3d mit Python (PythonCamp)

PythonCamp 2015 Köln© 2015 M. Christen, IVGI/FHNW 1
3D Computergrafik mit Python
Martin Christen, martin.christen@fhnw.ch
Fachhochschule Nordwestschweiz
Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik
Institut Vermessung und Geoinformation

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

1. Teil
Python als Scriptsprache

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/

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

Duch alle Objekte der Szene iterieren
for obj in bpy.data.objects:
print(obj)

Objekte verändern
import bpy
scene = bpy.context.scene
for object in scene.objects:
obj.location.x += 1.0

Weiterführende Infos
Python API-Referenz
(auch im Help-Menu zu finden)

Blender: Python API Referenz

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

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.

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!

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
Pyglet
http://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

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

3.Teil
Python 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.

Anwendung 1: OpenWebGlobe
MapData © OpenStreetMap contributors

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

Prozessierung von Tiles?
2D Image Tile
RGB(A)
256x256 Pixels (meistens...)
LOD Beschränkung: Anzahl Pixel
2D Vector Tile
Enthält 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 Raster
LOD Beschränkung: Anzahl Höhenwerte

– 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)
1 2
Bilddatenaufbereitung

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
256
Upload Rohdaten
in Cloud

Proj.4 Bibliothek
• https://trac.osgeo.org/proj/
• Umgang / Konversion von geographischen Projektionen
• Python Version: pyproj

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

Anwendung 2: 3dmaps.ch (Release geplant im April 2015)
Webanwendung mit Flask (http://flask.pocoo.org/ )

Client: Scenes overview

Beispiel 1:

Beispiel 2:

Beispiel 3:

Funktionsweise

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.

Fragen

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