GYMNASIUM-BONNSTRAßE Hürth

Transkript

1 GYMNASIUM-BONNSTRAßE Hürth Schriftliche Hausarbeit im Fach Informatik Thema: Bitmapdateien in Pascal Lehrer: Herr Holland Von Petra Wagner Stufe 13 Hürth, 15. Januar Einleitung Im Rahmen des Unterrichts ist für das Fach Informatik in der Stufe 13/1 eine halbjährige Projektarbeit vorgesehen. Dafür soll sich der Kurs ein Thema überlegen und dieses in mehreren Gruppen bearbeiten. Als Ende dieses Projektes soll ein funktionsfähiges Programm entstanden sein. Unser Kurs hat sich dazu entschieden, ein Programm zu schreiben, bei dem ein GPS-Gerät an die serielle Schnittstelle des PCs angeschlossen wird. Das Programm soll nun die Daten vom GPS-Gerät empfangen, diese auswerten und die entsprechenden Positionen auf einer Karte von Hürth darstellen. Um dieses Projekt zu erarbeiten, wurde der Kurs in drei Gruppen mit jeweils drei Mitgliedern eingeteilt. Zwei Gruppen wollten sich dann mit der Ausgabe der Karte und dem Markieren des richtigen Punktes beschäftigen und die andere Gruppe wollte sich um die Programmierung der seriellen Schnittstelle und die Analyse der gesendeten Daten kümmern.

2 Da unsere Gruppe, bestehend aus Marc, Lucas und mir sich für die Grafik entschied, hatten wir also die Aufgabe, Prozeduren zu schreiben, die in der Lage sein sollten, zunächst einen eingescannten Stadtplan von Hürth auf dem Bildschirm richtig auszugeben und dort später die Punkte verschiedener Koordinaten zu markieren. 2.Vorbereitung Um mit der Arbeit nen zu können, mussten wir uns zunächst über verschiedene Bilddateiformate informieren um uns dann für ein Dateiformat zu entscheiden. Dazu sahen wir uns den groben Aufbau verschiedener Bilddateiformate auf der Internetseite an. Danach schienen uns die Bitmap-Dateien am geeignetsten zu sein, da sie relativ einfach aufgebaut sind. Sie bestehen im Gegensatz zu anderen Bildformaten wie beispielsweise JPG oder GIF Dateien aus nur drei Komponenten und zwar dem File-Header, dem Information-Block und den eigentlichen Bilddaten. Außerdem haben wir beschlossen, uns auf die 8-Bit Bitmaps zu konzentrieren, da diese weniger lang als 24 bzw. 16 Bit Bitmaps sind und leichter zu handhaben sind als 4 Bit Bitmaps (Bei diesen steht in einem Byte die Information für 2 Pixel, man hätte also die gesamte Datei bitweise auslesen und diese Daten in Zahlen umrechnen müssen). 3. Die Bildausgabe 3.1 Der Aufbau einer Bitmap-Datei Eine Bitmap-Datei besteht im Wesentlichen aus drei Teilen. Am Anfang der Datei befindet sich der File-Header der die allgemeinen Informationen über die Datei enthält. Daran schließt sich der Info-Block an. Dieser besteht aus den Informationen über die Art des gespeicherten Bildes und der Definition der Palette(nicht bei 24-Bit-Bitmaps). Nach dem File-Header und dem Info Block nen die Bilddaten. Für manche Informationen die im Header stehen wird mehr als 1 Byte zur Speicherung gebraucht (z.b. bei der Höhe und Breite des Bildes). In diesen Fällen wird der Wert des ersten Bytes mit 1 (2 0 ), der des zweiten mit 256 (2 8 ), der des dritten mit (2 16 )und der des vierten mit (2 24 )multipliziert. Man kann sich also die einzelnen Bytes als eine duale

3 Zahl vorstellen bei der das erste Byte an letzter Stelle steht das zweite an vorletzter usw. Die Kombination würde also der Zahl 251* *3 = 1019 entsprechen. Der File-Header Der File-Header einer Bitmap-Datei ist 14 Bytes lang und nt mit der Signatur BM in den ersten zwei Bytes. Diese identifizieren die Datei als Bitmap. Die nächsten vier Bytes des File Headers geben die Dateigröße in Byte an. Darauf folgen vier reservierte Bytes die 0 sein müssen. Die letzten vier Bytes beinhalten einen 4-Byte-Zeiger der den Offset zum ersten Datenbyte des Bildes spezifiziert. Der Bitmap-Info Block Der Bitmap-Info Block nt mit dem Bitmap-Info Header, der eine Länge von 40 Byte hat. Die ersten vier Bytes geben die Länge des Info Headers an. Darauf folgen zwei mal vier Bytes welche die Breite und die Höhe des Bildes angeben sowie zwei Bytes welche die Anzahl der Farbebenen angeben und in der Regel die Werte 1 und 0 haben. Die nächsten zwei Bytes geben die Anzahl der Bits pro Pixel an und sind somit für die Anzahl der Farben die das Bild haben kann verantwortlich. Der Wert dieser Bytes ist entweder 1 (Schwarz-Weiss Bild), 4 (16 Farben), 8 (256 Farben) oder 24 (c.a. 16 Millionen Farben). Auf diese Information folgen weitere vier Bytes die den Komprimierungstyp der Datei angeben. Dabei steht die 0 für unkomprimierte Daten, die 1 für ein 8-Bit Run-Length-Encording-Verfahren und die 2 für ein 4-Bit Run-Length_Encording-Verfahren. Die nächsten zwölf Bytes geben die Bildgröße sowie die horizontale und vertikale Auflösung an. Die darauf folgenden 4 Bytes geben die Zahl der im Bild vorkommenden Farben an und die letzten vier Bytes des Info-Headers beinhalten die Anzahl der wichtigen Farben. An den Info-Header schließt sich nun die Definition der Farbpalette an. Dieser Teil sieht nun bei den verschiedenen Dateitypen(2 Bit, 4 Bit, 8 Bit, 24 Bit) unterschiedlich aus. Bei einer 2 Bit Datei umfasst er nur 8 Bytes, bei einer 4 Bit Datei 64 Bytes und bei einer 8 Bit Datei 1024 Bytes, also immer das vierfache der Anzahl der Farben. Die ersten 4 Bytes bilden die Information für den ersten Paletteneintrag, die zweiten vier für den zweiten usw. Die ersten drei Bytes eines Viererblocks geben die Anteile der Farben Blau, Grün und Rot an und das vierte Byte ist immer 0. Die Bilddaten Das Bild wird Zeilenweise abgetastet und gespeichert. Dabei wird in der unteren linken Ecke des Bildes begonnen. Die Bilddaten enthalten außer bei 24 Bit Bitmaps die Nummer des

4 Paletteneintrages, man kann also ohne die Palette zu kennen nichts über die Farben aussagen. Bei 24 Bit Bitmaps besteht die Information für einen Pixel jeweils aus 3 einzelnen Bytes die sofort die entsprechenden Farbanteile angeben. Deswegen ist bei diesen Dateien auch keine Palettendefinition nötig. Ist die Anzahl der benötigten Bytes pro Zeile nicht ganzzahlig durch 4 teilbar, werden die restlichen Bytes bis zur nächst höheren durch 4 teilbaren Zahl mit 0 aufgefüllt. 3.2 Die Bildausgabe Um Daten aus einer Datei lesen zu können muss zuerst festgelegt werden, um welche Datei es sich handelt und dann muss diese Datei zum lesen geöffnet werden. Dies geschieht in der 2. Und 3. Zeile des Hauptprogramms. Danach braucht man einige Informationen wie beispielsweise die Breite und die Höhe des Bildes um dieses richtig ausgeben zu können. Diese Informationen stellt die Prozedur header_auswerten bereit. Eine Datei kann nur byteweise durchgelesen werden, man kann also nicht auf einzelne Bytes direkt zugreifen. Deswegen überliest diese Prozedur alle unwichtigen Informationen, die wichtigen Stellen werden abgezählt und deren Inhalte werden in den entsprechenden Variabeln gespeichert. Am Ende dieser Prozedur ist die Datei bis zum ersten Datenbyte durchgelesen. Danach wird die Prozedur bild aufgerufen. Diese ist die eigentliche Ausgabe des Bildes. Damit diese bei beliebigen Bildern funktioniert, wird als erstes die Anzahl der Nullen, die nach jeder Zeile übersprungen werden müssen (siehe Bildinformationen), bestimmt. Danach wird der Grafikmodus initialisiert und dann nt die Bildausgabe. Dies geschieht in Form einer Doppelschleife, sodass das Bild zeilenweise aufgebaut wird. Am Ende jeder Zeile wird die der nullenzahl entsprechende Menge an Bytes übersprungen. Um das Bild auf dem Bildschirm doppelt so groß darzustellen werden die x und y Koordinaten verdoppelt und die dazwischen liegenden erhalten die selbe Farbe. Da es nicht gelungen ist die Farben richtig darzustellen, wird der Wert des Bytes als Farbe genommen (Dies geht jedoch nur, da die Datei vorher als 16-Farben Bitmap gespeichert war und somit nur Werte zwischen 0 und 15 existieren). Am Ende der bild-prozedur wird die Datei wieder geschlossen. 4.Berechnung des Bildpunktes

5 Bei der Berechnung des Bildpunktes ist das Problem aufgetaucht, dass wir keine richtigen Angaben über die genauen Koordinaten von festen Punkten hatten. Deswegen haben wir die Karte so reduziert, dass diese nur noch den Bildausschnitt um die Schule herum enthielt. Dies hatte den Vorteil, dass wir in diesem Bereich die Koordinaten selber mit dem GPS-Gerät bestimmen konnten. Da die Grad und Minuten Werte sowieso immer gleich waren, haben wir uns auf die Sekunden Angaben beschränkt. Auf diese Art und Weise haben wir für die Nord- Westliche Ecke der Schule die Werte 38,1`` östliche Breite und 51,9`` nördliche Länge und für die Süd-Östliche Ecke die Werte 42,5`` östliche Breite und 49,7`` nördliche Länge erhalten. Da die Schnittstellen-Gruppe uns mitteilte, dass wir die Sekunden-Angabe in Zehntausendsteln erhalten, machten wir aus diesen Zahlen , usw. Rechnet man diese Zahlen auf die Karte um, stellt man fest, dass diese sich ungefähr im Wertebereich von Östlicher Breite und Nördliche Länge befindet. Das Programm funktioniert also auch nur mit diesen Zahlen. Als Berechnungsmethode für die Bildkoordinate haben wir uns folgendes überlegt: Man berechnet von dem gewünschten Punkt den Abstand zu einem immer gleichen festgelegten Punkt. Diesen Abstand rechnet man dann mit Hilfe eines Umrechnungsfaktors in einen Pixelabstand um. Mit diesem Abstand und der Bildkoordinate des festen Punktes kann man dann die neue Bildkoordinate berechnen. Man betrachtet die Nord und Ost Koordinaten einzeln. Die linke obere Ecke der Schule hat im Bild die Koordinaten 18(x-Richtung), 34(y-Richtung). Der selbe Punkt hat in Wirklichkeit die Koordinaten und Die rechte untere Ecke der Schule hat im Bild die Koordinaten 102(x-Richtung), 97(y-Richtung) und in Wirklichkeit die Koordinaten und In x-richtung entspricht also ein Abstand von 84 Pixeln (102-18) dem tatsächlichen Abstand von 44000( ). Daraus ergibt sich der Umrechnungsfaktor 523,81. Auf analoge Weise erhält man für die y-richtung den Umrechnungsfaktor Probleme bei der Arbeit Während der Arbeit an dem Projekt tauchten an mehreren Stellen Probleme auf. Dies fing schon damit an, dass wir im Internet keine genauen Definitionen von Bitmapdateien finden konnten und somit durch sehr viel Ausprobieren herausfinden mussten, wie der Header aufgebaut ist. Dies kostete sofort am Anfang enorm viel Zeit. Außerdem haben wir deshalb

6 verschiedene Dateiformate ausprobiert, bis wir uns für die 8 Bit Bitmap entschieden haben. Anfangs wollten wir eigentlich die 24 Bit Bitmap Dateien nehmen, da wir sie auf Grund des Pascal Befehls setrgbpalette für besonders praktisch hielten. Erst später haben wir gemerkt, dass man in Pascal immer nur höchstens 16 Farben pro Bild darstellen kann. Generell stellten die richtigen Farben das größte Problem dar. Dieses Problem konnte bis jetzt auch noch nicht gelöst werden. 6.Kritik Im Nachhinein hätte man bei diesem Projekt einiges besser machen können. Sehr viel Zeit hätten wir zum Beispiel damit gespart, wenn wir am Anfang doch mal in die Bücherei gegangen wären, denn für diese Arbeit habe ich dort genau das Buch gefunden, welches wir die ganze Zeit gebraucht hätten. Außerdem muss ich zugeben, dass wir an vielen Stellen wirklich nicht besonders effektiv gearbeitet haben. Es wäre zum Beispiel besser gewesen, wenn wir die Arbeit auch innerhalb der Gruppe an manchen Stellen nochmals aufgeteilt hätten. Außerdem hätten wir über bestimmte Dinge mehr sprechen sollen und mit den anderen Gruppen genauere Absprachen treffen sollen. Darüber hinaus waren wir nach einigen Problemen sehr demotiviert und haben deswegen stellenweise auch sehr wenig gearbeitet. 7.Zusammenfassung des Ergebnisses Dennoch kann man insgesamt sagen, dass sowohl die Schnittstellengruppe als auch die Grafikgruppen die Gruppenziele erreicht haben. Trotzdem ist es nicht gelungen, beide Programme so miteinander zu verbinden, dass ein zufriedenstellendes Gesamtergebnis erzielt werden konnte. Dies mag einerseits damit zusammenhängen, dass wir bis jetzt noch keine korrekten Koordinaten hatten und andererseits damit, dass das GPS-Gerät zu ungenaue Daten sendet. Auch wenn unser Programm nicht besonders spektakulär erscheint, denke ich, dass es unter den genannten Umständen ein relativ gutes Ergebnis ist, da es zumindest mit den Werten von denen wir ausgegangen sind, funktionsfähig ist. Des weiteren muss man dazu sagen, dass die hauptsächliche Arbeit nicht im Programmieren oder im Verstehen von Informationen lag, sondern eher darin, dass wir nirgendwo genaue Informationen finden konnten und deswegen fast alles selbst herausfinden mussten.

7 8. Quellen Internet: Literatur: Günter Born Referenzhandbuch Dateiformate, 4.überarbeitete Auflage 9. Pascal-Quelltext program gps; uses crt, graph; const bgi_pfad = ' '; bild_pfad = ' \huerth4.bmp'; type dateityp = file of byte; var y,x,breite,hoehe,norden,osten,bildgroesse,farbzahl:longint; datei:dateityp; zeichen1, zeichen2 : byte; palete:array[1..64]of byte; PROCEDURE graph_ini; VAR Errorcode, graphdriver, graphmode, lowmode, highmode : Integer; BEGIN graphdriver:= Detect; Initgraph(graphdriver, graphmode, bgi_pfad); Errorcode := Graphresult; IF Errorcode <> Grok THEN Halt(1); Getmoderange(graphdriver, lowmode, highmode); Setgraphmode(highmode); Setviewport(1, 1, Getmaxx, Getmaxy, Clipon); Setactivepage(0); Setvisualpage(0); END; procedure zeichen_ueberspringen(var datei:dateityp; zahl:integer); var zahl2:integer; z:byte; zahl2:=0; while zahl>zahl2 do read(datei,z); inc(zahl2);

8 procedure header_auswerten(var datei :dateityp); var zeichen1,zeichen2,zeichen3:byte; x:integer; zeichen_ueberspringen(datei,18); read (datei,zeichen1); read (datei,zeichen2); breite := zeichen1 + zeichen2 * 256; zeichen_ueberspringen(datei,2); read (datei,zeichen1); read (datei,zeichen2); hoehe := zeichen1 + zeichen2 * 256; zeichen_ueberspringen(datei,10); read (datei,zeichen1); read (datei,zeichen2); read (datei,zeichen3); bildgroesse := zeichen1 + zeichen2 * zeichen3*65536; zeichen_ueberspringen(datei,17); x:=1; repeat read(datei,zeichen1); palete[x]:=zeichen1; inc(x); until x=65; zeichen_ueberspringen(datei,960); writeln('breite: ',breite); writeln('hoehe: ',hoehe); writeln('bildgroesse: ',bildgroesse); readln; function nullenanzahl(breite:longint):integer; var x:integer; x := breite div 4; if x <> breite / 4 then inc(x); x := x * 4; x := x - breite ; nullenanzahl:=x; function opixel (ost:longint) :integer; var abstand:longint; pix:real; abstand := -1+( ost); pix := abstand/ ; opixel:=2*round(pix); function npixel (nord:longint) :integer; var abstand:longint;

9 abstand := -1*( nord); npixel := (97 - abstand div 349) *2; procedure bild; var nullenzahl:integer; nullenzahl:=nullenanzahl(breite); graph_ini; y := hoehe ; repeat x := 0; repeat read(datei,zeichen1); inc(x); putpixel (x*2,y*2,zeichen1); putpixel (x*2+1,y*2,zeichen1); putpixel (x*2,y*2+1,zeichen1); putpixel (x*2+1,y*2+1,zeichen1); until x = breite; zeichen_ueberspringen(datei,nullenzahl); y := y-1; until y = 0; close (datei); clrscr; assign (datei,bild_pfad); reset (datei); writeln (filesize(datei)); header_auswerten(datei); writeln('welcher Punkt soll markiert werden?'); writeln(' stliche Breite? '); readln(osten); writeln('n rdliche L nge? '); readln(norden); bild; repeat putpixel(opixel(osten),npixel(norden),red); putpixel(opixel(osten)+1,npixel(norden),red); putpixel(opixel(osten),npixel(norden)+1,red); putpixel(opixel(osten)+1,npixel(norden)+1,red); until keypressed; closegraph; end.