Filter

Aufgabe

So funktionieren die vier Filter

filter.c liest das Bild in ein zweidimensionales Array image mit height Zeilen und width Spalten und übergibt es Ihren Funktionen. Jede Funktion ändert die Pixel direkt in image.

1. Pixel: image[i][j] ist der Pixel in Zeile i und Spalte j; image[0][0] ist die Ecke oben links. Jeder Pixel ist ein RGBTRIPLE mit drei Farbwerten rgbtRed, rgbtGreen und rgbtBlue, jeweils eine ganze Zahl von 0 bis 255.
2. Farben: Alle drei Werte 0 ergeben Schwarz, alle drei 255 Weiß. Sind alle drei Werte gleich, ist der Pixel grau – je höher der Wert, desto heller.
3. Graustufen (grayscale): Alle drei Farbwerte werden durch den Mittelwert der ursprünglichen drei Werte ersetzt, gerundet auf die nächste ganze Zahl. So bleibt jeder Pixel etwa so hell wie vorher.
4. Sepia (sepia): Die neuen Werte berechnen sich aus den ursprünglichen Werten $R$, $G$, $B$ des Pixels: $$\begin{aligned} \text{Rot} &= 0.393 \cdot R + 0.769 \cdot G + 0.189 \cdot B \\ \text{Grün} &= 0.349 \cdot R + 0.686 \cdot G + 0.168 \cdot B \\ \text{Blau} &= 0.272 \cdot R + 0.534 \cdot G + 0.131 \cdot B \end{aligned}$$ Jedes Ergebnis wird auf die nächste ganze Zahl gerundet; liegt es über 255, wird es auf 255 gesetzt.
5. Spiegeln (reflect): In jeder Zeile tauschen die Pixel links und rechts die Plätze: Spalte 0 mit Spalte width - 1, Spalte 1 mit Spalte width - 2 und so weiter. Bei ungerader Breite bleibt der mittlere Pixel stehen.
6. Weichzeichnen (blur): Jeder Farbwert wird durch den Mittelwert desselben Farbwerts aller Pixel im 3×3-Kasten um den Pixel ersetzt, der Pixel selbst eingeschlossen, gerundet auf die nächste ganze Zahl. Für Pixel 6 im Raster unten sind das die Pixel 1, 2, 3, 5, 6, 7, 9, 10 und 11.
7. Rand beim Weichzeichnen: Am Rand und in den Ecken zählen nur die Pixel des Kastens, die im Bild liegen: am Rand 6, in einer Ecke 4. Für Pixel 15 sind das 10, 11, 12, 14, 15 und 16.
8. Originalwerte beim Weichzeichnen: Gemittelt wird immer über die ursprünglichen Farbwerte, nicht über Werte, die Ihr Programm schon weichgezeichnet hat.

Beispiel Graustufen und Sepia für einen Pixel mit Rot 220, Grün 190, Blau 140:

Beispiel Weichzeichnen für Pixel 2 am oberen Rand. Sein Kasten umfasst nur die Pixel 1, 2, 3, 5, 6 und 7. Deren Rotwerte:

Neuer Rotwert von Pixel 2: $(100 + 120 + 90 + 80 + 110 + 105) / 6 = 605 / 6 = 100.83$, gerundet 101. Grün und Blau rechnen Sie genauso.

Den Umgang mit image üben Warm-up 3 (Pixel lesen und ändern) und Warm-up 4 (Nachbarpixel ohne Griff über den Bildrand). Wie eine BMP-Datei aufgebaut ist, steht am Ende der Seite unter „Zum Weiterlesen“.

Demo

Aufgabenmaterial

Für diese Aufgabe werden Sie ein von uns zur Verfügung gestelltes Codegerüst vervollständigen.

$

wget https://dev.inf.zone/download/exercises/06/filter.zip

unzip filter.zip

rm filter.zip

cd filter

filter/ $

ls

make filter
./filter -g images/yard.bmp out.bmp

Spezifikation

Implementieren Sie die vier Funktionen in helpers.c:

• grayscale wandelt das Bild in Graustufen um (Regel 3).
• sepia wandelt das Bild in Sepia um (Regel 4). Jeder Farbwert ist danach eine ganze Zahl von 0 bis 255.
• reflect spiegelt das Bild horizontal, also links ↔ rechts (Regel 5).
• blur zeichnet das Bild mit dem 3×3-Kasten weich, auch am Rand und in den Ecken (Regeln 6 bis 8).
• Die Filter sind voneinander unabhängig. Am einfachsten beginnen Sie in dieser Reihenfolge.

Ändern Sie keine der Funktionssignaturen und keine andere Datei als helpers.c. Wenn Ihr Vorgehen nur mit einer Änderung an anderer Stelle funktioniert, überdenken Sie es.

Hilfestellung

Klicken Sie auf die folgenden Tipps, um einige Ratschläge zu erhalten. Versuchen Sie aber zunächst, selbst so weit wie möglich zu kommen.

void grayscale(int height, int width, RGBTRIPLE image[height][width])
{
    // Loop over all pixels

        // Take average of red, green, and blue

        // Update pixel values
}

void grayscale(int height, int width, RGBTRIPLE image[height][width])
{
    // Loop over all pixels
    for (int i = 0; i < height; i++)
    {
        for (int j = 0; j < width; j++)
        {
            // Take average of red, green, and blue

            // Update pixel values
        }
    }
}

void sepia(int height, int width, RGBTRIPLE image[height][width])
{
    // Loop over all pixels
    for (int i = 0; i < height; i++)
    {
        for (int j = 0; j < width; j++)
        {
            // Compute sepia values

            // Update pixel with sepia values
        }
    }
}

void reflect(int height, int width, RGBTRIPLE image[height][width])
{
    // Loop over all pixels
    for (int i = 0; i < height; i++)
    {
        for (int j = 0; j < width; j++)
        {
            // Swap pixels
        }
    }
}

void blur(int height, int width, RGBTRIPLE image[height][width])
{
    // Create a copy of image
    RGBTRIPLE copy[height][width];
    for (int i = 0; i < height; i++)
    {
        for (int j = 0; j < width; j++)
        {
            copy[i][j] = image[i][j];
        }
    }
}

Testen

Kompilieren Sie filter mit:

make filter

Anschließend starten Sie das Programm zum Beispiel so:

./filter -g images/yard.bmp out.bmp

Das erzeugt aus images/yard.bmp ein Graustufenbild out.bmp. Testen Sie alle vier Filter an allen mitgelieferten Bildern; statt -g verwenden Sie -s, -r oder -b.

Korrektheit

Führen Sie in Ihrem Terminal den folgenden Befehl aus, um die Korrektheit Ihrer Arbeit zu überprüfen:

check50 -l inf-zone/exercises/2026/filter

Style

Führen Sie den folgenden Befehl aus, um den Stil Ihres Codes mit style50Prüfprogramm von CS50, das zeigt, wo Ihr Code von den Formatierungsregeln abweicht. In Grün zeigt es, was Sie ergänzen sollten, in Rot, was wegfallen soll. Glossar → zu analysieren:

style50 helpers.c

Abgeben

Geben Sie im Ordner filter ab:

inf upload filter

Danach sehen Sie, welche Tests Ihr Programm besteht und ob die Übung für die Bonuspunkte zählt. Wie Sie inf installieren und sich anmelden, steht unter Abgeben mit inf.

Zum Weiterlesen: Wie eine BMP-Datei aufgebaut ist

Für die Lösung der Aufgabe nicht nötig; das Einlesen und Schreiben erledigt filter.c.

Die einfachste Art, ein Bild darzustellen, ist ein Raster aus Pixeln (Punkten), von denen jeder eine eigene Farbe haben kann. Für ein Schwarz-Weiß-Bild genügt 1 Bit pro Pixel, zum Beispiel 0 für Schwarz und 1 für Weiß:

Ein Bild ist in diesem Sinne ein Raster aus Bits, eine Bitmap. Für Farben braucht man mehr Bits pro Pixel:

• Farbtiefe: Formate wie BMP, JPEG oder PNG können 24 Bit pro Pixel speichern. BMP kennt 1, 4, 8, 16, 24 und 32 Bit pro Pixel.
• RGB: Bei 24 Bit stehen je 8 Bit für den Rot-, Grün- und Blauanteil. Rot 0xff (dezimal 255), Grün 0x00, Blau 0x00 ergibt reines Rot.
• Header: Am Anfang der Datei stehen Metadaten wie Breite und Höhe, in zwei Datenstrukturen („Header“, nicht zu verwechseln mit Header-Dateien in C): BITMAPFILEHEADER mit 14 Byte und BITMAPINFOHEADER mit 40 Byte. filter.c prüft unter anderem, ob die Pixeldaten genau nach diesen 54 Byte beginnen.
• BGR: Danach folgen die Pixel, je drei Byte – aber in der Reihenfolge Blau, Grün, Rot. Deshalb steht in RGBTRIPLE zuerst rgbtBlue.
• Zeilenreihenfolge: Viele BMP-Dateien speichern die unterste Bildzeile zuerst. Die Bilder dieser Aufgabe sind umgekehrt gespeichert, oberste Zeile zuerst; im Header steht dafür eine negative Höhe.

Wandelt man den Smiley oben in 24 Bit um und ersetzt Schwarz durch Rot, speichert eine BMP-Datei ihn so; 0000ff ist Rot (in der Reihenfolge Blau, Grün, Rot), ffffff Weiß:

Mit etwas Abstand erkennen Sie den Smiley in den Hexziffern. Eine Hexziffer steht für 4 Bit; ffffff sind also 6 · 4 = 24 Bit, binär 111111111111111111111111.

Warum structs wie RGBTRIPLE nützlich sind: Eine Datei ist nur eine Folge von Bytes, und ein Dateiformat legt fest, welche Bytes was bedeuten. Man könnte die Datei als ein großes Byte-Array einlesen und sich merken, dass array[i] das eine und array[j] das andere bedeutet. Ein struct gibt diesen Bytes Namen: Statt einer langen Folge von Bytes liest filter.c eine Folge von structs.