %очищаем текущую картинку %рисуем воду когда пробирка стоит fill (5u,0u)--(20u,0u)--(20u,10u)--(17u,10u)-- (17u,3u)--(5u,3u)--cycle withcolor 0.7white; %отрисовываем пробирку draw Base; %отрисовываем пробирку и наклоняем её draw Slant yscaled 2/3 slanted 1/2 shifted (40u,0u); endfig ;
В примере применяется возможность сохранить текущее состояние с помощью currentpicture, а так же возможность полностью очистить текущую картинку с помощью инструкции clearit.
Наклон вертикально стоящей пробирки происходит с помощью масштабирования yscaled и, собственно, наклона slanted.
MetaPost поддерживает следующие базовые линейные преобразования:
Команда | Результат |
---|---|
(x,y) shifted (a,b) | (x+a,y+a) |
(x,y) scaled s | (sx,sy) |
(x,y) xscaled s | (sx,y) |
(x,y) yscaled s | (x,sy) |
(x,y) slanted s | (x+sy,y) |
(x,y) rotated | (x cos - y sin , x sin + y cos ) |
(x,y) zscaled (a,b) | (xa-yb, xb+ya) |
Кроме перечисленных базовых преобразований полезными для использования являются макросы rotatedaround ((a,b), c) — поворот вокруг точки (a,b) на угол c и reflectedabout (z1,z2) — отражение относительно линии, проходящей через точки z1 и z2.
MetaPost поддерживает объекты типа transform, то есть можно определить любое необходимое для вас преобразование, чтобы использовать его в дальнейшем.
transform t; t:= identity yscaled 2/3 slanted 1/2 shifted (40u,0u) draw Slant transformed t;
Используемая при описании преобразования t константа identity тоже является преобразованием. identity – это «пустое» преобразование, то есть преобразование, которое ничего не делает (математически, оператор такого преобразования описывается единичной матрицей – identity matrix, что и определяет название).
Циклы и условные операторы
Циклы и условные операторы в MetaPost отличаются от того, что обычно есть в других языках программирования. Цикл не просто повторяет перечисленные в теле цикла инструкции — он дублирует текст, то есть внутри цикла не обязательно должна находиться синтаксически законченная конструкция. Это же относится и к условным операторам.
«Шарик с постоянной скоростью движется вдоль спицы, которая с вращается с постоянной угловой скоростью. Требуется изобразить траекторию шарика.»
Для изображения траектории надо построить минимодель явления и задать физические параметры: поступательную скорость вдоль спицы v, угловую частоту w и начальные условия r и phi. Сама траектория создаётся с помощью следующего кода:
%Файл cycle.mp v:=27u;w:=360;N:=2.1;phi:=45;r:=5u;n:=100; path p; pair O; O:=(r*cosd(phi),r*sind(phi)); p:=O for i=0 upto n: ..((r+v*N*i/n)*dir(-w*N*i/n)+phi)) endfor; draw p withpen pencircle scaled 0.5u dashed evenly scaled 1u;
Декларация upto - это сокращение для step 1 until. Аналогично downto является сокращением для step -1 untull.
Формальный синтаксис цикла представлен ниже:
for i=x1 step x_2 until x3: text(i) endfor
Это одна из форм, которая поддерживается META. Ещё одна форма представляет бесконечный цикл:
forever: “текст” endfor
Для того чтобы выйти из подобного цикла необходимо воспользоваться конструкцией вида:
exitif (“булево выражение”)
Булево выражение может быть переменной типа boolean (true/false) или результатом сравнения чисел, точек, путей или преобразований. Операторы сравнения почти совпадают с операторами сравнения языка C, за исключением оператора равенства «=» и оператора неравенства «<>». Выражение можно инвертировать с помощью приставки not и объединить с другим с помощью приставок and или or.
Формальный синтаксис условного оператора представлен ниже:
if (“булево выражение1”): “текст1” elseif (“булево выражение2”): “текст2” else: “текст3” fi
Воспользуемся циклами для изображения циклоиды — траектории точки на катящемся колесе.
Обратите внимание, что в конце цикла или условного оператора нет необходимости ставить «;» это позволяет использовать их довольно изощрённым образом.
%Файл cycle.mp %Рис к задаче 1.5.8 (20x120) - циклоида beginfig(1) ; numeric u;u = 0.8mm; numeric R; R=10u; path p,cycl; p:=(-R,0u)..(R,0u)..cycle; %колесо draw p withpen pencircle scaled 0.3u dashed withdots scaled 0.5u; numeric j,n,v,w,phi,nsteps; j=0;n=100;v=109.8u;w=-(v/R)*180/3.14;phi=180;nsteps=4; numeric r,i; for i:=0 upto 2*nsteps: r:=R-1/nsteps*R*i; %метки for j:=0 step n/4 until n: draw (j*(v/n)+r*cosd(j*(w/n)+phi),r*sind(j*(w/n)+phi)) withpen pencircle scaled 1u; endfor; %траектория меток cycl:=for j:=0 upto n: if j<>0:..fi (j*(v/n)+r*cosd(j*(w/n)+phi),r*sind(j*(w/n)+phi)) endfor; draw cycl dashed evenly scaled 1/2u withcolor (max(1-i/nsteps,0)*red+ min(i/nsteps,2-i/nsteps)*green+ max(i/nsteps-1,0)*blue); endfor; endfig ;
В этом коде выражение if j<>0:..fi использовалось для того, чтобы перед первой точкой пути, описывающем циклоиду, не было декларации соединения. Я не знаю, какой еще из «популярных» на сегодня языков обладает такой способностью.
Макросы
Пользовательские функции в META фактически заменяются макросами. Как следствие, функции могут вернуть любую конструкцию: от числа до картинки.
Одним из моих ранних рисунков на META был «взрыв» в стакане. Требовалось изобразить траекторию «осколков» которые летят по параболе и найти самую дальнюю точку, которую достигают осколки при таком «взрыве».
Была написана процедура, которая рисовала параболу по переданным параметрам. Вызов выглядел примерно следующим образом:
Parabola_dashed(0u,0u,-1.25angle(20/sqrt(8), 10*sqrt(8)),10*sqrt(8)*u,0,100,1);
Сам макрос для отрисовки параболы представлен ниже.
%Файл macros.mp %Рисует параболу из точки (x,y) (полёт камня) штриховая %линия. В качестве параметров передаётся (x,y), ang-угол, %vel-скорость (100), %from,to - откуда и до куда рисовать %параболу в процентах [0,100], mag - увеличение (0.8u) %Для простоты g=10 def Parabola_dashed(expr x,y,ang,vel,from,to,mag) = path p; numeric t,g,n; picture dash_one; dash_one:=dashpattern(on 2mag off 2mag); n=100;%число шагов g=10.; t:=(2*vel*sind(ang)*from)/(g*n); p:=(vel*cosd(ang)*t*mag,(vel*sind(ang)*t-g*t*t/2)*mag); for i=from+1 upto to: t:=(2*vel*sind(ang)*i)/(g*n); p:=p..(vel*cosd(ang)*t*mag, (vel*sind(ang)*t-g*t*t/2)*mag); endfor; draw p shifted (x*mag,y*mag) dashed dash_one; enddef;
Не самое удачное решение, но оно выполняло то, что от него требовалось. В подобных случаях лучше, чтобы в результате деятельности макроса оставался объект, который потом можно нарисовать с помощью команды draw и трансформировать по мере необходимости. Тогда функции передавалось бы гораздо меньше параметров, что значительно бы все упростило. Например, вызов для рисования пружинки, которая необходима в следующем примере, использует всего три входных параметра:
draw Spring(25u,1.2u,25) rotated -90 shifted (-12.5u,-20u) withpen pencircle scaled 0.1u;
«Два тела, соединённые пружинкой, висят в поле тяжести на нитях, образующих угол в 900. В какой-то момент нить, крепящую конструкцию к потолку, разрывают.»
Надо нарисовать пружинку. Изображение пружинка может пригодится много где ещё, поэтому оно было оформлено как макрос.
%Файл macros.mp %Создаёт пружину, высоты h, радиуса r, с числом витков n % (0,0) - в основании пружины vardef Spring(expr h,r,n) = begingroup save i; (0,0)--(0,-r/2+0.5h/n){dir 180} for i=h/n step h/n until h: ..tension 1.2..(-r,i-h/n)..tension 1.2 .. (0,r/2+i-0.5h/n)..tension 1.2 ..(r,i).. tension 1.2 ..(0,-r/2+i+0.3h/n){dir 180} endfor--(0,h) endgroup enddef;
Обратите внимания на инструкцию tension — натяжение. Она говорит с какой «силой» надо «натянуть» соединение между точками. Значение 1.2 означает, что это следует сделать чуть потуже, чем обычно. С помощью этой инструкции описывается соединение между точками в определении пути типа «натянутая прямая»:
def --- = ..tenstion infinity.. enddef;
Если отрисовка параболы является аналогом процедуры, то создание пружины аналогом функции. Вызовы begingroup endgroup позволяют обособить вычисления, проводящиеся между ними, от «внешнего мира». С помощью команды save можно защитить переменные внутри группы — «сохранённые» таким образом переменные восстанавливают свои значения после выхода за пределы endgroup.
Параметры, которые передаются внутрь макроса, перечисляются после декларации expr. Чтобы что-то вернуть в результате исполнения макроса, возвращаемое выражение надо поместить в конце макроса без завершающего символа «;».
Отличие vardef от def заключается в том, что в случае def в качестве названия макроса передаётся «символьная лексема», а в случае vardef «объявляемая переменная». Отличие между этими понятиями заключается в том, что объявляемая переменная может состоять из нескольких символьных лексем. Таким образом вы можете создавать переменные с модифицирующимися именами. Если вам этого не надо, то используйте def.
Средства поддержки макросов в MetaPost исключительно мощные и разнообразные. В частности, с помощью инструкции primarydef можно доопределить недостающие бинарные операторы.
Стандартные функции
Лучший способ облегчить себе жизнь при написании программы - это не писать её, а воспользоваться уже готовыми компонентами. META является специализированным языком, поэтому число стандартных функций не очень велико, но их выбор весьма показателен.
«Из точек A и B в море вышли два корабля...» Требуется изобразить поверхность воды:
При кодировании этого рисунка использовалась функция генерации случайных чисел:
uniformdeviate n
В результате выполнения функции получалось случайное число в интервале [0,1]. Кроме упомянутой функции в META есть ещё один генератор случайных чисел normaldeviate — он создает числа в соответствии с распределением Гаусса (~exp(–x/2)).
Хотелось бы упомянуть о возможности разлагать сложные объекты на составляющие, например:
numeric x[ ],y[ ]; pair A,B; A=(x1,y1);A=(x2,y2); %A=(xpart x1,ypart y1) color c; c=(r,g,b); %c=(redpart c,greenpart c,bluepart c) path p; p=A--B; %A = point 0 of p = point 2 of p %B = point 1 of p = point length p of p
Таким образом можно «разобрать» на части любой путь, причём номер точки не обязательно должен быть целым (берётся точка на линии соединения в соответствии с дробной частью). С помощью функции length можно узнать число заданных точек в пути, а с помощью arclength — его длину.
К уже известным вычислительным функциям sqrt, abs, mod, round, sind и cosd полезно добавить mlog (f(x)=256 ln x) и mexp (f(x)=exp(x/256)).
Для операций с точками будут полезны функции angle (x,y) — вычисления угла наклона к оси абсцисс для вектора ((0,0)--(x,y)) в градуcах (операция, обратная dir a) и unitvector (x,y) — единичный вектор из начала координат.
Полный список стандартных функций представлен в «A User’s Manual for MetaPost» Джона Хобби. Этот текст идёт со стандартной поставкой LaTeX в виде файла mpman.pdf.