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Freitag, 11. November 2011

A* Star Pathfinding with Jump Point Search. F#, Wpf and Visualisation.

Im letzten Beitrag habe ich meiner Implementierung vom Jump Point Search Algorithmus gezeigt. Hier geht es in erster Linie um F# und Wpf.
Da es in Visual Studio bereits eine Projekt-Vorlage für F# Wpf gibt, habe ich sie auch genommen. Und zwar handelt es sich dabei um eine MVVM-Vorlage. Daher veruschte ich im Rahmen vom MVVM-Pattern zu bleiben.

Typen für das Model und
//JumpSearchModel.fs
//MVVM Model Types.
module JumpMazeModelType =
    open Maze.JumpPointSearchType
    type SelectedCoin =
        | Start of float * float
        | Finish of float * float

    type MazeEnvironment = 
        { maze : JumpPointEnvironment; obstacles : Set<(int * int)>; 
          wallSize : float; coinX : float; coinY : float; targetX : float; targetY : float}
        member this.IsEmpty = Map.isEmpty <| this.maze.grid

    let empty = { maze = empty; obstacles = Set.empty;
                  wallSize = 20.0; coinX = 0.0; coinY = 0.0;targetX = 0.0; targetY = 0.0 }
das ViewModel.
//JumpSearchViewModel.fs
//MVVM ViewModel Class Type
type JumpSearchViewModel() as x =   
    class
        inherit ViewModelBase()
        let mutable env : MazeEnvironment  = JumpMazeModel.empty
        let mutable selectedCoin : SelectedCoin = Start (0.0, 0.0)
        ...
    end
DataContext vom View.
<Window.DataContext>
        <ViewModel:JumpSearchViewModel></ViewModel:JumpSearchViewModel>
</Window.DataContext>
Ich habe nichts besseres gefunden, als das Canvas-Element im CommandParameter-Binding vom Button-Element anzugeben, um es später im ViewModel für den Aufruf von Mouse.GetPosition und für den Zugriff auf die Children-Auflistung des Canvas-Elementes zu verwenden.
...
<Button Command="{Binding CreateMazeCommand}"  CommandParameter="{Binding ElementName=canvas}" >Init Maze</Button>
...
//JumpSearchViewModel.fs
type JumpSearchViewModel() as x=   
    class
        ...
        let mutable canvas : Canvas = null
        
        member x.CreateMazeCommand = 
            new RelayCommand ((fun canExecute ->  x.VerifyX() = null &&  x.VerifyY() = null), (fun element -> x.CreateMaze(element)))

        member x.CreateMaze(element) =
            canvas <- element :?> Canvas
...
Die erste Herausforderung war die Start- und Ziel-Spielmarke mit der Tastatur auf dem Labyrinthbrett zu bewegen. Genauer gesagt wird einen von beiden Chips per Mausklick ausgewählt und dann mit einer Pfeiltaste auf die nächste Zelle bewegt, wenn es da gerade kein Hindernis gibt.
...
<!--coins moving with keys-->
<Window.InputBindings>
        <KeyBinding Command="{Binding CoinMoveCommand}" Key="Down" >
            <KeyBinding.CommandParameter>
                <i:Key>Down</i:Key>
            </KeyBinding.CommandParameter>
        </KeyBinding>
        <KeyBinding Command="{Binding CoinMoveCommand}" Key="Up">
            <KeyBinding.CommandParameter>
                <i:Key>Up</i:Key>
            </KeyBinding.CommandParameter>
        </KeyBinding>
        <KeyBinding Command="{Binding CoinMoveCommand}" Key="Left">
            <KeyBinding.CommandParameter>
                <i:Key>Left</i:Key>
            </KeyBinding.CommandParameter>
        </KeyBinding>
        <KeyBinding Command="{Binding CoinMoveCommand}" Key="Right">
            <KeyBinding.CommandParameter>
                <i:Key>Right</i:Key>
            </KeyBinding.CommandParameter>
        </KeyBinding>
</Window.InputBindings>
...
<!--start and finish coin-->
<Canvas>
    ...
    <Ellipse Name="coin" Fill="Blue"                     
     Canvas.Left="{Binding Path=CoinX }"  
                     Canvas.Top="{Binding Path=CoinY }" />
    <Ellipse Name="target" Canvas.Left="{Binding Path=TargetX}"  
                     Canvas.Top="{Binding Path=TargetY}" />
...
</Canvas>
//JumpSearchViewModel.fs
type JumpSearchViewModel() as x =   
    class
        ...
        member x.CoinX 
            with get () =  
                env.coinX   
            and set value = 
                env <- JumpMazeModel.setCoinX env value coin
                base.RaisePropertyChangedEvent(<@x.CoinX@>) 
    
        member x.CoinY 
            ...
        member x.TargetX 
            with get () =  
                env.targetX   
            and set value = 
                env <- JumpMazeModel.setCoinX env value coin
                base.RaisePropertyChangedEvent(<@x.TargetX@>) 
    
        member x.TargetY 
            ...
        member x.CoinMoveCommand =
            new RelayCommand ((fun _ -> not env.IsEmpty && not timer.IsEnabled && x.Verify "MazeX" = null && x.Verify "MazeY" = null), 
                                (fun key -> x.CoinMove(key)))
        member x.CoinMove(k)= 
            env <- JumpMazeModel.moveCoin {env with obstacles=obstacles} (k :?> Key) selectedCoin 
            match selectedCoin with
            | Start _ ->
                selectedCoin <- Start (env.coinX, env.coinY)
                base.RaisePropertyChangedEvent(<@x.CoinX@>)
                base.RaisePropertyChangedEvent(<@x.CoinY@>)
            | Finish _ ->
                selectedCoin <- Finish (env.targetX, env.targetY)
                base.RaisePropertyChangedEvent(<@x.TargetX@>)
                base.RaisePropertyChangedEvent(<@x.TargetY@>)
...
//JumpSearchModel.fs
...
    let moveCoin (mazeEnv : MazeEnvironment) key selectedCoin =
        let move (coinX, coinY) =
            let cx, cy = (int coinX) / int mazeEnv.wallSize , (int coinY) / int mazeEnv.wallSize
            match key, mazeEnv.IsEmpty with
            | _, true -> coinX, coinY
            | Key.Down, false ->             
                if cy >= mazeEnv.maze.h - 1 || (Set.exists ( fun w -> w = (cx, cy + 1)) mazeEnv.obstacles ) then
                    coinX, coinY
                else
                    coinX, coinY + mazeEnv.wallSize
            | Key.Up, false -> 
                if cy = 0 || (Set.exists ( fun w -> w = (cx, cy - 1)) mazeEnv.obstacles) then
                    coinX, coinY
                else
                    coinX, coinY - mazeEnv.wallSize
            | Key.Right, false -> 
                if cx >= mazeEnv.maze.w - 1 || (Set.exists ( fun w -> w = (cx + 1, cy)) mazeEnv.obstacles) then
                    coinX, coinY
                else
                    coinX + mazeEnv.wallSize, coinY
            | Key.Left, false -> 
                if cx = 0 || (Set.exists ( fun w -> w = (cx - 1, cy)) mazeEnv.obstacles) then
                    coinX, coinY
                else
                    coinX - mazeEnv.wallSize, coinY
            | _, false -> coinX, coinY
        match selectedCoin with
        | Start (dx, dy) -> 
            let moveX, moveY = move (dx, dy)
            {mazeEnv with coinX = moveX; coinY = moveY}
        | Finish (dx, dy) -> 
            let moveX, moveY = move (dx, dy)
            {mazeEnv with targetX = moveX; targetY = moveY}

    let setCoinX (mazeEnv : MazeEnvironment) x selectedCoin = 
        if mazeEnv.IsEmpty |> not && x < float (mazeEnv.maze.w * int mazeEnv.wallSize)  then
               match selectedCoin with
               | Start _ -> {mazeEnv with coinX = x}
               | Finish _ -> {mazeEnv with targetX = x}
        else
            mazeEnv
    
    let setCoinY (mazeEnv : MazeEnvironment) y selectedCoin = 
        ...
Die zweite Herausforderung bestand in der Mausklick-Verarbeitung im Zusammenhang mit der Positionsbestimmung des Mauszeigers. Man sollte per Mausklick entweder ein Chip auswählen können oder ein Hindernis an der entsprechenden Position zu zeichnen oder zu löschen.
...
<Canvas.InputBindings>
                <MouseBinding MouseAction="LeftClick" Command="{Binding LeftClickCommand}" />
                <MouseBinding MouseAction="RightClick"  Command="{Binding RightClickCommand}" />
</Canvas.InputBindings>
...
Wie oben schon erwähnt, wird die Position über den Aufruf von Mouse.GetPosition ermittelt. Die Hindernis-Positionen werden in einer Liste gespeichert und mit der Hilfe von Path-Geometry auf dem Canvas-Element abgebildet.
//JumpSearchViewModel.fs
type JumpSearchViewModel() as x =  
...
        let mutable obstacles = set[]
        let mutable mazeGeometry = Geometry.Parse("")
...
        //maze path geometry.   
        member x.MazeData  
            with get () =  mazeGeometry
            and set value = 
                mazeGeometry <- value
                base.RaisePropertyChangedEvent(<@x.MazeData@>) 

        member x.LeftClickCommand  = 
            // if the mouse position hit the start or the finish coin position,
            // then select a coin. Otherwise add obstacle at mouse position.
            new RelayCommand ((fun canExecute -> not env.IsEmpty && not timer.IsEnabled && x.Verify "MazeX" = null && x.Verify "MazeY" = null), 
                                (fun element -> 
                                    let pos = Mouse.GetPosition(element :?> UIElement)
                                    let cellPos (posx, posy) = (posx / 20.0 |> int), (posy / 20.0 |> int)
                                    //check if the mouse click hit the start or the finish coin position.
                                    match cellPos (pos.X, pos.Y) = cellPos (env.coinX, env.coinY),  cellPos (pos.X, pos.Y) = cellPos (env.targetX, env.targetY) with
                                    | true, _ -> selectedCoin <- Start (env.coinX, env.coinY)
                                    |_, true -> selectedCoin <- Finish (env.targetX, env.targetY)
                                    | _ ->
                                        obstacles <- Set.add (cellPos (pos.X, pos.Y)) obstacles
                                        x.MazeData <- Geometry.Parse(JumpSearchViewModel.CreateMazePath (x.MazeX |> float)  (x.MazeY |> float) x.WallSize obstacles)))
        member x.RightClickCommand  =
            //Remove obstacle at mouse position.
            new RelayCommand ((fun canExecute -> not env.IsEmpty && not timer.IsEnabled && x.Verify "MazeX" = null && x.Verify "MazeY" = null), 
                                (fun element -> 
                                    let pos = Mouse.GetPosition(element :?> UIElement)
                                    let posx, posy = (pos.X/20.0 |> int), (pos.Y / 20.0 |> int)
                                    obstacles <- Set.remove (posx, posy) obstacles
                                    x.MazeData <- Geometry.Parse(JumpSearchViewModel.CreateMazePath (x.MazeX |> float)  (x.MazeY |> float) x.WallSize obstacles)))
...
Das Labyrinth und der Ergebnispfad.
<!--Labirynth and solver result path-->
<Path Name="mazePath" Stroke="Black" Data="{Binding Path=MazeData}" StrokeThickness="4" ></Path>
<Path Name="solverPath" Stroke="Purple"  Data="{Binding Path=SolverData}"  StrokeDashArray="4 2"  StrokeThickness="3" ></Path>
...
<Button Command="{Binding CreateMazeCommand}"  CommandParameter="{Binding ElementName=canvas}"   >Init Maze</Button>
<Button Name="AStar" Command="{Binding CreateAStarCommand}">A* Jump Points Search</Button>
Die komplexe Pfade lassen sich leicht mit der Hilfe von der Markup-Syntax beschreiben.
//JumpSearchViewModel.fs
type JumpSearchViewModel() as x =  
...
        let mutable mazeGeometry = Geometry.Parse("")
        let mutable solverPath = Geometry.Parse("")
...
        static member CreateMazePath w h wallSize points =
        
            let builder = StringBuilder()
        
            let folder (acc : StringBuilder) wall  =
                match wall with
                | (x, y) ->
                    let xf, yf = (float x) * wallSize, (float y) * wallSize
                    acc.Append(sprintf "M%f,%fV%f" xf yf  (yf + wallSize))|>ignore
                    acc.Append(sprintf " H%fV%fH%f" (xf + wallSize) yf xf) 
        
            builder.Append(sprintf "M%f,%f" 0.0 0.0)|>ignore
            builder.Append(sprintf "L%f,%f %f,%f" 0.0   0.0     0.0     (h * wallSize)) |> ignore
            builder.Append(sprintf " %f,%f %f,%f" 0.0   (h * wallSize)  (w * wallSize)  (h * wallSize)) |>ignore
            builder.Append(sprintf " %f,%f %f,%f" (w * wallSize)  (h * wallSize)    (w * wallSize)    0.0) |>ignore
            builder.Append(sprintf " %f,%f %f,%f" (w * wallSize)  0.0   0.0     0.0)|>ignore
            (points |> PSeq.fold folder builder).ToString()
        member x.SolverData  
            with get () =  solverPath
            and set value = 
                solverPath <- value
                base.RaisePropertyChangedEvent(<@x.SolverData@>)

        member x.CreateMazeCommand = 
            new RelayCommand ((fun canExecute -> x.VerifyX = null && x.VerifyY = null), (fun element -> x.CreateMaze(element)))

        member x.CreateMaze(element) =
            ...
            x.MazeData <- Geometry.Parse("")
            x.SolverData <- Geometry.Parse("")
            env <- JumpMazeModel.createMaze x.MazeX x.MazeY x.WallSize
            selectedCoin <- Finish (env.targetX, env.targetY)
            x.TargetX <- env.targetX
            x.TargetY <- env.targetY
            obstacles <- env.obstacles
            x.MazeData <- Geometry.Parse(JumpSearchViewModel.CreateMazePath (x.MazeX |> float)  (x.MazeY |> float) x.WallSize obstacles)

        member x.CreateAStarCommand =
            new RelayCommand (
                                (fun canExecute -> true),
                                 (fun _ -> 
                                     if x.VerifyX = null && x.VerifyY = null then x.CreateAStar()))
        //create solver path.
        member x.CreateAStar() =
            ...
            let jumpPoints = JumpMazeModel.run {env with obstacles = obstacles}
            x.SolverData <- Geometry.Parse(jumpPoints |> JumpMazeModel.resultPath |> JumpMazeModel.solverToPath x.WallSize )
Das Schwierigste war für mich die Visualisierung. Es geht bestimmt irgendwie besser und anders. Meine Lösung ist die Verwendung von der DispatcherTimer-Klasse. Die Positionen von den besuchten Zellen mitsamt Positionen von Vater-Zellen werden in einer Liste - animatePoints - gespeichert. Bei jedem Tick-Ereignis wird ein Listenelement aus der Liste genommen und als ein Ellipse-Element in der Children-Eigenschaft von Canvas gespeichert. Zusätzlich wird der Weg von der Vater-Zelle zu der aktuellen Zelle gezeichnet.
<Canvas Name="canvas">
    ...
    <Path Stroke="BurlyWood" Data="{Binding Path=AnimateData}" StrokeThickness="2"></Path>
    ...
</Canvas>
...
<Button Command="{Binding AnimateCommand}" >Animate</Button>
...
//JumpSearchViewModel.fs
type JumpSearchViewModel() as x=   
    class
...
        let mutable animateData = String.Empty
        let mutable animateResult = String.Empty
        let mutable timer = new DispatcherTimer(DispatcherPriority.Normal)
         //( (int * int) * ((int * int) * Direction) ) list. 
         //( jumpPoint   * (parent      * direction)) list 
        let mutable animatePoints = []
        let mutable undo = []
        let mutable canvas : Canvas = null
        do 
            timer.Interval <- new TimeSpan(0, 0, 0, 0, 400)
            
            timer.Tick.Add(fun _  -> x.AnimateOneStep () )   
...
        member x.AnimateData  
            with get () =  Geometry.Parse(animateData)
            and set value = 
                solverPath <-  Geometry.Parse(value)
                base.RaisePropertyChangedEvent(<@x.AnimateData@>)  
        
        member x.AnimateCommand =
            new RelayCommand ((fun _ -> true), 
                                        (fun _ ->  
                                            match not env.IsEmpty && x.Verify "MazeX" = null && x.Verify "MazeY" = null with
                                            | false -> ()
                                            | true -> 
                                                x.SolverData <- Geometry.Parse("")
                                                x.ResetAnimateData() 
                                                selectedCoin <- Start (env.coinX, env.coinY)
                                                let animateRun =  JumpMazeModel.run {env with obstacles = obstacles}
                                                animateResult <- animateRun |> JumpMazeModel.resultPath |> JumpMazeModel.solverToPath x.WallSize
                                                animatePoints <- animateRun |> JumpMazeModel.animatePoints |> Seq.toList
                                                timer.Start()))

        member x.AnimateOneStep () =
            match animatePoints with
            | [] -> timer.Stop()
            | [((currx, curry),(x',y'), d)] ->
                let x2, y2, x1, y1 = (currx |> float) * env.wallSize + env.wallSize / 2.0, (curry |> float) * env.wallSize + env.wallSize / 2.0, (x' |> float) * env.wallSize + env.wallSize / 2.0, (y' |> float) * env.wallSize + env.wallSize / 2.0
                animateData <- sprintf "%sM%f,%fL%f,%f %f,%f%s" animateData x1 y1 x1 y1 x2 y2 (x.DrawArrow (x2, y2, d))
                x.AnimateData <- animateData
                x.SolverData <-  Geometry.Parse(animateResult)
                timer.Stop()
            | ((currx, curry),(x',y'), d) :: ts->
                let x2, y2, x1, y1 = (currx |> float) * env.wallSize + env.wallSize / 2.0, (curry |> float) * env.wallSize + env.wallSize / 2.0, (x' |> float) * env.wallSize + env.wallSize / 2.0, (y' |> float) * env.wallSize + env.wallSize / 2.0
                // add new Point to Path and draw a line with arrows
                // from the last point to the new point.
                animateData <- sprintf "%sM%f,%fL%f,%f %f,%f%s" animateData x1 y1 x1 y1 x2 y2 (x.DrawArrow (x2, y2, d))
                x.AnimateData <- animateData
                // move the start coin.
                x.CoinX <- x2
                x.CoinY <- y2
                // add new jump point to canvas children collection.
                if canvas <> null then
                    let e = new Ellipse(Width = 6.0, Height= 6.0, Fill = Brushes.Blue)
                    canvas.Children.Add(e)|>ignore
                    Canvas.SetLeft(e, x2 )
                    Canvas.SetTop(e, y2 )
                    //add remove function to undo functon list.
                    undo <- [(fun _ -> canvas.Children.Remove e;)] @ undo

                animatePoints <- ts

        member x.CreateAStar() =
            x.ResetAnimateData()
            ...
        member x.CreateMaze(element) =
            x.ResetAnimateData()
            ...
        member private x.ResetAnimateData() =
            if timer.IsEnabled then
                timer.Stop()
            // Remove all added ellipses.
            List.map (fun f -> f ()) undo|>ignore
            animateData <- String.Empty
            x.AnimateData <- animateData
            ...
Der Code.

Donnerstag, 22. Juli 2010

Funktionale Animation. Teil 4.

Teil 1.
Teil 2.
Teil 3.


Es ist soweit. Ich kann endlich eine kleine animierte Statistik generieren.
Nehmen wir an, es gibt eine Firma, die die verschiedene Produkte über Amazon verkauft. Für diese Firma wird z.B eine Statistik über Gewinn, Kosten und Amazon-Rating von einzelnen Produkten im Verlauf der Zeit erstellt.
  • Gewinn - Y-Achse
  • Kosten - X-Achse
  • Rating - Kreisdurchmesser

Die Daten werden einfach von der Random-Funktion generiert und danach weiter interpoliert so, dass letztendlich eine Sequenz folgendes Formates herauskommt.
data: (int * string * float * float * 'color) seq

(Zeitangabe, Produktname, Gewinn, Kosten, Farbe)
oder für die Rating-Werte
(Zeitangabe, Produktname, Rating, der Feld wird ignoriert , Farbe)

Einfachheitshalber werden als Zeitangabe ausschließlich Jahreswerte angegeben, die in fortlaufenden Nummern umgewandelt werden.

[(1,"Produkt A",70.50, 64.00, Brushes.Black );
(1,"Produkt B",80.50, 144.00, Brushes.Red );
(1,"Produkt C",187.50, 54.00, Brushes.Green);
(2,"Produkt A",70.55, 106.05, Brushes.Black );
(2,"Produkt B",80.55, 44.00, Brushes.Red );
(2,"Produkt C",45.50, 54.00, Brushes.Green)]


Der Code für die Datenerstellung befindet sich hier (Data.fsx).
//Behavior.fs
module BehaviorDrawing =
open System.Drawing
open Demo.Drawing
open Demo.DrawingFunctions
open Demo.Data

...

//Erstellt die Daten für XY-Achsen.
let createDataXYAxis (data: (int * string * float * float * 'a) seq) =
behavior{
let! createdData =
filterData data
(fun (_,text,posx,posy,_)->
let fposx,fposy = (float32 posx),(float32 posy)
text,fposx,fposy
)
(fun (text,_,_)->text)
return createdData
}

//Erstellt aus der Daten die Kreise.
let createDataCircle (data: (int * string * float * float * 'a) seq) =
behavior{
let! createdData =
filterData data
(fun (_,text,diameter,_,color)->
let fdiameter = float32 diameter
text, circle color fdiameter fdiameter text
)
(fun (text,_)->text)
return createdData|>Seq.map snd
}

//Alles zusammenfügen.
let dataDrawing dataXY dataCircle=
behavior{
let! xy = dataXY
let! c = dataCircle
match Seq.isEmpty xy,Seq.isEmpty c with
|false,false->
return (
Seq.zip xy c
|>Seq.map (fun ((_,fposx,fposy),circle)->
let moveCircle = translate fposx fposy circle
let textX = drawText (fposy.ToString()) (20.0f) -fposy
let lineX = textX
|>compose (lineDraw 40.f -fposy fposx -fposy)
let textY = drawText (fposx.ToString()) fposx (-20.0f)
let lineY = textY
|>compose (lineDraw fposx -40.f fposx -fposy)
Seq.fold compose moveCircle (lineX::[lineY]))
|>Seq.fold compose emptyDrawing)
|_-> return emptyDrawing
}

//Anzeige der Jahresüberschrift.
let animationYearText duration init =
let year timeStep =
//let td = t % duration
//let o= (td*255/duration)%255
let year = init + (timeStep / duration)
("Jahr " + (year.ToString()))
behavior{
let! t = time
return (drawText (year t) 300.f (-570.f))
}

let animationPart4 duration init=
//Initialisiere die Funktion mit der Dauer und dem Startwert.
let fInterpolation = createInterpolation duration init
//Erstelle die Daten im angegebenen Bereich
//für den Kreisdurchmesser.
let circles = fInterpolation 20 70
//Erstelle die Daten im angegebenen Bereich
//für die X- Y-Achsen.
let xyAxis = fInterpolation 40 500
behavior{
//Erstelle das komplette Bild.
let! all =
dataDrawing (createDataXYAxis xyAxis) (createDataCircle circles)
return all
}
let singelton=
let one duration init = behavior{
let! a = animationPart4 duration init//animation
let! animYear = animationYearText duration init
return (compose a animYear)
}
one

Dequeue.fs
Data.fsx
Drawing.fs
BehaviorPart4.fsx
AnimationPart4.fsx
mainPart4.fs

Dienstag, 20. Juli 2010

Funktionale Animation. Teil 3. Like a satellite.

Teil 1
Teil 2


Als Nächstes möchte ich eine Art von einfacher Planetenbewegung simulieren. Sagen wir, drei Kreise sollen sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen, und jeder Kreis besitzt noch einen eigenen Satellit.

Die rotate-Funktion wird erweitert.
let rotate speed radius = behavior {
let fast = faster speed time
let! posx = fast|>wiggle
let! posy = fast|>wait 0.5f|>wiggle
return posx * radius, posy * radius
}
Dann brauche ich eine leere Behavior-Animation.
let forever a = Behavior(fun _->a)

let emptyBehavior = forever emptyDrawing
Wie man sieht, egal zu welchem Zeitpunkt, gibt die forever-Funktion immer den gleichen Wert zurück.
Die Komposition zweier Drawing-Werte ist bereits in Drawing.fs definiert. Zur Erinnerung:
//Drawing.fs
...
let compose (img1:Drawing) (img2:Drawing) =
drawing(fun g ->
img1.Draw(g)
img2.Draw(g) )

Das Gleiches implementiere ich für die Behavior-Werte und zwar als ein Operator. Der Vorteil dabei ist, dass in F# der Operator in der Infix- und Präfixnotation geschrieben werden kann. z.B
//let sum = 1 + 2
//let sum = (+) 1 2
let (--) a b =
behavior {
let! x = a
let! y = b
return compose x y
}
Die Verschiebefunktion.
let rotateAndTranslate speed radius drawingBehavior =
behavior {
let! x,y = rotate speed radius
let! image = drawingBehavior
return translate x y image
}
Und schließlich kann die Animation-Funktion geschrieben werden.
let animationPart3 =
let satellite = rotateAndTranslate 0.8f 45.0f<<forever<<circle Brushes.DimGray 20.0f 20.0f
let folder (acc,count) (color, speed) =
let planet =
rotateAndTranslate speed 70.0f<<(--) (satellite "moon")<<forever<<circle color 40.0f 40.0f
let result = acc -- (count.ToString()|>planet)
result,count+1
[(Brushes.Black,0.1f);(Brushes.OliveDrab,0.3f);(Brushes.SteelBlue,0.6f)]
|>Seq.fold folder (emptyBehavior,1)
|>fst
Gehen wir den Code jetzt Schritt für Schritt durch.
 let satellite = rotateAndTranslate 0.8f 45.0f<<forever<<circle Brushes.DimGray 20.0f 20.0f
Am einfachsten liest man diesen Ausdruck der Funktionskomposition von rechts nach links. (<<) ist der Funktionskomposition-Operator.
  1. circle Brushes.DimGray 20.0f 20.0f - Erstelle einen Kreis mit den übergebenen Parametern. Mit der Hilfe von Currying bekommen wir eine reduzierte Funktion, die noch das letzte Argument verlangt und Drawing zurückliefert. Die Typ-Signatur ist - (string->Drawing).
  2. forever-Funktion wandelt Drawing in Behavior<Drawing>. Die Typ-Signatur - (string->Behavior<Drawing>).
  3. Verschiebe den in Behavior "versteckten" Drawing-Wert mit der angegebenen Geschwindigkeit auf der Laufbahn vom angegebenen Halbmesser. Die Typ-Signatur - (string->Behavior<Drawing>)
Die folder-Funktion folgt später.
     [(Brushes.Black,0.1f);(Brushes.OliveDrab,0.3f);(Brushes.SteelBlue,0.6f)]
|>Seq.fold folder (emptyBehavior,1)
|>fst
Hier wird die Liste von Paaren mit der Farbe und der Geschwindigkeit an der Seq.fold übergeben. (|>) ist der Pipe-Operator. Der Wert vom linken Ausdruck wird an das letzte Argument des rechten Ausdruckes übergeben. Das Resultat von fold ist ein Tupel, von dem wird mit der fst-Funktion (fst für "first") der erste Wert genommen.
Nun zur folder-Funktion. Das Prinzip ist hier und speziell für F# Seq.fold erklärt.
let folder (acc,count) (color, speed) =
let planet = rotateAndTranslate speed 70.0f<<(--) (satellite "moon")<<forever<<circle color 40.0f 40.0f
let result = acc -- (count.ToString()|>planet)
result,count+1
Wie beschrieben, folder wird auf jeden Element - (color, speed) - der oben genannten Liste angewendet. Der Akkumulator (ich kenne keinen besseren Namen) ist (acc, count), wobei acc - wie man beim Funktionsaufruf sieht - am Anfang emptyBehavior ist und count gleich 1 ist.
let planet = 
rotateAndTranslate speed 70.0f<<(--) (satellite "moon")<<forever<<circle color 40.0f 40.0f
Hier is das gleiche wie beim satellite-Ausdruck. Anders ist nur, dass vor dem Verschieben der Kreis vom Planet mit dem Satellit zusammengesetzt wird. Dann setzen wir den Planet mit dem Akkumulator zusammen, dadurch wird am Ende des Fold-Prozesses ein allen Elementen enthaltener, akkumulierter Behavior-Wert entstehen. Der Zähler count ist für die Durchnummerierung von Kreisen auf dem Formular da.
Alles zusammen.
//Behavior.fsx
...
let rotate speed radius= behavior{
let fast = faster speed time
let! posx = fast|>wiggle
let! posy = fast|>wait 0.5f|>wiggle
return posx * radius, posy * radius}

module BehaviorDrawing =
open Demo.Drawing
open Demo.DrawingFunctions
let emptyBehavior = forever emptyDrawing
let (--) a b =
behavior{
let! x = a
let! y = b
return compose x y
}
let rotateAndTranslate speed radius drawingBehavior =
behavior{
let! x,y = rotate speed radius
let! image = drawingBehavior
return translate x y image
}

let animationPart3 =
let satellite = rotateAndTranslate 0.8f 45.0f<<forever<<circle Brushes.DimGray 20.0f 20.0f
let folder (acc,count) (color, speed) =
let planet = rotateAndTranslate speed 70.0f<<(--) (satellite "moon")<<forever<<circle color 40.0f 40.0f
let result = acc -- (count.ToString()|>planet)
result,count + 1
[(Brushes.Black,0.1f);(Brushes.OliveDrab,0.3f);(Brushes.SteelBlue,0.6f)]
|>Seq.fold folder (emptyBehavior,1)
|>fst

let singelton =
let one =behavior{
let! a = animationPart3
return a
}
one


Drawing.fs
Behavior.fsx
Animation.fsx
main.fs

Samstag, 17. Juli 2010

Funktionale Animation. Teil 2.

Bevor ich mit der Behavior-Monade aus Teil 1 fortfahre, brauche ich erstmal die Windows-Form, auf der die Animation stattfinden soll.
//Animation.fsx
module Demo.Animations
#load @"C:\Temp\Behavior.fsx"
open System
open System.Drawing
open System.Drawing.Imaging
open System.Windows.Forms
open Demo.Behavior

type AnimationForm() as x =
inherit Form()
let mutable startTime = DateTime.Now
let anim = singelton //hier wird die Behavior-Animation zugewiesen.

do
x.SetStyle(ControlStyles.AllPaintingInWmPaint ControlStyles.OptimizedDoubleBuffer, true)
let tmr = new Timers.Timer(Interval = 25.0)
tmr.Elapsed.Add(fun _ -> x.Invalidate() )
tmr.Start()

// Gets or sets the currently displayed animation
member x.Animation
with get() = anim
override x.OnPaint(e) =
let wid, hgt = x.ClientSize.Width, x.ClientSize.Height
e.Graphics.FillRectangle(Brushes.White, 0, 0, wid, hgt)
e.Graphics.TranslateTransform(float32 wid/2.0f, float32 hgt/2.0f)
let elapsed = (DateTime.Now - startTime).TotalSeconds
//Hier wird die Animation ausgeführt.
let drawing = runBehavior anim {Time=float32 elapsed}
drawing.Draw(e.Graphics) startTime).TotalSeconds
Zurück zur Behavior-Monade. Nun ist es möglich verschiedene Behavior-Funktionen zu definieren. Zuerst die wichtigste Zeitfunktion, die direkt über den Behavior-Typkonstruktor erstellt wird.
//Behavior.fsx
...
let behavior = new BehaviorBuilder()

let time = Behavior(fun context -> context.Time)
Spaßeshalber definiere ich die Funktion auch "monadisch".
let time = behavior{
let! t = Behavior(fun context -> context.Time)
return t}
und weitere Funktionen.
let wait (delay:float32) a = behavior{
let! t = a
return delay + t}

let faster (speed:float32) a = behavior{
let! t = a
return speed * t}

let wiggle b = behavior{
let! t = b
return sin (t * float32 Math.PI)}

let rotate= behavior{
let! posx = wiggle time
let! posy = time|>wait 0.5f|>wiggle
return posx * 100.0f, posy * 100.0f}
Die Funktionen für die Animation.
module BehaviorDrawing  =
open Demo.DrawingFunctions
open System.Drawing
let animation =
let moon = circle Brushes.DimGray 20.0f 20.0f "moon"
behavior{
let! x,y = rotate
return translate x y moon
}
let singelton=
let one = behavior{
let! a = animation
return a
}
one
Zuletzt Main().
//main.fs
#load @"C:\Temp\Animation.fsx"
open Demo.Animations
open System
open System.Drawing
open System.Windows.Forms

let test =
let af = new AnimationForm(ClientSize = Size(1000, 1000), Visible=true)
af
let main() =
test |> ignore
[]
do main()
Hier der Beweis.

Alle Dateien zum Download:
Drawing.fs
Behavior.fsx
Animation.fsx
main.fs

Donnerstag, 15. Juli 2010

Funktionale Animation. Teil 1. Ich sehe was, was du nicht siehst, und das ist die Monade.

Seit einem halben Jahr beschäftige ich mich mit F# und funktionaler Programmierung.

Ich habe diverse Bücher studiert bis ich auf Real World Functional Programming gestoßen bin, wo in Kapitel 15 ein sehr eleganter Lösungsansatz für die funktionale Animation beschrieben ist.

Ich wollte das Beispiel sofort ausprobieren und zu einer Art animierte Statistik bzw. Reports erweitern. In diesem Blog beschreibe ich die einzelnen Schritte zu diesem Ziel.

Der Ausgangspunkt ist der originale Code aus dem Buch hier. Die Idee ist sehr einfach wenn nicht sogar trivial.
Animations can be elegantly modeled using time-varying values. In Fran, these values are called behaviors and
we'll follow this naming. The following note explains what a behavior is.
WHAT IS A BEHAVIOR?
Behavior is a time-varying value. It can be represented as a composite value, whose
actual value may be different depending on the time. ….
Similarly, we'll have a type
Behavior<int>
, whose actual integer value can be different depending on the time.
Behaviors are an essential part of our animation framework, because we can use them
for specifying locations of objects. When the location changes depending on the time, it
means that the whole object will be moving.
Erstmal brauchen wir unsere Grafikfunktionen.

//Drawing.fs
module Demo

open System
open System.Drawing
open System.Drawing.Imaging
open System.Drawing.Drawing2D

module Drawing =
type Drawing =
abstract Draw : Graphics -> unit

let drawing f =
{ new Drawing with
member x.Draw(gr) = f(gr) }

let emptyDrawing =
{ new Drawing with
member x.Draw(gr) = () }

open Drawing

module DrawingFunctions=
let translate x y (img:Drawing) =
drawing (fun g ->
g.TranslateTransform(x, -y)
img.Draw(g)
g.TranslateTransform(-x, y) )

let rectangle (t1, p1) =
drawing(fun g ->
use font = new Font ("Calibri",14.0f)
g.DrawString(t1,font,Brushes.Black,950.0f,p1))

let circle brush size arg text=
drawing(fun g ->
g.SmoothingMode <- SmoothingMode.AntiAlias
g.FillEllipse(brush, -arg/2.0f, -size/2.0f, arg, size)
use font = new Font ("Calibri",10.0f)
g.DrawString(text,font,Brushes.Black,size/2.0f, size/2.0f))

let compose (img1:Drawing) (img2:Drawing) =
drawing(fun g ->
img1.Draw(g)
img2.Draw(g) )
Der Code sofort in die F#-Konsole kopieren oder laden und dann sehen wir bereits die Typ-Signaturen.


Also bisher nichts wildes. Weiter geht es mit dem Behavior-Typ. Den wollte ich unbedingt als eine Monade implementieren. In F# nennt man eine Monade "Computation expression, was ein bisschen verwirrt.

//Behavior.fsx
module Demo.Behavior
//Laden Grafikfunktionen
#load @"C:\Temp\Drawing.fs"

open System
type BehaviorContext = { Time : float32 }

// Single case discriminated union
type Behavior<'a> = Behavior of (BehaviorContext -> 'a)

let runBehavior (Behavior fBehavior) t = fBehavior t


BehaviorContext ist "record type". So ein Typ hat mehrere benannte Elemente, in unserem Fall ist das nur eins. Am Anfang habe ich ihm aus Bequemlichkeit als float32 definiert, richtiger wäre es den Typ zu parametrisieren.
Bei Behavior<'a> sieht man, was mir im OOP-Welt öfter fehlte, eine "Unterscheidungs-Union" aka Tagged union aka ADT. "Behavior" nach dem "type" Schlüsselwort ist der Typ-Konstruktor, "Behavior" nach Gleichhetzeichen ist ein Daten-Konstruktor. Unser Behavior-Typ ist nichts anderes als eine Funktion, die als Parameter BehaviorContext-Typ - also letztendlich die Zeit - nimmt und den 'a -Typ zurückgibt.

runBehavior
wendet dann Behavior zu einem konkreten Zeitpunkt an. Was da in Klammer steht ist nichts Wenigeres als Pattern Matching eines Funktionsargumentes. Jetzt kann die Monade gebaut werden, aber vorerst die Signaturen.


Ich würde von mir nicht behaupten, dass ich das Konzept von der Monade halbwegs verstanden habe. Das stört mir aber nicht, da an die Monade auch ganz formal herangegangen werden kann.

F# braucht für die Monade-Erstellung einen bestimmten Typ mit wenigstens zwei Membern Return und Bind.

member Return : 'a -> M<'a>
member Bind :M <'a> * ('a -> M<'b>) -> M<'b>

Return ist schnell abgehakt.

//member Return : 'a -> Behavior<'a>
type BehaviorBuilder() =
member this.Return a = Behavior(fun _->a)//in Klammer steht ein Lambda-Ausdruck

Mit der Bind-Funktion habe ich eine gute Stunde gekämpft.

//member Bind : Bahavior<'a> * ('a -> Behavior<'b>) -> Behavior<'b>
let bind (Behavior fBehavior) generator = ?...

Wir haben als Input Behavior vom Typ 'a mit seiner fBehavior Funktion vom Typ (BehaviorContext->'a) und eine Generator-Funktion, die aus 'a den neuen Behavior vom Typ 'b erzeugt. Als Resultat kommt Behavior vom 'b heraus. Also schreibe ich:

let bind (Behavior fBehavior) generator = Behavior(fun behaviorContext->'b?)

Typ 'b kann uns eigentlich nur die runBehavior-Funktion liefern.

let bind (Behavior fBehavior) generator = Behavior(fun behaviorContext->runBehavior arg1? arg2?)

runBehavior erwartet als Parameter Behavior und BehaviorContext. Was für ein Glück, den Kontext habe ich parat.
let bind (Behavior fBehavior) generator =
Behavior(fun behaviorContext->runBehavior arg1? behaviorContext)

Nicht genutzt sind fBehavior und generator. Von beiden kann ausschließlich generator uns der benötigte Behavior-Typ bereitstellen.

let bind (Behavior fBehavior) generator =
Behavior(fun behaviorContext->runBehavior (generator arg1?) behaviorContext)

Ab hier ist es ein bloßes Kinderspiel.

let bind (Behavior fBehavior) generator =
Behavior(fun behaviorContext->runBehavior (generator (fBehavior behaviorContext)) behaviorContext)

Überall wird gesagt, dass man Lambdas möglichst durch Currying ersetzen werden sollte. Die hässliche Klammern lassen mir auch keine Ruhe. Die vertreibt man mit Funktionskomposition.

let applyDoubly f a = f a a

let bind (Behavior fBehavior) generator =
Behavior(runBehavior<<generator<<fBehavior|>applyDoubly)

Nun haben wir alles.
type BehaviorContext = { Time : float32 }

// Single case discriminated union
type Behavior<'a> = Behavior of (BehaviorContext -> 'a)

let runBehavior (Behavior fBehavior) t = fBehavior t

let applyDoubly f a = f a a

let bind (Behavior fBehavior) generator =
Behavior(runBehavior<<generator<<fBehavior|>applyDoubly)

type BehaviorBuilder()=
member this.Return a = Behavior(fun _->a)
member this.Bind (m, k) = bind m k
//ein Paar Hilfsfunktionen
member this.Zero () = Behavior(fun _->())
member this.ReturnFrom m = m

let behavior = new BehaviorBuilder()

behavior ist die zu verwendende Monade.

Wozu eigentlich die ganze Mühe? Siehe nächsten Einträge.
Teil 2