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lindenmayer/README.md
2022-01-23 10:10:59 +01:00

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# Visualisierung von Lindermayer-Systemen
von Marcel Zinkel, 19.01.2022
## Theorie
### formale Definition
Ein Lindenmayer-System (auch L-System) ist ein Quadrupel G=(V,S,$\omega$,P).
- V ist die Menge der Variablen.
- S ist die Menge der Konstanten. Die Mengen V und S bilden das Alphabet.
- $\omega$ ist ein Wort aus Zeichen des Alphabets, das man auch Startwort nennt.
- P ist eine Menge von Paaren von Variablen und Wörtern, die die Ersetzungsregeln
definieren.
### kontextfreie L-Systeme
Beim Erzeugen eines L-Systems wird eine Tiefe n festgelegt, mit der die Ersetzungsschritte
wiederholt werden. Für jedem Ersetzungsschritt wird jedes Zeichen des aktuellen Wortes
$\omega$ durchgegangen und jeweils die Variablen durch das in den Ersetzungsregeln
festgelegt gelegte Wort ersetzt. Die Konstanten werden nicht ersetzt.
### Visualisierung
Eine übliche Visualisierung besteht darin, dass eine Figur z. B. eine Schildkröte
in Python über den Bildschirm bewegt wird. Folgende Zeichen haben dabei eine besondere
Bedeutung:
- F: Bewegung nach vorne um eine bestimmte Länge und Zeichnen einer Linie
- +: Drehung im mathematisch positiven Sinne um den Winkel $\alpha$
- -: Drehung im mathematisch negativen Sinne um den Winkel $\alpha$
- [: speichert die Position und Rotation auf einem Stack
- ]: stellt die oberste Position und Rotation des Stacks wieder her
## Implementierung
Das Programm wird in Python implementiert, wofür mindestens die Version 3.10 benötigt
wird, weil die match-case-Anweisung verwendet wird, die in dieser Version eingeführt
wurde. Als Abhängigkeit wird das pip-Paket pillow benötigt. Dies kann mit
`pip install .` installiert werden. Optional für das Exportieren als Bild wird
[Ghostscript](https://www.ghostscript.com/) benötigt.
Alle Schildkröten werden mit der `newTurtle` Funktion in der `drawer.py`
erstellt. Diese sorgt dafür, dass alles so schnell wie möglich gezeichnet wird
und die Schildkröte nicht zu sehen ist.
Die Klasse `Drawer` in der `drawer.py` ist am wichtigsten, da diese die
L-Systeme zeichnet. Die `draw` Methode dieser Klasse geht Zeichen für Zeichen
des Wortes, mit der sie aufgerufen wurde, durch. Bei + oder - wird die
Schildkröte nach links bzw. rechts um einen zuvor festgelegten Winkel gedreht.
Bei F wird sie nach vorne bewegt. In der Liste `turtleStates` wird der Zustand
der Schildkröte, also die Position und Rotation, gespeichert. Bei [ wird wird
der Zustand am Ende der Liste gespeichert und bei ] der letzte Zustand der Liste
wiederhergestellt und anschließend gelöscht. Außerdem wird für Zeichen, für die
es eine Ersetzungsregel gibt, die `draw` Methode rekursiv mit dem der
Ersetzungsregel entsprechenden Wort aufgerufen.
Die Klasse `DrawerSimulation` erbt von `Drawer` und simuliert ein L-System und
ermittelt Bereich, indem es gezeichnet werden würde. So kann die `draw` Funktion
in der `drawer.py` erst das L-System mithilfe von `DrawerSimulation` simulieren.
Anschließend wird die Startpostion der Schildkröte, sowie Länge mit der sie sich
fortbewegt, so gewählt, dass sich die Zeichnung im vorgesehenen Bereich
befindet. Mit diesen Werten wird es mit der Klasse `Drawer` gezeichnet.
Schließlich werden die Einstellungen, mit denen das L-System gezeichnet wurde,
in der Liste `drawings` abgespeichert.
In der `__main__.py` werden zunächst einige Einstellungen vorgenommen und die
Funktion `takeInput` in `inputHelper.py` aufgerufen. Diese nimmt einen Befehl
entgegen und ruft sich danach rekursiv auf. Beim d(raw) Befehl wird nach dem zu
zeichnenden L-System und verschiedenen Einstellungen gefragt. Dazu werden
diverse Hilfsfunktionen für unterschiedliche Eingabetypen z. B. Zahlen und
Zeichenketten benutzt. Zuletzt wird gefragt, ob das L-System das ganze Fenster
ausfüllen soll. Wird dies verneint, kann der Nutzer durch Klicken auf die
diagonalen Eckpunkte, die Position und Größe der Zeichnung eingeben. Schließlich
wird die `draw` Funktion aufgerufen.
Eine Zeichnung kann auch wieder mit der `delete` Funktion der `drawer.py`
gelöscht werden, da jedes L-System mit einer neuen Schildkröte gezeichnet wird.
So kann eine Zeichnung durch den Aufruf der `clear` Methode der Schildkröte
gelöscht werden.
Außerdem kann der Zustand des Programms mit allen Zeichnungen und der gewählten
Hintergrundfarbe abgespeichert und wieder geladenen werden. Hierfür wird die in
Python integrierte pickle Library verwendet.
Das Bild kann auch als Bilddatei exportiert werden. Dafür wird eine Funktion von
Tk benutzt, mit der man das Bild im Postscript Format erhält. Mit der PIL kann es
dann in verschiedensten Bildformaten abgespeichert werden.
## Quellen
[https://de.wikipedia.org/wiki/Lindenmayer-System](https://de.wikipedia.org/wiki/Lindenmayer-System),
aufgerufen am 14. Januar 2022 um 16:12 Uhr