3d mit Python (PythonCamp)

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3D Computergrafik mit Python

Martin Christen, martin.christen@fhnw.ch

Fachhochschule Nordwestschweiz

Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik

Institut Vermessung und Geoinformation

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3D Computergrafik mit Python

Ich zeige 3 Fallbeispiele wie Python für die 3D Computerfgrafik verwendet werden kann:

1. Teil: Python als Scriptsprache

2. Teil: Python für die Echtzeit-Darstellung von 3D

3. Teil: Python für die Prozessierung von Daten

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1. TeilPython als Scriptsprache

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Blender

Blender ist eine freie 3D-Grafiksoftware. Hauptanwendung ist die 3D-Modellierung, d.h. modellieren, texturieren, animieren, rendern.

Blender verwendet Python als Skriptsprache.

Download-Link:https://www.blender.org/download/

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Blender

Die aktuelle Version von Blender ist 2.73 (20. Januar 2015).

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Duch alle Objekte der Szene iterieren

for obj in bpy.data.objects:

print(obj)

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Objekte verändern

import bpy

scene = bpy.context.scene

for object in scene.objects:

obj.location.x += 1.0

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Weiterführende Infos

Python API-Referenz

(auch im Help-Menu zu finden)

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Blender: Python API Referenz

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2. Teil: Python für die Echtzeit-Darstellung von 3D

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Low Level 3D Programmierung mit Python

Low-level 3D-Programmierung hat den Vorteil, dass sehr hardwarenah programmiert werden kann.

Die Low-Level Programmierung sollte nur dann verwendet werden, wenn eine eigene Python-3D-Bibliothek erstellt werden soll.

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OpenGL

• OpenGL = Open Graphics Library

• Version 1.0 erschien 1992. (als Weiterentwicklung von IrisGL)

• Die aktuelle Version ist OpenGL 4.5 und erschien am 11. August 2014.

• OpenGL ist eine High-Performance Grafikprogrammierschnittstelle (Grafik-API) die

– unabhängig ist von der (Grafik-)hardware

– Unabhängig von GUI (Fenstersystem) und Input-Geräten

– einen Sprachumfang von ~200 Befehlen hat.

– prinzipiell unabhängig von der Programmiersprache, also auch Python!

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OpenGL in Python nutzen

Es gibt verschiedene Möglichkeiten

• Verwendung von OpenGL in PySide und PyOpenGL

• Verwendung von OpenGL mit pyglet

• Verwendung von OpenGL mit pygame

Pyglethttp://www.pyglet.org/

Windows: http://www.lfd.uci.edu/~gohlke/pythonlibs/#pygle

PyOpenGL:

http://pyopengl.sourceforge.net/

Windows: http://www.lfd.uci.edu/~gohlke/pythonlibs/#pyopengl

PyGame:

http://pygame.org/tags/opengl

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High Level 3D

Es gibt zahlreiche 3D-Bibliothken für Python, unter anderem:

Pygame: http://pygame.org/news.html

Cgkit: http://cgkit.sourceforge.net/

Vispy: http://vispy.org/

VPython: http://vpython.org/

VTK: http://www.vtk.org/

3D Game Engines für Python:

Blender: http://www.blender.org

Panda3D: http://www.panda3d.org/

CrystalSpace: http://www.crystalspace3d.org/main/PyCrystal

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3.TeilPython für die Prozessierung von Daten

• Python kann auch für die (Vor-)Prozessierung von Daten verwendet werden. Die effektive 3D-Darstellung erfolgt in einer anderen Sprache.

• Zum Beispiel mit JavaScript/WebGL im Webbrowser.

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Anwendung 1: OpenWebGlobe

MapData © OpenStreetMap contributors

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Funktionsweise eines 3D-Globus (und 2D-Karten)Tile System (global)Kombination: Pyramide + Mosaik

Räumliche Aufteilung mittels Quadtree

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Prozessierung von Tiles?

2D Image TileRGB(A)256x256 Pixels (meistens...)LOD Beschränkung: Anzahl Pixel

2D Vector TileEnthält 2D Geometrie, aufgrund Performance wird es aber oft auch als Bild gerastert (oder Kombination)LOD Beschränkung: Anzahl Vektoren (oder Pixel)

2D Elevation Tile (-> für 2.5D Tiles)Höhenwerte z.B. 17x17 Werte im RasterLOD Beschränkung: Anzahl Höhenwerte

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– Transformation der (lokalen) Daten in die Mercator-

Projektion (WGS-84)

– Kachelung der Original-Bilddaten für einen schnellen

Zugriff (räumliche Unterteilung in Quadtree)

– Kachelgrösse z.B. 256x256 Pixel

– Berechnung der Auflösungsstufen (Bildpyramide)

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Bilddatenaufbereitung

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Daten-Prozessierung mit Cloud

Download der sichtbaren

Datenfragmente

Bilddaten, Höhendaten, 3D-Modelle, Punktwolken, POI

Web Viewer

• HTML5• WebGL• JavaScript

Prozessierung und

Caching von Tiles

(u.a. Python)

256

256

256Upload Rohdaten

in Cloud

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Proj.4 Bibliothek

• https://trac.osgeo.org/proj/

• Umgang / Konversion von geographischen Projektionen

• Python Version: pyproj

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Rasterbilder mit gdal (http://www.gdal.org)

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Anwendung 2: 3dmaps.ch (Release geplant im April 2015)

Webanwendung mit Flask (http://flask.pocoo.org/ )

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Client: Scenes overview

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Beispiel 1:

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Beispiel 2:

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Beispiel 3:

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Funktionsweise

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Fazit

Es gibt verschiedene Möglichkeiten Python für 3D-Grafikanwendungen zu nutzen

Besondes gut eignet sich Python als Skriptsprache und für die Datenprozessierung in der Cloud.

Für gewisse Echtzeitanwendungen, insbesondere in Kombination mit PySide kann Python durchaus auch verwendet werden.

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