Načítání a ukládání obrazu

• Předmět: ZPO
• Zadání: Načítání a ukládání obrazu
• Řešitelé:
  • Zdeněk Biberle, xbiber00
  • Josef Řídký, xridky00
  • Zdeněk Tretter, xtrett00
• Datum vypracování: 13. 05. 2015

---

Zadání

Zpracujte funkci pro načítání a ukládání obrazuve vhodném rastrovém formátu (ne ve formátech .JPG, .BMP, nekomprimovaný .TIF, které jsou k dispozici v knihovně DigILib, zájem naopak je o formáty .GIF, .PCX, .PNG, .TIF s kompresí apod.). Funkci pokud možno zpracujte tak, aby nebyla závislá na jiných knihovnách. Měl by být podporován formát grayscale (256 úrovní šedi - 8 bitů/pixel) a RGB (24 bitů/pixel).

Řešení

Z nabízených formátů si náš tým zvolil formáty GIF a PCX. Rozdělení práce bylo následující:

• GIF - Zdeněk Biberle
• PCX - Josef Řídký, Zdeněk Tretter

U obou formátů bylo cílem vytvoření shared objectu s několika funkcemi s volací konvencí jazyka C, které by měly umožnit nahrávání a ukládání obou formátů dle zadání.

Knihovna libzpogif.so

Tato knihovna slouží k nahrávání a ukládání obrázků ve formátu GIF verze 89a. Knihovna dává uživateli volnost co se týče uložení obrázků v paměti. Toho je dosaženo parametrizací velikosti kroku mezi jednotlivými pixely řádků obrazu a mezi jednotlivými řádky. Je dokonce možné použít i zápornou velikost kroku.

Knihovna také dává uživateli volbu metody alokace obrazu při nahrávání. Toho je dosaženo předáním alokační a dealokační funkce do funkce nahrávací. Alokační funkce v tomto případě určuje právě i dříve zmíněné velikosti kroků.

Knihovna rozeznává všechny vlastnosti formátu GIF verze 89a. Knihovna ovšem nepodporuje nahrávání ani ukládání animovaných obrázků. Rozšíření Comment Extension, Plain Text Extension a Application Extension jsou ignorována.

Knihovna má následující rozhraní s volací konvencí jazyka C:

zpogif_error zpogif_save(FILE* f,
	zpogif_format format,
	const void* image, 
	uint16_t width, 
	uint16_t height, 
	ptrdiff_t pixel_stride, 
	ptrdiff_t row_stride);

zpogif_error zpogif_load(FILE* f,
	zpogif_format format,
	void** image_out, 
	uint16_t* width_out,
	uint16_t* height_out,
	ptrdiff_t* pixel_stride_out,
	ptrdiff_t* row_stride_out,
	void* (*allocator)(zpogif_format, uint16_t, uint16_t, ptrdiff_t*, ptrdiff_t*, void*),
	void (*deallocator)(zpogif_format, uint16_t, uint16_t, void*, void*),
	void* allocator_data);

Jak je z názvu zjevné, funkce zpogif_save slouží k ukládání obrázků a funkce zpogif_load slouží k nahrávání obrázků.

Hlavičky obou funkcí určené pro uživatele knihovny se nachází v hlavičkovém souboru zpogif.h.

Funkce zpogif_save

Tato funkce přečte obrázek uložený v paměti a uloží jej do dodaného souboru.

Parametry funkce jsou následující:

• f - soubor, do kterého bude obrázek zapsán
• format - Formát pixelů obrázku, tento parametr má dvě hodnoty:
  • ZPOGIF_RGB - Každý pixel je uložen jako trojice po sobě jdoucích bajtů s úrovněmi červnené, zelené a modré barvy.
  • ZPOGIF_GRAYSCALE - Každý pixel je uložen jako jeden bajt s hodnotou jasu.
• image - Ukazatel na první pixel obrazových dat. Adresy dalších pixelů se odvíjí od této hodnoty na základě následujících čtyř parametrů.
• width - Šířka obrázku v pixelech.
• height - Výška obrázku v pixelech.
• pixel_stride - Velikost kroku mezi pixely na řádků. Při procházení obrázku bude funkce zpogif_save používat tento parametr k posunu na další pixel na řádku.
• row_stride - Funguje podobně jako parametr pixel_stride, ovšem určuje velikost kroku mezi řádky.

Funkce vrací hodnotu typu zpogif_error, která označuje, zda došlo při ukládání k nějaké chybě.

Funkce zpogif_load

Tato funke přečte obrázek ze souboru a uloží jej do paměti, kterou alokuje pomocí dodaného alokátoru.

Parametry funkce jsou následující:

• f - soubor, ze kterého bude obrázek přečten
• format - Formát pixelů obrázku, tento parametr má dvě hodnoty:
  • ZPOGIF_RGB - Každý pixel bude uložen jako trojice po sobě jdoucích bajtů s úrovněmi červnené, zelené a modré barvy.
  • ZPOGIF_GRAYSCALE - Každý pixel bude uložen jako jeden bajt s hodnotou jasu.
• image_out - Ukazatel na ukazatel na první pixel obrázku. Tento parametr slouží jako výstup.
• width_out - Ukazatel na šířku obrázku v pixelech. Tato hodnota bude funkcí naplněna po přečtení souboru.
• height_out - Ukazatel na výšku obrázku v pixelech. Tato hodnota bude funkcí naplněna po přečtení souboru.
• pixel_stride_out - Ukazatel na krok mezi jednotlivými pixely na řádku. Tato hodnota bude naplněna hodnotou, kterou během čtení obrázku dodá alokátor.
• row_stride_out - Ukazatel na krok mezi jednotlivými řádky obrázku. Tato hodnota bude naplněna hodnotou, kterou během čtení obrázku dodá alokátor.
• allocator - Ukazatel na funkci, která slouží pro alokaci nahrávaného obrázku.
• deallocator - Ukazatel na funkcí, která slouží pro dealokaci nahrávaného obrázku.
• allocator_data - Ukazatel na libovolná uživatelská data, která budou předána do alokační a dealokační funkce.

Funkce vrací hodnotu typu zpogif_error, která označuje, zda došlo při nahrávání k nějaké chybě.

Alokace a dealokace obrázků

Jak již bylo zmníněno, tak při nahrávání obrázku ze souboru je k alokaci obrázku v paměti použita uživatelem dodaná alokační funkce. Uživatel by taktéž měl dodat funkci dealokační, aby bylo možné uvolnit alokovanou paměť v případě chyby během nahrávání obrázku.

Alokační funkce má šest parametrů v následujícím pořadí:

• Formát obrázku - ZPOGIF_RGB nebo ZPOGIF_GRAYSCALE.
• Šířka obrázku v pixelech.
• Výška obrázku v pixelech.
• Výstupní ukazatel na krok mezi pixely na řádku.
• Výstupní ukazatel na krok mezi řádky obrázku.
• Ukazatel na libovolná uživatelská data.

Alokační funkce musí vráti ukazatel na první pixel obrázku nebo NULL, pokud se alokace nezdařila.

Dealokační funkce má tyto parametry:

• Formát obrázku - ZPOGIF_RGB nebo ZPOGIF_GRAYSCALE.
• Šířka obrázku v pixelech.
• Výška obrázku v pixelech.
• Ukazatel na první pixel obrázku.
• Ukazatel na libovolná uživatelská data.

Princip výpočtu adres pixelů v obrázku

Jak již bylo zmíněno, tak tato knihovna dává uživateli možnost zvolit si způsob uložení obrázku v paměti. Toho je docíleno především pomocí parametrů pixel_stride a row_stride.

Funkce zpogif_save a zpogif_load používají tyto parametry k výpočtu posunu jednotlivých pixelů v paměti relativně k adrese prvního pixelu. Tento výpočet probíhá následovně:

offset = y * row_stride + x * pixel_stride

Tento způsob definice adresování má hlavní výhodu v tom, že uživatel může zaručit zarovnání pixelů a řádků nezávisle na velikost obrázku. Představme si například situaci, kdy máme RGB obrázek a chceme, aby každý pixel byl zarovnán na čtyři bajty řádek na šestnáct bajtů. V tom případě zvolíme pixel_stride rovno čtyřem a row_stride násobek šestnácti.

C++ rozhraní

Knihovna poskytuje i C++ rozhraní, které je velice podobné popsanému C rozhraní, ovšem s několika drobnými rozdíly:

• Funkce se nachází ve jmenném prostoru zpogif.
• Funkce se jmenují save a load.
• Obě dvě funkce mohou mít jako vstupní a výstupní soubor typ FILE* nebo std::istream, resp. std::ostream.
• Ohlašování chyb chybovými kódy je nahrazeno výjimkami.
• Místo ukazatelů na alokační a dealokační funkce je použita šablona std::function<...>.
• Funkce load již nepřijímá ukazatel na uživatelsk data pro alokační a dealokační funkci.

Toto C++ rozhraní se nachází v hlavičkovém souboru zpogif.hpp.

Knihovna libzpopcx.so

Tato knihovna slouží k nahrávání a ukládání TrueColor RGB a šedotónových obrázků ve formátu PCX ve verzi 3.

Knihovna má následující rozhraní s volací konvencí jazyka C:

int saveToPCX(char *out);
int loadFromPCX(char *in);

Jak je z názvu zjevné, funkce saveToPCX slouží k ukládání obrázků a funkce loadFromPCX slouží k nahrávání obrázků. Funkce loadFromPCX automaticky podle informací v hlavičce PCX souboru rozpozná, o jaký typ obrazu (šedotónový, TrueColor RGB) se jedná. Funkce saveToPCX poté na základě této detekce ukládá soubor v potřebné barevné verzi.

Hlavičky obou funkcí určené pro uživatele knihovny se nachází v hlavičkovém souboru zpopcx.h.

Knihovna pracuje pouze s obrázky, které jsou komprimokvány RLE kompresí.

Pro interní reprezentaci obrázku je využita třída BMP, která obsahuje metody pr načtení a uložení obrázku. Tato třída si uchovává potřebné informace z hlavičky načíteného obrázku jako například jeho šířku, výšku, počet bitů na pixel, počet bitových rovin apod. Tyto informace jsou poté při ukládání obrázku do souboru znovu využity.

Funkce saveToPCX

Tato funkce přvede obrázek z interní reprezentace do požadovaného souboru. Dle typu souboru (šedotónový, TrueColor RGB) jsou následně volány funkce saveToGrayScalePCX a saveToTrueColorPCX, které zajišťují samotné uložení a komprimaci interní reprezentace obrázku.

Parametry funkce jsou následující:

• out - soubor, do kterého bude obrázek uložen

Funkce vrací hodnotu typu int, která označuje, zda došlo při ukládání k nějaké chybě.

Funkce loadFromPCX

Tato funke přečte obrázek ze souboru a převede jej do interní reprezentace.

Parametry funkce jsou následující:

• in - soubor, ze kterého bude obrázek přečten

Funkce vrací hodnotu typu int, která označuje, zda došlo při nahrávání k nějaké chybě.

Obrázky jsou ukládány s využitím komprimace algoritmem RLE.

Použité zdroje

GRAPHICS INTERCHANGE FORMAT(sm). World Wide Web Consortium. [online]. 31.7.1990 [cit. 2015-05-13]. Dostupné z: http://www.w3.org/Graphics/GIF/spec-gif89a.txt

PCX Header Format [online]. [cit. 2015-05-13]. Dostupné z: http://www.fastgraph.com/help/pcx_header_format.html

Grafický formát PCX - výlet do historie PC. ROOT.cz. [online]. 11.6.2006 [cit. 2015-05-13]. Dostupné z: http://www.root.cz/clanky/graficky-format-pcx-vylet-do-historie-pc/

What's In A GIF. Project Labs. [online]. 24.1.2005 [cit. 2015-05-13]. Dostupné z: http://www.matthewflickinger.com/lab/whatsinagif/index.html