找不到以我想要的方式为Mandelbrot集着色的方法

Question

找不到以我想要的方式为Mandelbrot集着色的方法

7

我已经成功地用颜色为Mandelbrot集着色，但是当我放大到模糊或图案停止时，我无法缩放得很远。我通过增加max_iteration来解决这个问题，这有效果，但在*1倍放大时，我只能得到很少的颜色，而只有在放大时才会出现很多颜色。我明白为什么会发生这种情况，因为在“真正”的Mandelbrot集中没有颜色，而增加max_iterations只是让它更接近那样。但我的问题是，YouTube等网站的缩放如何在整个缩放过程中拥有美丽的颜色，同时仍然能够缩放几乎无限长的时间？

我已经尝试在网上寻找解决方案，但我找不到答案。当我查看这些YouTube缩放的描述时，它们似乎几乎没有提供任何关于它们如何进行缩放的信息。

这里是绘制Mandelbrot集的代码部分。下面的代码是使用Processing编写的，Processing是带有可视化库的Java语言。您可以在此处了解更多有关该程序的信息：https://processing.org/

//m is max_iterations
//mb is the function which calculates how many iterations each point took to escape to infinity. I won't be including the function since I know it works fine and it's quite messy.
//i'm using a HSB/HSV system to draw the mandelbrot

hue=(mb(x, y, m)*360)/m;
sat=255;
if (mb(x, y, m)<m) {
  val=255;
} 
else {
  val=0;
}

stroke(hue,sat,val);
point(x, y);

我知道为什么出现了问题，但不知道该如何解决。

这是一张max_iterations比较低且缩小后截图，正如您所看到的，它非常五彩斑斓：

这是一张max_iterations比较低且稍微放大的截图，正如您所看到的，它很无聊，颜色也不够鲜艳：

这是一张max_iterations比较高且缩小后的截图，正如您所看到的，颜色并不丰富：

这是一张max_iterations比较高且放大后的截图，正如您所看到的，它非常绚丽多彩：

- MorganS42

并且创建并发布一个[mcve]，类似于我的Java Swing Mandelbrot MCVE。 - Hovercraft Full Of Eels

2

这是我计算Mandelbrot集合颜色的方法：Color.getHSBColor(i / 255F, 1, 1)，其中i是迭代到发散的次数。我建议在缩放时动态增加迭代次数。 - Daniel Williams

我现在正在添加一张图片。 - MorganS42

1

为什么不限制色调变化，而是改变饱和度和亮度呢？ - Hovercraft Full Of Eels

@HovercraftFullOfEels 这是一个非常好的想法，但我觉得它并不能解决问题，只是另一种有趣的着色曼德博集合的方式。但还是感谢您的建议以及在这篇文章中的所有参与！ - MorganS42

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1个回答

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可以查看英文原文，
原文链接

- Spektre · Accepted Answer

首先看一下这个相关的问答:

Mandelbrot Set - Color Spectrum Suggestions?

主要的想法是使用直方图来更有效地将颜色渐变分配给已使用的索引，而不是在未使用的索引上统一浪费许多颜色。此外，它还使用了特定的视觉上令人愉悦的渐变函数：

可见光谱的RGB值

其他人提出的动态最大迭代次数只会影响整体性能和缩放中的细节。然而，如果你希望在没有缩放的情况下获得漂亮的颜色，那么你需要计算浮点型迭代次数，也称为Mandelbrot Escape。有一种数学方法可以从方程式的最后子结果计算出迭代次数的小数部分。更多信息请参见：

重新规范化曼德布洛特逃逸

然而，我从未尝试过，所以带着偏见阅读此内容：如果我理解正确，你想计算这个方程式：

mu = m + frac = n + 1 - log (log  |Z(n)|) / log 2

当你迭代次数为n时，Z(n)是你正在迭代的方程的复数域子结果。现在从mu计算颜色，它现在是浮点型而不是从n计算...

[编辑2]基于上述链接的GLSL mandelbrot与分数逃逸

我添加了分数逃逸并修改了直方图多通道重新着色以匹配新输出...

顶点：

// Vertex
#version 420 core
layout(location=0) in vec2 pos;     // glVertex2f <-1,+1>
out smooth vec2 p;                  // texture end point <0,1>
void main()
    {
    p=pos;
    gl_Position=vec4(pos,0.0,1.0);
    }

片段：

// Fragment
#version 420 core
uniform vec2 p0=vec2(0.0,0.0);      // mouse position <-1,+1>
uniform float zoom=1.000;           // zoom [-]
uniform int  n=100;                 // iterations [-]
uniform int  sh=7;                  // fixed point accuracy [bits]
uniform int  multipass=0;           // multi pass?
in smooth vec2 p;
out vec4 col;

const int n0=1;                     // forced iterations after escape to improve precision

vec3 spectral_color(float l)        // RGB <0,1> <- lambda l <400,700> [nm]
    {
    float t;  vec3 c=vec3(0.0,0.0,0.0);
         if ((l>=400.0)&&(l<410.0)) { t=(l-400.0)/(410.0-400.0); c.r=    +(0.33*t)-(0.20*t*t); }
    else if ((l>=410.0)&&(l<475.0)) { t=(l-410.0)/(475.0-410.0); c.r=0.14         -(0.13*t*t); }
    else if ((l>=545.0)&&(l<595.0)) { t=(l-545.0)/(595.0-545.0); c.r=    +(1.98*t)-(     t*t); }
    else if ((l>=595.0)&&(l<650.0)) { t=(l-595.0)/(650.0-595.0); c.r=0.98+(0.06*t)-(0.40*t*t); }
    else if ((l>=650.0)&&(l<700.0)) { t=(l-650.0)/(700.0-650.0); c.r=0.65-(0.84*t)+(0.20*t*t); }
         if ((l>=415.0)&&(l<475.0)) { t=(l-415.0)/(475.0-415.0); c.g=             +(0.80*t*t); }
    else if ((l>=475.0)&&(l<590.0)) { t=(l-475.0)/(590.0-475.0); c.g=0.8 +(0.76*t)-(0.80*t*t); }
    else if ((l>=585.0)&&(l<639.0)) { t=(l-585.0)/(639.0-585.0); c.g=0.84-(0.84*t)           ; }
         if ((l>=400.0)&&(l<475.0)) { t=(l-400.0)/(475.0-400.0); c.b=    +(2.20*t)-(1.50*t*t); }
    else if ((l>=475.0)&&(l<560.0)) { t=(l-475.0)/(560.0-475.0); c.b=0.7 -(     t)+(0.30*t*t); }
    return c;
    }

void main()
    {
    int i,j,N;
    vec2 pp;
    float x,y,q,xx,yy,mu;
    pp=(p/zoom)-p0;         // y (-1.0, 1.0)
    pp.x-=0.5;              // x (-1.5, 0.5)
    for (x=0.0,y=0.0,xx=0.0,yy=0.0,i=0;(i<n-n0)&&(xx+yy<4.0);i++)
        {
        q=xx-yy+pp.x;
        y=(2.0*x*y)+pp.y;
        x=q;
        xx=x*x;
        yy=y*y;     
        }
    for (j=0;j<n0;j++,i++)  // 2 more iterations to diminish fraction escape error
        {
        q=xx-yy+pp.x;
        y=(2.0*x*y)+pp.y;
        x=q;
        xx=x*x;
        yy=y*y;
        }
    mu=float(i)-log(log(sqrt(xx+yy))/log(2.0));
    mu*=float(1<<sh); i=int(mu);
    N=n<<sh;
    if (i>N) i=N;
    if (i<0) i=0;

    if (multipass!=0)
        {
        // i
        float r,g,b;
        r= i     &255; r/=255.0;
        g=(i>> 8)&255; g/=255.0;
        b=(i>>16)&255; b/=255.0;
        col=vec4(r,g,b,255);
        }
    else{
        // RGB
        q=float(i)/float(N);
        q=pow(q,0.2);
        col=vec4(spectral_color(400.0+(300.0*q)),1.0);
        }
    }

CPU侧C++/VCL代码：

//---------------------------------------------------------------------------
#include <vcl.h>
#pragma hdrstop
#include "Unit1.h"
#include "gl\\OpenGL3D_double.cpp"
//---------------------------------------------------------------------------
#pragma package(smart_init)
#pragma resource "*.dfm"
TForm1 *Form1;
OpenGLscreen scr;
GLSLprogram shd;
float mx=0.0,my=0.0,mx0=0.0,my0=0.0,mx1=0.0,my1=0.0;
TShiftState sh0,sh1;
int xs=1,ys=1;
float zoom=1.000;
int sh=7;
int N=256;
int _multi=0;
unsigned int queryID[2];
#define multi_pass
OpenGLtexture txr;
//---------------------------------------------------------------------------
DWORD spectral_color(float l)        // RGB <0,1> <- lambda l <400,700> [nm]
    {
    float t;  float r,g,b; DWORD c,x; r=0.0; g=0.0; b=0.0;
         if ((l>=400.0)&&(l<410.0)) { t=(l-400.0)/(410.0-400.0); r=    +(0.33*t)-(0.20*t*t); }
    else if ((l>=410.0)&&(l<475.0)) { t=(l-410.0)/(475.0-410.0); r=0.14         -(0.13*t*t); }
    else if ((l>=545.0)&&(l<595.0)) { t=(l-545.0)/(595.0-545.0); r=    +(1.98*t)-(     t*t); }
    else if ((l>=595.0)&&(l<650.0)) { t=(l-595.0)/(650.0-595.0); r=0.98+(0.06*t)-(0.40*t*t); }
    else if ((l>=650.0)&&(l<700.0)) { t=(l-650.0)/(700.0-650.0); r=0.65-(0.84*t)+(0.20*t*t); }
         if ((l>=415.0)&&(l<475.0)) { t=(l-415.0)/(475.0-415.0); g=             +(0.80*t*t); }
    else if ((l>=475.0)&&(l<590.0)) { t=(l-475.0)/(590.0-475.0); g=0.8 +(0.76*t)-(0.80*t*t); }
    else if ((l>=585.0)&&(l<639.0)) { t=(l-585.0)/(639.0-585.0); g=0.84-(0.84*t)           ; }
         if ((l>=400.0)&&(l<475.0)) { t=(l-400.0)/(475.0-400.0); b=    +(2.20*t)-(1.50*t*t); }
    else if ((l>=475.0)&&(l<560.0)) { t=(l-475.0)/(560.0-475.0); b=0.7 -(     t)+(0.30*t*t); }
    r*=255.0; g*=255.0; b*=255.0;
    x=r; c =x;
    x=g; c|=x<<8;
    x=b; c|=x<<16;
    return c;
    }
//---------------------------------------------------------------------------
void gl_draw()
    {
    scr.cls();

    // matrix for old GL rendering
    glMatrixMode(GL_PROJECTION);
    glLoadIdentity();
    glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
    glLoadIdentity();
    glMatrixMode(GL_TEXTURE);
    glLoadIdentity();


    // GLSL uniforms
    shd.bind();
    shd.set2f("p0",mx,my);          // pan position
    shd.set1f("zoom",zoom);         // zoom
    shd.set1i("n",N);               // iterations
    shd.set1i("sh",sh);             // fixed point accuracy (shift)
    shd.set1i("multipass",_multi);  // single/multi pass

    // issue the first query
    // Records the time only after all previous
    // commands have been completed
    glQueryCounter(queryID[0], GL_TIMESTAMP);

    // QUAD covering screen
    glColor3f(1.0,1.0,1.0);
    glBegin(GL_QUADS);
    glVertex2f(-1.0,+1.0);
    glVertex2f(-1.0,-1.0);
    glVertex2f(+1.0,-1.0);
    glVertex2f(+1.0,+1.0);
    glEnd();
    shd.unbind();

    // [multipas]
    if (_multi)
        {
        float t,m,n=N<<sh;
        DWORD *hist=new DWORD[n+1];
        int sz=txr.xs*txr.ys,i,j;
        // get rendered image
        glReadPixels(0,0,txr.xs,txr.ys,GL_RGBA,GL_UNSIGNED_BYTE,txr.txr);
        // compute histogram
        for (i=0;i<=n;i++) hist[i]=0;
        for (i=0;i<sz;i++) hist[txr.txr[i]&0x00FFFFFF]++;
        // histogram -> used color index (skip holes)
        for (i=1,j=1;i<=n;i++)
         if (hist[i]){ hist[i]=j; j++; }
        // used color index -> color
        m=1.0/float(j); hist[0]=0x00000000;
        for (i=1;i<=n;i++)
         if (hist[i]){ t=hist[i]; t*=m; hist[i]=spectral_color(400.0+(300.0*t)); }
          else hist[i]=0x00000000;
        // recolor image
        for (i=0;i<sz;i++) txr.txr[i]=hist[txr.txr[i]&0x00FFFFFF];
        // render it back
        scr.cls();
        txr.bind();
        glColor3f(1.0,1.0,1.0);
        glBegin(GL_QUADS);
        glTexCoord2f(0.0,1.0); glVertex2f(-1.0,+1.0);
        glTexCoord2f(0.0,0.0); glVertex2f(-1.0,-1.0);
        glTexCoord2f(1.0,0.0); glVertex2f(+1.0,-1.0);
        glTexCoord2f(1.0,1.0); glVertex2f(+1.0,+1.0);
        glEnd();
        txr.unbind();
        glDisable(GL_TEXTURE_2D);
        delete[] hist;
        }

    // issue the second query
    // records the time when the sequence of OpenGL
    // commands has been fully executed
    glQueryCounter(queryID[1], GL_TIMESTAMP);


    // GL driver info and GLSL log
    scr.text_init_pix(0.75);
    glColor4f(1.0,1.0,1.0,0.9);
    scr.text(glGetAnsiString(GL_VENDOR));
    scr.text(glGetAnsiString(GL_RENDERER));
    scr.text("OpenGL ver: "+glGetAnsiString(GL_VERSION));
    if (_multi) scr.text("Multi pass");
     else       scr.text("Single pass");
    if (shd.log.Length()!=41)
     for (int i=1;i<=shd.log.Length();) scr.text(str_load_lin(shd.log,i,true));
    scr.text_exit();

    scr.exe();
    scr.rfs();

    // wait until the results are available
    int e;
    unsigned __int64 t0,t1;
    for (e=0;!e;) glGetQueryObjectiv(queryID[0],GL_QUERY_RESULT_AVAILABLE,&e);
    for (e=0;!e;) glGetQueryObjectiv(queryID[1],GL_QUERY_RESULT_AVAILABLE,&e);
    glGetQueryObjectui64v(queryID[0], GL_QUERY_RESULT, &t0);
    glGetQueryObjectui64v(queryID[1], GL_QUERY_RESULT, &t1);
    Form1->Caption=AnsiString().sprintf("dt: %f ms p0:%.3fx%.3f zoom: %.1lf N:%i<<%i\n",(t1-t0)/1000000.0,mx,my,zoom,N,sh);
    }
//---------------------------------------------------------------------------
__fastcall TForm1::TForm1(TComponent* Owner):TForm(Owner)
    {
    scr.init(this);
    shd.set_source_file("","","","Mandelbrot_set.glsl_vert","Mandelbrot_set.glsl_frag");
    glGenQueries(2, queryID);
    // nice spirals
    _multi=1;
    zoom=300.0;
    mx  = 0.268;
    my  =-0.102;
    }
//---------------------------------------------------------------------------
void __fastcall TForm1::FormDestroy(TObject *Sender)
    {
    scr.exit();
    }
//---------------------------------------------------------------------------
void __fastcall TForm1::FormResize(TObject *Sender)
    {
    scr.resize();
    xs=ClientWidth;
    ys=ClientHeight;
    txr.resize(xs,ys);
    gl_draw();
    }
//---------------------------------------------------------------------------
void __fastcall TForm1::FormPaint(TObject *Sender)
    {
    gl_draw();
    }
//---------------------------------------------------------------------------
void __fastcall TForm1::FormMouseMove(TObject *Sender, TShiftState Shift, int X,int Y)
    {
    bool q0,q1;
    mx1=1.0-divide(X+X,xs-1);
    my1=divide(Y+Y,ys-1)-1.0;
    sh1=Shift;
    q0=sh0.Contains(ssLeft);
    q1=sh1.Contains(ssLeft);
    if (q1)
        {
        mx-=(mx1-mx0)/zoom;
        my-=(my1-my0)/zoom;
        }
    mx0=mx1; my0=my1; sh0=sh1;
    gl_draw();
    }
//---------------------------------------------------------------------------
void __fastcall TForm1::FormMouseDown(TObject *Sender, TMouseButton Button,TShiftState Shift, int X, int Y)
    {
    FormMouseMove(Sender,Shift,X,Y);
    }
//---------------------------------------------------------------------------
void __fastcall TForm1::FormMouseUp(TObject *Sender, TMouseButton Button,TShiftState Shift, int X, int Y)
    {
    FormMouseMove(Sender,Shift,X,Y);
    }
//---------------------------------------------------------------------------
void __fastcall TForm1::FormMouseWheel(TObject *Sender, TShiftState Shift, int WheelDelta, TPoint &MousePos, bool &Handled)
    {
    if (WheelDelta>0) zoom*=1.2;
    if (WheelDelta<0) zoom/=1.2;
    Handled=true;
    gl_draw();
    }
//---------------------------------------------------------------------------
void __fastcall TForm1::FormKeyDown(TObject *Sender, WORD &Key, TShiftState Shift)
    {
    Caption=Key;
    if (Key==32){ _multi=!_multi; gl_draw(); }      // [Space]
    if (Key==33){ if (N<8192) N<<=1; gl_draw(); }   // [PgUp]
    if (Key==34){ if (N> 128) N>>=1; gl_draw(); }   // [PgDown]
    }
//---------------------------------------------------------------------------

这是单次分数逃逸 n=100*32:

$fractional escape$

这是单次整数逃逸 n=100:

可以看到，相同迭代次数（100）的分数逃逸更好。

最后是漂亮的多次逃逸（炫耀一下），只有256次迭代和~300倍缩放：

与单次逃逸相比：

对修改进行一些解释：

我在计数器（定点数）中添加了sh个分数位。因此，最大计数现在是n<<sh而不仅仅是n。我还添加了n0常量，降低了逃逸的分数部分的误差。该链接建议使用2次迭代，但我认为1次看起来更好（它也从对数方程中删除了i+1增量）。迭代循环未更改，我只是在其中添加了相同的n0次迭代，然后计算分数逃逸mu并将其转换为定点数（因为我的着色器输出整数）。

多次逃逸仅在CPU端代码上进行了更改。它简单地重新索引已使用的索引，以便其中没有空洞，并使用可见光谱颜色重新着色。

这里有一个演示：