Obrázky (reprezentace, generování, úpravy) IB111 Základy programování Radek Pelánek 2017 1 / 71 2 / 71 Účel přednášky procvičení základních konstrukcí z jiného pohledu propojení programování a matematiky téma „reprezentace dat procvičení „čtení kódu podklad pro zajímavé cvičení 3 / 71 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 / 71 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 / 71 Reprezentace obrázků Bitmapová grafika Vektorová grafika (5,3) (5,27) (5,15) (25,3) (25,27) 6 / 71 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 / 71 Knihovna Image knihovna pro práci s bitmapovými obrázky velmi bohatá funkcionalita použijeme jen základní operace: new – vytvoření obrázku open, convert – otevření obrázku, konverze na RGB mód getpixel – zjištění barvy bodu putpixel – změna barvy bodu size – velikost obrázku show, save – zobrazení, uložení 8 / 71 Knihovna Image – technické poznámky Python Imaging Library (PIL): jen pro Python 2 http://www.pythonware.com/products/pil/ implementace Pillow (i pro Python 3): https://pypi.python.org/pypi/Pillow/2.1.0 from PIL import Image 9 / 71 N-tice reprezentace souřadnic a barev pomocí n-tic (tuple) podobné jako seznamy, ale neměnitelné; zápis pomocí kulatých závorek u obrázků typicky: souřadnice: (x, y) barva: (r, g, b) 10 / 71 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 / 71 Geometrické útvary Napište programy pro generování následujících útvarů: čtverec trojúhelník kruh elipsa spirála 12 / 71 Kruh def disc(a=150, r=50): im = Image.new("RGB", (a, a), (255, 255, 255)) for x in range(a): for y in range(a): if XXX: im.putpixel((x, y), (0, 0, 0)) im.show() 13 / 71 Kruh def disc(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 / 71 Barevný kruh 15 / 71 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 / 71 Barevné kruhy 17 / 71 Přidání náhodného kruhu do obrázku def add_random_disc(im): (width, height) = im.size r = random.randint(8, min(width, height) // 6) sx = random.randint(r+1, width-r-1) sy = random.randint(r+1, height-r-1) color = (random.randint(0, 255), random.randint(0, 255), random.randint(0, 255)) for x in range(width): for y in range(height): if (x-sx)**2 + (y-sy)**2 < r**2: im.putpixel((x, y), color) 18 / 71 Námět na procvičení 19 / 71 Geometrické obrazce 20 / 71 Základní princip potřebujeme plynulý přechod mezi bílou a černou jakou matematickou funkci využijeme? 21 / 71 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 / 71 Pruhy def strips(size=150, count=5): im = Image.new("RGB", (size, size)) for x in range(size): for y in range(size): z = math.sin(count * 2*math.pi * x/size) shade = int(255 * (z+1)/2) im.putpixel((x,y), (shade, shade, shade)) im.show() 22 / 71 Vzory II 23 / 71 Mandelbrotova množina 24 / 71 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 / 71 Mandelbrotova množina – detail Zdroj: Wikipedia Video zoom: http://www.youtube.com/watch?v=gEw8xpb1aRA 26 / 71 Mandelbrotova množina – kód _ = ( 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 =’ (x-a/2)**2: im.putpixel((x, y), (0, 0, 0)) im.show() make_image1() 40 / 71 Kahoot def make_image2(a=160): im = Image.new("RGB", (a, a), (255, 255, 255)) for x in range(a): for y in range(a): if (x // 20 + y // 20) % 2 == 0: im.putpixel((x, y), (0, 0, 0)) im.show() make_image2() 41 / 71 Kahoot def transform(filename): im = Image.open(filename) im = im.convert("RGB") width, height = im.size for x in range(width): for y in range(height): (r, g, b) = im.getpixel((x, y)) g, b = int(g*0.8), int(b*0.8) r = min(int(r*1.4), 255) im.putpixel((x, y), (r, g, b)) im.show() 42 / 71 Kahoot transformace ⇒ 43 / 71 „Praktická aplikace - šifra 44 / 71 Histogram variace na téma „frekvenční analýza 45 / 71 Histogram – textový výpis 0 - 19: 0.3 % 20 - 39: 3.5 % 40 - 59: 6.3 % 60 - 79: 8.3 % 80 - 99: 12.7 % 100 - 119: 17.1 % 120 - 139: 18.5 % 140 - 159: 15.2 % 160 - 179: 9.0 % 180 - 199: 4.0 % 200 - 219: 1.8 % 220 - 239: 1.1 % 240 - 259: 2.2 % (implementace – doporučené cvičení) 46 / 71 Další náměty na úpravy změna velikosti obrázku převod do stupňů šedi rozmazání (blur), detekce hran ... další věci co umí váš grafický program 47 / 71 Pořádek v umění http://www.ted.com/talks/ursus_wehrli_tidies_up_art.html 48 / 71 Pořádek (nejen) v umění 49 / 71 Pořádek v umění – pixel po pixelu ⇒ 50 / 71 Řazení pixelů podle barvy vytvoříme seznam všech použitých barev – seznam trojic [(0, 150, 20), (255,255,255), (0, 0, 255), ...] seznam seřadíme barvy umístíme do obrázku 51 / 71 def tidy_up(filename): im = Image.open(filename) im = im.convert("RGB") width, height = im.size pixels = [] for x in range(width): for y in range(height): pixels.append(im.getpixel((x, y))) pixels.sort() new_im = Image.new("RGB", (width, height)) for y in range(height): for x in range(width): new_im.putpixel((x, y), pixels[y*width+x]) new_im.show() 52 / 71 Řazení pixelů ⇒ ⇒ 53 / 71 Řazení pixelů pixely je seznam trojic (r, g, b) sort() používá „lexikografické řazení pokud chceme „řazení dle součtu (intenzity) nahradíme pixels.sort() za: pixels = sorted(pixels, key=lambda c: -(c[0]+c[1]+c[2])) 54 / 71 Pořádek v umění – náměty Zkuste další způsoby řazení: po řádcích / sloupcích po „čtverečcích podle jiného kritéria „gradient po uhlopříčce 55 / 71 Scalable Vector Graphics (SVG) vektorový formát založený na XML snadný způsob vytváření obrázků v jakémkoliv jazyce (generujeme prostý text) prohlížení: např. webový prohlížeč ruční editování: např. Inkscape převod na bitmapu: např. convert (ImageMagick) 56 / 71 SVG příklad 57 / 71 Hvězda 58 / 71 def star(n=10, length=100): svg_header() center_x = length * 1.5 center_y = length * 1.5 step = length / n for i in range(n + 1): svg_line(center_x + i*step, center_y, center_x, center_y + (n-i)*step) svg_line(center_x - i*step, center_y, center_x, center_y + (n-i)*step) svg_line(center_x + i*step, center_y, center_x, center_y - (n-i)*step) svg_line(center_x - i*step, center_y, center_x, center_y - (n-i)*step) svg_finish() 59 / 71 Kompaktnější zápis def star(n=10, length=100): svg_header() center_x = length * 1.5 center_y = length * 1.5 step = length / n for i in range(n + 1): for dx, dy in [(-1, -1), (-1, 1), (1, -1), (1, 1)]: svg_line(center_x + dx*i*step, center_y, center_x, center_y + dy*(n-i)*step) svg_finish() 60 / 71 Variace na hvězdu 61 / 71 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) 62 / 71 Princip implementace stav želvy: souřadnice x, y a aktuální natočení heading vykreslený obrazec: seznam souřadnic 63 / 71 Implementace I x = 50 y = 50 heading = 0 lines = [] def left(angle): global heading heading -= angle def right(angle): global heading heading += angle 64 / 71 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 65 / 71 Implementace III def save(filename): f = open(filename, "w") f.write("") for x1, y1, x2, y2 in lines: f.write(’’) f.write("") f.close() 66 / 71 Poznámky jde o názornou ukázku principů, nikoliv dobrou knihovnu: příliš malá funkcionalita chybí dokumentace nevhodné použití globálních proměnných – lepší přes objektovou reprezentaci 67 / 71 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 68 / 71 Absolutní vs relativní vykreslování (souřadnice vs želva) 69 / 71 Jak vykreslíte tyto obrázky? 70 / 71 Shrnutí ukázka elementární práce s grafikou bitmapová – Image, putpixel, getpixel vektorová – SVG, line využití základních konstrukcí (vesměs vnořené for cykly), trocha matematiky 71 / 71