Laboratorium 3 – Przetwarzanie obrazów 1

Zakres materiału

Przygotowanie do zajęć

Przed przystąpieniem do zajęć przygotuj opisane poniżej trzy funkcje operujące na niepełnych, statycznych tablicach dwuwymiarowych (czyli tablicach o wielkości znanej i zadeklarowanej w chwili kompilacji, zaś wykorzystywanych w trakcie działania programu w miarę potrzeb, np. tablicy o wymiarach 10x10, z której w programie wykorzystane są jedynie pierwsze 3 wiersze i 7 kolumn). Dostosuj nagłówki opracowanych przez Ciebie funkcji tak, by mogły zostać użyte poprawnie w ich testowym wywołaniu opisanym w punkcie 4.

1. Wypełnienie elementów tablicy liczbami będącymi iloczynem ich indeksów. Wymiar wykorzystanej części tablicy powinien być podany jako parametr funkcji.
2. Wypisanie zawartości tablicy niepełnej (przy wymiarze podanym jak wyżej) na standardowe wyjście.
3. Zmianę znaków wszystkich elementów tablicy niepełnej (przy wymiarze podanym jak powyżej) na przeciwny.
4. Testowe wywołanie powyżej opisanych funkcji w rodzaju (wersja prosta):

   int main(){
     wypelnij(3,7);
     printf("Zawartość oryginalna:\n");
     wypisz(3,7);
     zmien_znaki(3,7);
     printf("Zawartość po zmianie znaków:\n");
     wypisz(3,7);
     return 0
   }
   

   przy tablicy, na której dokonywane są operacje zadeklarowanej jako zmienna globalna, powinno spowodować wypełnienie tej zmiennej, wypisanie jej zawartości na standardowe wyjście, zmianę znaków elementów tablicy i ponowne wypisanie zawartości na wyjście. W wersji bardziej rozbudowanej wywołanie przygotowanych funkcji powinno mieć postać wypelnij(obraz,3,7), gdzie obraz jest zmienną lokalną funkcji main. Przykładowy efekt działania wywołania testowego:

   [john_doe@diablo:~]$ ./a.out
   Zawartość oryginalna:
      0    0    0    0    0    0    0
      0    1    2    3    4    5    6
      0    2    4    6    8   10   12
   Zawartość po zmianie znaków:
      0    0    0    0    0    0    0
      0   -1   -2   -3   -4   -5   -6
      0   -2   -4   -6   -8  -10  -12
   

5. Przygotuj także funkcję obsługi prostego menu (na bazie funkcji switch) złożonego z 4 pozycji (w tym pozycji Zakończ działanie), które po wybraniu liczby odpowiadającej danej pozycji poinformuje o tym fakcie i pozwoli na ponowne dokonanie wyboru (nie dotyczy pozycji Zakończ działanie). Przykładowy efekt działania funkcji:

   [john_doe@diablo:~]$ ./a.out
   Proste menu:
      1 - Pozycja pierwsza
      2 - Pozycja druga
      3 - Pozycja trzecia
      4 - Zakończ działanie
   Twój wybór: 2
   Wybrano pozycję drugą
   Proste menu:
      1 - Pozycja pierwsza
      2 - Pozycja druga
      3 - Pozycja trzecia
      4 - Zakończ działanie
   Twój wybór: 1
   Wybrano pozycję pierwszą
   Proste menu:
      1 - Pozycja pierwsza
      2 - Pozycja druga
      3 - Pozycja trzecia
      4 - Zakończ działanie
   Twój wybór: 4
   Koniec działania programu
   

• Zapoznaj się z tekstowym formatem zapisywania obrazów PGM, opisanym w dołączonych do zadania materiałach w pliku obrazy_format.pdf (strony 3-4).
• Przeanalizuj funkcję wczytywania obrazów PGM z pliku do pamięci, przedstawioną w dołączonych do zadania materiałach w programie odczyt.c, oraz wykorzystywane przez nią struktury danych. Zapoznaj się z obsługą plików i tablic dwuwymiarowych. Skompiluj znajdujący się w pliku odczyt.c progam. Uruchom go dla przykładowego obrazu PGM (takowe można znaleźć na diablo w katalogu /usr/local/air/info2/zadania/splot/obrazki (alternatywnie w /home/mucha/edu/info2/obrazki), np. kubus.pgm).
• Bazując na wymienionej powyżej funkcji odczytywania obrazów zaproponuj i zapisz kompletne algorytmy pozwalające na realizację funkcji zmiany poziomów i rozciągania histogramu (zobacz Zadanie do wykonania) oraz zapisu obrazu do pliku. Przyjmujemy, że obrazy reprezentowane są jako tablica dwuwymiarowa o zadanym rozmiarze.
• Zaprojektuj menu użytkownika oraz zaproponuj sposób jego realizacji w programie.

Uwaga do programu odczyt.c

Wskazówka

Zadanie do wykonania

Napisać program do obsługi czarno-białych obrazów rastrowych (ze skalą szarości). Takie obrazy mogą być przedstawione w postaci dwuwymiarowej tablicy, której elementy są liczbami całkowitymi. Każda z liczb reprezentuje kolor jednego punktu (piksela) obrazu, przy czym przyjmuje się, że kolorowi czarnemu odpowiada wartość 0, a kolorowi białemu wartość maksymalna, zależna od liczby poziomów szarości.

Program ma obsługiwać obrazy zapisane w plikach w formacie PGM. Przykładowe obrazy w formacie PGM znajdują się na diablo w katalogu /usr/local/air/info2/zadania/splot/obrazki (alternatywnie w /home/mucha/edu/info2/obrazki).

W programie należy zdefiniować:

• funkcje odczytu i zapisu pliku PGM (można wykorzystać funkcję odczytu z pliku odczyt.c);
• wskazane przez prowadzącego funkcje przetwarzania obrazów (wybrane z zestawu funkcji opisanych w pliku obrazy_filtry.pdf);
• menu użytkownika, które pozwala na wybór odczytu oraz zapisu pliku o podanej nazwie, realizację operacji przetworzenia obrazów oraz ich wyświetlanie za pomocą zewnętrznego programu display;
• wyjście z programu.

W pliku odczyt.c przedstawiony został prosty program zawierający funkcje do odczytu obrazu PGM z pliku oraz do jego wyświetlenia programem display.

Wskazówki

1. W ramach realizacji zadania należy poprawić funkcję wczytującą obrazy, tak aby była odporna na nieprawidłowości w danych wejściowych oraz aby mogła wczytywać wszystkie pliki w formacie PGM zgodne z ustaloną specyfikacją.
2. Po wykonaniu operacji na obrazie, opracowywany program nie może samoczynnie nadpisywać pliku z wczytanym obrazem. Zapis obrazu wynikowego do pliku następuje po wybraniu odpowiedniej pozycji z menu, która zapyta o nazwę pliku wynikowego.
3. Przyjmując, że zakres szarości obrazu wejściowego wynosi od 0 do MAX_SZAROSC, zastanowić się nad rozpiętością zakresu szarości w obrazie wynikowym, uzyskanym w efekcie konturowania obrazu według formuły podanej w pliku obrazy_filtry.pdf. Jak można zaradzić zaobserwowanemu zjawisku? Podaj 3 sposoby.

Zadania dodatkowe (dla chętnych)

1. Wyposażyć program w możliwość wykonywania filtracji obrazu przy użyciu operacji splotu, opisanej w pliku filtrsplot.pdf.
2. Zmodyfikować funkcje wczytywania i zapisywania obrazu, tak aby zapisując przetworzony obraz, funkcja zapisu umieszczała w nim oryginalne komentarze oraz dodała komentarze informujące o wykonanych operacjach i datach ich wykonania.

Przebieg ćwiczenia

• Na bazie programu odczyt.c napisać program, który dodatkowo będzie potrafił zapisać wczytany obraz do pliku. Sprawdzić, czy zapisany w ten sposób plik z obrazem jest nadal poprawny.
• Uzupełnić program o wskazaną przez prowadzącego punktową operację przetwarzania obrazu. Sprawdzić, czy uzyskiwany z programu plik wynikowy jest poprawny.
• Uzupełnić program o pozostałe funkcje przetwarzania obrazów wskazane przez prowadzącego. Wyposażyć go w menu użytkownika.
• Uzupełnić dokumentację programu i specyfikacje funkcji (które to powinny powstawać równocześnie z tworzeniem oprogramowania).

• Wykonać pierwsze 4 punkty z Przygotowanie do zajęć.
• Zastąpić funkcję wypełniającą tablicę funkcją wczytującą obraz czytaj z programu odczyt.c. Przetestować całość na pliku PGM zawierającym ,,nieduży'' obraz (np. 20 na 10 pikseli) - przykładowe takie obrazy znajdują się na diablo w katalogu /home/mucha/edu/info2/obrazki w plikach maly_*.pgm. Można też przygotować sobie takie pliki ,,ręcznie'', na przykład z wykorzystaniem edytora emacs, zachowując składnię formatu PGM opisaną w obrazy_format.pdf (Emacs w obecnej wersji częstokroć potrafi rozpoznać format wczytywanego pliku i wyświetlić go we właściwy sposób - oznacza to, że wczytując plik zawierający obraz (np. w formacie JPG czy PGM) nie zobaczymy jego ,,tekstowej'' zawartości, a jedynie właściwy obraz po interpretacji. By ,,zajrzeć do wnętrza'' tak zinterpretowanego pliku należy po jego wczytaniu wydać polecenie C-c C-c lub wybrać w standardowy sposób tryb tekstowy (M-x text-mode).).
• Zmodyfikować funkcję zmieniającą znaki na przeciwne tak, by wykonywała wskazaną przez prowadzącego punktową operację przetwarzania obrazów. Przetestować poprawność naniesionych modyfikacji.
• Na bazie funkcji czytaj napisać funkcję, która będzie potrafiła zapisać znajdujący się w pamięci obraz do pliku. Sprawdzić, czy uzyskiwane w ten sposób pliki z obrazami są poprawne (tu można już użyć ,,większych'' obrazów).
• Uzupełnić program o funkcje przetwarzania obrazów wskazane przez prowadzącego. Wyposażyć go w menu użytkownika.
• Uzupełnić dokumentację programu i specyfikacje funkcji (które to powinny powstawać równocześnie z tworzeniem oprogramowania).

Sprawozdanie

• Imię i nazwisko autora, temat ćwiczenia, datę wykonania;
• Kod źródłowy programu;
• Testy programu (opis przebiegu z wynikami) w tym kolejno:
  • Co dany test ma na celu;
  • Metoda testowania - dane wejściowe;
  • Dane wyjściowe zwrócone w teście przez program;
  • Rezultat testu - ocena plus ewentualny komentarz;
• Wnioski końcowe.

Pytania kontrolne

1. Zapisz deklarację tablicy dwuwymiarowej o rozmiarze 100 na 30. Jak odwołać się do poszczególnych elementów takiej tablicy?
2. Co spowoduje niezainicjowanie w programie odczyt.c zmiennej odczytano?
3. Zapisz składnię pętli for. Podaj przykład wypisania za jej pomocą zawartości tablicy dwuwymiarowej.
4. W jaki sposób można przekazać tablicę dwuwymiarową (MxN) do funkcji?
5. Jak jest zdefiniowany nagłówek pliku pgm?
6. Wymień funkcje pozwalające na zapis danych do pliku.
7. Na co pozwala funkcja fprintf(stderr,...)?
8. Jakie operacje trzeba wykonać, by wczytać z pliku daną typu int?
9. Czym się różnią funkcje fgetc od fgets?
10. Opisz przeznaczenie argumentów funkcji int czytaj(FILE *p,int obraz_pgm[][MAX],int *wymx,int *wymy, int *szarosci) z programu odczyt.c. Ustal jaką wartość ta funkcja zwraca.
11. W oparciu o jakie instrukcje można łatwo zbudować proste menu użytkownika? Uzasadnij.