Mapra: C++ Teil 9. Felix Gruber, Sven Groß. 20. Juni IGPM, RWTH Aachen. Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil 9 20.

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1 Mapra: C++ Teil 9 Felix Gruber, Sven Groß IGPM, RWTH Aachen 20. Juni 2017 Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

2 Themen vom letzten Mal Klassen Initialisierungsliste in Kontrollstrukturen Statische Elemente Zugriffskontrolle: protected Vererbung Polymorphie Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

3 Heutige Themen 1 Bildbearbeitung Bildklasse GreyScale ASCII-PGM-Format Pixelweise Operatoren zur Bildverarbeitung 2 Ein-/Ausgabe über Dateien File Streams Beispiel mit Matrixklasse Byteweises Einlesen von Dateien Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

4 Bildklasse GreyScale Ein Graustufenbild ist horizontal und vertikal in Bildpunkte (Pixel) eingeteilt, deren Helligkeit jeweils im Intervall [0, 1] liegt. Als Datentyp für die Pixel wird float verwendet. Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

5 Bildklasse GreyScale Ein Graustufenbild ist horizontal und vertikal in Bildpunkte (Pixel) eingeteilt, deren Helligkeit jeweils im Intervall [0, 1] liegt. Als Datentyp für die Pixel wird float verwendet. Ein Graustufenbild entspricht somit einer float-matrix: Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

6 Bildklasse GreyScale In der Klasse GreyScale werden u.a. die Anzahl der Pixel in horizontale Richtung (width), die Anzahl der Pixel in vertikale Richtung (height) und die float-matrix aller Pixel gespeichert: greyscale.h: class GreyScale { private : int width, height ; float * pixels ;... } Ein Objekt der Klasse GreyScale entspricht also einem Bild, z.b. GreyScale Smiley ( 12, 12 ); // Smiley besteht aus 12 x 12 Pixeln Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

7 ASCII-PGM-Format Das Portable GreyMap-Format (.pgm) beinhaltet ebenfalls eine Matrix aller Pixel, allerdings mit ganzzahligen Werten: smiley.pgm: P2 # magic number # width, height ( wie in GreyScale ) 255 # Farbtiefe ( d. h. 255 = weiss, 0 = schwarz ) Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

8 GreyScale PGM PGM-Format Farbtiefe d, d.h. insgesamt d + 1 Farben: 0, 1,..., d, 0 = schwarz, d = weiß. In Greyscale also 0 = 0 d, 1 d,..., d d = 1. Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

9 GreyScale PGM PGM-Format Farbtiefe d, d.h. insgesamt d + 1 Farben: 0, 1,..., d, 0 = schwarz, d = weiß. In Greyscale also 0 = 0 d, 1 d,..., d d = 1. GreyScale Jeder Pixel ist ein float im Intervall [0, 1], 0 = schwarz, 1 = weiß. Umrechnung ins PGM-Format mit Farbtiefe d: p [0, 1] (short) p d. Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

10 Pixelweise Operatoren zur Bildverarbeitung Ein Bildverarbeitungsoperator T bildet ein Eingabebild E auf ein Ausgabebild A ab: T : M E M A, wobei M E und M A die Intensitätsmatrizen von Eingabe- bzw. Ausgabebild seien. Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

11 Pixelweise Operatoren zur Bildverarbeitung Ein Bildverarbeitungsoperator T bildet ein Eingabebild E auf ein Ausgabebild A ab: T : M E M A, wobei M E und M A die Intensitätsmatrizen von Eingabe- bzw. Ausgabebild seien. Ein pixelweiser Bildverarbeitungsoperator ist ein Operator, für welchen eine Funktion f : [0, 1] [0, 1] mit existiert. M A (x, y) = f (M E (x, y)) (Jeder Pixel des Ausgabebildes hängt nur vom entsprechenden Pixel des Eingabebildes ab.) Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

12 Beispiel: Schwellwertbinarisierung Jeder Pixel des Eingabebildes wird entweder auf abgebildet: 0 = schwarz oder 1 = weiß f c (z) := { 1 falls z > c, 0 sonst. Dabei ist c [0, 1] ein beliebiger Schwellwert. Für c = 1: Komplett schwarzes Bild. Anwendung z.b. in der Mustererkennung. Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

13 Beispiel: Schwellwertbinarisierung Original: Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

14 Beispiel: Schwellwertbinarisierung Binarize mit c = 0.3: Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

15 File Streams: Ein-/ Ausgabe über Dateien Zuerst header-datei für file streams einbinden #include <fstream> Öffnen des file streams zur Ein- bzw. Ausgabe ifstream ifs ; ifs. open ( " mydata. txt " ); ofstream ofs ( " results. dat " ); gewohnte Verwendung von Ein- und Ausgabeoperator (wie mit cin und cout) ifs >> a; ofs << " Das Ergebnis lautet " << f( x ) << ".\n"; Schließen des file streams nach Verwendung ifs.close(); ofs.close(); Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

16 Einlesen Eingabeoperator >> erwartet, dass Daten durch Whitespace getrennt sind (Leerzeichen, Tabulator, Zeilenumbruch) Abfrage des Stream-Status: ifs.good() : Stream bereit zum Lesen ifs.eof( ) : Ende der Datei (end of file) erreicht ifs.fail() : letzte Leseoperation nicht erfolgreich ifs.clear(): setzt Status zurück, ermöglicht weiteres Lesen Leseoperation >> wird nur bei good-status durchgeführt Beispiel: ifstream ifs ( " input. txt " ); double d; int i; string s; Datei input.txt: Hallo ifs >> d >> i; // good ifs >> i; // fail ifs. clear (); // good ifs >> s; // good ifs >> s; // fail eof Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

17 Beispiel mit Matrixklasse Wir können ein Dateiformat für unsere Matrixklasse anlegen, um Matrizen zu speichern. In der Datei A.mat wird die Matrix A = folgendermaßen gespeichert: Datei A.mat: R 5 5 Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

18 Beispiel mit Matrixklasse Einlesen der Matrix A aus der Datei A.mat: ifstream ifs ( "A. mat " ); int zeilen, spalten ; ifs >> zeilen ; ifs >> spalten ; Matrix A( zeilen, spalten ); for ( int i = 0; i < zeilen ; ++ i ) for ( int j = 0; j < spalten ; ++ j ) ifs >> A( i, j ); Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

19 Beispiel mit Matrixklasse Auslesen der Matrix B = A A in die Datei B.mat: ofstream ofs ( "B. mat " ); ofs << B. Zeilen () << endl ; ofs << B. Spalten () << endl ; for ( int i = 0; i < B. Zeilen (); ++ i ) { for ( int j = 0; j < B. Spalten (); ++ j ) ofs << B( i, j ) << " "; ofs << endl ; } Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

20 Beispiel mit Matrixklasse Auslesen der Matrix B = A A in die Datei B.mat: ofstream ofs ( "B. mat " ); ofs << B. Zeilen () << endl ; ofs << B. Spalten () << endl ; for ( int i = 0; i < B. Zeilen (); ++ i ) { for ( int j = 0; j < B. Spalten (); ++ j ) ofs << B( i, j ) << " "; ofs << endl ; } Datei B.mat: Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

21 Funktionen zum Einlesen von Dateien Wir betrachten verschiedene Möglichkeiten für das Einlesen der Datei test.txt: Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

22 Funktionen zum Einlesen von Dateien Wir betrachten verschiedene Möglichkeiten für das Einlesen der Datei test.txt: Hier werden whitespaces (Leerzeichen, Umbrüche,...) als Trenner der Integers 753, 1706, 1789,... interpretiert: ifstream ifs ( " test. txt " ); int n; ifs >> n; cout << n << endl ; // 753 ifs >> n; cout << n << endl ; // 1706 ifs >> n; cout << n << endl ; // 1789 ifs >> n; cout << n << endl ; // 999 Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

23 Funktionen zum Einlesen von Dateien Wir betrachten verschiedene Möglichkeiten für das Einlesen der Datei test.txt: Die Funktion get() liest das nächste byte ein. Der Rückgabewert ist ein char, da C++ (vor C++17) keinen gesonderten Typ für Bytes besitzt und ein char in der Regel genau ein Byte lang ist. (Genaugenommen ist der Rückgabetyp kein char, sondern ein int um neben allen möglichen Zuständen eines Bytes auch noch Fehlerzustände, wie EOF abbilden zu können.) get() überspringt keine Whitespaces, da es den Eingabe-Stream nicht als Folge von (ASCII- oder Unicode-)Zeichen, sondern als Folge von Bytes interpretiert. Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

24 Funktionen zum Einlesen von Dateien Wir betrachten verschiedene Möglichkeiten für das Einlesen der Datei test.txt: Beispiel für die Benutzung von get(): ifstream ifs ( " test. txt " ); int n; n = ifs. get (); cout << n << endl ; // 55 ( 7 ) n = ifs. get (); cout << n << endl ; // 53 ( 5 ) n = ifs. get (); cout << n << endl ; // 51 ( 3 ) n = ifs. get (); cout << n << endl ; // 32 ( ) Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

25 Funktionen zum Einlesen von Dateien Wir betrachten verschiedene Möglichkeiten für das Einlesen der Datei test.txt: Wenn wir char n statt int n verwenden, wird die ASCII-Repräsentation der character ausgegeben: ifstream ifs ( " test. txt " ); char n; n = ifs. get (); cout << n << endl ; // 7 n = ifs. get (); cout << n << endl ; // 5 n = ifs. get (); cout << n << endl ; // 3 n = ifs. get (); cout << n << endl ; // /* Leerzeichen */ Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

26 Funktionen zum Einlesen von Dateien Wir betrachten verschiedene Möglichkeiten für das Einlesen der Datei test.txt: Mit >> werden ebenfalls einzelne character nach char n eingelesen, Leerzeichen/Umbrüche werden allerdings übersprungen! ifstream ifs ( " test. txt " ); char n; ifs >> n; cout << n << endl ; // 7 ifs >> n; cout << n << endl ; // 5 ifs >> n; cout << n << endl ; // 3 ifs >> n; cout << n << endl ; // 1 Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

27 Funktionen zum Einlesen von Dateien Wir betrachten verschiedene Möglichkeiten für das Einlesen der Datei test.txt: Die Funktion peek() arbeitet wie get(), entfernt das Zeichen allerdings nicht aus dem Stream. ifstream ifs ( " test. txt " ); char n; n = ifs. peek (); cout << n << endl ; // 7 n = ifs. peek (); cout << n << endl ; // 7 n = ifs. get (); cout << n << endl ; // 7 n = ifs. peek (); cout << n << endl ; // 5 Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23

28 Funktionen zum Einlesen von Dateien Mittels ifs >> ws werden alle whitespaces am Anfang des Streams entfernt. Als Beispiel betrachten wird die folgende Datei test.txt: und lesen alle Nicht-whitespace-Zeichen ein: ifstream ifs ( " test. txt " ); string s; char ch; while (! ifs. eof () ) { ifs >> ws; // whitespace entfernen ifs >> ch; // naechsten char einlesen s += ch; // s = s + ch ( hinten anhaengen ) } cout << s << endl ; // 0123 Felix Gruber, Sven Groß (IGPM) Mapra: C++ Teil Juni / 23