Федеральное агентство по образованию Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
Факультет Вычислительной математики и кибернетики
Отчёт по лабораторной работе
Реализация динамической структуры
данных типа "очередь" на основе кольцевого
буфера памяти и ее практическое
применение для отображения одномерных
клеточных автоматов
Выполнил:
студент ф-та ВМК гр. 82-11
Пауль Э.А.
Проверил:
ассистент каф. МО ЭВМ, ВМК
Кустикова В.Д.
Нижний Новгород
2013 г.
Оглавление
Введение................................................................................................................................3
1
Постановка задачи.......................................................................................................4
2
Руководство пользователя ..........................................................................................5
3
Руководство программиста ........................................................................................6
3.1
Описание структуры программы .......................................................................6
3.1.1 Основная программа ........................................................................................6
3.1.2 Библиотека ........................................................................................................6
3.2
Описание структур данных .................................................................................6
3.2.1 Глобальные переменные..................................................................................6
3.2.2 Классы ...............................................................................................................6
4
Заключение ..................................................................................................................8
5
Литература ...................................................................................................................9
2
Введение
В данной лабораторной работе представлена программа, работа которой заключается
в подсчете и отрисовки последовательности конфигураций одномерного клеточного
автомата с использованием структуры данных типа «очередь» на основе кольцевого
буфера памяти.
Очередь — структура данных с дисциплиной доступа к элементам «первый
пришёл — первый вышел» (FIFO, First In — First Out). Добавление элемента (принято
обозначать словом enqueue — поставить в очередь) возможно лишь в конец очереди,
выборка — только из начала очереди (что принято называть словом dequeue — убрать из
очереди), при этом выбранный элемент из очереди удаляется.
Клеточный автомат — дискретная модель, изучаемая в математике, теории
вычислимости, физике, теоретической биологии и микромеханике. Включает регулярную
решётку ячеек, каждая из которых может находиться в одном из конечного множества
состояний, таких как 1 и 0. Решетка может быть любой размерности. Для каждой ячейки
определено множество ячеек, называемых окрестностью. К примеру, окрестность может
быть определена как все ячейки на расстоянии не более 2 от текущей (окрестность фон
Неймана ранга 2). Для работы клеточного автомата требуется задание начального
состояния всех ячеек, и правил перехода ячеек из одного состояния в другое. На каждой
итерации, используя правила перехода и состояния соседних ячеек, определяется новое
состояние каждой ячейки. Обычно правила перехода одинаковы для всех ячеек и
применяются сразу ко всей решётке.
3
1 Постановка задачи
Необходимо разработать и реализовать консольное приложение, позволяющее
наблюдать за изменением одномерного клеточного автомата при задании определенной
стартовой конфигурации на протяжении заданного количества итераций.
Пользователь должен иметь возможность:
Задавать размерность автомата.
Задавать количество итерация для отображения.
Выбирать тип окрестности из предложенных: в 3 и в 5 клеток.
Включать и исключать центральную клетку при подсчете следующего состояния.
Выбирать стартовую конфигурацию из предложенных: тестовая, случайная,
пользовательская.
6. Просматривать следующий набор конфигураций в двух режимах: автоматический
и пошаговый.
1.
2.
3.
4.
5.
Программа должна:
1. Запрашивать все необходимые параметры.
2. Предоставлять возможность задания пользовательской конфигурации посредством
клика мыши по соответствующей клеточке.
3. Подсчитывать следующую конфигурацию и отображать последовательность
заданного количества последних конфигураций.
4
2 Руководство пользователя
При запуске программы, прежде всего, необходимо выбрать работу в режиме
одноклеточного автомата “Automaton 1D”.
Введите стартовые параметры клеточного автомата в порядке очереди (Рис.1):
1. Размерность автомата.
2. Количество отображаемых итераций.
3. Тип окрестности.
4. Включение/исключение центральной клетки.
5. Стартовая конфигурация.
Рис.1.
Ввод параметров автомата
При выборе пользовательской стартовой конфигурации “Custom”, посредством
нажатия на клетки в первой строчке, задайте желаемую стартовую конфигурацию (Рис.2),
после чего нажмите любую клавишу.
Рис.2.
Задание пользовательской конфигурации
При нажатии на клавишу “Enter” просмотр конфигураций будет запущен в
автоматическом режиме. Повторное нажатие “Enter” останавливает автоматический
просмотр. Однократное нажатие на любую другую клавишу приводит к отображению
следующей конфигурации.
5
3 Руководство программиста
3.1 Описание структуры программы
3.1.1 Основная программа
Состоит из единственного файла “main.cpp”, в котором подключена написанная в
ходе выполнения лабораторной работы библиотека “lib_automaton”. В этом файле
реализована и задействована функция отклика на событие нажатия мыши. Реализован
интерфейс ввода начальных параметров автомата, алгоритм работы с очередью и
визуальное отображение результатов работы программы.
3.1.2 Библиотека
1. CellularAutomaton – содержит классы State и CellAutomata.
2. CellularAutomaton_1D – содержит класс CellAutomata1D.
3. IOCellularAutomaton – содержит функции отрисовки сетки, задания
размерности и количества первоначальных итераций (включает в себя библиотеку
OpenCV).
4. IOCellularAutomaton_1D – содержит функции выбора окрестности, стартовой
конфигурации и отрисовки конфигурации автомата (включает в себя библиотеку
OpenCV).
5. Queue – содержит класс Queue.
3.2 Описание структур данных
3.2.1 Глобальные переменные
1.
2.
3.
4.
CellAutomata1D *b – экземпляр клеточного автомата.
Mat img – переменная библиотеки OpenCV для хранения изображения.
Const char *winName – название окна изображения.
Int wStep, hStep, dimX, dimY, mode – ширина шага, высота шага,
размерность автомата, длина очереди, номер лабораторной.
3.2.2 Классы
Рис.3.
Диаграмма классов
6
1. State – класс состояния клетки. Содержит методы установки и получения значения.
2. CellAutomata – абстрактный класс клеточного автомата. Объявлены чистые
виртуальные методы установки конфигураций и расчета следующей
конфигурации. Реализованы методы получения текущей конфигурации и
состояния определенной клетки.
3. CellAutomata1D – абстрактный класс одномерного клеточного автомата. Объявлен
чистый виртуальный метод расчета следующего состояния клетки. Реализованы
методы установки конфигураций и расчета следующей конфигурации.
4. CellAutomata1D_3 – класс одномерного клеточного автомата с окрестностью в 3
клетки. Реализован метод расчета следующего состояния клетки.
5. CellAutomata1D_5 – класс одномерного клеточного автомата с окрестностью в 5
клеток. Реализован метод расчета следующего состояния клетки.
6. Queue – класс очереди, основанный на кольцевом буфере памяти. Реализованы
методы получения следующего указателя и просмотра элемента с определенным
индексом.
7
4 Заключение
В лабораторной работы была разработано и реализовано консольное приложение,
позволяющее наблюдать за изменением одномерного клеточного автомата при задании
определенной стартовой конфигурации на протяжении заданного количества итераций.
В ходе выполнения работы мы:
1. Ознакомились со структурой данных типа “очередь”.
2. Реализовали “очередь” на основе кольцевого буфера памяти.
3. Научились создавать статические библиотеки и пользоваться ими.
4. Ознакомились с частью базовых методов библиотеки компьютерного зрения
OpenCV.
8
5 Литература
1. Т. Тоффоли, Н. Марголус, Машины клеточных автоматов, М.: «Мир», 1991.
2. Роберт Круз. Структуры данных и проектирование программ. — Бином.
Лаборатория знаний, 2008.
3. Павловская Т. А. - C/C++. Программирование на языке высокого уровня.
9
6 Приложения
6.1 Main.cpp
void main(){
srand(time(NULL));
int repeat;
Queue* q;
inputDimensions(wStep, hStep, dimX, dimY);
selectNeighborhood(&b,dimX,dimY, &q);
selectStartConf(b,mode);
namedWindow(winName);
cvSetMouseCallback(winName, onMouseClick,(void*)&mode);
drawGrid(img, wStep,hStep,dimX,dimY);
if (mode==0){
imshow(winName, img);
waitKey();
}
mode=2;
char key =-1;
int autoMode=0;
while (key != ESC_KEY)
{
for (int j=0;j<q->count;j++){
State* tmp = q->Get(j);
drawAutomaton1D(tmp,img, wStep,hStep,dimX,j);
}
imshow(winName, img);
if (autoMode==0) key = waitKey();
else key = waitKey(DELAY);
if (key==ENTER) autoMode=(autoMode+1)%2;
b->getNextConf();
}
destroyAllWindows();
img.release();
delete a;
}
void onMouseClick(int eventId, int x, int y,
int flags, void *userdata)
{
if (eventId != CV_EVENT_LBUTTONDOWN)
{
return;
}
if (*(int*)userdata==2) return;
CellAutomata* tmp=a;
int j = x / (wStep + thickness);
int i = y / (hStep + thickness);
int rx = j * (wStep + thickness) + thickness;
int ry = i * (hStep + thickness) + thickness;
if (*(int*)userdata==0){
if (i!=0) return;
tmp=b;
}
10
if (tmp->getState(i*dimX+j).getValue()==0)
rectangle(img, cvRect(rx, ry, wStep, hStep), CV_RGB(255, 0, 0),
CV_FILLED);
else rectangle(img, cvRect(rx, ry, wStep, hStep),
CV_RGB(255,255,255), CV_FILLED);
tmp->getState(i*dimX+j).setValue((tmp>getState(i*dimX+j).getValue()+1)%2);
imshow(winName, img);
waitKey(DELAY);}
6.2 Queue.cpp
#pragma once
#include "Queue.h"
Queue::Queue(int _dimX, int _dimY){
dimX=_dimX; dimY=_dimY;
hi=-1; li=-1;
arr=new State*[dimY];
for (int i=0;i<dimY;i++) arr[i]=new State[dimX];
count=0;
}
Queue::~Queue(){
for(int i=0;i<dimY;i++)
delete[] arr[i];
delete[] arr;
}
State*
Queue::Get(int Idx){
if ((count==0)||(hi>=li && (hi-li)<Idx)||(hi<li && (hi+dimXli)<Idx))
return NULL;
return arr[(li+Idx)%dimY];
}
State*
Queue::GetNextPointer(){
try{
if (isFull()){
li=(li+1)%dimY;
count--;
}
if (isEmpty()) li=0;
hi=(hi+1)%dimY;
count++;
return arr[hi];
}
catch(...){
return NULL;
}
}
6.3 CellularAutomaton_1D.cpp
void CellAutomata1D::getNextConf(){
nextConf=q->GetNextPointer();
for(int i=0;i<dimX;i++)
nextConf[i].setValue(getNextState(i));
conf=nextConf;
}
CellAutomata1D_3::CellAutomata1D_3(int _dimX, int _flag, Queue* _q){
11
dimX=_dimX;
flag=_flag;
q=_q;
conf = q->GetNextPointer();
};
unsigned int CellAutomata1D_3::getNextState(int x){
unsigned int s=conf[x].getValue()*flag;
for(int i=x-1;i<x+2;i++){
int k=i;
if (k!=x){
if (k<0) k=dimX+k;
if (k>dimX-1) k=k-dimX;
s+=conf[k].getValue();
}
}
return s%2;
}
12