Processing 模拟池塘生态系统

Processing 模拟生态系统

博文简介
生物知识
- 生态系统
实现内容
效果展示
操作说明
相关类
技术讲解
- 遗传
- 自治智能体
- - 群集行为
  - 个体行为
问题与思考
参考
其他作品推荐
- 布料模拟
- 融入动画技术的交互应用
- 《Magic Network》：一个小孩都能玩的神经网络交互系统

博文简介

使用Processing实现了简单的池塘生态系统。
主要是鱼——水蚤——水草三类生物的行为。
关键技术是遗传算法和自治智能体

生物知识

生态系统

生态系统指在自然界的一定的空间内，生物与环境构成的统一整体，在这个统一整体中，生物与环境之间相互影响、相互制约，并在一定时期内处于相对稳定的动态平衡状态。

组成成分：非生物的物质和能量、生产者、消费者、分解者。

这里模拟了简单的池塘生态系统。忽略掉非生物的物质和能量，还有分解者。只有生产者–水草、低级消费者–水蚤（以水草为食）、高级消费者–鱼（以水蚤为食）

核心规则：
1、·能量传递的过程中逐级递减，传递率为10%~20%
这点问题不大，简单来说就是鱼：水蚤：水草 =100：10：1，当然实际上没有这么简单，实现的过程中没有严格按照这点，大概就是注意鱼的数量少于水蚤少于水草，并且鱼的寿命大于水蚤大于水草，生命值也不同。
2、生物进化
这里用到了遗传算法，实现这点的方法是寿命，生物活得越久繁殖概率越大，DNA也就会传递下去
3、动态平衡
生态系统通常具有自我调节能力，可以实现动态平衡。

生物进化和动态平衡在实现的过程中都出现了问题，比我一开始想的出入很大，在下文 问题与思考 中详细阐述。

实现内容

DNA：
寿命（有最大最小限制）
速度（进化需有一定随机性、突变性）
大小

交叉
复制
变异

水草：
生命值（被吃会变透明）
寿命
大小（与寿命相关）
速度

死亡
无性繁殖
种子扩散
有微弱的移动能力

水蚤（指低级消费者）：
寿命（性成熟）
性别
大小
速度

躲避行为（躲鱼）
寻偶
群集行为（主要是对齐）
吸收养分（吃植物）
有性繁殖

鱼（指高级消费者）：
寿命（性成熟）
性别
大小
速度
性别
大小

捕食（追水蚤）
寻偶
群集行为（主要是分离）
吸收养分（吃虾）
有性繁殖

效果展示

完整视频：https://www.bilibili.com/video/av50958125

操作说明

可以通过单击鼠标左键、右键、滑轮添加鱼、水蚤、水草，或单击左上角得“-”号减少
拖拽可以持续生成（后期生物过多，单击生成减少太慢）
通过交互人为调节生态平衡。

相关类

类间关系如图

下面是各类的域和方法，具体实现和全部代码见 https://github.com/sssal/EcoSystem

主类

World world;Boolean isOpenIntroduce;
void setup() {size(800, 600);frameRate(60);world = new World(100, 20, 0);textFont(createFont("KaiTi-48.vlw", 48));isOpenIntroduce = true;
}void draw() {background(200);world.update();textSize(15);fill(50);text("Plants:" + (int)world.getPlantNum(), 20, 20);text("Fishes:" + (int)world.getFishNum(), 20, 40);text("Fleas:" + (int)world.getFleaNum(), 20, 60);rect(100, 7, 20, 12);rect(100, 27, 20, 12);rect(100, 47, 20, 12);fill(250);rect(105, 12, 10, 3);rect(105, 32, 10, 3);rect(105, 52, 10, 3);//说明界面if (isOpenIntroduce) {fill(0, 200);rect(width/4, height/4, width/2, height/2, 20);textSize(30);fill(250);text("说明", width/2-50, height/4+40);textSize(20);text("按 “ i ” 退出/显示说明界面", width/4+20, height/4+70);text("左上角表示示植物、水蚤、鱼数量", width/4+20, height/4+100);text("鼠标单击左键生成鱼，右键水蚤，中键植物", width/4+20, height/4+130);text("鼠标拖拽持续生成",width/4+20,height/4+160);text("鼠标单击左上角“-”减少",width/4+20,height/4+190);text("鼠标在左上角“-”处拖拽持续减少",width/4+20,height/4+220);
}
}void mouseDragged() {//print(0);if (mouseX>100&&mouseX<120&&mouseY>7&&mouseY<19) {world.reducePlant();} else if (mouseX>100&&mouseX<120&&mouseY>27&&mouseY<39) {world.reduceFish();} else if (mouseX>100&&mouseX<120&&mouseY>47&&mouseY<59) {world.reduceFlea();} else {if (mouseButton == LEFT) {print(1);world.addFish(new PVector(mouseX, mouseY));} else if (mouseButton == RIGHT) {world.addFlea(new PVector(mouseX, mouseY));} else if (mouseButton == CENTER) {world.addPlant(new PVector(mouseX, mouseY));}}
}void mouseClicked() {//print(0);if (mouseX>100&&mouseX<120&&mouseY>7&&mouseY<19) {world.reducePlant();} else if (mouseX>100&&mouseX<120&&mouseY>27&&mouseY<39) {world.reduceFish();} else if (mouseX>100&&mouseX<120&&mouseY>47&&mouseY<59) {world.reduceFlea();} else {if (mouseButton == LEFT) {print(1);world.addFish(new PVector(mouseX, mouseY));} else if (mouseButton == RIGHT) {world.addFlea(new PVector(mouseX, mouseY));} else if (mouseButton == CENTER) {world.addPlant(new PVector(mouseX, mouseY));}}
}void keyPressed() {if (key == 'i') {if (isOpenIntroduce) {isOpenIntroduce = false;} else {isOpenIntroduce = true;}}
}

class World {ArrayList<Flea> fleas;ArrayList<Plant> plants;ArrayList<Fish> fishes;World(int plantsNum, int fleasNum, int fishNum) void update() float getFishNum() float getFleaNum()float getPlantNum() void addFish(PVector pvector) void addFlea(PVector pvector)void addPlant(PVector pvector) void reduceFish() void reducePlant()void reduceFlea()
}

class Creature {//生物类 所有生物的父类PVector position;  //位置PVector acceleration; //加速度PVector velocity;  //速度float lifetime;     //寿命 float maxspeed;     //速度float maxforce;    //转向力float size;         //大小float r;            //画图大小float maxLifetime; //用来保存生物的最大生命和尺寸float maxSize;     float health;      //生命值float maxHealth;DNA dna;          DNA fatherDNA;//设置不同行为的权重float separateWeight;float cohesionWeight;float alignWeight;float breedProbability; //繁殖概率float matingProbability; //交配概率float xoff;float yoff;  //控制随机移动速度float periphery = PI/2; //视野角度Boolean gender;  //性别Boolean isRut;   //是否处于发情期Boolean isPregnancy; //怀孕color col;      //颜色Creature(PVector pos, DNA initDNA)//更新void update()//移动void move() //画图void display() //添加力改变加速度void applyForce(PVector force)//三种群集规则//分离  避免碰撞//对齐  转向力与邻居一致//聚集  朝邻居中心转向 （留在群体内）void flock(ArrayList<? extends Creature> Creatures) //寻找PVector seek(PVector target) // Cohesion 聚集行为PVector cohesion (ArrayList<? extends Creature> creatures) //分离行为PVector separate (ArrayList<? extends Creature> creatures) //对齐行为PVector align (ArrayList<? extends Creature> creatures)  //设置发情期void rut()//寻偶PVector mating(ArrayList<? extends Creature> creatures)//觅食PVector foraging(ArrayList<? extends Creature> creatures)//繁殖public Creature  breed() // 避免超出画板范围void borders()//判断死亡boolean dead()
}

class Plant extends Creature {//水草类Plant(PVector pos, DNA initDNA)@Overridevoid display() @OverridePlant breed()//移动@Overridevoid move()//判断死亡@Overrideboolean dead()

class Flea extends Creature {//水蚤类Flea(PVector pos, DNA initDNA)//更新@Overridevoid update() @Overridevoid display()@Override //加入寻偶行为void flock(ArrayList<? extends Creature> Creatures)//躲避动作void moveElude(ArrayList<Fish> fishes)//躲避PVector elude(ArrayList<Fish> fishes)@Override //有性繁殖Flea breed()//移动@Overridevoid move()//对齐行为@Override  //添加视野角度PVector align (ArrayList<? extends Creature> creatures)//吃水草void eat(ArrayList<Plant> plants)//判断死亡@Overrideboolean dead()

class Fish extends Creature {//鱼类Fish(PVector pos, DNA initDNA)//更新@Overridevoid update()@Overridevoid display()@Override   //有性繁殖Fish breed()@Override //加入寻偶行为void flock(ArrayList<? extends Creature> Creatures)//捕食运动void moveForaging(ArrayList<Flea> fleas)//移动@Overridevoid move() //吃水蚤void eat(ArrayList<Flea> fleas)//判断死亡@Overrideboolean dead()

class DNA {private HashMap<String, Float> genes=new HashMap<String,Float>();DNA()DNA(HashMap newgenes)//复制public DNA dnaCopy()//交叉public DNA dnaCross(DNA fatherDNA)//变异public void mutate(float m)

技术讲解

向量、力之类的比较基础，这里主要说一下遗传和自治智能体。

遗传

这部分的代码比较简单。只需要把遗传相关的属性和方法实现就可以了。
在DNA类中，使用 HashMap<String, Float> 用作储存基因型，键（String）保存基因型的名字，值（FLoat）保存基因间的差别，在Creature类中实例化DNA类并通过值来实现表现型。

之后事基因的复制、交叉和变异。
复制主要用在无性繁殖，直接复制DNA就可以了

  //复制public DNA dnaCopy() {HashMap<String, Float> childGenes = (HashMap<String,Float>)genes.clone();return new DNA(childGenes);}

交叉则是有性繁殖，父亲把DNA传递给母亲，然后生成孩子的DNA

  //交叉public DNA dnaCross(DNA fatherDNA){HashMap<String, Float> childGenes = (HashMap<String,Float>)genes.clone();HashMap<String, Float> fatherGenes = fatherDNA.genes;float lifetime = (fatherGenes.get("lifetime") + genes.get("lifetime"))/2;childGenes.put("lifetime",lifetime);float speed = (fatherGenes.get("speed") + genes.get("speed"))/2;childGenes.put("speed",speed);float size = (fatherGenes.get("size") + genes.get("size"))/2;childGenes.put("size",size);return new DNA(childGenes);}

变异在有性繁殖和无性繁殖中都会出现

  //变异public void mutate(float m) {for (String key : genes.keySet()) {if (random(1)<m) {genes.put(key, random(0, 1));}}}

自治智能体

这部分是代码的核心，控制生物的行为。
生物的行为可以分成两类，一类是群集行为，一类是个体行为。
运动会受到不同权重，生物的视野和角度影响。

群集行为

群集行为包括聚集，分离，对齐。
水蚤的对齐行为权重更大，会与视野内的水蚤速度保持一致。
统计视野内其他水蚤的速度均值，处理后作为加速度。

  //对齐行为@Override  //添加视野角度PVector align (ArrayList<? extends Creature> creatures) {float neighbordist = size * 2;PVector sum = new PVector(0, 0);int count = 0;for (Creature other : creatures) {//从一个生物到另一个生物的向量PVector comparison = PVector.sub(other.position, position);//距离float d = PVector.dist(position, other.position);//角度float  diff = PVector.angleBetween(comparison, velocity);if ((diff < periphery) && (d > 0) && (d < neighbordist)) {sum.add(other.velocity);count++;}}if (count > 0) {sum.div((float)count);sum.normalize();sum.mult(maxspeed);PVector steer = PVector.sub(sum, velocity);steer.limit(maxforce);return steer;} else {return new PVector(0, 0);}}

聚集则是计算视野内其他生物的位置的均值，生成从当前位置指向均值的向量处理后用作加速度

  // Cohesion 聚集行为PVector cohesion (ArrayList<? extends Creature> creatures) {float neighbordist = r * 5; //视野  ？？？？PVector sum = new PVector(0, 0);   // Start with empty vector to accumulate all positionsint count = 0;for (Creature other : creatures) {float d = PVector.dist(position, other.position);if ((d > 0) && (d < neighbordist)) {sum.add(other.position); // 将其他对象位置相加count++;}}if (count > 0) {sum.div(count);return seek(sum);  //寻找邻居的平均坐标} else {return new PVector(0, 0);}}

分离统计远离其他生物的向量均值，可以用于避免生物间距离过近重叠。

  //分离行为PVector separate (ArrayList<? extends Creature> creatures) {float desiredseparation = r*1.5; //分离视野PVector steer = new PVector(0, 0, 0);int count = 0;// For every boid in the system, check if it's too closefor (Creature other : creatures) {float d = PVector.dist(position, other.position);// If the distance is greater than 0 and less than an arbitrary amount (0 when you are yourself)if ((d > 0) && (d < desiredseparation)) {// Calculate vector pointing away from neighborPVector diff = PVector.sub(position, other.position);diff.normalize();diff.div(d);        // Weight by distancesteer.add(diff);count++;            // Keep track of how many}}// Average -- divide by how manyif (count > 0) {steer.div((float)count);}// As long as the vector is greater than 0if (steer.mag() > 0) {// Implement Reynolds: Steering = Desired - Velocitysteer.normalize();steer.mult(maxspeed);steer.sub(velocity);steer.limit(maxforce);}return steer;}

个体行为

个体的行为是求偶、觅食、躲避

当个体处于发情期会寻找视野内处于发情期的异性，找到后传递DNA，并结束发情期状态

  //寻偶PVector mating(ArrayList<? extends Creature> creatures) {float neighbordist = r * 15;if (isRut) {for (Creature other : creatures) {if (other.isRut && gender != other.gender) {//都处于发情期且性别不同//PVector comparison = PVector.sub(other.position, position);//距离float d = PVector.dist(position, other.position);//角度//float  diff = PVector.angleBetween(comparison, velocity);if ( (d < neighbordist) && (d>r)) {return seek(other.position);} else if (d<r) { //当两者足够靠近//print(3);isRut = false;other.isRut = false;if (gender) {col = color(255, 0, 0);other.col = color(0, 255, 0);isPregnancy = true;fatherDNA = other.dna;} else {col = color(0, 255, 0);other.col = color(255, 0, 0);other.isPregnancy = true;other.fatherDNA = dna;}}}}}return new PVector(0, 0);}

觅食是鱼的行为，主动寻找水蚤

  //觅食PVector foraging(ArrayList<? extends Creature> creatures) {float neighbordist = r * 10;for (Creature c:creatures) {//从一个生物到另一个生物的向量PVector comparison = PVector.sub(c.position, position);//距离float d = PVector.dist(position, c.position);//角度float  diff = PVector.angleBetween(comparison, velocity);if ((diff < periphery) && (d < neighbordist)) {return seek(c.position);}}return new PVector(0, 0);}

躲避与觅食相反，水蚤主动躲避鱼

  //躲避PVector elude(ArrayList<Fish> fishes) {float neighbordist = r * 10;for (Fish f:fishes) {//从一个生物到另一个生物的向量PVector comparison = PVector.sub(f.position, position);//距离float d = PVector.dist(position, f.position);//角度float  diff = PVector.angleBetween(comparison, velocity);if ((diff < periphery) && (d < neighbordist)) {PVector result = seek(f.position);result = new PVector(-result.x, -result.y);return result;}}return new PVector(0, 0);}

问题与思考

1、遗传
遗传算法是计算数学中用于解决最佳化的搜索算法，曾经使用过用来计算函数的最大值，这里考虑把生物的寿命作为适应度，活得越长适应度越大，这样迭代一段时间后就能够得到寿命最长也就是最适应环境的个体，但在尝试的过程中发现这样太理想化了。
一开始想要把各项参数都放在DNA中，例如不同行为的权重，繁殖率等，但是发现变量太多，效果不好。
在系统中只有水蚤和水草时，出现过一种情况是水蚤越来越大，但速度却越来越慢，我猜测因为没有给水蚤添加觅食行为，所以走得慢反而更容易生存，越大觅食范围越大，并且水草不会被直接吃掉，生存概率也更高。但是这种情况我后来并没有复现出来。
这里放了一种能够体现遗传进化的情况：
初始为水草：100 水蚤：20 无鱼

一段时间后的情况：

发现水蚤在往大的方向进化，速度并没有越来越慢。

这时候我意识到 适应度 的问题，我希望的适应度是寿命，但实际上想要让水蚤因为各项属性影响寿命是很困难的事，我只把参数修改一点点就可能导致生物灭绝或者过度繁殖，所以寿命的随机性其实挺高的。而真正的适应度其实是交配的概率，吃得多活得长，交配的概率高，但影响交配的概率最大的其实是体积，越大越可能和异性接触并交配。

2、动态平衡
正常的生态系统是具有自我调节的能力的，就像狼-兔-草模型中，兔子多了，狼也会多，草减少，这样兔子就会减少，一开始我也是想让鱼-水蚤-水草达到平衡状态，在只有水蚤-水草时还行，加入鱼后我发现这是不可能的，不添加外在条件时不可能的。

自然界中其实还存在一些规律，实际上当一种生物增多时，首先受影响的是它的下级，生态系统的调节是具有滞后性的，就像兔子多了，首先是草大量减少，然后才是狼多，需要一定的时间跨度，才能恢复平衡。但在我模拟的生态系统中，当存在鱼-水蚤-水草时几乎无法调节平衡，会持续地往极端发展，并最终全部灭绝。

当然这应该有我对生物的模拟不够真实的原因，并且环境太小，没有足够的时间和空间让模拟生态系统运行下去。

参考

参考案例：https://www.openprocessing.org/sketch/687983
参考书籍：《The nature of code》/《代码本色》

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这个作品一下子就吸引了我，很简洁又真实，确实有布料运动的感觉，这个技术的实现让我想到曾经制作的愤怒的小鸟的弹弓。
布料的整体运动取决于部分的运动，每一个局部运动逻辑是相似的，但整体表现出来的效果又很棒。

融入动画技术的交互应用

博文地址

一开始实现的跳一跳看起来就很不错，运动、交互的效果看起来很舒服。后边还看到一些有趣的效果，processing实现的融入动画的漫画场景，很好看。最后还分享了一些动画，特别是这个水生物的自然形态模拟，很喜欢，我自己做的生态系统看上去特别丑，早点看到这个例子，或许能让我的作品更具艺术性。

《Magic Network》：一个小孩都能玩的神经网络交互系统

Magic Netwo

界面画风很符合主题，在学神经网络、人工智能的时候就经常感觉很抽象，很多东西的中间过程难以理解，这个作品非常好，即便是没有学过相关知识的人也可以操作，帮助理解神经网络。