Trabalho Prático para Melhoria

Índice

1. Objectivos de formação e resultados de aprendizagem
2. Tema: Processamento de Texto e Imagem
   1. Formato de Imagem PNM
      1. PBM: Portable BitMap Format
      2. PGM: Portable GrayMap Format
      3. PPM: Portable PixMap Format
   2. Leitura e Escrita de imagens PNM
   3. Processamento de Texto e Imagem
      1. Pautas musicais
         1. Músicas populares

Objectivos de formação e resultados de aprendizagem

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Este projecto tem como objectivos principais a formação genérica e específica de estudantes em fundamentos de computação na área da programação imperativa.

Os objectivos de formação genérica incluem: (i) a pesquisa, análise e selecção de informação, (ii) o treino na resolução de problemas, (iii) o desenvolvimento da capacidade de análise, e (iv) o desenvolvimento da capacidade de comunicação escrita e oral.

Os objectivos de formação específica incluem: (i) a análise da especificação e do problema, (ii) o desenvolvimento de algoritmos e consequente programação numa linguagem imperativa, (iii) a execução e realização de testes de conformidade.

A avaliação dos resultados esperados de aprendizagem irão verificar se as/os estudantes conseguem demonstrar ter adquirido o seguinte conjunto de competências genéricas e específicas:

• competências genéricas
  • a capacidade de comunicação escrita e oral na apresentação e discussão dos processos usados e resultados obtidos;
  • a capacidade de utilização de utilitários genéricos de informática em ambiente Linux e de elaboração de documentos anotados
• competências específicas de Programação Imperativa
  • a capacidade de desenvolver algoritmos para resolver problemas, de forma criativa, criteriosa e crítica, e inserida/o num grupo de trabalho
  • o conhecimento e a capacidade de codificar algoritmos e estruturas de dados segundo os princípios da programação estruturada
  • a capacidade e aptidões práticas para gerar, executar e testar programas codificados em C, usando um conjunto adequado de utilitários (GNU)
  • o conhecimento e as aptidões de desenvolver e aplicar testes de conformidade e de analisar situações de fronteira na execução de programas
  • capacidade e aptidões na produção de documentação adequada à manutenção por terceiros dos programas desenvolvidos

Tema: Processamento de Texto e Imagem

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O tema escolhido para este projecto foi o processamento de texto e imagem.

No contexto deste projecto, a aplicação irá gerar imagens no formato PNM (Portable aNyMap) que se descreve na secção seguinte.

Formato de Imagem PNM

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O PNM é um formato de imagem muito simples, fácil de ler a partir de um ficheiro e também fácil de escrever para um ficheiro. Actualmente uma imagem PNM pode pertencer a uma de três famílias, abaixo explicadas: PBM, PGM e PPM. Cada família tem duas representações: uma textual e uma compactada.

Embora não seja um requisito da especificação PNM, existe a convenção de que a imagem deve ser armazenada de cima para baixo e da esquerda para a direita. Cada pixel da imagem é armazenado num byte, valor 0 = preto, valor 255 = branco. Os componentes de cor são armazenados na ordem habitual RGB ("red", "green" and "blue"), um valor para o nível de vermelho, um valor para o nível de verde e um valor para o nível de azul.

PBM: Portable BitMap Format

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Esta família corresponde a imagens contendo apenas duas cores, branco (1) e preto (0), normalmente designadas por bitmaps.

A sua forma textual pode ser descrita da seguinte maneira:

• qualquer linha iniciada pelo carácter # é um comentário; os comentários só poem aparecer nas linhas do cabeçalho, ou seja, antes dos valores dos pontos da imagem.
• a primeira linha contem o identificador do tipo da imagem: P1
• a segunda linha contem um par de valores que definem respectivamente o decimal correspondente ao número de colunas (largura da imagem em pixeis), por exemplo: 9, e o decimal correspondente ao número de linhas (altura da imagem em pixeis), por exemplo: 7
• as linhas restantes contêm uma lista de valores decimais, em que cada valor corresponde a um pixel da imagem e estão organizadas de acordo com os valores definidos nas linhas anteriores. Com os exemplos dados nos itens anteriores teríamos 7 linhas cada uma com 9 valores separados por espaço (cada valor corresponde a um byte, 0-255, que no caso das imagens do tipo P1 apenas assume valores no intervalo [0,1])

Um exemplo de uma imagem neste formato poderia ser:

P1
# PBM example 
9 7
 0 0 0 0 0 0 0 0 0 
 0 1 1 1 1 0 0 1 0 
 0 1 0 0 1 0 0 1 0 
 0 1 1 1 1 0 0 1 0
 0 1 0 0 0 0 0 1 0
 0 1 0 0 0 0 0 1 0
 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Se analisar um pouco a imagem que esta representa um banner com fundo preto e letras a branco. Neste caso, a imagem contem a string "PI". Note também que, para este caso do banner, a primeira linha, a última linha, a primeira e última colunas são pretas e que entre duas letras há duas colunas pretas de separação.

A sua forma compactada resulta da constatação de que um byte é uma sequência de 8 0's e 1's. Assim, um byte pode guardar 8 pixeis da imagem. A única alteração ao formato é o identificador que passa a: P4.

A seguir apresenta-se o exemplo anterior agora compactado:

P4
# PBM example 
9 7
0 0
121 0
73 0
121 0
65 0
65 0
0 0 

Note que, apenas para efeitos de visualização, introduziram-se espaços entre os valores da forma compactada. Nas formas compactadas PNM, não há espaços de separação entre os valores. A informação é guardada em ficheiro em bytes sequenciais.

PGM: Portable GrayMap Format

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Esta família corresponde a imagens definidas com vários níveis de cinzento.

A sua forma textual pode ser descrita da seguinte maneira:

• qualquer linha iniciada pelo carácter # corresponde a um comentário e deverá ser ignorada.
• a primeira linha contem o identificador do tipo da imagem: P2
• a segunda linha contem um par de valores que definem respectivamente o decimal correspondente ao número de colunas (largura da imagem em pixeis), por exemplo: 9, e o decimal correspondente ao número de linhas (altura da imagem em pixeis), por exemplo: 7
• a terceira linha contem o maior valor decimal que é possível encontrar para a definição de um pixel: [0,65536] (2 elevado a 16), vamos designá-lo por MAX. Normalmente, tenta-se que o intervalo seja [0,255] pois apenas nesta situação se pode falar em compactação e no formato P5. Se MAX estiver no intervalo [0,255] é utilizado apenas um byte por cada pixel da imagem. Caso contrário, MAX esteja no intervalo [256,65535], são utilizados dois bytes por cada pixel da imagem; o byte mais significativo aparece primeiro.
• as linhas restantes contêm uma lista de valores decimais, em que cada valor corresponde a um pixel da imagem e estão organizadas de acordo com os valores definidos nas linhas anteriores. Com os exemplos dados nos itens anteriores teríamos 7 linhas cada uma com 9 valores separados por espaço (cada valor corresponde a um pixel: 0-MAX).
• cada linha não deverá ter mais de 70 valores.
• o valor 0 corresponde à cor preta e o valor MAX corresponde à cor branca.

Um exemplo de uma imagem neste formato poderia ser:

P2
# PBM example 
9 7
15
 0 0 0 0 0 0 0 0 0 
 0 15 15 15 15 0 0 12 0 
 0 15 0 0 15 0 0 12 0 
 0 15 15 15 15 0 0 12 0
 0 15 0 0 0 0 0 12 0
 0 15 0 0 0 0 0 12 0
 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Se analisar um pouco a imagem que esta representa um banner com fundo preto e letras a branco. Neste caso, a imagem contém a string "PI". Note também que, para este caso do banner, a primeira linha, a última linha, a primeira e última colunas são pretas e que entre duas letras há duas colunas pretas de separação.

A sua forma compactada resulta da eliminação dos espaços nas linhas da imagem e apenas para o caso em que MAX está no intervalo [0,255]. A única alteração ao formato é o identificador que passa a: P5.

PPM: Portable PixMap Format

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Esta secção ficará em branco. Espera-se que os alunos "investiguem" e que a preencham um pouco à semelhança das outras.

Nas secções seguintes descrevem-se as componentes do projecto e referem-se os requisitos que deverão ser implementados.

Leitura e Escrita de imagens PNM

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Nesta fase, pretende-se que as/os estudantes executem as seguintes tarefas:

• desenvolver um conjunto de algoritmos elementares para ler e escrever imagens PNM; mais concretamente, seguindo a descrição feita na secção anterior pretende-se ler imagens do tipo P1, P2, P3, P4, P5 e P6 e escrever a imagem lida em qualquer um dos 6 formatos;
• codificar os algoritmos propostos, documentando-os adequadamente;
• preparar um conjunto de ficheiros de entrada para teste, que permita validar, além de outras, as de condições limite;
• integrar e testar o produto final (da Fase 1) usando comandos da shell para (i) leitura de um ficheiro JPEG ou GIF e sua conversão para PNM, (ii) leitura de um ficheiro PNM (P2, P3, P5 ou P6) e sua conversão para noutro ficheiro PNM (P1 ou P4) e (iii) visualização da imagem usando ImageMagick ;
• refinar o interface com o utilizador, construindo um menu de operações e permitindo mais que uma operação em cada sessão;
• apresentar os resultados destas tarefas num relatório redigido em LaTeX; a sua estrutura deverá conter, para além do título e lista de autores, um resumo (máx. 600 caracteres), uma introdução com caracterização do problema a resolver, uma breve exposição/relato dos aspectos relevantes de cada uma das fases/tarefas, as conclusões, uma lista da bibliografia pertinente para a resolução do trabalho, e, em anexo, uma listagem do código.

Processamento de Texto e Imagem

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Pautas musicais

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Desenvolve uma aplicação para a geração automática de pautas musicais coloridas. O programa deverá aceitar um ficheiro de texto com a descrição textual de uma música e deverá gerar uma imagem P3 ou P6 com a respectiva pauta musical (deverás dar a hipótese do utilizador gerar um dos outros 4 tipos de imagem só que nesse caso a pauta será a preto e branco).

Os requisitos para a aplicação são os seguintes:

1. O desenho da pauta fica ao teu critério: espessura das linhas, dimensões das notas (investiga um pouco sobre os tipos de notas e de pausas musicais), ...
2. Uma pauta é constituída por cinco linhas horizontais espaçadas uniformemente. As notas colocam-se sobre as linhas ou nos espaços entre elas.
3. Uma música é constituída por uma lista de compassos. Cada compasso deverá ser separado do seguinte por uma linha vertical de espessura ligeiramente inferior à das linhas da pauta.
4. A cor das notas não é livre e deverá seguir o seguinte esquema:

   Nota Musical	Descrição	Côr RGB em Hex
   C	Dó	FF0000
   C# ou Db	Dó sustenido ou Ré bemol	FF3300
   D	Ré	FF6600
   D# ou Eb	Ré sustenido ou Mi bemol	FFCC00
   E	Mi	FFFF33
   F	Fá	00FF00
   F# ou Gb	Fá sustenido ou Sol bemol	00AA00
   G	Sol	004400
   G# ou Ab	Sol sustenido ou Lá bemol	0000FF
   A	Lá	330033
   A# ou Bb	Lá sustenido ou Si bemol	990066
   B	Si	FF0066
   CM	Dó maior	FF0000

   
   
5. O ficheiro de entrada, onde é descrita a música em forma textual, tem a seguinte estrutura:
   • Na primeira linha tem o título da música.
   • Cada linha das que se seguem à primeira contem um compasso da música.
   • Numa linha de compasso cada nota é separada da que se lhe segue por um espaço.
   • Além de notas podem aparecer pausas e sinais de repetição (o tratmento destes é opcional).
   • A título de exemplo, apresenta-se a seguir a descrição de uma música popular portuguesa bem conhecida:

     O Chapéu de 3 bicos
     G
     CM G
     G F E
     F D
     D E
     F F G
     A G
     E
     Pausa
     G CM G G
     F E F D
     D E F
     G A G C
     Repete

   • O resultado esperado para o exemplo anterior pode ser visualizado em: O Chapéu de 3 bicos.

A seguir apresentam-se mais músicas para teste da aplicação final.

Músicas populares

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• O lencinho

  O lencinho
  G A
  G E
  C G A
  G E
  C C C
  D D C D
  E E D E
  F F E F
  G G A
  G E
  C G A
  G E
  C C C
  D D C D
  E F G A
  G F E D
  C C
  E F
  G
  Pausa E F
  G
  Pausa A Bb
  CM
  Pausa A Bb
  CM
  Pausa C C 
  C C Bb A
  G G G A
  G F E D 
  C C
  Repete

• Dança das Horas: nesta música existem acordes (notas que devem ser tocadas ao mesmo tempo); um acorde tem parentesis curvos a limitar as suas notas; as notas de um acorde devem ser desenhadas alinhadas verticalmente, ou seja, o centro do círculo de cada nota deve estar sobre a mesma linha vertical.

  Dança das Horas
  A
  F G
  C
  C
  G A
  F
  F A
  G F
  C
  C C
  G A
  F
  F Pausa
  (F A)
  (F A)
  (F A)
  Pausa C
  F

• O balão do João

  O balão do João
  G E E
  F D D
  C D E F
  G G G
  G E E
  F D D
  C E G G
  (G C E)
  Repete
  D D D D
  D E F
  E E E E 
  E F G
  G E E
  F D D
  C E G G
  (G C E)
  Repete

• Lagarto Pintado

  Lagarto Pintado
  C
  G CM G
  E C
  A A A
  A G
  G CM G
  E C
  F E D
  C
  Repete

• Se tiveres tempo, altera o formato textual para poder permitir adicionar uma duração a cada nota. A nota deixaria de ser um elemento atómico e passaria a ser um par (nota, duração). Considera que os valores para a duração de uma nota podem ser de 4 tempos, 2, 1, 1/2, 1/4 e 1/8. A duração da nota implica que esta tenha uma representação diferente, investiga este assunto ou dirige-te ao docente para tirar dúvidas. Esta opção será avaliada como um extra e destina-se a alunos que queiram obter um nível de MuitoBom ou Excelente.