Programación Funcional Avanzada

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1 Programación Funcional Avanzada Interfaz de Usuario y Visualización Ernesto Hernández-Novich Universidad Simón Bolívar Copyright c Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

2 Construcción de Interfaces de Usuario Interfaz de Usuario Gráfica GUI usando Gtk2Hs Gnome Toolkit y Haskell Gtk+ (Gnome Toolkit) Extenso, robusto y maduro. Multiplataforma Linux, MacOSX y Windows. Programación por eventos. Provee widgets modelados como clases para C/C++. Misceláneos botones, sliders... Agregados selector de archivos, calendario... Contenedores ventanas, grids... Activos menúes, barras de herramientas... Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

3 Construcción de Interfaces de Usuario Interfaz de Usuario Gráfica GUI usando Gtk2Hs Gnome Toolkit y Haskell Gtk+ (Gnome Toolkit) Extenso, robusto y maduro. Multiplataforma Linux, MacOSX y Windows. Programación por eventos. Provee widgets modelados como clases para C/C++. Misceláneos botones, sliders... Agregados selector de archivos, calendario... Contenedores ventanas, grids... Activos menúes, barras de herramientas... Gtk2Hs librería y utilitarios Haskell para aprovechar Gtk+. FFI para enlazarse con la librería Gtk+. Transformar jerarquía de clases Gtk+ en tipos Haskell. Generador de callbacks desde C hacia Haskell. Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

4 Construcción de Interfaces de Usuario Los widgets Unidades de interfaz que pueden combinarse Gnome Toolkit y Haskell Cada widget tiene atributos particulares Apariencia, contenido y comportamiento (callbacks). set y := establecer atributos set widget [ attr1 := foo, attr2 := bar ] get obtener el valor del atributo v <- get widget attr1 Cómo construir una aplicación? Establecer jerarquía de widgets empaquetamiento (packing). Definir las reacciones ante eventos externos. Expresar las alteraciones sobre los atributos. Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

5 Construcción de Interfaces de Usuario El programa más simple Uso básico de widgets import Graphics. GUI. Gtk hello b = set b [ buttonlabel := " Hello World "] main = do initgui window <- windownew button <- buttonnew set window [ windowdefaultwidth := 200, windowdefaultheight := 200, containerchild := button, containerborderwidth := 10] onclicked button ( hello button ) ondestroy window mainquit widgetshowall window maingui Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

6 Construcción de Interfaces de Usuario Empaquetamiento manual Uso básico de widgets main = do initgui window <- windownew hbox <- hboxnew True 10 button1 <- buttonnewwithlabel " Button 1" button2 <- buttonnewwithlabel " Button 2" set window [ windowdefaultwidth := 200, windowdefaultheight := 200, containerborderwidth := 10, containerchild := hbox ] boxpackstart hbox button1 PackGrow 0 boxpackstart hbox button2 PackGrow 0 ondestroy window mainquit widgetshowall window maingui Cajas horizontales o verticales hboxnew y vboxnew. PackGrow lo hace elástico PackNatural preserva. Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

7 Construcción de Interfaces de Usuario Widgets generales Botones Botón Normal Creación buttonnew, buttonnewwithlabel... Señales onpressed, onreleased, onclicked, onenter y onleave. Botón Toggle alternan oprimido y liberado. Creación toggelbuttonnew, togglebuttonnewwithlabel... Estado togglebuttongetactive, toggelbuttonsetactive. Botón Check un toggle visualmente diferente. Botón Radio botones agrupados. Creación radiobuttonnew, radiobuttonnewwithlabel... Agrupamiento radiobuttonnewfromwidget. Selección por omisión del grupo togglebuttonsetactive. Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

8 Construcción de Interfaces de Usuario Widgets generales Ajustadores por rangos y escalas Modelar rango de valores posible con ajuste visual. Ajustadores genéricos o específicos. adjustmentnew :: Double -- Initial value - > Double -- Minimum value - > Double -- Maximum value - > Double -- Small increment - > Double -- Large increment - > Double -- Size of visible area - > IO Adjustment vscalenew :: Adjustment - > IO VScale hscalenew :: Adjustment - > IO Hscale Reacción coordinada de varios ajustadores conectados. Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

9 Construcción de Interfaces de Usuario Widgets generales Etiquetas Un widget para contener texto y nada más. labelnew :: Maybe String - > IO Label No emiten señales dentro de un EventBox si lo necesita. Varios controles para el texto presentado. labelsetjustify :: LabelClass self = > self - > Justification - > IO () data Justification = JustifyLeft JustifyRight JustifyCenter JustifyFill self es una variable de tipos no se dejen engañar Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

10 Diálogos Construcción de Interfaces de Usuario Widgets generales Un diálogo es un widget compuesto. Ventana contenedora autónoma. Caja vertical en la parte superior. Caja horizontal en la parte inferior como área de acciones. dialognew :: IO Dialog dialogrun :: DialogClass self = > self - > IO ResponseID Agregar botones o widgets cualesquiera en la parte inferior dialogaddbutton :: DialogClass self = > self - > String - > ResponseId -> IO Button Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

11 Construcción de Interfaces de Usuario Barras de progreso Widgets generales Una barra de progreso progressbarnew :: IO ProgressBar Cuando se puede saber la duración a priori progressbarsetfraction :: ProgressBarClass self = > self -> Double -> IO () Cuando la duración es indeterminada progressbarpulse :: ProgressBarClass self = > self -> IO () Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

12 Construcción de Interfaces de Usuario Otros widgets misceláneos Widgets generales Entradas de Texto campos para ingresar texto. Obtener el texto introducido o cambiarlo. Hacerlo editable, visible, con inserción y vincularlo con el clipboard. Barras de Estado compartidas por la aplicación. Pila (FIFO) de mensajes muestra el que está en el tope. Botones Spin rango de valores discretos. Valor por defecto, máximo, mínimo e incrementos. Obtener o cambiar el valor sincronizar con otros. Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

13 Construcción de Interfaces de Usuario Widgets generales Widgets agregados Calendario Control en las características de presentación. Eventos al cambiar día, mes, año. Obtener o establecer el día seleccionado. Habilidad de marcar múltiples días. Selector de Archivos Como botón, como diálogo o como widget individual. Abrir o cerrar archivos Crear o seleccionar carpetas. Filtrar por tipo de archivo. Vista previa con widget auxiliar. Seleccionar uno o múltiples archivo. Selector de Fuente Selector de Color Block de Notas Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

14 Construcción de Interfaces de Usuario Widgets generales... muchos más Ventanas con scroll Menús Cairo Graphics.Rendering.Cairo Líneas, polígonos, curvas, stroking,... Manejo de SVG, PNG y PDF. Soporte a fuentes TrueType antialiasing y transformaciones. El API Gtk está muy bien documentado Gtk2Hs también Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

15 Construcción de Interfaces de Usuario Desarrollo visual Glade agilizando el desarrollo Yo dawg, we heard you like GUIs so we got you a GUI in a GUI Glade asistente para construcción de GUI basadas en Gtk/Gnome A GUI for GUIs. Facilita la disposición y empaquetado de widgets. Especificar atributos iniciales de los widgets Produce un archivo.glade con la estructura. Qué hace el programa Haskell? Lee el archivo.glade durante la inicialización. Construye las ventanas y sus contenidos cuando resultan necesarias la librería se encarga de construir los widgets y empaquetarlos. El programador debe asociar sus funciones con los eventos particulares pertinentes para cada widget. El vínculo se establece con los nombres que se definieron durante la construcción con Glade. Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

16 Construcción de Interfaces de Usuario A mí no me gusta Gtk! Librerías alternativas wxhaskell GUI basado en wxwindows (C++) Tan extensa, robusta y madura como Gtk+. Multiplataforma Linux, MacOSX y Windows. wxdesginer es equivalente a Glade. qthaskell GUI basado en Qt Funcionalidad precaria. Muy poco interés en la comunidad usuaria. Haskell SDL (Simple Direct-Media Layer) Gestión multimedia simple (audio, gráficos y controles). Multiplataforma Linux, MacOSX, Windows, Android, PSP... Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

17 Visualización Visualización es dirigido por datos Haskell y Visualización Visualización en 2D y 3D amena para lenguajes funcionales separación de preocupaciones (manipulación vs. presentación). Representación y manipulación geométrica operaciones puras. Efectos de visualización acciones monádicas. Abundancia de librerías para estructuras de datos genéricas. Procesamiento eficiente de datos lazy ByteStrings. Paralelismo y concurrencia combinados con tareas de visualización. Visualización con OpenGL Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

18 Visualización Visualización es dirigido por datos Desarrollo de visualizaciones Visualizing Data Ben Fry Adquirir datos raw data source. Convertir (parse) datos crudos a estructura de datos natural para: Los datos naturales. Las manipulaciones que pretenden hacerse. La forma en que serán presentados. Filtrar cortar, comprimir, limpiar, refinar... Minar estadísticas o técnicas de análisis para encontrar patrones. Representar y refinar modelo visual bottom-up. Interactuar permitir al usuario modificar la visualización, el conjunto de datos a visualizar... Aplica a visualización científica y lúdica. Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

19 Visualización HOpenGL Haskell y OpenGL Este no es el curso de Computación Gráfica... OpenGL es (entre otras cosas) Andamiaje para especificar la visualización rendering pipeline. Una máquina de estados para controlar el procesamiento. HOpenGL Expone las funciones del API OpenGL en el Monad IO. Explota el sistema de tipos de Haskell para minimizar errores. Beneficios para el programador OpenGL experto No hay ambigüedad tipos estáticos para vértices, vectores y matrices. Las acciones de visualización son objetos de primera clase expresión de operaciones separada del procesamiento. Las mejores prácticas OpenGL sugieren indentar ahora es obligatoria por usar bloques do. Acceso a la máquina de estado vía StateVar IORefs. Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

20 Visualización HOpenGL Haskell y OpenGL Procedimiento general para presentación 1 Definir una ventana y el contexto GL tarea de GLUT. 2 Establecer las StateVar de interés. 3 Establecer la matriz de proyección es un StateVar, pero con efectos dramáticos. 4 Establecer la matriz de visualización del modelo. 5 Enviar los comandos de presentación al pipeline. 6 Vaciar (flush) el pipeline. 7 Intercambiar buffers. Los pasos 2 a 7 se repiten por cada cuadro de la escena. Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

21 HOpenGL con ejemplos El programa más simple Visualización HOpenGL import Graphics. Rendering. OpenGL import Graphics. UI. GLUT main = do ( progname,_) <- getargsandinitialize createwindow " Hello World " clearcolor $ = Color displaycallback $ = display clear [ ColorBuffer ] mainloop $= permite modificar StateVar. Colores RGBA componentes GLfloat entre 0 y 1. displaycallback invocada cuando hay que redibujar la ventana. mainloop se encarga de despachar los eventos. Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

22 Visualización HOpenGL con ejemplos Usando display para dibujar puntos HOpenGL mypoints :: [( GLfloat, GLfloat, GLfloat )] mypoints = map (\k -> ( sin (2* pi*k /12), cos (2* pi*k /12),0.0)) [1..12] display = do clear [ ColorBuffer ] renderprimitive Points $ mapm_ (\(x, y, z) -> vertex $ Vertex3 x y z) mypoints flush display contiene las operaciones de dibujo. Separación entre geometría (mypoints) y dibujo (display). flush para activar el rendering pipeline. No hace falta glbegin ni glend como en C/C++! Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

23 Visualización Las primitivas gráficas HOpenGL con ejemplos Qué se puede dibujar con renderprimitive? Points un punto por vertex. Triangle requiere tres puntos. Lines cada pareja es una línea. LineLoops líneas continuadas, cerrando al inicial. Polygon línea continuada, cerrando al inicial y con el espacio interno relleno.... el resto corresponde al Red Book OpenGL y están en la documentación de Graphics.Rendering.OpenGL.GL.BeginEnd. El color para dibujar y rellenar se controla con color $ Color Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

24 Visualización Las primitivas gráficas HOpenGL con ejemplos Reaccionando a los cambios callbacks Aprovechamos displaycallback para redibujar. Los callbacks son StateVar en HOpenGL para asociar operaciones con diversos cambios reshapecallback cambios en la forma de la ventana. keyboardmousecallback eventos de entrada. Los callbacks son provistos por GLUT documentados en Graphics.UI.GLUT.Callbacks. Globales control de menúes y paso del tiempo. Por ventana actividades de forma y entrada. Menú específicos para un menú en uso. Algunos callback pueden omitirse usar Nothing. Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

25 Visualización HOpenGL con ejemplos Reaccionando a los cambios callbacks Las primitivas gráficas main = do ( progname, _) <- getargsandinitialize createwindow " Hello World " displaycallback $ = display reshapecallback $ = Just reshape mainloop reshape Size w h) = do viewport $= ( Position 0 0, s) postredisplay Nothing displaycallback no puede omitirse, sólo re-registrarse. reshapecallback puede omitirse lo registramos con un Just. Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

26 Visualización Transformaciones afines HOpenGL con ejemplos Transformaciones Una pila de matrices Transformaciones afines en IO para que las haga el hardware! Traslación translate :: Vector3 c - > IO () Rotación rotate :: c -> Vector3 c -> IO () Escalado scale :: c -> c -> c -> IO () Composición aplicarlas en secuencia. Las transformaciones son globales preservingmatrix para transformaciones locales. Matriz identidad loadidentity. Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

27 Visualización Depende del punto de vista HOpenGL con ejemplos Qué se muestra en la ventana? Viewport cuál parte del mundo se ve en la ventana? StateVar que define la ventana Tupla (x,y) coordenadas de la esquina inferior izquierda. Tupla (w,h) anchura y altura. Transformación afín de las coordenadas del dispositivo a las coordenadas de la ventana. Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

28 Visualización Depende del punto de vista HOpenGL con ejemplos Cómo se muestran los objetos en la ventana? Objetos expresados en 3D se proyectan a 2D. Proyección ortográfica (ortho) seis GLfloat para expresar las cotas inferior y superior de los ejes. ortho xl xu yl yu zl zu Proyección perspectiva alternativas frustrum cotas izquierda y derecha, cotas arriba y abajo, distancia mínima y distancia máxima. perspective ángulo entre el rayo superior e inferior, y anchura del plano más cercano. Generalmente se establecen al preparar la ventana de presentación. Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

29 Visualización Iluminación HOpenGL con ejemplos Iluminación La sensación de tres dimensiones proviene de la combinación de iluminación y posición del observador en el mundo virtual. Habilitar el procesamiento de luces lighting $ = Enabled Posicionar una o más fuentes de luz position ( Light 0) $ = Vertex Encenderla light ( Light 0) $ = Enabled Propiedades por fuente de luz ambient, diffuse, specular, spot*, incluyendo color, atenuación... Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

30 Visualización Estado mutable vinculado a OpenGL HOpenGL con ejemplos Cambiando el estado Modelar el estado permite cambiar la presentación. OpenGL opera en el Monad IO no sirven State ni ST. Data.IORef variables mutables en el Monad IO. newioref, writeioref, readioref,... Son instancia de HasGetter y HasSetter se puede usar $= y get sobre ellas. position <- newioref (0.0, 0. 0)... (x,y) <- get position... position $ = (1.0, 2. 0) Son valores de primera clase pasarlos a funciones y callbacks. Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

31 HOpenGL con ejemplos Reaccionando a eventos Visualización Estado mutable vinculado a OpenGL GLUT permite recibir y procesar eventos del mundo exterior teclado, ratón, tablet... type K eyboa rdmo usec allb ack = Key -> KeyState - > Modifiers -> Position -> IO () Key caracter, tecla especial o botón del ratón. KeyState oprimido o liberado. Modifiers shift, alt, control... keyboardmousecallback invocado cuando hay eventos relevantes. Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

32 Visualización Una animación sencilla HOpenGL con ejemplos Haciendo que las cosas se muevan Cómo lograr una animación? Objetos cuya posición varíe según el tiempo o eventos externos definir transformaciones parametrizadas. Incorporar un callback que convierta los eventos en parámetros usar uno o más IORef para mutarlas. Si la transformación es independiente de eventos externos, usar el idlecallback para actualizar. Adicionalmente, mover el punto de vista del observador mismos principios, diferente objeto. Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

33 Gtk2Hs y HOpenGL Interfaz de usuario con OpenGL Combinando funcionalidad GtkGLExt es un widget contenedor de contextos OpenGL. GtkGL. initgl glconfig <- GtkGL. glconfignew [ GtkGL. GLModeRGBA, GtkGL. GLModeDepth, GtkGL. GLModeDouble ] canvas <- GtkGL. gldrawingareanew glconfig Se opera sobre el canvas usando HOpenGL, pero notificando a Gtk. Gtk. onrealize canvas $ GtkGL. withgldrawingarea canvas $ \ w - >... Adiós GLUT/GLFW, hola Gtk! Manejo de ventanas y eventos en manos de Gtk callbacks vía Gtk. No hacer flush ni swapbuffers lo hace GtkGLExt. Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

34 Interfaz de usuario con OpenGL Alternativas para visualización Combinando funcionalidad Graphics.UI.GLFW alternativa a GLUT. Sound.OpenAL manejo de fuentes de sonido. Concepto de posición y distancia unidades libres. Atenuación y efecto Doppler. Manejo de buffers (mono, stereo) para interactuar con los dispositivos. Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

35 Bibliografía Quiero saber más... Página del proyecto Gtk2Hs Gtk2Hs Tutorial Hans van Tiel Página sobre wxhaskell en el Wiki Haskell Página sobre SDL en el Wiki Haskell Página sobre OpenGL en el Wiki Haskell Beautiful Code: Compelling Evidence J. R. Heard Hernández-Novich (USB) Programación Funcional Avanzada / 34

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