Obrázky (reprezentace, generování, úpravy) IB111 Úvod do programování skrze Python 2015 1 / 66 2 / 66 Účel přednášky procvičení základních konstrukcí z jiného pohledu propojení programování a matematiky téma „reprezentace dat podklad pro zajímavé cvičení 3 / 66 Poznámka k efektivitě, obrázkům ukázky programů v přednášce: snaha o čitelnost programů neefektivní (pomalé): algoritmy technická realizace (např. putpixel vs load + pixel access object) nízká / rozličná kvalita obrázků – čistě pragmatické důvody (nepříliš velké PDF), žádná skrytá pointa 4 / 66 Další zdroje, náměty obrázky, zvuk, video: kniha Introduction to Computing and Programming in Python, A Mutlimedia Approach, M. J. Guzdial, B. Ericson. http://coweb.cc.gatech.edu/mediaComp-teach 5 / 66 Reprezentace obrázků Bitmapová grafika Vektorová grafika (5,3) (5,27) (5,15) (25,3) (25,27) 6 / 66 Reprezentace barev více barevných modelů (aditivní, subtraktivní) budeme používat aditivní model RGB – red, green, blue každá složka = hodnota 0-255 (8 bitů, 1 byte) barva = trojice, např. (15, 255, 100) 7 / 66 Knihovny (moduly) v Pythonu knihovna poskytuje rozšiřující funkcionalitu zdroje knihoven: standardní distribuce (např. math, turtle) separátní instalace (např. numpy) vlastní knihovny použití knihoven: import knihovna – následná volání knihovna.funkce() import knihovna as nazev from knihovna import funkce from knihovna import * (nedoporučeno) 8 / 66 Knihovna Image knihovna pro práci s bitmapovými obrázky velmi bohatá funkcionalita použijeme jen základní operace: new – vytvoření obrázku getpixel – zjištění barvy bodu putpixel – změna barvy bodu show, save – zobrazení, uložení http://www.pythonware.com/products/pil/ 9 / 66 N-tice reprezentace souřadnic a barev pomocí n-tic (tuple) podobné jako seznamy, ale neměnitelné zápis pomocí kulaté závorky (místo hranatých) u obrázků typicky: souřadnice: (x,y) barva: (r,g,b) 10 / 66 Image demo def demo(): im = Image.new("RGB", (20,20), (255,255,255)) # model, velikost, barva pozadi im.putpixel((10,10), (0,0,0)) im.putpixel((8,7), (255,0,0)) im.putpixel((5,13), (100,255,105)) im.show() im.save("demo.png") 11 / 66 Geometrické útvary Napište programy pro generování následujících útvarů: čtverec trojúhelník kruh elipsa spirála 12 / 66 Kruh def kruh(a = 150, r = 50): im = Image.new("RGB", (a, a), (255,255,255)) for x in range(a): for y in range(a): if XXXXXX: im.putpixel((x,y), (0,0,0)) im.show() 13 / 66 Kruh def kruh(a = 150, r = 50): im = Image.new("RGB", (a, a), (255,255,255)) for x in range(a): for y in range(a): if (x-a/2)**2 + (y-a/2)**2 < r**2: im.putpixel((x,y), (0,0,0)) im.show() 14 / 66 Barevný kruh 15 / 66 Barevný kruh Barvu „namícháme podle vzdálenosti od středu kruhu: d = math.sqrt((x-a/2)**2 + (y-a/2)**2) if d < r: c = int(255*d/r) im.putpixel((x,y), (c,0,255-c)) 16 / 66 Barevné kruhy 17 / 66 Přidání náhodného kruhu do obrázku def pridej_nahodny_kruh(im): (sirka, vyska) = im.size r = random.randint(8, min(sirka, vyska) / 6) sx = random.randint(r+1, sirka-r-1) sy = random.randint(r+1, vyska-r-1) barva = (random.randint(0,255), random.randint(0,255), random.randint(0,255)) for x in range(sirka): for y in range(vyska): if (x-sx)**2 + (y-sy)**2 < r**2: im.putpixel((x,y), barva) 18 / 66 Námět na procvičení 19 / 66 Geometrické obrazce 20 / 66 Základní princip potřebujeme plynulý přechod mezi bílou a černou jakou matematickou funkci využijeme? 21 / 66 Základní princip potřebujeme plynulý přechod mezi bílou a černou jakou matematickou funkci využijeme? sinus – hodnoty mezi -1 a 1, perioda 2π potřebujeme – hodnoty mezi 0 a 255, perioda (např.) 20 21 / 66 Pruhy def pruhy(velikost = 150, pocet = 5): im = Image.new("RGB", (velikost, velikost)) for x in range(velikost): for y in range(velikost): z = math.sin(pocet * 2 * math.pi * x/velikost) odstin = int(255 * (z + 1) / 2) im.putpixel((x,y), (odstin, odstin, odstin)) im.show() 22 / 66 Vzory II 23 / 66 Mandelbrotova množina 24 / 66 Mandelbrotova množina z1 = 0, c = x + yi je konstanta (komplexní číslo) definujeme posloupnost zn+1 = z2 n + c c patří do Mandelbrotovy množiny ⇔ tato posloupnost je omezená 25 / 66 Mandelbrotova množina – detail Zdroj: Wikipedia Video zoom: http://www.youtube.com/watch?v=gEw8xpb1aRA 26 / 66 Mandelbrotova množina – _ = ( 255, lambda V ,B,c :c and Y(V*V+B,B, c -1)if(abs(V)<6)else ( 2+c-4*abs(V)**-0.4)/i ) ;v, x=1500,1000;C=range(v*x );import struct;P=struct.pack;M,\ j =’ 53 / 66 Hvězda 54 / 66 def hvezda(n = 10, delka = 100): svg_hlavicka() stred_x = delka * 1.5 stred_y = delka * 1.5 krok = delka / n for i in range(n + 1): svg_usecka(stred_x + i*krok, stred_y, stred_x, stred_y + (n-i)*krok) svg_usecka(stred_x - i*krok, stred_y, stred_x, stred_y + (n-i)*krok) svg_usecka(stred_x + i*krok, stred_y, stred_x, stred_y - (n-i)*krok) svg_usecka(stred_x - i*krok, stred_y, stred_x, stred_y - (n-i)*krok) svg_paticka() 55 / 66 Kompaktnější zápis def hvezda(n = 10, delka = 100): svg_hlavicka() stred_x = delka * 1.5 stred_y = delka * 1.5 krok = delka / n for i in range(n + 1): for dx, dy in [(-1,-1), (-1,1), (1,-1), (1,1)]: svg_usecka(stred_x + dx*i*krok, stred_y, stred_x, stred_y + dy*(n-i)*krok) svg_paticka() 56 / 66 Variace na hvězdu 57 / 66 Vlastní knihovna pro želví grafiku želví grafika – používána knihovna turtle vytvořme vlastní “knihovnu” s vykreslováním do SVG jen základní příkazy: forward(length) left(angle), right(angle) save(filename) 58 / 66 Princip implementace stav želvy: souřadnice x,y a aktuální natočení heading vykreslený obrazec: seznam souřadnic 59 / 66 Implementace I x = 50 y = 50 heading = 0 lines = [] def left(angle): global heading heading -= angle def right(angle): global heading heading += angle 60 / 66 Implementace II def forward(d): global x global y nx = x + d * math.cos(heading * math.pi / 180) ny = y + d * math.sin(heading * math.pi / 180) lines.append((x, y, nx, ny)) x, y = nx, ny 61 / 66 Implementace III def save(filename): f = open(filename, "w") f.write(""" """) for x1, y1, x2, y2 in lines: f.write(’’) f.write("\n") f.close() 62 / 66 Poznámky jde o názornou ukázku principů, nikoliv dobrou knihovnu: příliš malá funkcionalita chybí dokumentace nevhodné použití globálních proměnných – vhodné pro objektovou reprezentaci 63 / 66 class Turtle: def __init__(self): self.x = 50 self.y = 50 self.heading = 0 self.lines = [] def left(self, angle): self.heading -= angle def right(self, angle): self.heading += angle def forward(self, d): nx = self.x + d * math.cos(self.heading * math.pi / 180 ny = self.y + d * math.sin(self.heading * math.pi / 180 self.lines.append((self.x, self.y, nx, ny)) self.x, self.y = nx, ny 64 / 66 Absolutní vs relativní vykreslování (souřadnice vs želva) 65 / 66 Shrnutí ukázka elementární práce s grafikou bitmapová – Image, putpixel, getpixel vektorová – SVG, line využití základních konstrukcí (vesměs vnořené for cykly) 66 / 66