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滤镜 - CS50x 2023

实现一个程序，可以给 BMP 图像加滤镜，用法如下：

$ ./filter -r IMAGE.bmp REFLECTED.bmp

其中 IMAGE.bmp 是图像文件的名称，REFLECTED.bmp 是输出图像的文件名，这个图像是原图的镜像。

背景​

位图​

表示图像最简单的方法可能是使用像素（即点）网格，每个像素可以是不同的颜色。 对于黑白图像，我们因此需要每个像素 1 位，因为 0 可以表示黑色，1 可以表示白色，如下所示。

一个简单的位图

从这个意义上说，图像就是一个位图 (也就是位的集合)。 对于色彩更丰富的图像，每个像素需要更多的位来表示。 支持“24 位颜色”的文件格式（如 BMP、JPEG 或 PNG）每个像素使用 24 位。（BMP 实际上支持 1 位、4 位、8 位、16 位、24 位和 32 位颜色。）

24 位 BMP 使用 8 位来表示像素颜色中红色的量，8 位来表示像素颜色中绿色的量，8 位来表示像素颜色中蓝色的量。 如果听说过 RGB 颜色，那就是指：红色、绿色和蓝色。

如果 BMP 中某个像素的 R、G 和 B 值（例如）是十六进制的 0xff、0x00 和 0x00，则该像素是纯红色，因为 0xff（也称为十进制的 255）表示“大量的红色”，而 0x00 和 0x00 分别表示“没有绿色”和“没有蓝色”。

位图技术详解​

回想一下，文件只是以某种方式排列的位序列。 那么，24 位 BMP 文件本质上只是一个位序列，（几乎）每 24 位恰好代表某个像素的颜色。 但是 BMP 文件还包含一些“元数据”，例如图像的高度和宽度等信息。 该元数据以两种数据结构的形式存储在文件的开头，通常称为“标头”，注意，这里的“标头”和 C 语言的头文件可不是一回事。（顺便提一下，这些标头是不断演变的。本题使用的是微软 BMP 格式的最新 4.0 版本，它首次出现在 Windows 95 中。） 第一个头部，名为BITMAPFILEHEADER，长度为14个字节（1字节等于8位，请回忆一下）。紧随这些头部之后的是实际的位图数据，它是一个字节数组，每三个字节代表一个像素的颜色。然而，BMP以相反的顺序（即BGR）存储这些三元组：先是8位的蓝色，然后是8位的绿色，最后是8位的红色。（有些BMP也会以相反的顺序存储整个位图，例如将图像的顶行放在BMP文件的末尾。但本问题集提供的BMP文件，我们已按照前述方式存储，即顶行在前，底行在后。）换句话说，如果我们要将上面的1位笑脸转换为24位笑脸，用红色代替黑色，则24位BMP将按以下方式存储此位图，其中0000ff表示红色，ffffff表示白色；我们用红色突出显示了所有0000ff的实例。

red smile

因为我们已经从左到右、从上到下地以8列的形式呈现了这些位，所以如果你退后一步，实际上可以看到红色的笑脸。

需要明确的是，一个十六进制数字代表4位。因此，十六进制数ffffff实际上对应二进制数111111111111111111111111。

请注意，您可以将位图表示为像素的二维数组：图像是行的数组，每行本身就是像素的数组。 实际上，这就是我们在本问题中选择的位图图像表示方法。

图像过滤​

图像过滤究竟是什么意思？您可以将图像过滤理解为：获取原始图像的像素，并以某种方式修改它们，使结果图像呈现出特定的效果。

灰度​

一种常见的滤镜是“灰度”滤镜，它可以将图像转换为黑白图像。 它是如何实现的呢？

回想一下，如果红色、绿色和蓝色值都设置为0x00（十六进制表示0），则像素为黑色。 如果所有值都设置为0xff（十六进制表示255），则像素为白色。 只要红色、绿色和蓝色值都相等，结果将是沿黑白光谱的不同深浅的灰色，值越高表示色调越浅（更接近白色），值越小表示色调越深（更接近黑色）。

因此，要将像素转换为灰度，我们只需要确保红色、绿色和蓝色值都相同即可。 但是我们如何知道要将它们设置为哪个值呢？ 好吧，如果原始的红色、绿色和蓝色值都很大，那么新值也应该很大，这可能是合理的。 如果原始值都很小，那么新值也应该很小。

实际上，为了确保新图像的每个像素与旧图像保持大致相同的亮度，我们可以取红色、绿色和蓝色值的平均值，并将该平均值作为新像素的灰度值。

如果将此应用于图像中的每个像素，则结果将是转换为灰度的图像。

棕褐色​

大多数图像编辑程序都支持“棕褐色”滤镜，它能使整个图像呈现红棕色调，营造出一种怀旧感。

将图像转换为棕褐色，需要获取每个像素，并根据其原始的红色、绿色和蓝色值计算新的颜色值。 将图像转换为棕褐色效果的算法有很多种，但对于此问题，我们将要求您使用以下算法。对于每个像素，棕褐色效果的颜色值应该按照下面的公式，根据原始颜色值计算得出。

  sepiaRed = .393 * originalRed + .769 * originalGreen + .189 * originalBlue
  sepiaGreen = .349 * originalRed + .686 * originalGreen + .168 * originalBlue
  sepiaBlue = .272 * originalRed + .534 * originalGreen + .131 * originalBlue

当然，公式计算的结果有可能大于255；255是8位颜色值的上限值。如果计算结果大于255，红色、绿色和蓝色的值应该被限定在255。因此，可以保证最终的红色、绿色和蓝色数值都会是0到255之间的整数（包含0和255）。

镜像（反射）​

有些滤镜也可能会移动像素。例如，镜像图像这种滤镜，会生成一张如同照镜子一般的图像。因此，图像左侧的像素会出现在右侧，反之亦然。

需要注意的是，镜像后的图像仍然包含原始图像的所有像素，只是它们的位置发生了变化。

模糊​

有很多方法可以创建模糊或柔化图像的效果。在这个问题中，我们将使用“方框模糊”，它的原理是：对于每个像素，将其颜色值替换为周围相邻像素颜色值的平均值。

考虑以下像素网格，我们在其中对每个像素进行了编号。

像素网格

每个像素的新值，将通过计算其周围一圈像素（总共3x3的方框）的平均值得出。例如，像素6的颜色值，是通过计算像素1、2、3、5、6、7、9、10和11的原始颜色值的平均值得到的（注意像素6本身也包含在内）。类似地，像素11的颜色值，则通过计算像素6、7、8、10、11、12、14、15和16的颜色值平均值得出。

对于边缘或角落的像素，比如像素15，我们仍然取其周围一圈的像素：像素10、11、12、14、15和16。

开始​

登录 cs50.dev，单击您的终端窗口，然后单独执行 cd。你应该会看到终端窗口的提示符类似下面这样:

接下来执行

wget https://cdn.cs50.net/2022/fall/psets/4/filter-less.zip

从而将名为 filter-less.zip 的ZIP文件下载到你的codespace。

然后执行

以创建一个名为 filter-less 的文件夹。您不再需要 ZIP 文件，因此您可以执行

并在提示符下回复“y”，然后按 Enter 键以删除您下载的 ZIP 文件。

现在输入

然后按回车键进入该目录。您的提示符现在应类似于以下内容。 执行ls，你应该会看到一些文件：bmp.h、filter.c、helpers.h、helpers.c和Makefile。你还会看到一个名为images的文件夹，其中包含四个BMP文件。如果遇到问题，请重复上述步骤，检查哪里出错了！

理解​

现在我们来了解一下提供的代码文件，看看它们都包含什么。

bmp.h​

打开 bmp.h 文件（双击即可查看）。

你将看到前面提到的头文件 BITMAPINFOHEADER 和 BITMAPFILEHEADER 的定义。此外，该文件还定义了 BYTE、DWORD、LONG 和 WORD 等数据类型，这些类型常见于 Windows 编程。注意，它们只是你（应该）已经熟悉的原始数据类型的别名。BITMAPFILEHEADER 和 BITMAPINFOHEADER 结构体使用了这些类型。

更重要的是，该文件定义了一个名为 RGBTRIPLE 的结构体，它封装了三个字节：蓝色、绿色和红色分量（顺序与 RGB 三元组在磁盘上的存储顺序一致）。

这些结构体有什么用呢？回想一下，文件只是磁盘上的一系列字节（或最终是位）。但是，这些字节通常以某种方式排序，以便前几个字节代表某个事物，接下来的几个字节代表其他事物，依此类推。“文件格式”的存在是因为世界已经标准化了哪些字节表示什么。现在，我们可以将文件从磁盘读取到RAM中，作为一个大的字节数组。我们可以记住array[i]处的字节代表一件事，而array[j]处的字节代表另一件事。所以，为什么不给这些字节命名，方便我们从内存中读取呢？bmp.h 中的结构体就是为了方便我们这样做的。我们可以把文件看作一系列结构体，而不是一个长的字节序列。

filter.c​

现在，让我们打开filter.c。这个文件已经写好了，但有几个重点需要注意。

首先，注意第 10 行 filters 的定义。这个字符串指定了程序可以接受的命令行参数：b、g、r 和 s。它们分别对应不同的图像滤镜：模糊 (blur)、灰度 (grayscale)、反射 (reflection) 和棕褐色 (sepia)。

接下来的代码会打开图像文件，确认是 BMP 格式，并将像素数据读取到名为 image 的二维数组中。

向下滚动到第 101 行开始的 switch 语句。注意，根据选择的 filter 参数，会调用不同的函数：如果选择 b，则调用 blur 函数；选择 g，则调用 grayscale；选择 r，则调用 reflect；选择 s，则调用 sepia。这些函数都接受图像的高度、宽度以及像素数据的二维数组作为参数。

目标是修改像素数据的二维数组，从而实现所需的滤镜效果。

程序的剩余部分会将处理后的 image 写入新的图像文件。

helpers.h​

接下来，看看 helpers.h。这个文件很短，仅仅提供了前面提到的函数的函数原型。

在这里，请注意每个函数都接受一个名为 image 的二维数组作为参数，其中 image 是一个 height 行 width 列的 RGBTRIPLE 类型的二维数组。因此，如果 image 代表整个图片，那么 image[0] 代表第一行，image[0][0] 则代表图片左上角的像素。

helpers.c​

现在，打开 helpers.c。这里包含了 helpers.h 中声明的函数的具体实现。但请注意，由于目前实现是缺失的！这部分由你来完成。

Makefile​

最后，让我们看看 Makefile。这个文件指定了当我们运行像 make filter 这样的终端命令时应该发生什么。与之前你可能编写的单个文件的程序不同，filter 使用了多个文件：filter.c 和 helpers.c。因此，我们需要告诉 make 如何编译这个文件。

尝试在终端中运行以下命令来编译 filter：

然后，你可以通过运行以下命令来运行该程序：

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

该命令读取 images/yard.bmp 图像，并使用 grayscale 函数处理像素后，生成名为 out.bmp 的新图像。但由于 grayscale 函数尚未实现，输出图像应该和原始图像完全一样。

Specification​

请在 helpers.c 中实现这些函数，使用户能够将灰度、棕褐色、反射或模糊滤镜应用到图像上。

  • 函数 grayscale 应该接受一个图像，并将其转换为同一图像的黑白版本。
  • 函数 sepia 应该接受一个图像，并将其转换为棕褐色风格的版本。
  • reflect 函数应该接受一个图像，并水平反射它。
  • 最后，blur 函数应该接受一个图像，并将其转换为同一图像的盒状模糊版本。

除了 helpers.c 文件，你不应该修改任何其他文件以及函数签名。

Walkthrough​

注意：此播放列表包含 5 个视频。

Usage​

你的程序应该按照以下示例运行。INFILE.bmp 是输入图像的名称，OUTFILE.bmp 是应用滤镜后生成的图像的名称。

$ ./filter -g INFILE.bmp OUTFILE.bmp
$ ./filter -s INFILE.bmp OUTFILE.bmp
$ ./filter -r INFILE.bmp OUTFILE.bmp
$ ./filter -b INFILE.bmp OUTFILE.bmp

Hints​

  • 像素的 rgbtRed、rgbtGreen 和 rgbtBlue 分量都是整数，因此将浮点数赋值给像素时，务必四舍五入取整！
  • 在实现 grayscale 函数时，你需要对 3 个整数的值求平均值。为什么要把这些整数的和除以 3.0 而不是 3 呢？
  • 在 reflect 函数中，你需要交换一行中相对两侧像素的值。回想一下，我们在讲座中是如何用临时变量交换两个值的。除非你想用，否则没必要专门写一个交换函数！
  • 在实现 sepia 滤镜时，返回两个整数中较小值的函数有什么用呢？尤其是在需要确保颜色值不超过 255 的时候。
  • 在实现 blur 函数时，你可能会发现模糊一个像素最终会影响另一个像素的模糊。可以考虑创建一个新的二维数组，例如 RGBTRIPLE copy[height][width];，然后用嵌套循环把 image (函数的第三个参数) 的内容逐像素复制到 copy 中。 之后，从 copy 读取像素颜色值，并将修改后的颜色值写入 image。