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#Introduction
Dans le cadre du cours d'informatique de la section de Physique, pour l'année 2018 on se trouve à devoir développer
un programme permettant de simuler numeriquement, et visualiser graphiquement, un sistème de plusieurs oscillateur harmoniques
et d'oscillateurs couplés.
Le document qui suit sert à illustrer la conceptualisation de notre projet couche par couche, jusqu'à l'illustration complète
de ce qu'est notre programme à l'heure actuelle et de ses fonctionnalités.
Dans l'idéation du programme, tout en suivant les cosignes principales, nous avons essayé de garder nos idées originales,
pour rendre notre travail plus personnel possible, en deviant parfois dès consignes secondaires données par le professeurs
tout le long de l'année pour nous guider dans la création du programme.
Dans la suite, on essayera d'expliquer au mieux quand est-ce que notre programme devie dès consignes données, et pourquoi.
Deux sont les buts que nous nous sommes donnés dans le developpement du projet:
Le principal étant la bonne réusite de notre travail dans le cadre du cours, et donc dans le but d'obtenir une bonne évaluation.
Le deuxième, pas moins important pour nous, étant la création d'un util numérique pour simulations physiques plus générales,
étant donné qu'un tel programme pourrait nous être très utile tout au long de notre formation de physiciens.
Le projet principal, qu'on a appelé Symkit (pour Symulation Kit), est composé de trois sous-parties, qui gèrent les aspects purement
matématiques, graphiques ou du plotting de graphes liés aus systèmes physiques simulés.
Symkit compte en plus deux subdirs Alpha et Beta, qui font le lien entres les trois partie du programme.
Ils contiennent en faite le main qui crée et lance les simulations numeriques et leurs raprèsentations graphiques.
Alpha comprenant nos premiers tests sur le complexe du programme, et Beta representant le résultat final après toute correction et
amélioration.
#Chapitre 1
Symath
#1.1 Vectors
- Vector :
Cette classe raprèsente un vecteur à dimension quelquonque, utile pour la gestion d'un ou plusieurs paramètre.
La dimension dépend souvent du nombre de degrès de liberté de l'oscillateur où le vecteur est utilisé. Par exemple
pour un pendule qui bouje le long d'un plan fixe dont on peut modéliser le mouvement en fonction de la seule variation
d'un angle, on utilisera un Vector de dimension 1 ayant en cordonnée l'angle que le pendule crée avec la verticale.
Pour cette classe sont definis:
-Un constructeur par defaut l'initialisant à la valeur {0}, un Vector par defaut sera donc de dimension 1
ceci parce que les oscillateurs harmoniques décrits ont souvent un seul degré de liberté.
-Des constructeur pour initialiser un Vector de plusiseurs manières (par vector, initializer list etc.).
-Des utils de looping pour traverser les differents paramètre (utilisés parfois dans les autres fonctions implementées).
-Fonctions pour la modification de la dimension du Vector.
-Plusieurs operateurs dont:
- Un accesseur aux paramètre stockés, operator[], permettant aussi de les modifiers s'il le faut.
- Des operateurs implementant somme interne et produit externe canoniques d'un espace vectoriel R(n).
Ces ci sont construit pour permettre la concatenation d'operations sur des Vector.
- Operateur implementant produit scalaire et vectoriel (si la dimension des Vector est compatible, sinon on lance un erreur).
- Des operateurs de comparaison d'ordre, qui effectue la comparaison sur le module du/des Vector.
- Des operateurs de comparaison de similitude, pour savoir si deux Vector sont égaux ou non.
- Un operateur "-" retournant l'inverse additif du Vector, et "~" l'inversant.
-Deux fonction retournant le module du vecteur ou son carré (pour éviter une operation de plus).
-Une fonction returnant le vecteur unitaire du Vector concerné. Cette fonction est très utile pour caractériser des axes de restriction de mouvement.
En effet, pour evaluer la projection d'un vecteur sur un certain axe de mouvement, pour simplifier les calculs il suffit de calculer le produit scalaire
du vecteur pour le vecteur unitaire décrivant l'axe.
- SVector :
Celle-ci est une classe qui n'a pas été demandé par le prof, mais qu'on a crée pour distinguer les vecteurs pour la gestion de paramètres numériques caractérisant
les systèmes physiques simulés, dès vecteurs utilisés pour placer des objet dans un environnement graphique tridimensionnel.
SVector est une classe template, pour qu'on puisse la definir pour différentes valeurs de T. T representant une dimension fixe pour un SVector.
Cette classe décrit donc des vecteurs à dimension fixe, et elle implemente essensiellement les même fonctions présentes dans la classe Vector sauf pour celles qui en modifient la dimension.
En effet, des vecteurs destinés à "se déplacer" dans un espace à dimension finie fixe, n'auront jamais à modifier leur dimesion.
Cette classe a été créée pour être utilisé dans la partie du programme qui gère la graphique.
Des SVector<3> (de dimension 3) sont donc utilisés plus loin dans le programme pour décrire par exemple la position de caméra et objets graphiques.
Pour les deux types de Vecteurs a été défini en fin, un overload de l'operator<< pour qu'on puisse afficher facilement la liste de valeurs d'un vecteur.
Cet operateur est utilisé par exemple pour afficher les valeurs de position et vitesse d'un objet physique en évolution, pour obtenir ainsi une simulation en mode texte.
N.B. Un objet graphique est placé dans l'environnement 3D en fonction d'un SVector<3>, mais l'objet physique lié à un certain objet graphique,
est décrit au travers d'un Vector contenant sa vitesse et un Vector contenant sa position, lesquels peuvent évoluer en fonction d'équations spécifiés plus loins dans le programme.
Il y pourtant l'ecception des objets physiques décrit par des NewtonDescriptors (voir paragraphe suivant), lequels sont décrit au travers de SVectors<3>.
#1.2 Descriptors
La Classe Descriptor:
Un Descriptor est un objet qui permet de décrire un comportement évolutif dans le temps pour un objet physique quelquonque.
La classe Desciptor est une classe abstraite, contenant en effet une unique méthode virtuelle pure update(), utilisée pour "mettre à jour" l'objet,
en le faisant évoluer en fonction de son type (oscillateur ou masse ponctuelle newtonienne pour ce qui a été fait à l'heure actuelle).
Cette méthode est donc redefinie dans les classes héritant Desciptor.
Voici les classes héritant directement de Descriptor:
- Oscillateur :
Un Oscillateur est un descriptor décrivant le mouvement d'un oscillateur harmonique ou d'un oscillateur couplé.
Celle-ci est une classe abstraite.
Attributs:
- Deux Vectors contenant positions et vitesses des masses composantes l'oscillateur décrit.
Ceux-ci peuvent être modifiés pour que l'objet décrit puisse évoluer.
- Un "integral_operation" qui est un type enum (EULER_CROMER ou NEWMARK) qui sert à spécifier au travers de quel intrgrateur
la méthode update() mettra à jours les valeurs de position et vitesses de l'oscillateur.
Méthodes:
- equation(), une méthode virtuelle pure qui défini, dans chaque sous-classe d'oscillateur, l'équation décrivant le mouvement de l'oscillateur.
- update(), redefinie ici pour prendre en argument un pas de temps et modifier avec un certain integrateur, les valeurs de vitesse et position
de l'osccilateur. Ceci est fait en fonction de la methode equation().
Le comment la methode equation est utilisée est spécifié lors de l'explication des integrateurs.
- Des constructeurs appropriés, exploitant chaqun une manière différente de construir un Vector.
- Accesseurs et Manipulateurs pour accèder ou modifier les attributs de la classe.
- OscillateurSimple :
Sous-classe abstraite d'Oscillateur décrivant les oscillateurs comportant une seule masse.
Cette sous-classe ajoute à la classe Oscillateur une méthode virtuelle pure cartesiennes().
Cette dernière a été implementée pour convertir la position de la masse décrite en un SVector<3>.
En utilisant des cordonnées cartesiennes dans l'environnement graphique, on en a besoin pour qu'on
puisse utiliser un vecteur position compatible avec l'implementation graphique.
Vu qu'on OscillateurSimple décrit le mouvement d'une seule masse, ça vaut la peine, d'après nous,
d'accèder ainsi à la position de l'objet.
- NetonDescriptor :
Un NewtonDescriptor est un descriptor décrivant l'évolution d'une masse pontuelle sujette à des forces dans un espace euclidian
suivant les principes de la mécanique newtonienne.
Il nous parait important de spécifier que cette classe n'as pas été demandée pour le projet, et que restent des corrections à faire
vu qu'on s'est intéressés plus à ce qui était démandé pour bien réussir dans notre évaluation finale.
On a quand même crée un tel objet dans le main pour en illustrer l'idée d'implementation possible.
Attributs:
- Masse de l'objet.
- Trois SVector<3>, contenant position, vitesse et force appliquée à l'objet.
Méthodes:
- Constructeurs appropriés et un destructeur
- update(), qui modifie position et vitesse de l'objets par l'integrateur d'Euler Cromer, en foncion du vecteur force resultant appliquée à l'objet
et en fonction de sa masse.
Pour un Oscillateur a été implementé un overlad de l'operator<<, permettant d'imprimer sur un ostream comme cout, les vecteurs position et vitesse.
Cet affichage, à chaque pas de temps, sera l'implentation pour une simulation en mode texte.
#1.3 Integrateurs
Celle des integrateurs est une des implementations qui a le plus dévié par rapport aux indications donnés.
Les indications voulaient qu'on crée une classe integrateur qui traite la méthode d'integration d'un oscillateur différemment
en fonction du type d'integrateur pris, et que ce soit l'integrateur à prendre en attribut un oscillateur pour le modifier.
Dans notre conception, à chaque méthode d'integration correspond une fonction qui prend en paramètre(par référence), un vecteur position et vitesse
et en modifie les valeurs en fonction d'un pas de temps et d'un vecteur acceleration.
Ce dernier correspond à la valeur de retour de la fonction equation() pour les oscillateur, et au vecteur forces pour un NewtonDescriptor.
C'est donc, à ce moment, le Desciptor qui appele la méthode d'intégration choisi au travers de la méthode update(), en modifiant ainsi ses propres attributs.
Les méthodes d'integration sont insérées dans integrator.h (et .tpp), dans le namespace symkit, ainsi les Desciptors y ont accès au travers de ces deux ligne de code:
"#include skerror.h"
"using namespace symkit" (pour faciliter l'appel des méthodes).
De plus les méthodes sont définies pour un type template, pour qu'elle puissent fonctionner pour des Vectors, si les appelle un Oscillateur,
ou aussi pour des SVectors, si à les appeler est un NewtonDescriptor.
Grace à cette implementation, on évite de créer une classe de plus à chaque fois qu'on veut implementer une nouvelle méthode d'integration.
#1.4 Symkit Error, gestion des érreurs.
SKerror :
SKerror est une structure contenant données, informations et commentaires utiles pour gérer un erreur pendant l'éxecution du programme.
Se trouvant dans namespace symkit, à l'interieur de skerror.h, toutes les classes peuvent y avoir accès, et l'utiliser facilement
à travers les commande "#include "skerror.h"" et "using namespace symkit".
Lorsque, dans une certaine fonction le code est suceptible de générer une erreur, un SKerror est lancé, et au moment du catch
un message d'erreur est affiché sur l'ostream cerr, grace à l'overload de l'operator<< pour les SKerror.
Eventuellement le programme s'arrête si l'erreur est fatale.
Les informations contenues dans un SKerror sont:
- Type d'erreur (de type enum).
- Nom de la fonction qu'a généré l'erreur.
- Nom de la classe qui contient cette fonction.
- Fatalité ou non de l'erreur (de type bool).
# Chapitre 2
Symgraph
#2.1
Scene :
La classe Scene ouvre une fenêtre OpenGL et manage le monde de dessin 3D.
Elle implément un mécanisme qui enregistre les composantes de type SKActor et les distingue parmi leur rôle (évoluable, dessinable, etc).
Les rôles seront spécifiés dans les prochaines section.
C'est dans cette classe qu'on gére le fonctionnement/evolution des objets graphiques, ajoutés à la scène, en temps de compilation,
et en runtime, grace à des "listeners" qui traduisent des input clavier (et eventuellement souris, à implementer), en commandes de gestion en temps réel.
Scene implemente une fonction pour ce type de gestion en runtime (voir Scene::timerEvent en symgraph/scene.cpp)
laquelle définie l'ordre de mise à jour des éléments travaillant dans et sur la scène, ordre à respecter à chaque pas de temps.
Le pas de temps est propre à la scène, comme si les objets se trouvaient dans un espace avec un temps rélatif identique pour toutes les particules (ce qui est sensé d'après nous).
Scene est strictement liée à une classe "Camera" pour la gestion de la vision du monde 3D de symulation.
Scene gère aussi la simulation mode texte: ai l'on veut, en appuyant sur un numero il est possible d'afficher les valeurs d'évolution d'une ou plusiseures particules.
Ainsi faisant la simulation mode texte devient optionnelle, mais elle est de toute façon implementée.
Cette classe est celle qui correspond, à peut-prè, au support à dessind demandé par les consignes du projets.
Pourtant nous l'avons implementée comme étant une scène, prenant des objets graphiques, bien différents des Descriptors mais liées à ceux-la pour évoluer dans la scène.
Scene est un "SceneWrapper" (Classe décrite plus loin) donc elle contient plusieurs objets graphiques, des actors, qu'elle fait évoluer et qu'elle dessine chaqu'un de sa manière
grace au mécanisme de résolution dinamique des liens.
Donc, comme pour un support à dessin elle gère le dessin, mais la méthode de déssin reste propre aux objets déssinnés
#2.2
Camera :
Camera est une classe qui contient les infomations et les methodes pour la gestion d'une camera virtuelle dans le monde graphique 3D.
La classe Scene peut facilement obtenir de cette classe une QMatrix4X4 pour la création de la scène 3D au travers de la fonction getMatrix() contenue dans Camera.
#2.3
Specifics (Specs) :
Les superclasses qui déterminent l'identité d'un objet destiné à être enrégistré dans Scene sont à la base du système polimorphique de Symgraph.
En fait, chaque classe joue un rôle différent, par une ou deux méthodes, dans le déroulement d'un frame pendant la simulation.
Voici les classes en ordre d'appel :
1 Evolvable : Classe des objets graphiques pouvant évoluer, elle contient une fonction d'évolution evolve(float).
2 Describable : Classe des objet peuvant évoluer selon un Desciptor, elle contient donc une reference au descriptor du quel cette classe dépend.
3 Positionnable : Classe des objets peuvant être positionnés.
4 Orietable : Classe permettant d'appliquer une orientation à l'objet.
5 Scalable : Classe permettant de changer la grandeur des objets graphiques.
6 Colorable : Classe permettant de changer la couleur des objets graphiques.
7 Renderable : Classe des objets "déssinables".
De plus, pour permettre de pouvoir abiliter/désabiliter ces fonctions pour une certaine classe qui hérite ces caractéristiques, dans le fichier specs.h est définit un système à bitfield qui manage cette option.
N.B.
Ces Specifics s'appliquent à des objets graphiques, comme par exemples des particules (voir plus bas), on ne déssinne donc pas dans des oscillateur dans la scène,
mais plutôt des particules liées aux oscillateurs, étant ces derniers des objets physiques décrivant, dans notre conception, l'évolution d'une particule ou d'un système de particules.
#2.4
SceneWrapper :
SceneWrapper est la super classe d'un objet de classe Scene.
Cette classe contient 4 liste de pointeurs à 4 types d'objets graphiques differents:
-SkActor
-Evolvable
-Describable
-Renderable
Ainsi une instance de scene pourra travailler sur ces 4 types différents d'objets spécifiquement.
SceneWrapper hérite directement de Evolvable et de Renderable, donc elle contient une méthode evolve et render, qui consiste à faire évoluer et déssinner
les renderables et dessinnables qu'elle gère, simplement grace au mécanisme de la résolution dinamique des liens, en appelant evolve et render pour chaqu'un des objets.
Il est vrai que des objets contenus comme les evolvables et describalbe peuvent être les deux en même temps, mais en enregistrant leurs adresses dans des listes différentes
lorsqu'on veut dessinner tout les dessinnables, ou utilisers tout les actors, ou plus, il suffit d'appelet la fonction pour les membre d'une des liste, ainsi on gagne en complexité temporelle
car pour des objet qui sont forcement tous spécialisés dans l'action qu'on demande, il n'y a pas besoin de faire tout un tas de contrôles néccessaires autrement.
#2.5
Symkit Actors :
La classe SKActor est la classe base de tout ce qu'on peut enregistrer dans une Scene.
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