编程作业二

作业链接:Seam Carving & Checklist

我的代码:SeamCarver.java

问题简介

接缝裁剪(Seam carving),是一个可以针对照片内容做正确缩放的算法(由 Shai Avidan 和 Ariel Shamir 所发表)。概念上,这个算法会找出好几条 seams,而这些 seams 是在照片中最不重要的一连串像素,接着再利用这些 seams,对照片做缩放。如果是要缩小照片,则移除这些 seams,若是放大,则在这些 seams 的位置上,插入一些像素。

这样的技术可以用在 image retargeting,将照片正确且没有扭曲得放在各种大小的屏幕或位置上,比如说,手机、投影幕等等。

摘自维基百科。

举个例子,这是一张需要变窄的照片。

传统的收缩(左)会改变塔的形状,裁剪(右)会让塔变得不完整。

Seam Carving 则可以达到下图的效果。

为了评价像素点的重要性,我们需要个函数计算能量,作业这里使用双梯度(dual-gradient)能量函数。图片里颜色变化区域的像素能量高,像塔和天空间的边界区域,seam carving 就会避免移除这些区域的像素。具体的计算方法和一些约定,参见:Seam Carving,不提。

任务摘要

The SeamCarver API. Your task is to implement the following mutable data type:

public class SeamCarver {
public SeamCarver(Picture picture) // create a seam carver object based on the given picture
public Picture picture() // current picture
public int width() // width of current picture
public int height() // height of current picture
public double energy(int x, int y) // energy of pixel at column x and row y
public int[] findHorizontalSeam() // sequence of indices for horizontal seam
public int[] findVerticalSeam() // sequence of indices for vertical seam
public void removeHorizontalSeam(int[] seam) // remove horizontal seam from current picture
public void removeVerticalSeam(int[] seam) // remove vertical seam from current picture
}

摘自 Seam Carving,这里略去很多细节。

PS:

原本注释较长会跑到下一行,看着很难受,而 Github 默认会有横向滚动条,于是为实现这个滚动条折腾了好久,一度跑偏,未果。最终是直接查看博客页面的审查元素,在博客园设置里的”页面定制 CSS 代码“添加一行代码 pre {white-space: pre;} 即可。。。

问题分析

按 Checklist 里建议的编程步骤,先实现构造器,以及 picture(),width() 和 height() 这些简单的方法,了解下 Picture.java 就好。接着建议我们实现能量函数,有 Checklist 里的提示和测试程序,也没有什么大问题,不用创建 Color 对象的优化也可以有。

到了计算 seams 的方法,Checklist 提示说不要显式地用图片创建图,然后再去跑最短路径算法,而是直接在像素点上进行操作。想了下,没什么头绪,去题目讨论页面寻找灵感。这里的图片像素点和下一行相邻的三个像素点相连,可以看做无环的带权有向图(权重在点上),于是我们按拓扑排序的顺序来放松各个像素点就可以算出 seams。拓扑排序不用特地去算,直接一行一行从左到右遍历下来就好,这里这就是一种拓扑顺序其实。

模仿课程里的实现,来两个辅助数组 distTo[][] 和 edgeTo[][],findVerticalSeams() 不久也本地测试成功。到了实现 findHorizontal() 方法,Checklist 叫我们把图片转置(transpose)一下,就是第一行变第一列,第二行变第二列这样,然后直接用 findVerticalSeams() 找,跑完再把图片转回来。转置的实现没有想到啥好办法,new 一个新的长宽相反的 Picture 对象,再一个个像素点用 Picture.setRGB()。这边的行列和常见的有点不一样,老是报错说数组越界,但最后还是成功跑出来了。反正先跑起来,交上去性能不好的话,再来优化吧。

删除 seams 也没有想到什么好方法,同样地 new 一个长或宽少一个像素点的 Picture 对象,再用 Picture.setRGB() 配置。实现了删除垂直的 seams,水平的一样是将图片转置后跑删除垂直 seams 的方法,然后再把图片转置回来。

本地测试成功,虽然 Checklist 里还有些优化看不懂,但也先交上去看看,不行也能有针对性地进行优化。幸运的是第一次提交就有 99 分,稍作修改就拿到了满分,那还有些优化就不管啦,哈哈哈。

测试结果

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