Počítače a programování 2 pro obor EST KPC2E TUTORIÁL 1 OSNOVA: a) Úvod a klasifikace b) Funkce main() s argumenty c) Souborový vstup a výstup d) Programování WAV e) Programování BMP Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky, FEKT VUT v Brně

Úvod a klasifikace (1/4) Web předmětu, kontakty http://www.urel.feec.vutbr.cz/~sebestaj/KPC2E/index.htm odkaz v eLearningu (kurz KPC2E 14/15L) vyučující Doc. Ing. Jiří Šebesta, Ph.D., sebestaj@feec.vutbr.cz (garant předmětu, tutoriály, cvičení) konzultační hodiny na Portálu VUT

Úvod a klasifikace (2/4) Tutoriály 7. 2. 2015 Organizace výuky, funkce main () s argumenty, souborový vstup a výstup, práce s WAV a BMP. 21. 2. 2015 Úvod do objektového programování, C++. 7. 3. 2015 C++ pro Windows. 4. 4. 2015 Úvod do Matlabu, reprezentace vektorů a matic, 2D a 3D grafy. 18. 4. 2015 Práce se soubory v Matlabu, funkce v Matlabu, model komunikačního systému.

Úvod a klasifikace (3/4) Počítačová cvičení 21. 3. 2015 Formulářová aplikace ve Windows (10 b.). 2. 5. 2015 Matlab, model komunikačního systému (5 b.).

Klasifikace a bodové hodnocení Úvod a klasifikace (4/4) Klasifikace a bodové hodnocení Předmět je ukončen klasifikovaným zápočtem. Udělení zápočtu je přitom dáno následujícími podmínkami: získání nejméně 50 bodů odevzdání a obhájení zápočtového projektu v Matlabu Maximální bodové hodnocení jednotlivých forem výuky (celkem max. 100 bodů): max. 15 bodů za hodnocení počítačových cvičení během semestru (10 + 5 bodů) max. 25 bodů za domácí úlohy (5 x 5 bodů) max. 20 bodů za zápočtový test na konci semestru max. 40 bodů za zápočtový projekt v Matlabu

Funkce main() s argumenty (1/6) Definicí argumentů (parametrů) u funkce main() můžeme definovat chování programu při spuštění. Program s parametry se spouští z příkazové řádky názvem programu (projektu) následovaný parametry oddělené mezerou, např. Muj_program 10 input.txt output.txt -x Hlavička funkce main() s argumenty int main(int argc, char *argv[ ]) proměnné argc a argv jsou lokální proměnné funkce main(), (mohou mít i libovolné jiné názvy, typ musí být zachován) argc udává počet zadaných parametrů při spuštění programu argv je pole řetězců s jednotlivými zadanými argumenty

Funkce main() s argumenty (2/6) Po spuštění programu je do proměnné argc uložena hodnota odpovídající počtu řetězců uvedených na příkazovém řádku v okamžiku spuštění programu. Tento počet zahrnuje i vlastní název programu. Proměnná argv je dvourozměrné pole typu char (jednorozměrné pole řetězců). Do tohoto pole řetězců jsou uloženy všechny řetězce uvedené na příkazovém řádku, do argv[0] je tedy uložen název programu. Počet řetězců v poli odpovídá hodnotě uložen v proměnné argc. Délka jednotlivých řádků pole argv odpovídá délce vložených řetězců. Pokud je potřeba jako vstup programu číselná hodnota, musí se v těle funkce main() provést konverze na požadovaný číselný formát.

Funkce main() s argumenty (3/6) Příklad programu, který vypíše počet argumentů a všechny řetězce argumentů int main(int argc, char *argv[]) { int n; printf("Number of arguments: %d\n\n", argc); printf("List of arguments:\n"); for(n = 0; n < argc; n++) printf("argv[%d] = %s\n", n, argv[n]); return 0; } Příklad: KPC2E_Ex87.c

Funkce main() s argumenty (4/6) Příklad programu, který vypíše všechny násobky vstupního argumentu do 1000 včetně int main(int argc, char *argv[]) { int n, m; n = atoi(argv[1]); m = n; while(n <= 1000) printf("%3d\n", n); n += m; } return 0; Příklad: KPC2E_Ex88.c

Funkce main() s argumenty (5/6) Příklad kódovacího programu pro textové soubory, který prohodí nižší a vyšší čtveřici bytu znaku – šifra je symetrická int main(int argc, char *argv[]) { char c, a; FILE *ptrfi; // spec. type pointer to input file FILE *ptrfo; // spec. type pointer to output file ptrfi = fopen(argv[1],"r"); // file for reading ptrfo = fopen(argv[2],"w"); // a new file for writing if(ptrfi!=NULL && ptrfo!=NULL) // if both files are open c = fgetc(ptrfi);

Funkce main() s argumenty (6/6) while(c != EOF) { a = c; c = c & 0x0F; c = c << 4; c = c & 0xF0; a = a & 0xF0; a = a >> 4; a = a & 0x0F; c = a | c; fputc(c, ptrfo); c = fgetc(ptrfi); } fclose(ptrfi); fclose(ptrfo); return 0; Příklad: KPC2E_Ex89.c

Souborový vstup a výstup (1/13) ANSI-C používá tzv. bufferovaný přístup k souborům pomocí proudu (stream) nebo-li ukazatele na strukturu typu FILE (definice v knihovně stdio.h) V ANSI-C není rozdíl mezi souborem a zařízením (portem) – přistupuje se stejně Binární vs. textový soubor Binární soubor - překladač neprovádí žádnou úpravu čtených a zapisovaných dat uspořádání dat v souboru je nezávislé a specifické pro dané využití

Souborový vstup a výstup (2/13) - přenositelnost binárních souborů mezi různými systémy může být omezena rozdílnou délkou základních typů v těchto různých systémech – nutno vždy vhodně ošetřit Textový soubor uspořádán po řádcích, každý zakončen znakem \n v některých OS se před \n vkládá \r (úpravu zajišťují funkce ze standardní knihovny stdio.h. lze zobrazit libovolným editorem

Souborový vstup a výstup (3/13) Otevření souboru: FILE *fopen(char *file_name, char *mode) - mode reprezentuje řetězec pro režim otevření souboru (viz BPC1E), pro binární soubory je doplněn do řetězce znak b, např.: "rb" = otevření binárního souboru pro čtení "wb" = otevření prázdného binárního souboru pro zápis "ab" = otevření binárního souboru pro zápis na konec stávajícího souboru

Souborový vstup a výstup (4/13) Rozšířené režimy: "r+" = otevření existujícího souboru pro čtení a zápis, pokud soubor neexistuje vrací se NULL "w+" = otevření nového prázdného souboru pro zápis i čtení, pokud soubor existuje, je původní obsah smazán "a+" = otevření existujícího souboru pro zápis na konec a čtení kdekoli

Souborový vstup a výstup (5/13) Souhrnné vlastnosti režimů otevření souborů Charakteristika/požadavek Režim otevření souboru r r+ w w+ a a+ soubor musí existovat  existující soubor je smazán existující soubor bude rozšiřován neexistující soubor bude vytvořen data lze číst odkudkoli data lze zapisovat kamkoli data lze zapisovat jen na konec

Souborový vstup a výstup (6/13) Uzavření souboru: int *fclose(FILE *fptr) v případě správného uzavření se vrací 0 v případě neúspěšného uzavření se vrací EOF podle ANSI-C se při správném ukončení programu otevřené soubory automaticky uzavřou, v případě havárie programu však není jednoznačně definováno, co se s otevřeným souborem stane

Souborový vstup a výstup (7/13) Formátované vstupy/výstupy: int fprintf(FILE *fptr, const char *form, …) = zápis řetězce form do souboru fptr, pokud je obsahem řetězce hodnota číselné proměnné, zapisuje se jeho vyjádření řetězcem int fscanf(FILE *fptr, const char *form, …) = čtení řetězce ze souboru fptr a uložení do řetězce form

Souborový vstup a výstup (8/13) Neformátované vstupy/výstupy: int fputc(int c, FILE *fptr) = zápis znaku c do souboru fptr int fgetc(FILE *fptr) = čtení znaku ze souboru fptr jako návratová hodnota Možno použít i makra (význam stejný, jen rychlejší, ale může být větší program): int putc(int c, FILE *fptr) int getc(FILE *fptr)

Souborový vstup a výstup (9/13) Příklad: Kopírování binárního souboru in.bin do out.bin po bytech int main() { FILE *frptr, *fwptr; int ch; frptr = fopen("in.bin", "rb"); fwptr = fopen("out.bin", "wb"); while((ch = fgetc(frptr)) != EOF) fputc(ch, fwptr); fclose(frptr); fclose(fwptr); return 0; } Příklad: KPC2E_Ex90.c

Souborový vstup a výstup (10/13) Čtení/zápis celého řádku najednou (jen pro textové soubory): char *fgets(char *str, int max, FILE *fptr) = přečte celý řádek v textovém souboru fptr a uloží jej jako řetězec do str a to do maximálního počtu znaku max, pokud je řádek v souboru delší než max, zbytek řádku může být přečten následujícím čtením, vrací ukazatel na řetězec str, v případě dočtení posledního řádku souboru vrací NULL, do řetězce jsou ukládány i znaky \n. int fputs(char *str, FILE *fptr) = zápis řádku z řetězce str do souboru fptr

Souborový vstup a výstup (11/13) Příklad: Kopírování textového souboru in.txt do out.txt po řádcích #define LEN_OF_ROW 10 int main() { FILE *frptr, *fwptr; char txt[LEN_OF_ROW]; frptr = fopen("in.txt", "r"); fwptr = fopen("out.txt", "w"); while(fgets(txt, LEN_OF_ROW, frptr) != NULL) fputs(txt, fwptr); fclose(frptr); fclose(fwptr); return 0; } Příklad: KPC2E_Ex91.c

Souborový vstup a výstup (12/13) Čtení/zápis celého bloku najednou (pro binární soubory): size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t cnt, FILE *fptr) = přečte celý blok položek o velikosti size v souboru fptr o celkovém počtu cnt a uloží jej jako pole elementů do pole v paměti referencovaného ukazatelem ptr, vrací se počet skutečně načtených položek

Souborový vstup a výstup (13/13) size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t cnt, FILE *fptr) = uloží celý blok položek definovaných jako pole elementů v paměti referencovaného ukazatelem ptr o velikosti size do souboru fptr o celkovém počtu cnt, vrací se počet skutečně úspěšně uložených položek

Programování WAV (1/8) Soubor typu WAV – bezkompresní audio Struktura souboru WAV (podmnožina RIFF):

Programování WAV (2/8) Příklad: Vygenerujte soubor typu WAV, který bude obsahovat jeden tón dané frekvence, amplitudy, doby trvání a jména cílového WAV souboru (argumenty při spouštění programu) #define TPI 6.283 int fwrite_int(int val, char len, FILE *p) { char byte; while (len-- > 0) byte = val & 0xFF; fwrite(&byte, 1, 1, p); val >>= 8; } return 0; Pomocná funkce pro zápis různě dlouhých dat hlavičky do WAV souboru jako little endian

Programování WAV (3/8) int main(int argc, char *argv[]) { double ph, deltaph, tdur, ampl, freq; int numsa, srate; unsigned char sig; FILE *ptrf; if(argc == 5) srate = 8000; // fixed sample rate 8 kHz freq = atof(argv[1]); // tone freq - 1. argument in Hz ampl = atof(argv[2]); // tone amplitude - 2. argument tdur = atof(argv[3]); // tone duration - 3. argument in s

Programování WAV (4/8) numsa = tdur*srate; // overall number of samples ph = 0; // initial phase 0 rad deltaph = TPI * freq /srate; // delta phase ptrf = fopen(argv[4], "wb"); fwrite("RIFF", 4, 1, ptrf); // chunk_id RIFF fwrite_int(36 + numsa, 4, ptrf); // chunk_size fwrite("WAVE", 4, 1, ptrf); // spec. RIFF form for WAV fwrite("fmt ", 4, 1, ptrf); // subchunk1id – format fwrite_int(16, 4, ptrf); // subchunk1size 16 for PCM fwrite_int(1, 2, ptrf); // audio_format, 1 = PCM fwrite_int(1, 2, ptrf); // channels, 1 = mono

Programování WAV (5/8) fwrite_int(srate, 4, ptrf); // sample rate fwrite_int(srate * 1 * 8 /8, 4, ptrf); // byte rate fwrite_int(1 * 8/8, 2, ptrf); // block align fwrite_int(8, 2, ptrf); // bits per sample, 8 bits fwrite("data", 4, 1, ptrf); // subchunk2id - data fwrite_int(numsa * 1 * 8 / 8, 4, ptrf); // subchunk2 size

Programování WAV (6/8) Příklad: KPC2E_Ex92.c while(numsa-- > 0) { sig = 128*(ampl*sin(ph)+1); fwrite(&sig, 1, 1, ptrf); ph += deltaph; } fclose(ptrf); else printf("Wrong number of arguments!!!!\n"); return 0; Příklad: KPC2E_Ex92.c

Programování WAV (7/8) Příklad – pro tréning: Vygenerujte soubor typu WAV, který bude měnit tón od zadané frekvence do zadané frekvence, s danou amplitudou, dobou trvání a jménem cílového WAV souboru (argumenty při spouštění programu). Kdo pošle řešení s domácí úlohou bude mít v záloze +3 body. Příklad: KPC2E_Ex93.c – bude zveřejněn 16.2.

Programování WAV (8/8) Příklad – domácí úloha: Sestavte program, který vygeneruje soubor typu WAV, který bude obsahovat DTMF signální volbu podle zadaného kódu. Kód a cílový soubor jsou argumenty při spouštění programu. V programu proveďte rovněž korekci možných znaků DTMF kód, nepovolené znaky vylučte. Jeden dvojtón trvá 50 ms následuje mezera 50 ms. 1209 Hz 1336 Hz 1477 Hz 1633 Hz 697 Hz 1 2 3 A 770 Hz 4 5 6 B 852 Hz 7 8 9 C 941 Hz * # D

Programování BMP (1/15) Soubor typu BMP – pixelový RGB obrázek Každý korektní soubor typu BMP obsahuje několik datových struktur definovaných WinAPI: Název struktury Význam BITMAPFILEHEADER hlavička BMP souboru BITMAPINFOHEADER informační hlavička o obrázku RGBQUAD[] tabulka barev (barvová paleta) BITS pole bitů obsahujících vlastní rastrová data (pixely)

Programování BMP (2/15) Hlavička souboru typu BMP, tj. datová struktura BITMAPFILEHEADER, má délku čtrnácti bytů a obsahuje údaje o typu, velikosti a celkovém uspořádání dat v souboru. Název položky Délka položky Význam bfType 2 byty Identifikátor formátu BMP. Aktuální verze formátu BMP zde obsahuje ASCII kód znaků "BM", tj. 0×42 a 0×4d hexadecimálně. bfSize 4 byty Celková velikost souboru s obrazovými údaji. Některé aplikace tuto položku ignorují a dosazují zde nulu. bfReserved1 Tento údaj je rezervovaný pro pozdější použití. V současné verzi formátu BMP zde musí být uložena nulová hodnota.

Programování BMP (3/15) Název položky Délka položky Význam bfReserved2 2 byty I tento údaj je rezervovaný pro pozdější použití. V současné verzi formátu BMP zde musí být uložena nulová hodnota. bfOffBits 4 byty Posun struktury BITMAPFILEHEADER od začátku vlastních obrazových dat.

Programování BMP (4/15) Datová struktura BITMAPINFOHEADER obsahuje základní metainformace o rastrovém obraze. Mezi tyto informace patří především jeho rozměry, tj. výška a šířka, dále pak identifikace použité komprimační metody a specifikace formátu rastrových dat. Celková velikost této struktury je vždy rovna 40 bytů. Název položky Délka položky Význam biSize 4 byty Tato položka specifikuje celkovou velikost datové struktury BITMAPINFOHEADER biWidth Tato položka udává šířku obrazu zadávanou v pixelech biHeight Tato položka udává výšku obrazu zadávanou taktéž v pixelech

Programování BMP (5/15) Název položky Délka položky Význam biPlanes 2 byty V této položce je zadaný počet bitových rovin pro výstupní zařízení. V BMP, jakožto formátu nezávislém na zařízení, je zde vždy hodnota 1. Položka existuje z historických důvodů. biBitCount V této položce je specifikovaný celkový počet bitů na pixel. Podle počtu barev zde mohou být hodnoty 1, 4, 8 nebo 24 (to odpovídá postupně 2, 16, 256ti barvám popř. plnobarevnému režimu). biCompression 4 byty Udává typ komprimační metody obrazových dat. Musí být nastavené na jednu z hodnot: 0 (BI_RGB), 1 (BI_RLE8) nebo 2 (BI_RLE4).

Programování BMP (6/15) Název položky Délka položky Význam biSizeImage 4 byty Tato položka udává velikost obrazu v bytech. Pokud je bitmapa nekomprimovaná, může zde být nulová hodnota, protože ji je možno vypočítat z rozměrů obrázků a počtu bitů na pixel. biXPelsPerMeter Udává horizontální rozlišení výstupního zařízení v pixelech na metr. Tato hodnota může být použita například pro výběr obrazu ze skupiny obrazů, který nejlépe odpovídá rozlišení daného výstupního zařízení. Většina aplikací však nemá potřebné informace o výstupním zařízení, a proto do této položky vkládá hodnotu 0.

Programování BMP (7/15) Název položky Délka položky Význam biYPelsPerMeter 4 byty Udává vertikální rozlišení výstupního zařízení v pixelech na metr. Opět, jako u předchozí položky, zde většina programů zapisuje hodnotu 0. biClrUsed Udává celkový počet barev, které jsou použité v dané bitmapě. Jestliže je tato hodnota nastavena na nulu (což provádí většina aplikací), znamená to, že bitmapa používá maximální počet barev. Tento počet lze jednoduše zjistit z položky biBitCount. Nenulová hodnota může být použita například při optimalizacích zobrazování.

Programování BMP (8/15) Název položky Délka položky Význam biClrImportant 4 byty Udává počet barev, které jsou důležité pro vykreslení bitmapy. Pokud je tato hodnota nulová (téměř vždy), jsou všechny barvy důležité. Tento údaj je používán při zobrazování na zařízeních, které mají omezený počet současně zobrazitelných barev (například starší grafické karty se 16ti resp. 256ti barevnými režimy). Ovladač displeje může upravit systémovou paletu tak, aby zobrazil daný obrázek co nejvěrněji. Také je vhodné upravit paletu metodou seřazení jednotlivých barev podle důležitosti.

Programování BMP (9/15) RGBQUAD[] obsahuje pole definující barevnou paletu pro omezený počet barev (jinak nemusí být definováno, pak se použije plnobarevná paleta, tj. 1,68 mil. barev ). BITS obsahuje pole definující jednotlivé pixely, tak jak jdou za sebou, při kompresním RGB jsou to čísla jednotlivých barev, při nekompresním RGB obsahují úroveň složek R, G a B. V knihovně windovs.h je definována struktura pro jeden pixel: RGBTRIPLE s položkami pro jednotlivé barvy s rozsahem unsigned char (0x00 – 0xFF) rgbtRed, rgbtGreen, rgbtBlue

Programování BMP (10/15) Příklad: Vygenerujte ze vstupního bezkompresního BMP obrázku, obrázek inverzní, obrázek stupňů šedi, obrázek jen s červenou složkou, jen se zelenou složkou, jen s modrou složkou. #include <windows.h> #include <stdio.h> int main() { BITMAPFILEHEADER bmp_fh; //struct. BMP file header BITMAPINFOHEADER bmp_ih; //struct. BMP info header RGBTRIPLE bmp_rgb; //struct. triplet of one pixel unsigned char Red, Gre, Blu, Av; FILE *fRGB, *fRED, *fGRE, *fBLU, *fINV, *fBAW; size_t padd; int i, j;

Programování BMP (11/15) fRGB = fopen("RGB.bmp", "rb"); //old BMP fRED = fopen("RED.bmp", "wb"); //new BMP red fGRE = fopen("GREEN.bmp", "wb"); //new BMP green fBLU = fopen("BLUE.bmp", "wb"); //new BMP blue fINV = fopen("INVERT.bmp", "wb");//new BMP inverted fBAW = fopen("BANDW.bmp", "wb"); //new BMP black&white //BITMAPFILEHEADER copy to new BMP files fread(&bmp_fh, sizeof(bmp_fh), 1, fRGB); //old BMP fwrite(&bmp_fh, sizeof(bmp_fh), 1, fRED); fwrite(&bmp_fh, sizeof(bmp_fh), 1, fGRE); fwrite(&bmp_fh, sizeof(bmp_fh), 1, fBLU); fwrite(&bmp_fh, sizeof(bmp_fh), 1, fINV); fwrite(&bmp_fh, sizeof(bmp_fh), 1, fBAW);

Programování BMP (12/15) //BITMAPFILEHEADER copy to new BPM files fread(&bmp_ih, sizeof(bmp_ih), 1, fRGB); //old BMP fwrite(&bmp_ih, sizeof(bmp_ih), 1, fRED); fwrite(&bmp_ih, sizeof(bmp_ih), 1, fGRE); fwrite(&bmp_ih, sizeof(bmp_ih), 1, fBLU); fwrite(&bmp_ih, sizeof(bmp_ih), 1, fINV); fwrite(&bmp_ih, sizeof(bmp_ih), 1, fBAW); padd = 0; if((bmp_ih.biWidth * 3) % 4) // padding test padd = 4 - (bmp_ih.biWidth * 3) % 4;

Programování BMP (13/15) for(i = 0; i < bmp_ih.biHeight; i++) { for(j = 0; j < bmp_ih.biWidth; j++) fread(&bmp_rgb, sizeof(bmp_rgb),1, fRGB); Red = bmp_rgb.rgbtRed; Gre = bmp_rgb.rgbtGreen; Blu = bmp_rgb.rgbtBlue; bmp_rgb.rgbtRed = Red; bmp_rgb.rgbtGreen = 0x00; bmp_rgb.rgbtBlue = 0x00; fwrite(&bmp_rgb, sizeof(bmp_rgb), 1, fRED); bmp_rgb.rgbtRed = 0x00; bmp_rgb.rgbtGreen = Gre; fwrite(&bmp_rgb, sizeof(bmp_rgb), 1, fGRE);

Programování BMP (14/15) bmp_rgb.rgbtRed = 0x00; bmp_rgb.rgbtGreen = 0x00; bmp_rgb.rgbtBlue = Blu; fwrite(&bmp_rgb, sizeof(bmp_rgb), 1, fBLU); bmp_rgb.rgbtRed = 0xFF - Red; bmp_rgb.rgbtGreen = 0xFF - Gre; bmp_rgb.rgbtBlue = 0xFF - Blu; fwrite(&bmp_rgb, sizeof(bmp_rgb), 1, fINV); Av = (Red + Gre + Blu)/3; bmp_rgb.rgbtRed = Av; bmp_rgb.rgbtGreen = Av; bmp_rgb.rgbtBlue = Av; fwrite(&bmp_rgb, sizeof(bmp_rgb), 1, fBAW); }

Programování BMP (15/15) Příklad: KPC2E_Ex94.c if(padd != 0) { fread(&bmp_rgb, padd, 1, fRGB); fwrite(&bmp_rgb, padd, 1, fRED); fwrite(&bmp_rgb, padd, 1, fGRE); fwrite(&bmp_rgb, padd, 1, fBLU); fwrite(&bmp_rgb, padd, 1, fINV); fwrite(&bmp_rgb, padd, 1, fBAW); } fclose(fRGB); fclose(fRED); fclose(fGRE); fclose(fBLU); fclose(fINV); fclose(fBAW); return 0; Příklad: KPC2E_Ex94.c

Téma následujícího tutoriálu DĚKUJI ZA POZORNOST Téma následujícího tutoriálu Úvod do objektově orientovaného programování a C++