Kürzel: | asciishop-A07-PP |
Name: | AsciiShop, Runde#7 |
Kette: | Asciishop PP |
Kategorie: | Bildverarbeitung |
Mitgelieferte Datei(en): ReplaceOperation.java, Operation.java
Abzugebende Datei(en): OperationException.java, ReplaceOperation.java, MedianOperation.java, Operation.java, LoadOperation.java, ClearOperation.java, AsciiShop.java, AsciiStack.java, AsciiImage.java, AsciiPoint.java
Optional abzugebende Datei(en): TransposeOperation.java, LineOperation.java, FillOperation.java, GrowRegionOperation.java, AsciiStackNode.java
Ausführbar: AsciiShop
Die Klasse AsciiShop ist zu erstellen und soll eine ausführbare Klasse sein und muss daher die public static void main(String[] args) Methode beinhalten. Ihr Programm wird automatisch auf Korrektheit überprüft. Die Überprüfung erfolgt durch die Ausführung der als ausführbar bezeichneten Klasse (AsciiShop).
Das Programm erstellt im ersten Schritt ein leeres Bild, auf dem dann unterschiedliche Operationen ausgeführt werden können. Neben einigen in den Vorrunden implementierten Operationen, gibt es noch einen weiteren Befehl, mit Hilfe dessen das Bild durch einen Medianfilter geglättet wird. Das Rückgängig-Machen einer beliebigen Anzahl von Befehlen ist weiterhin möglich.
Aufgabenstellung | Klassen und Methoden | Ein- und Ausgabedaten | Bewertung und Kriterien |
Hinweise | FAQ | Fehlerbehandlung | Testen |
Um die zwischenzeitlich stark gewachsene Klasse AsciiImage
übersichtlicher zu gestalten, sollen alle das Bild veränderten Operationen in eigene Klassen ausgelagert werden. Als algorithmische Aufgabe gilt es in dieser Runde eine neue Operation zu implementieren, die auf dem Bild eine Glättung vornimmt. In einem Bild sind von nun an nur noch bestimmte Zeichen erlaubt. Um ungültige Zeichen und andere Fehlerfälle sinnvoll behandeln zu können, werden ab dieser Runde Exceptions eingesetzt.
Das Erzeugen eines neuen Bildes erfolgt, weitgehend wie in Runde 4 spezifiziert, mit Hilfe des Befehls create
, jedoch wird nun neben den beiden Parametern Breite und Höhe des zu erzeugenden Bildes auch der Zeichensatz des Bildes erwartet. Dies ist ein String, der alle im Bild erlaubten Zeichen beinhaltet. Der Zeichensatz gibt außerdem eine Ordnung der Zeichen vor, so ist das erste Zeichen das dunkelste und das letzte das hellste. Jedes Zeichen stellt somit eine Farbe dar. Das hellste Zeichen wird außerdem als Farbe für ein neu erzeugtes Bild sowie beim Löschen des Bildinhaltes bei Eingabe des Befehls clear
verwendet.
Charset | # |
W |
M |
B |
R |
X |
V |
Y |
I |
t |
i |
+ |
= |
; |
: |
, |
. |
Helligkeitswert | 0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
Beispiel für die Zuordnung Zeichen - Helligkeitswert für das Zeichenset "#WMBRXVYIti+=;:,." |
Der create
Befehl muss der erste eingegebene Befehl sein. Sie dürfen davon ausgehen, dass sowohl die eingegebene Breite und Höhe als auch der Zeichensatz gültig sind und müssen daher diesen Fehlerfall nicht behandeln. Sollte jedoch einer der Parameter fehlen, geben Sie "INPUT MISMATCH
" aus und brechen Sie die Verarbeitung ab.
Das leere Bild kann mit Daten gefüllt werden. Dazu stehen verschiedene Befehle zur Verfügung, darunter der Befehl load
. Dieser Befehl (und damit das Einlesen von Bildern von der Standardeingabe) ist für ein gültiges Bild nicht zwingend erforderlich.
Die folgenden Befehle sind zulässig, neue und veränderte Befehle sind farblich hervorgehoben, nicht mehr geforderte durchgestrichen:
clear
löscht den gesamten Bildinhalt, alle Pixel des Bildes werden auf das letzte Zeichen des Zeichensatzes des Bildes gesetzt.filter
type
filtert das Bild mit einem sogenannten Medianfilter. Dadurch wird eine Glättung des Bildes erreicht. Lautet der Parameter (type) anders als median
, soll keine Filterung durchgeführt und "INPUT MISMATCH
" ausgegeben werden. grow c
line
x0 y0 x1 y1 c
load
eof
liest ein Bild zeilenweise ein und speichert es in das anfangs mit create
erzeugte Bild. Um das Ende der Eingabe zu erkennen, wird als Parameter eine Zeichenkette (eof
) angegeben, die das Ende der Bildeingabe kennzeichnet. Fehlt der Parameter, oder fehlt die eof
-Zeichenkette am Ende der Daten, so soll "INPUT MISMATCH
" ausgegeben werden.print
gibt das ASCII-Bild gefolgt von einer Leerzeile aus. Im Gegensatz zu früheren Runden, erfolgt die Ausgabe nicht mehr automatisch am Ende des Programms, sondern nur bei Eingabe dieses Befehls.replace
oldChar newChar
ersetzt alle Vorkommen eines bestimmten Zeichens (oldChar) im Bild durch ein anderes Zeichen (newChar).transpose c
fill x y c
undo
macht einen Befehl rückgängig. Gibt es keinen weiteren Befehl, der rückgängig gemacht werden kann, soll "STACK EMPTY
" ausgegeben werden. Im Gegensatz zur vorherigen Runde, wird die Stack Belegung nun nicht mehr ausgegeben.
Alle hier aufgeführten Befehle können in beliebiger Reihenfolge auftreten. So kann zum Beispiel nach create
erst print
und danach load
folgen. Die genannten Befehle clear
, filter
, load
und replace
haben entsprechende Klassen, die die Funktionalität implementieren.
Im Verlauf der bisherigen Übungsrunden sind die beiden Klassen AsciiImage
und AsciiShop
kontinuierlich angewachsen. Mittlerweile befinden sich in beiden Klassen mehr als 200 Zeilen Code, jede neue Funktionalität würde dies weiter vergrößern und somit die Übersichtlichkeit und Wartbarkeit einschränken. Daher gilt es den Code und damit die Struktur des Programms in zwei Schritten umzubauen.
In dieser Runde werden zunächst alle das Bild verändernden Operationen aus der Klasse AsciiImage
ausgegliedert. Jede einzelne Operation wird dabei in eine eigene Klasse gekapselt. Der Code in AsciiImage
wird so deutlich übersichtlicher und beschränkt sich auf Methoden, die das Bild unmittelbar betreffen, wie beispielsweise das Abfragen von Höhe und Breite oder das Setzen von Pixeln. Nutzen Sie die mitgelieferte und vollständig implementierte ReplaceOperation
als Vorlage für ihre eigenen Operationen.
Die Motivation ist für gleichartige Funktionalitäten (nämlich solche Operationen, die das Bild verändern) eine einheitliche Schnittstelle zu schaffen, die festlegt, wie mit der Klasse interagiert werden kann. Beim Verwenden einer Operation reicht das Wissen darüber, was sie tut, sowie die Kenntnis der Schnittstelle, um sie anzuwenden. So soll eine Operation, die Zeichen im Bild ersetzt, auf die gleiche Art und Weise verwendet werden können, wie eine solche, die eine Linie am Bild zeichnet. Die eigentliche konkrete Implementierung der jeweiligen Operation bleibt somit nach außen verborgen und kann auch leicht geändert werden. Die Vereinheitlichung von Schnittstellen wird in Java durch den Einsatz von Interfaces unterstützt. Die Verwendung eines Interfaces ist in dieser Runde jedoch freiwillig. Wenn Sie möchten können Sie das mitgelieferte Interface Operation
nutzen.
AsciiStack
entwickelt, die intern ein Array zur Speicherung der Elemente des Stacks nutzt. Diese Klasse soll nun neu implementiert werden. In der neuen Implementierung soll weder ein Array noch eine vorgefertigte Collectionklasse benutzt werden.
Stattdessen soll eine einfach verkettete Liste implementiert werden.
![]() |
Ein Stack für ASCIIImage-Objekte Schreiben Sie dafür zusätzlich zur Klasse AsciiStack eine Klasse AsciiStackNode . Ein AsciiStackNode speichert (eine Referenz auf) ein AsciiImage und eine Referenz auf den nächsten (darunter liegenden) Knoten im AsciiStack (siehe Abbildung).
Wird dem AsciiStack ein neues Bild hinzugefügt, wird ein neuer Knoten erzeugt und als oberster Knoten eingefügt. Es gibt daher genauso viele Knoten wie Elemente auf dem Stack.
|
Die Funktionalität der Klasse AsciiStack
soll sich gegenüber Runde 6 nicht ändern. Der einzige Unterschied zwischen alter und neuer Schnittstelle ist der, dass der Parameter increment
des Konstruktors und die Methode capacity
nicht mehr benötigt werden.
Objekte der Klasse AsciiStackNode
bilden die Struktur des Stacks und sind außerhalb der Klasse AsciiStack
nicht sichtbar.
Sie können zu Übungszwecken, nach dem Muster der anderen Operationen, Klassen für die Befehle grow
, line
, transpose
, sowie fill
entsprechend der Spezifikationen der Vorrunden implementieren. Sie können diesen Klassen auch die entsprechenden Befehle zuordnen, dies wird jedoch nicht getestet.
Die folgende Aufzählung umfasst geforderte Methoden, neue und veränderte Methoden sind farblich hervorgehoben, gegenüber der Vorrunde nicht mehr geforderte durchgestrichen. Sie können nach Bedarf Hilfsmethoden und Methoden für freiwillige Aufgaben (Bonusaufgaben, Übungsaufgaben) hinzufügen. Achten Sie auf die korrekte Datenkapselung. Insbesondere sollen Sie sinnvolle Zugriffsmodifikatoren für Variablen (und Methoden) verwenden.
main
-Methode. Sie verarbeitet die Eingaben, erzeugt das AsciiImage
und gibt das Ergebnis aus. Methoden dieser Klasse lesen direkt von System.in
ein und geben direkt auf System.out
aus.
public static void main(String[] args)
public AsciiImage(int width, int height, String charset)
IllegalArgumentException
. Werfen Sie auch eine IllegalArgumentException
, falls das charset
ein Zeichen doppelt enthält oder gar keine Zeichen umfasst.public AsciiImage(int width, int height)
public AsciiImage(AsciiImage img)
public void clear()
public void drawLine(int x0, int y0, int x1, int y1, char c)
public String getCharset()
public AsciiPoint getCentroid(char c)
public int getHeight()
public char getPixel(int x, int y)
IndexOutOfBoundsException
.public char getPixel(AsciiPoint p)
IndexOutOfBoundsException
.public ArrayList<AsciiPoint> getPointList(char c)
AsciiPoint
, sollte es keine Punkte mit dem angegebenen Zeichen geben, so soll eine leere Liste zurückgegeben werden. Verwenden Sie diese Methode überall dort, wo sie alle Pixel mit einem bestimmten Zeichen benötigen.public int getWidth()
public void growRegion(char c)
public void replace(char oldChar, char newChar)
public void setPixel(int x, int y, char c)
IndexOutOfBoundsException
, falls das Zeichen c
nicht dem Zeichensatz des Bildes entspricht (sprich nicht im charset enthalten ist).public void setPixel(AsciiPoint p, char c)
IndexOutOfBoundsException
, falls das Zeichen c
nicht dem Zeichensatz des Bildes entspricht (sprich nicht im charset enthalten ist).public String toString()
public void transpose()
public void fill(int x, int y, char c)
public AsciiPoint(int x, int y)
public int getX()
public int getY()
public String toString()
(x,y)
zurück.AsciiImage
-Objekten gespeichert werden, wobei der Zugriff immer nur auf das oberste Element möglich ist. Diese Implementierung nutzt intern die Klasse AsciiStackNode
um mehrere Bilder in einer Liste zu verketten.
public AsciiStack(int increment)
public AsciiStack()
public int capacity()
public boolean empty()
public AsciiImage pop()
null
zurückgegeben werden.public AsciiImage peek()
null
zurückgegeben werden.public void push(AsciiImage img)
AsciiImage
oben auf den Stack.public int size()
public AsciiStackNode(AsciiImage image, AsciiStackNode next)
public AsciiImage getImage()
public AsciiStackNode getNext()
public int size()
Die folgenden Klassen dienen zur Umsetzung bestimmter Bildoperationen. Sie können schon in dieser Runde das mitgelieferte Interface Operation
nutzen. Wenn alle hier beschriebenen Klassen dieses Interface implementieren, können Sie so sicher stellen, dass alle Methodensignaturen wie gefordert implementiert wurden. Die execute
-Methode soll das übergebene Bild unverändert lassen und als Ergebnis eine Kopie zurückgeben, auf der die Operation ausgeführt wurde.
public ClearOperation()
ClearOperation
.public AsciiImage execute(AsciiImage img)
AsciiImage
zurück, das dem übergebenen AsciiImage
entspricht, wobei alle Zeichen auf das hellste Zeichen, sprich dem letzten Zeichen im Zeichensatz des Bildes, gesetzt sind.AsciiImage
.
public LoadOperation(String data)
LoadOperation
mit den entsprechenden Bilddaten. Diese Bilddaten liegen als String vor, wobei die Bildzeilen durch Zeilenumbrüche (‘\n
’) getrennt sind.public AsciiImage execute(AsciiImage img) throws OperationException
AsciiImage
zurück, das von Größe und Zeichensatz dem übergebenen AsciiImage
entspricht und in das die Daten geladen wurden. Tritt beim Laden ein Fehler auf (zu wenige oder zu viele Daten bzw. ungültige Zeichen), so wird eine OperationException
mit einer entsprechenden Fehlermeldung geworfen.public MedianOperation()
MedianOperation
.public AsciiImage execute(AsciiImage img)
public ReplaceOperation(char oldChar, char newChar)
ReplaceOperation
die alle Zeichen oldChar
durch newChar
ersetzt.public AsciiImage execute(AsciiImage img) throws OperationException
AsciiImage
zurück, in dem alle Vorkommnisse des Zeichen oldChar
durch das Zeichen newChar
ersetzt worden sind. Falls das neue Zeichen nicht im Zeichensatz des AsciiImage
enthalten ist, soll eine neue OperationException
mit entsprechender Fehlermeldung geworfen werden.Interfaces und Exceptions. Die Verwendung von Interfaces ist in dieser Runde optional.
extends Exception
Exception
und wird zum Behandeln aller Fehlerfälle, die beim Ausführen von Operationen auftreten, eingesetzt. Sie dürfen bei Bedarf auch noch weitere Konstruktoren definieren.
public OperationException()
Exception
auf.public OperationException(String message)
Exception
auf.public AsciiImage execute(AsciiImage img) throws OperationException
AsciiImage
zurück. Das übergebene AsciiImage
wird von der Methode nicht verändert. Mögliche Parameter der Operation müssen im Konstruktor übergeben werden. Sollte beim Ausführen der Operation ein Fehler auftreten, so soll eine OperationException
geworfen werden.
Beachten Sie die allgemeinen Hinweise zur Installation und zur Ein-/Ausgabe, sowie zur Abgabe und zur Beurteilung in den FAQ.
Die Klasse AsciiImage
wirft ausschließlich spezielle RuntimeExceptions
. Diese müssen nicht in der Methodensignatur angegeben werden und sollten auch nur sparsam eingesetzt werden. Sie dienen dazu, fehlerhafte Verwendungen von Methoden aufzuzeigen und sollten daher auch nicht gefangen werden. Überprüfen Sie stattdessen vor dem Verwenden einer Methode, ob die Parameter gültig sind (Indizes liegen im richtigen Bereich, das Zeichen ist erlaubt). Bei den Operationen werden OperationExceptions
geworfen. Diese hingegen müssen gefangen werden, um so zum Beispiel den Benutzer auf fehlerhafte Eingaben hinzuweisen.
Da die Operationen nun in eigene Klassen ausgelagert sind, ist es auch erforderlich im AsciiShop
einige Veränderungen vorzunehmen. Lesen Sie nach einem Befehl - wenn erforderlich - zuerst die benötigten Parameter ein und erzeugen Sie dann eine entsprechende Operation, wobei sie die eingelesenen Parameter dem Konstruktor übergeben. Führen Sie dann die Operation aus und behandeln Sie möglicherweise auftretende OperationExceptions
.
Die LoadOperation
erwartet die gesamten Bilddaten in einem String. Lesen Sie dazu im AsciiShop
die Bilddaten zwischen load
eof
und eof
ein und speichern Sie die einzelnen Zeilen durch Zeilenumbrüche getrennt in einen String. Die Validierung der Bilddaten (Zeilenanzahl, Spaltenanzahl, vorkommende Zeichen) erfolgt dann in der LoadOperation
. In der Klasse AsciiShop
wird nur überprüft, ob der load
-Befehl richtig aufgebaut ist, sprich mit dem eof
-String endet. Nutzen Sie in der LoadOperation
beispielsweise einen Scanner
, dem im Konstruktor, der in AsciiShop
erzeugte String der eingelesenen Zeilen, übergeben werden kann. So können Sie wie gewohnt zeilenweise die Daten abarbeiten.
Bei Filteroperation wird für jeden Pixel in Abhängigkeiten von seinen Nachbarpixeln ein neuer Wert bestimmt. Für jeden Pixel des Bildes werden also seine acht Nachbarn und der Pixel selbst betrachtet. Diese neun Zeichen werden entsprechend des Zeichensatzes des Bildes in Helligkeitswerte umgewandelt und anschließend sortiert. Informieren Sie sich über dazu geeignete Hilfsmethoden in der Helper-Klasse java.util.Arrays
(vgl. java.util.Arrays). Das Zeichen das dann in der Mitte der sortierten Werte steht (der Median), wird wieder in einen Character umgewandelt und als neuer Helligkeitswert des aktuellen Pixels im Ergebnisbild gesetzt. Ein Randpixel hat weniger als 8 Nachbarn, hier soll angenommen werden, dass die fehlenden drei bis fünf Nachbarn die Hintergrundfarbe haben. Die Zuordnung zwischen Helligkeitswerten und den Zeichen eines Bildes ergeben sich auf Grund der Indizes der Zeichen im charset.
![]() |
Randbehandlung (X) Gelb umrandet ist das Bild (in diesem Fall mit den Abmessungen 6x4). Das aktuelle Pixel, für den der 3x3-Block bestimmt werden soll, ist blau markiert. Dieser, rot strichliert gekennzeichnete Block ragt über den Bildrand hinaus. Für die fünf Blockpunkte in diesem Bereich (farbig hinterlegt) wird explizit die Hintergrundfarbe, in diesem Fall ‘.’, verwendet. Analog ist in allen Fällen zu verfahren, in denen der Block über den Bildrand hinausragt. |
Nutzen Sie Ihren selber implementierten Stack. Um das Rückgängigmachen von Operationen zu ermöglichen, gehen Sie wie folgt vor: Speichern Sie in einer Variable img
(in AsciiShop
) immer das aktuelle Bild. Legen Sie, bevor Sie eine Operation, die das Bild verändert, durchführen (das sind insbesondere clear
, filter median
, load
und replace
), das Bildes auf den Stack.
Entfernen Sie nach Einlesen des Befehls undo
jeweils das oberste Element vom Stack, speichern Sie es in die lokale Variable img
(in AsciiShop
). Geben Sie 'STACK EMPTY`
aus, falls keine weiteren Schritte rückgängig gemacht werden können. Beachten Sie, dass der create
Befehl nicht rückgängig gemacht werden kann.
AsciiStackNode
Man kann die oben beschriebene Implementierung des Stacks aus dem Blickwinkel einer rekursiven Datenstruktur betrachten, wie im Abschnitt 4.2 des Skriptums beschrieben. Orientieren Sie sich am dort gezeigten Beispiel IntList
und IntListNode
.
Die geforderte Methode int size()
zur Bestimmung der Anzahl der Elemente am Stack soll rekursiv implementiert werden. Als Beispiel für eine Methode, die die Elemente der Datenstruktur rekursiv durchmustert, können Sie die Methode boolean contains (int e)
in Listing 4.6 im Skriptum auf Seite 244 heranziehen.
Sie können (müssen aber nicht) die Klasse AsciiStackNode
auch als innere Klasse von AsciiStack
definieren. In diesem Fall können die beiden Methoden getImage()
und getNext()
auch weggelassen werden, da AsciiStack
direkten Zugriff auf die Objektvariablen von AsciiStackNode
hat (siehe Skriptum Seite 283), auch wenn diese private
deklariert werden.
Wenn Sie Fragen zur Implementierung oder auch zu Java haben, können Sie das Informatik-Forum nutzen. Im Rahmen der wöchentlichen Laborien stehen Tutoren für Fragen zur Verfügung. | ||
Informatik-Forum | Laborien |
Der erste Befehl muss create
, gefolgt von Breite und Höhe sowie dem Zeichensatz des Bildes sein. Danach können in beliebiger Reihenfolge beliebige viele der oben definierten Befehle folgen. Beachten Sie jedoch, dass der create
Befehl nur einmal (nämlich als erster Befehl) auftreten darf. Sie dürfen davon ausgehen, dass die mittels load
eingelesenen Bilddaten keine Leerzeichen enthalten. Sie können weiters davon ausgehen, dass die gesamte Eingabe nicht leer ist.
Bei jedem Aufruf von print
soll das Bild korrekt formatiert und von einer Leerzeile gefolgt, ausgegeben werden. Wird undo
eingegeben, so wird, falls der Stack leer ist, "STACK EMPTY
" ausgegeben. Im Gegensatz zur vorherigen Runde, wird die Stack Belegung nun nicht mehr ausgegeben.
Geben Sie "INPUT MISMATCH
" aus und brechen Sie die weitere Verarbeitung ab, falls einer der folgenden Fehler auftritt:
create
load
-Befehl fehlt das eof
Parameter oder das abschließende eof
filter
steht nicht `median'
.Geben Sie bei allen Fehlern, die in einer Operationen Klasse ausgelöst werden (also bei denen eine OperationException
geworfen wird), "OPERATION FAILED
" aus und brechen Sie die weitere Verarbeitung ab. Dies sind insbesondere folgende Fälle:
load
-Befehl und dem Endzeichen sind mehr oder weniger Zeilen als das Bild hatGeben Sie "UNKNOWN COMMAND
" aus und brechen Sie die weitere Verarbeitung ab, falls einer der folgenden Fehler auftritt:
create
folgt (später) ein unbekannter Befehl.create
folgt (später) erneut der Befehl create
.
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