Informatik I. Matthias Geel Büro: IFW A Blog:

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1 Informatik I Matthias Geel Büro: IFW A geel@inf.ethz.ch Blog:

2 Übersicht 1. Nachbesprechung Übung 5 2. Theorie: Ein- und Ausgabe 3. Vorbesprechung Übung Matthias Geel 2

3 Nachbesprechung NACHBESPRECHUNG ÜBUNG Matthias Geel 3

4 Ein- und Ausgabe von Dateien THEORIE Matthias Geel 4

5 I/O in C++ Die Ein- und Ausgabe wird als Strom von Bytes betrachtet Unabhängig vom Ursprung (Tastatur, Datei) und vom Ziel (Bildschirm, Datei) In Unix wird alles als File interpretiert es können immer dieselben Methoden verwendet werden Files müssen am Anfang geöffnet und am Ende geschlossen werden Hinweis: Unsere bekannten cin und cout Objekte sind nichts anderes als Ströme von und zu der Konsole Theorie Matthias Geel 5

6 I/O in C++ Bibliothek <fstream> Objekte kapseln die Dateioperationen ifstream/ofstream: Input- und Output-File- Stream Methoden zum öffnen und schliessen von Dateien // Neuer Ausgabestream über den Konstruktor mit new (dazu später mehr) ofstream* fout = new ifstream( filename ); ofstream fout; // Neuer Ausgabestream fout.open( filename ); // Öffne spezifische Datei als Stream fout.close(); // Schliesse die Datei wieder Theorie Matthias Geel 6

7 I/O in C++ Methoden zum Arbeiten mit Dateien // Liefert das nächste Byte als int zurück int get() // liest max. n-1 Bytes in s ein bis zum nächsten '\n istream& get(char* s, int n) // liest max. n Bytes in s ein istream& read(char* s, int n) // formatiertes lesen (wie z.b. auch bei cin) fin >> c; // true, wenn das Ende der Datei erreicht ist bool eof() Theorie Matthias Geel 7

8 VORBESPRECHUNG ÜBUNG Matthias Geel 8

9 Aufgabe 1 Aufgabenstellung Ein EKG (Elektrokardiogramm) zeichnet die elektrischen Aktivitäten des Herzens auf Solche Messungen sind technisch bedingt diversen Störquellen ausgesetzt Mittels geeigneter Filterfunktionen soll die Lesbarkeit des EKGs erhöht werden Vorbesprechung Übung Matthias Geel 9

10 Aufgabe 1 Das Kernproblem 3 Arten von Störungen Nulllinienschwankung (tieffrequentes Rauschen) Elektrodenkontakt feines Rauschen (hochfrequent) A/D Wandler und die Muskeln an sich 50-Hz Rauschen mit hoher Amplitude Europäisches Stromnetz, wird allerdings meistens schon vorher gefiltert Idee: Für jede Rauschart muss mit einem separaten Filter gefiltert werden Hochpass-Filter Tiefpass-Filter 50-Hz-Notch Vorbesprechung Übung Matthias Geel 10

11 Aufgabe 1 Die Filter Die Filter sind bereits vorgegeben Herausforderung: Die Filter müssen nun mittels auf die EKG Daten angewandt werden Diskrete Faltung: double sum = 0; for(int k = 0; k < lf; k++) { sum += f[k] * ; } Vorbesprechung Übung Matthias Geel 11

12 Aufgabe 1 Faltung Mathematischer Operator ( ), der für zwei Funktionen f und g eine dritte Funktion liefert Ergibt eine Art Überlappung zwischen f und einer gespiegelten und verschobenen Version von g Lässt sich anschaulich als Gewichtung der Werte von g mit der Gewichtsfunktion f deuten diskrete Faltung: d(n): Eingabe an Stelle n (Funktion g) d neu (n): Ausgabe an Stelle n (neue Funktion) f(n): Filter an Stelle n (Funktion f) l f : Länge des Filters Vorbesprechung Übung Matthias Geel 12

13 Faltung - Beispiel Filter Daten Ergebnis (-1) (-1) 3 = 11 (-1) (-1) 4 = -5 (-1) (-1) 4 = 1 (-1) (-1) 1 = 3 (-1) (-1) 0 = -2 Vorbesprechung Übung Matthias Geel 13

14 Aufgabe 1 - Ringbuffer Grösse des Puffers entspricht der Länge des Filters Modulo-Operation auf dem Index verknüpft Anfang und Ende des Puffers d[n] = buffer[(n+filterlength)%filterlength] Problem: Modulo gibt bei negativen Operanden negatives Ergebnis (z. B. -13 % 10 = -3) Addition der Pufferlänge (n + filterlength) erlaubt auch negative n Vorbesprechung Übung Matthias Geel 14

15 Aufgabe 1 - Ringbuffer Daten Ergebnis Vorbesprechung Übung Matthias Geel 15

16 Aufgabe 1 Vorgehensweise Startet mit filtertmpl.cpp als Vorlage Aufruf des Programms: >./filter filter.dat data.dat output.dat Kommandozeilenparameter einlesen bestimmen mit bestehender Funktion get_filter_size( ) (Array) für erstellen und Filter einlesen (Array) für erstellen (gleiche Länge wie Filter) und auf 0 initialisieren Je einen für die Ein- und Ausgabe öffnen Vorbesprechung Übung Matthias Geel 16

17 Aufgabe 1 Vorgehensweise Jeweils einen Wert in den Ringpuffer einlesen Erste Berechnung der Faltung erst, wenn filterlänge/2+1 Daten im Puffer liegen Den neuen (gefilterten Wert) mit folgender Funktion berechnen (müsst ihr implementieren!) double convolute( double filter[], double buffer[], int filterlength, int pos) { } Für jeden eingelesen Wert den neuen Wert in den Ausgabestream schreiben Da Ausgabe verspätet begonnen hat, müssen am Schuss noch filterlänge/2 Daten ausgegeben werden Nullen in den Puffer nachschieben Speicher freigeben Vorbesprechung Übung Matthias Geel 17

18 Aufgabe 1 Alternative Ohne Ringpuffer: Ein grosses Array erstellen für die gesamten EKG Daten Beachte: Beim Falten darf nicht auf Werte ausserhalb des Arrays zugegriffen werden Nicht definierte Werte sind 0 Zugriff abfangen oder euer Array hinten und vorne vergrössern Vorbesprechung Übung Matthias Geel 18

19 Aufgabe 1 Abgabe Eure Aufgabe muss folgende Bestandteile enthalten 1. Das C++ Programm 2. Den Plot des vollständig gefilterten EKGs (alle 3 Filter müssen angewendet werden) 3. Eine Tabelle die aufzeigt, welche Filterdatei zu welcher Filterfunktion gehört Vorbesprechung Übung Matthias Geel 19

20 gnuplot Kommandozeilenprogramm zur Visualisierung von Daten Erhältlich für Linux, Windows und Mac, siehe Aufgabenstellung, letzter Hinweis Zeigt Graphen in einem separaten Fenster auf dem Bildschirm Datenformat: Ein Datensatz pro Zeile Ein einzelner Wert pro Spalte Spalten mit Leerzeichen getrennt Kommentarzeilen beginnen mit # Vorbesprechung Übung Matthias Geel 20

21 Und wieder geht eine Übungsstunde zu Ende. FRAGEN? ANMERKUNGEN? Matthias Geel 21