Medienprogrammierung in Python Bildverarbeitung (1)

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1 Termin 4: Medienprogrammierung in Python Bildverarbeitung (1) Grundlagen der Informatik Wintersemester 2006/07 Prof. Bernhard Jung Übersicht Folien im Web: Einführung in Python insbesondere JES (Jython Environment for Students) Medienprogrammierung mit Python / JES Repräsentation von Bildern Bildbearbeitung mit Python / JES Hauptlernziele: Erste Python-Programme verstehen Aspekte imperativer / prozeduraler Programmierung in Python erkennen Grundzüge der computerbasierten Repräsentation und Verarbeitung von Bildern verstehen

2 Die Wahl der Programmiersprache Python Programmiersprache mit imperativen, prozeduralen, objektorientierten (und sogar funktionalen) Aspekten einfache Syntax interpretierte Skriptsprache einfach erlernbar Konzentration auf Konzepte der Programmierung Python def hello(): print "Hello World" Java class HelloWorld { static public void main(string args[]) { System.out.println("Hello World"); } } C++ #include <iostream> main() { cout << "Hello World" << endl; return 0; } Scheme (define helloworld (lambda () (display "Hello World) (newline))) Die Wahl der Programmiersprache H. Klaeren. Vom Problem zum Programm. 3. Auflage. Teubner Leider taugen die heute in der Industrie populären Programmiersprachen nicht zur Demonstration der wichtigen Abstraktionstechniken: ihre Ausdruckskraft ist begrenzt, und ihre barocke Syntax verschwendet wertvolle Kräfte, die besser für das Studium von Techniken statt unwesentlicher Details verwendet würden. Aus diesem Grund verwendet der vorliegende Text die Programmiersprache Scheme. Ursprünglich in den 70er Jahren entwickelt, bis heute weiterentwickelt und verfeinert, hat Scheme den Test der Zeit bestanden: alle wichtigen Programmiertechniken lassen sich in Scheme demonstrieren. Mehr noch: Scheme-Programme nehmen weniger Platz ein als ihre Pendants aus der Industrie, lassen sich damit einfacher erklären, abdrucken und an die Tafel schreiben. Moderne Scheme-Systeme bieten außerdem hervorragende Entwicklungsumgebungen sowie mächtige Bibliotheken für die Programmierung von Grafik und Benutzeroberflächen. Scheme-Programmierer lernen, weil ihnen die zugrundeliegenden Programmiertechniken bereits bestens vertraut sind, neue Programmiersprachen erfahrungsgemäß in einem Bruchteil der Zeit, die ihre Kollegen brauchen. Dies gilt sinngemäß auch für Python! allerdings wird Python in vielfältigen Anwendungen (Web, Multimedia, ) eingesetzt

3 Wer benutzt Python? Quelle: 04/2006 Google "Python has been an important part of Google since the beginning, and remains so as the system grows and evolves. Today dozens of Google engineers use Python, and we're looking for more people with skills in this language." said Peter Norvig, director of search quality at Google, Inc. NASA "NASA is using Python to implement a CAD/CAE/PDM repository and model management, integration, and transformation system which will be the core infrastructure for its next generation collaborative engineering environment. We chose Python because it provides maximum productivity, code that's clear and easy to maintain, strong and extensive (and growing!) libraries, and excellent capabilities for integration with other applications on any platform. All of these characteristics are essential for building efficient, flexible, scalable, and well-integrated systems, which is exactly what we need. Python has met or exceeded every requirement we've had," said Steve Waterbury, Software Group Leader, NASA STEP Testbed. Industrial Light & Magic "Python plays a key role in our production pipeline. Without it a project the size of Star Wars: Episode II would have been very difficult to pull off. From crowd rendering to batch processing to compositing, Python binds all things together," said Tommy Burnette, Senior Technical Director, Industrial Light & Magic. "Python is everywhere at ILM. It's used to extend the capabilities of our applications, as well as providing the glue between them. Every CG image we create has involved Python somewhere in the process," said Philip Peterson, Principal Engineer, Research & Development, Industrial Light & Magic. Wo gibt es Python-Software? verschiedene kostenlose Open-Source Interpreter verfügbar für alle gängigen Plattformen (Windows, Mac, Linux, ) Entwicklungsumgebung IDLE (Jython: Java-basiertes Python) JES Jython Environment for Students Zusätzl. Funktionalität zur Medienprogrammierung M. Guzdial. Introduction to Computing and Programming in Python. Pearson Prentice Hall

4 Installation von JES Download von JES (derzeit: jes- 216.zip) von p-plan/94 Im Web-Browser: Klick auf 'jes-216.zip' Extraktion der Software Kopieren des Ordners 'jes-216' auf Desktop Oder einfacher: Kopieren von Y- Laufwerk der Pool-Rechner Y:\f100\lehre\LV_Gr_d_Inf_WS0607\ Installfiles_JES_2_und_Python_2_5 Starten von JES Doppelklick auf 'Jes.exe' JES - Jython Environment for Students Program Area: Editor zu Eingabe von Programmen Command Area: Eingabe von Anweisungen

5 Benutzung von JES Command Area Eingabe von Anweisungen in Command Area z.b. print-anweisung History-Funktion (up / down Tasten) >>> print >>> print 34.1/ >>> print 22 * >>> print >>> print "Hallo" Hallo >>> print "Hallo" + "Welt" HalloWelt Benutzung von JES Program Area Definition eigener Funktionen Speichern der definierten Funktionen als "Skripte" Im Menu: File > Save Dateinamen eigener Skripte sollten mit '.py' enden z.b. 'meinskript.py' Eigene Funktionen sind nach 'Load' in Command Area verwendbar

6 Programmierung in Python Aspekte imperativer und prozeduraler Programmierung imperative Programmierung Programm ist Folge von Befehlen sukzessive Änderung des Speicherinhalts (Variablenwert) Typische Strukturen: Schleifen, bedingte Anweisungen Ein imperatives Programm sagt präzise: was (welche Anweisung), wann (Reihenfolge der Anweisungen) womit (Speicherplatz/Variable) zu geschehen hat. prozedurale Programmierung Mittel zur Strukturierung in (imperativen) Programmiersprachen Prozedur = Unterprogramm Aufruf mit Argumenten im Programm Ziel: Übersichtlichkeit; Wiederverwendbarkeit Python: Anweisungen print "Hallo" Variablen, Zuweisungen i = 5 if else for in : while Python: Aufruf von Funktionen abs(-5) Definition von Funktionen def fktname( ): Programmierung in Python - Aufruf von Funktionen Funktion übernimmt i.a. Argumente (Parameter) als Eingabewerte manche Funktionen haben keine Eingabeparameter verarbeitet diese nach einem Algorithmus und liefert i.a. einen Wert zurück manche Funktionen liefern keinen Wert zurück Beispiele für Standardfunktionen von Python >>> ord("a") 65 >>> abs(-5) 5 >>> max([5,3,8,4]) 8 >>> len ( "abc") 3

7 Programmierung in Python - Aufruf von Funktionen JES stellt verschiedene, nicht im Kern-Python enthaltene Funktionen zur Bildverarbeitung bereit: pickafile() Eingabeparameter: keine Ausgabe: Name einer interaktiv vom Benutzer ausgewählten Datei makepicture() Eingabeparameter: Dateiname einer Bilddatei (z.b. 'tu-baf.jpg') Bem: nur mit JPEG-Dateien möglich Ausgabe: Bildobjekt show() Eingabeparameter: Bildobjekt Rückgabewert: keiner (formal: 'None') Seiteneffekt: Anzeige des Bildobjekts auf dem Bildschirm JES-Funktionen zur Bildverarbeitung >>> pickafile() 'C:\\Dokumente und Einstellungen\\Jung\\Eigene Dateien\\tu-baf.jpg' >>> print pickafile() C:\Dokumente und Einstellungen\Jung\Eigene Dateien\tu-baf.jpg >>> makepicture( pickafile() ) <media.picture instance at > >>> print makepicture( pickafile() ) Picture, filename C:\Dokumente und Einstellungen\Jung\Eigene Dateien\tu-baf.jpg height 125 width 200 >>> show( makepicture( pickafile() ) ) >>> print show( makepicture( pickafile() ) ) None

8 Programmierung in Python - Variablen und Zuweisungen Variable Speicher für Werte (Zahlen, Zeichenkette, Verweis auf Objekt, ) Variablenname beginnt mit Buchstabe, kann Ziffern enthalten z.b. mypicture, i, i1, i2 aber nicht: my Picture Zuweisungen Variable = Ausdruck z.b.: i = 5 z.b.: Miniprogramm ohne Variablen >>> show( makepicture( pickafile() ) ) z.b.: Äquivalentes Miniprogramm mit Variablen >>> filename = pickafile() >>> mypic = makepicture( filename) >>> show(mypic) >>> Programmierung in Python - Definition von Funktionen Definition eigener Funktionen mittels Schlüsselwort def Name der Funktion frei wählbar hier: 'pickandshow' Funktionsparameter in Klammern (hier: keine Parameter) Doppelpunkt ':' Rumpf der Funktion (Folge von Anweisungen; beachte Einrückung)

9 Bildverarbeitung in JES - Repräsentation von Bildern Bild repräsentiert als Matrix von Pixeln Indizierung der Matrix- Elemente als (x,y), oder (horizontal,vertikal) Element (2, 1) in der Matrix links hat Wert 12 Element (1, 3) hat Wert 6 Ausschnitt einer Matrix mit Integer-Werten RGB Tri-chromatisches Farbmodell; Farbe hat Rot-Anteil Grün-Anteil Blau-Anteil Bildpunkte (Pixel) sind typischerweise durch je ein Byte (0..255) pro Kanal repräsentiert D.h. ein Pixel wird durch ingesamt 3 Byte = 24 Bit repräsentiert Ingesamt können so (2 24 ) verschiedene Farben dargestellt werden

10 RGB Jede Farbkomponente eines Bildpunktes wird durch ein Byte repräsentiert Bereich von Farben: (0, 0, 0) bis (255, 255, 255) wenn RGB-Werte für alle Kompenenten gleich sind, dann ist der Bildpunkt grau z.b. (50, 50, 50) an Position (2, 2) (0, 0, 0) (an Position (1, 2) im Beispiel) ist schwarz (255, 255, 255) ist weiß Bestimmte Farbmodelle repräsentieren Farben durch 4 Bytes = 32 Bits z.b. RGBA, 'A' ist 'Alpha-Kanal' Alpha-Wert repräsentiert Transparenz eines Bildpunktes Größe von Bildern 320 x 240 Bild 640 x 480 Bild 1024 x 768 Monitor, Bild 1280 x 1024 Monitor, Bild 24 bit color 1,843,200 bits 230,400 bytes 7,372,800 bits 921,600 bytes 18,874,368 bits 2,359,296 bytes 31,457,280 bits 3,932,160 bytes 1,3 Mega-Pixel Kamera 32 bit color 2,457,600 bits 307,200 bytes 9,830,400 bits 1,228,800 bytes 25,165,824 bits 3,145,728 bytes 41,943,040 bits 5,242,880 bytes

11 Inspektion von Bildern in JES - MediaTools Information über Pixel von Bildern (RGB-Werte eines Pixels an x-, y- Position) Voraussetzung: Variable des Bildobjekts wurde definiert JES-Funktionen für die Bildverarbeitung getpixel(picture,x,y) liefert den Pixel an Position (x,y) getpixels(picture) liefert alle Pixel eines Bilds (als Liste) >>> print getpixel(mypic, 129, 99) Pixel, color=color r=189 g=134 b=95 >>> print getpixel(mypic, 1, 1) Pixel, color=color r=35 g=50 b=27 >>> print getpixels(mypic)[0] Pixel, color=color r=35 g=50 b=27 >>> type(getpixels(mypic)) <jclass org.python.core.pylist at > >>> len( getpixels(mypic) ) 25000

12 JES-Funktionen für die Bildverarbeitung - Operationen auf Pixeln getred(pixel), getgreen(pixel), getblue(pixel) liefern jeweiligen RGB-Wert eines Pixels (als Zahl ) setred(pixel, wert), setgreen(pixel,wert), setblue(pixel, wert) setzen jeweiligen RGB-Wert eines Pixels getcolor(pixel) liefert Farbe (als RGB-Tripel) eines Pixels >>> pixel = getpixel(mypic, 129, 99) >>> color = getcolor(pixel) >>> print color color r=189 g=134 b=95 Weitere Funktionen: siehe JES-Help Beispiel: Ändern von Pixel-Werten >>> filename = pickafile() >>> mypic = makepicture(filename) >>> show(mypic) >>> setcolor(getpixel(mypic, 10, 100),yellow) >>> setcolor(getpixel(mypic, 11, 100),yellow) >>> setcolor(getpixel(mypic, 12, 100),yellow) >>> setcolor(getpixel(mypic, 13, 100),yellow) >>> setcolor(getpixel(mypic, 14, 100),yellow) >>> setcolor(getpixel(mypic, 15, 100),yellow) >>> repaint(mypic) jetzt 6 gelbe Pixel hier

13 Bildverarbeitung mit Schleifen - Definition eines Python-Skripts def decreasered(picture): for p in getpixels(picture): value = getred(p) setred(p, value * 0.5) Verringerung des Rot-Anteils in jedem Pixel des Bilds Schleifen in Python Aufbau von Schleifen for Schlüsselwort, Name der Anweisung Indexvariable p Name der Variable kann frei gewählt werden in Schlüsselwort, fester Teil der Anweisung Eine Sequenz bzw. Ausdruck der eine Sequenz liefert getpixels(picture) liefert Liste aller Pixel zur Erinnerung (Vorlesung 3): Sequenz = Liste, String, oder Tupel Doppelpunkt : Rumpf der Schleife eingerückt hier besteht der Rumpf aus 2 Anweisungen

14 Bildverarbeitung in JES - weitere Beispiele Rotanteil aller Pixel in einem Bild erhöhen Bild heller oder dunkler machen Funktionen makelighter(color), makedarker(color) Grauwertbild erzeugen Rot-, Grün-, oder Blau-Anteile aus einem Bild entfernen