第３回CADセミナー＠岐阜 演習２／画像の白黒反転
演習の第２段階は，画像の白黒を反転するプログラムを作ります．
同時に画像全体の画素値の平均を求めるプログラムも作成します．
ここでは，
- 白黒を反転する関数
- 画像の画素値の平均値を求める関数
を作成して，そこへ元画像を保存した配列，反転画像の配列などを渡し，
処理結果を得ることとします．
演習２のサンプルプログラムは，そのプログラムになります．
ここでは，まず，ハードディスク上に保存された画像ファイルを開き，
それをコンピュータのメモリ上に保存します．
演習１とはことなり，元画像用の配列，反転画像用の配列の２つが宣言されていることに注意して下さい．
演習２のサンプルプログラム
その基本的な流れは，演習１と同じです．異なる点のみ説明します．
- インクルードファイル，変数の宣言
double ave_a, abe_bにおいて，画素値の平均値を保存するための変数を宣言しています．
平均値は小数となるため，実数型で宣言しています．
また，画像については，元画像用と反転画像用に別の配列を宣言しています．
元画像用：*in，反転画像用：*inv_imgとしました．
- コマンドラインからの変数の読み込み
get_argsに記述しある処理が実行されます．
- 必要なメモリ量の確保
get_argsでは，画像のファイル名，幅，高さ，の情報が得られます（コマンドラインから）．
プログラム中では，
image = (char *)malloc(width.....);
となっているところで確保しています．mallocという関数がその動作の中心です．
malloc(必要なバイト数）としてメモリが確保されることになります．
元画像も反転画像も同じ大きさなので，それぞれを同じ大きさの配列となるように確保します．
- 画像ファイルのメモリへの転送
image_read_char()という関数で実行され，ハードディスクからファイルを読み込みます．
- 反転処理を行う関数への配列の引き渡し
反転処理を行う関数は，invert_imageという名前にしました．
この関数は，２つの配列 *org, *outとその大きさ（幅：w，高さ：h）を受け，*orgの白黒反転
画像を*outに作成します．
- 画素値の平均値を求める関数への引き渡し
平均値を求める関数は，get_averageという名前にしました．
この関数は，配列 *inとその大きさ（幅：w，高さ：h）を受け，関数の返り値として
平均値を返します．関数の部分に double get_average(...)と書かれており，先頭の
doubleが返り値がdouble型であることを示しています．
このほかに，voidとついている関数もありますが，そのような関数は，返り値がない（void）ということです．
この関数は，入力をかえれば他の配列（画像）の平均値も求めることができますので，
最初に
ave_a = get_average(in, width, height);
として，元画像の平均値を求めています．その値がave_aに入ります．
次に，
ave_b = get_average(inv_img, width, height);
として，反転画像の平均値がave_bに入るようにしています．
ここで，１つの関数の入力を変えることで，その入力に応じた出力（平均値）が得られており，
関数の再利用性が確認できると思います．
- 平均値の表示
printf文を使って平均値を表示します．printf文の中に計算式を入れても，その計算式が評価された結果が
表示されます．
また，このような平均値などをべつの関数に渡して，渡した先で表示する場合や，さらに処理が複雑な場合は，
それらの値を元に統計的な処理を行う関数を作成して，別の処理を行う，というときもあります．
- メモリ上のデータのハードディスクへの保存
関数image_write_charでは，保存する画像のファイル名，幅，高さ，画像の保存された配列名を渡すと目的の画像を
ハードディスク上に作成します．
以上，画像反転の例になりました．特に，
- １次元配列を用いて画像を取り扱う
- １つの関数の入力を変えて，活用する
- 画像から簡単な特徴量（この場合は平均値）を取り出す
という演習を行いました．
このように，画素値を自由にあやつることができるようになると，画像のコントラストを変えたりすること（階調処理）が，
任意にできるようになります．また，原画像が８ビットで与えられると，階調処理を行うときの問題点などが
明らかになってきます．
次の演習では，そのような例を扱ってみましょう．
余談：MMXテクノロジを（きっと）利用した高速画像反転
インテルのPentinumプロセッサには，MMXテクノロジが採用されており（Pentinum 166MHz以降），
その技術を用いると，処理の高速化が可能になって来ます．
ここでMMXとは，Multi Media Extensionの略で，マルチメディア（つまり画像，映像処理）用の演算の高速化を
目的としてます．
PentinumIIIでは，MMXの演算に利用できる６４ビットレジスタが８つあり，特定の宣言をすることで，
利用できるようになります．このレジスタでは，整数型の演算のみが可能であり，６４ビットの固まりごとに
加算，減算という演算ができるというものです．
一見，これはたいしたことは無さそうですが，８ビットのデータを８つまとめて１命令で動くという，並列処理風の
処理が可能になるということです．つまり，８ビットの画像なら，８画素をまとめて処理できるということになります．
その命令を使うためには，アセンブラ（機械語）を直接Cから呼んで動かす必要があります．
そのサンプルのプログラムは以下のようになります．
MMX命令を利用した画像反転
そのmain文（演習２のmainを改造：白黒反転の関数を呼んでいる部分を変えただけ）
このように高速化することによって，31,257,280画素の８ビット画像の白黒反転で処理時間を比較した結果，
反転処理ににかかる時間はディスク読み出しも含め1.78秒から1.58秒へ短縮しました（読み出しにかかる時間は
両方とも約0.60秒．PentinumIII700MHz利用．）．
きっともう少しいろいろな方法があると思いますが，この件については，私もまだまだ勉強中なので，このへんで．