Budeme potřebovat následující ingredience:

• 3/4 kg sumce
• 10 dkg slaniny
• 2 dl smetany
• máslo
• 4 rajčata
• 2 papriky
• 2 cibule
• 10 středních brambor
• koření na ryby
• bylinky a další koření dle fantazie (provensál, šalvěj, bazalka)
• mletá paprika
• mouka
• sůl

Nejdříve oloupeme brambory a vcelku je uvaříme do poloměkka. Mezitím vymažeme pekáč či zapékací misku máslem. Dále si nakrájíme na kolečka rajčata, cibuli a uvařené brambory. Papriku nakrájíme na proužky. Na pekáč pokládáme kolečka brambor a na ně místy nějakou zeleninu. Na zeleninu položíme naporcované a okořeněné kousky ryby, zabalené v anglické slanině. Rybu také nezapomeneme posypat mletou paprikou a případně osolíme (není nezbytně nutné, protože koření na ryby je již slané). Navrch ještě položíme zbylou zeleninu, lístky šalvěje a kousky másla. Sumce pečeme v troubě asi 3/4 hodiny na střední výkon. Před koncem pečení zalijeme smetanou, kterou můžeme zahustit moukou. Můžeme přidat strouhaný sýr.

Sumec dle baštýře Jardy na pekáči

Recept je poměrně jednoduchý a jídlo chutná výborně. Výhodou sumce je, že nemá vůbec žádné kosti. Já jsem jídlo připravoval ve 2 zapékacích miskách a bylo z toho 6 regulérních porcí. Baštýř Jestřáb vám přeje dobrou chuť!

Sumeček na talíři

Úvod

Apache HTTP Server je nejrozšířenější softwarový webový server s otevřeným kódem pro GNU/Linux, BSD, Solaris, Mac OS X, Microsoft Windows a další platformy. V současné době dodává prohlížečům na celém světě většinu internetových stránek. Výhody Apache: výkon a spolehlivost, široké možnosti, open source. [1]

Mod_python je modul pro webový server Apache, který na serveru umožňuje spouštění skriptů, napsaných v jazyce Python.

Django je vyspělý webový framework napsaný v jazyce Python, který podporuje rychlý vývoj a čisté, pragmatické konstrukce.

Instalace Apache

Instalaci serveru Apache 2.2 provedeme spuštěním připraveného dávkového skriptu install_apache.sh. Skript byl napsán pro operační systém GNU/Linux Ubuntu 9.10 a na jiných systémech není zaručena jeho funkčnost. Všechny skripty a příkazy je potřeba spouštět jako admin (příkazem sudo). Pro správnou instalaci je nutné mít na disku dostatek místa (minimálně 50 MB). Dále je potřeba mít správně nainstalován ANSI-C kompilátor, nástroj make a další potřebné utility, používané v instalačním skriptu.

#! /bin/bash
#skript: install_apache.sh
#popis: davkovy skript pro instalaci serveru Apache na OS GNU/Linux Ubuntu 9.10
#autor: Petr Nohejl (xnohej00)
 
#promenne
MIRROR=http://ftp.sh.cvut.cz/MIRRORS/apache/httpd/httpd-2.2.15.tar.gz
VERSION=httpd-2.2.15
TEMP=APACHE_INSTALL #pozor, tento adresar se nakonci skriptu maze!
 
cd
sudo mkdir $TEMP
cd $TEMP
sudo wget $MIRROR
sudo gzip -d $VERSION.tar.gz
sudo tar xvf $VERSION.tar
cd $VERSION
./configure --prefix=/usr/local/apache2 --enable-rewrite=shared --enable-speling=shared --with-mpm=prefork
sudo make
sudo make install
cd
sudo rm -rf $TEMP

Skript nejdříve vytvoří pracovní adresář a do něj stáhne (z internetu) pomocí nástroje wget zkomprimovaný instalační balíček. Ten rozbalí pomocí nástrojů gzip a tar. Dále spustí konfigurační skript configure, který připraví projekt ke kompilaci a vytvoří soubor Makefile. Konfigurace trvá delší dobu, a proto je třeba být trpělivý. Dále se projekt zkompiluje pomocí příkazu make a nainstaluje pomocí příkazu make install. Tyto operace rovněž trvají delší čas. Nakonec skript vymaže pracovní adresář. Pokud chcete mít nad vším vlastní kontrolu, je lepší instalovat server ručně (bez použití dávkového skriptu) a řídit se postupem, popsaným výše.

Při spouštění konfiguračního skriptu máme možnost nastavit mnoho parametrů. Pomocí přepínače –prefix nastavíme adresář, kam bude server nainstalován. Pomocí přepínače –enable můžeme nainstalovat volitelné moduly. Příznak shared značí, že modul je dynamicky sdílený (DSO). Pokud nainstalujeme nějaký modul s příznakem shared, automaticky se zapne podpora DSO (jinak ji musíme v případě potřeby explicitně zapnout příkazem –enable-so při konfiguraci). Přepínač –with-mpm nastavuje model procesů serveru. Parametrů existuje daleko více. Pro více informací o instalaci Apache navštivte dokumentaci: http://httpd.apache.org/docs/2.2/install.html.

Konfigurace Apache

Po úspěšné instalaci je potřeba Apache správně nakonfigurovat. Konfigurační soubor s nastavením serveru se nachází v adresáři /usr/local/apache2/conf/httpd.conf. Soubor otevřeme v libovolném textovém editoru:

sudo gedit /usr/local/apache2/conf/httpd.conf

Nastavíme proměnnou Listen (na jakém portu a IP se bude naslouchat), odkomentujeme řádek se ServerName a nastavíme název serveru, nastavíme proměnnou DocumentRoot (kořenový adresář webových dokumentů). Dále můžeme nastavovat i další parametry serveru. Pro více informací o konfiguraci serveru navštivte dokumentaci: http://httpd.apache.org/docs/2.2/mod/directives.html. Příklad změn v konfiguračním souboru pro základní nastavení:

Listen 127.0.0.1:666
ServerName www.example.com:80
DocumentRoot "/usr/local/apache2/htdocs"

Po každé změně konfiguračního souboru je nutné server restartovat.

Spuštění serveru

Pokud jsme server správně nainstalovali a nakonfigurovali, můžeme jej spustit a otestovat správnou funkčnost:

sudo /usr/local/apache2/bin/apachectl –k start
firefox http://127.0.0.1:666/
sudo /usr/local/apache2/bin/apachectl –k restart
sudo /usr/local/apache2/bin/apachectl –k stop

Pokud je vše v pořádku, měl by se nám v prohlížeči vypsat nápis „It works!“.

Spuštění serveru Apache

Instalace a konfigurace mod_python

Nyní nainstalujeme pro Apache modul mod_python. Před vlastní instalací modulu je potřeba mít správně nainstalován Python (minimálně verzi 2.3), balíček Python dev a samozřejmě Apache. Mod_python vyžaduje podporu DSO (Dynamic Shared Object), kterou lze nastavit při instalaci (konfiguraci) Apache. Instalaci mod_python můžeme provést buď pomocí utility apt-get, nebo si můžeme modul stáhnout z internetu, sestavit a nainstalovat. Druhá možnost je poněkud komplikovaná a proto zvolíme jednodušší cestu s pomocí apt-get, která udělá vše potřebné za nás.

sudo apt-get install libapache2-mod-python

Po úspěšné instalaci modulu budeme muset opět upravit konfigurační soubor serveru:

sudo gedit /usr/local/apache2/conf/httpd.conf

Přidáme příkaz LoadModule na správné místo v souboru (viz komentáře v konfiguračním souboru) pro načtení modulu a poté přidáme další příkazy pro nastavení handleru pro následné testování serveru (např. na konec konfiguračního souboru). Nezapomeneme provést restart serveru, aby se znovu načetl konfigurační soubor.

LoadModule python_module /usr/lib/apache2/modules/mod_python.so
 
<Location /mpinfo>
    SetHandler mod_python
    PythonHandler mod_python.testhandler
</Location>
 
<Directory /usr/local/apache2/htdocs/test> 
    AddHandler mod_python .py
    PythonHandler mptest 
    PythonDebug On 
</Directory>

Nyní můžeme vyzkoušet ladící výpis serveru:

firefox http://127.0.0.1:666/mpinfo

Pokud je vše v pořádku, měl by se nám v prohlížeči vypsat ladící výpis.

Ladící výpis mod_python

Dále si vytvoříme testovací skript mptest.py v jazyce Python:

sudo mkdir /usr/local/apache2/htdocs/test
sudo gedit /usr/local/apache2/htdocs/test/mptest.py

Do skriptu mptest.py uložíme následující kód:

from mod_python import apache
def handler(req):
    req.content_type = 'text/plain'
    req.write("Hello World! I am Python.")
    return apache.OK

A nakonec spustíme testovací skript:

firefox http://127.0.0.1:666/test/mptest.py

Pokud je vše v pořádku, měl by se nám v prohlížeči vypsat nápis „Hello World! I am Python.“.

Hello Python

Základní konfigurace Publisher Handler

Publisher Handler je standardní mod_python handler pro zobrazování webových stránek. V předchozí kapitole jsme si v konfiguračním souboru Apache nastavili jednoduchý handler, který odchytává URL končící na .py ve složce test a spouští skript (handler) mptest.py. Pokud chceme mít více handlerů, použijeme pokročilejší handler Publisher. V konfiguračním souboru Apache nastavíme (předešlý handler z předchozí kapitoly zakomentujeme):

<Directory /usr/local/apache2/htdocs> 
    AddHandler mod_python .py
    PythonHandler mod_python.publisher 
    PythonDebug On 
</Directory>

Restartujeme server pro znovunačtení konfigurace. Dále si vytvoříme jednoduchou dynamickou webovou stránku v Pythonu (jednoduchá kalkulačka). Vytvoříme si novou složku a dva zdrojové soubory:

sudo mkdir /usr/local/apache2/htdocs/form
sudo gedit /usr/local/apache2/htdocs/form/index.html
sudo gedit /usr/local/apache2/htdocs/form/form.py

Do souboru index.html uložíme následující kód:

<html>    
    <h1>Calculator</h1>    
    <p>Enter two numbers:</p>                  
    <form action="form.py/msg" method="POST">
        <input type="text" name="num1"> + 
        <input type="text" name="num2"> =<br>
        <input type="submit" value="calculate">
    </form>
</html>

Do skriptu form.py uložíme následující kód:

def msg(req, num1, num2):
    # make sure the user provided all the parameters
    if not(num1 and num2): return "<html><h1>Result</h1><p>Missing some parametre!</p></html>"
    # provide feedback to the user
    try: result = int(num1) + int(num2)
    except: return "<html><h1>Result</h1><p>Invalid parametres!</p></html>"    
    return "<html><h1>Result</h1><p>" + str(result) + "</p></html>"

Nakonec zobrazíme web v prohlížeči:

firefox http://127.0.0.1:666/form/

Pokud je vše v pořádku, měl by se nám v prohlížeči zobrazit formulář s nadpisem „Calculator“.

Calculator

Pro více informací o konfiguraci mod_python navštivte dokumentaci: http://www.modpython.org/live/current/doc-html/modpython.html.

Instalace MySQL serveru

Pro práci s webovým frameworkem Django budeme potřebovat databázi. Nainstalujeme MySQL server pomocí nástroje apt-get a podporu MySQL pro Python. Alternativně můžeme použít jiné databáze (např. SQLite).

sudo apt-get install mysql-server python-mysqldb

Instalace frameworku Django a vytvoření projektu

Pro instalaci budeme potřebovat program SVN. Ten můžeme případně nainstalovat pomocí programu apt-get.

sudo apt-get install subversion

Nainstalujeme vývojovou verzi Djanga z SVN repozitáře:

cd
svn co http://code.djangoproject.com/svn/django/trunk/ django_src

Nyní vytvoříme symbolický odkaz na Django, aby jej systém mohl najít a mohl s ním pracovat. Nejprve si zjistíme, kde se nachází adresář site-packages, a potom vyvoříme samotný odkaz (místo „YOUR-DIR“ doplňte řetězec z předchozího příkazu python -c):

python -c "from distutils.sysconfig import get_python_lib; print get_python_lib()"
sudo ln -s `pwd`/django_src/django YOUR-DIR/django
sudo cp ~/django_src/django/bin/django-admin.py /usr/local/bin

Dále si vytvoříme několik adresářů, které bude Django používat:

cd
mkdir django_projects
mkdir django_templates
mkdir media

Poté vytvoříme symbolické odkazy na media (css, javascript atd.):

cd /usr/local/apache2/htdocs
sudo ln -s  ~/media media
sudo ln -s ~/django_src/django/contrib/admin/media admin_media

Nyní už můžeme vytvořit nový Django projekt standardním způsobem (postup, jak vytvořit Django projekt není součástí tohoto tutoriálu).

cd ~/django_projects
django-admin.py startproject mysite

Django vyzkoušíme na projektu Mysite, který zobrazuje ankety Polls. Projekt najdete v tutoriálu na oficiálních stránkách Djanga: http://docs.djangoproject.com/en/dev/intro/tutorial01/. Uložíme jej do složky django_projects a následně vyzkoušíme, zda jej Apache zobrazí. Pokud v Django projektu používáme SQLite (jako v našem ukázkovém projektu Mysite), musíme povolit zápis do souboru. V nastavení Django projektu settings.py nezapomeneme správně nastavit připojení k databázi (případně cestu k sqlite), proměnnou TEMPLATE_DIRS a media (místo „USER-NAME“ doplňte vaše systémové uživatelské jméno).

DATABASE_NAME = '/home/USER-NAME/django_projects/mysite/sqlite3.db'
MEDIA_ROOT = '/media/'
ADMIN_MEDIA_PREFIX = '/admin_media/'
TEMPLATE_DIRS = ( '/home/USER-NAME/django_projects/mysite/mytemplates' )

Upravíme konfigurační soubor serveru a nastavíme handler pro Django (předešlý handler z předchozí kapitoly zakomentujeme, místo „USER-NAME“ doplňte vaše systémové uživatelské jméno):

<Location "/">
    SetHandler python-program
    PythonHandler django.core.handlers.modpython
    SetEnv DJANGO_SETTINGS_MODULE mysite.settings
    PythonDebug On
    PythonPath "['/home/USER-NAME/django_projects'] + sys.path"
</Location>
 
<Location "/media">
    SetHandler None
</Location>
 
<Location "/admin_media">
    SetHandler None
</Location>
 
<LocationMatch "\.(jpg|gif|png)$">
    SetHandler None
</LocationMatch>

Po provedení restartu serveru by měl Django projekt začít fungovat. Projekt zobrazíme v prohlížeči (login i heslo do administrace je „admin“):

firefox http://127.0.0.1:666/polls/
firefox http://127.0.0.1:666/polls/1/
firefox http://127.0.0.1:666/polls/1/results/
firefox http://127.0.0.1:666/polls/1/vote/
firefox http://127.0.0.1:666/admin/

Django admin

Literatura

[1] Apache HTTP Server In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation,
[cit. 2010-04-24]. Dostupné z WWW: <http://cs.wikipedia.org/wiki/Apache_HTTP_Server>.

[2] The Apache Software Foundation [online]. 2010-04-24 [cit. 2010-04-24]. Apache HTTP Server Version 2.2 Documentation. Dostupné z WWW: <http://httpd.apache.org/docs/2.2/>.

[3] Mod_python Apache/Python Integration [online]. 2010-04-24 [cit. 2010-04-24]. Mod_python Manual. Dostupné z WWW: <http://www.modpython.org/live/current/doc-html/modpython.html>.

[4] The Django framework [online]. 2010-04-24 [cit. 2010-04-24]. How to use Django with Apache and mod_python. Dostupné z WWW: <http://docs.djangoproject.com/en/dev/howto/deployment/modpython/>.

[5] Jeff Baier [online]. 2010-04-26 [cit. 2010-04-26]. Nstalling Django on an Ubuntu Linux Server. Dostupné z WWW: <http://jeffbaier.com/articles/installing-django-on-an-ubuntu-linux-server/>.

• 1 velký pór
• 2 cibule
• několik stroužků česneku
• 2 kostky droždí
• olej
• hladká mouka
• sůl
• pepř
• voda

V hrnci necháme rozpálit olej a v něm pomalu rozpustíme droždí. Musíme dát pozor, aby se nám droždí nepřipálilo. Hrnec jsem tentokrát použil menší než obvykle – asi střední velikosti. Vyšlo z něj přibližně 5 porcí. Až se droždí rozpustí, přidáme nakrájený pór, cibuli a orestujeme. Následně do hrnce přilijeme vodu, osolíme, opepříme a přidáme nadrcený česnek. Nastavíme vařič na plný výkon a vaříme zhruba půl hodiny. Občas nezapomeneme promíchat. Jedinci, co rádi experimentují můžou dochutit nějakým kořením, ale na vlastní nebezpečí! Já jsem zkusil přidat trochu curry. Až bude polévka uvařená, ochutnáme a pokud je vše v pořádku, zahustíme jíškou. Tu si připravíme ve sklenici, do které přidáme přibližně 3 lžíce mouky a smícháme s vodou tak, aby se nevytvořily cucky. Před aplikací jíšky polévku ochladíme studenou vodou. To nám zajistí, že se nebudou tvořit v polévce hrudky. Znovu ochutnáme a pokud je vše OK, můžeme podávat.

Jako obvykle nezapomeneme polévku uchovávat v chladu – v lednici, případně v zimě na balkóně, aby se nám nezkazila. Přeji dobré chutnání!

Pórková polévka

Úvod

Cílem práce bylo nastudovat metody používané v nerealistickém zobrazování videa. Hlavním úkolem pak bylo navrhnout a implementovat aplikaci realizující vybraný efekt na videosekvenci a zhodnotit možnosti metod pro zpracování videa (stabilita mezi framy, plynulost pohybů apod.). Nakonec bylo úkolem demonstrovat dosažené výsledky na vhodných vstupech a vyhodnotit.

V rámci projektu jsme implementovali aplikaci demonstrující 3 nerealistické video efekty:

• Komiksový efekt
• Malířský efekt
• Mozaikový efekt

Nerealistické videoefekty

Nerealistické renderování je oblast počítačové grafiky, která se zaměřuje na různé metody expresivního vyjádření (vykreslení) digitálního obrazu. Jedná se o opačný proces vykreslování realistické grafiky, tedy soubor technik vedoucích k výstupu, který nemá charakter fotorealistického grafického výstupu. Zpravidla se používá tehdy, kdy je potřeba imitovat různé techniky výtvarného umění nebo zvýraznit některé rysy zobrazovaného útvaru. Vstupem je videosekvence reálného obrazu, pořízená videokamerou, 3D scéna nebo jiná videosekvence. Výstupem filtru je vyrenderovaná videosekvence s daným nerealistickým efektem. [1]

Příklady některých nerealistických efektů:

• Komiks (cartoon, comic)
• Malířské techniky (painterly rendering)
• Náčrtky (sketching)
• Deformace obrazu (liquify)

Komiksový efekt

Komiksový efekt napodobuje kreslený film. Výsledkem je segmentovaný obraz s redukovaným rozsahem barev a se zvýrazněnými hranami (obr. 1).

Algoritmus pro vykreslování efektu používá metodu shlukování, konkrétně algoritmus K-means (viz kapitola Algoritmy pro zpracování efektů). Při každém vykreslení snímku nejprve proběhne výpočet počtu shluků. To zajišťuje lepší stabilitu obrazu mezi jednotlivými snímky. Počet shluků se určuje z barevnosti snímku pomocí histogramu a mění se jen při výraznější změně barevnosti.

Algoritmus K-means segmentuje pixely obrazu do shluků podle 5 kritérií: červená barevná složka, zelená barevná složka, modrá barevná složka, pozice na ose x, pozice na ose y. Barva jednotlivých shluků se vypočítá z průměru barev všech pixelů daného segmentu.

Nakonec se v obraze zvýrazní hrany pomocí Cannyho algoritmu pro detekci hran (viz kapitola Algoritmy pro zpracování efektů). Ten najde v obraze hrany, rozšíří je pomocí dilatace o určitou velikost a odpovídající pixely ve výsledném obraze potom ztmaví o danou hodnotu.

Obr. 1: Ukázka komiksového efektu

Malířský efekt

Malířský efekt imituje obraz malovaný štětcem na plátno. Výsledkem je obraz složený z menších různobarevných oblastí, připomínající stopy štětce (obr. 4).

Algoritmus zpracovává každý snímek videa v několika průchodech. V těchto průchodech jsou do obrazu zakreslovány čáry o různých tloušťkách, přičemž každá čára představuje jeden tah štětcem (obr. 3). Při zpracování jednoho snímku je ze všeho nejdříve rozmazán původní obrázek. V každém průchodu je poté obrázek překreslen jemnějším štětcem. Kromě zmenšování tloušťky štětce je také v každém průchodu zvětšována hustota zakreslovaných čar. Jinými slovy, je zmenšován krok průchodu obrazem. Jemnější štětce jsou ovšem použity pouze v místech, kde se aktuální obraz liší od původního rozmazaného obrazu. Díky tomu je zajištěna vyšší stabilita mezi jednotlivými snímky. Překreslování tenčím štětcem tedy slouží k odstranění nepřesností v aktuálním obraze. Po použití jemnějšího štětce je obraz vždy znovu rozmazán. Rozmazání obrazu se provádí pomocí algoritmu Gaussian blur (viz kapitola Algoritmy pro zpracování efektů).

Směr kreslené čáry je určen kolmicí ke gradientu obrazu. Gradient je vypočítán pomocí Sobelova filtru (viz kapitola Algoritmy pro zpracování efektů) použitého ve směru osy x a y (obr. 2). Kolmice je poté získána pouhým prohozením souřadných os a změnou znaménka jedné osy. Barva čáry je vypočítána jako průměrná hodnota mezi počátečním a koncovým bodem čáry, přičemž hodnota těchto bodů je brána z původního rozmazaného obrazu. [2]

Obr. 2: Vykreslení čáry

Obr. 3: Vykreslování čar v jednotlivých průchodech (postupně zleva doprava)

Obr. 4: Ukázka malířského efektu

Mozaikový efekt

Mozaikový efekt je jednoduchý a často používaný. Obraz napodobuje mozaiku. Používá se pro skrytí detailů v obraze. Výsledkem je obraz složený z větších jednobarevných čtverců (obr. 5).

Algoritmus rozděluje obraz na čtvercové oblasti o určité velikosti. Tyto oblasti jsou potom obarveny jednou barvou, vypočtenou z průměru barev všech pixelů původní oblasti.

Obr. 5: Ukázka efektu mozaiky

Algoritmy pro zpracování efektů

K-means

Algoritmus K-means slouží k segmentaci obrazu. Obraz se skládá z K regionů a každý pixel je klasifikován do jednoho z regionu. Každý region je reprezentován středem μ_i. Pixel je klasifikován do regionu, jehož střed je nejblíže (obr. 6).

Obr. 6: Ukázka segmentace podle K-means ve 2D (kříže znázorňují středy regionů μi)

Algoritmus K-means:

1. Náhodně inicializuj středy regionů μ_i.
2. Klasifikuj pixely x_n do regionů.
3. Vypočti nové středy regionů.
4. Opakuj kroky 2 a 3, dokud se středy shluků mění.

Cannyho hranový detektor a Sobelův operátor

Cannyho hranový detektor je algoritmus, který nalezne množinu hran v obraze. Využívá Sobelův operátor ve směru X a Y, potlačení nemaximálních hodnot a prahování s hysterezí. Zvýraznění hran pomocí Cannyho algoritmu je vidět například v obr. 1.

Sobelův operátor je diskrétní diferenciální operátor, který počítá aproximaci gradientu intenzity obrazu. Je založen na konvoluci obrazu pomocí filtru v horizontálním a vertikálním směru. Zpravidla používá konvoluční matice o velikosti 3×3 (vzorec 1).

Vzorec 1: Konvoluční matice Sobelova filtru (A je zdrojový obraz, G je výsledný gradient)

Potlačení nemaximálních hodnot (Non-maximum suppression) funguje tak, že ve směru gradientu se potlačí pixely, které nejsou lokálním maximem (obr. 7). Výsledkem je ztenčení tlustých hran potlačením nemaximálních hodnot v černobílém obraze.

Obr. 7: Znázornění pixelů ve směru gradientu

Prahování s histerezí funguje tak, že silné hrany (větší než High) jsou ponechány. Slabé jsou ponechány, pouze pokud jsou spojeny s nějakou silnější hranou (obr. 8). Velmi slabé hrany jsou potlačeny (nižší než Low). Obvykle platí: High = 2-3 * Low.

Obr. 8: Prahování s histerezí

Gaussian blur

Gaussian blur je často používaný algoritmus v počítačové grafice pro redukci šumu a detailů. Funguje na principu konvoluce pomocí Gaussovské funkce (vzorec 2). Gaussian blur je filtr s dolní propustí.

Vzorec 2: Dvou dimenzionální Gaussovská funkce

Implementace aplikace

Aplikace demonstruje 3 video efekty: komiksový efekt, mozaikový efekt a malířský efekt. Vstupem programu je typ efektu a název video souboru ve formátu AVI. Výstupem jsou dvě okna, zobrazující video. První ukazuje originální obraz, druhé zobrazuje vyrenderovaný obraz, na který byl aplikován daný efekt.

Program demonstrující výše zmíněné nerealistické efekty je implementován v jazyce C/C++, v prostředí Visual Studio 2008. Používá knihovnu OpenCV. Pro úspěšné sestavení projektu je nutné mít nainstalovanou tuto knihovnu a správně definovány v nastavení projektu knihovny pro linker.

Každý efekt je implementován ve vlastní třídě (effectComic, effectPainterly, effectMosaic). Na začátku každého zdrojového souboru s efektem jsou definovány konstanty, ovlivňující různé vlastnosti při výpočtu efektu. Konstanty lze měnit a ovlivňovat tak některé parametry efektu. Třída effects se stará o základní zpracování obrazu – načtení videa ze souboru a zobrazení na výstup.

Ovládání aplikace:

• VideoEffects.exe -h – zobrazí nápovědu
• VideoEffects.exe -c inputVideo – demonstruje komiksový efekt
• VideoEffects.exe -p inputVideo – demonstruje malířský efekt
• VideoEffects.exe -m inputVideo – demonstruje mozaikový efekt

inputVideo je název vstupního video souboru ve formátu AVI.

Závěr

Nerealistické vykreslování obrazu může mít různé využití. Používá se například v moderních videokamerách pro „umělecké“ efekty, mobilních telefonech s fotoaparátem nebo také v programech pro střihání videa. Využití může nalézt i v zábavném průmyslu, např. v počítačových hrách nebo aplikacích na webu.

Díky projektu jsme se naučili metody a principy pro nerealistické renderování obrazu. Naučili jsme se nové algoritmy pro zpracování obrazu a prohloubili si znalosti v programování aplikací v OpenCV.

Zdrojové soubory projektu na github.com.

Zdroje

[1] Non-photorealistic rendering. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 9.1.2005, last modified on 14.10.2010 [cit. 2010-12-28]. Dostupné z WWW: <http://en.wikipedia.org/wiki/Non-photorealistic_rendering>.

[2] HERTZMANN, Aaron; PERLIN, Ken. Painterly rendering : Painterly Rendering with Curved Brush Strokes of Multiple Sizes [online]. New York University, Media Research Laboratory : 2000 [cit. 2010-12-29]. Dostupné z WWW: <http://mrl.nyu.edu/projects/npr/painterly/>.

[3] Matlab Central [online]. 27.3.2008 [cit. 2010-12-29]. Efficient K-Means Clustering. Dostupné z WWW: <http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/19344-efficient-k-means-clustering-using-jit>.

[4] Sobel operator. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 19.2.2004, last modified on 12.12.2010 [cit. 2010-12-29]. Dostupné z WWW: <http://en.wikipedia.org/wiki/Sobel_operator>.

Úvod

Cílem práce bylo nastudovat možnosti knihovny ARToolKit a vytvořit aplikaci pro rozšířenou realitu využívající tuto knihovnu. Výsledná aplikace byla určena pro projekt Mimikry, který se prezentoval na výstavě Designblok 2010. Výstava se konala 5. – 10. 10. 2010 v Praze. Projekt jsem vypracovával samostatně ve spolupráci se studenty Akademie výtvarných umění v Praze pod vedením Ing. Aleše Láníka.

Projekt byl experimentální. Hlavním úkolem bylo vytvořit aplikaci rozšířené reality, která vykresluje 3D model kudlanky, mapovaný pomocí multipatterns (více trasovacích značek) na reálný model orchideje (plastika z tvrdého papíru o rozměrech cca 2m) a následně vytvořit určitou interakci s tímto modelem. Účelem práce bylo živě demonstrovat mimézi pomocí výpočetní techniky s využitím počítačového vidění. Miméze je souborný pojem pro morfologické, fyziologické i etologické jevy, které živočichovi umožňují skrýt se, zamaskovat nebo uniknout pozornosti. Konkrétně se jednalo o fytomimezi, tj. napodobování rostlin (např. pakobylky a strašilky napodobují větvičky nebo listy rostlin). V naší performanci si divák prohlédl živý model orchideje, která se pomocí rozšířené reality „proměnila“ v maskovanou kudlanku.

Základní princip

V této kapitole si popíšeme, jak celý experiment funguje a co dělá. Projekt byl předváděn v zatemněné místnosti, kde se nacházela papírová plastika orchideje, podepřená pevným stojanem. S papírovým modelem bylo možné otáčet zleva doprava. Na této plastice bylo nalepeno 7 trasovacích značek ARToolKit, vytisknutých na tvrdém papíru. Bylo použito více značek proto, aby bylo možné model prohlížet z více stran a z blízka, protože při snímání obrazu kamerou musí být viditelná vždy minimálně jedna značka. Značky byly rozmístěny tak, aby bylo možné prohlížet model pomocí kamery i z velmi krátké vzdálenosti. Trasovací značky měly více velikostí (20 cm a 15 cm).

Prezentace projektu na výstavě Designblok 2010

Celá plastika byla osvícena projektorem, který promítal jednoduchou texturu (bílá barva s růžovým nádechem). Textura měla připomínat, že se jedná o květ orchideje. Texturu bylo potřeba vytvořit tak, aby se bílá barva promítala přesně na celý model v místech, kde dopadá světlo projektoru na model. Do míst, kde dopadá světlo mimo model byla promítána černá barva. Osvícení projektorem zajistilo, že plastika byla více výrazná a zárověň tím byly zajištěny světelné podmínky pro rozpoznávání značek ARToolKit.

V místnosti byl dále umístěn počítač, na kterém běžela aplikace pro rozšířenou realitu. Do počítače byla připojena webkamera Logitech QuickCam Pro 9000 o vysokém rozlišení (1600 x 1200 px), pomocí které se snímal obraz. Výsledný obraz rozšířené reality se promítal na velkou plazma obrazovku umístěnou na stěně. Uprostřed místnosti byl umístěn dřevěný podstavec, na kterém byla položena kamera, se kterou mohli návštěvníci výstavy hýbat a vyzkoušet si tak aplikaci na vlastní kůži.

Instrukce pro návštěvníka výstavy

Aplikace rovněž umožnila určitou míru interakce uživatele s modelem. Z větší dálky se vykreslovaly 3D modely více podobné květu orchideje. Z blízka se potom vykreslovaly modely kudlanky s většími detaily.

Papírový model květu orchideje

3D model kudlanky

Implementace aplikace

Aplikace je implementována v jazyce C/C++, ve vývojovém prostředí Microsoft Visual Studio 2008 s využitím knihovny ARToolKit. Pro vykreslování 3D modelů potom byly použity knihovny OpenGL a OpenVRML.

Parametry trasovacích značek (název, datový soubor, fyzické rozměry v mm, střed značky) a seznam VRML modelů jsou uloženy v konfiguračních souborech. Nastavení kalibrace kamery je rovněž uloženo v souboru. V projektu byly použity standardní trasovací značky ARToolKit: patt.hiro, patt.kanji, patt.sample1, patt.sample2, patt.a, patt.c, patt.f.

Kostra zdrojového kódu aplikace:

• Inicializace, nastavení videokamery, zpracování konfiguračního souboru značek a načtení modelů VRML.
• Hlavní smyčka:
  • Načtení snímku z videokamery.
  • Detekce trasovacích značek a rozpoznání vzorů.
  • Výpočet pozice a rotace kamery vzhledem k rozpoznaným značkám.
  • Vykreslení snímku a virtuálních objektů.
• Ukončení snímání videokamery.

Funkce aplikace

• Rozšířená realita využívající knihovnu ARToolKit.
• Interakce modelu s uživatelem v podobě použití LOD objektů.
• Trasování 3D objektu pomocí multipatterns.
• Použití 7 trasovacích značek o různých fyzických rozměrech.
• Funkce pro snadnější výpočet transformačních matic multipatterns (ruční polohování objektu).
• Využití stabilizace trasování objektu pomocí funkce historie.
• Využití knihovny OpenVRML pro vykreslování 3D modelů.
• Možnost vykreslování objektu z poslední známé pozice v případě nerozpoznání značek (použitelné pro statickou kameru).
• Přizpůsobení prahu světelným podmínkám (ruční nastavení).
• Debug mode zobrazující prahovaný obraz.
• Fullscreen mode.
• Možnost vypnutí zobrazení videa.

Příprava projektu a zkušenosti

Instalace projektu probíhala přímo na místě konání výstavy, v Superstudiu Designbloku Bubenská 1 v Praze. Při instalaci bylo potřeba nalepit trasovací značky na plastiku a vypočítat transformační matice, udávající vzájemné polohy značek. Výpočet transformačních matic je náročný, a proto byla pro jejich zjištění do aplikace implementována funkce, která umožnila jednoduše umístit do scény 3D model kudlanky tak, aby přesně odpovídal pozici papírového modelu. Pomocí tlačítek pro posun a rotaci byl model umístěn přesně na místo kam patří a program vrátil informace o pozici a rotaci modelu. Tento postup se opakoval pro všechny trasovací značky. Tímto jsme získali transformační matice, potřebné pro použití multipatterns.

Ukázka plastiky s trasovacími značkami

Dále bylo během instalace nutné provést kalibraci kamery a vhodně nastavit nasvícení plastiky projektorem.

Během práce na projektu jsme se setkali s několika problémy. Původně bylo zamýšleno použít vlastní vzory trasovacích značek. Vlastní značky jsme navrhli a vytiskli. Provedli jsme trénování vzorů a posléze se ukázalo, že je nelze použít, protože je ARToolKit vzájemně zaměňuje. Příčinou bylo to, že symboly značek byly podobné. Při detekci značek dochází k normalizaci a změně rozlišení. ARToolKit pak detekoval dvě podobné značky jako jednu stejnou. Dalším problémem, se kterým jsme se setkali byla délka USB kabelu pro připojení webkamery. Nemohli jsme použít delší prodlužovací kabel než 3m, protože u delších kabelů docházelo k velkým ztrátám a přenos videa byl nestabilní. V projektu jsme také chtěli použít VRML model s animací, ale kvůli velkým hardwarovým nárokům to nebylo možné. Rovněž jsme se pokusili použít v aplikaci 3D virtuální brýle Z800 3D Visor, ale použitá grafická karta je nepodporovala.

Na projektu se podíleli:

• Jan Poupě, Tadeáš Podracký, Jan Novák, Eliška Vojtková – autoři projektu, papírová plastika, zajištění vybavení, organizace výstavy
• Petr Nohejl – vývoj software, pomoc s instalací
• Michal Slyusar – 3D modely

Závěr

Aplikaci se povedlo naprogramovat dle požadavků, nainstalovat pro daný fyzický model a úspěšně prezentovat na výstavě, pro kterou byla určena. Kvůli jistým omezením a nedostatku času pro instalaci se občas vyskytly chyby v pozicování virtuálního modelu. Dalším problémem bylo občasné nepochopení celého experimentu ze strany návštěvníků výstavy, a proto bylo nutné později vytvořit informační plakát, popisující účel projektu. Práce na experimentu byla pro mě velmi zajímavá a přínosná. Získal jsem mnoho nových zkušenosti a seznámil se s principy rozšířené reality. Spolupráce se studenty Akademie výtvarných umění byla rovněž velkou zkušeností. Zajímavé byly názory lidí z ne-informatických oborů, kteří nahlíželi na problematiku rozšířené reality z trochu jiného pohledu než samotný programátor.

Zdrojové soubory projektu na github.com.

Na závěr ještě přikládám několik fotografií…

Vystřihování trasovacích značek, které se stejně nepoužily

Instalace nesprávných značek

Testování

Úklid a úprava ateliéru

Prezentace projektu na výstavě

Prezentace projektu na výstavě

Plakát

Prezentace projektu na výstavě

Prezentace projektu na výstavě

Prezentace projektu na výstavě

Mnou vyvinuté aplikace

• Caramelle Augmented Reality – prohlížeč rozšířené reality
• Ski Map – mapa sjezdovek a lyžařských středisek
• Slevolapka – upozorňování na zajímavé slevy

Utility

• Barcode Scanner – čtečka čárových kódů
• Bubble – vodováha
• BusBooker – rezervace Student Agency
• Catch – poznámky
• ColorNote Notepad – poznámky
• ConvertPad – převodník jednotek
• Dlužníček – evidence výdajů a dluhů
• DroidStats – počítadlo hovorů, SMS a datového provozu
• Dropbox – sdílení dat
• Goggles – rozpoznání obrazů
• Google Docs – Google Docs dokumenty
• Google Sky Map – noční obloha ovládaná akcelerometrem
• Google Translate – slovník a překladač
• gReader – RSS čtečka
• Heureka.cz – srovnání cen
• Jídelníček VUT – menzy VUT v Brně
• Lunchtime – české restaurace
• Meteoservis – předpověď počasí
• MortPlayer – hudební přehrávač
• MX Video Player – video přehrávač
• Pubtran – jízdní řád
• Pumpdroid – ceny pohonných hmot
• RealCalc – vědecká kalkulačka
• Shazam – rozpoznávání hudby
• Simple Last.fm Scrobbler – Last.fm scrobbler
• Sleep Bot Tracker – měření spánku
• SMS Jízdenka – SMS jízdenka
• SMS Rezervace pro SA – rezervace Student Agency
• Text Edit – textový editor
• Tricorder – Tricorder ze Star Treku
• YouTube – video server

Komunikace

• Facebook – sociální síť
• Free SMS Sender – posílání SMS přes internet
• Gmail – mailový klient
• Handcent – SMS manažer
• Meebo IM – IM klient
• Seesmic – Twitter klient
• Skype – Skype klient

Mapy, navigace, GPS

• AugSatNav – rozšířená realita v autonavigaci
• c:geo – navigace pro Geocaching
• Columbus – navigace pro Geocaching
• Compass – kompas
• Google Maps – mapy a navigace
• Gowalla – geolokační hra
• GPS Test – GPS informace
• Layar – prohlížeč rozšířené reality
• Locus – offline mapy
• Mapy.cz – české mapy
• My Tracks – záznam trasy
• WhereYouGo – Where I Go pro Geocaching
• Wikitude – prohlížeč rozšířené reality

Správa zařízení

• Astro – správce souborů
• Contact2Sim – kopírování kontaktů na SIM
• ES File Explorer – správce souborů
• Prey – sledování ukradeného telefonu
• SMS Backup – záloha SMS na Gmail
• SMS Backup & Restore – záloha a obnovení SMS

Vzhled prostředí a widgety

• Extended Controls ($0.99) – widget s ovládacími prvky
• GO Launcher Ex – launcher

Hry a zábava

• Abduction – skákací hra ovládaná akcelerometrem
• AndWooble2 – mazané využití akcelerometru
• Angry Birds – asi nejznámější hra
• Better Settlers – generátor polí pro Osadníky z Katanu
• Bonsai Blast – hra s kuličkami
• Flying High – hra s letadlem ovládaná akcelerometrem
• Fruit Slice – porcování ovoce
• My Paper Plane – 3D hra s vlaštovkou ovládaná akcelerometrem
• NinJump – skákací hra
• PanoSphere – 3D panorama ovládané akcelerometrem
• Robo Defense – strategická hra
• Spaghetti Marshmallow – budovatelská hra s výbornou fyzikou
• TravDroid – Travian klient
• Trial Xtreme ($1.99) – motorka
• Unblock Me – logická hra

Design – inspirace pro vývojáře

• GDD – Google Developers Day
• OvuView – i ženy mají své dny

Úvod

ARToolKit je knihovna, která umožňuje programovat aplikace s rozšířenou realitou (augmented reality).  Jedná se o nástroj počítačového vidění, který snímá v reálném čase obraz pomocí videokamery a dokáže vypočítat pozici, vzdálenost a rotaci kamery vzhledem k daným objektům, které jsou označeny speciálními značkami (markers). Výsledkem je reálný obraz s dokreslenou virtuální (rozšířenou) realitou ve 3D. 3D objekty se obvykle vykreslují na trasovací značky a překrývají je. Trasovacích značek může být ve scéně použito více.

Pro lepší představu uvedeme příklad. Na obrázku 1 níže je modrá virtuální krychle, která stojí na skutečné papírové podložce, na které je vytištěna speciální trasovací značka s identifikačním symbolem. Obraz snímá v reálném čase kamera. Když uživatel posune či otočí značku, krychle se pohne s ní. Když uživatel posune značku mimo zorný úhel kamery, krychle zmizí.

Obr. 1: Modrá krychle se v reálném čase vykresluje na trasovací značku ve skutečném obraze.

V následujícím textu se některé uvedené názvy/cesty k souborům ARToolKit vztahují k ukázkovým příkladům pro OS Windows (Visual Basic).

Historie

Knihovnu ARToolKit vyvinul Japonec Dr. Hirokazu Kato z Nara Institute of Science and Technology v roce 1999. Vydána byla jako opensource Univerzitou ve Washingtonu. Nyní je vývoj pozastaven a poslední dostupná verze knihovny je z května 2007.

Co ARToolKit umí?

• rozpoznávání trasovacích značek
• trasování pozice a rotace kamery metodami počítačového vidění
• kalibrace kamery
• zpracování obrazu v reálném čase
• knihovna zajišťující zpracování videa
• ARToolKit je napsán v jazyce C/C++
• podpora OpenGL, GLUT a VRML (OpenVRML) pro vykreslování virtuálního obrazu
• podpora více OS (Linux, MS Windows, Mac OS X) a mobilních platforem (Android, Symbian, iPhone)
• podpora 3D virtuálních brýlí
• řada nástrojů a příkladů
• mnoho mutací (pro Flash, Silverlight, Virtual machines, OpenSceneGraph atd.)

Jak ARToolKit funguje?

Základní princip

Hlavním problémem při vývoji aplikací s rozšířenou realitou je správně najít a trasovat zorný úhel pozorovatele (videokamery).  Aplikace potřebuje znát přesnou pozici videokamery vůči značkám, aby byla schopna určit zorný bod, ze kterého se bude vykreslovat virtuální obraz. Jakmile je známa pozice videokamery, která se vypočte podle polohy a natočení značek, virtuální kamera může být umístěna do stejného bodu jako ta reálná a poté je možno vykreslit 3D modely přesně na místa značek. ARToolKit používá pro trasování pozice kamery algoritmy počítačového vidění, které jsou schopny počítat rychle v reálném čase. Výsledky jsou však závislé na použitém hardware a videokameře.

Fáze zpracování obrazu v reálném čase

1. Videokamera sejme snímek a pošle jej počítači ke zpracování.
2. Program v počítači zpracuje snímek z videa, převede jej pomocí prahování na černo-bílý obraz a najde v něm všechny černé čtverhranné tvary, které odpovídají vzorům trasovacích značek.
3. Pokud jsou nějaké značky detekovány, program vypočítá pozici a rotaci kamery vůči trasovacím značkám.
4. Jakmile je známa poloha kamery, virtuální 3D grafika může být vykreslena ze stejné pozice.
5. Virtuální grafika je vykreslena přes reálný snímek z videokamery a objekty se zobrazí přesně na místa trasovacích značek.

Obr. 2: Fáze zpracování obrazu ARToolKit v reálném čase.

Omezení

ARToolKit má určitá omezení, které je potřeba při vývoji aplikací s rozšířenou realitou brát v úvahu.

• Virtuální objekty se objeví pouze tehdy, kdy jsou příslušné trasovací značky plně viditelné ze strany pozorovatele (videokamery). Pokud je část značky zakryta, nelze ji rozpoznat.
• Správná detekce trasovacích značek ve videu je závislá na světelných podmínkách ve scéně. Při špatném osvětlení nemusí být značky v prahovaném obraze detekovány. Rušit mohou i odlesky světla na značkách. Problémy se světlem lze částečně redukovat nastavením vhodného prahu.
• Správná detekce značek je rovněž závislá na naklonění značek vůči pozorovateli (videokameře). Čím více je značka nakloněna, tím hůře se rozpoznává.
• Při tvorbě vlastních značek je důležité zvolit vhodné symboly. Platí, že čím jednodušší, tím lepší a tím snadněji se správně rozpozná. Nejvhodnější jsou značky s velkými černými a bílými místy (s nízkou frekvencí). Komplexnější vzory jsou z větší dálky hůře detekovány a můžou zkrátit rozlišovací vzdálenost až o polovinu. V tabulce 1 jsou znázorněny přibližné rozlišovací vzdálenosti trasovacích značek, které byly experimentálně zjištěny.

Tabulka 1: Rozlišovací vzdálenost trasovacích značek o různé velikosti.

Kalibrace kamery

Nastavení a parametry videokamery jsou uloženy v binárním souboru camera_para.dat (v adresáři bin/Data). Konfigurace kamery se zpracuje při každém spuštění aplikace ARToolKit.

ARToolKit používá implicitně soubor camera_para.dat s výchozím nastavením. Rovněž však umožňuje kalibraci jakékoliv kamery a vytvoření vlastního konfiguračního souboru. To je vhodné zejména pro kamery s atypickými objektivy (např. rybí oko). Kalibrace zajistí přesnější výpočty polohy videokamery pro vykreslení virtuální scény a redukuje zkreslení. Pro správné provedení kalibrace bude potřeba vytisknout vzory calib_dist a calib_cpara (z adresáře patterns), s kterými budeme pracovat podobně jako se značkami. K dispozici jsou dva kalibrační postupy.

• Dvoukroková kalibrace – složitější použití, ale lepší výsledky. Vhodnější pro 3D měření.
• Jednokroková kalibrace – jednodušší použití, méně přesná.

Přesnost trasování objektů

ARToolKit umí stabilizovat trasování objektů pomocí funkce historie. Tato stabilizace redukuje chvění virtuálních objektů, protože při výpočtu polohy objektu se využívá průměr několika předchozích poloh. Tímto je zajištěna větší stabilita, ale horší přesnost. Historii lze použít rovněž i při detekci značek. Výpočet je potom o něco rychlejší a stabilnější, ale opět méně přesný.

Trasovací značky

Metody trasování

Trasovací značky jsou speciální vzory, obvykle vytištěné na papíru, pomocí kterých se trasují virtuální objekty rozšířené reality. Je to jedna z metod, jak lze trasovat vrstvu rozšířené reality. Tato metoda využívá počítačové vidění. Další možnou metodou trasování můžou být např. polohovací senzory (GPS, kompas, akcelerometr), které jsou dostupné zpravidla na moderních mobilních zařízeních.

Podoba trasovacích značek

Z polohy značek ve video obrazu se vypočítává pozice a rotace kamery. Značky v ARToolKit mají čtvercový tvar. Tvoří je černobílý symbol s černým okrajem o šířce, která je rovna polovině šířky vnitřní plochy se symbolem. Vnitřní symbol je černý na bílém podkladu a slouží k rozlišení více různých značek od sebe. Měl by být co nejjednodušší (viz kapitola 4.3) a nesmí být středově souměrný, aby bylo možné rozlišit orientaci (natočení) značky ve scéně. Tedy např. značka s kruhem uprostřed je nevhodná. Pokud používáme více značek v aplikaci s rozšířenou realitou, tyto značky by neměly být vzájemně podobné, aby nedošlo k záměně. Značky je vhodné tisknout na tvrdý, nelesknoucí se papír a případně podlepit kartonem, aby se neohýbaly. Je potřeba zvolit vhodnou velikost značky podle použití. Na obrázku 3 jsou ukázány příklady trasovacích značek, které lze rovněž najít v adresáři patterns ve formátu PDF k vytisknutí.

Obr. 3: Ukázky trasovacích značek ARToolKit.

Konfigurační soubor

Seznam použitých značek je obvykle uložen v konfiguračním souboru object_data (v adresáři bin/Data), který se načítá při inicializaci aplikace ARToolKit.  V souboru je uložen počet použitých značek a ke každé značce její pojmenování, datový soubor, šířka značky na vytištěném papíru v milimetrech (včetně okrajů) a její střed.

Tvorba vlastních značek

ARToolKit umožňuje tvorbu vlastních značek pomocí nástroje mk_patt. Tento program umožňuje vygenerovat datový soubor značky z natrénovaných dat z videokamery. Než spustíme trénování, je potřeba vhodně navrhnout symbol naší nové značky a následně značku vytisknout. Pro tvorbu značek lze použít šablonu, uloženou v souboru patterns/blankPatt.gif. Nakonec je potřeba vytvořit příslušný konfigurační soubor k vytvořeným značkám.

Trasování pomocí více značek

ARToolKit umožňuje trasování jednoho objektu pomocí více značek. Pomocí sady několika značek s vzájemně neměnnou pozicí (např. značky nalepené na pevné podložce) lze určit jedinou polohu. To lze využít v případě, kdy některá značka je mimo zorný úhel pozorovatele (videokamery). V běžném případě by objekt zmizel, ale pomocí multi značek lze pozici dopočítat. Pokud je viditelná alespoň jedna značka z dané sady, ARToolKit dokáže dopočítat pozici zbylých značek, které jsou mimo zorný úhel. Sadu multi značek je potřeba nadefinovat v konfiguračním souboru marker.dat (v adresáři bin/Data/multi), obdobně jako běžné značky. Navíc je potřeba pro každou značku nastavit transformační matici, udávající přesnou polohu v souřadnicovém systému. Správné nastavení transformační matice může být v některých případech velmi obtížné.

Vývoj aplikací v ARToolKit

ARToolKit framework

ARToolKit poskytuje funkce, které se volají v určitém pořadí a tvoří tak program s rozšířenou realitou. Některé funkce je však možné používat samostatně. ARToolKit je multiplatformní, pro renderování virtuální vrstvy používá OpenGL a pro správu událostí a oken používá GLUT. API je napsáno v jazyce C.

ARToolKit tvoří tři hlavní moduly:

• AR modul – jádro systému, zajišťující trasování značek a zpracování parametrů kamery.
• Video modul – zajišťuje snímání video obrazu.
• Gsub modul – funkce zajišťující vykreslování 3D grafiky.

Obr. 4: Architektura ARToolKit.

Formát obrazových dat

Jednotlivé moduly ARToolKit používají odlišné formáty obrazových dat.

Obr. 5: Formát dat při zpracování obrazu v ARToolKit.

Kostra zdrojového kódu aplikace

1. Inicializace – inicializace a nastavení videokamery, zpracování konfiguračního souboru značek.
2. Hlavní smyčka:
   1. Načtení snímku z videokamery.
   2. Detekce trasovacích značek a rozpoznání vzorů ve snímku.
   3. Výpočet pozice a rotace kamery vzhledem k rozpoznaným značkám.
   4. Vykreslení snímku a virtuálních objektů.
3. Ukončení – ukončení snímání videokamery a vypnutí programu.

Instalace ARToolKit pro Visual Studio

Prerekvizity

• Vývojové prostředí Microsoft Visual Studio, případně Cygwin.
• Knihovna DSVideoLib, zajišťující komunikaci s ovladači videokamery (DSVideoLib je součástí instalačního balíčku ARToolKit).
• GLUT (OpenGL Utility Toolkit) runtime a SDK.
• DirectX 9.0b nebo novější.
• Videokamera nebo webkamera, podporující rozhraní USB nebo Firewire.
• OpenVRML knihovna (je součástí instalačního balíčku ARToolKit).

Instalace

1. Stáhneme instalační balíček z oficiálního webu http://www.hitl.washington.edu/artoolkit/, případně balíček ARToolKit-2.7.1-bin-book.zip z adresy http://books.ascii.jp/9784048673617/, kde jsou opraveny některé zdrojové kódy, které v původní verzi způsobovaly chyby při kompilaci programů, pracujících s OpenVRML.
2. Rozbalíme instalační balíček do adresáře [ARToolKit].
3. Rozbalíme knihovnu DSVideoLib do adresáře „DSVL“ v [ARToolKit].
4. Zkopírujeme soubory DSVL.dll a DSVLd.dll z adresáře [ARToolKit]\DSVL\bin do [ARToolKit]\bin.
5. Nainstalujeme knihovny GLUT. Dll soubory zkopírujeme do systémové složky Windows „System32“. Knihovny a hlavičkové soubory umístíme do SDK adresáře Visual Studia.
6. Spustíme skript [ARToolKit]\Configure.win32.bat, který vytvoří soubor include\AR\config.h.
7. Otevřeme ARToolKit.sln ve Visual Studiu a sestavíme solution příkazem Build.
8. Pro zprovoznění OpenVRML rozbalíme tento balíček do adresáře [ARToolKit].
9. Zkopírujeme soubor js32.dll z adresáře [ARToolKit]\OpenVRML\bin do [ARToolKit]\bin.
10. V konfiguračním manažeru Visual Studia povolíme projekty libARvrml a simpleVRML a znovu sestavíme příkazem Build.

Struktura ARToolKit

ARToolKit obsahuje následující adresáře:

• bin – nástroje, příklady, kalibrační soubory videokamery, konfigurační soubory značek a multi-značek, VRML modely a jejich konfigurační soubory, spustitelné programy končící sufixem „d“ jsou určeny pro ladění (debug)
• doc – dokumentace
• DSVL – soubory knihovny DSVideoLib
• examples – zdrojové soubory ukázkových aplikací
• include – hlavičkové soubory ARToolKit
• lib – knihovny a zdrojové kódy ARToolKit
• OpenVRML – soubory knihovny OpenVRML
• patterns – trasovací značky v PDF k vytisknutí
• util – zdrojové soubory nástrojů

Testovací a ukázkové aplikace

Po úspěšném sestavení solution bychom měli vyzkoušet testovací aplikace (v adresáři bin) a ověřit, zda vše správně funguje. Nejdříve bychom měli vyzkoušet grafický test graphicsTest, kterým ověříme správnou funkčnost OpenGL a GLUT. Na obrazovce by se měla po spuštění programu objevit modrá rotující konvička. Dále vyzkoušíme video test videoTest, kterým ověříme správnou funkčnost videokamery a zobrazování video výstupu na displeji. Na obrazovce by se mělo objevit okno s nastavením konfigurace kamery (podobně jako na obrázku 6) a po potvrzení a zvolení správného nastavení obraz z videokamery. Pokud oba tyto testy fungují správně, máte potvrzeno, že vaše kamera podporuje grafický modul a video modul ARToolKit.

Obr. 6: Nastavení konfigurace videokamery.

Pro spuštění ukázkových aplikací ARToolKit je potřeba mít k dispozici vytisknuté trasovací značky (z adresáře patterns). Některé ukázkové aplikace mají implementovaný debug mode, který se zapíná/vypíná tlačítkem „d“ a zobrazuje prahovaný obraz. U některých aplikací lze nastavit manuálně hodnotu prahu pomocí tlačítka „t“. Zdrojové kódy ukázkových aplikací nalezneme v adresáři examples.

Příklady využití

• zábava, hry
• interaktivní průvodce v muzeu
• navigace v budově
• efekty ve filmu
• reklama na plakátu

Zdroje

[1] OsgART [online]. 2009 [cit. 2010-11-04]. OsgART: Augmented Reality for OpenSceneGraph. Dostupné z WWW: <http://osgart.org/wiki/File:Build_artoolkit_simpletest.jpg>.

[2] ARToolKit [online]. 2007 [cit. 2010-11-04]. ARToolKit Documentation – How does ARToolKit work. Dostupné z WWW: <http://www.hitl.washington.edu/artoolkit/documentation/images/diagram.jpg>.

[3] ARToolKit [online]. 2007 [cit. 2010-11-04]. ARToolKit Documentation – ARToolKit framework. Dostupné z WWW: <http://www.hitl.washington.edu/artoolkit/documentation/images/artarchitecture.jpg>.

[4] ARToolKit [online]. 2007 [cit. 2010-11-04]. ARToolKit Documentation – ARToolKit framework. Dostupné z WWW: <http://www.hitl.washington.edu/artoolkit/documentation/images/formatpipeline.jpg>.

[5] ARToolKit [online]. 2007 [cit. 2010-11-04]. ARToolKit Documentation – First example.
Dostupné z WWW: <http://www.hitl.washington.edu/artoolkit/documentation/images/configCamWindows.jpg>.

[6] ARToolKit [online]. 2007 [cit. 2010-11-04]. Dostupné z WWW: <http://www.hitl.washington.edu/artoolkit/>.

[7] ARToolKit. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 16.1.2008, last modified on 11.6.2010 [cit. 2010-11-04]. Dostupné z WWW: <http://en.wikipedia.org/wiki/ARToolKit>.

[8] KATO, Hirokazu. Inside ARToolKit [online]. Japan : Hiroshima City University, 2002 [cit. 2010-11-04]. Dostupné z WWW: <http://www.hitl.washington.edu/artoolkit/Papers/ART02-Tutorial.pdf>.

[9] KATO, Hirokazu; BILLINGHURST, Mark. Marker Tracking and HMD Calibration for a Video-based Augmented Reality Conferencing System [online]. Hiroshima City University and University of Washington : Faculty of Information Sciences and Human Interface Technology Laboratory, 1999 [cit. 2010-11-04]. Dostupné z WWW: <http://www.hitl.washington.edu/artoolkit/Papers/IWAR99.kato.pdf>.

[10] ARToolworks support library [online]. 2010 [cit. 2010-11-04]. ARToolKit Professional. Dostupné z WWW: <http://www.artoolworks.com/support/library/ARToolKit_Professional>.

Výstava byla rozdělena na 4 části: Nepál, Tibet, Bhůtán a Indie. Pomocí zajímavých fotografií s popisem, poučných textů, příběhů, předmětů, rekvizit a video projekcí byl divák vtažen do děje a doslova pohlcen kulturami a náboženstvím této krásné a tajemné země. Jakoby se zastavil čas a já se na chvíli odprostil od všech starostí, stresů a užíval atmosféru pohody, světa plného barev, historie a krásné přírody.

Výstava začínala v džungli. Viděli jsme mnoho krásných fotografií místních domorodců s body-tuningem (ozdoby v uších, v nose, tetování apod.), zahráli jsme si na animistický bubínek a poseděli v chýši u ohně. Dozvěděli jsme se, že nejnebezpečnějším zvířetem v džungli není tygr nebo kobra, nýbrž komár Anopheles, který přenáší malárii. Na ní umírají milióny domorodců, kteří nemají léky. Cestovatel, který vyprávěl svůj příběh líčil, že malárii dostal 8x, ale pokaždé měl naštěstí u sebe léky.

Dále jsme se dostali do civilizace v Nepálu, kde jsme narazili na Yettiho. Ale byl na nás hodný. Na fotkách jsme si prohlédli mladou princeznu-bohyni, která je uctívána a hýčkána do té doby, než dostane první menstruaci. Poté už není čistá, stává se obyčejným člověkem a nahradí ji mladší nástupkyně.

Yetti

Došli jsme až do hor, těch nejvyšších na světě, tedy Himalájí. Na Mt. Everest vedou dvě cesty. Nejdřív jsme zvolili první cestu přes ledopád a prošli chladnou jeskyni. Přečetli jsme si příběhy horolezců (mimo jiné i dobrodružství Pražského primátora Pavla Béma), uviděli sněhuláka v Himalájích a dokonce i originál sněhovou kouli, bohužel rozteklou v uzavřené lahvi. Pak jsme se vydali tou druhou cestou přes vrcholky a vylezli až na samotný vrchol Mt. Everest. Dozvěděli jsme se také o zajímavém způsobu pohřbívání v horách. Jelikož je zde velký nedostatek stromů, kremace není příliš reálná. Pohřbení do země je zase náročné, zřejmě kvůli skalnaté a kamenité zemi. Proto se pohřbívá tím způsobem, že se zesnulý rozřeže a nechá ležet. Supi mrtvé tělo sežerou a zesnulý tak vykoná svůj poslední dobrý skutek – nakrmí svým tělem živé tvory.

Himaláje

Dostali jsme se do Tibetu a následně Bhůtánu. Zatočili jsme si modlitebími mlýnky, které za nás automaticky odříkaly modlitby, zahráli si na hrací misky, které vydávaly meditační dunivý tón, navštívili jsme klášter i obydlí chudých domorodců – obyčejný stan. Všude bylo spoustu barevných praporků s modlitbami. Modrá znamená nebe, bílá mraky, žlutá zemi, zelená vodu, červená oheň. Zajímavé bylo líčení pouti kolem nejposvátnější hory Kailas. Věřící plazivým krokem obejdou 50 km krkolomnou cestu za 3 týdny. Plazí se i po kamenech nebo v bahně.

Klášter

Ocitli jsme se na chvíli i v pekle! Dočetli jsme se  zajímavosti o východních náboženstvích. Budhismus je ateistický, v umění se často vyskytují erotické motivy a jsou uctívány falické předměty. Budhisté nesmí zabít žádného živého tvora. Hinduismus zase uctívá krávy. Hinduistou se nemůžete stát jen tak, musíte se jím narodit. Vyznavači Islámu zase nesmí jíst vepřové maso. V pekle nás zaujal krásný asijský drak, tak jsme se u něj vyfotili.

Drak

Poslední zemí, kterou jsme navštívili byla Indie, jedna z nejlidnatějších zemí světa. Přešli jsme po mostě řeku Ganga a dozvěděli se, že obyvatelé Indie konají před smrtí pouť k posvátné řece Ganga, aby zde strávili poslední chvíle života a očistili se od všech hříchů. Po smrti jsou mrtvoly spalovány a hozeny do řeky. Obřad je poměrně finančně nákladný. Ti chudší si nemohou dovolit drahé palivo na spálení, a tak nejsou spáleni zcela a stávají se potravou dravých ptáků. Prošli jsme také rušnými ulicemi Indie, kde se vyskytují nejrůznější obchodníci a živnostníci. Například čistič uší. Obyvatelé Indie mají na čele různé malůvky, které symbolizují jejich zařazení do jakési náboženské skupiny. Nakonec jsme si také nezapomněli polít vodou sochu bůžka, který prý nosí studentům štěstí při zkouškách.

Rekvizity výstavy

Výstava se mi moc líbila. Byla zajímavá a poučná. Na několika místech se pouštěly i zajímavé filmy. Bohužel nebyl čas je všechny shlédnout. Pomocí rekvizit (džungle, jeskyně, hora, klášter, peklo) jsem se dokázal na chvíli teleportovat do Asie, zastavit čas, meditovat a užívat si té příjemné atmosféry celé výstavy. Všem co ještě Šangri-la nenavštívili doporučuji, aby si pospíšili, protože výstava brzy končí. Určitě se vám bude líbit.

Hodnocení: 9/10