Vektoren dienen zur Speicherung von Daten und als Grundlage für Berechnungen.
Die Klasse Vektor repräsentiert einen Vektor im mathematischen Sinne. Sie besitzt grundlegende Operationen, die auf Vektoren angewendet werden. Zusätzlich gibt es die Klassen Vektor2D und Vektor3D, welche von Vektor abgeleitet sind und Vektoren für den zwei- bzw. dreidimensionalen Raum darstellen
Die Klasse LineareAlgebra beinhaltet mathematische Operationen, die für Vektoren ausgeführt werden.
Im Programm gibt es verschiedene Objekte, die sich im Raum aufhalten und aufeinander wirken. Hierbei werden unterschiedliche Arten von Objekten unterschieden (siehe [fig:Objekte]).
Die Grundlage der Objekte bildet die Klasse BasisObjekt. Sie ist abstract und besitzt protected Konstruktoren. Es nicht gewollt ist, eine Instanz von ihr zu erzeugen, allerdings soll es möglich sein, Subklassen von ihr zu erstellen. Die Klasse hat mehrere Attribute - eine ID vom Datentyp Integer, eine Position vom Typ Vektor2D und eine Farbe vom Typ Vektor3D gespeichert. Der Konstruktor wird überladen und bekommt als Parameter Farbe und/oder Position übergeben. Die Zuordnung einer ID erfolgt gesondert im ObjektManager (siehe [sub:ObjektManager]). Außerdem beinhaltet die Klasse BasisObjekt die abstrakte Methode render, die zum Anzeigen des Objektes überschrieben wird. Des Weiteren enthält sie Funktionen, die für das Erzeugen der Vertices und Anzeigen des Objektes aufgerufen werden können.
Die Klassen StatischesObjekt und BeweglichesObjekt sind von BasisObjekt abgeleitet und sind ebenfalls abstract. StatischesObjekt besitzt keine zusätzlichen Funktionen, lediglich Konstruktoren, die die Konstruktoren der Superklasse aufrufen. Ihre Aufgabe ist es, eine Unterscheidung zwischen sich bewegenden und festen Objekten zu ermöglichen. BeweglichesObjekt enthält mehrere zusätzliche Attribute.
- speed ist die aktuelle Geschwindigkeit des Objektes
- masse dient zur Anwendung des zweiten newtonschen Gesetzes
F = m * a - maxSpeed begrenzt die Geschwindigkeit eines Objektes
- behavior ist eine Instanz der Klasse Behavior (siehe [sub:Behavior]) und das Verhalten des Objektes beinhaltet
- abstand ist ein Array mit den Abständen des Objektes zu allen anderen im ObjektManager (siehe [sub:ObjektManager]) registrierten Objekten
Zu diesen Attributen beinhaltet die Klasse BeweglichesObjekt die Funktion calculateDistances, die das Array abstand mit den neu berechneten Werten befüllt. Die Funktion eulerMethod nimmt eine Kraft in Form eines Vektor2D als Übergabeparameter und wendet das explizite Euler-Verfahren auf das Objekt an.
SchwarmObjekt ist eine von BeweglichesObjekt abgeleitete Klasse und repräsentiert ein Subjekt des Schwarms. Die Konstruktoren beinhalten neben dem Aufruf des Superkonstruktors auch das Einfügen des Objektes in den ObjektManager (siehe [sub:ObjektManager]). Außerdem wird hier das Attribut behavior mit einem Objekt der Klasse SchwarmVerhalten (siehe [sub:SchwarmVerhalten]) initialisiert. Für das Anzeigen der SchwarmObjekte wird die Funktion render überschrieben. Darin wird zunächst color durch den Aufruf von getSchwarmColor geändert. Danach folgt der OpenGL Aufruf mit dem setzen der Farbe der Anzeige auf den im Objekt gespeicherten color Wert und anschließendem Ausführen von drawDynamicTriangle, welches ein gleichschenkliges Dreieck erzeugt, das in Richtung des eingegebenen Geschwindigkeitsvektors ausgerichtet ist.
Auch die Klasse AlphaObjekt wurde von BeweglichesObjekt abgeleitet, jedoch enthält sie, im Unterschied zum SchwarmObjekt, neben Konstruktoren und dem überschriebenen render keine zusätzlichen Funktionen. Bereits im Konstruktor wird behavior ein neues Objekt von AlphaVerhalten (siehe [sub:AlphaVerhalten]) zugewiesen.
Die Klasse HindernisObjekt wird von StatischesObjekt abgeleitet. Sie besitzt neben den Konstruktoren, welche die Konstruktoren der Superklasse verwenden, eine überschriebene Funktion render. In ihr wird die Farbe für die Anzeige auf schwarz gesetzt und ein regelmäßiges Achteck durch die Funktion drawOctagon an die Position des Objektes gezeichnet.
Die Klasse ObjektManager ist als Singleton-Pattern realisiert und dient der Verwaltung der erzeugten Objekte. Sie beinhaltet drei Arrays, diese speichern jeweils Instanzen von SchwarmObjekt, AlphaObjekt und HindernisObjekt. Zusätzlich gibt es Funktionen für das Hinzufügen und Entfernen von Objekten, sowie das Überprüfen, ob ein Objekt bereits im ObjektManager vorhanden ist. Außerdem gibt es die Funktionen update und render. Diese rufen die update bzw. render-Funktion einzeln für jedes im ObjektManager befindliche Objekt auf.
Verhalten ist die Art, wie sich ein bewegliches Objekt im Raum bewegt und auf andere Objekte reagiert.
Behavior ist ein Interface, welches die Funktion update bereitstellt. Damit wird sichergestellt, dass in den Klassen, die Behavior implementieren, die Funktion update aufgerufen werden kann.
Die Klasse BasisVerhalten ist eine abstrakte Klasse, die Behavior implementiert. Zudem besitzt sie als Attribut ein Objekt der Klasse BeweglichesObjekt und die folgenden Funktionen.
Jedes bewegliche Objekt hat ein festgelegtes Umfeld. Alle beweglichen Objekte, die sich in diesem Umfeld befinden, nehmen Einfluss auf das Objekt. Die Größe des Feldes wird dem Verhalten als Parameter übergeben. Für die Berechnung der Kohäsion wird für jedes im ObjektManager befindliche SchwarmObjekt überprüft, welche beweglichen Objekte sich innerhalb des Umfeldes befinden. Für diese Objekte wird anschließend die durchschnittliche Position berechnet. Die Differenz aus berechnetem Mittelwert und der Position des im Verhalten gespeicherten Objektes liefert die Kohäsion.
public Vektor getCohesion(double abstand) {
Vektor2D average = new Vektor2D();
int count = 0;
for (int i = 0; i < om.getObjectCount(); i++) {
if (obj.abstand[i] < abstand) {
average.add(om.getObject(i).pos);
count++;
}
}
return count == 0 ? average : average.div(count).sub(obj.pos);
}Wie bei der Kohäsion nehmen nur bewegliche Objekte in einem bestimmten Umkreis eines Objektes Einfluss auf das Objekt. Von diesen Objekten wird der durchschnittliche Abstand zum Ausgangsobjekt berechnet. Dabei wird der Abstand vorher durch das Quadrat seiner Länge geteilt. Die Differenz aus berechnetem Mittelwert und der Position des im Verhalten gespeicherten Objektes liefert die Separation.
public Vektor2D getSeparation(double abstand) {
Vektor2D result = new Vektor2D();
for (int i = 0; i < om.getObjectCount(); i++) {
if (obj.id != i) {
Vektor2D dif = (Vektor2D) LineareAlgebra.sub(obj.pos, om.getObject(i).pos);
if ((obj.abstand[i] < abstand) && (obj.abstand[i] > 0)) {
result.add(dif.div(obj.abstand[i] * obj.abstand[i]));
}
}
}
return result;
}Für die Berechnung des Alignments wird die Durchschnittsgeschwindigkeit aller beweglichen Objekte, die sich in oben genanntem Umfeld (siehe [sub:Kohäsion]) des Ausgangsobjektes befinden, berechnet.
public Vektor2D getAlignment(double abstand) {
Vektor2D average = new Vektor2D();
int count = 0;
for (int i = 0; i < om.getObjectCount(); i++) {
if (obj.abstand[i] < abstand) {
average.add(om.getObject(i).speed);
count++;
}
}
return count == 0 ? average : (Vektor2D) average.div(count);
}Die Hindernisse-Separation funktioniert wie die Separation. Allerdings werden zur Berechnung nur die statischen, nicht aber die beweglichen Objekte mit einbezogen.
public Vektor2D getObstacleSeparation(double abstand) {
Vektor2D result = new Vektor2D();
double diflength;
for (int i = 0; i < om.getObstacleCount(); i++) {
Vektor2D dif = (Vektor2D) LineareAlgebra.sub(obj.pos, om.getObstacle(i).pos);
if (((diflength = dif.lengthsquare()) < abstand * abstand) && (diflength > 0)) {
result.add(dif.div(diflength));
}
}
return result;
}Die Alpha-Kohäsion funktioniert wie die Kohäsion. Allerdings werden zur Berechnung nur AlphaObjekte mit einbezogen.
public Vektor2D getAlphaCohesion(double abstand) {
Vektor2D result = new Vektor2D();
for (int i = 0; i < om.getAlphaCount(); i++) {
if (LineareAlgebra.manhattanDistance(obj.pos, om.getAlpha(i).pos) < abstand) {
result.add(LineareAlgebra.sub(om.getAlpha(i).pos, obj.pos));
}
}
return result;
}Die Klasse Schwarmverhalten besitzt die Funktion getForce, die die Kräfte von getCohesion, getSeparation, getAlignment, getObstacleSeparation und getAlphaCohesion aufaddiert und zurückgibt. Damit berechnet sie die Gesamtkraft die auf das Objekt wirken soll. Die Funktion update schreibt zuerst die Abstände zwischen dem Ausgangsobjekt und allen anderen beweglichen Objekten im ObjektManager in das Array abstand. Anschließend wird das explizite Euler-Verfahren auf die berechnete Gesamtkraft ausgefüht.
Die Klasse Alphaverhalten verhält sich ähnlich wie das Schwarmverhalten. Allerdings addiert getForce hier lediglich die Kräfte von getSeparation und getObstacleSeparation.
Die Anzeige ist verantwortlich für die Darstellung des Schwarmverhaltens.
Die Klasse BasisFenster ist abstract und bildet die Grundlage für die grafische Ausgabe der Objekte. Sie besitzt eine Breite, eine Höhe und den Titel des Fensters als Attribute. Als Methoden beinhaltet sie die Initialisierung eines LWJGL Displays (siehe [fig:Display]) und das Starten des Renderloops.
Die Klasse WeltDesSchwarms wird von BasisFenster abgeleitet und ist Startklasse des Projektes. Bei der Ausführung werden vorab zunächst sämtliche für den Programmablauf relevanten Objekte erstellt. Im Anschluss wird das Display erzeugt und der renderLoop gestartet. Die Funktion renderLoop löscht erst den Inhalt des Displays, erzeugt dann ein Shaderprogram in der Klasse Shader (siehe [sub:Shader]), führt anschließend die Funktionen update und render des ObjektManagers aus und löscht schließlich den erzeugten Shader. Dieser Ablauf wird wiederholt, solange keine Schließanfrage für das Display aufgetreten ist.
Die Klasse Shader dient dazu, die Berechnung der Anzeige der Objekte auf der Grafikkarte vorzunehmen. Dafür wird bei der Erstellung des Shaderprogramms ein Vertex- und ein Fragmentshader erzeugt. Deren Shadercode wir aus einer externen Datei geladen, um anschließend die beiden Shader mit dem Shaderprogramm zu linken.
public void createShaderProgram() {
shaderProgramm = glCreateProgram();
vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
attachShader("src/verhalten/anzeige.vshader", vertexShader);
attachShader("src/verhalten/anzeige.fshader", fragmentShader);
glLinkProgram(shaderProgramm);
glValidateProgram(shaderProgramm);
glUseProgram(shaderProgramm);
}