Войти
Воспроизведение медиа Формирование паттернов в вычислительных модель роста дендритов. Наука формирования паттернов имеет дело с видимыми, (статистически ) упорядоченными результатами самообразования. организация и общие принципы, лежащие в основе схожих паттернов в природе.
В биологии развития формирование паттернов означает создание сложных организаций клеточных судеб в космосе и время. Формирование паттерна контролируется генами. Роль генов в формировании паттернов - это аспект морфогенеза, создания различных анатомий из похожих генов, который сейчас исследуется в науке эволюционной биологии развития или эво-дево. Эти механизмы хорошо видны в формировании переднезаднего паттерна эмбрионов из модельного организма Drosophila melanogaster (плодовая муха), одного из первых организмов, которые изучен его морфогенез и в глазных пятнах бабочек, развитие которых является вариантом стандартного механизма (плодовая мушка).
Примеры формирования паттернов можно найти в биологии, химии, физике и математике, и их легко смоделировать с компьютерной графикой, как описано ниже.
Биологические закономерности, такие как маркировка животных, сегментация животных и филлотаксис, формируются по-разному.
В биологии развития формирование паттерна описывает механизм, с помощью которого первоначально эквивалентные клетки в развивающейся ткани в эмбрионе принимают сложные формы и функции. Эмбриогенез, например плодовой мухи Drosophila, включает скоординированный контроль клеточных судеб. Формирование паттерна контролируется генетически, и часто каждая клетка в поле ощущает и реагирует на свое положение вдоль градиента морфогена, за которым следует коммуникация между клетками на короткие расстояния посредством передачи сигналов пути для уточнения исходного рисунка. В этом контексте поле ячеек - это группа ячеек, судьба которых зависит от реакции на одни и те же заданные позиционные информационные сигналы. Эта концептуальная модель была впервые описана как модель французского флага в 1960-х годах. В более общем плане морфология организмов определяется механизмами эволюционной биологии развития, такими как изменение времени и позиционирование определенных событий развития в эмбрионе.
Возможные механизмы формирования паттернов в биологических системах включают классическую модель реакция-диффузия, предложенная Аланом Тьюрингом, и недавно обнаруженный механизм упругой нестабильности, который считается ответственны за структуру складок на коре головного мозга высших животных, среди прочего.
Бактериальные колонии демонстрируют большое разнообразие структур образуются во время роста колонии. Полученные формы зависят от условий выращивания. В частности, стрессы (жесткость питательной среды, недостаток питательных веществ и т. Д.) Усиливают сложность получаемых рисунков. Другие организмы, такие как слизистые плесени, демонстрируют замечательные закономерности, вызванные динамикой передачи химических сигналов.
Тигровый куст - это образец растительности, который формируется в засушливых условиях. Растительность, такая как тигровый куст и еловые волны, формируется по разным причинам. Куст тигра состоит из полос кустов на засушливых склонах в таких странах, как Нигер, где рост растений ограничен дождями. Каждая примерно горизонтальная полоса растительности поглощает дождевую воду из голой зоны непосредственно над собой. Напротив, пихтовые волны возникают в лесах на горных склонах после ветрового волнения, во время возобновления. Когда деревья падают, деревья, которые они укрывали, становятся незащищенными и, в свою очередь, с большей вероятностью будут повреждены, поэтому зазоры имеют тенденцию расширяться по ветру. Между тем с наветренной стороны растут молодые деревья, защищенные ветровой тенью оставшихся высоких деревьев. На ровной местности помимо полос появляются дополнительные морфологии рисунка - гексагональные рисунки с зазорами и гексагональные пятна. Формирование паттерна в этом случае обусловлено положительной обратной связью между ростом местной растительности и переносом воды к месту произрастания.
Формирование паттерна хорошо изучено в химии и химической инженерии, включая обе температуры и концентрации. Модель Брюсселатора, разработанная Ильей Пригожиным и соавторами, является одним из таких примеров, демонстрирующих нестабильность Тьюринга. Формирование структуры в химических системах часто связано с колебательной химической кинетикой или автокаталитическими реакциями, такими как реакция Белоусова – Жаботинского или реакция Бриггса – Раушера. В промышленных приложениях, таких как химические реакторы, образование рисунка может привести к появлению горячих точек, которые могут снизить выход продукции или создать опасные проблемы безопасности, такие как тепловой разгон. Возникновение образования паттернов можно изучить с помощью математического моделирования и моделирования лежащей в основе системы реакции-диффузии.
В 1980-е годы Лугиато и Лефевер разработали модель распространения света в оптическом резонаторе, которая приводит к формированию рисунка за счет использования нелинейных эффектов.
Ячейки Бенара, лазер, облачные образования в виде полос или рулонов. Рябь в сосульках. Выкройки стиральной доски на грунтовых дорогах. Дендриты в затвердевании, жидкие кристаллы. Солитоны.
Сферические упаковки и покрытия. Математика лежит в основе других перечисленных механизмов формирования паттернов.
Образец, напоминающий модель реакция-диффузия, созданный с использованием резкости и размытия Некоторые типы автоматов использовались для создания органических- поиск текстур для более реалистичного затенения трехмерных объектов.
Популярный плагин Photoshop, KPT 6, включал фильтр под названием «KPT response». В результате реакции были получены образцы стиля реакция – диффузия на основе предоставленного исходного изображения.
Эффект, аналогичный «реакции КПТ», может быть достигнут с помощью функций свертки в обработке цифровых изображений, с небольшим терпением, многократным повышением резкости и размытие изображения в графическом редакторе. Если используются другие фильтры, такие как тиснение или обнаружение краев, могут быть достигнуты различные типы эффектов.
Компьютеры часто используются для моделирования биологических, физических или химических процессов, которые приводят к формированию паттернов, и они могут отображать результаты реалистично. Расчеты с использованием таких моделей, как реакция – диффузия или MClone, основаны на реальных математических уравнениях, разработанных учеными для моделирования изучаемых явлений.
