<em>Mac</em>Book项目 2009年学校开始实施<em>Mac</em>Book项目,所有师生配备一本<em>Mac</em>Book,并同步更新了校园无线网络。学校每周进行电脑技术更新,每月发送技术支持资料,极大改变了教学及学习方式。因此2011
2021-06-01 09:32:01
維基百科上有個有意思的話題叫細胞自動機:https://en.wikipedia.org/wiki/Cellular_automaton
在20世紀70年代,一種名為生命遊戲的二維細胞自動機變得廣為人知,特別是在早期的計算機界。由約翰 · 康威發明,馬丁 · 加德納在《科學美國人》的一篇文章中推廣,其規則如下:
- Any live cell with fewer than two live neighbours dies, as if caused by underpopulation.
- Any live cell with two or three live neighbours lives on to the next generation.
- Any live cell with more than three live neighbours dies, as if by overpopulation.
- Any dead cell with exactly three live neighbours becomes a live cell, as if by reproduction.
總結就是:任何活細胞在有兩到三個活鄰居時能活到下一代,否則死亡。任何有三個活鄰居的死細胞會變成活細胞,表示繁殖。
在Conway’s Game of Life中,展示了幾種初始狀態:
下面我們用python來模擬,首先嚐試表示Beacon:
import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt universe = np.zeros((6, 6), "byte") # Beacon universe[1:3, 1:3] = 1 universe[3:5, 3:5] = 1 print(universe) im = plt.imshow(universe, cmap="binary")
[[0 0 0 0 0 0] [0 1 1 0 0 0] [0 1 1 0 0 0] [0 0 0 1 1 0] [0 0 0 1 1 0] [0 0 0 0 0 0]]
可以看到已經成功的列印出了Beacon的形狀,下面我們繼續編寫細胞自動機的演化規則:
def cellular_auto(universe): universe_new = universe.copy() h, w = universe.shape for y in range(h): for x in range(w): neighbor_num = universe[x-1:x+2, y-1:y+2].sum()-universe[x, y] # 任何有三個活鄰居的死細胞都變成了活細胞,繁殖一樣。 if universe[x, y] == 0 and neighbor_num == 3: universe_new[x, y] = 1 # 任何有兩到三個活鄰居的活細胞都能活到下一代,否則就會死亡。 if universe[x, y] == 1 and neighbor_num not in (2, 3): universe_new[x, y] = 0 return universe_new universe = cellular_auto(universe) print(universe) plt.axis("off") im = plt.imshow(universe, cmap="binary")
[[0 0 0 0 0 0] [0 1 1 0 0 0] [0 1 0 0 0 0] [0 0 0 0 1 0] [0 0 0 1 1 0] [0 0 0 0 0 0]]
基於此我們可以製作matplotlib的動畫,下面直接將Blinker、Toad、Beacon都放上去:
from matplotlib import animation import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt %matplotlib notebook def cellular_auto(universe): universe_new = universe.copy() h, w = universe.shape for y in range(h): for x in range(w): neighbor_num = universe[x-1:x+2, y-1:y+2].sum()-universe[x, y] # 任何有三個活鄰居的死細胞都變成了活細胞,繁殖一樣。 if universe[x, y] == 0 and neighbor_num == 3: universe_new[x, y] = 1 # 任何有兩到三個活鄰居的活細胞都能活到下一代,否則就會死亡。 if universe[x, y] == 1 and neighbor_num not in (2, 3): universe_new[x, y] = 0 return universe_new universe = np.zeros((12, 12), "byte") # Blinker universe[2, 1:4] = 1 # Beacon universe[4:6, 5:7] = 1 universe[6:8, 7:9] = 1 # Toad universe[8, 2:5] = 1 universe[9, 1:4] = 1 fig = plt.figure() plt.axis("off") im = plt.imshow(universe, cmap="binary") frame = [] for _ in range(2): frame.append((plt.imshow(universe, cmap="binary"),)) universe = cellular_auto(universe) animation.ArtistAnimation(fig, frame, interval=500, blit=True)
然後我們畫一下Pulsar:
# Pulsar universe = np.zeros((17, 17), "byte") universe[[2, 7, 9, 14], 4:7] = 1 universe[[2, 7, 9, 14], 10:13] = 1 universe[4:7, [2, 7, 9, 14]] = 1 universe[10:13, [2, 7, 9, 14]] = 1 fig = plt.figure() plt.axis("off") im = plt.imshow(universe, cmap="binary") frame = [] for _ in range(3): frame.append((plt.imshow(universe, cmap="binary"),)) universe = cellular_auto(universe) animation.ArtistAnimation(fig, frame, interval=500, blit=True)
另一種建立matplotlib動畫的方法是使用FuncAnimation,完整程式碼:
from matplotlib import animation import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt from IPython.display import HTML # %matplotlib notebook def cellular_auto(universe): universe_new = universe.copy() h, w = universe.shape for y in range(h): for x in range(w): neighbor_num = universe[x-1:x+2, y-1:y+2].sum()-universe[x, y] # 任何有三個活鄰居的死細胞都變成了活細胞,繁殖一樣。 if universe[x, y] == 0 and neighbor_num == 3: universe_new[x, y] = 1 # 任何有兩到三個活鄰居的活細胞都能活到下一代,否則就會死亡。 if universe[x, y] == 1 and neighbor_num not in (2, 3): universe_new[x, y] = 0 return universe_new def update(i=0): global universe im.set_data(universe) universe = cellular_auto(universe) return im, # Pulsar universe = np.zeros((17, 17), "byte") universe[[2, 7, 9, 14], 4:7] = 1 universe[[2, 7, 9, 14], 10:13] = 1 universe[4:7, [2, 7, 9, 14]] = 1 universe[10:13, [2, 7, 9, 14]] = 1 fig = plt.figure() plt.axis("off") im = plt.imshow(universe, cmap="binary") plt.show() anim = animation.FuncAnimation( fig, update, frames=3, interval=500, blit=True) HTML(anim.to_jshtml())
這種動畫生成速度較慢,好處是可以匯出html檔案:
with open("out.html", "w") as f: f.write(anim.to_jshtml())
還可以儲存MP4視訊:
anim.save("out.mp4")
或gif動畫:
anim.save("out.gif")
注意:儲存MP4視訊或GIF動畫,需要事先將ffmpeg設定到環境變數中
ffmpeg下載地址:
連結: https://pan.baidu.com/s/1aioB_BwpKb6LxJs26HbbiQ?pwd=ciui
提取碼: ciui
接下來,我們建立一個50*50的二維生命棋盤,並選取其中1500個位置作為初始活細胞點,我們看看最終生成的動畫如何。
完整程式碼如下:
from matplotlib import animation import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt %matplotlib notebook def cellular_auto(universe): universe_new = universe.copy() h, w = universe.shape for y in range(1, h-1): for x in range(1, w-1): neighbor_num = universe[x-1:x+2, y-1:y+2].sum()-universe[x, y] # 任何有三個活鄰居的死細胞都變成了活細胞,繁殖一樣。 if universe[x, y] == 0 and neighbor_num == 3: universe_new[x, y] = 1 # 任何有兩到三個活鄰居的活細胞都能活到下一代,否則就會死亡。 if universe[x, y] == 1 and neighbor_num not in (2, 3): universe_new[x, y] = 0 # 邊緣置零 universe[[0, -1]] = 0 universe[:, [0, -1]] = 0 return universe_new boardsize, pad = 50, 2 universe = np.zeros((boardsize+pad, boardsize+pad), "byte") # 隨機選取1500個點作為初始活細胞 for i in range(1500): x, y = np.random.randint(1, boardsize+1, 2) universe[y, x] = 1 fig = plt.figure() plt.axis("off") im = plt.imshow(universe, cmap="binary") frame = [] for _ in range(200): frame.append((plt.imshow(universe, cmap="binary"),)) universe = cellular_auto(universe) animation.ArtistAnimation(fig, frame, interval=50, blit=True)
到此這篇關於Python實現的matplotlib動畫演示之細胞自動機的文章就介紹到這了,更多相關python matplotlib動畫內容請搜尋it145.com以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大家以後多多支援it145.com!
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