TEI2-Aufgabenblatt4/Aufgabe1_2.cpp

#include <iostream> // std::cout
#include <fstream> // std::ifstream/ofstream

// Nutzen aller std Methoden Deklaration, damit nicht überall "std::" davor stehen muss
using namespace std;

// Klasse für Portable Pixel Map (PPM) Bilder
class PPM {
private:
    int width; // Attribut Breite
    int height; // Attribut Höhe
    int maxValue; // Maximaler Wertebereich der Farben
    int* pixel; // char Pointer für alle rgb Werte der Pixel

public:
    // Konstruktor zum initialisieren
    PPM(){
        this->width = 0;
        this->height = 0;
        this->maxValue = 0;
        this->pixel = nullptr;
    }

    // Dekonstruktor zur Speicherfreigabe von pixel Pointer
    ~PPM() {
        if (pixel) 
            delete[] pixel;
    }

    // Methode zum Einlesen der PPM Datei returned true, wenn einlesen erfolgreich
    // String const aus std
    bool readPPM(const string& filename) {
        
        // Inputfile Stream von filename, ios::binary zum, damit \n geskipped wird
        ifstream file(filename, ios::binary);
        
        // !file gibt true wenn file nicht gefunden werden kann
        if (!file.is_open()) {
            // Console Error aus std
            cerr << "Error: Unable to open file " << filename << endl;
            // Einlesen nicht erfolgreich -> returned false
            return false;
        }

        // magicNumber char Array deklarieren
        char magicNumber[3];
        // std::istream::read um aus file die ersten 2 chars auszulesen
        file.read(magicNumber, 2);
        // Ende der magic Number deklarieren
        magicNumber[2] = '\0';
        // Vergleiche magicNumber mit "P3" wenn sie gleich sind returned strcmp = 0
        if (strcmp(magicNumber, "P3") != 0) {
            // std::console error, falls falsches magic Number Format verwendet wurde
            cerr << "Error: Not a valid PPM file" << endl;
            // Falsches Magic Number Format -> returned false
            return false;
        }

        // von file zuerst die nächsten Zahlen bis nächstes Leerzeichen in width speichern und dann in height
        file >> width >> height;

        // von File maximaler Wertebereich der Farben in maxValue speichern
        file >> maxValue;

        // Speicherreservierung für die Pixeldaten
        pixel = new int[width * height * 3];

        // Alle Pixeldaten bestehend aus rgb in pixel[] speichern mit width * height * 3 für alle Werte
        for (int i = 0; i < width * height * 3; ++i) {
            // file speichert in data[i]
            file >> pixel[i];
        }

        // Schließen des inputfile Streams
        file.close();
        // returned true, weil PPM erfolreich eingelesen
        return true;
    }

    // Methode zum Speichern einer PPM Datei returned true wenn erfolgreich
    // std::string zur Übergabe von output filename
    bool savePPM(const string& filename) {
        // Outputfile Stream um file zu schreiben mit Name filename in selben Verzeichniss wie cpp Datei
        ofstream file(filename);
        // Wenn Outputfile Datei nicht erstellt werden / geöffnet werden kann
        if (!file.is_open()) {
            // std::console error, dass file nicht erstellt / bearbeitet werden kann
            cerr << "Error: Unable to open file " << filename << " for writing" << endl;
            // file kann nicht bearbeitet werden -> returned false
            return false;
        }

        // In file zuerst die Magic Number "P3" schreiben, dann Zeilenumbruch
        file << "P3" << endl;
        // In file width Attribut schreiben, dann ein Leerzeichen und dann height Attribut, anschließend Zeilenumbruch
        file << width << " " << height << endl;
        // In file maximalen Wertebereich maxValue Attribut schreiben, dann Zeilenumbruch
        file << maxValue << endl;

        // Schreibe die Pixelwerte mit insgesamt width * height * 3 Werten für alle rgb
        for (int i = 0; i < width * height * 3; ++i) {
            // In file pixel[i] (einen r oder g oder b Wert) schreiben, dann Leerzeichen und anschließend der Nächste
            file << pixel[i] << " ";
            // Nach jeder Zeile der Pixel Zeilenumbruch einfügen mit std::endl
            if ((i + 1) % (width * 3) == 0) 
                file << endl;
        }

        // Outputfile Stream schließen 
        file.close();
        // Erfolgreich PPM gespeichert -> returned true
        return true;
    }

    // Getter für die Breite des Bildes
    int getWidth() const { 
        return width; 
    }

    // Getter für die Höhe des Bildes
    int getHeight() const { 
        return height; 
    }

    // Getter für den maximalen Wertebereich des Bildes
    int getMaxValue() const { 
        return maxValue; 
    }
    
    // Getter für die Pixeldaten des Bildes
    int* getPixels() const { 
        return pixel; 
    }
};

// Klasse für beide Bildverarbeitungsschritte
class ImageProcessing {
private:
// Default Konstruktor private setzen, damit ImageProcessing nicht instanziiert werden kann
    ImageProcessing(){
    }
public:
    // Statische Methode zur Konvertierung in Graustufen mit PPM Objekt Adresse
    static void convertToGray(PPM& image) {
        // Einlesen aller PPM Attribute mittels public Getter und lokales speichern auf Variablen
        int* pixels = image.getPixels();
        int width = image.getWidth();
        int height = image.getHeight();

        // Durch alle rgb Werte durchitterieren mit 3er Schritten um jeweils 3 mal selben Wert in pixels[] zu schreiben,
        // damit am Ende die PPM als Schwarz Weiß Bild ausgewertet wird
        for (int i = 0; i < width * height * 3; i += 3) {
            // int gray deklariert als Graustufe mittels der Graustufen Formel
            int gray = (int)(0.299 * pixels[i] + 0.587 * pixels[i + 1] + 0.114 * pixels[i + 2]);
            // Die nächsten 3 pixel daten werden jetzt auf diese Graustufe gesetzt, damit am Ende ein schwarz weiß Bild ausgewertet wird
            pixels[i] = gray;
            pixels[i + 1] = gray;
            pixels[i + 2] = gray;
        }
    }

    // Statische Methode zur Kantenerkennung mittels Faltung
    static void edgeDetection(PPM& image) {
        // Einlesen aller PPM Attribute mittels public Getter und lokales speichern auf Variablen
        int* pixels = image.getPixels();
        int width = image.getWidth();
        int height = image.getHeight();
        int maxValue = image.getMaxValue();

        // 3x3  2 dimensionales double Array als Kantenerkennungsfilter deklariert
        double filter[3][3] = {
            {-1, -1, -1},
            {-1, 8, -1},
            {-1, -1, -1}
        };
        
        // Speicherreservierung für die Kopie des Originalbildes
        int* originalPixels = new int[width * height * 3];
        // Header bleibt gleich -> nur pixel Daten müssen kopiert werden
        // Kopie des Originalbildes für die Berechnung der Kantenerkennung
        memcpy(originalPixels, pixels, width * height * 3 * sizeof(int));


        // Anwenden des Kantenerkennungsfilters
        // Generell x immer mit 3er Vielfachen Schritten, weil für jeden aus rgb alles auf eine Graustufe gelegt wird
        // Die ersten 2 for Schleifen zum Itterieren über das Bild per Koordinaten,
        // Anfang bei y = 1 und x = 3 und Ende bei y = height - 1 und x = width - 3, damit der 3x3 Filter ganz aufliegen kann
        for (int y = 1; y < height - 1; y++) {
            for (int x = 3; x < width * 3 - 3; x += 3) {
                // int sum Deklaration für die Summe des Filters
                int sum = 0;
                
                // Die nächsten 2 for Schleifen zum Itterieren über den 3x3 Filter auf einer Koordinate x|y
                // Fängt bei -1 bzw -3 an und endet bei 1 bzw. 3, da die Koordinaten x|y von der Mitte des Filters ausgehen
                for (int fy = -1; fy <= 1; ++fy) {
                    for (int fx = -3; fx <= 3; fx += 3) {
                        // Der index wird folgendermaßen berechnet, weil es sich um ein 2 dimensionales Bild innerhalb eines
                        // 1 dimensionalem Datenspeicher handelt: index = (y * width) + x
                        int index = ((y + fy) * width + (x / 3 + fx / 3)) * 3;
                        // Zur Summe des Durchgangs vom Filter wird jeder Pixel des Bildes mit dem Filter multipliziert und das Ergebnis hinzugefügt
                        sum += originalPixels[index] * filter[fy + 1][fx / 3 + 1];
                    }
                }
                // Nur Range zwischen 0 und maxValue zulassen -> Alle Minuszahlen aussortieren
                sum = min(max(sum, 0), maxValue);
                // Die Pixel Daten aus der ursprünglichen PPM aktualisieren mit der aktuellen Filter Summe für den Pixel
                // (Alle drei rgb Werte auf den Filter Summen Wert setzen)
                pixels[y * width * 3 + x] = sum;
                pixels[y * width * 3 + x + 1] = sum;
                pixels[y * width * 3 + x + 2] = sum;
                
            
            }
        }
        // Speicherfreigabe der Kopie der Pixel Daten
        delete[] originalPixels;
    
    }
};

int main() {
    PPM image;
    if (image.readPPM("obst.ppm")) {
        ImageProcessing::convertToGray(image);
        ImageProcessing::edgeDetection(image);
        image.savePPM("output.ppm");
        cout << "Image processing complete. Saved as output.ppm" << endl;
    }

    return 0;
}