(cache) Programming0 ex12

以下の例題と、３つのレベル (初級レベル, 中級レベル, 上級レベル) の課題すべてに回答しなさい。各々の課題毎にファイルを作成しなさい。

今回の課題はテキスト（文書）ファイルで提出するものと C言語のプログラムファイルで提出するものがあります。前者は".txt"、後者は".c" という拡張子をつけて下さい。各課題にはファイル名が指定してあるので、その指示にしたがって下さい。

なお、実行例やコマンドなどで赤色の字はキーボードから入力したもの、深緑の字はコンピュータからの表示を示しています。また、%はプロンプト（皆さんの環境ではstd1dc1{s1160000}1:等に相当する）を示しており、皆さんが入力するのはその次の文字からになります。

また、今回はパイプを使う関係上、実行ファイル名をa.out ではなく、個別に指定してある場合もあります。その際は以下のようにコンパイルオプション -o を使用して下さい。

(A-1)
ls コマンドと du コマンドおよび出力リダイレクション( > , >> ) を利用して、以下の内容を一つのファイル ex12a1.txt に保存しなさい。
ls -l ~/Prog0 の実行結果
du ~/Prog0/* の実行結果

(A-2)
du コマンドと sort コマンド、パイプ( ｜ )と出力リダイレクション( > , >> ) を利用して、du コマンドの標準出力をパイプで sort コマンドに渡し、さらに sort コマンドの結果（標準出力）をファイル ex12a2.txt に保存しなさい。
なお、du コマンドは (A-1) と同じものを使用し、sort コマンドには -n オプションをつけること。

コマンドの動作やコマンドの様々なオプションについて詳しく知りたい場合は、コマンドラインから man コマンド名 と入力すれば、そのコマンドに関する情報が表示される。

(A-3)
ハンドアウトLec12-9の例題をやってみよう。
データファイル lec12-1.data とプログラム lec12-1.c を以下のコマンドでコピーする。

% cp /home/course/prog0/public_html/2008/lec/source/lec12-1.c .
% cp /home/course/prog0/public_html/2008/lec/source/lec12-1.data .

なお、プログラムへの入力は入力リダイレクションでlec12-1.dataを使用し，出力結果を出力リダイレクションでファイル ex12a3.txt に保存すること。

(B-1)
以下に、プログラムで画像を上下反転させるための手順とそのプログラムのソースがあります。プログラム中の下線部を埋めて、完成させなさい。
なお、プログラム名は gflpud.c 、実行ファイル名は gflpud とすること。

「手順」

画像情報を保持するための２次元配列とその他の変数の宣言
カウンタ変数の宣言
画像サイズ、濃淡情報の読み込み及びエラーチェック
画像データの読み込み及びエラーチェック
データ形式の出力
画像サイズ、濃淡情報の出力
画像データの出力（２重ループを使い、上下を逆にする）

/*
 * gflpud.c
 *
 * pgm形式の画像データを受け取って,上下反転する。
 *
 * 終了コード
 * 0 : 正常終了
 * 1 : 入力データの形式がおかしい
 * 2 : 入力データの画素数または階調が範囲外
 * 3 : 入力データがおかしいかデータが揃わないうちにＥＯＦになった
 * 4 : 入力データの画素の値が範囲外
 */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define MSIZE 800
main()
{
 int dat[MSIZE][MSIZE];
 int i, j, width, height, maxval;
 /* 入力 */
 /* ファイル形式のチェック */
 /* この部分はプログラミング入門の範囲を越えているので、このまま使って下さい。*/
 if (getchar() != 'P' || getchar() != '2'){
   fprintf(stderr, "データの形式が違います\n");
   exit(1);
 }

 /* x,yそれぞれの画素数を得る */
 scanf("%d %d", &width, &height);

 /* Maxval（白の値）を得る */
 scanf("%d",&maxval);

 /* 画素数が範囲外の場合 */
 if (width < 1 || height < 1 || width > MSIZE || height > MSIZE){
   fprintf(stderr, "設定サイズが範囲外です。\n");
   exit(2);
 }

 /* Maxvalが範囲外 */
 if (maxval < 1 || maxval >= 65536){
   fprintf(stderr, "階調が範囲外です\n");
   exit(2);
 }

 /* 実際のデータ入力 */
 for (i = 0; i < height; i++){
   for (j = 0; j < width; j++){
     /* scanf入力データがおかしいかＥＯＦになった場合 */
     if(scanf("%d",&dat[i][j]) != 1){
       fprintf(stderr, "データ入力に異常があります\n");
       exit(3);
     }
     /* データが範囲外 */
     if(dat[i][j] < 0 || dat[i][j] > maxval){
       fprintf(stderr, "データが異常でした\n");
       exit(4);
     }
   }
 }
 /* これより上はどのプログラムもほぼ同じ */

 /* 出力 */
 /* 最初にP2とx,yの画素数、Maxvalを出力 */
 printf("P2\n");
 printf("%d %d\n", width, height);
 printf("%d\n", maxval);

 /* 実際のデータ出力 */
 for (i = 0; i < height; i++){
   for (j = 0; j < width; j++){
     printf("%2d ",dat[________][________]);
   }
   printf("\n");
 }
}

[実行例１]
% ./gflpud < feep64.pgm
P2
24 7
63
0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
0 12  0  0  0  0  0 29 29 29 29  0  0 46 46 46 46  0  0 63  0  0  0  0
0 12  0  0  0  0  0 29  0  0  0  0  0 46  0  0  0  0  0 63  0  0  0  0
0 12 12 12  0  0  0 29 29 29  0  0  0 46 46 46  0  0  0 63 63 63 63  0
0 12  0  0  0  0  0 29  0  0  0  0  0 46  0  0  0  0  0 63  0  0 63  0
0 12 12 12 12  0  0 29 29 29 29  0  0 46 46 46 46  0  0 63 63 63 63  0
0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0


[実行例２]
% ./gflpud < feep64.pgm | display

（注）表示用に拡大しています。

(B-2)
画像を右９０度回転するプログラムを作成しなさい。プログラムのソースファイル名は grotr.c 、実行ファイル名は grotr として作成すること。

[実行例１]
% ./grotr < feep64.pgm
P2
7 24   (←縦、横が反対になることに注意！）
63
0  0  0  0  0  0  0
0 12 12 12 12 12  0
0  0  0 12  0 12  0
0  0  0 12  0 12  0
0  0  0  0  0 12  0
0  0  0  0  0  0  0
0  0  0  0  0  0  0
0 29 29 29 29 29  0
0 29  0 29  0 29  0
0 29  0 29  0 29  0
0 29  0  0  0 29  0
0  0  0  0  0  0  0
0  0  0  0  0  0  0
0 46 46 46 46 46  0
0 46  0 46  0 46  0
0 46  0 46  0 46  0
0 46  0  0  0 46  0 
0  0  0  0  0  0  0
0  0  0  0  0  0  0
0 63 63 63 63 63  0
0  0  0 63  0 63  0
0  0  0 63  0 63  0
0  0  0 63 63 63  0
0  0  0  0  0  0  0

[実行例２]
% ./grotr < neko64.pgm | display

(B-3)
色の濃淡を反転（白を黒、黒を白へ）するプログラムを作成しなさい。
プログラムのソースファイル名は ginv.c 、実行ファイル名は ginv として作成すること。
（以下はヒントです。まずは見ずに挑戦しましょう。分からない場合は以下の部分でマウスの左ボタンをクリックし、マウスをドラッグするとヒントが見えます。また、以下の問題でもヒントは同じ方法で見ることが出来ます。）

「考え方」
画像データを以下のように変換していけば良い。
0 -> Maxval （黒を白へ）
1 -> Maxval-1
2 -> Maxval-2
:
:
Maxval-2 -> 2
Maxval-1 -> 1
Maxval -> 0 （白を黒へ）
　　　　　　

[実行例１]
% ./ginv < feep64.pgm
P2
24 7
63
63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63
63 51 51 51 51 63 63 34 34 34 34 63 63 17 17 17 17 63 63  0  0  0  0 63
63 51 63 63 63 63 63 34 63 63 63 63 63 17 63 63 63 63 63  0 63 63  0 63
63 51 51 51 63 63 63 34 34 34 63 63 63 17 17 17 63 63 63  0  0  0  0 63
63 51 63 63 63 63 63 34 63 63 63 63 63 17 63 63 63 63 63  0 63 63 63 63
63 51 63 63 63 63 63 34 34 34 34 63 63 17 17 17 17 63 63  0 63 63 63 63
63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63


[実行例２]
% ./ginv < ajisai64.pgm | display


（注）表示用に縮小しています。

(C-1)
グレースケールの画像を２値化するプログラムを作成しなさい。
すなわち、濃淡階調のある画像を黒色か白色しかない画像に変換する
プログラムのソースファイル名は gbin.c 、実行ファイル名は gbin として作成すること。

「考え方」
適当な色（階調、濃度）を閾（しきい）値として決めて、その値以上ものを maxval（白）、未満のものを 0（黒）にしてやれば良い。この処理には if 文または整数演算を利用します。
閾値はどのような画像処理を行うかで決めますが、この課題では最高輝度の半分（すなわち maxval/2 ）を使うことにしましょう。

[実行例１]

% ./gbin < feep64.pgm
P2
24 7
63
0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0 63 63 63 63  0  0 63 63 63 63  0
0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0 63  0  0  0  0  0 63  0  0 63  0
0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0 63 63 63  0  0  0 63 63 63 63  0
0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0 63  0  0  0  0  0 63  0  0  0  0
0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0 63 63 63 63  0  0 63  0  0  0  0
0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0

[実行例２]
% ./gbin < nakaniwa64.pgm | display


（注）表示用に縮小しています。

(C-2)
輝度を上げるプログラムを作成しなさい。

「輝度を上げる」とは下の実行例の画像を見ても分かるように、各点の明るさ（輝度）の値を増すことで全体として元画像より明るい（白に近い）画像を得る事です。

プログラムのソースファイル名は gcscale.c 、実行ファイル名は gcscale として作成すること。

「考え方」
画像データの値を数倍（とりあえず1.5倍）して、Maxvalを越えた場合は強制的に Maxvalにします。つまり、濃淡が64階調（ 0 から 63 までの値をとる）のときの 32 という値は白と黒のほぼ中間の灰色になりますが、 1.5 倍すると 48 となりやや明るい灰色になります。しかし、63 を越えてしまうわけにはいかないので、越えた画素の値については、強制的に 63 にしてしまうことになります。
なお、全データに対して底上げ（＋10 にするなど）する方法や、濃度ごとに重み付け（普通は数学的な関数を利用する）する方法もあります。

[実行例１]
% ./gcscale < feep64.pgm
P2
24 7
63
0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
0 18 18 18 18  0  0 43 43 43 43  0  0 63 63 63 63  0  0 63 63 63 63  0
0 18  0  0  0  0  0 43  0  0  0  0  0 63  0  0  0  0  0 63  0  0 63  0
0 18 18 18  0  0  0 43 43 43  0  0  0 63 63 63  0  0  0 63 63 63 63  0
0 18  0  0  0  0  0 43  0  0  0  0  0 63  0  0  0  0  0 63  0  0  0  0
0 18  0  0  0  0  0 43 43 43 43  0  0 63 63 63 63  0  0 63  0  0  0  0
0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0

[実行例２]
% ./gcscale < nakaniwa64.pgm | display

（注）以下の画像はいずれも表示用に縮小しています。


  
    
      元画像

      
    
    
      輝度を上げた画像

(C-3)
画像の平滑化（スムージング）を行なうプログラムを作成しなさい。

「平滑化」するとは下の実行例の画像を見ても分かるように、各点の明るさ（輝度）の値を周囲の点からあまり掛け離れた値にしないことで、なめらかな画像を得る物です。平滑化の方法によっては実行例のように少しピンぼけ風になる事もあります。

プログラムのソースファイル名は gsmooth.c 、実行ファイル名は gsmooth として作成すること。
平滑化する方法は特に指定しない。必要なら以下の考え方を参考にしても良い。
なお、プログラムの最初にどのような平滑化を行なったのかコメントで説明を入れて下さい。

「考え方」
平滑化の基本的な考え方は、対象とする１画素とその周辺の画素との平均を対象画素の値とするというものです。（平滑化を施す事により、画像的には少しぼやけた感じになりますが、ノイズ（ゴミとでも言いましょうか）が多いような画像だとゴミを除去する事が出来ます。（無論全てのノイズを除去出来る訳ではありません。ハンドアウト Lec12-21～23 参照）

例えば、横３画素を使って平滑化する場合は、以下のようにすれば良い。（元の画像用配列とは別な配列に代入していることに注意すること。同一配列では既に平滑化してしまった値を再度利用してしまうことになる。）
b[i][j]= (a[i][j-1] + a[i][j] + a[i][j+1])/3.0 (普通の平均)
b[i][j]= (a[i][j-1] + n*a[i][j] + a[i][j+1])/(float)(2+n) (重み付き平均)
上記の重み付き平均例の場合、自分の画素の重みを他の画素のn倍にしているので、結果が自分の画素の画素値に近いものになり、画像的にはあまりぼやけたものにならない反面、あまりノイズを除去出来ないかも知れない。 n の値を色々変化させてどのような画像になるか見てみるのも面白いだろう。（ n を float 型にして、1 以下にするのも又面白い結果が出る）
他に平滑に利用する画素を上下左右にしたり、近傍８画素（対象画素の縦横斜隣りの８画素）にしたりすると又画像の様相が変ります。
なお、画像の端は上記の式では対応できないので、注意が必要となる。

[実行例１]（横３画素の平均による平滑化）
% ./gsmooth < feep64.pgm
P2
24 7
63
 0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0 
 0  8 12 12  8  4  9 19 29 29 19  9 15 30 46 46 30 15 21 42 63 63 42  0 
 0  4  4  0  0  0  9  9  9  0  0  0 15 15 15  0  0  0 21 21 21 21 21  0 
 0  8 12  8  4  0  9 19 29 19  9  0 15 30 46 30 15  0 21 42 63 63 42  0 
 0  4  4  0  0  0  9  9  9  0  0  0 15 15 15  0  0  0 21 21 21  0  0  0 
 0  4  4  0  0  0  9 19 29 29 19  9 15 30 46 46 30 15 21 21 21  0  0  0 
 0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0 

[実行例２]（３ｘ３画素による平滑化）
% ./gsmooth < nakaniwa64.pgm | display

（注）以下の画像はいずれも表示用に縮小しています。

  
    
      元画像

      
    
    
      平滑化した画像

(D-1)
これまでに演習で作成した grotr, gflpud, ginv, gbin, gcscale と、 display コマンドを組み合わせて、いろいろな画像処理を試してみなさい。
そして、試した画像処理がどのコマンドの組み合せによって実現できるかを ex12d1.txt に書いて下さい（使用する画像は任意）。

「ex12d1.txtの記述例」
１８０度回転(右９０度回転を２回行なうと１８０度回転となる)
% ./grotr < u-aizu64.pgm | ./grotr | display

[実行例]（ex12d1.txtに実行例は入れなくて良い）

（注）表示用に縮小しています。

「考えられる画像処理の例」

左９０度回転
左右反転
輝度を下げる

などなど

第１２回プログラミング入門演習

リダイレクトとパイプ

【主な内容】

リダイレクション

パイプ

演習課題

第１２回 プログラミング入門 演習

リダイレクトとパイプ

【主な内容】

リダイレクション

パイプ

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第１２回プログラミング入門演習