メディア・アートII 第3回 openFrameworks基礎 OOoF : オブジェクト指向 oF

メディア・アートII 第3回
openFrameworks基礎
OOoF : オブジェクト指向 oF
2013年9月30日
多摩美術大学情報デザイン学科メディア芸術コース
田所淳

先週の復習
‣ ベクトルを使用したアニメーション
‣ 摩擦力と重力をシミュレーションした大量のパーティクル!

先週の復習
‣ 実際のコードは下記のGistを参照
‣ https://gist.github.com/tado/6709400
‣ ※「Gist」 - GitHub上のコードの断片を共有するサービス

今日のテーマ
OOoF = Object Oriented + openFrameworks

‣ オブジェクト指向プログラミング
‣ Object Oriented Programming (OOP)
‣ オブジェクト指向でProcessingのプログラムを作る
‣ そもそもオブジェクト指向とは?
‣ 簡単なプログラムを、オブジェクト指向で書いてみる
‣ クラスの定義
‣ クラスの呼びだし
オブジェクト指向プログラミングとは?

‣ オブジェクト指向プログラミング言語のイメージ
プログラミング・パラダイムの変遷
オブジェクト
オブジェクト
オブジェクト
オブジェクト

‣ OOPの特徴
‣ 相互にメッセージを送り合う「オブジェクト」の集まりとして
プログラムを構成
‣ オブジェクトは、プロパティとメソッドから構成される
‣ カプセル化 - 必要のない情報は隠す
‣ インヘリタンス(継承) - あるオブジェクトが他のオブジェク
トの特性を引き継ぐ
‣ ポリモーフィズム(多態性・多様性) - プログラミング言語の
各要素が複数の型に属することを許す
オブジェクト指向プログラミングの概念

‣ オブジェクト
‣ プロパティとメソッド
‣ カプセル化
‣ 継承 (インヘリタンス)
‣ 多態性、多相性 (ポリモーフィズム)
OOP、5つのポイント

‣ オブジェクト指向プログラムのポイント：その1
‣ オブジェクトの集まりとしてプログラムを構成
‣ オブジェクト同士がメッセージを送りあう
OOP：ポイントその1

‣ オブジェクトは、プロパティ(性質、状態)と、メソッド(動作、
ふるまい) から構成される
状態1
状態2
状態3
オブジェクト
メ
ソ
ッ
ド
1
メ
ソ
ッ
ド
2
メ
ソ
ッ
ド
3
メ
ソ
ッ
ド
4

‣ 例：「りんご」をオブジェクトとして考える
赤
5.0
甘い
ふじ
実
が
な
る
成
長
す
る
落
ち
る
腐
る
青
4.0
すっぱい
青リンゴ
実
が
な
る
成
長
す
る
落
ち
る
腐
る

‣ 必要のない情報は隠す (カプセル化)
‣ プログラムの実装全てを知る必要はない
‣ 必要なインターフェイス(接点)だけ見せて、あとは隠す
To invent programs, you need to be able to capture abstractions and ex
design. It’s the job of a programming language to help you do this. The
process of invention and design by letting you encode abstractions tha
It should let you make your ideas concrete in the code you write. Surf
the architecture of your program.
All programming languages provide devices that help express abstrac
are ways of grouping implementation details, hiding them, and giving
a common interface—much as a mechanical object separates its interfa
illustrated in “Interface and Implementation” .
Figure 2-1 Interface and Implementation
9
10
11
8
7
6
implementationinterface
インターフェイス実装

‣ インヘリタンス(継承)
‣ オブジェクトから新たなオブジェクトを派生させる
植物
生物
動物
果物穀物
りんご
ふじ紅玉デリシャス
バナナマンゴー

‣ ポリモーイズム(多態性、多様性)
‣ オブジェクトはメッセージを受け取りそれに応じた処理を行う
‣ メッセージの処理方法は、オブジェクト自身が知っていて、そ
の処理はオブジェクトによって異なる
getName()
オブジェクトA：人間
「田所淳」
getName()
オブジェクトB：車
「トヨタカローラ」

‣ クラス
‣ クラスとは：オブジェクトの「型紙」
‣ クラスをインスタンス化 (実体化) することでインスタンス
(オブジェクト)となる
色
重さ(g)
味
リンゴ
(クラス)
実
が
な
る
成
長
す
る
落
ち
る
腐
る
赤
5.0
甘い
ふじ
(インスタンスオブジェクト)
実
が
な
る
成
長
す
る
落
ち
る
腐
る
青
4.0
すっぱい
青リンゴ
(インスタンスオブジェクト)
実
が
な
る
成
長
す
る
落
ち
る
腐
る
インスタンス化
クラス

‣ いままで扱ってきた、testApp も一つのクラス
‣ メソッド - setup(), update(), draw() ...etc.
‣ プロパティ - testApp全体で使用する変数
testAppもクラス
クラス変数
setup()
update()
draw
()
exit()
testApp

‣ これまでのようにtestAppにどんどん機能を追加すると、様々
な弊害が
‣ 可読性の低下、機能ごとに再利用できない、拡張が困難 ..etc.
testApp単体の限界
testApp testApp
肥大化

‣ 機能ごとにオブジェクトを分けてプロジェクトを構成する
‣ オブジェクトが相互に連携
testApp単体の限界
testApp
Rectangle
Particle
Control
Panel

OOP実践編
クラスを作る

OOP実践編 - クラスを作る
‣ まずはシンプルなサンプルを発展させる
‣ 1つのパーティクル(粒)を描く
‣ 同じプログラムをOOPで書き直してみる

‣ ランダムな場所に、1つ静止したパーティクルを描く

#include "testApp.h"
void testApp::setup(){
// 画面基本設定
ofSetFrameRate(60);
ofBackground(63);
ofSetCircleResolution(32);
// 画面内のランダムな場所を指定
position.x = ofRandom(ofGetWidth());
position.y = ofRandom(ofGetHeight());
}
...
void testApp::draw(){
// 設定した場所に円を描く
ofSetHexColor(0x3399cc);
ofCircle(position, 10);
}
‣ testApp.cpp - コード抜粋

‣ このプログラムをクラス化してみる
‣ クラス名：Particle
‣ プロパティ (状態、変数)：
‣ ofVec2f position : 初期位置
‣ メソッド (ふるまい、関数)：
‣ draw( ) : パーティクルを描く

‣ こんな風に図示します (UMLクラス図)
Particle
+ position:ofVec2f
+ draw():void
←クラス名
←プロパティ
←メソッド

‣ 次にXcodeを操作して、プロジェクトにクラスのためのファイ
ルを追加します!

‣ ファイルのリストの「src」フォルダを右クリック
‣ リストから「New File (新規ファイル)」を選択

‣ Mac OS X > C and C++ > C++ File を選択

‣ 「Particle」という名前で「src」フォルダに保存

‣ ファイルリストは以下のようになるはず
‣ あとは、それぞれのファイルにコーディングしていく

クラスの記述
‣ まずはヘッダーファイル (Particle.h) から
‣ レシピの材料と手順の一覧!
‣ 材料 → 状態、性質 → つまり、プロパティ(変数)
‣ 手順 → ふるまい、動作 → つまり、メソッド(関数)
‣ そのクラスのプロパティとメソッドを記述
‣ 外部から参照するものは、public: 以下に書く

#pragma once
#include "ofMain.h"
class Particle {
public:
void draw();
ofVec2f position;
};
クラスの記述
‣ Particle.h

#pragma once
#include "ofMain.h"
class Particle {
public:
void draw();
ofVec2f position;
};
クラスの記述
‣ Particle.h
インクルードガード
Buildの際に複数回読みこまれないためのしくみ

#pragma once
#include "ofMain.h"
class Particle {
public:
void draw();
ofVec2f position;
};
クラスの記述
‣ Particle.h
oFの機能を使うためのライブラリを
必ず読み込む

#pragma once
#include "ofMain.h"
class Particle {
public:
void draw();
ofVec2f position;
};
クラスの記述
‣ Particle.h
クラス名

#pragma once
#include "ofMain.h"
class Particle {
public:
void draw();
ofVec2f position;
};
クラスの記述
‣ Particle.h
public: 以下は外部に公開される

#pragma once
#include "ofMain.h"
class Particle {
public:
void draw();
ofVec2f position;
};
クラスの記述
‣ Particle.h
メソッド：draw() - 円を描く

#pragma once
#include "ofMain.h"
class Particle {
public:
void draw();
ofVec2f position;
};
クラスの記述
‣ Particle.h
プロパティ：position - 初期位置

#pragma once
#include "ofMain.h"
class Particle {
public:
void draw();
ofVec2f position;
};
クラスの記述
‣ Particle.h
‣ https://gist.github.com/tado/6710045#ﬁle-oneparticleclass01-particle-h
最後に必ずセミコロンをつける

クラスの記述
‣ つぎに実装ファイル(Particle.cpp)を書く
‣ 円を描くための全ての手続きを記述していく
‣ 現在は、draw() 関数のみ

#include "Particle.h"
void Particle::draw(){
}
クラスの記述
‣ Particle.cpp
‣ https://gist.github.com/tado/6710045#ﬁle-oneparticleclass01-particle-cpp

}
クラスの記述
‣ Particle.cpp
必ずヘッダーファイルを読み込む

}
クラスの記述
‣ Particle.cpp
戻り値クラス名::関数名(引数)
クラス名を名前空間として使用している
他のクラスのdraw()関数との混同を避けている

}
クラスの記述
‣ Particle.cpp
円を描画

クラスの記述
‣ 最後に作成したクラスを、testAppから呼び出します
‣ ヘッダーファイル testApp.h で MoveCircle を宣言
‣ これだけで、クラスが実体化(インスタンス化)される
‣ クラス名：Particle
‣ インスタンス：particle
‣ testApp.h
‣ https://gist.github.com/tado/6710045#ﬁle-oneparticleclass01-testapp-h
Particle particle;

クラスの記述
‣ メインの実装ファイル、testApp.cpp で作成したインスタンス
を使用して円を描かせる
‣ https://gist.github.com/tado/6710045#ﬁle-oneparticleclass01-testapp-cpp
‣ testApp::setup( ) で円の初期位置を指定
‣ testApp::draw( ) でParticleのdraw( )メソッドを呼びだし
particle.position.x = ofRandom(ofGetWidth());
particle.position.y = ofRandom(ofGetHeight());
particle.draw();

クラスの記述
‣ 完成!!

クラスの配列
‣ 1つのクラスから、大量のオブジェクト(インスタンス)を生成
することも可能
‣ クラスの配列を定義する
‣ 「クラス = 工場」「オブジェクト = 車」というイメージ
‣ 例えば、100個のParticleクラスのオブジェクト
‣
static const int NUM = 100;
Particle particle[NUM];

クラスの配列
‣ クラスの配列(Array)のイメージ
particle[0]
particle[1]
particle[2]
.
.
.
Particle particle[NUM]
NUM個
particle[NUM]

クラスの配列
‣ あとは for文を使用して反復して処理していく
‣ testApp::setup() で初期化
‣ testApp::draw() で描画
‣
for(int i = 0; i < NUM; i++){
float posX = ofRandom(ofGetWidth());
float posY = ofRandom(ofGetHeight());
particle[i].setup(ofVec2f(posX, posY));
}
for(int i = 0; i < NUM; i++){
particle[i].draw();
}

クラスの配列
‣ 先程のパーティクル1粒表示のプログラムを改造して、100粒
のパーティクルを表示させてみる
‣ Particleクラスはそのまま
‣ testApp.h
‣ https://gist.github.com/tado/6710857#ﬁle-particlearray-testapp-h
‣ testApp.cpp
‣ https://gist.github.com/tado/6710857#ﬁle-particlearray-testapp-cpp

クラスの配列
‣ 完成 !!

パーティクルシステムを作る - 1
重力と摩擦力の表現

パーティクルシステムを作る!
‣ いよいよ、パーティクルを動かしてみましょう!
‣ 先週のアルゴリズムを全て実装していく
void setInit();
void resetForce();
void updateForce();
void updatePos();
void checkBounds();

‣ UMLクラス図で表現
Particle
+ position:ofVec2f
+ velocity:ofVec2f
+ force:ofVec2f
+ friction:float
+ radius:float
+ setup(ofVec2f position, ofVec2f velocity):void
+ resetForce():void
+ addForce(ofVec2f force):void
+ updateForce():void
+ updatePos():void
+ checkBounds(float xmin, float ymin, float xmax, float ymax):void
+ draw():void

‣ 汎用的に使えるParticleクラス
‣ コードはGithub参照

‣ 汎用Particleクラスの使用例：その1
‣ 重力の影響を受けながら、摩擦抵抗のある空間を跳ねまわる
パーティクル
‣ マウスクリックで、その場所で大量生成される
‣ 先週最後に作成したサンプルのクラス版
摩擦力
重力

‣ 実装の詳細は、Githubを参照
‣ testApp.h
‣ https://gist.github.com/tado/6711076#ﬁle-particlesystem-
example01-testapp-h
‣ testApp.cpp
example01-testapp-cpp

‣ 完成!!

vector (動的配列) の活用

‣ Particleクラス、さらに応用
‣ 次のようなインタラクションを実現したい:
‣ マウスをドラッグしている間、パーティクルがマウスの場所か
ら生成され続ける
‣ 生成されたパーティクルは、そのまま画面に残る
‣ キーボードで「c」のキーを押すとクリア
‣ Particleの配列は、いくつ確保すれば良いのか?
‣ 1000? 10000? 1000000?
‣ 無限大のArrayを作成することはできない…

‣ Arrayの数が確定しない
particle[0]
particle[1]
particle[2]
.
.
.
Particle particle[NUM]
NUM個
particle[NUM]
→ 不明
→ 不明
→ 不明

‣ 配列の上限の数がわからない場合
‣ Array (静的配列) ではなく、要素数を自由に変更できる動的な
配列を使用すると便利
‣ C++ では「vector」が比較的扱いやすい
‣ 「vector<型の種類> 配列名」となる
‣ 例: Particleクラスの動的配列、particleを宣言
vector<Particle> particle;

‣ vector (動的配列) のイメージ
particle[0]
particle[1]
particle[2]
.
.
.
vector<Particle> particle
数は可変

‣ Vectorの配列要素の操作
‣ 配列の末尾に要素を追加 → push_back()
‣ 例：Particleのオブジェクトpを、particleに追加
‣ 配列の末尾に要素を削除 → pop_back()
‣ 配列の全ての要素をクリア → clear()
particle.push_back(p);
particle.clear();
particle.pop_back();

‣ 実装例
‣ こちらもGistを参照 (ParticleクラスはそのままでOK!)
‣ testApp.h
‣ https://gist.github.com/tado/6712412#ﬁle-particlevector-
testapp-h
‣ testApp.cpp
‣ https://gist.github.com/tado/6712412#ﬁle-particlevector-
testapp-cpp

‣ 完成!!

パーティクル表現の応用

‣ さらに様々な表現の応用をしてみる
‣ 例えば、それぞれのパーティクルを直接描画するのではなく、
パーティクルの場所に画像を置いてみる
‣ こんな画像

‣ Particleクラスはそのまま
‣ testApp.h
image-test-h
‣ testApp.cpp
image-test-cpp

‣ 画像による美しいパーティクル!!

‣ さらに、応用
‣ それぞれのパーティクルを、曲線で結んでみる
‣ 曲線を描くには
‣ ofBeginShape()
‣ ofCurveVertex() ...頂点の数だけ繰り返し
‣ ofEndShape()

‣ 変更点は、testApp.cpp の draw() のみ
‣ testApp.cpp
line-test-cpp

‣ 曲線で接続されたパーティクル!

来週までの課題
‣ 来週までの課題!!
‣ 現状の2次元のパーティクルシステムのプログラムを改造し
て、3次元空間でパーティクルが拡散するプログラムヘ
‣ ヒント:
‣ ofVec2f → (x, y) 二次元ベクトル
‣ ofVec3d → (x, y, z) 三次元ベクトル

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