Python Playground (Mahesh Venkitachalam)（Z-Library）

G E E K Y P R O J E C T S F O R T H E C U R I O U S P R O G R A M M E R M A H E S H V E N K I T A C H A L A M P Y T H O N P L AYG R OU N D SHELVE IN: PROGRAM M ING LANGUAGES/ PYTHON $29.95 ($34.95 CDN) Python is a powerful programming language that’s easy to learn and fun to play with. But once you’ve gotten a handle on the basics, what do you do next? Python Playground is a collection of imaginative programming projects that will inspire you to use Python to make art and music, build simulations of real-world phenomena, and interact with hardware like the Arduino and Raspberry Pi. You’ll learn to use common Python tools and libraries like numpy, matplotlib, and pygame to do things like: • Generate Spirograph-like patterns using parametric equations and the turtle module • Create music on your computer by simulating frequency overtones • Translate graphical images into ASCII art • Write an autostereogram program that produces 3D images hidden beneath random patterns • Make realistic animations with OpenGL shaders by exploring particle systems, transparency, and billboarding techniques • Construct 3D visualizations using data from CT and MRI scans • Build a laser show that responds to music by hooking up your computer to an Arduino Programming shouldn’t be a chore. Have some solid, geeky fun with Python Playground. A B O U T T H E A U T H O R Mahesh Venkitachalam is a software engineer with two decades of programming experience. He has nurtured a passion for technology since the eighth grade, which he channels into his popular electronics and programming blog, electronut.in. P R O G R A M M I N G B A C K I N P U T T H E F U N The projects in this book are compatible with Python 2 and 3. P Y T H O N P L A Y G R O U N D P Y T H O N P L A Y G R O U N D V E N K IT A C H A L A M www.nostarch.com TH E F I N EST I N G E E K E NTE RTA I N M E NT™ “ I L I E F LAT .” Th is book uses a durab le b ind ing that won’t snap shut.

Python Playground

P y t h o n P l a y g r o u n d g e e k y P r o j e c t s f o r t h e C u r i o u s P r o g r a m m e r by Mahesh Venki tachalam San Francisco

Python Playground. Copyright © 2016 by Mahesh Venkitachalam. All rights reserved. No part of this work may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording, or by any information storage or retrieval system, without the prior written permission of the copyright owner and the publisher. First printing 19 18 17 16 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ISBN-10: 1-59327-604-4 ISBN-13: 978-1-59327-604-1 Publisher: William Pollock Production Editor: Serena Yang Cover Illustration: Josh Ellingson Interior Design: Octopod Studios Developmental Editor: William Pollock Technical Reviewers: Nicholas Kramer and Raviprakash Jayaraman Copyeditor: Kim Wimpsett Compositor: Kathleen Miller Proofreader: Paula L. Fleming Figure 8-4 was created by Fred Hsu (March 2005) and has been reproduced under the Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license. For information on distribution, translations, or bulk sales, please contact No Starch Press, Inc. directly: No Starch Press, Inc. 245 8th Street, San Francisco, CA 94103 phone: 415.863.9900; info@nostarch.com www.nostarch.com Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Venkitachalam, Mahesh. Python playground : geeky projects for the curious programmer / by Mahesh Venkitachalam. pages cm Includes index. ISBN 978-1-59327-604-1 -- ISBN 1-59327-604-4 1. Python (Computer program language) 2. Electronic apparatus and appliances--Automatic control. 3. Arduino (Programmable controller)--Programming. 4. Raspberry Pi (Computer)--Programming. I. Title. QA76.73.P98.V46 2015 005.13'3--dc23 2014046103 No Starch Press and the No Starch Press logo are registered trademarks of No Starch Press, Inc. Other product and company names mentioned herein may be the trademarks of their respective owners. Rather than use a trademark symbol with every occurrence of a trademarked name, we are using the names only in an editorial fashion and to the benefit of the trademark owner, with no intention of infringement of the trademark. The information in this book is distributed on an “As Is” basis, without warranty. While every precaution has been taken in the preparation of this work, neither the author nor No Starch Press, Inc. shall have any liability to any person or entity with respect to any loss or damage caused or alleged to be caused directly or indirectly by the information contained in it.

For my parents, A.V. Venkitachalam and N. Saraswathy, for giving me the greatest gift of all— an education & For Hema H = M 2A

B r i e f C o n t e n t s Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xvii Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix Part I: WarMIng UP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Chapter 1: Parsing iTunes Playlists . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Chapter 2: Spirographs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Part II: SIMUlatIng lIfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Chapter 3: Conway’s Game of Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Chapter 4: Generating Musical Overtones with the Karplus-Strong Algorithm . . . . . . . . . . . 55 Chapter 5: Boids: Simulating a Flock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Part III: fUn WIth IMageS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Chapter 6: ASCII Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Chapter 7: Photomosaics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Chapter 8: Autostereograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Part IV: enter 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Chapter 9: Understanding OpenGL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Chapter 10: Particle Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Chapter 11: Volume Rendering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Part V: harDWare hackIng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Chapter 12: Introduction to the Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 Chapter 13: Laser Audio Display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 Chapter 14: A Raspberry Pi–Based Weather Monitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 Appendix A: Software Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 Appendix B: Basic Practical Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 Appendix C: Raspberry Pi Tips and Tricks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319

C o n t e n t s i n d e t a i l acknowledgments xvii IntroductIon xix Who Is This Book For? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix What’s in This Book? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xx Part I: Warming Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xx Part II: Simulating Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xx Part III: Fun with Images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xx Part IV: Enter 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xx Part V: Hardware Hacking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi Why Python? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi Python Versions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxii The Code in This Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxii Part I: warmIng uP 1 1 ParsIng Itunes PlaylIsts 3 Anatomy of the iTunes Playlist File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 The Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Finding Duplicates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Extracting Duplicates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Finding Tracks Common Across Multiple Playlists . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Collecting Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Plotting Your Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Command Line Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 The Complete Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Running the Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Experiments! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2 sPIrograPhs 17 Parametric Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Spirograph Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Turtle Graphics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 The Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 The Spiro Constructor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 The Setup Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 The restart() Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

x Contents in Detail The draw() Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Creating the Animation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 The SpiroAnimator Class . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 The genRandomParams() Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Restarting the Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 The update() Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Showing or Hiding the Cursor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Saving the Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Parsing Command Line Arguments and Initialization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 The Complete Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Running the Spirograph Animation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Experiments! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Part II: sImulatIng lIfe 39 3 conway’s game of lIfe 41 How It Works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 The Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Representing the Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Initial Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Implementing the Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Sending Command Line Arguments to the Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Initializing the Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 The Complete Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Running the Game of Life Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Experiments! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4 generatIng musIcal overtones wIth the karPlus-strong algorIthm 55 How It Works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 The Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Creating WAV Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 The Minor Pentatonic Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 The Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Implementing the Ring Buffer with deque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Implementing the Karplus-Strong Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Writing a WAV File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Playing WAV Files with pygame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 The main() Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Contents in Detail xi The Complete Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Running the Plucked String Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Experiments! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5 BoIds: sImulatIng a flock 71 How It Works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 The Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Computing the Position and Velocities of the Boids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Setting Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Drawing a Boid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Applying the Rules of the Boids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Adding a Boid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Scattering the Boids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Command Line Arguments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 The Boids Class . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 The Complete Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Running the Boids Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Experiments! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Part III: fun wIth Images 87 6 ascII art 89 How It Works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 The Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Defining the Grayscale Levels and Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Computing the Average Brightness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Generating the ASCII Content from the Image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Command Line Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Writing the ASCII Art Strings to a Text File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 The Complete Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Running the ASCII Art Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Experiments! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 7 PhotomosaIcs 101 How It Works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Splitting the Target Image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Averaging Color Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Matching Images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

xii Contents in Detail Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 The Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Reading in the Tile Images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Calculating the Average Color Value of the Input Images . . . . . . . . . . . . . . . 105 Splitting the Target Image into a Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Finding the Best Match for a Tile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Creating an Image Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Creating the Photomosaic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Adding the Command Line Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Controlling the Size of the Photomosaic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 The Complete Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Running the Photomosaic Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Experiments! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 8 autostereograms 117 How It Works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Perceiving Depth in an Autostereogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Depth Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 The Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Repeating a Given Tile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Creating a Tile from Random Circles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Creating Autostereograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Command Line Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 The Complete Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Running the Autostereogram Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Experiments! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Part Iv: enter 3d 131 9 understandIng oPengl 133 Old-School OpenGL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Modern OpenGL: The 3D Graphics Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Geometric Primitives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 3D Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Shaders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Vertex Buffers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Texture Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Displaying OpenGL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

Contents in Detail xiii The Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Creating an OpenGL Window . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Setting Callbacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 The Scene Class . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 The Complete Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Running the OpenGL Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Experiments! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 10 PartIcle systems 159 How It Works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Modeling the Motion of a Particle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Setting a Maximum Spread . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Rendering the Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Using OpenGL Blending to Create More Realistic Sparks . . . . . . . . . . . . . . . 164 Using Billboarding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 Animating the Sparks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 The Code for the Particle System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Defining the Particle Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Defining the Time-Lag Array for the Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Setting the Initial Particle Velocities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Creating the Vertex Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Creating the Fragment Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Rendering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 The Camera Class . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 The Complete Particle System Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 The Box Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 The Code for the Main Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 Updating the Particles at Each Step . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 The Keyboard Handler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 Managing the Main Program Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 The Complete Main Program Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 Running the Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Experiments! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 11 volume renderIng 191 How It Works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Data Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Generating Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Displaying the OpenGL Window . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 An Overview of the Project Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Generating a 3D Texture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

xiv Contents in Detail The Complete 3D Texture Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 Generating Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Defining the Color Cube Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Creating the Frame Buffer Object . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 Rendering the Back-Faces of the Cube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Rendering the Front-Faces of the Cube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Rendering the Whole Cube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 The Resize Handler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 The Complete Ray Generation Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Volume Ray Casting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 The Vertex Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 The Fragment Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 The Complete Volume Ray Casting Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 2D Slicing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 The Vertex Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 The Fragment Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 A User Interface for 2D Slicing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 The Complete 2D Slicing Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 Putting the Code Together . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 The Complete Main File Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 Running the Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Experiments! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 Part v: hardware hackIng 233 12 IntroductIon to the arduIno 235 The Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 The Arduino Ecosystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Language . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 IDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Community . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Peripherals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Building the Light-Sensing Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 How the Circuit Works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 The Arduino Sketch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 Creating the Real-Time Graph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 The Python Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 The Complete Python Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 Running the Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 Experiments! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

Contents in Detail xv 13 laser audIo dIsPlay 249 Generating Patterns with a Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 Motor Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 The Fast Fourier Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 Constructing the Laser Display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 Wiring the Motor Driver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 The Arduino Sketch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 Configuring the Arduino’s Digital Output Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 The Main Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 Stopping the Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 The Python Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 Selecting the Audio Device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 Reading Data from the Input Device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 Computing the FFT of the Data Stream . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Extracting Frequency Information from the FFT Values . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Converting Frequency to Motor Speed and Direction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Testing the Motor Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 Command Line Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 Manual Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 The Complete Python Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 Running the Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 Experiments! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 14 a rasPBerry PI–Based weather monItor 273 The Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 The DHT11 Temperature and Humidity Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 The Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 Setting Up Your Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 Installing and Configuring Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 The Operating System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 Initial Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 Wi-Fi Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 Setting Up the Programming Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 Connecting via SSH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 The Bottle Web Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 Plotting with flot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 Shutting Down the Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 Building the Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 The Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 Handling Sensor Data Requests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 Plotting the Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 The update() Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

xvi Contents in Detail The JavaScript Handler for the LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 Adding Interactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 The Complete Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 Running the Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 Experiments! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 a software InstallatIon 297 Installing Source Code for the Book’s Projects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 Installing on Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 Installing GLFW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 Installing Prebuilt Binaries for Each Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 Other Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 Installing on OS X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 Installing Xcode and MacPorts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Installing Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Installing on Linux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 B BasIc PractIcal electronIcs 303 Common Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 Essential Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 Building Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Going Further . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 c rasPBerry PI tIPs and trIcks 311 Setting Up Wi-Fi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Checking Whether Your Pi Is Connected . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 Preventing the Wi-Fi Adapter from Going to Sleep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 Backing Up Your Code and Data from the Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 Backing Up Your Entire Pi OS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 Logging In to Your Pi with SSH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 Using the Raspberry Pi Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 Enabling Sound on Your Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 Making Your Pi Talk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 Making HDMI Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 Making Your Pi Mobile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 Checking Your Raspberry Pi Hardware Version . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 Index 319

a C k n o w l e d g m e n t s Writing a book is like running a marathon. Or so I’ve been told. But what I do know is that writing this book tested the limits of my endurance, and I couldn’t have done it without my personal cheerleading squad of close friends and family. First of all, I’d like to thank my wife Hema for her constant love, encouragement, and patience throughout the two years it took to com- plete this work. I thank my friend Raviprakash Jayaraman for being a co- conspirator in all my dubious projects, for being a technical reviewer for this book, and for interesting lunches, movies, and trips to the S.P. Road Zoo. I thank my friend Seby Kallarakkal for pushing me to pursue this book and for all the interesting discussions we had together. I am grateful to my pal Dr. Santosh Hemachandra for helpful discussions on fast Fourier transforms. I’d like to thank Karthikeyan Chellappa for help- ing me test out the installation of Python modules and for our running

xviii Acknowledgments sessions around Kaikondrahalli Lake. I would also like to thank Matthew Denham (with whom I conversed on reddit) for his help on the mathe- matics of Spirographs. I’d like to thank Tyler Ortman and Bill Pollock of No Starch Press, for accepting my book proposal, and Serena Yang, for her professional work in editing the book. I’d like to thank Nicholas Kramer for his technical review of the book. I thank my parents A.V. Venkitachalam and N. Saraswathy for providing me with an education far beyond their financial means. Finally, I thank all my teachers who inspired me. I hope to remain a student all my life.

i n t r o d u C t i o n Welcome to Python Playground! Within these pages, you’ll find 14 exciting proj- ects designed to encourage you to explore the world of programming with Python. The projects cover a wide range of topics, such as draw- ing Spirograph-like patterns, creating ASCII art, 3D rendering, and projecting laser patterns in sync with music. In addition to being fun in and of themselves, these projects are designed to be jumping- off points for you to explore your own ideas by expanding on each of the projects. who Is this Book for? Python Playground is written for anyone curious about how to use program- ming to understand and explore ideas. The projects in this book assume that you know basic Python syntax and basic programming concepts and that you’re familiar with high-school level mathematics. I’ve done my best to explain in detail the math you need for all projects.