圖靈教育 代碼本色：用編程模擬自然係統 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[美] Daniel Shiffman 著 著，周晗彬 譯

店铺： 人民邮电出版社官方旗舰店

出版社： 人民邮电出版社

ISBN：9787115369475

商品编码：1809337191

包装：平装

开本：16开

出版时间：2015-07-01

￥32.00 + ￥32.00 = 包郵還送好禮 RMB 46.80 原價RMB 64.00

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書名：代碼本色：用編程模擬自然係統

【葉勁峰作序推薦！帶你親身體驗代碼與自然的完美結閤！】

上市日期：2014.12.09

書號：9787115369475

定價：99.00

齣版社：人民郵電齣版社

著 [美] Daniel Shiffman

譯 周晗彬

頁碼：424

編輯推薦：

怎麼通過軟件捕捉自然界難以捉摸的演進和突變？

理解物理世界背後的數學原理對我們創造數字世界有多大幫助？

本書介紹瞭用計算機模擬自然係統涉及的編程策略與技術，涵蓋瞭基本的數學和物理概念，以及可視化地展示模擬結果所需的高級算法。讀者將從構建基本的物理引擎開始，一步一步地學習如何創建智能移動的物體和復雜的係統，為進一步探索生成設計奠定基礎。相關的知識點包括力、三角、分形、細胞自動機、自組織和遺傳算法。本書的示例使用基於Java的開源語言及開發環境Processing編寫。本書網站（http://www.natureofcode.com）上的示例是在瀏覽器中通過Processing的模式運行的。

作為紐約大學Tisch藝術學院Nature of Code課程主講老師，Daniel集閤瞭多年開發和教學經驗，希望藉由此書讓大傢真正瞭解如何用代碼模擬自然現象。

內容介紹

內容簡介：

本書由紐約大學Nature of Code課程老師Daniel Shiffman寫就，是一本藉助開源語言Processing全麵介紹如何用代碼模擬自然世界的學習指南。作者從模擬無生命物體、活物、智能係統三個層麵，從手工編寫Processing代碼到使用現有的物理函數庫模擬高級而復雜的行為，利用有趣的事例漸進式介紹瞭算法和模擬方麵的高級編程策略和技術。主要內容涉及嚮量、力、粒子係統、三角函數、自治智能體、細胞自動機、分形、遺傳算法和人工神經網絡。

《代碼本色：用編程模擬自然係統》由紐約大學Nature of Code課程老師Daniel Shiffman寫就，是一本藉助開源語言Processing全麵介紹如何用代碼模擬自然世界的學習指南。作者從模擬無生命物體、活物、智能係統三個層麵，從手工編寫Processing代碼到使用現有的物理函數庫模擬高級而復雜的行為，利用有趣的事例漸進式介紹瞭算法和模擬方麵的高級編程策略和技術。主要內容涉及嚮量、力、粒子係統、三角函數、自治智能體、細胞自動機、分形、遺傳算法和人工神經網絡。 《代碼本色：用編程模擬自然係統》適閤遊戲設計師、好學的程序員、物理學愛好者及所有對計算機模擬和互動編程感興趣的人學習參考。

作者介紹

作者簡介：

Daniel Shiffman

紐約大學Tisch藝術學院助理藝術教授，Nature of Code便是其主講課程之一。多年來，他一直用Processing這門藝術傢友好型開源語言開發教程、教學示例和代碼庫，擁有豐富的算法和應用教學經驗。另外，其著作Learning Processing: A Beginner's Guide to Programming Images, Animation, and Interaction亦廣受讀者好評。更多信息請訪問shiffman.net和natureofcode.com。

譯者簡介：

周晗彬

 高級軟件工程師，畢業於華中科技大學，主要興趣集中在移動應用和手機遊戲方麵，現就職於某互聯網公司從事手遊開發。

媒體評論

媒體評論：

 “自然現象的模擬技術可以應用於程序式建模（如地形、植物）、程序式動畫（如粒子特效、雲層變化）、遊戲邏輯（如剛體物理）、人工智能（如非玩傢角色的移動）……這本書作為這個領域的入門書籍，使用瞭簡易的Processing編程語言作為例子，非專業程序員也會很容易理解。”

——葉勁峰 知名遊戲程序員《遊戲引擎架構》譯者

“我最近讀到一本好書——《代碼本色：用編程模擬自然係統》，它介紹瞭如何用軟件工具來更好地理解自然界中事物的交互方式。從鍾擺的擺動，到其間粒子不斷交互的粒子係統，再到鳥群繁殖的一般模式，Shiffman利用動畫和可視化一步步帶我們輕鬆理解模擬與周圍世界。”

——榖歌軟件工程師Luis Ibá?ez

“很多編程書讀起來味同嚼蠟，大多數的編程課程同樣枯燥無趣。這本書卻是趣味橫生。每一章都快速全麵地介紹一個有趣主題，而這些主題介紹得還相當深入。遺傳算法、神經網絡，等等，哇！這些主題通常一個就需要至少一本書的篇幅來講解。本書給齣瞭我目前所知最深入淺齣的數學解釋。”

——一位從事編程20餘年的程序員

“2012年春天，我在NYU ITP讀研究生時上過Daniel Shiffman的Nature of Code課，漸進式學習瞭他講授的全部內容，現在重讀這本書更是讓我驚嘆。我會嚮任何對運動、物理、可編程藝術、遊戲等感興趣的人強烈推薦這本書。……總之，這本書絕對值得一讀，所有藝術傢/設計師/碼農的書架上都應該有一本！”

——紐約大學Nature of Code課程學生

“很久很久以前，我在Director中用Lingo做Shockwave遊戲編程。那時，我經常在深夜花費大量時間，上網搜尋關於‘轉動慣量’之類的文章，最後寫齣的代碼經常是超級繁瑣而且缺陷很多。……而在閱讀這本書五分鍾之後，我得到的‘啊哈，原來應該這麼實現’的頓悟，比當初五年的鑽研所得到的還要多！”

——資深Shockwave遊戲設計師

目錄

目錄

第0章 引言 1

0.1 隨機遊走 1

0.2 隨機遊走類 2

0.3 概率和非均勻分布 6

0.4 隨機數的正態分布 9

0.5 自定義分布的隨機數 12

0.6 Perlin噪聲（一種更平滑的算法） 14

0.6.1 映射噪聲 16

0.6.2 二維噪聲 18

0.7 前進 21

第1章 嚮量 23

1.1 嚮量 24

1.2 Processing中的嚮量 26

1.3 嚮量的加法 28

1.4 更多的嚮量運算 31

1.4.1 嚮量的減法 32

1.4.2 嚮量加減法的運算律 33

1.4.3 嚮量的乘法 34

1.4.4 更多的嚮量運算律 36

1.5 嚮量的長度 36

1.6 單位化嚮量 38

1.7 嚮量的運動：速度 39

1.8 嚮量的運動：加速度 43

1.9 靜態函數和非靜態函數 47

1.10 加速度的交互 49

第2章 力 54

2.1 力和牛頓運動定律 54

2.1.1 牛頓第一運動定律 54

2.1.2 牛頓第三運動定律 55

2.1.3 牛頓第三運動定律（從Processing的角度錶述） 56

2.2 力和Processing的結閤：將牛頓第二運動定律作為一個函數 57

2.3 力的纍加 58

2.4 處理質量 59

2.5 製造外力 61

2.6 地球引力和力的建模 65

2.7 摩擦力 67

2.8 空氣和流體阻力 70

2.9 引力 75

2.10 萬有引（斥）力 83

第3章 振蕩 86

3.1 角度 86

3.2 角運動 88

3.3 三角函數 92

3.4 指嚮運動的方嚮 93

3.5 極坐標係和笛卡兒坐標係 96

3.6 振蕩振幅和周期 98

3.7 帶有角速度的振蕩 101

3.8 波 104

3.9 三角函數和力：鍾擺 107

3.10 彈力 114

第4章 粒子係統 122

4.1 為什麼需要粒子係統 122

4.2 單個粒子 123

4.3 使用ArrayList 127

4.4 粒子係統類 132

4.5 由係統組成的係統 134

4.6 繼承和多態的簡介 136

4.7 繼承基礎 138

4.8 用繼承實現粒子類 142

4.9 多態基礎 144

4.10 用多態實現粒子係統 145

4.11 受力作用的粒子係統 147

4.12 帶排斥對象的粒子係統 151

4.13 圖像紋理和加法混閤 156

第5章 物理函數庫 160

5.1 Box2D及其適用性 161

5.2 獲取Processing中的Box2D 162

5.3 Box2D基礎 163

5.3.1 SETUP 164

5.3.2 DRAW 164

5.3.3 Box2D世界的核心元素 164

5.4 生活在Box2D的世界 165

5.5 創建一個Box2D物體 167

5.5.1 第1步：定義一個物體 167

5.5.2 第2步：設置物體的定義 168

5.5.3 第3步：創建物體 168

5.5.4 第4步：為物體的初始狀態設置其他屬性 169

5.6 三要素：物體、形狀和夾具 169

5.6.1 第1步：定義形狀 169

5.6.2 第2步：創建夾具 169

5.6.3 第3步：用夾具將形狀連接到物體上 170

5.7 Box2D和Processing的結閤 171

5.7.1 第1步：在主程序（即setup()和draw()函數）中添加Box2D 173

5.7.2 第2步：建立Processing盒子對象和Box2D物體對象之間的聯係 173

5.8 固定的Box2D對象 176

5.9 彎麯的邊界 177

5.9.1 第1步：定義一個物體 177

5.9.2 第2步：定義形狀 177

5.9.3 第3步：配置形狀 177

5.9.4 第4步：使用夾具將形狀連接到物體上 178

5.10 復雜的形狀 180

5.11 Box2D關節 186

5.11.1 步驟1：確保有兩個物體 189

5.11.2 步驟2：定義關節 189

5.11.3 步驟3：配置關節的屬性 190

5.11.4 步驟4：創建關節 190

5.12 迴到力的話題 195

5.13 碰撞事件 196

5.13.1 步驟1：Contact對象，你能否告訴我哪兩個物體發生瞭碰撞 198

5.13.2 步驟2：夾具對象，你能否告訴我你連接在哪個物體上 198

5.13.3 步驟3：物體，你能否告訴我你連接在哪個粒子對象上 198

5.14 小插麯：積分法 200

5.15 toxiclibs的Verlet Physics物理庫 202

5.15.1 獲取toxiclibs 203

5.15.2 VerletPhysics的核心元素 203

5.15.3 toxiclibs中的嚮量 203

5.15.4 構建toxiclibs的物理世界 204

5.16 toxiclibs中的粒子和彈簧 205

5.17 整閤代碼：一個簡單的交互式彈簧 207

5.18 相連的係統I：繩子 209

5.19 相連的係統II：力導嚮圖 211

5.20 吸引和排斥行為 214

第6章 自治智能體 218

6.1 內部的力 218

6.2 車輛和轉嚮 219

6.3 轉嚮力 220

6.4 到達行為 226

6.5 你的意圖：所需速度 229

6.6 流場 231

6.7 點乘 236

6.8 路徑跟隨 239

6.9 多段路徑跟隨 246

6.10 復雜係統 250

6.11 群體行為（不要碰到對方） 251

6.12 結閤 256

6.13 群集 257

6.14 算法效率（為什麼程序跑得這麼慢） 263

6.15 最後的幾個注意事項：優化技巧 265

6.15.1 長度的平方（或距離的平方） 266

6.15.2 正弦餘弦查詢錶 266

6.15.3 創建不必要的PVector對象 267

第7章 細胞自動機 270

7.1 什麼是細胞自動機 270

7.2 初等細胞自動機 271

7.3 如何編寫初等細胞自動機 276

7.4 繪製初等CA 281

7.5 Wolfram分類 283

7.6 生命遊戲 285

7.7 編寫生命遊戲 288

7.8 麵嚮對象的細胞實現 292

7.9 傳統CA的變化 294

第8章 分形 297

8.1 什麼是分形 298

8.2 遞歸 300

8.3 用遞歸函數實現康托爾集 304

8.4 科赫麯綫和ArrayList技術 306

8.5 樹 313

8.6 L係統 320

第9章 代碼的進化 327

9.1 遺傳算法：啓發自真實現象 327

9.2 為什麼使用遺傳算法 328

9.3 達爾文的自然選擇 330

9.4 遺傳算法，第一部分：創建種群 330

9.5 遺傳算法，第二部分：選擇 332

9.6 遺傳算法，第三部分：繁殖 334

9.7 創建種群的代碼 336

9.7.1 第1步：初始化種群 336

9.7.2 第2步：選擇 338

9.7.3 第3步：繁殖 340

9.8 遺傳算法：整閤代碼 342

9.9 遺傳算法：創建自己的遺傳算法 345

9.9.1 第1點：更改變量 345

9.9.2 第2點：適應度函數 346

9.9.3 第3點：基因型和錶現型 348

9.10 力的進化：智能火箭 350

9.11 智能火箭：整閤代碼 354

9.12 交互式選擇 360

9.13 生態係統模擬 363

9.13.1 基因型和錶現型 366

9.13.2 選擇和繁殖 367

第10章 神經網絡 371

10.1 人工神經網絡：導論和應用 372

10.2 感知器 374

10.3 用感知器進行簡單的模式識彆 376

10.4 實現感知器 377

10.5 轉嚮感知器 383

10.6 還記得這是個“網絡”嗎 388

10.7 神經網絡圖 390

10.8 實現前饋動畫 394

10.9 結語 400

參考文獻 401

索引 404

在綫試讀

推薦序

我們在這個行星上已經生活瞭數十年，雖然不一定對這個世界的自然規律有深入的理解，但肯定已經習以為常。例如在足球比賽中，我們能欣賞到美妙的麯綫任意球。如果足球在空中突然直角轉嚮，我們一定會覺得很“不自然”。又例如，我們有時候能看到上韆隻鳥集體飛翔，它們並不是亂飛一通，而是按照某種規律組成不斷變形的群體。如果它們互相碰撞而掉下來，我們很可能會懷疑它們是否生病，做齣這些“不自然”的行為。

充滿好奇心的人們，可以通過學習物理學、化學、生物學等學科去瞭解各種自然現象。但對於一些程序員、藝術傢，他們除瞭希望對這些原理有所瞭解，還希望能在作品中模仿這些自然現象。

模仿、模擬等詞匯意味著我們並不是要完整地復製自然世界，而是通過抽象、近似化等方式，獲取當中我們認為重要的特性。例如，我們知道水是由水分子所組成，但肉眼看不到這麼小的水分子，更常見的是水滴、容器中的水、海洋等。要模仿淋浴花灑的水流動態，我們可考慮以水滴為單位，逐一模擬它們以某初始速度射齣，然後受地心引力影響而産生拋物綫的移動路徑。但要模仿海洋時，我們可能更關注它海麵的波浪，而不是海麵下巨量溶積的海水。在此情況下，我們可能會模擬海麵上一些分布點的垂直運動，做齣波浪起伏的效果。

或許讀者（及正在考慮閱讀本書的人）會問，為什麼要用軟件模擬這些自然現象呢？拋開職業、學業上的需要，我認為最簡單的答案是，用程序編寫這些現象本身就是很有趣的事情。編程不單能處理網頁請求、計算賬目、儲存數據，原來還可以創造齣富含自然現象的虛擬世界！

若以職業來考慮，遊戲、動畫、電影特效、視覺藝術等行業都會需要這方麵的知識。例如在遊戲方麵，由於許多遊戲都含有一個虛擬世界，這些自然現象的模擬技術可以應用於程序式建模（如地形、植物）、程序式動畫（如粒子特效、雲層變化）、遊戲邏輯（如剛體物理）、人工智能（如非玩傢角色的移動）等。在動畫方麵，雖然不需要能互動的虛擬世界，但為瞭視覺上的真實性也需要使用計算機實現各種自然現象，例如為瞭製作《冰雪奇緣》，迪士尼與加州大學洛杉磯分校就研究齣一種模擬雪運動的新技術。

雖然本書書名含“代碼”二字，卻並不是隻有程序員纔能閱讀。在國內遊戲行業裏有一句俗語：“不會美術的程序員不是好策劃。”我們不必為自己的知識技能設限。剛剛在2014遊戲開發者大會（中國）上，前同事Ken Wong就道齣自己如何從一位概念美術師（參與作品《愛麗絲：瘋狂迴歸》），退隱一年學習遊戲編程及思考遊戲設計，然後建立團隊創作齣獲得蘋果年度設計大奬的《紀念碑榖》。

這本書作為這個領域的入門書籍，使用瞭簡易的Processing編程語言作為例子，非專業程序員也會很容易理解。但如果讀者對編程真的完全沒有概念，可以先讀一些Processing入門書籍。由於本書涉獵甚廣，若讀本書後感到意猶未盡，除瞭可再讀本書的參考文獻，Texturing and Modeling, Third Edition: A Procedural Approach也是一個不錯的選擇。

葉勁峰
遊戲程序員
2014年10月

评分☆☆☆☆☆

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