迭代函数系统

更新时间:2023-07-05 14:46

迭代函数系统(Iterated Function System,IFS)是分形理论的重要分支。它以仿射变换为框架,根据几何对象的整体与局部具有自相似的结构,将总体形状以一定的概率按不同的仿射变换迭代下去,直至得到满意的分形图形

简介

迭代函数系统(IFS)属于一种分形构形系统,是分形几何学的重要分支,借助计算机强大的迭代计算能力,将分形理论的精髓—自相似性、层次的多重性和不同层次的规则统一性,应用于计算机图形领域,可以产生许多具有无穷细节、精致纹理的图形。

IFS是以仿射变换为框架,根据几何对象的整体与局部具有自相似的结构,将总体形状以一定的概率按不同的仿射变换迭代下去,直至得到满意的分形图形

一个迭代系统由个维空间上的仿射变换组成,每个对应的压缩比为,满足,且每个有一个伴随概率,且。迭代系统IFS又记为:,其中,,。由于主要在空间考察IFS,故可简记为。

IFS码是指IFS中的集合

拼贴定理

设是完备度量空间上的IFS,压缩比为,变换由下式定义:

则是上压缩比为压缩映射,即,,且存在惟一的不动点(不变集),满足,并且对,有。

其中不动点A称为这个IFS的吸引子。IFS的吸引子一般都是分形,称为确定性分形。从理论上讲,不管多么复杂的事物形态,只要能够确定其IFS代码就可以借助计算机再现事物的复杂形态。由拼贴定理可知,只要选择适当的仿射变换,就可以使得迭代产生的目标图像与分形图任意接近,所以IFS方法在模拟分形图像方面具有极重要的意义。

绘制分形图形

迭代函数系统绘制分形图形有两种方法:确定性迭代算法和随机性迭代算法。

确定性迭代算法

确定性迭代算法是通过仿射变换得到的。其基本原理就是找一个初始集,对集上的每一个点,根据给定的仿射变换公式进行数据变换,便可得到新的点集。这样通过多次迭代,便可绘制所需的图形,并且每个图形的局部和整体相似。只要其仿射变换系数相同,即IFS码相同,当迭代次数足够大时,最终生成的图形是相同的。

随机性迭代算法

随机性迭代算法用到了概率,从而可以对图形的细节和颜色进行控制。随机性迭代算法的基本原理就是利用一个给定的IFS码(每一个仿射变换对应于一个概率),从任选的一个初始点出发,依据其概率分布,从中选择相应的进行仿射变换,可得到新的点。然后,再由概率选择相应的进行变换,进而得到新的点。这样反复迭代,便可得到一系列的点。这些点集显示在屏幕上,便得到一个完整的分形图。

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