Softwaretechnologie für Fortgeschrittene Teil Thaller Stunde I: Bildverarbeitung I Köln 19. November 2009.

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1 Softwaretechnologie für Fortgeschrittene Teil Thaller Stunde I: Bildverarbeitung I Köln 19. November 2009

2 I. Rekapitulation 2

3 Abstrakte Überlegungen zum Wesen der Information. Darstellung von Information in geeigneten Strukturen auf (digitalen) Rechnern. Entwicklung von Algorithmen, die auf diesen Strukturen operieren. Einbettung in eine Methodologie, die die Konstruktion von Programmen aus geeigneten Strukturen und Algorithmen ermöglicht. 3 Gegenstand

4 1."Selbstabbildende Information". Es kann "gerechnet" werden. Bilder. 2."Kodierte Information". Zeichenketten und Teilketten können verglichen werden. Texte. 3."Symbolische Information". Terme können verglichen werden. Terminologien, "Ontologien" u.ä. Arten von Information 4

5 Soundex Problem: Welche der drei folgenden Namen sind gleich? Theckenperger Tegenberger Tekekenperger 5

6 Soundex 1Das erste Zeichen jedes Namens wird beibehalten. 2W und H werden ignoriert. 3 A, E, I, O, U und Y ergeben keinen Codewert, gelten jedoch als "Trenner" (s.Regel 5). 4Die anderen Zeichen werden nach folgenden Regeln umgewandelt. 4.1 B, P, F, V ==>1 4.2 C, G, J, K, Q, S, X, Z ==>2 4.3 D, T ==>3 4.4 L ==>4 4.5 M, N ==>5 4.6 R ==>6 5 Ergeben zwei aufeinanderfolgende Zeichen denselben Code, wird er nur einmal gewertet. Sind sie durch einen "Trenner" (s. oben Regel 3) getrennt, wird er jedoch wiederholt. 6

7 Soundex Problem: Welche der drei folgenden Namen sind gleich? Theckenperger Tegenberger Tekekenperger 7

8 Soundex Problem: Welche der drei folgenden Namen sind gleich? Theckenperger Tegenberger Tekekenperger TRegel 1 8

9 Soundex Problem: Welche der drei folgenden Namen sind gleich? Theckenperger Tegenberger Tekekenperger TxTxRegel 2 9

10 Soundex Problem: Welche der drei folgenden Namen sind gleich? Theckenperger Tegenberger Tekekenperger T xRegel 3 10

11 Soundex Problem: Welche der drei folgenden Namen sind gleich? Theckenperger Tegenberger Tekekenperger T 2Regel 4.2 11

12 Soundex Problem: Welche der drei folgenden Namen sind gleich? Theckenperger Tegenberger Tekekenperger T 2xRegel 5 12

13 Soundex Problem: Welche der drei folgenden Namen sind gleich? Theckenperger Tegenberger Tekekenperger T 2 xRegel 3 13

14 Soundex Problem: Welche der drei folgenden Namen sind gleich? Theckenperger Tegenberger Tekekenperger T 2 5Regel 4.5 14

15 Soundex Problem: Welche der drei folgenden Namen sind gleich? Theckenperger Tegenberger Tekekenperger T 2 51Regel 4.1 15

16 Soundex Problem: Welche der drei folgenden Namen sind gleich? Theckenperger T251 Tegenberger Tekekenperger 16

17 Soundex Problem: Welche der drei folgenden Namen sind gleich? Theckenperger T251 Tegenberger Tekekenperger TRegel 1 17

18 Soundex Problem: Welche der drei folgenden Namen sind gleich? Theckenperger T251 Tegenberger Tekekenperger TxTxRegel 2 18

19 Soundex Problem: Welche der drei folgenden Namen sind gleich? Theckenperger T251 Tegenberger Tekekenperger T 2Regel 4.2 19

20 Soundex Problem: Welche der drei folgenden Namen sind gleich? Theckenperger T251 Tegenberger Tekekenperger T 2xRegel 3 20

21 Soundex Problem: Welche der drei folgenden Namen sind gleich? Theckenperger T251 Tegenberger Tekekenperger T 2 5Regel 4.5 21

22 Soundex Problem: Welche der drei folgenden Namen sind gleich? Theckenperger T251 Tegenberger T251 Tekekenperger T 2 51Regel 4.1 22

23 Soundex Problem: Welche der drei folgenden Namen sind gleich? Theckenperger T251 Tegenberger T251 Tekekenperger T 2 2Regeln 4.2 / 5 / 3 23

24 Soundex Problem: Welche der drei folgenden Namen sind gleich? Theckenperger T251 Tegenberger T251 Tekekenperger T225 * 24

25 1."Selbstabbildende Information". Es kann "gerechnet" werden. Bilder. 2."Kodierte Information". Zeichenketten und Teilketten können verglichen werden. Texte. 3."Symbolische Information". Terme können verglichen werden. Terminologien, "Ontologien" u.ä. Arten von Information 25

26 Towers of Hanoi Situation in einem Tempel in Hanoi: Ein Turm von 100 Scheiben auf einer Spindel (S1). Eine leere Spindel (S2). Eine weitere leere Spindel (S3). Transportiere S1 so nach S2 - wobei S3 als Zwischenlager verwendet werden darf - dass: Jeweils nur die oberste Scheibe von einem Turm genommen wird. Niemals eine größere Scheibe auf einer kleineren liegt. Prophezeiung: Ist das erledigt, ist das Ende der Welt gekommen. 26

27 Towers of Hanoi S1 S2 S3 27

28 Towers of Hanoi S1 S2 S3 28

29 Towers of Hanoi S1 S2 S3 29

30 Towers of Hanoi S1 S2 S3 30

31 Towers of Hanoi S1 S2 S3 31

32 Towers of Hanoi S1 S2 S3 32

33 Towers of Hanoi S1 S2 S3 33

34 Towers of Hanoi S1 S2 S3 34

35 Towers of Hanoi Lösung I 1.Finde jemand, der die obersten 99 Scheiben von S1 nach S3 transportiert. 2.Transportiere die unterste Scheibe von S1 nach S2. 3.Finde jemand, der die obersten 99 Scheiben von S3 nach S2 transportiert. 35

36 Towers of Hanoi Lösung II 1.Besteht der zu transportierende Turm aus mehr als einer Scheibe, finde jemand, der einen Turm von n-1 Scheiben von S1 nach S3 transportiert. Nutze S2 als Zwischenablage. 2.Transportiere selbst die unterste Scheibe von S1 nach S2. 3.Besteht der zu transportierende Turm aus mehr als einer Scheibe, finde jemand, der einen Turm von n-1 Scheiben von S3 nach S2 transportiert. Nutze S1 als Zwischenablage. 36

37 Towers of Hanoi Lösung III function transport( int n, stack spindel1, stack spindel2, stack spindel3) { if (n >1) transport(n-1,spindel1,spindel3,spindel2); schritt(spindel1,turm2); if (n>1) transport(n-1,spindel3,turm2,spindel1); } function schritt( stack spindel1, stack spindel2) { spindel2.push(spindel1.pop()); } 37

38 Towers of Hanoi Fragen 1.Wie viele Mitarbeiter werden benötigt? n 2. Wieviele Transferschritte? 2 n -1 3. Wie lange? 2 100 -1 Schritte == ca. 10 30 1 Schritt == 1 Sekunde ==> ca. 10 30 Sekunden == ca. 4 * 10 22 Jahre * 38

39 1."Selbstabbildende Information". Es kann "gerechnet" werden. Bilder. 2."Kodierte Information". Zeichenketten und Teilketten können verglichen werden. Texte. 3."Symbolische Information". Terme können verglichen werden. Terminologien, "Ontologien" u.ä. Arten von Information 39

40 Minimal neighbour Original Ergebnis 40

41 Ersetze in jeder Zeile jedes Pixel durch den niedrigsten Pixelwert der dieses Pixels umschreibenden 3 x 3 Matrix. Minimal neighbour 41

42 Minimal neighbour 42

43 Minimal neighbour 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 43

44 Minimal neighbour 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 44

45 Minimal neighbour 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 45

46 Minimal neighbour 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 46

47 Minimal neighbour 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 47

48 Minimal neighbour 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 48

49 Minimal neighbour 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 49

50 Minimal neighbour 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50

51 Minimal neighbour 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 50 250 51

52 Minimal neighbour * 52

53 Abstrakte Überlegungen zum Wesen der Information. Darstellung von Information in geeigneten Strukturen auf (digitalen) Rechnern. Entwicklung von Algorithmen, die auf diesen Strukturen operieren. Einbettung in eine Methodologie, die die Konstruktion von Programmen aus geeigneten Strukturen und Algorithmen ermöglicht. 53 Gegenstand

54 II. Bildverarbeitung I 54

55 Bildverarbeitung 55 Bildverarbeitung hier ::= Bearbeitung von Bildern, die als strukturierter Bytestream im Memory geladen sind.

56 Basisalgorithmus Bildverarbeitung 56 Unter Annahme eines Bildes als: struct image { int zeilen; int spalten; unsigned char *bytes; } o; for (i=0;i<o.spalten;i++) for (j=0;j<o.zeilen;j++) transform(* (o.bytes + (j*spalten) + i) );

57 Ein Algorithmus ist eine Funktion f(D ein, D aus ), die Eingabedaten D ein in Ausgabedaten D aus schrittweise transformiert und dabei bestimmte Bedingungen erfüllt. Algorithmen: Definition 57

58 Basisalgorithmus Bildverarbeitung 58 Oder allgemeiner: struct image { int zeilen; int spalten; pixel *pixel; } o; for (i=0;i<o.spalten;i++) for (j=0;j<o.zeilen;j++) transform(* (o.pixel + (j*spalten) + i) );

59 Basisalgorithmus Bildverarbeitung 59 Eingebunden in den Kontext von Qt (i.e., QImage): Beispiel: Negation 8 Bit for (int y=0;y height();y++) for (int x=0;x width();x++) { oldVal = *(image->scanLine(y) + x); newVal=255-oldVal; *(image->scanLine(y) + x) = newVal; }

60 Basisalgorithmus Bildverarbeitung 60 Eingebunden in den Kontext von Qt (i.e., QImage): Beispiel: Negation 24 Bit for (int y=0;y height();y++) for (int x=0;x width();x++) { RGB=(QRgb *)image->scanLine(y) + x; oldRed = qRed(*RGB); newRed=255-oldRed; oldGreen = qGreen(*RGB); newGreen=255-oldGreen; oldBlue = qBlue(*RGB); newBlue=255-oldBlue; *RGB = qRgb(newRed,newGreen,newBlue); }

61 Basisalgorithmus Bildverarbeitung 61 Dabei gilt jedoch: for (int y=0;y<result.height();y++) { for (int x=0;x<result.width();x++) { *(result.scanLine(y) + x) = meineTransformation(*(image.scanLine(y)) ; } Etwa eine Größenordnung langsamer als:

62 Basisalgorithmus Bildverarbeitung 62 for (int y=0;y<result.height();y++) { newpixel=result.scanLine(y); oldpixel=image.scanLine(y); for (int x=0;x<result.width();x++) *(newpixel++) = meineTransformation(*(oldpixel++)); }

63 Basisalgorithmus Bildverarbeitung 63 Merke: Bildverarbeitung muss performant sein!

64 Basistransformationen 64 Negation: oldVal = *(image->scanLine(y) + x); newVal=255-oldVal; *(image->scanLine(y) + x) = newVal;

65 Basistransformationen 65 Horizontale Spiegelung: for (int y=0;y height();y++) for (int target=0,source=image->width()-1; target<limit;target++,source--) { pixel=*(image->scanLine(y) + source); *(image->scanLine(y) + source) = *(image->scanLine(y) + target); *(image->scanLine(y) + target) = pixel; }

66 Basistransformationen 66 Vertikale Spiegelung: for (int target=0,source=image->height()-1; target<limit;target++,source--) for (int x=0;x width();x++) { pixel=*(image->scanLine(source) + x); *(image->scanLine(source) + x) = *(image->scanLine(target) + x); *(image->scanLine(target) + x) = pixel; }

67 Basistransformationen 67 Farbbandextraktion (Qt spezifisch, lookup table): for (int y=0;y height();y++) for (int x=0;x width();x++) { RGBval=image->colorTable() [*(image->scanLine(y) + x)]; pixel=qRed(RGBval); *(result.scanLine(y) + x) = pixel; }

68 Basistransformationen 68 Quadrantenrotation: for (int oldy=0,newx=image->height()-1;oldy height(); oldy++,newx--) for (int oldx=0,newy=0;oldx width(); oldx++,newy++) *(result.scanLine(newy) + newx) = *(image->scanLine(oldy) + oldx);

69 Basistransformationen 69 Gradgenaue Rotation: for (int y=0;y height();y++) { h=image->height()-y; for (int x=0;x width();x++) { rho=sqrt((double)(x*x)+(double)(h*h)); theta=atan((double)h/(double)x)-usearc; newx=(int)rint(rho*cos(theta)+xmin); newy=ysize-((int)rint(rho*sin(theta)+ymin)); *(inter+(newy*xsize)+newx)= *(image->scanLine(y) + x); }

70 Basistransformationen 70 Nachgeschobene Interpolation zur Rotation: offset[0]= -1; offset[1]= 1; offset[2]= xsize*-1; offset[3]= xsize; for (int y=0;y<result.height();y++) { for (int x=0;x<result.width();x++,use++) { if (*use>=0) *(result.scanLine(y)+x) = *use; else if (*(use-1)<0 || *(use+1)<0) *(result.scanLine(y)+x) = 0; else { *(result.scanLine(y)+x) = *(use+offset[now]); if (++now==4) now=0; }

71 Danke für heute! 71