聊一聊一些熒幕和現(xiàn)場(chǎng)背后的圖像故事(28)--極坐標(biāo)和矩陣分型幾何
當(dāng)我們嘗試用光學(xué)設(shè)備 捕捉星星們留下的光
會(huì)發(fā)現(xiàn)他們有時(shí)候會(huì)在照片上留下類(lèi)似光圈的光恒,那這是為什么那,今天我們來(lái)聊下
先引入一個(gè)概念,極坐標(biāo),
極坐標(biāo),屬于二維坐標(biāo)系統(tǒng),創(chuàng)始人是牛頓,主要應(yīng)用于數(shù)學(xué)領(lǐng)域。極坐標(biāo)是指在平面內(nèi)取一個(gè)定點(diǎn)O,叫極點(diǎn),引一條射線Ox,叫做極軸,再選定一個(gè)長(zhǎng)度單位和角度的正方向(通常取逆時(shí)針?lè)较颍?duì)于平面內(nèi)任何一點(diǎn)M,用ρ表示線段OM的長(zhǎng)度(有時(shí)也用r表示),θ表示從Ox到OM的角度,ρ叫做點(diǎn)M的極徑,θ叫做點(diǎn)M的極角,有序數(shù)對(duì) (ρ,θ)就叫點(diǎn)M的極坐標(biāo),這樣建立的坐標(biāo)系叫做極坐標(biāo)系。通常情況下,M的極徑坐標(biāo)單位為1(長(zhǎng)度單位),極角坐標(biāo)單位為rad(或°)。

極坐標(biāo)的出現(xiàn)是力圖在二維幾何概念上解釋三維幾何的一種做法中誕生的,本身是一種解釋方式


地球坐標(biāo)系?
地球坐標(biāo)系有兩種幾何表達(dá)方式,即地球直角坐標(biāo)系和地球大地坐標(biāo)系。地球直角坐標(biāo)系的定義是:原點(diǎn)O與地球質(zhì)心重合,Z軸指向地球北極,X軸指向地球赤道面與格林尼治子午圈的交點(diǎn)
地球坐標(biāo)系有兩種幾何表達(dá)方式,即地球直角坐標(biāo)系和地球大地坐標(biāo)系。
1.地球直角坐標(biāo)系的定義
地球直角坐標(biāo)系的定義是:原點(diǎn)O與地球質(zhì)心重合,Z軸指向地球北極,X軸指向地球赤道面與格林尼治子午圈的交點(diǎn),Y軸在赤道平面里與XOZ構(gòu)成右手坐標(biāo)系。
2.地球大地坐標(biāo)系的定義
地球大地坐標(biāo)系的定義是:地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合,橢球的短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合??臻g點(diǎn)位置在該坐標(biāo)系中表述為(L,B,H)。
我們實(shí)際的地球坐標(biāo)點(diǎn),是一個(gè)圍繞著星系轉(zhuǎn)動(dòng)的球體,所以,要理解距離和比例,在一個(gè)宏觀觀念上,應(yīng)該是用極坐標(biāo)思維會(huì)更準(zhǔn)確,具體說(shuō),有一個(gè)名詞
經(jīng)緯度多少多少,但這是宏觀意義的,微觀意義上就是從坐標(biāo)軸來(lái)定義
我們嘗試在夜晚拍攝月亮的時(shí)候,如果選擇了更長(zhǎng)的快門(mén)時(shí)間,那就會(huì)出現(xiàn)光線的拖影現(xiàn)象,
這種現(xiàn)象就是星體運(yùn)動(dòng)邏輯是圍繞極坐標(biāo)運(yùn)轉(zhuǎn)的證明。
所以 獲得一個(gè)“舒適”,輕柔光的時(shí)候,我們就可以應(yīng)用極坐標(biāo)理論


服裝設(shè)計(jì)
? ? ? ? 服裝設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)服裝款式的一種行業(yè),服裝設(shè)計(jì)過(guò)程“即根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的要求進(jìn)行構(gòu)思,并繪制出效果圖、平面圖,再根據(jù)圖紙進(jìn)行制作,達(dá)到完成設(shè)計(jì)的全過(guò)程”。設(shè)計(jì)同時(shí)具有"事實(shí)要素和“價(jià)值要素”。前者說(shuō)明事態(tài)的狀況,后者則用理論和審美的命題來(lái)進(jìn)行表述,即是“好壞和美丑”。
? ? ? ?我們先理解一個(gè)概念,? 那就是,服裝是布料/尼龍/絲綢/棉絮構(gòu)成的,所以,在表現(xiàn)上,它和純幾何體結(jié)構(gòu)的鋼材混凝土不同,它會(huì)因?yàn)榇┲叩摹傲Α焙汀爸亓Α倍冃危?/strong>

這也是,為什么服裝設(shè)計(jì)都會(huì)要求保留一定的余量,就是為了因?qū)@種,因?yàn)榍逑捶绞?,穿著,吸收汗液,穿搭方式帶?lái)的“形變”
加重原則
加重(Emphasis)亦即「強(qiáng)調(diào)」或「重點(diǎn)設(shè)計(jì)」。雖然設(shè)計(jì)中注重統(tǒng)一的原則,但是過(guò)分統(tǒng)一的結(jié)果,往往使設(shè)計(jì)趨于平淡,最好能使某一部分特別醒目,以造成設(shè)計(jì)上的趣味中心。這種重點(diǎn)的設(shè)計(jì),可以利用色彩的對(duì)照(如黑色洋裝系上紅色腰帶)、質(zhì)料的搭配(如毛呢大衣配以毛皮領(lǐng)子)、線條的安排(如洋裝上自領(lǐng)口至底邊的開(kāi)口)、剪裁的特色(如肩軛布及公主線的設(shè)計(jì)),及飾物的使用(如黑色絲絨旗袍上配戴金色項(xiàng)鏈)等達(dá)成。但是上述強(qiáng)調(diào)的方法,不宜數(shù)法同時(shí)并用,強(qiáng)調(diào)的部位也不能過(guò)多,并應(yīng)選擇穿者身體上美好的部分,做為強(qiáng)調(diào)的中心。
平衡原則
平衡(Balance)使設(shè)計(jì)具有穩(wěn)定、靜止的感覺(jué)時(shí),即是符合平衡的原則。平衡可分對(duì)稱的平衡,及非對(duì)稱的平衡兩種。前者是以人體中心為想象線,左右兩部分完全相同。這種款式的服裝,有端正、莊嚴(yán)的感覺(jué),但是較為呆板。后者是感覺(jué)上的平衡,也就是衣服左右部分設(shè)計(jì)雖不一樣,但有平穩(wěn)的感覺(jué),常以斜線設(shè)計(jì)(如旗袍之前襟)達(dá)成目的。此種設(shè)計(jì)予人的感覺(jué)是優(yōu)雅、柔順。此外,亦須注意服裝上身與下身的平衡,勿使有過(guò)分的上重下輕,或下重上輕的感覺(jué)。
比例原則
比例(Proportion)是指服裝各部分間大小的分配,看來(lái)合宜適當(dāng),例如口袋與衣身大小的關(guān)系、衣領(lǐng)的寬窄等都應(yīng)適當(dāng)?!更S金分割」的比例,多適用于衣服上的設(shè)計(jì)。此外,對(duì)于飾物、附件等的大小比例,亦須重視。
韻律原則
韻律(Rhythm)指規(guī)律的反復(fù),而產(chǎn)生柔和的動(dòng)感。如色彩由深而淺,形狀由大而小等漸層的韻律,線條、色彩等具規(guī)則性重復(fù)的反復(fù)的韻律,以及衣物上的飄帶等飄垂的韻律,都是設(shè)計(jì)上常用的手法。

所以在衣物的理解上,我們優(yōu)先理解它為“有一定體積的”事物,所以可以用極坐標(biāo)的方式

來(lái)思考它

比如手肘的內(nèi)收,脂肪遮蔽了前手臂



的觀感
矩陣
矩陣(Matrix)本意是子宮、控制中心的母體、孕育生命的地方。在數(shù)學(xué)上,矩陣是指縱橫排列的二維數(shù)據(jù)表格,最早來(lái)自于方程組的系數(shù)及常數(shù)所構(gòu)成的方陣。這一概念由19世紀(jì)英國(guó)數(shù)學(xué)家凱利首先提出。

矩陣,Matrix。在數(shù)學(xué)上,矩陣是指縱橫排列的二維數(shù)據(jù)表格,最早來(lái)自于方程組的系數(shù)及常數(shù)所構(gòu)成的方陣。這一概念由19世紀(jì)英國(guó)數(shù)學(xué)家凱利首先提出。矩陣是高等代數(shù)學(xué)中的常見(jiàn)工具,也常見(jiàn)于統(tǒng)計(jì)分析等應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)科中。在物理學(xué)中,矩陣于電路學(xué)、力學(xué)、光學(xué)和量子物理中都有應(yīng)用;計(jì)算機(jī)科學(xué)中,三維動(dòng)畫(huà)制作也需要用到矩陣。 矩陣的運(yùn)算是數(shù)值分析領(lǐng)域的重要問(wèn)題。將矩陣分解為簡(jiǎn)單矩陣的組合可以在理論和實(shí)際應(yīng)用上簡(jiǎn)化矩陣的運(yùn)算。對(duì)一些應(yīng)用廣泛而形式特殊的矩陣,例如稀疏矩陣和準(zhǔn)對(duì)角矩陣,有特定的快速運(yùn)算算法。關(guān)于矩陣相關(guān)理論的發(fā)展和應(yīng)用,請(qǐng)參考矩陣?yán)碚?。在天體物理、量子力學(xué)等領(lǐng)域,也會(huì)出現(xiàn)無(wú)窮維的矩陣,是矩陣的一種推廣。
既然矩陣無(wú)法被渲染,那它的作用是什么呢?按我的理解來(lái)說(shuō),矩陣其實(shí)扮演著一個(gè)傳遞位置信息的角色,它可以將每個(gè)小正方體的屬性信息傳遞給克隆對(duì)象,或者生成TP粒子并使用效果器去影響這些粒子,當(dāng)然粒子還能再實(shí)體化來(lái)制作酷炫的動(dòng)畫(huà)。
克隆對(duì)象和矩陣對(duì)象有什么區(qū)別
在軟件的使用中,我們會(huì)發(fā)現(xiàn)矩陣對(duì)象的參數(shù)和矩陣對(duì)象幾乎是一樣的,這時(shí)候肯定會(huì)有這么個(gè)疑問(wèn),既然屬性都一樣,為什么不能直接使用克隆對(duì)象而還要使用矩陣對(duì)象多此一舉呢,這是因?yàn)椋袝r(shí)候我們只想要運(yùn)動(dòng)圖形的位置信息,而不想受到其他效果的影響,例如下邊例子,借助矩陣我們可以使克隆的圖形不受到變形器的影響。

此外,矩陣還有一個(gè)克隆對(duì)象沒(méi)有的功能,那就是可以借助矩陣對(duì)象來(lái)生成TP粒子,當(dāng)然,這些生成的粒子我們還可以使用效果器對(duì)其進(jìn)行影響。
如何使用矩陣
單獨(dú)的矩陣并無(wú)法直接渲染,一般是用來(lái)配合其他對(duì)象,它和克隆對(duì)象一起配合使用的頻率會(huì)比較高,具體使用方法是將克隆的模式改為對(duì)象,然后將矩陣作為克隆對(duì)象的鏈接對(duì)象,即可看到正方體會(huì)被克隆的對(duì)象所覆蓋,從而將矩陣實(shí)體化。
當(dāng)然,有時(shí)候也可以利用矩陣作為破碎對(duì)象的來(lái)源,去做一些比較規(guī)則化的破碎效果。
利用矩陣來(lái)生成TP粒子會(huì)涉及比較多的知識(shí)點(diǎn),所以這邊就不展開(kāi)闡述了,大家有興趣可以多去鼓搗鼓搗粒子相關(guān)的內(nèi)容,也是非常有意思的知識(shí)點(diǎn),不過(guò)相對(duì)會(huì)比較進(jìn)階一些。
小結(jié)
矩陣作為一個(gè)比較抽象的運(yùn)動(dòng)圖形,算是軟件中比較進(jìn)階的知識(shí)點(diǎn),對(duì)于初學(xué)者而言只需知道可以用來(lái)傳遞屬性即可,這篇文章算是做一個(gè)講解以及一些簡(jiǎn)單用法,在熟悉了其他運(yùn)動(dòng)圖形的用法后,搭配矩陣對(duì)象可以來(lái)做更加復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)圖形動(dòng)畫(huà)。
矩陣力學(xué)
矩陣力學(xué)是海森堡博士提出的,主要由約爾丹、玻恩、泡利、玻爾發(fā)展,他用觀察量原子輻射出來(lái)的光的頻率、強(qiáng)度等,就等于知道了電子在原子中的軌道的模型,以比較簡(jiǎn)單的線性諧振子作為提出新理論為出發(fā)點(diǎn),按經(jīng)典力學(xué),任意一個(gè)單一的周期性系統(tǒng),(其坐標(biāo)可用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi))用數(shù)集坐標(biāo)(qmk=Amke^(iωmkt)來(lái)表示滿足原子光譜組合原則。
矩陣力學(xué)解釋了輻射和熱能傳播的原理,讓我們理解,輻射,光,聲波之間的傳播規(guī)律,和相對(duì)應(yīng)用
同時(shí)解釋了,力的作用結(jié)果,與它對(duì)于物體的相對(duì)影響有關(guān),換而言之,
是否“震動(dòng)樂(lè)”對(duì)象,是任何做工有效與否的唯一標(biāo)準(zhǔn)
強(qiáng)光會(huì)留下傷痕,空有高功率的聲波只會(huì)傳播的四散,但“共振”,和“動(dòng)態(tài)模糊”則更容易為對(duì)象留下深刻的思考。
分形幾何學(xué)
分形幾何學(xué)是一門(mén)以不規(guī)則幾何形態(tài)為研究對(duì)象的幾何學(xué)。簡(jiǎn)單的說(shuō),分形就是研究無(wú)限復(fù)雜具備自相似結(jié)構(gòu)的幾何學(xué)。
分形幾何:從寶塔菜花說(shuō)起
寶塔菜花


? ? ?分形幾何藝術(shù)圖
寶塔菜花(也稱“羅馬花椰菜”)是一種長(zhǎng)相奇特的蔬菜,含有豐富的維生素及礦物質(zhì),具有強(qiáng)身健體之功效,并具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。有趣的是,寶塔菜花由很多螺旋形小花組成,并以花球中心對(duì)稱成對(duì)排列,十分具有對(duì)稱美。它的結(jié)構(gòu)屬于分形幾何,蘊(yùn)含著自相似性,由于這一特殊性質(zhì),讓很多科學(xué)家為之著迷。

分形幾何創(chuàng)立于20世紀(jì)70年代,研究的是廣泛存在于自然界和人類(lèi)社會(huì)中的,沒(méi)有特征尺度卻有自相似結(jié)構(gòu)的復(fù)雜形狀和現(xiàn)象,與旨在研究人為設(shè)計(jì)的直線、圓、正方體等規(guī)則幾何形體的傳統(tǒng)歐氏幾何不同。在自然界中,“云彩不是球體、山嶺不是錐體、海岸線不是圓周”,分形幾何無(wú)疑是一門(mén)頗有發(fā)展前途的數(shù)學(xué)新分支學(xué)科。

AE中的分形雜色(Fractal Noise)可以制作各類(lèi)煙、火、擾動(dòng)效果等等,有些版本會(huì)翻譯成分形澡波,該怎么使用ae分形雜色呢?下面我們就來(lái)看看詳細(xì)的教程。
Adobe After Effects CC 2018 v15.1.2.69 64位 中文正式版

1、打開(kāi)AE軟件,命名分形雜色的使用,調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)。
2、ctrl+y?新建一個(gè)純色層,作為效果的載體;
3、給純色層添加分形雜色效果;效果-雜色和顆粒-分形雜色;
4、打開(kāi)的默認(rèn)狀態(tài);
5、分層類(lèi)型和雜色類(lèi)型兩個(gè)都有對(duì)應(yīng)的下拉菜單,通過(guò)下拉中的不同選項(xiàng)搭配實(shí)現(xiàn)不同的效果;
反轉(zhuǎn):勾選這個(gè)選項(xiàng),分形雜色的黑白信息就會(huì)顛倒,即白變黑,黑變白;
亮度和對(duì)比度:調(diào)節(jié)分形雜色對(duì)應(yīng)的亮度和對(duì)比度;
溢出:改善分形雜色的黑白信息,一共有三種類(lèi)型,剪切,柔和固定,反繞;
變換中的旋轉(zhuǎn)和位移:這里的旋轉(zhuǎn)和位移不是針對(duì)整個(gè)圖層的,它和我們直接在圖層窗口里打開(kāi)的變換是不同的,這里的變換針對(duì)的是這個(gè)濾鏡效果本身而言的,是分形雜色這個(gè)效果本身的旋轉(zhuǎn)和位移,而不是圖層的旋轉(zhuǎn)和位移;
當(dāng)我們勾選統(tǒng)一縮放的時(shí)候,寬度和高度是一起變化的,取消時(shí),就可以分別改變寬度和高度;
偏移(湍流):是我們?cè)诜中坞s色中經(jīng)常要做的關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)屬性之一,
隨著噪波的移動(dòng),會(huì)產(chǎn)生關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà),這樣,就會(huì)形成流動(dòng)的云,水波,動(dòng)態(tài)的火焰等等效果;
復(fù)雜度:參數(shù)越小,畫(huà)面越粗糙,參數(shù)越大,畫(huà)面越細(xì)致;
子設(shè)置:可以進(jìn)一步的對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整;
演化:在分形雜色比較常用的第二個(gè)關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)之一,應(yīng)用這個(gè)屬性之后,分形雜色的黑白信息將會(huì)發(fā)生演變,澡波不斷的變化;
自然界的眾多形狀都是不規(guī)則和支離破碎的。在對(duì)這些形狀的認(rèn)識(shí)面前,傳統(tǒng)歐氏幾何顯得蒼白無(wú)力。對(duì)于大自然的這種挑戰(zhàn),2000多年來(lái),一代代數(shù)學(xué)家為之上下求索,探尋從歐氏幾何體系中解放出來(lái)的道路。終于在1975年,曼德布羅特發(fā)表了被視為分形幾何創(chuàng)立的標(biāo)志性專著《分形:形、機(jī)遇和維數(shù)》。從此,一門(mén)嶄新的數(shù)學(xué)分支學(xué)科——分形幾何學(xué)躋身于現(xiàn)代數(shù)學(xué)之林。
AE中的分形雜色(Fractal Noise)可以制作各類(lèi)煙、火、擾動(dòng)效果等等,有些版本會(huì)翻譯成分形澡波,該怎么使用ae分形雜色呢?下面我們就來(lái)看看詳細(xì)的教程。

Adobe After Effects CC 2018 v15.1.2.69 64位 中文正式版
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語(yǔ)言:多國(guó)語(yǔ)言
時(shí)間:2018-07-20
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1、打開(kāi)AE軟件,命名分形雜色的使用,調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)。

2、ctrl+y?新建一個(gè)純色層,作為效果的載體;

3、給純色層添加分形雜色效果;效果-雜色和顆粒-分形雜色;

4、打開(kāi)的默認(rèn)狀態(tài);

5、分層類(lèi)型和雜色類(lèi)型兩個(gè)都有對(duì)應(yīng)的下拉菜單,通過(guò)下拉中的不同選項(xiàng)搭配實(shí)現(xiàn)不同的效果;


反轉(zhuǎn):勾選這個(gè)選項(xiàng),分形雜色的黑白信息就會(huì)顛倒,即白變黑,黑變白;
亮度和對(duì)比度:調(diào)節(jié)分形雜色對(duì)應(yīng)的亮度和對(duì)比度;
溢出:改善分形雜色的黑白信息,一共有三種類(lèi)型,剪切,柔和固定,反繞;
變換中的旋轉(zhuǎn)和位移:這里的旋轉(zhuǎn)和位移不是針對(duì)整個(gè)圖層的,它和我們直接在圖層窗口里打開(kāi)的變換是不同的,這里的變換針對(duì)的是這個(gè)濾鏡效果本身而言的,是分形雜色這個(gè)效果本身的旋轉(zhuǎn)和位移,而不是圖層的旋轉(zhuǎn)和位移;
當(dāng)我們勾選統(tǒng)一縮放的時(shí)候,寬度和高度是一起變化的,取消時(shí),就可以分別改變寬度和高度;
偏移(湍流):是我們?cè)诜中坞s色中經(jīng)常要做的關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)屬性之一,
隨著噪波的移動(dòng),會(huì)產(chǎn)生關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà),這樣,就會(huì)形成流動(dòng)的云,水波,動(dòng)態(tài)的火焰等等效果;
復(fù)雜度:參數(shù)越小,畫(huà)面越粗糙,參數(shù)越大,畫(huà)面越細(xì)致;
子設(shè)置:可以進(jìn)一步的對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整;
演化:在分形雜色比較常用的第二個(gè)關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)之一,應(yīng)用這個(gè)屬性之后,分形雜色的黑白信息將會(huì)發(fā)生演變,澡波不斷的變化;


普通幾何學(xué)研究的對(duì)象,一般都具有整數(shù)的維數(shù)。比如,零維的點(diǎn)、一維的線、二維的面、三維的立體、乃至四維的時(shí)空。通過(guò)最近十幾年的發(fā)展,新興的分形幾何學(xué)誕生了。該理論描述空間具有不一定是整數(shù)的維,而存在一個(gè)分?jǐn)?shù)維數(shù),這是幾何學(xué)的新突破,引起了數(shù)學(xué)家和自然科學(xué)者的極大關(guān)注。
折疊如何產(chǎn)生
客觀自然界中許多事物,具有自相似的“層次”結(jié)構(gòu),在理想情況下,甚至具有無(wú)窮層次。適當(dāng)?shù)姆糯蠡蚩s小幾何尺寸,整個(gè)結(jié)構(gòu)并不改變。不少?gòu)?fù)雜的物理現(xiàn)象,背后就是反映著這類(lèi)層次結(jié)構(gòu)的分形幾何學(xué)。

分形幾何學(xué)
客觀事物有它自己的特征長(zhǎng)度,要用恰當(dāng)?shù)某叨热y(cè)量.用尺來(lái)測(cè)量萬(wàn)里長(zhǎng)城,嫌太短;用尺來(lái)測(cè)量大腸桿菌,又嫌太長(zhǎng)。從而產(chǎn)生了特征長(zhǎng)度。還有的事物沒(méi)有特征尺度,就必須同時(shí)考慮從小到大的許許多多尺度(或者叫標(biāo)度),這叫做“無(wú)標(biāo)度性”的問(wèn)題.
如物理學(xué)中的湍流,湍流是自然界中普遍現(xiàn)象,小至靜室中繚繞的輕煙,巨至木星大氣中的渦流,都是十分紊亂的流體運(yùn)動(dòng)。流體宏觀運(yùn)動(dòng)的能量,經(jīng)過(guò)大、中、小、微等許許多度尺度上的漩渦,最后轉(zhuǎn)化成分子尺度上的熱運(yùn)動(dòng),同時(shí)涉及大量不同尺度上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),就要借助“無(wú)標(biāo)度性”解決問(wèn)題,湍流中高漩渦區(qū)域,就需要用分形幾何學(xué)。
在二十世紀(jì)七十年代,法國(guó)數(shù)學(xué)家曼德?tīng)柌_特在他的著作中探討了英國(guó)的海岸線有多長(zhǎng)?這個(gè)問(wèn)題就依賴于測(cè)量時(shí)所使用的尺度。
如果用公里作測(cè)量單位,從幾米到幾十米的一些曲折會(huì)被忽略;改用米來(lái)做單位,測(cè)得的總長(zhǎng)度會(huì)增加,但是一些厘米量級(jí)以下的就不能反映出來(lái)。由于漲潮落潮使海岸線的水陸分界線具有各種層次的不規(guī)則性。海岸線在大小兩個(gè)方向都有自然的限制,取不列顛島外緣上幾個(gè)突出的點(diǎn),用直線把它們連起來(lái),得到海岸線長(zhǎng)度的一種下界。使用比這更長(zhǎng)的尺度是沒(méi)有意義的。還有海沙石的最小尺度是原子和分子,使用更小的尺度也是沒(méi)有意義的。在這兩個(gè)自然限度之間,存在著可以變化許多個(gè)數(shù)量級(jí)的“無(wú)標(biāo)度”區(qū),長(zhǎng)度不是海岸線的定量特征,就要用分維。

數(shù)學(xué)家寇赫從一個(gè)正方形的“島”出發(fā),始終保持面積不變,把它的“海岸線”變成無(wú)限曲線,其長(zhǎng)度也不斷增加,并趨向于無(wú)窮大。以后可以看到,分維才是“寇赫島”海岸線的確切特征量,即海岸線的分維均介于1到2之間。
這些自然現(xiàn)象,特別是物理現(xiàn)象和分形有著密切的關(guān)系,銀河系中的若斷若續(xù)的星體分布,就具有分維的吸引子。多孔介質(zhì)中的流體運(yùn)動(dòng)和它產(chǎn)生的滲流模型,都是分形的研究對(duì)象。這些促使數(shù)學(xué)家進(jìn)一步的研究,從而產(chǎn)生了分形幾何學(xué)。

電子計(jì)算機(jī)圖形顯示協(xié)助了人們推開(kāi)分形幾何的大門(mén)。這座具有無(wú)窮層次結(jié)構(gòu)的宏偉建筑,每一個(gè)角落里都存在無(wú)限嵌套的迷宮和回廊,促使數(shù)學(xué)家和科學(xué)家深入研究。
法國(guó)數(shù)學(xué)家曼德?tīng)柌_特這位計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)兼通的人物,對(duì)分形幾何產(chǎn)生了重大的推動(dòng)作用。他在1975、1977和1982年先后用法文和英文出版了三本書(shū),特別是《分形——形、機(jī)遇和維數(shù)》以及《自然界中的分形幾何學(xué)》,開(kāi)創(chuàng)了新的數(shù)學(xué)分支——分形幾何學(xué)。
分形幾何學(xué)已在自然界與物理學(xué)中得到了應(yīng)用。如在顯微鏡下觀察落入溶液中的一?;ǚ?,會(huì)看見(jiàn)它不間斷地作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)(布朗運(yùn)動(dòng)),這是花粉在大量液體分子的無(wú)規(guī)則碰撞(每秒鐘多達(dá)十億億次)下表現(xiàn)的平均行為。布朗粒子的軌跡,由各種尺寸的折線連成。只要有足夠的分辨率,就可以發(fā)現(xiàn)原以為是直線段的部分,其實(shí)由大量更小尺度的折線連成。這是一種處處連續(xù),但又處處無(wú)導(dǎo)數(shù)的曲線。這種布朗粒子軌跡的分維是 2,大大高于它的拓?fù)渚S數(shù) 1。
在某些電化學(xué)反應(yīng)中,電極附近成績(jī)的固態(tài)物質(zhì),以不規(guī)則的樹(shù)枝形狀向外增長(zhǎng)。受到污染的一些流水中,粘在藻類(lèi)植物上的顆粒和膠狀物,不斷因新的沉積而生長(zhǎng),成為帶有許多須須毛毛的枝條狀,就可以用分維。
自然界中更大的尺度上也存在分形對(duì)象。一枝粗干可以分出不規(guī)則的枝杈,每個(gè)枝杈繼續(xù)分為細(xì)杈……,至少有十幾次分支的層次,可以用分形幾何學(xué)去測(cè)量。

有人研究了某些云彩邊界的幾何性質(zhì),發(fā)現(xiàn)存在從 1公里到1000公里的無(wú)標(biāo)度區(qū)。小于 1公里的云朵,更受地形概貌影響,大于1000公里時(shí),地球曲率開(kāi)始起作用。大小兩端都受到一定特征尺度的限制,中間有三個(gè)數(shù)量級(jí)的無(wú)標(biāo)度區(qū),這已經(jīng)足夠了。分形存在于這中間區(qū)域。
近幾年在流體力學(xué)不穩(wěn)定性、光學(xué)雙穩(wěn)定器件、化學(xué)震蕩反映等試驗(yàn)中,都實(shí)際測(cè)得了混沌吸引子,并從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中計(jì)算出它們的分維。學(xué)會(huì)從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)算分維是最近的一大進(jìn)展。分形幾何學(xué)在物理學(xué)、生物學(xué)上的應(yīng)用也正在成為有充實(shí)內(nèi)容的研究領(lǐng)域。
基本思想
分形幾何學(xué)的基本思想是:客觀事物具有自相似的層次結(jié)構(gòu),局部與整體在形分形幾何圖態(tài)、功能、信息、時(shí)間、空間等方面具有統(tǒng)計(jì)意義上的相似性,成為自相似性。例如,一塊磁鐵中的每一部分都像整體一樣具有南北兩極,不斷分割下去,每一部分都具有和整體磁鐵相同的磁場(chǎng)。這種自相似的層次結(jié)構(gòu),適當(dāng)?shù)姆糯蠡蚩s小幾何尺寸,整個(gè)結(jié)構(gòu)不變。
維數(shù)信息
維數(shù)是幾何對(duì)象的一個(gè)重要特征量,它是幾何對(duì)象中一個(gè)點(diǎn)的位置所需的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)目。在歐氏空間中,人們習(xí)慣把空間看成三維的,平面或球面看成二維,而把直線或曲線看成一維。也可以稍加推廣,認(rèn)為點(diǎn)是零維的,還可以引入高維空間,對(duì)于更抽象或更復(fù)雜的對(duì)象,只要每個(gè)局部可以和歐氏空間對(duì)應(yīng),也容易確定維數(shù)。但通常人們習(xí)慣于整數(shù)的維數(shù)。
分形理論
分形理論認(rèn)為維數(shù)也可以是分?jǐn)?shù),這類(lèi)維數(shù)是物理學(xué)家在研究混沌吸引子等理論時(shí)需要引入的重要概念。為了定量地描述客觀事物的“非規(guī)則”程度,1919年,數(shù)學(xué)家從測(cè)度的角度引入了維數(shù)概念,將維數(shù)從整數(shù)擴(kuò)大到分?jǐn)?shù),從而突破了一般拓?fù)浼S數(shù)為整數(shù)的界限。
分維信息
維數(shù)和測(cè)量有著密切的關(guān)系,下面我們舉例說(shuō)明一下分維的概念。當(dāng)我們畫(huà)一根直線,如果我們用0維的點(diǎn)來(lái)量它,其結(jié)果為無(wú)窮大,因?yàn)橹本€中包含無(wú)窮多個(gè)點(diǎn);如果我們用一塊平面來(lái)量它,其結(jié)果是0,因?yàn)橹本€中不包含平面。那么,用怎樣的尺度來(lái)量它才會(huì)得到有限值哪?看來(lái)只有用與其同維數(shù)的小線段來(lái)量它才會(huì)得到有限值,而這里直線的維數(shù)為1(大于0、小于2)。對(duì)于我們上面提到的“寇赫島”曲線,其整體是一條無(wú)限長(zhǎng)的線折疊而成,顯然,用小直線段量,其結(jié)果是無(wú)窮大,而用平面量,其結(jié)果是0(此曲線中不包含平面),那么只有找一個(gè)與“寇赫島”曲線維數(shù)相同的尺子量它才會(huì)得到有限值,而這個(gè)維數(shù)顯然大于1、小于2,那么只能是小數(shù)了,所以存在分維。經(jīng)過(guò)計(jì)算“寇赫島”曲線的維數(shù)是1.2618……。
