Jupyter VPython 7

Jakoś tak się złożyło, że kiedy ja zabrałem się za bibliotekę VPython w 2016 roku, projekt był właśnie porzucony, a developerzy skupili się na wersji opartej o Jupytera i GlowScript-a. GlowScript-a umożliwia, kompilację kodu python-a do JavaScipt-u. Powstał nawet bardzo fajny serwis trinket.io, który zamyka cały proces tworzenia w przeglądarce. Jako narzędzie edukacyjne, używanie VPythona stało się jeszcze wygodniejsze. Wraz z wersją Ubuntu 18.4, paczka VPythona została usunięta z repozytorium.

• http://vpython.org/contents/docs/index.html
• https://pypi.org/project/IVisual/
• http://www.glowscript.org/
• https://pypi.org/project/vpython/
• https://en.wikipedia.org/wiki/VPython

Trochę szukania i okazuje się, że nie jest tak źle. Strona VPython informuje o projekcie IVisual, jednak stackoverflow sugerował wersję VPython. Nie wiem jak jest między nimi różnica, zacząłem od tego drugiego i przy nim pozostałem.
Instalacja poszła z pewnymi problemami. Zanim zostanie zainstalowany VPython, trzeba zainstalować paczkę Jupyter (w tej kolejności), jest to spowodowane jakimś bugiem:

mkdir vpython3
cd vpython3/
virtualenv -p python3 venv
source venv/bin/activate
pip3 install jupyter
pip3 install vpython

W API pojawiły się pewne drobne zmiany, dlatego postanowiłem przepisać standardowy przykład "bouncing ball" na nową wersję. Przy okazji odkryłem na stronie projektu informacje o module povexport do przechwytywania obrazu animacji. Wcześniej przechwytywałem obraz z ekranu (za pomocą PIL) i wycinałem obszar w którym pojawia się okno animacji.

• http://vpython.org/contents/FAQ.html
• https://github.com/BruceSherwood/vpython-jupyter/blob/master/Demos_no_notebook/povexport.py
• https://github.com/BruceSherwood/vpython-jupyter/blob/master/Demos_no_notebook/povexport_example.py

Przykład:

import vpython as vp
import povexport

scene = vp.canvas(title='3D scene', 
                  x=0, y=0, width=400, height=400, 
                  center=vp.vector(0, 0, -0), autoscale=False)
vp.display(scene)

starting_height = 4
floor = vp.box(pos=vp.vector(0, 0, 0), length=4, height=0.5, width=4, color=vp.color.green)
ball = vp.sphere(pos=vp.vector(0, starting_height, 0), radius=1, color=vp.color.red)
ball.velocity = vp.vector(0, -1, 0)
dt = 0.01

frame = 0
while 1:
    vp.rate(100)
    ball.pos = ball.pos + ball.velocity*dt
    if ball.pos.y < ball.radius:
        ball.velocity.y = abs(ball.velocity.y)
    else:
        ball.velocity.y = ball.velocity.y - 9.8*dt
    
    file_name = 'img-%04d.pov' % frame
    inclist = ['colors.inc', 'stones.inc', 'woods.inc', 'metals.inc']
    povexport.export(scene, filename=file_name, include_list=inclist)
    frame += 1
        
    if ball.pos.y > starting_height:
        break

Co się zmieniło (dla mnie):

• nowy moduł importu (zamiast visual jest vpython)
• parametry przyjmują explicit obiekt vector i nie tolerują trójelementowej krotki
• funkcji display zmieniła nazwę na canvas

Słów kilka o povexport. Sprytna biblioteka, która zapisuje informacje o bryłach i powierzchni w tekstowym języku/formacie SDL (Scene Description Language). Dane te następnie można przetworzyć za pomocą programu jak povray na format graficzny np. png i dalej skonstruować animację. Daje to całkiem ciekawe możliwości, bowiem VPython w założeniu oferuje tylko proste możliwości graficzne, povray daje dużo więcej możliwości jeżeli chodzi o renderowanie i ray tracing.

• https://pl.wikipedia.org/wiki/POV-Ray
• http://www.povray.org/

Nie obyło się bez małej ingerencji w kod, gdyż domyślnie obliczania ustawień odległości kamery w povexport były zbyt małe. Może coś robiłem nie tak, ostatecznie zmieniłem jedną linijkę.

# ...
# cpos = 1.5*displayscale*canv.camera.pos # 1.5 is a not understood fudge factor
  cpos = 10*displayscale*canv.camera.pos
# ...

W zasadzie, można pokusić się również o stworzenie skryptu, który edytuje pliki .pov i zmienia linijki z ustawieniami kamery. Zmiana w pliku .pov, którą uzyskałem:

camera {
    right <-image_width/image_height, 0, 0>      // vpython uses right-handed coord. system
    location <0.000000, 0.000000, 173.205081>
    up <0.000000, 1.000000, 0.000000>
    look_at <0.000000, 0.000000, 0.000000>
    angle 60.000000
}

Przerobienie plików z formatu .pov na .png:

for i in *.pov; do povray Height=400 Width=400 Display=false Output_File_Type=N $i 2>/dev/null; done

Nowa wersja skryptu ([1], [2]) do tworzenia animacji video/gif. Wyeliminowałem straty, które pojawiały się podczas składaniu video z plików .png, przez zastosowania kodeka H.264 i manipulacji "Constant Rate Factor" (uwaga, z ustawieniami CRF trzeba ostrożnie)

#!/bin/sh

PALETTE_FILE="tmp_pallete.png"
VIDEO_FILE="output_video.mp4"
INPUT_FILES="img-%4d.png"
OUTPUT_FILE="output.gif"
FILTERS="fps=25"

ffmpeg -r 100 -i $INPUT_FILES -c:v libx264 -crf 0 -preset veryslow $VIDEO_FILE
ffmpeg -v warning -i $VIDEO_FILE -vf "$FILTERS,palettegen" -y $PALETTE_FILE
ffmpeg -v warning -i $VIDEO_FILE -i $PALETTE_FILE -lavfi "$FILTERS [x]; [x][1:v] paletteuse" -y $OUTPUT_FILE

Efekt końcowy: