基于.NET数字处理程序的框架设计

【 tulaoshi.com - Web开发 】

　　        接触数字图像处理最早是在高中，那时候PHOTOSHOP还是4.0，可能是因为先入为主的关系，到现在都没有学3DMAX之类的兴趣，2D到3D的飞跃估计是没我什么事了，舍不得那平方到立方的高薪....呵呵。
　　在上大学的时候，就和同学一起写过一些图像处理的程序，那个时候编程还很随意，考虑的只是如何实现，现在看来真正的技术是把握全局的能力，而不是灵光一现的神奇。前些日子接触了一些国外的图像处理程序，在这里算是作个总结，估计以后不会再针对性的研究图像处理方面的东西了。
　　        以前的一个同学曾经跟我说过.net没有指针，现在很多培训课好像也是这么讲的，其实这是一个谬误。只是framework不推荐使用指针，尤其是在webservise，remoting等跨进程操作中，指针都是不安全的。但用过TC的各位都应该对指针的执行效率又深刻的印象，在批量运算大规模数据的需求下，指针是不二的选择。因而.net聪明的保留的保留了指针，并将其列入不安全方法集中。合理的使用指针将大幅度提高执行效率，我曾做过试验，对640*480的图像进行逐点运算，非指针运算要执行数分钟，而指针运算几乎是瞬间完成的。所以不要害怕使用指针。
　　        其次就是数学，奉劝大家一定要弄明白了再写程序，数学课不是闹着玩的......想不明白就要躺在床上反复的想，我总觉得数学能预防老年痴呆。
　　        言归正传，说说程序结构吧  ：
　　                                                                Imaging项目（滤镜，纹理，图像模式）
　　                                                                Math项目（算法，边界，定制。及常用计算方法）
　　                                                                主程序项目
　　        各举个例子来说明，我也来一回面向接口编程 ，

　　public interface IFilter
　　 {
　　  Bitmap Apply( Bitmap img );
　　 }

　　举例来说明，我也来一回面向接口编程 ，各滤镜都要实现这个接口，接口定义还包括一个不生成实际图像，只生成二进制对象的借口定义，在这里暂不作考虑。以取反色滤镜为例
　　public Bitmap Apply( Bitmap srcImg )
　　        {
　　            // get source image size
　　            int width = srcImg.Width;
　　            int height = srcImg.Height;
　　           
　　            PixelFormat fmt = ( srcImg.PixelFormat == PixelFormat.Format8bppIndexed ) ？
　　                        PixelFormat.Format8bppIndexed : PixelFormat.Format24bppRgb;

　　            // lock source bitmap data
　　            BitmapData srcData = srcImg.LockBits(
　　                new Rectangle( 0, 0, width, height ),
　　                ImageLockMode.ReadOnly, fmt );

　　            // create new image
　　            Bitmap dstImg = ( fmt == PixelFormat.Format8bppIndexed ) ？
　　                        AForge.Imaging.Image.CreateGrayscaleImage( width, height ) :
　　                        new Bitmap( width, height, fmt );

　　            // lock destination bitmap data
　　            BitmapData dstData = dstImg.LockBits(
　　                new Rectangle( 0, 0, width, height ),
　　                ImageLockMode.ReadWrite, fmt );

　　            // copy image
　　            Win32.memcpy( dstData.Scan0, srcData.Scan0, srcData.Stride * height );

　　            // process the filter
　　            ProcessFilter( dstData, fmt );

　　            // unlock both images
　　            dstImg.UnlockBits( dstData );
　　            srcImg.UnlockBits( srcData );

　　            return dstImg;
　　        }

　　
　　是该滤镜方法的入口,完成了处理前的准备工作，ProcessFilter同时调用每个滤镜类中共有的ProcessFilter方法，而这个ProcessFilter就是实现功能的关键所在了逐点运算或模版运算。
　　// Process the filter
　　        private unsafe void ProcessFilter( BitmapData data, PixelFormat fmt )
　　        {
　　            int width    = data.Width;
　　            int height    = data.Height;

　　            int lineSize = width * ( ( fmt == PixelFormat.Format8bppIndexed ) ？ 1 : 3 );
　　            int offset = data.Stride - lineSize;

　　            // do the job
　　            byte * ptr = (byte *) data.Scan0.ToPointer( );

　　            // invert
　　            for ( int y = 0; y height; y++ )
　　            {
　　                for ( int x = 0; x lineSize; x++, ptr ++ )
　　                {
　　                    // ivert each pixel
　　                    *ptr = (byte)( 255 - *ptr );
　　                }
　　                ptr += offset;
　　            }
　　        }

　　其中Format8bppIndexed是不必太关心的，个人认为设计初期可以不用考虑兼容它的问题。
　　下面来说说纹理，这个以前考虑得还不太多，但发现老外很喜欢玩这个，因为纹理在数学方面发挥的空间更大，我也不知道他们是怎么想出来的，凭空想可能还真是有难度，可能是他们谁在玩数学建模软件的时候发现这个玩法的，于是高数老师谁也不服谁，把算法玩的火火的。反正我觉得是这么回事。。。
　　    public interface ITextureGenerator
　　    {
　　        /**//// summary
　　        /// Generate texture
　　        /// /summary
　　        float[,] Generate( int width, int height );

　　        /**//// summary
　　        /// Reset - regenerate internal random numbers
　　        /// /summary
　　        void Reset( );
　　    }
　　这是纹理生成器的实现接口，为了保证每次的纹理不同，还要更新随机数以作为计算参数
　　        private Math.PerlinNoise noise = new Math.PerlinNoise( 1.0 / 32, 0.05, 0.5, 8 );
　　实现纹理细节还需要靠noise实现，因而需要实现许多种noise。
　　        // Constructors
　　        public WoodTexture( ) : this( 12.0 ) { }
　　        public WoodTexture( double rings )
　　        {
　　            this.rings = rings;
　　            Reset( );
　　        }

　　构造函数提供了默认值的设置，也就是对单位纹理大小的限定。
　　        // Generate texture
　　        public float[,] Generate( int width, int height )
　　        {
　　            float[,]    texture = new float[height, width];
　　            int            w2 = width / 2;
　　            int            h2 = height / 2;

　　            for ( int y = 0; y height; y++ )
　　            {
　　                for ( int x = 0; x width; x++ )
　　                {
　　                    double xv = (double) ( x - w2 ) / width;
　　                    double yv = (double) ( y - h2 ) / height;

　　                    texture[y, x] =
　　                        Math.Max( 0.0f, Math.Min( 1.0f, (float)
　　                        Math.Abs( Math.Sin(
　　                            ( Math.Sqrt( xv * xv + yv * yv ) + noise.Function2D( x + r, y + r ) )
　　                                * Math.PI * 2 * rings
　　                        ))
　　                        ));
　　                }
　　            }
　　            return texture;
　　        }
　　这就是。。。我数学不好的下场。都不知道她在说什么呢，最小值中选出最大值。算法不难找，关键是要看结构如何将他们整合起来。
　　        public void Reset( )
　　        {
　　            r = rand.Next( 5000 );
　　        }别忘了这个随机数，数字的图像也需要自然的美。

　　Math工程中面向对象的观念不它容易得到贯彻，看一看那个PerlinNoise吧，抛砖引玉。
　　        public PerlinNoise( double initFrequency, double initAmplitude, double persistance, int octaves )
　　        {
　　            this.initFrequency    = initFrequency;
　　            this.initAmplitude    = initAmplitude;
　　            this.persistance    = persistance;
　　            this.octaves        = octaves;
　　        }
　　首先要收集数据，因为图像处理要涉及到一维和二维两种情况，因而像noise这种底层方法要分别对应着两种情况给出对应的方法。
　　        /**//// summary
　　        /// 1-D Perlin noise function
　　        /// /summary
　　        public double Function( double x )
　　        {
　　            double    frequency = initFrequency;
　　            double    amplitude = initAmplitude;
　　            double    sum = 0;
　　           
　　            // octaves
　　            for ( int i = 0; i octaves; i++ )
　　            {
　　                sum += SmoothedNoise( x * frequency ) * amplitude;

　　                frequency *= 2;
　　                amplitude *= persistance;
　　            }
　　            return sum;
　　        }

　　        /**//// summary
　　        /// 2-D Perlin noise function
　　        /// /summary
　　        public double Function2D( double x, double y )
　　        {
　　            double    frequency = initFrequency;
　　            double    amplitude = initAmplitude;
　　            double    sum = 0;
　　           
　　            // octaves
　　            for ( int i = 0; i octaves; i++ )
　　            {
　　                sum += SmoothedNoise( x * frequency, y * frequency ) * amplitude;

　　                frequency *= 2;
　　                amplitude *= persistance;
　　            }
　　            return sum;
　　        }
　　 一维跟二维的区别是什么，上中学的时候知道了线的运动生成了面，上大学又知道了循环着变化着的线能代表面，但如果做过了边缘识别和锐化以后话，又发现以前小看线了，其实它只是比面少一个参数而已。

　　
　　        /**//// summary
　　        /// Ordinary noise function
　　        /// /summary
　　        protected double Noise( int x )
　　        {
　　            int n = ( x 13 ) ^ x;

　　            return ( 1.0 - ( ( n * ( n * n * 15731 + 789221 ) + 1376312589 ) & 0x7fffffff ) / 1073741824.0 );
　　        }
　　        protected double Noise( int x, int y )
　　        {
　　            int n = x + y * 57;
　　            n = ( n 13 ) ^ n ;

　　            return ( 1.0 - ( ( n * ( n * n * 15731 + 789221 ) + 1376312589 ) & 0x7fffffff ) / 1073741824.0 );
　　        }又一次证明了前面那段话，个人感觉这个x+y*57有点投影的意思。获取相应的噪点值。但噪点不是直接就能拿来用的
　　        /**//// summary
　　        /// Smoothed noise
　　        /// /summary
　　        protected double SmoothedNoise( double x )
　　        {
　　            int        xInt = (int) x;
　　            double    xFrac = x - xInt;

　　            return CosineInterpolate( Noise( xInt ) , Noise( xInt + 1 ), xFrac );
　　        }
　　        protected double SmoothedNoise( double x, double y )
　　        {
　　            int        xInt = (int) x;
　　            int        yInt = (int) y;
　　            double    xFrac = x - xInt;
　　            double    yFrac = y - yInt;

　　            // get four noise values
　　            double    x0y0 = Noise( xInt    , yInt );
　　            double    x1y0 = Noise( xInt + 1, yInt );
　　            double    x0y1 = Noise( xInt    , yInt + 1 );
　　            double    x1y1 = Noise( xInt + 1, yInt + 1) ;

　　            // x interpolation
　　            double    v1 = CosineInterpolate( x0y0, x1y0, xFrac );
　　            double    v2 = CosineInterpolate( x0y1, x1y1, xFrac );
　　            // y interpolation
　　            return CosineInterpolate( v1, v2, yFrac );
　　        }平滑的噪点，这个称呼似乎有点不协调，通过余弦插值，而不是离散余弦来运算。什么是余弦插值呢？         /**//// summary
　　        /// Cosine interpolation
　　        /// /summary
　　        protected double CosineInterpolate( double x1, double x2, double a )
　　        {
　　            double f = ( 1 - Math.Cos( a * Math.PI ) ) * 0.5;

　　            return x1 * ( 1 - f ) + x2 * f;
　　        }就是这个，有些事情，大师知道就够了，你就照着去做就行了，为什么？因为你可能一辈子也不明白，自然有人会去弄明白的，知识还在传承。就像你不必知道自己的胃酸比例，也可以放心的吃香喝辣一样，也不必担心子孙后代消化不良。有些事情不必强求，有点消极了，呵呵。
　　画面并不难，只要把握好调用关系就可以了，另外像photoshop那样的悬浮窗体是最佳的选择我认为，         // Invert image
　　        private void invertColorFiltersItem_Click(object sender, System.EventArgs e)
　　        {
　　            ApplyFilter(new Invert());
　　        }

　　        // Apply filter on the image
　　        private void ApplyFilter(IFilter filter)
　　        {
　　            try
　　            {
　　                // set wait cursor
　　                this.Cursor = Cursors.WaitCursor;

　　                // apply filter to the image
　　                Bitmap newImage = filter.Apply(image);

　　                if (host.CreateNewDocumentOnChange)
　　                {
　　                    // open new image in new document
　　                    host.NewDocument(newImage);
　　                }
　　                else
　　                {
　　                    if (host.RememberOnChange)
　　                    {
　　                        // backup current image
　　                        if (backup != null)
　　                            backup.Dispose();

　　                        backup = image;
　　                    }
　　                    else
　　                    {
　　                        // release current image
　　                        image.Dispose();
　　                    }

　　                    image = newImage;

　　                    // update
　　                    UpdateNewImage();
　　                }
　　            }
　　            catch (ArgumentException)
　　            {
　　                MessageBox.Show("Selected filter can not be applied to the image", "Error", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error);
　　            }
　　            finally
　　            {
　　                // restore cursor
　　                this.Cursor = Cursors.Default;
　　            }
　　        }调用顺畅的话，多少代码都不会觉得乱，对于初学者来说，要善用region。
　　这里还有个DocumentsHost的概念，用它来承载图像文件，并将图像和窗体连接起来，很方便     /**//// summary
　　    /// IDocumentsHost interface
　　    /// Provides connectione between documents and the main widnow
　　    /// /summary
　　    public interface IDocumentsHost
　　    {
　　        bool CreateNewDocumentOnChange{get;}
　　        bool RememberOnChange{get;}

　　        bool NewDocument(Bitmap image);
　　        bool NewDocument(ComplexImage image);

　　        Bitmap GetImage(object sender, String text, Size size, PixelFormat format);
　　    }欢迎大家跟我讨论

　　http://www.cnblogs.com/phono/archive/2006/09/07/phono.html