design/dtk/pyx.tex

   1 \documentclass{scrartcl}
   2 \usepackage[latin1]{inputenc}
   3 \usepackage{ngerman,graphicx,listings,hyperref}
   4 \lstloadlanguages{Python}
   5 \lstset{language=Python,numbers=left,numberstyle=\tiny,numbersep=5pt}
   6 \def\PyX{P\kern-.3em\lower.5ex\hbox{Y}\kern-.18em X}
   7 \begin{document}
   8
   9 \title{Graphiken mit \PyX}
  10 \author{Jörg Lehmann, André Wobst}
  11 \maketitle
  12
  13 \tolerance=1500
  14
  15 \section{Einleitung}
  16
  17 Während sich \TeX/\LaTeX{} als De-facto-Standardlösung zum hochwertigen
  18 Textsatz herausgebildet haben, ist die Situation bei Programmen zum
  19 Erstellen von Abbildungen wesentlich unübersichtlicher. Verschiedenste,
  20 zumeist auf bestimmte Anwendungsfälle zugeschnittene, Lösungen
  21 konkurrieren miteinander. Ohne Anspruch auf Vollständigkeit seien hier
  22 nur \textsc{Metapost}, das vorallem Stärken bei der Erzeugung geometrischer
  23 Skizzen aufweist, \textsc{PSTricks}, das sich direkt in eine \LaTeX-Datei
  24 einbinden lässt, sowie \textsc{Gnuplot} zur Erstellung von
  25 Funktionsgraphen aufgeführt.
  26
  27 Ein Hauptkriterium bei der Auswahl einer geeigneten Lösung ist
  28 sicherlich die Integration mit \TeX/\LaTeX. Schliesslich sollte die
  29 Schriftart in der Abbildung möglichst mit derjenigen im Haupttext
  30 übereinstimmen und natürlich sollte es möglich sein, von den \TeX s
  31 Möglichkeiten des mathematischen Formelsatzes auch in Beschriftungen wie
  32 gewohnt gebrauch zu machen. Die gerade genannten Programme erfüllen
  33 diese Anforderung mehr oder minder, entweder bereits qua Design
  34 (z.B. im Falle von \textsc{PSTricks}) oder durch ein integriertes (wie
  35 bei \textsc{Metapost}) bzw. bei \textsc{Gnuplot} durch ein nachträglich aufgestülpbares
  36 \TeX/\LaTeX-Interface.
  37
  38 Ist damit also alles in Butter? Leider nein, und der Hauptgrund liegt an
  39 der mangelnden Universitaliät der eben beschriebenen Programme. Wer
  40 schon einmal versucht hat das Resultat einer numerischen Berechnung
  41 mittels \textsc{Metapost} oder \textsc{PSTricks} darzustellen, weiss wie
  42 schwierig sich ein solches Unterfangen gestalten kann. Umgekehrt ist es
  43 praktisch unmöglich, eine Schemazeichnung in \textsc{Gnuplot} zu
  44 erstellen. Und wer kompliziertere programmatische Konstrukte zur
  45 Generierung der Abbildung verwenden will, stösst bei allen drei Lösung
  46 mehr oder minder schnell an seine Grenzen.
  47
  48 Neue Lösungen sind also gefragt und eine ebensolche, die
  49 Graphikbibliothek \PyX{}, soll der Gegenstand dieses Artikels sein.
  50 Implementiert in der mächtigen, aber gleichzeitig leicht erlernbaren,
  51 Skriptsprache \textsc{Python}, stellt \PyX{} alle notwendigen
  52 Konstrukte zur programmatischen Erzeugung von qualitativ hochwertigen
  53 Abbildungen zur Verfügung. Aufbauend auf ein einer Abstraktion des
  54 \textsc{PostScript}-Zeichenmodells und einer integrierten
  55 \TeX/\LaTeX-Schnittstelle werden ausgefeilte Techniken zur
  56 Realisierung typischer Graphikaufgaben von der schematischen
  57 Darstellung bis zum Funktionsgraphen angeboten. Darüber hinausgehend
  58 bietet die \TeX-Schnittstelle sogar Möglichkeiten im Textsatz die über
  59 das bisher mit \TeX{} mögliche hinausgehen.
  60
  61 Während für das Arbeiten mit \PyX{} Grundkenntnisse in Python
  62 empfehlenswert sind, zeigt die Erfahrung, dass es, eine gewisse
  63 Programmiererfahrung vorausgesetzt, am Anfang ganz gut auch ohne
  64 solche geht. Insbesondere sollten die in diesem Artikel vorgestellten
  65 Programmbeispiele auch für Python-Neulinge verständlich sein.
  66
  67 \section{Installation}
  68
  69 \PyX{} setzt einen Python-Interpreter ab Version 2.1 voraus, der im
  70 Handumdrehen installiert ist\footnote{Bei vielen Linux-Distributionen
  71 sowie unter neueren Versionen von OS X gehört Python zur
  72 Grundausstattung. Für Windows stehen unter \url{http://www.python.org}
  73 fertige Installer zur Verfügung.}. \PyX{} kann nach dem Auspacken des
  74 Archivs im Quellverzeichnis direkt verwendet werden; eine systemweite
  75 Installation ist in der Grundkonfiguration mit einem einzigen Befehl
  76 \verb|python setup.py install| erledigt. Darüber hinaus wird für die
  77 Text-Ausgabe eine funktionsfähige \TeX-Installation vorausgesetzt, die
  78 bei den Lesern der technischen Komödie sicher sowieso vorhanden sein
  79 dürfte.
  80
  81 XXX bis hierher ist eigentlich alles ganz gut, aber jetzt
  82 wird's zu theoretisch. Ich würde vorschlagen, an die Sache
  83 viel anwendungsbezogener ranzugehen, sprich mit einem
  84 Graphen anzufangen. Ob die Erklärung des PostScript-Pfadmodells
  85 dann überhaupt noch notwendig ist, denke ich nicht.
  86
  87 \section{Grundlagen für Vektorgraphiken: Pfade}
  88
  89
  90
  91 Wie bereits erwähnt, abstrahiert \PyX{} das PostScript-Pfadsystem.
  92 Dabei lassen sich Pfade aus einzelnen Pfadelementen zusammensetzen,
  93 wobei gerade Linienstücke, Bezierkurven und Kreissegmente zur
  94 Verfügung stehen. Zusätzlich lässt sich der aktuelle Punkt beim
  95 Pfadaufbau neu setzen, so dass Pfade möglich sind, die aus mehreren,
  96 nicht zusammenhängenden Pfadteilen bestehen.  Natürlich können
  97 (Teil-)Pfade auch geschlossen werden.
  98
  99 %Dabei werden Pfade als mathematische Objekte aufgefasst, also
 100 %keine Linienbreite o.ä.  besitzen.
 101
 102 \PyX{} ergänzt diese Grundfunktionalität zur Beschreibung von Pfaden
 103 durch eine Vielzahl an geometrischen Operationen, die auf Pfaden
 104 angewendet werden können. Beispielsweise lassen sich Pfade in
 105 Teilstücke zerschneiden und neue Pfade aus bestehenden zusammensetzen.
 106 Die Parametrisierung eines Pfades ist sowohl aufgrund der Bogenlänge
 107 möglich wie auch mittels einer internen Parametrisierung auf der Basis
 108 der im Pfad enthaltenen Pfadelemente. Weiterhin möglich ist die
 109 Bestimmung von Schnittpunkten zwischen Pfaden und von geometrische
 110 Eigenschaften entlang des Pfades, wie Tangenten und Krümmungsradien.
 111 Für viele dieser Funktionen ist es notwendig, Pfade in sogenannte
 112 Normpfade zu überführen, die nur noch aus Linien und Bezierkurven
 113 bestehen und eine definierte, einstellbare Rechengenauigkeit besitzen.
 114 Diese Konvertierung geschieht automatisch, sobald es für die
 115 angeforderten Operationen notwendig ist, kann aber auch auch explizit
 116 durchgeführt werden.
 117
 118 XXX warum nicht was zum Anfang malen, ist doch die Hauptaufgabe von
 119 \PyX{}, oder?
 120
 121 In einem ersten Beispiel soll die Bogenlänge eines Einheitskreises
 122 bestimmt werden. Dies erledigt folgendes kleine Python-Script:
 123 \begin{quote}
 124 \lstinputlisting{unitcircle.py}
 125 \end{quote}
 126 Abgespeichert als Datei \verb|unitcircle.py| kann es mit dem Befehl
 127 \verb|python unitcircle.py| ausgeführt werden.
 128
 129 XXX im folgenden sind wir schon ganz schön tief drinnen, obwohl wir
 130 noch gar nichts gezeigt haben. Der weniger geneigte Leser sagt hier
 131 eventuell ade. Ist also vielleicht ein schlechtes Beispiel, oder?
 132
 133 In der ersten Zeile dieses Beispiels werden die \PyX{}-Module geladen.
 134 Die zweite Zeile legt einen Einheitskreis an der Koordinatenposition
 135 \verb|(0, 0)| mit dem Radius \verb|1| an. Das Koordinatensystem, das
 136 \PyX{} verwendet, ist eine x-y-Ebene, in der die x-Achse horizontal
 137 nach rechts verläuft und die y-Achse vertikal nach oben. Als Einheit
 138 wird standardmäßig \verb|1 cm| verwendet.
 139
 140 In der dritten Zeile des Beispiels wird die Bogenlänge des Kreises
 141 ausgegeben. Als Ausgabe erscheint: \begin{quote} \begin{verbatim}
 142 (0.062832 t + 0.000000 u + 0.000000 v + 0.000000 w + 0.000000 x) m
 143 \end{verbatim} \end{quote} Dieses etwas längliche Ergebnis mag
 144 zunächst etwas überraschen. Andererseits zeigt es aber bereits eine
 145 Grundfunktionalität des Einheitensystems von \PyX. Es gibt mehrere
 146 Längenskalen, die unabhängig voneinander eingestellt werden können.
 147 Die Komponenten \verb|t| bis \verb|x| stehen für \glqq{}true\grqq{}
 148 (unskalierbar), \glqq{}user\grqq{} (Standardskala),
 149 \glqq{}visual\grqq{} (für Abstände), \glqq{}width\grqq{} (für
 150 Linienbreiten) und \glqq{}\TeX\grqq{} (für Textgrößen). Nachdem
 151 ursprünglich gar keine Einheiten angegeben wurden, wurde in der
 152 \glqq{}user\grqq-Längenskala im cm-Maßstab gearbeitet. Bei der
 153 Berechnung der Bogenlänge mussten die Einheiten aufgelöst werden.
 154 Folglich wird ein Ergebnis in der \glqq{}true\grqq-Längenskala in
 155 Metern zurückgeliefert. Die anderen Komponenten werden zwar mit
 156 ausgegeben, sind aber alle Null. Die recht komplizierte Darstellung
 157 einer Länge als Zeichenkette braucht nicht weiter zu beunruhigen, denn
 158 man kann mit diesen Einheiten ganz normal rechnen. Als Vorteil bleibt,
 159 dass man beispielsweise die Größe einer fertigen Abbildung und die
 160 verwendeten Liniendicken unabhängig voneinander variieren kann.
 161
 162 \section{Ausgabe von Pfaden: Dekoratoren}
 163
 164 Um Pfade auszugeben, müssen diese zunächst mit Zeichenattributen
 165 versehen werden. Diese Aufgabe wird von sogenannten Dekoratoren
 166 ausgeführt, die dekorierte Pfade erzeugen, die neben dem Pfad selbst
 167 auch Attribute für das Zeichnen und Füllen des Pfades enthalten.
 168 Zusätzlich können dekorierte Pfade Teile des ursprünglichen Pfades vom
 169 Zeichnen ausschließen und Verziehrungen wie beispielsweise
 170 Pfeilspitzen anbringen. Es ist möglich, mehrere Dekoratoren zusammen
 171 oder sogar ineinander wirken zu lassen. Um das am Beispiel eines
 172 Pfeiles zu demonstrieren, benötigt man noch eine Zeichenfläche, die
 173 man nach Einfügen des dekorierten Pfades in eine PostScript oder PDF
 174 Datei ausgeben kann. Der entsprechende Quelltext lautet:
 175
 176 XXX der Pfeil sieht ehrlicherweise nicht so toll aus (wegen der
 177 gestrichelten Linie -> als erstes Beispiel nicht optimal (TeX-Fritzen
 178 sind doch visuell empfindliche Zeitgenossen) Notfalls lassen wir
 179 einfach die gestrichelte Linie weg.
 180
 181 \begin{quote}
 182 \lstinputlisting{arrow.py}
 183 \end{quote}
 184 \begin{figure}[tp]
 185 \centerline{\includegraphics[width=4cm]{arrow}}
 186 \caption{Pfeil-Beispiel. Die Abbildung ist stark vergrößert, da das
 187 Original sehr klein ist und auf die Weise die Details bequem sichtbar
 188 werden.}
 189 \label{fig:arrow}
 190 \end{figure}
 191 Die Ausgabe, die durch dieses Python-Script erzeugt wird, ist in
 192 Abbildung~\ref{fig:arrow} zu sehen.
 193
 194 Zunächst werden in Zeile 2 und 3 eine Zeichenfläche \verb|c| und ein
 195 Pfad \verb|p| angelegt. In Zeile 4 und 5 wird eine Liste aus zwei
 196 Dekoratoren angelegt, die zum Zeichen und Füllen des Pfeils verwendet
 197 werden sollen. Der entsprechende Pfeildekorator wird in Zeile 6 aus
 198 dem bestehenden Pfeildekorator \verb|deco.earrow.large| erzeugt, also
 199 eine abgewandelte Version des schon existierenden Dekorators gebildet.
 200
 201 In Zeile 7 kann nun die eigentliche Ausgabe stattfinden. Die
 202 ausführliche Schreibweise wäre, für den Pfad selbst nochmal einen
 203 \verb|stroked|-Dekorator anzuwenden und das Ganze mittels der
 204 \verb|canvas|-Methode \verb|show| auszugeben. Das würde dann so
 205 lauten: \verb|c.show(p, [deco.stoked([style.linestyle.dashed]), a])|.
 206 Nachdem man Pfade aber sehr oft einfach nur Zeichen oder Füllen
 207 möchte, gibt es die zwei \verb|canvas|-Methoden \verb|stroke| und
 208 \verb|fill|, die jeweils den unmodifizierten Dekorator
 209 \verb|deco.stroked| und \verb|deco.filled| zur Zeichenattributliste
 210 hinzufügen. In Wirklichkeit ist Zeile 7 in Beispiel also identisch zu
 211 \verb|c.show(p, [deco.stoked, style.linestyle.dashed, a])|. Hier
 212 werden also Dekoratoren und Zeichenattribute auf der selben
 213 Hierarchieebene gemischt, was bedeutet, dass die Zeichenattribute dann
 214 für alle Dekoratoren zu verwenden sind. Soweit so gut, doch der
 215 aufmerksame Leser mag einwenden, dass das gar nicht dem entspricht, was in der Abbildung gezeigt ist. Dort ist nämlich die
 216 Umrandung des Pfeils nicht gestrichelt. In der Tat würde diese Linie
 217 gestrichelt dargestellt, hätte nicht bereits der Pfeildekorator
 218 \verb|deco.earrow.large| die Eigenschaft, den Linienstil für seinen
 219 Wirkungsbereich auf durchgezogen zu schalten. Aber man kann dieses
 220 Verhalten durch das zusätzliche Attribut \verb|deco.linestyle.clear|
 221 auf der richtigen Hierarchieebene beim Modifizieren eines Dekorators
 222 sogar wieder entfernen! Wenn man \verb|deco.linestyle.clear| in die
 223 Liste \verb|d| einfügt, erhält man eine gestrichelte Pfeilumrandung.
 224
 225 Das Beispiel eben hat gezeigt, dass die Verknüpfung von
 226 Zeichenattributen im Detail recht komplex werden kann. Gleichzeitig
 227 ermöglicht \PyX{} es, solche komplexen Strukturen durch geeignete
 228 Dekoratoren überhaupt darzustellen und einmal vorgefertigt immer
 229 einsatzbereit zur Verfügung zu haben. Der Pfeildekorator, der
 230 automatisch auf durchgezogene Linien schaltet, ist so ein Beispiel,
 231 das zunächst unnötig komplex anmutet, aber im praktischen
 232 Anwendungsfall beinahe immer automatisch das gewünschte Ergebnis liefert.
 233
 234
 235 \section{Modifikation von Pfaden: Deformatoren}
 236
 237 Deformatoren werden dazu verwendet, einen gegebenen beliebigen Pfad in
 238 einen anderen Pfad umzuwandeln. Ein ganz einfaches Beispiel sind
 239 affine Transformationen wie die Translation oder die Rotation eines
 240 Pfads.  Mehrere solche Umformungen sind normalerweise nicht
 241 kommutativ.
 242
 243 XXX hier kommt die komplizierte Methode vor der einfachen.
 244 Ebenso wird gleich auf ein Problem (Hierarchieebenen) hingewiesen,
 245 das für viele Benutzer gar keines sein dürfte.
 246
 247 Man kann Pfade explizit umformen, indem man die
 248 \verb|deform|-Methode eines Deformators verwendet, aber es ist auch
 249 möglich, Deformatoren bei der Ausgabe eines Pfades direkt anzuwenden.
 250 Allerdings müssen die Deformatoren direkt auf der ersten
 251 Hierarchieebene angegeben sein, können also nicht als Argumente von
 252 Dekoratoren auftreten.  Deformatoren werden dann stets in der
 253 Reihenfolge ihres Auftretens noch vor dem Dekorieren auf den gegebenen
 254 Pfad angewendet. Durch diese Einschränkungen bleibt das Ganze
 255 durchschaubar und vor allem auch wohldefiniert. Trotzdem lassen sich
 256 damit sehr elegante Ergebnisse erreichen, wie das folgende Beispiel zeigt,
 257 das drei, kreisförmig angeordnete, durch Federn verbundene Massen darstellt.
 258 \begin{quote}
 259 \lstinputlisting{springs.py}
 260 \end{quote}
 261 \begin{figure}[tp]
 262 \centerline{\includegraphics{springs}}
 263 \caption{Feder-Beispiel}
 264 \label{fig:springs}
 265 \end{figure}
 266 Das Ergebnis ist in Abbildung~\ref{fig:springs} zu sehen.
 267
 268 In den ersten zehn Zeilen dieses Beispiels wird wie vorher gezeigt das
 269 \PyX-Paket geladen, ein paar Parameter definiert und eine
 270 Zeichenfläche erzeugt. Interessant wird es ab Zeile 11, wo ein
 271 kreisförmiger Pfad generiert wird, der später in die drei Federn
 272 umgeformt werden soll.  Dazu wird in Zeile 12 und 13 zunächst eine
 273 Liste von Bogenlängen erzeugt, auf denen die Massen platziert werden.
 274 Die Variable \verb|i| läuft mittels Python's \verb|range|-Funktion
 275 über die Werte \verb|0|, \verb|1|, und \verb|2|.  Mit der Schleife
 276 beginnend auf Zeile 14 wird der ursprüngliche \verb|springcircle| in
 277 drei Einzelteile zerlegt, die der Variable \verb|springsegment|
 278 zugewiesen sind. Mit einem geeigneten Zykliod-Deformator kann dieses
 279 Pfadstück in den Zeilen 15--17 direkt ausgegeben werden. Interessant
 280 ist auch der zweite Deformator, der auf Zeile 17 steht. Dieser glättet
 281 den gegeben Pfad, was in diesem Beispiel zu den etwas abgerundet
 282 angedeuteten Übergängen zwischen den geraden Federendstücken und dem
 283 gedrillten Federmittelstück führt. In Zeile 18 und 19 werden die drei
 284 Massen gezeichnet und die Zeilen 20 und 21 fügen die beiden Kreise
 285 hinzu, die das skizzierte Massesystem einschließen.
 286 % Die Bestimmung der Schwingungsmoden dieses System soll hier nicht
 287 % weiter verfolgt werden, gehört das doch eher in eine einführende
 288 % Mechanik-Vorlesung denn in die Technische Komödie.
 289
 290 \section{Erzeugung von Text: die \TeX/\LaTeX-Integration}
 291
 292 Für die Textausgabe in \PyX{} wird \TeX{} oder alternativ \LaTeX{}
 293 verwendet. Die Herausforderung besteht dabei darin, diese Programme
 294 möglichst perfekt in das Graphiksystem zu integrieren. Zu diesem Zweck
 295 ist im \verb|text|-Modul ein \verb|texrunner| implementiert, dessen
 296 Instanzen jeweils ein laufendes \TeX{} oder \LaTeX{} steuern.
 297 Normalerweise wird nur ein einziger solcher \verb|texrunner| benötigt und
 298 dieser wird von dem System als \verb|defaulttexrunner| auch schon zu
 299 Beginn initialisiert. Die wesentlichen Schritte bei der Erzeugung von
 300 Text sind dann:
 301 \begin{itemize}
 302 \item \TeX{} oder \LaTeX{} wird als normaler Prozess gestartet und
 303 überwacht. \PyX{} kann dann Dinge auf den Eingabestrom des Prozesses
 304 schreiben und analysiert gleichzeitig, wie \TeX{} oder \LaTeX{} darauf
 305 reagiert.
 306 \item Sobald Text gesetzt werden muss, wird dieser von \PyX{} mit
 307 entsprechenden Befehlen versehen, die den Text in eine Box setzen und
 308 diese Box in der \verb|dvi|-Datei als einzelne Seite ausgeben. Die
 309 Größe der Box wird direkt auf dem Ausgabestrom zurückgegeben und steht
 310 instantan zur Verfügung steht. Auch merkt das System an dieser Stelle
 311 zuverlässig, ob Probleme beim Setzen des Textes aufgetreten sind.
 312 \item Sobald der gesetzte Text selbst benötigt wird, wird die
 313 \verb|dvi|-Datei analysiert. Das ist in der Regel erst bei der
 314 Erzeugung der Ausgabedateien nötig. Normalerweise muss \TeX{} bzw.
 315 \LaTeX{} dazu beendet werden. Die \verb|texrunner|-Instanz macht dies
 316 automatisch, wie auch das erneute Starten eines \TeX- bzw.
 317 \LaTeX-Prozesses, falls das notwendig wird. Es besteht auch die
 318 Möglichkeit, die \verb|ipc|-Option von \TeX/\LaTeX{} auszunutzen, so
 319 sie in der vorhandenen \TeX-Installation zur Verfügung steht und damit
 320 die \verb|dvi|-Datei zu analysieren, ohne \TeX{} bzw. \LaTeX{} beenden
 321 zu müssen.
 322 \item \PyX{} baut aus den Daten, die in der \verb|dvi|-Datei stehen,
 323 entsprechenden PostScript- bzw. PDF-Code. Dabei werden momentan
 324 ausschließlich Type1-Fonts verwendet, wie sie bei aktuellen
 325 \TeX-Installation auch von dvips oder pdf\TeX{} benutzt werden.
 326 \PyX{} arbeitet ähnlich zu diesen Programmen und verwendet die
 327 vorhandene \TeX{}-Installation, löst also virtuelle Fonts auf,
 328 schlägt in der vorliegenden \verb|map|-Datei nach und baut die
 329 Type1-Fonts heruntergerechnet auf die benötigten Gylphen ein. Im
 330 Grunde ist ein kleiner Teil von \PyX{} also ein \verb|dvips| und ein
 331 \verb|dvipdf|.\footnote{In der Tat steht ein kleines Kommandozeilenprogramm zur
 332 Verfügung, welches aus einer gegebenen \texttt{dvi}-Datei eine
 333 PostScript oder eine PDF-Datei erzeugt. Eine solche Funktionalität ist
 334 auf der Basis von \PyX{} mit einer handvoll Zeilen implementiert.}
 335 \item Der \verb|dvi|-Interpreter von \PyX{} unterstützt einen
 336 wohldefinierten Satz an \verb|\special|-Anweisungen. Eine Anpassung an
 337 die \verb|graphic[s/x]|- und \verb|color|-Pakete wird mitgeliefert.
 338 Darüber hinaus ist es möglich, im gesetzten Text sogenannte Marker
 339 einzubauen und deren Position in der Ausgabe wiederzufinden.
 340 \end{itemize}
 341
 342 Die Integration von \TeX/\LaTeX{} in \PyX{} bedeutet, dass man im
 343 normalen Anwendungfall überhaupt nichts vom verwendeten \TeX/\LaTeX{}
 344 merkt, außer, dass man für die Textausgabe einen echten
 345 \TeX-Interpreter zur Hand hat und in programmiertechnischer Hinsicht
 346 keinerlei Einschränkungen auferlegt sind. Wie das am Ende aussieht,
 347 soll auch wieder an einem Beispiel demonstriert werden. Dazu folgendes
 348 kleines Programm:
 349 \begin{quote}
 350 \lstinputlisting{text.py}
 351 \end{quote}
 352 Die entstehende Ausgabe lohnt nicht des Abdrucks als extra Abbildung
 353 -- in der Ausgabedatei erscheint schlicht und einfach der angegebene Text.
 354
 355 Neu an diesem Beispiel ist nur die dritte Zeile, in der die
 356 \verb|canvas|-Methode \verb|text| aufgerufen wird. Diese fügt einen
 357 Text an der Position, die mit den ersten beiden Parametern beschrieben
 358 wird, ein. Das \verb|r| vor der Zeichenkette führt dabei dazu, dass
 359 das Zeichen \verb|\| innerhalb der Zeichenkette nicht als
 360 \glqq{}escape\grqq-Zeichen interpretiert wird. Diese nützlichen
 361 sogenannten \glqq{}raw-strings\grqq{} in Python sind natürlich
 362 insbesondere für Zeichenketten, die \TeX{}-Syntax enthalten, sehr
 363 praktisch. Ausführlicher geschrieben ist die dritte Zeile identisch zu
 364 dem Befehl
 365 \verb|c.insert(text.text(0, 0, r"Das ist eine Textausgabe mit \TeX."))|,
 366 wobei die Funktion \verb|text.text| wiederum eine Abkürzung für den
 367 Aufruf der Methode \verb|text| in der Instanz
 368 \verb|text.defaulttexrunner| ist. Der Rückgabewert dieser
 369 \verb|text|-Methode ist dabei eine spezielle Zeichenfläche, die den
 370 Inhalt der jeweiligen \verb|dvi|-Seite enthält. Da man Zeichenflächen
 371 per \verb|insert|-Methode ineinander einfügen kann, erscheint der
 372 Inhalt der Seite in der Ausgabezeichenfläche, die in der Variablen
 373 \verb|c| gespeichert ist. Statt die Ausgabe der \verb|text|-Methode in
 374 die Ausgabe einzubinden, könnte man stattdessen natürlich auch
 375 deren Größe abfragen oder ähnliches.
 376
 377 \begin{figure}[tp]
 378 \centerline{\includegraphics{valign}}
 379 \caption{Beispiel der vertikalen Ausrichtung von Text mittels
 380 Textattributen}
 381 \label{fig:valign}
 382 \end{figure}
 383 Abbildung~\ref{fig:valign} zeigt beispielhaft anhand verschiedener
 384 vertikaler Ausrichtungsmethoden, was im Rahmen der \TeX-Integration in
 385 \PyX{} möglich ist. Die Textausrichtung, wie auch viele andere
 386 Eigenschaften, lassen sich dabei ganz einfach anhand von Attributen
 387 setzen. Beispiele mit zugehörigem Quellcode finden sich auf der
 388 \PyX-Beispielseite unter \url{http://pyx.sourceforge.net/examples/}.
 389
 390 \section{Komplexe Graphikaufgaben: Graphen}
 391
 392 Aufgrund der Praxisrelevanz für die Autoren wurde bereits zu einem
 393 frühen Zeitpunkt in der \PyX-Entwicklung damit begonnen, Komponenten
 394 für die Erstellung von Daten- und Funktionsgraphen zu implementieren.
 395 Eine Designrichtlinie war dabei von Beginn an die Zerlegung eines
 396 solchen Systems in Einzelteile, die möglichst unabhängig voneinander
 397 sind und die mit einfachen Schnittstellen miteinander kommunizieren.
 398 Die grobe Struktur des Systems lautet:
 399 \begin{description}
 400 \item[Graph:] Der eigentliche Graph wird durch eine Graph-Instanz
 401 repräsentiert. Dieser legt die Graphengeometrie fest und dient als
 402 Container für alle graph-spezifischen Daten.
 403 \item[Achsen:] Die Achsen sind dafür zuständig, die Eingabedaten auf
 404 das graphinterne Koordinatensystem umzurechnen. Dabei ist es möglich,
 405 als Eingabedaten auch anderes als kontinuierliche Zahlen zu verwenden.
 406 beispielsweise sind diskrete Achsen möglich, wie sie für die saubere
 407 Implementation von Balkengraphen unverzichtbar sind. Auch
 408 Achsenteilungen
 409 % XXX was meinst Du hier mit Achsenteilungen? Splitaxis?
 410 sind möglich, indem man kontinuierliche Achsen in
 411 diskret geteilte Achsen schachtelt.
 412
 413 Außerdem müssen Achsen eine graphische Repräsentation ihrer selbst
 414 entlang eines beliebigen Pfades erzeugen können, was wiederum durch
 415 eine Reihe von Einzelkomponenten erledigt wird:
 416 \begin{description}
 417 \item[Achsenteilung:] Bestimmung von Achsenteilungen, wobei manuell
 418 gesetzte Achsenstriche mit automatisch erzeugten Achsenstrichen
 419 gemischt werden können. Die Achsenteilung für normale Zahlenachsen
 420 basiert auf rationalen Zahlen und ist frei von jeglichen
 421 Rundungsproblemen.
 422 \item[Beschriftung von Achsenstrichen:] Die Erzeugung von Text passend
 423 zu den Achsenstrichen ist als getrennte Komponente ausgeführt und
 424 somit leicht änderbar.
 425 \item[Bewertung von Achsenteilungen:] Bei automatischer Achsenteilung
 426 sind normalerweise verschiedene Teilungen möglich, die bewertet werden
 427 müssen, um die beste Teilung zu finden. Dabei werden auch Abstände
 428 zwischen den Texte der Achsenstriche hinzugezogen.
 429 \item[Zeichner:] Der Zeichner ist eine Komponente, die die Ausgabe der
 430 Achse ausführt. Auch dieser Teil lässt sich anpassen oder auch
 431 komplett ersetzen.
 432 \end{description}
 433 \item[Daten:] Verschiedene Datenkomponenten bereiten Eingabedaten
 434 gegeben durch Zahlenspalten einer Datei, durch eine Funktion oder
 435 anderen Quellen für die Benutzung im Graphsystem vor. Insbesondere
 436 werden die Daten dabei mit Spaltennamen versehen, was die spätere
 437 Zuordnung zu Achsen oder Stileigenschaften ermöglicht.
 438 \item[Stile:] Graphstile erzeugen aus den eingehenden Daten eine
 439 graphische Repräsentation. Es gibt also beispielsweise Stile zum
 440 Zeichnen von Symbolen, Linien und Fehlerbalken und vieles andere mehr.
 441 Interessant ist die Eigenschaft, dass sich verschiedene Stile
 442 gleichzeitig auf Daten anwenden lassen. Außerdem lassen sich durch
 443 Implementation eigener Stile Dinge realisieren, die zunächst überhaupt
 444 nicht nach einem Graph aussehen sondern eher beispielsweise wie eine
 445 Tabelle. Dabei lässt sich dann aber gleichzeitig die
 446 Komponentenstruktur eines Graphen ausnutzen.
 447 \item[Legende:] Eine Legende schließlich erzeugt eine graphische
 448 Darstellung, die Stile mit Titeln der gezeigten Daten verknüpft.
 449 \end{description}
 450
 451 Die Flexibilität des Graphsystems führt zu einer entsprechend großen
 452 Anzahl unterschiedlicher Anwendungsbeispiele. An dieser Stelle soll
 453 nur ein einfaches Beispiel gezeigt werden, um die prinzipielle
 454 Funktionsweise vorzustellen. Darüber hinaus ist ein Besuch auf der
 455 \PyX-Beispielseite unter \url{http://pyx.sourceforge.net/examples/}
 456 sehr zu empfehlen.
 457
 458 \begin{figure}[tp]
 459 \centerline{\includegraphics{piaxis}}
 460 \caption{Graph-Beispiel}
 461 \label{fig:piaxis}
 462 \end{figure}
 463 Die Abbildung~\ref{fig:piaxis} wird durch folgendes Programm erzeugt:
 464 \begin{quote}
 465 \lstinputlisting{piaxis.py}
 466 \end{quote}
 467 In Zeile 1 wird die Variable \verb|pi| aus dem \verb|math| Modul von
 468 Python geladen. Dann folgt wieder der übliche Import der \PyX-Module.
 469 In Zeile 3 und 4 werden zwei Klassen direkt importiert. Durch Zeile 3
 470 wird beispielsweise erreicht, dass eine lineare Achse statt unter
 471 ihrem langen Namen \verb|pxy.graph.axis.linear| direkt unter dem Namen
 472 \verb|linear| zur Verfügung steht. In den Zeilen 6 bis 9 wird eine
 473 Graph-Instanz \verb|g| angelegt. Als Grapheigenschaften werden dabei
 474 unter anderem \verb|x| und \verb|y|-Achsen mit speziellen
 475 Einstellungen explizit gesetzt. In Zeile 11 und 12 werden zwei
 476 Funktionen zum Graph hinzugefügt und schon ist alles fertig und kann
 477 in Zeile 14 in einer Datei gesichert werden.
 478
 479 \section{Entwicklung von \PyX}
 480
 481 XXX wie gesagt -> löschen (bis auf den letzten Absatz)
 482
 483 Aber: wir brauchen noch was zu den ausgefalleneren TeX-Sachen
 484 und einen Ausblick in die Zukunft.
 485
 486
 487 Das \PyX-Projekt ist, wie wohl die Mehrzahl der OpenSource-Projekte,
 488 zunächst aus Eigenbedarf der beiden Projektgründer und
 489 Hauptentwickler, Jörg Lehmann und André Wobst, Mitte 2000 gestartet
 490 wurden. Diesem Start eines sich schon seinerzeit abzeichnenden
 491 langwierigen Entwicklungsprozesses gingen zahlreiche Diskussionen und
 492 Tests existierender anderer Lösungen voraus. Ursprünglich waren die
 493 Entwickler Benutzer von GLE (\url{http://glx.sourceforge.net/}), was
 494 sich wie \PyX{} auch vor allem dadurch auszeichnete, dass sich damit
 495 Zeichnungen wie auch Daten- und Funktionsgraphen erstellen lassen. Die
 496 fehlende \TeX-Anbindung wurde durch gletex
 497 (\url{http://www.physik.uni-augsburg.de/~wobsta/gletex/}) im Rahmen
 498 der bescheidenen Möglichkeiten hinzugefügt, aber das eigentliche
 499 Problem der völlig fehldesignten GLE-eigenen Sprache konnte auf die
 500 Weise nicht angegangen werden. Zunächst trennten sich die Wege der
 501 Entwickler (auch räumlich) und während Jörg Lehmann versuchte, eine
 502 GLE-Ersatzlösung auf der Basis von Perl und einem GLE-Übersetzer zu
 503 starten und André Wobst einlud, daran mitzuwirken, beschäftigte sich
 504 dieser lieber mit Graphen-Lösungen auf der Basis von
 505 {\font\logo=logo10\logo{}METAPOST}, allerdings am Ende frustriert ob
 506 der Probleme aufgrund der für dieses Problem ungeeigneten, zu sehr auf
 507 Zeichnen spezialisierten und ansonsten unhandlich unvollständigen
 508 Sprache.
 509
 510 Als schließlich die Entwickler wieder zusammentrafen, starteten sie
 511 das \PyX-Projekt auf der Basis der Programmiersprache Python und
 512 verwarfen die Idee, eine vollständige sprachliche GLE-Kompatibilität
 513 zu schaffen. Gleichwohl besaßen frühe Versionen eine
 514 Endbenutzer-Sprachschicht, die allein mit Funktionsaufrufen und nicht
 515 mit Objektinstanzen arbeitete. Allerdings liessen sich in Python keine
 516 Strukturen schaffen, die einem GLE-typischen Abschnitt zur
 517 Beschreibung eines Graphen entsprachen, weshalb hier relativ bald auf
 518 Objektmethoden ausgewichen wurde. Schließlich setzte sich die
 519 Benutzung von Objektinstanzen auch für Zeichenflächen, Pfade und
 520 dergleichen durch. In den ersten frühen Versionen wurde übrigens
 521 \verb|dvips| verwendet, um \TeX{} anzubinden. Erst deutlich später
 522 wurden die Einschränkungen, die diese Lösung mit sich brachte, Grund
 523 genug ein eigenen \verb|dvi|-Parser zu schreiben. Bereits 2001 wurden
 524 die Grundlagen soweit fertig, dass Ende 2001 für das Erzeugen einer
 525 komplexen Tabelle  das erste Mal \PyX{} den Vorzug gegenüber einer
 526 \TeX{} bzw. \LaTeX{} Lösung bekam. Im Frühjahr 2002 wurde das erste
 527 Mal ein A0-Poster mit \PyX{} erstellt, wobei die Graphen noch mit GLE
 528 erzeugt wurden. Zu diesem Zeitpunkt wurde der Quellcode
 529 einschließlich seiner Geschichte bis zurück ins Jahr 2000 bei
 530 SourceForge veröffentlicht. Im Herbst 2002 wurde \PyX{} 0.1
 531 freigegeben und seit Version 0.3.1 vom April 2003, die auf freshmeat
 532 bekanntgegeben wurde, erfreut sich das Projekt zunehmender Nutzung
 533 auch durch nicht den Entwicklern nahestehenden Personen. Zudem wurden
 534 mit Michael Schindler und Gert-Ludwig Ingold zwei Mitstreiter
 535 gewonnen, die das Projekt zusätzlich voranbringen.
 536
 537 Die Entwicklung von \PyX{} ist aber keineswegs ein geradliniger
 538 Prozess. Insbesondere hat die Erarbeitung von effizienten Strukturen
 539 für den Endanwender viele Entwicklungsschritte und deshalb auch
 540 inkompatible Veränderungen zwischen den Versionen notwendig gemacht.
 541 Mittlerweile sind viele der Strukturen aber schon sehr ausgereift und
 542 stabil, wie man auch an den immer wieder neu freigegebenen Versionen
 543 beobachten kann. Die aktuelle Version \PyX{} 0.8.1 vom August 2005
 544 wird von den Entwicklern jedoch nach wie vor als Alpha-Release
 545 bezeichnet, was vor allem ausdrücken soll, dass in bestimmten
 546 Bereichen noch Aktualisierungen geplant sind, die zumindest teilweise
 547 auch vom Anwenderstandpunkt aus sichtbar sein werden. Nachdem aber
 548 bereits sehr viele \PyX-Programme existieren, sind größere, nicht
 549 einfach handhabbare Umstellungen in zukünftigen Versionen zunehmend
 550 sehr unwahrscheinlich.
 551
 552 An dieser Stelle möchten wir uns ganz herzlich bei DANTE e.V. und
 553 dessen Vorstand bedanken, der im Sommer 2004 auf eine Anfrage hin ganz
 554 unbürokratisch zugestimmt hat, die relativ regelmäßig drei bis vielmal
 555 im Jahr stattfindenden Entwicklertreffen finanziell durch die
 556 Übernahme von anfallenden Fahrtkosten zu unterstützen. Durch die
 557 mittlerweile wieder vorhandene räumliche Trennung der Hauptentwickler
 558 ist diese Förderung enorm wichtig für die erfolgreiche Fortführung des
 559 Projekts.
 560
 561 \end{document}