本文介绍使用Processing编程环境模拟细胞分裂的过程，并结合粒子系统增强视觉效果。通过代码实现细胞的分裂、移动及颜色变异，粒子系统则为细胞分裂过程增添细节，如烟雾效果，提升了整体的动态感和真实感。
基于processing实现
效果演示
Processing实现
细胞分裂
生物学视角
细胞分裂参考了自然界中的细胞常常一分为二的这一特点，细胞在刚分裂完后体积总和仍然不变，因此在这里我使新分裂出的两个细胞体积变小。
代码模拟
class Cell {
PVector pos;
float r;
color c;
Cell(PVector pos, float r, color c) {
this.pos = pos.copy();
this.r = r;
this.c = c;
}
Cell() {
this.pos = new PVector(random(width), random(height));
this.r = 60;
this.c = color(random(100, 255), random(100, 255), random(100, 255), 100);
}
boolean clicked(int x, int y) {
float d = dist(this.pos.x, this.pos.y, x, y);
if (d < this.r) {
return true;
} else {
return false;
}
}
Cell mitosis() {
Cell cell = new Cell(this.pos, this.r*0.8, this.c);
return cell;
}
void move() {
PVector vel = PVector.random2D();
this.pos.add(vel);
}
void show() {
noStroke();
fill(this.c);
ellipse(this.pos.x, this.pos.y, this.r, this.r);
}
}
效果
改进
为了使分裂的效果更明显，在这里参考变异，使每次分裂后颜色都随机发生变化
Cell mitosis() {
color cc = color(random(100, 255), random(100, 255), random(100, 255), 100);
Cell cell = new Cell(this.pos, this.r*0.8, cc);
return cell;
}
粒子系统
粒子系统就是一系列独立对象的集合， 这些对象通常用简单的图形或者点来表示。 为什么我们要学习粒子系统呢？ 毫无疑问， 粒子系统可以用于模拟各种自然现象（ 比如爆炸） 。 实际上， 它的作用不局限于此。如果我们要用代码对自然界的各种事物建模， 要接触的系统肯定并不是由单个物体组成的， 系统内部会有很多物体， 而粒子系统非常适合对复数系统进行建模。 比如一堆弹球的弹跳运动、 鸟群的繁殖， 以及生态系统的演化， 这些研究对象都是由复数组成的系统。本书的后续章节都会涉及对一组对象的处理。 在前面向量和力的示例程序中， 我们简单地用数组表示一组对象， 但从本章开始， 我们要用一种更强大的方式表示它们。首先， 列表中物体的数量应该是可变的： 可能没有物体， 可能只有1个物体， 也可能有10个物体或成千上万的物体。 其次， 除了定义粒子类， 我们还会定义一个类表示粒子的集合——也就是粒子系统（ ParticleSystem） 类， 在实现过程中， 我们会更深入地使用面向对象方法。 最后的主程序看起来会是这样：
ParticleSystem ps; 这样的主程序是不是显得非常简洁优雅？
void setup() {
size(200,200);
ps = new ParticleSystem();
}
void draw() {
background(255);
ps.run();
}
单个粒子
我们要先实现一个类， 这个类用于表示单个粒子。 好消息是： 我们已经在前面做过这件事情，创意编程——随机 中的Walker类就是一个很好的模板。 粒子就是在屏幕中移动的对象， 它有位置、 速度和加速度变量， 有构造函数用于内部变量的初始化， 有display()函数用于绘制自身， 还有update()函数用于更新位置。
class Particle {
PVector location; Particle对象是Mover对象的别名， 它有位置、 速度和加速度
PVector velocity;
PVector acceleration;
Particle(PVector l) {
location = l.get();
acceleration = new PVector();
velocity = new PVector();
}
void update() {
velocity.add(acceleration);
location.add(velocity);
}
void display() {
stroke(0);
fill(175);
ellipse(location.x,location.y,8,8);
}
}
这是一个很简单的粒子， 我们可以继续完善这个粒子类： 可以在类中加入applyForce()函数用于影响粒子的行为（ 后面的例子会实现这一特性） ； 可以加入其他变量用于描述粒子的色彩和形状， 或是用PImage对象绘制粒子。 但现在， 我们只想在类中加入一个额外的变量： 生存期（ lifespan） 。典型的粒子系统中都有一个发射器， 发射器是粒子的源头， 它控制粒子的初始属性，包括位置、 速度等。 发射器发射的粒子可能是一股粒子， 也可能是连续的粒子流， 或是同时包含这两种发射方式。 有一点非常关键： 在一个典型的粒子系统中， 粒子在发射器中诞生， 但并不会永远存在。 假设粒子永不消亡， 系统中的粒子将越积越多，Sketch的运行速度也会越来越慢， 最后程序会挂起。 新的粒子不断产生， 与此同时，旧的粒子应该不断消亡， 只有这样， 程序的性能才不会受到影响。 决定粒子何时消亡的方法很多， 比如， 粒子可以和另一个粒子结合在一起， 或在离开屏幕时消亡。 这是本章的第一个粒子类（ Particle） ， 我希望它尽可能简单， 因此用一个lifespan变量代表粒子的生存期， 这个变量从255开始， 逐步递减， 递减到0时粒子消亡。 加入生存期后的粒子类如下所示：
class Particle {
PVector location;
PVector velocity;
PVector acceleration;
float lifespan;
color c;
Particle(PVector l,color co) {
c = co;
acceleration = new PVector(0,0.05);
velocity = new PVector(random(-1,1),random(-2,0));
location = l.get();
lifespan = 255.0;
}
void run() {
update();
display();
}
// Method to update location
void update() {
velocity.add(acceleration);
location.add(velocity);
lifespan -= 2.0;
}
// Method to display
void display() {
stroke(0,lifespan);
strokeWeight(0);
fill(c,lifespan);
ellipse(location.x,location.y,12,12);
}
// Is the particle still useful?
boolean isDead() {
if (lifespan < 0.0) {
return true;
} else {
return false;
}
}
}
粒子系统类
使用ArrayList完成，用它管理粒子对象列表。
我们还可以在粒子系统中加入一些新特性。 比如， 加入一个粒子的原点， 也就是粒子创建的初始位置， 即粒子的发射点， 这恰好符合粒子系统“发射器”的概念。 这个原点必须在粒子系统的构造函数中初始化。
import java.util.*;
class ParticleSystem {
ArrayList<Particle> particles; // An arraylist for all the particles
PVector origin; // An origin point for where particles are birthed
ParticleSystem(int num, PVector v) {
particles = new ArrayList<Particle>(); // Initialize the arraylist
origin = v.get(); // Store the origin point
for (int i = 0; i < num; i++) {
particles.add(new Particle(origin,12)); // Add "num" amount of particles to the arraylist
}
}
void run() {
// Using the Iterator b/c we are deleting from list while iterating
Iterator<Particle> it = particles.iterator();
while (it.hasNext()) {
Particle p = it.next();
p.run();
if (p.isDead()) {
it.remove();
}
}
}
void addParticle(color c) {
particles.add(new Particle(origin,c));
}
void addParticle(Particle p) {
particles.add(p);
}
// A method to test if the particle system still has particles
boolean dead() {
if (particles.isEmpty()) {
return true;
} else {
return false;
}
}
}
效果
结合
在每个细胞上添加一个粒子效果：
class Cell {
PVector pos;
float r;
color c;
ParticleSystem P;
//SmokeSystem S;
Cell(PVector pos, float r, color c) {
this.pos = pos.copy();
this.r = r;
this.c = c;
P = new ParticleSystem(1,this.pos);
//S = new SmokeSystem(1,this.pos);
}
Cell() {
this.pos = new PVector(random(width), random(height));
this.r = 60;
this.c = color(random(100, 255), random(100, 255), random(100, 255), 100);
P = new ParticleSystem(1,this.pos);
//S = new SmokeSystem(1,this.pos);
}
boolean clicked(int x, int y) {
float d = dist(this.pos.x, this.pos.y, x, y);
if (d < this.r) {
return true;
} else {
return false;
}
}
Cell mitosis() {
color cc = color(random(100, 255), random(100, 255), random(100, 255), 100);
Cell cell = new Cell(this.pos, this.r*0.8, cc);
//Cell cell = new Cell(this.pos, this.r*0.8, this.c);
return cell;
}
void move() {
PVector vel = PVector.random2D();
float stepsize = montecarlo()*50;
vel.x *= stepsize;
vel.y *= stepsize;
this.pos.add(vel);
}
void show() {
noStroke();
fill(this.c);
ellipse(this.pos.x, this.pos.y, this.r, this.r);
P.origin = this.pos;
P.run();
P.addParticle(this.c);
// S.run();
// for (int i = 0; i < 10; i++) {
// S.addParticle();
//}
}
}
float montecarlo() {
while (true) {
float r1 = random(1);
float probability = pow(1.0 - r1,8);
float r2 = random(1);
if (r2 < probability) {
return r1;
}
}
}
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