Programovanie (1) v C/C++
1-INF-127, ZS 2024/25

Úvod · Pravidlá · Prednášky · Softvér · Testovač
· Kontaktujte nás pomocou e-mailovej adresy E-prg.png (bude odpovedať ten z nás, kto má príslušnú otázku na starosti alebo kto má práve čas).
· Prosíme študentov, aby si pravidelne čítali e-maily na @uniba.sk adrese alebo aby si tieto emaily preposielali na adresu, ktorú pravidelne čítajú.


Prednáška 18: Rozdiel medzi revíziami

Z Programovanie
Skočit na navigaci Skočit na vyhledávání
 
(30 medziľahlých úprav od 2 ďalších používateľov nie je zobrazených)
Riadok 1: Riadok 1:
 +
== Oznamy ==
 +
 +
Budúci utorok bude na cvičeniach rozcvička na papieri.
 +
* Bude pokrývať učivo po prednášku 17.
 +
* Dôležitý tréning na semestrálny test.
 +
 +
Blíži sa '''semestrálny test'''.
 +
* Bude sa konať v stredu '''11.12. o 18:10''' v posluchárňach F1 a F2 v trvaní 90 minút.
 +
* Viac informácií na stránke [[Zimný semester, semestrálny test]].
 +
 +
Od pondelka 2.12. 19:00 sa môžete hlásiť na termín skúšky pri počítači.
 +
* Ak vidíte konflikt niektorého termínu s hromadnou skúškou alebo písomkou z iného predmetu, dajte nám vedieť čím skôr.
 +
* Kapacita termínov bude obmedzená, prihláste sa teda radšej skôr, neskôr to môžete zmeniť.
 +
* Prihlásiť a odhlásiť sa dá najviac deň vopred.
 +
* Skúšku 20.12. môžete robiť iba ak spravíte test 11.12. aspoň na 50% bodov.
 +
* Decembrový termín odporúčame hlavne študentom, ktorým programovanie nerobí problémy.
 +
* Viac informácií o skúške na prednáške v stredu 11.12.
 +
 
== Opakovanie: zásobník a rad ==
 
== Opakovanie: zásobník a rad ==
 
* '''Zásobník''' (angl. '''stack''') a '''rad''' alebo '''front''' (angl. '''queue''') sú abstraktné dátové typy, ktoré udržiavajú postupnosť nejakých prvkov.  
 
* '''Zásobník''' (angl. '''stack''') a '''rad''' alebo '''front''' (angl. '''queue''') sú abstraktné dátové typy, ktoré udržiavajú postupnosť nejakých prvkov.  
Riadok 102: Riadok 120:
 
         }
 
         }
 
          
 
          
         int middle = partition(a, left, right);
+
         int middle = partition(a, u.left, u.right);
 
          
 
          
 
         usek u1;
 
         usek u1;
Riadok 132: Riadok 150:
 
==Vyfarbovanie súvislých oblastí==
 
==Vyfarbovanie súvislých oblastí==
  
Uvažujme obrazec daný obdĺžnikovou maticou o <tt>m</tt> riadkoch a <tt>n</tt> stĺpcoch. Obdĺžnikové plátno je v takom prípade rozdelené na <tt>m</tt> krát <tt>n</tt> &bdquo;štvorčekov&rdquo; určitej konštantnej veľkosti, pričom jednotlivé prvky matice zodpovedajú farbám jednotlivých týchto štvorčekov. V našom jednoduchom príklade budeme pracovať iba s piatimi farbami, ktoré budeme reprezentovať číslami <tt>0,..,4</tt> podľa nasledujúceho poľa (napríklad číslo <tt>0</tt> teda reprezentuje bielu farbu):
+
* Uvažujme obrázok pozostávajúci z <tt>m</tt> krát <tt>n</tt> štvorčekov (pixelov).  
 +
* Farbu každého pixelu zapíšeme do jedného políčka dvojrozmerného poľa s <tt>m</tt> riadkami a <tt>n</tt> stĺpcami.  
 +
* V našom jednoduchom príklade budeme pracovať iba s piatimi farbami, ktoré budeme reprezentovať číslami <tt>0,...,4</tt> podľa nasledujúceho poľa (napríklad číslo <tt>0</tt> teda reprezentuje bielu farbu):
 
<syntaxhighlight lang="C++">
 
<syntaxhighlight lang="C++">
 
const char *farby[5] = {"white", "blue", "black", "yellow", "red"};  
 
const char *farby[5] = {"white", "blue", "black", "yellow", "red"};  
 
</syntaxhighlight>
 
</syntaxhighlight>
  
Napríklad obrazec
+
Napríklad obrázok
  
 
[[Súbor:Matica1.png|400px]]
 
[[Súbor:Matica1.png|400px]]
Riadok 157: Riadok 177:
 
</pre>
 
</pre>
  
Zameriame sa teraz na nasledujúci problém: používateľ zvolí (zadá na konzolu) súradnice niektorého &bdquo;štvorčeka&rdquo; a cieľom je ofarbiť nejakou farbou (napríklad červenou) celú súvislú oblasť rovnakej farby obsahujúcu daný štvorček. Napríklad pre obrazec vyššie a vstupné súradnice <tt>(2,1)</tt> &ndash; to znamená pre &bdquo;štvorček&rdquo; v treťom riadku a druhom stĺpci, keďže matica sa bude indexovať od nuly &ndash; by mal byť výstupom nasledujúci obrazec:   
+
Zameriame sa teraz na nasledujúci problém: používateľ zvolí (zadá na konzolu) súradnice niektorého štvorčeka a cieľom je ofarbiť nejakou farbou (napríklad červenou) celú súvislú oblasť rovnakej farby obsahujúcu daný štvorček. Napríklad pre obrazec vyššie a vstupné súradnice <tt>(2,1)</tt> (teda štvorček v treťom riadku a druhom stĺpci, keďže matica sa bude indexovať od nuly) by mal byť výstupom nasledujúci obrazec:   
  
 
[[Súbor:Matica2.png|400px]]
 
[[Súbor:Matica2.png|400px]]
  
Podobný problém je napríklad často potrebné riešiť v rôznych nástrojoch na prácu s grafikou (kde sa namiesto &bdquo;štvorčekov&rdquo; ofarbujú pixely) a podobne.
+
Podobný problém je napríklad často potrebné riešiť v rôznych nástrojoch na prácu s grafikou a podobne.
 +
 
 +
* Jednoduché útvary, napr. obdĺžnik, by sa dali vyfarbiť jednoduchými cyklami, naša súvislá oblasť ale môže mať veľmi zložitý tvar, s mnohými zákrutami, vetveniami a dierami a podobne.
 +
* Pre každé políčko, ktoré prefarbíme, nesmieme zabudnúť skontrolovať všetkých jeho susedov a ak majú rovnakú farbu ako malo pôvodné políčko, tak prefarbiť aj ich, ich susedov, susedov ich susedov atď.
 +
* Toto vieme ľahko zapísať rekurzívne: zafarbíme jedno políčko a potom rekurzívne zafarbujeme celú dosiahnuteľnú oblasť pre každého suseda rovnakej farby, akú malo pôvodne prefarbené políčko.
 +
* Táto podúloha je menšia, lebo aspoň jedno políčko z nej ubudlo prvým prefarbením.
 +
 
 +
===Vyfarbovanie pomocou rekurzívnej funkcie===
 +
 
 +
Nasledujúca rekurzívna funkcia <tt>vyfarbi</tt> prefarbí políčko so súradnicami <tt>(riadok, stlpec)</tt> na cieľovú farbu <tt>farba</tt> a následne sa rekurzívne zavolá pre všetkých susedov tohto políčka, ktoré sú zafarbené pôvodnou farbou prefarbovanej oblasti.
 +
 
 +
<syntaxhighlight lang="C++">
 +
/* Prefarbi súvislú jednofarebnú oblasť obsahujúcu
 +
* pozíciu (riadok,stlpec) na farbu s číslom farba. */
 +
void vyfarbi(int **a, int m, int n,
 +
            int riadok, int stlpec, int farba) {
 +
    int staraFarba = a[riadok][stlpec];
 +
    if (staraFarba == farba) {
 +
        return;
 +
    }
 +
    a[riadok][stlpec] = farba;
 +
    if (riadok - 1 >= 0
 +
        && a[riadok - 1][stlpec] == staraFarba) {
 +
        vyfarbi(a, m, n, riadok - 1, stlpec, farba);
 +
    }
 +
    if (riadok + 1 < m
 +
        && a[riadok + 1][stlpec] == staraFarba) {
 +
        vyfarbi(a, m, n, riadok + 1, stlpec, farba);
 +
    }
 +
    if (stlpec - 1 >= 0
 +
        && a[riadok][stlpec - 1] == staraFarba) {
 +
        vyfarbi(a, m, n, riadok, stlpec - 1, farba);
 +
    }
 +
    if (stlpec + 1 < n
 +
        && a[riadok][stlpec + 1] == staraFarba) {
 +
        vyfarbi(a, m, n, riadok, stlpec + 1, farba);
 +
    }
 +
}
 +
</syntaxhighlight>
 +
 
 +
Proces vyfarbovania môžeme animovať pomocou našej knižnice SVGdraw
 +
* [[:Media:Animacia1.svg|Výsledná animácia]]
  
===Základ programu===
+
V animácii okrem zmeny farby štvorčeka meníme aj farbu jeho rámčeka: pri zavolaní rekurzie sa zmení na hnedú a po skončení spracovania štvorčeka aj jeho susedov sa zmení na sivú. Hnedé sú teda vždy rámčeky štvorčekov uložené na zásobníku volaní.
  
Funkciu na vyfarbovanie súvislých oblastí budeme dorábať do nasledujúcej kostry programu, ktorá obsahuje funkcie na inicializáciu matice, jej načítanie zo súboru, vykresľovanie jednotlivých štvorčekov a celej matice, ako aj uvoľnenie pamäte. Všetky tieto funkcie pracujú podobne ako pri príklade s výškovou mapou z [[Prednáška 13|prednášky č. 13]]. Nasledujúca kostra tiež obsahuje funkciu <tt>main</tt>, ktorá načíta maticu zo súboru <tt>vstup.txt</tt> a následne zatiaľ len vykreslí ňou reprezentovaný obrazec do súboru <tt>matica.svg</tt>.
+
===Program s animáciou===
 +
 
 +
* Program na vyfarbovanie súvislých oblastí obsahuje funkcie na inicializáciu matice, jej načítanie zo súboru, vykresľovanie jednotlivých štvorčekov a celej matice, ako aj uvoľnenie pamäte. Všetky tieto funkcie pracujú podobne ako pri príklade s výškovou mapou z [[Prednáška 13|prednášky 13]].  
 +
* Funkcia <tt>main</tt> načíta maticu zo súboru <tt>vstup.txt</tt> a animáciu uloží do súboru <tt>matica.svg</tt>.
 +
* Do rekurzívnej funkcie pridáme volania funkcie <tt>vykresliStvorcek</tt>, ktoré aktuálny štvorček v obrázku prekreslia novou farbou a menia aj farbu rámčeka. Za ňou vždy zavoláme funkciu <tt>drawing.wait</tt>, ktorá animáciu pozdrží, aby sme zmeny stihli na obrázku sledovať.  
  
 
<syntaxhighlight lang="C++">
 
<syntaxhighlight lang="C++">
Riadok 176: Riadok 241:
 
const int stvorcek = 40;    // velkost stvorceka v pixeloch
 
const int stvorcek = 40;    // velkost stvorceka v pixeloch
 
const int hrubkaCiary = 2;  // hrubka ciary v pixeloch
 
const int hrubkaCiary = 2;  // hrubka ciary v pixeloch
 +
const double pauza = 0.3;  // pauza po kazdom kroku vyfarbovania v sekundach
  
 
/* Vytvori maticu s n riadkami a m stlpcami. */
 
/* Vytvori maticu s n riadkami a m stlpcami. */
Riadok 195: Riadok 261:
 
}
 
}
  
/* Vykresli stvorcek v riadku i a stlpci j s farbou vyplne farba a farbou ciary farbaCiary. */
+
/* Vykresli stvorcek v riadku i a stlpci j  
void vykresliStvorcek(int i, int j, const char *farba, const char *farbaCiary, SVGdraw &drawing) {
+
  s farbou vyplne farba a farbou ciary farbaCiary. */
 +
void vykresliStvorcek(int i, int j,  
 +
                      const char * farba,  
 +
                      const char * farbaCiary,  
 +
                      SVGdraw &drawing) {
 
     drawing.setLineColor(farbaCiary);
 
     drawing.setLineColor(farbaCiary);
 
     drawing.setLineWidth(hrubkaCiary);
 
     drawing.setLineWidth(hrubkaCiary);
 
     drawing.setFillColor(farba);
 
     drawing.setFillColor(farba);
     drawing.drawRectangle(j * stvorcek, i * stvorcek, stvorcek, stvorcek);
+
     drawing.drawRectangle(j * stvorcek, i * stvorcek,  
 +
                          stvorcek, stvorcek);
 
}
 
}
  
Riadok 212: Riadok 283:
 
}
 
}
  
/* Nacita z textoveho suboru, na ktory ukazuje fr, prvky matice a s n riadkami a m stlpcami. */
+
/* Nacita z textoveho suboru, na ktory ukazuje fr,  
 +
  prvky matice a s n riadkami a m stlpcami. */
 
void nacitajMaticu(FILE *fr, int **a, int m, int n) {
 
void nacitajMaticu(FILE *fr, int **a, int m, int n) {
 
     assert(fr != NULL);
 
     assert(fr != NULL);
Riadok 222: Riadok 294:
 
}
 
}
  
int main() {
+
/* Prefarbi suvislu jednofarebnu oblast obsahujucu  
    FILE *fr = fopen("vstup.txt", "r");
+
* poziciu (riadok,stlpec) na farbu s cislom farba. */
    assert(fr != NULL);
+
void vyfarbi(int **a, int m, int n,  
 
+
            int riadok, int stlpec, int farba,
    // nacitanie rozmerov matice
+
            SVGdraw &drawing) {
    int m, n;
 
    fscanf(fr, "%d %d", &m, &n); 
 
    // vytvorenie matice a nacitanie jej prvkov 
 
    int **a = vytvorMaticu(m, n);
 
    nacitajMaticu(fr, a, m, n);       
 
    fclose(fr);
 
       
 
    SVGdraw drawing(n * stvorcek, m * stvorcek, "matica.svg");
 
    vykresliMaticu(a, m, n, drawing);
 
 
 
    drawing.finish();
 
    zmazMaticu(a, m);
 
}
 
</syntaxhighlight>
 
 
 
===Rekurzívne vyfarbovanie===
 
 
 
Vyfarbovanie súvislých oblastí potom môžeme realizovať napríklad nasledujúcou rekurzívnou funkciou <tt>vyfarbi</tt>, ktorá vždy na cieľovú farbu <tt>farba</tt> prefarbí políčko so súradnicami <tt>(riadok, stlpec)</tt> a následne sa rekurzívne zavolá pre všetkých susedov tohto políčka, ktoré sú zafarbené pôvodnou farbou prefarbovanej oblasti.
 
 
 
Za každým vyfarbením &bdquo;štvorčeka&rdquo; navyše voláme funkciu <tt>drawing.wait</tt> s parametrom <tt>pauza</tt>, čo je konštanta, ktorú na úvod nastavíme na 0,3 sekundy. Výsledný SVG súbor tak bude obsahovať animáciu postupného vyfarbovania jednotlivých políčok. Farbou &bdquo;rámika&rdquo; okolo políčka budeme navyše rozlišovať, či už bolo dané políčko úplne spracované (t. j. či sa už ukončilo rekurzívne volanie funkcie <tt>vyfarbi</tt> pre toto políčko).
 
 
 
<syntaxhighlight lang="C++">
 
const double pauza = 0.3;  // pauza po kazdom kroku vyfarbovania v sekundach
 
 
 
/* Prefarbi suvislu jednofarebnu oblast obsahujucu poziciu (riadok,stlpec) na farbu s cislom farba. */
 
void vyfarbi(int **a, int m, int n, int riadok, int stlpec, int farba, SVGdraw &drawing) {
 
 
     int staraFarba = a[riadok][stlpec];
 
     int staraFarba = a[riadok][stlpec];
 
     if (staraFarba == farba) {
 
     if (staraFarba == farba) {
Riadok 258: Riadok 304:
 
     }
 
     }
 
     a[riadok][stlpec] = farba;
 
     a[riadok][stlpec] = farba;
     vykresliStvorcek(riadok, stlpec, farby[farba], "brown", drawing);
+
     vykresliStvorcek(riadok, stlpec, farby[farba],  
 +
                    "brown", drawing);
 
     drawing.wait(pauza);
 
     drawing.wait(pauza);
 
     if (riadok - 1 >= 0 && a[riadok - 1][stlpec] == staraFarba) {
 
     if (riadok - 1 >= 0 && a[riadok - 1][stlpec] == staraFarba) {
Riadok 272: Riadok 319:
 
         vyfarbi(a, m, n, riadok, stlpec + 1, farba, drawing);
 
         vyfarbi(a, m, n, riadok, stlpec + 1, farba, drawing);
 
     }
 
     }
     vykresliStvorcek(riadok, stlpec, farby[farba], "lightgray", drawing);
+
     vykresliStvorcek(riadok, stlpec, farby[farba],  
 +
                    "lightgray", drawing);
 
     drawing.wait(pauza);
 
     drawing.wait(pauza);
 
}  
 
}  
</syntaxhighlight>
 
  
Funkcia <tt>main</tt> potom môže vyzerať napríklad nasledovne:
 
<syntaxhighlight lang="C++">
 
 
int main() {
 
int main() {
 
     FILE *fr = fopen("vstup.txt", "r");
 
     FILE *fr = fopen("vstup.txt", "r");
Riadok 306: Riadok 351:
 
</syntaxhighlight>
 
</syntaxhighlight>
  
* [[:Image:Animacia1.svg|Výsledná animácia]]
+
==Počítanie ostrovov==
 
+
Obrázok, s ktorým sme pracovali vyššie, môže reprezentovať napríklad jednoduchú mapu súostrovia, kde more je znázornené modrou farbou a pevnina je znázornená žltou farbou. Úlohou môže byť zistiť počet ostrovov. Ten môžeme zistiť napríklad takto:
===Počítanie ostrovov===
 
Obrazec, s ktorým sme pracovali vyššie, môže reprezentovať napríklad jednoduchú mapu súostrovia, kde more je znázornené modrou farbou a pevnina je znázornená žltou farbou. Úlohou môže byť zistiť počet ostrovov. Ten môžeme zistiť napríklad takto:
 
 
* Prechádzame postupne všetky políčka mapy.
 
* Prechádzame postupne všetky políčka mapy.
 
* Ak narazíme na pevninu (t. j. žlté políčko), zvýšime doposiaľ nájdený počet ostrovov o 1 a ofarbíme celý ostrov (napríklad) na červeno.
 
* Ak narazíme na pevninu (t. j. žlté políčko), zvýšime doposiaľ nájdený počet ostrovov o 1 a ofarbíme celý ostrov (napríklad) na červeno.
Riadok 315: Riadok 358:
 
* Toto robíme, až kým prejdeme cez všetky políčka mapy.   
 
* Toto robíme, až kým prejdeme cez všetky políčka mapy.   
  
''Príklad'' mapy a jej zobrazenie pred začiatkom hľadania ostrovov, po nájdení prvých troch ostrovov a po nájdení všetkých ostrovov:
+
Príklad mapy a jej zobrazenie pred začiatkom hľadania ostrovov, po nájdení prvých troch ostrovov a po nájdení všetkých ostrovov:
 
<pre>
 
<pre>
 
11 17
 
11 17
Riadok 322: Riadok 365:
 
  1 1 1 3 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 3 1
 
  1 1 1 3 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 3 1
 
  1 1 3 3 1 1 1 1 1 3 3 1 3 3 3 3 1
 
  1 1 3 3 1 1 1 1 1 3 3 1 3 3 3 3 1
  1 1 1 3 3 1 1 1 1 3 1 1 3 3 3 3 1ostorvy.txt
+
  1 1 1 3 3 1 1 1 1 3 1 1 3 3 3 3 1
 
  1 3 3 3 3 1 3 3 1 3 3 1 3 3 3 3 1
 
  1 3 3 3 3 1 3 3 1 3 3 1 3 3 3 3 1
 
  1 1 3 3 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1
 
  1 1 3 3 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Riadok 374: Riadok 417:
 
</syntaxhighlight>
 
</syntaxhighlight>
  
* [[:Image:Animacia2.svg|Výsledná animácia]]
+
* [[:Media:Animacia2.svg|Výsledná animácia]]
  
''Cvičenie:'' upravte funkciu <tt>najdiOstrovy</tt> tak, aby ešte navyše zistila, či má niektorý z ostrovov jazero.
+
''Cvičenie:'' upravte program tak, aby ešte navyše zistil, či má niektorý z ostrovov jazero.
 +
 
 +
==Nerekurzívne vyfarbovanie==
  
 
===Vyfarbovanie s použitím zásobníka===
 
===Vyfarbovanie s použitím zásobníka===
  
S použitím niektorej implementácie zásobníka z [[Prednáška 17|minulej prednášky]] môžeme napísať aj nerekurzívnu verziu funkcie <tt>vyfarbi</tt>. Tá zakaždým vyberie zo zásobníka niektoré políčko. Ak ešte nebolo ofarbené, ofarbí ho a vloží na zásobník všetkých jeho susedov, ktorých je ešte potrebné ofarbiť.
+
S použitím niektorej implementácie zásobníka z [[Prednáška 17|minulej prednášky]] môžeme napísať aj nerekurzívnu verziu funkcie <tt>vyfarbi</tt>. Tá zakaždým vyberie zo zásobníka niektoré políčko, skontroluje všetkých jeho susedov a ak majú pôvodnú farbu, ofarbí ich a vloží ich na zásobník, aby sme ďalej skontrolovali aj ich susedov.  
  
Drobnou zmenou bude, že súradnice jednotlivých susedov budeme počítať s použitím cyklu <tt>for</tt> a polí <tt>deltaStlpec</tt> a <tt>deltaRiadok</tt>, ktoré pre <tt>i = 0,1,2,3</tt> obsahujú ''posuny'' jednotlivých súradníc <tt>i</tt>-teho suseda oproti práve spracúvanému políčku.
+
Súradnice jednotlivých susedov budeme počítať s použitím cyklu <tt>for</tt> a polí <tt>deltaStlpec</tt> a <tt>deltaRiadok</tt>, ktoré pre <tt>i = 0,1,2,3</tt> obsahujú ''posuny'' jednotlivých súradníc <tt>i</tt>-teho suseda oproti práve spracúvanému políčku (dalo by sa použiť aj v rekurzívnej verzii).
 
<syntaxhighlight lang="C++">
 
<syntaxhighlight lang="C++">
 
struct policko {
 
struct policko {
Riadok 391: Riadok 436:
  
  
/* Sem pride definicia struktury pre zasobnik a funkcii poskytovanych zasobnikom. */
+
/* Sem pride definicia struktury pre zasobnik  
 +
* a funkcii poskytovanych zasobnikom. */
  
  
Riadok 397: Riadok 443:
 
const int deltaStlpec[4] = {1, -1, 0, 0};
 
const int deltaStlpec[4] = {1, -1, 0, 0};
  
/* Prefarbi suvislu jednofarebnu oblast obsahujucu poziciu (riadok,stlpec) na farbu s cislom farba. */   
+
/* Prefarbi suvislu jednofarebnu oblast obsahujucu  
void vyfarbi(int **a, int m, int n, int riadok, int stlpec, int farba, SVGdraw &drawing) {
+
* poziciu (riadok,stlpec) na farbu s cislom farba. */   
 +
void vyfarbi(int **a, int m, int n,  
 +
            int riadok, int stlpec, int farba,
 +
            SVGdraw &drawing) {
 
     int staraFarba = a[riadok][stlpec];
 
     int staraFarba = a[riadok][stlpec];
 
     if (staraFarba == farba) {
 
     if (staraFarba == farba) {
 
         return;
 
         return;
 
     }
 
     }
      
+
     a[riadok][stlpec] = farba;
 +
    vykresliStvorcek(riadok, stlpec, farby[farba],
 +
    "lightgrey", drawing);
 
     stack s;
 
     stack s;
 
     init(s);
 
     init(s);
Riadok 414: Riadok 465:
 
     while (!isEmpty(s)) {
 
     while (!isEmpty(s)) {
 
         p = pop(s);
 
         p = pop(s);
        if (a[p.riadok][p.stlpec] == farba) {
 
            // uz sme medzitym policko prefarbili z ineho smeru
 
            continue;
 
        }
 
        a[p.riadok][p.stlpec] = farba;
 
        vykresliStvorcek(p.riadok, p.stlpec, farby[farba], "lightgrey", drawing);
 
        drawing.wait(pauza);
 
 
         for (int i = 0; i <= 3; i++) {
 
         for (int i = 0; i <= 3; i++) {
 
             policko sused;
 
             policko sused;
Riadok 428: Riadok 472:
 
                 && sused.stlpec >= 0 && sused.stlpec < n
 
                 && sused.stlpec >= 0 && sused.stlpec < n
 
                 && a[sused.riadok][sused.stlpec] == staraFarba) {
 
                 && a[sused.riadok][sused.stlpec] == staraFarba) {
 +
                a[sused.riadok][sused.stlpec] = farba;
 +
                vykresliStvorcek(p.riadok, p.stlpec, farby[farba],
 +
                                "lightgrey", drawing);
 +
                drawing.wait(pauza);
 
                 push(s, sused);     
 
                 push(s, sused);     
 
             }         
 
             }         
Riadok 436: Riadok 484:
 
</syntaxhighlight>
 
</syntaxhighlight>
  
* [[:Image:Animacia3.svg|Výsledná animácia]]
+
* [[:Media:Animacia3.svg|Výsledná animácia]]
 +
* Poradie sa trochu zmenilo oproti rekurzívnej verzii. Prečo?
  
 
===Vyfarbovanie s použitím radu===
 
===Vyfarbovanie s použitím radu===
  
Namiesto zásobníka môžeme použiť aj rad. Obrazec sa potom bude vyfarbovať v poradí podľa vzdialenosti od počiatočného políčka. Pôjde o takzvané ''prehľadávanie do šírky'', kým rekurzívna verzia a verzia so zásobníkom zodpovedajú takzvanému ''prehľadávaniu do hĺbky''.
+
Namiesto zásobníka môžeme použiť aj rad. Obrazec sa potom bude vyfarbovať v poradí podľa vzdialenosti od počiatočného políčka. Tento algoritmus sa volá ''prehľadávanie do šírky'', kým rekurzívna verzia zodpovedá ''prehľadávaniu do hĺbky''.
 +
 
 
<syntaxhighlight lang="C++">
 
<syntaxhighlight lang="C++">
 
struct policko {
 
struct policko {
Riadok 449: Riadok 499:
  
  
/* Sem pride definicia struktury pre rad a funkcii poskytovanych radom. */
+
/* Sem pride definicia struktury pre rad  
 +
* a funkcii poskytovanych radom. */
  
  
Riadok 457: Riadok 508:
 
/* Prefarbi suvislu jednofarebnu oblast obsahujucu
 
/* Prefarbi suvislu jednofarebnu oblast obsahujucu
 
  * poziciu (riadok,stlpec) na farbu s cislom farba. */   
 
  * poziciu (riadok,stlpec) na farbu s cislom farba. */   
void vyfarbi(int **a, int m, int n, int riadok, int stlpec, int farba,  
+
void vyfarbi(int **a, int m, int n,  
 +
            int riadok, int stlpec, int farba,  
 
             SVGdraw &drawing) {
 
             SVGdraw &drawing) {
 
     int staraFarba = a[riadok][stlpec];
 
     int staraFarba = a[riadok][stlpec];
Riadok 463: Riadok 515:
 
         return;
 
         return;
 
     }
 
     }
 +
    a[riadok][stlpec] = farba;
 +
    vykresliStvorcek(riadok, stlpec, farby[farba],
 +
                    "lightgrey", drawing);
 
      
 
      
 
     queue q;
 
     queue q;
Riadok 474: Riadok 529:
 
     while (!isEmpty(q)) {
 
     while (!isEmpty(q)) {
 
         p = dequeue(q);
 
         p = dequeue(q);
        if (a[p.riadok][p.stlpec] == farba) {
 
            continue;
 
        }
 
        a[p.riadok][p.stlpec] = farba;
 
        vykresliStvorcek(p.riadok, p.stlpec, farby[farba], "lightgrey", drawing);
 
        drawing.wait(pauza);
 
 
         for (int i = 0; i <= 3; i++) {
 
         for (int i = 0; i <= 3; i++) {
 
             policko sused;
 
             policko sused;
Riadok 487: Riadok 536:
 
                 && sused.stlpec >= 0 && sused.stlpec < n
 
                 && sused.stlpec >= 0 && sused.stlpec < n
 
                 && a[sused.riadok][sused.stlpec] == staraFarba) {
 
                 && a[sused.riadok][sused.stlpec] == staraFarba) {
 +
                a[sused.riadok][sused.stlpec] = farba;
 +
                vykresliStvorcek(sused.riadok, sused.stlpec, farby[farba],
 +
                                "lightgrey", drawing);
 +
                drawing.wait(pauza);
 
                 enqueue(q, sused);     
 
                 enqueue(q, sused);     
 
             }         
 
             }         
Riadok 495: Riadok 548:
 
</syntaxhighlight>
 
</syntaxhighlight>
  
* [[:Image:Animacia4.svg|Výsledná animácia]]
+
* [[:Media:Animacia4.svg|Výsledná animácia]]
  
 
Program potom môžeme upraviť aj tak, aby do každého ofarbeného políčka vypísal jeho vzdialenosť od počiatočného políčka:
 
Program potom môžeme upraviť aj tak, aby do každého ofarbeného políčka vypísal jeho vzdialenosť od počiatočného políčka:
Riadok 506: Riadok 559:
  
  
/* Sem pride definicia struktury pre rad a funkcii poskytovanych radom. */
+
/* Sem pride definicia struktury pre rad  
 
+
* a funkcii poskytovanych radom. */
  
void vypisVzdialenost(int i, int j, int vzd, const char *farbaTextu, SVGdraw &drawing) {
+
void vypisVzdialenost(policko p, SVGdraw &drawing) {
     drawing.setLineColor(farbaTextu);
+
     drawing.setLineColor("white");
 
     drawing.setFontSize(20);
 
     drawing.setFontSize(20);
 
     char text[15];
 
     char text[15];
     sprintf(text, "%d", vzd);
+
     sprintf(text, "%d", p.vzd);
     drawing.drawText((j + 0.5) * stvorcek, (i + 0.5) * stvorcek, text);
+
     drawing.drawText((p.stlpec + 0.5) * stvorcek,
 +
    (p.riadok + 0.5) * stvorcek, text);
 
}
 
}
  
Riadok 522: Riadok 576:
 
/* Prefarbi suvislu jednofarebnu oblast obsahujucu  
 
/* Prefarbi suvislu jednofarebnu oblast obsahujucu  
 
  * poziciu (riadok,stlpec) na farbu s cislom farba. */   
 
  * poziciu (riadok,stlpec) na farbu s cislom farba. */   
void vyfarbi(int **a, int m, int n, int riadok, int stlpec, int farba,  
+
void vyfarbi(int **a, int m, int n,  
 +
            int riadok, int stlpec, int farba,  
 
             SVGdraw &drawing) {
 
             SVGdraw &drawing) {
 
     int staraFarba = a[riadok][stlpec];
 
     int staraFarba = a[riadok][stlpec];
Riadok 537: Riadok 592:
 
     p.vzd = 0;
 
     p.vzd = 0;
 
     enqueue(q, p);
 
     enqueue(q, p);
 +
    a[riadok][stlpec] = farba;
 +
    vykresliStvorcek(riadok, stlpec, farby[farba],
 +
                    "lightgrey", drawing);
 +
    vypisVzdialenost(p, drawing);
 
      
 
      
 
     while (!isEmpty(q)) {
 
     while (!isEmpty(q)) {
 
         p = dequeue(q);
 
         p = dequeue(q);
        if (a[p.riadok][p.stlpec] == farba) {
 
            continue;
 
        }
 
        a[p.riadok][p.stlpec] = farba;
 
        vykresliStvorcek(p.riadok, p.stlpec, farby[farba], "lightgrey", drawing);
 
        vypisVzdialenost(p.riadok, p.stlpec, p.vzd, "white", drawing);
 
        drawing.wait(pauza);
 
 
         for (int i = 0; i <= 3; i++) {
 
         for (int i = 0; i <= 3; i++) {
 
             policko sused;
 
             policko sused;
Riadok 554: Riadok 606:
 
                 && sused.stlpec >= 0 && sused.stlpec < n
 
                 && sused.stlpec >= 0 && sused.stlpec < n
 
                 && a[sused.riadok][sused.stlpec] == staraFarba) {
 
                 && a[sused.riadok][sused.stlpec] == staraFarba) {
                sused.vzd = p.vzd + 1;
+
        sused.vzd = p.vzd + 1;
 +
                a[sused.riadok][sused.stlpec] = farba;
 +
                vykresliStvorcek(sused.riadok, sused.stlpec, farby[farba],
 +
                                "lightgrey", drawing);
 +
                vypisVzdialenost(sused, drawing);
 +
                drawing.wait(pauza);
 
                 enqueue(q, sused);     
 
                 enqueue(q, sused);     
 
             }         
 
             }         
Riadok 563: Riadok 620:
 
</syntaxhighlight>
 
</syntaxhighlight>
  
* [[:Image:Animacia5.svg|Výsledná animácia]]
+
* [[:Media:Animacia5.svg|Výsledná animácia]]
 +
 
 +
==Zhrnutie==
 +
* Vyfarbovanie súvislých oblastí v matici sa dá využiť v počítačovej grafike ale na iné úlohy, napríklad počítanie ostrovov na mape.
 +
* Dá sa jednoducho napísať rekurzívne.
 +
* Rekurziu vieme odstrániť použitím zásobníka alebo radu na ukladanie políčok, ktoré ešte treba spracovať.
 +
* Pri využití radu vieme spočítať aj vzdialenosť od počiatočného bodu
 +
* Budúci semester uvidíte na Programovaní (2) prehľadávanie grafov, ktoré funguje veľmi podobne, ale je trochu všeobecnejšie.

Aktuálna revízia z 09:13, 27. november 2024

Oznamy

Budúci utorok bude na cvičeniach rozcvička na papieri.

  • Bude pokrývať učivo po prednášku 17.
  • Dôležitý tréning na semestrálny test.

Blíži sa semestrálny test.

Od pondelka 2.12. 19:00 sa môžete hlásiť na termín skúšky pri počítači.

  • Ak vidíte konflikt niektorého termínu s hromadnou skúškou alebo písomkou z iného predmetu, dajte nám vedieť čím skôr.
  • Kapacita termínov bude obmedzená, prihláste sa teda radšej skôr, neskôr to môžete zmeniť.
  • Prihlásiť a odhlásiť sa dá najviac deň vopred.
  • Skúšku 20.12. môžete robiť iba ak spravíte test 11.12. aspoň na 50% bodov.
  • Decembrový termín odporúčame hlavne študentom, ktorým programovanie nerobí problémy.
  • Viac informácií o skúške na prednáške v stredu 11.12.

Opakovanie: zásobník a rad

  • Zásobník (angl. stack) a rad alebo front (angl. queue) sú abstraktné dátové typy, ktoré udržiavajú postupnosť nejakých prvkov.
  • Obidva typy podporujú vloženie prvku a výber prvky
  • Zo zásobníka sa vyberá prvok, ktorý v ňom pobudol najkratšie, z radu prvok, ktorý v ňom bol najdlhšie
  • Zásobník tak pripomína stĺpec čistých tanierov v reštaurácii, rad pripomína rad pri pokladni

Konkrétne funkcie hlavičky funkcií

void init(stack &s);
bool isEmpty(stack &s);
void push(stack &s, dataType item); // vlozenie prvku
dataType pop(stack &s);    // vyber prvku
dataType peek(stack &s);
void destroy(stack &s);

void init(queue &q);
bool isEmpty(queue &q);
void enqueue(queue &q, dataType item); // vlozenie prvku
dataType dequeue(queue &q);  // vyber prvku
dataType peek(queue &q);
void destroy(queue &q);
  • Pre obidva typy sme videli implementáciu v poli aj v spájanom zozname
  • Hlavné funkcie vkladania a vyberania sú v obidvoch implementáciách rýchle a jednoduché

Videli sme tiež, že obidve štruktúry sa dajú použiť na ukladanie dát alebo úloh, ktoré ešte treba vyriešiť

  • Dnes uvidíme ďalšie príklady


Použitie zásobníka a radu: nerekurzívny Quick Sort

Pripomeňme si triedenie Quick Sort z 11. prednášky:

void swap (int &x, int &y) {
    int tmp = x;
    x = y;
    y = tmp;
}

int partition(int a[], int left, int right) {
    int pivot = a[left];     
    int lastSmaller = left;
    
    for (int unknown = left + 1; unknown <= right; unknown++) {
        if (a[unknown] < pivot) {
            lastSmaller++;
            swap(a[unknown], a[lastSmaller]);
        }
    }   
    swap(a[left],a[lastSmaller]); 
    return lastSmaller;
}

void quicksort(int a[], int left, int right) {
    if (left >= right) {
        return; 
    }
    
    int middle = partition(a, left, right);
        
    quicksort(a, left, middle-1);  
    quicksort(a, middle+1, right);   
}

int main() {
  // ...
  quicksort(a, 0, N-1);
  // ...
}

Namiesto rekurzie môžeme použiť aj zásobník úsekov, ktoré ešte treba dotriediť.

struct usek {
    int left;
    int right;
};

typedef usek dataType;

/* Sem pride definicia struktury stack a vsetkych potrebnych funkcii. */

/* Sem pridu funkcie swap a partition rovnake ako vyssie. */

void quicksort(int a[], int n) {
    stack s;
    init(s);
    
    usek u;
    u.left = 0;
    u.right = n-1;
    push(s,u);
    
    while (!isEmpty(s)) {
        u = pop(s);
        // vynechame useky dlzky 0 a 1
        if (u.left >= u.right) {
            continue;
        }
        
        int middle = partition(a, u.left, u.right);
        
        usek u1;
        u1.left = u.left;
        u1.right = middle - 1;
        usek u2;
        u2.left = middle + 1;
        u2.right = u.right;
        push(s,u2);
        push(s,u1);
    }
    
    destroy(s);
}

int main() {
  // ...
  quicksort(a, N);
  // ...
}
  • Tento program triedi úseky v rovnakom poradí, ako rekurzívny Quick Sort, lebo po rozdelení poľa na dve časti dá na vrch zásobníka úsek zodpovedajúci jeho ľavej časti. Až keď sa táto ľavá časť a všetky podúlohy, ktoré z nej vzniknú, spracuje, dôjde na spracovanie pravej časti poľa.
  • Pri triedení Quick Sort však na tomto poradí nezáleží, takže by sme mohli jednotlivé úseky vkladať na zásobník aj v opačnom poradí.
  • Alebo by sme namiesto zásobníka mohli použiť rad. Potom by najskôr rozdelil ľavú aj pravú časť na ďalšie podčasti a potom by delil každú z týchto podčastí atď.

Na zamyslenie: ako by mohla vyzerať nerekurzívna verzia triedenia Merge Sort? Prečo sa nedá použiť rovnaký prístup ako pri triedení Quick Sort?

Vyfarbovanie súvislých oblastí

  • Uvažujme obrázok pozostávajúci z m krát n štvorčekov (pixelov).
  • Farbu každého pixelu zapíšeme do jedného políčka dvojrozmerného poľa s m riadkami a n stĺpcami.
  • V našom jednoduchom príklade budeme pracovať iba s piatimi farbami, ktoré budeme reprezentovať číslami 0,...,4 podľa nasledujúceho poľa (napríklad číslo 0 teda reprezentuje bielu farbu):
const char *farby[5] = {"white", "blue", "black", "yellow", "red"};

Napríklad obrázok

Matica1.png

tak môže byť reprezentovaný nasledujúcim textovým súborom obsahujúcim najprv rozmery matice (čísla m a n) a za nimi samotné prvky matice:

11 17
 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0
 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0
 0 0 0 1 0 0 0 0 0 2 2 1 2 2 2 2 0
 0 0 0 1 0 0 0 0 0 2 0 1 0 0 0 2 0
 0 2 2 2 2 2 2 2 0 2 2 1 2 2 2 2 0
 0 2 0 1 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 0 0
 0 2 0 1 0 0 0 2 0 0 0 1 0 1 1 1 1
 0 2 0 1 1 1 1 2 1 1 1 1 0 1 0 0 1
 0 2 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 1 1 1 1
 0 2 2 2 2 2 2 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Zameriame sa teraz na nasledujúci problém: používateľ zvolí (zadá na konzolu) súradnice niektorého štvorčeka a cieľom je ofarbiť nejakou farbou (napríklad červenou) celú súvislú oblasť rovnakej farby obsahujúcu daný štvorček. Napríklad pre obrazec vyššie a vstupné súradnice (2,1) (teda štvorček v treťom riadku a druhom stĺpci, keďže matica sa bude indexovať od nuly) by mal byť výstupom nasledujúci obrazec:

Matica2.png

Podobný problém je napríklad často potrebné riešiť v rôznych nástrojoch na prácu s grafikou a podobne.

  • Jednoduché útvary, napr. obdĺžnik, by sa dali vyfarbiť jednoduchými cyklami, naša súvislá oblasť ale môže mať veľmi zložitý tvar, s mnohými zákrutami, vetveniami a dierami a podobne.
  • Pre každé políčko, ktoré prefarbíme, nesmieme zabudnúť skontrolovať všetkých jeho susedov a ak majú rovnakú farbu ako malo pôvodné políčko, tak prefarbiť aj ich, ich susedov, susedov ich susedov atď.
  • Toto vieme ľahko zapísať rekurzívne: zafarbíme jedno políčko a potom rekurzívne zafarbujeme celú dosiahnuteľnú oblasť pre každého suseda rovnakej farby, akú malo pôvodne prefarbené políčko.
  • Táto podúloha je menšia, lebo aspoň jedno políčko z nej ubudlo prvým prefarbením.

Vyfarbovanie pomocou rekurzívnej funkcie

Nasledujúca rekurzívna funkcia vyfarbi prefarbí políčko so súradnicami (riadok, stlpec) na cieľovú farbu farba a následne sa rekurzívne zavolá pre všetkých susedov tohto políčka, ktoré sú zafarbené pôvodnou farbou prefarbovanej oblasti.

/* Prefarbi súvislú jednofarebnú oblasť obsahujúcu 
 * pozíciu (riadok,stlpec) na farbu s číslom farba. */
void vyfarbi(int **a, int m, int n, 
             int riadok, int stlpec, int farba) {
    int staraFarba = a[riadok][stlpec];
    if (staraFarba == farba) {
        return;
    }
    a[riadok][stlpec] = farba;
    if (riadok - 1 >= 0 
        && a[riadok - 1][stlpec] == staraFarba) {
        vyfarbi(a, m, n, riadok - 1, stlpec, farba);
    }
    if (riadok + 1 < m 
        && a[riadok + 1][stlpec] == staraFarba) {
        vyfarbi(a, m, n, riadok + 1, stlpec, farba);
    }
    if (stlpec - 1 >= 0 
        && a[riadok][stlpec - 1] == staraFarba) {
        vyfarbi(a, m, n, riadok, stlpec - 1, farba);
    }
    if (stlpec + 1 < n 
        && a[riadok][stlpec + 1] == staraFarba) {
        vyfarbi(a, m, n, riadok, stlpec + 1, farba);
    }
}

Proces vyfarbovania môžeme animovať pomocou našej knižnice SVGdraw

V animácii okrem zmeny farby štvorčeka meníme aj farbu jeho rámčeka: pri zavolaní rekurzie sa zmení na hnedú a po skončení spracovania štvorčeka aj jeho susedov sa zmení na sivú. Hnedé sú teda vždy rámčeky štvorčekov uložené na zásobníku volaní.

Program s animáciou

  • Program na vyfarbovanie súvislých oblastí obsahuje funkcie na inicializáciu matice, jej načítanie zo súboru, vykresľovanie jednotlivých štvorčekov a celej matice, ako aj uvoľnenie pamäte. Všetky tieto funkcie pracujú podobne ako pri príklade s výškovou mapou z prednášky 13.
  • Funkcia main načíta maticu zo súboru vstup.txt a animáciu uloží do súboru matica.svg.
  • Do rekurzívnej funkcie pridáme volania funkcie vykresliStvorcek, ktoré aktuálny štvorček v obrázku prekreslia novou farbou a menia aj farbu rámčeka. Za ňou vždy zavoláme funkciu drawing.wait, ktorá animáciu pozdrží, aby sme zmeny stihli na obrázku sledovať.
#include "SVGdraw.h"
#include <cstdio>
#include <cassert>

const char *farby[5] = {"white", "blue", "black", "yellow", "red"}; 

const int stvorcek = 40;    // velkost stvorceka v pixeloch
const int hrubkaCiary = 2;  // hrubka ciary v pixeloch
const double pauza = 0.3;   // pauza po kazdom kroku vyfarbovania v sekundach

/* Vytvori maticu s n riadkami a m stlpcami. */
int **vytvorMaticu(int m, int n) {
    int **a;
    a = new int *[m];
    for (int i = 0; i < m; i++) {
        a[i] = new int[n];
    }
    return a;
}

/* Uvolni pamat matice a s n riadkami a m stlpcami. */
void zmazMaticu(int **a, int m) {
    for (int i = 0; i < m; i++) {
        delete[] a[i];
    }
    delete[] a;
}

/* Vykresli stvorcek v riadku i a stlpci j 
   s farbou vyplne farba a farbou ciary farbaCiary. */
void vykresliStvorcek(int i, int j, 
                      const char * farba, 
                      const char * farbaCiary, 
                      SVGdraw &drawing) {
    drawing.setLineColor(farbaCiary);
    drawing.setLineWidth(hrubkaCiary);
    drawing.setFillColor(farba);
    drawing.drawRectangle(j * stvorcek, i * stvorcek, 
                          stvorcek, stvorcek);
}

/* Vykresli maticu a s n riadkami a m stlpcami. */
void vykresliMaticu(int **a, int m, int n, SVGdraw &drawing) {
    for (int i = 0; i < m; i++) {
        for (int j = 0; j < n; j++) {
            vykresliStvorcek(i, j, farby[a[i][j]], "lightgray", drawing);
        }
    }
}

/* Nacita z textoveho suboru, na ktory ukazuje fr, 
   prvky matice a s n riadkami a m stlpcami. */
void nacitajMaticu(FILE *fr, int **a, int m, int n) {
    assert(fr != NULL);
    for (int i = 0; i < m; i++) {
        for (int j = 0; j < n; j++) {
            fscanf(fr, "%d", &a[i][j]);
        }
    }
}

/* Prefarbi suvislu jednofarebnu oblast obsahujucu 
 * poziciu (riadok,stlpec) na farbu s cislom farba. */
void vyfarbi(int **a, int m, int n, 
             int riadok, int stlpec, int farba,
             SVGdraw &drawing) {
    int staraFarba = a[riadok][stlpec];
    if (staraFarba == farba) {
        return;
    }
    a[riadok][stlpec] = farba;
    vykresliStvorcek(riadok, stlpec, farby[farba], 
                     "brown", drawing);
    drawing.wait(pauza);
    if (riadok - 1 >= 0 && a[riadok - 1][stlpec] == staraFarba) {
        vyfarbi(a, m, n, riadok - 1, stlpec, farba, drawing);
    }
    if (riadok + 1 < m && a[riadok + 1][stlpec] == staraFarba) {
        vyfarbi(a, m, n, riadok + 1, stlpec, farba, drawing);
    }
    if (stlpec - 1 >= 0 && a[riadok][stlpec - 1] == staraFarba) {
        vyfarbi(a, m, n, riadok, stlpec - 1, farba, drawing);
    }
    if (stlpec + 1 < n && a[riadok][stlpec + 1] == staraFarba) {
        vyfarbi(a, m, n, riadok, stlpec + 1, farba, drawing);
    }
    vykresliStvorcek(riadok, stlpec, farby[farba], 
                     "lightgray", drawing);
    drawing.wait(pauza);
} 

int main() {
    FILE *fr = fopen("vstup.txt", "r");
    assert(fr != NULL);

    // nacitanie rozmerov matice
    int m, n;
    fscanf(fr, "%d %d", &m, &n);  
    // vytvorenie matice a nacitanie jej prvkov  
    int **a = vytvorMaticu(m, n);
    nacitajMaticu(fr, a, m, n);         
    fclose(fr);
        
    SVGdraw drawing(n * stvorcek, m * stvorcek, "matica.svg");
    vykresliMaticu(a, m, n, drawing);

    // nacitanie suradnic pociatocneho stvorceka 
    int riadok, stlpec;
    scanf("%d", &riadok);
    scanf("%d", &stlpec);

    vyfarbi(a, m, n, riadok, stlpec, 4, drawing);

    drawing.finish();
    zmazMaticu(a, m);
}

Počítanie ostrovov

Obrázok, s ktorým sme pracovali vyššie, môže reprezentovať napríklad jednoduchú mapu súostrovia, kde more je znázornené modrou farbou a pevnina je znázornená žltou farbou. Úlohou môže byť zistiť počet ostrovov. Ten môžeme zistiť napríklad takto:

  • Prechádzame postupne všetky políčka mapy.
  • Ak narazíme na pevninu (t. j. žlté políčko), zvýšime doposiaľ nájdený počet ostrovov o 1 a ofarbíme celý ostrov (napríklad) na červeno.
  • Ak narazíme na ďalšie žlté políčko, opäť urobíme to isté.
  • Toto robíme, až kým prejdeme cez všetky políčka mapy.

Príklad mapy a jej zobrazenie pred začiatkom hľadania ostrovov, po nájdení prvých troch ostrovov a po nájdení všetkých ostrovov:

11 17
 1 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
 1 1 1 3 3 3 3 1 1 3 1 1 1 1 3 3 1
 1 1 1 3 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 3 1
 1 1 3 3 1 1 1 1 1 3 3 1 3 3 3 3 1
 1 1 1 3 3 1 1 1 1 3 1 1 3 3 3 3 1
 1 3 3 3 3 1 3 3 1 3 3 1 3 3 3 3 1
 1 1 3 3 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1
 1 1 1 1 1 1 1 3 3 3 1 1 3 3 3 1 1
 1 1 1 1 1 1 1 3 3 3 1 1 3 1 3 1 1
 1 1 3 3 3 3 1 3 1 1 1 1 3 3 3 1 1
 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Do programu vyššie teda dorobíme funkciu

int najdiOstrovy(int **a, int m, int n, SVGdraw &drawing) {
    int ostrovov = 0;
    for (int i = 0; i < m; i++) {
        for (int j = 0; j < n; j++) {
            if (a[i][j] == 3) {
                ostrovov++;
                vyfarbi(a, m, n, i, j, 4, drawing);
            }
        }
    }
    return ostrovov;
}

a funkciu main môžeme zmeniť napríklad takto:

int main() {
    FILE *fr = fopen("ostrovy.txt", "r");
    assert(fr != NULL);
    int m, n;
    fscanf(fr, "%d %d", &m, &n);
    int **a = vytvorMaticu(m, n);
    nacitajMaticu(fr, a, m, n);
    fclose(fr);
        
    SVGdraw drawing(n * stvorcek, m * stvorcek, "mapa.svg");
    vykresliMaticu(a, m, n, drawing);

    int pocetOstrovov = najdiOstrovy(a, m, n, drawing);
    printf("Pocet ostrovov je %d.\n", pocetOstrovov);

    drawing.finish();
    zmazMaticu(a, m);
}

Cvičenie: upravte program tak, aby ešte navyše zistil, či má niektorý z ostrovov jazero.

Nerekurzívne vyfarbovanie

Vyfarbovanie s použitím zásobníka

S použitím niektorej implementácie zásobníka z minulej prednášky môžeme napísať aj nerekurzívnu verziu funkcie vyfarbi. Tá zakaždým vyberie zo zásobníka niektoré políčko, skontroluje všetkých jeho susedov a ak majú pôvodnú farbu, ofarbí ich a vloží ich na zásobník, aby sme ďalej skontrolovali aj ich susedov.

Súradnice jednotlivých susedov budeme počítať s použitím cyklu for a polí deltaStlpec a deltaRiadok, ktoré pre i = 0,1,2,3 obsahujú posuny jednotlivých súradníc i-teho suseda oproti práve spracúvanému políčku (dalo by sa použiť aj v rekurzívnej verzii).

struct policko {
    int riadok, stlpec;
};

typedef policko dataType;


/* Sem pride definicia struktury pre zasobnik 
 * a funkcii poskytovanych zasobnikom. */


const int deltaRiadok[4] = {0, 0, 1, -1};
const int deltaStlpec[4] = {1, -1, 0, 0};

/* Prefarbi suvislu jednofarebnu oblast obsahujucu 
 * poziciu (riadok,stlpec) na farbu s cislom farba. */  
void vyfarbi(int **a, int m, int n, 
             int riadok, int stlpec, int farba,
             SVGdraw &drawing) {
    int staraFarba = a[riadok][stlpec];
    if (staraFarba == farba) {
        return;
    }
    a[riadok][stlpec] = farba;
    vykresliStvorcek(riadok, stlpec, farby[farba], 
		     "lightgrey", drawing);
    stack s;
    init(s);
    
    policko p;
    p.riadok = riadok;
    p.stlpec = stlpec;
    push(s, p);
    
    while (!isEmpty(s)) {
        p = pop(s);
        for (int i = 0; i <= 3; i++) {
            policko sused;
            sused.riadok = p.riadok + deltaRiadok[i];
            sused.stlpec = p.stlpec + deltaStlpec[i];
            if (sused.riadok >= 0 && sused.riadok < m
                && sused.stlpec >= 0 && sused.stlpec < n
                && a[sused.riadok][sused.stlpec] == staraFarba) {
                a[sused.riadok][sused.stlpec] = farba;
                vykresliStvorcek(p.riadok, p.stlpec, farby[farba], 
                                "lightgrey", drawing);
                drawing.wait(pauza);
                push(s, sused);    
            }        
        }
    }
    destroy(s);
}

Vyfarbovanie s použitím radu

Namiesto zásobníka môžeme použiť aj rad. Obrazec sa potom bude vyfarbovať v poradí podľa vzdialenosti od počiatočného políčka. Tento algoritmus sa volá prehľadávanie do šírky, kým rekurzívna verzia zodpovedá prehľadávaniu do hĺbky.

struct policko {
    int riadok, stlpec;
};

typedef policko dataType;


/* Sem pride definicia struktury pre rad 
 * a funkcii poskytovanych radom. */


const int deltaRiadok[4] = {0, 0, 1, -1};
const int deltaStlpec[4] = {1, -1, 0, 0};

/* Prefarbi suvislu jednofarebnu oblast obsahujucu
 * poziciu (riadok,stlpec) na farbu s cislom farba. */  
void vyfarbi(int **a, int m, int n, 
             int riadok, int stlpec, int farba, 
             SVGdraw &drawing) {
    int staraFarba = a[riadok][stlpec];
    if (staraFarba == farba) {
        return;
    }
    a[riadok][stlpec] = farba;
    vykresliStvorcek(riadok, stlpec, farby[farba],
                     "lightgrey", drawing);
    
    queue q;
    init(q);
    
    policko p;
    p.riadok = riadok;
    p.stlpec = stlpec;
    enqueue(q, p);
    
    while (!isEmpty(q)) {
        p = dequeue(q);
        for (int i = 0; i <= 3; i++) {
            policko sused;
            sused.riadok = p.riadok + deltaRiadok[i];
            sused.stlpec = p.stlpec + deltaStlpec[i];
            if (sused.riadok >= 0 && sused.riadok < m
                && sused.stlpec >= 0 && sused.stlpec < n
                && a[sused.riadok][sused.stlpec] == staraFarba) {
                a[sused.riadok][sused.stlpec] = farba;
                vykresliStvorcek(sused.riadok, sused.stlpec, farby[farba],
                                 "lightgrey", drawing);
                drawing.wait(pauza);
                enqueue(q, sused);    
            }        
        }
    }
    destroy(q);
}

Program potom môžeme upraviť aj tak, aby do každého ofarbeného políčka vypísal jeho vzdialenosť od počiatočného políčka:

struct policko {
    int riadok, stlpec, vzd;
};

typedef policko dataType;


/* Sem pride definicia struktury pre rad 
 * a funkcii poskytovanych radom. */

void vypisVzdialenost(policko p, SVGdraw &drawing) {
    drawing.setLineColor("white");
    drawing.setFontSize(20);
    char text[15];
    sprintf(text, "%d", p.vzd);
    drawing.drawText((p.stlpec + 0.5) * stvorcek,
		     (p.riadok + 0.5) * stvorcek, text);
}

const int deltaRiadok[4] = {0, 0, 1, -1};
const int deltaStlpec[4] = {1, -1, 0, 0};

/* Prefarbi suvislu jednofarebnu oblast obsahujucu 
 * poziciu (riadok,stlpec) na farbu s cislom farba. */  
void vyfarbi(int **a, int m, int n, 
             int riadok, int stlpec, int farba, 
             SVGdraw &drawing) {
    int staraFarba = a[riadok][stlpec];
    if (staraFarba == farba) {
        return;
    }
    
    queue q;
    init(q);
    
    policko p;
    p.riadok = riadok;
    p.stlpec = stlpec;
    p.vzd = 0;
    enqueue(q, p);
    a[riadok][stlpec] = farba;
    vykresliStvorcek(riadok, stlpec, farby[farba],
                     "lightgrey", drawing);
    vypisVzdialenost(p, drawing);
    
    while (!isEmpty(q)) {
        p = dequeue(q);
        for (int i = 0; i <= 3; i++) {
            policko sused;
            sused.riadok = p.riadok + deltaRiadok[i];
            sused.stlpec = p.stlpec + deltaStlpec[i];
            if (sused.riadok >= 0 && sused.riadok < m
                && sused.stlpec >= 0 && sused.stlpec < n
                && a[sused.riadok][sused.stlpec] == staraFarba) {
	        sused.vzd = p.vzd + 1;
                a[sused.riadok][sused.stlpec] = farba;
                vykresliStvorcek(sused.riadok, sused.stlpec, farby[farba],
                                 "lightgrey", drawing);
                vypisVzdialenost(sused, drawing);
                drawing.wait(pauza);
                enqueue(q, sused);    
            }        
        }
    }
    destroy(q);
}

Zhrnutie

  • Vyfarbovanie súvislých oblastí v matici sa dá využiť v počítačovej grafike ale na iné úlohy, napríklad počítanie ostrovov na mape.
  • Dá sa jednoducho napísať rekurzívne.
  • Rekurziu vieme odstrániť použitím zásobníka alebo radu na ukladanie políčok, ktoré ešte treba spracovať.
  • Pri využití radu vieme spočítať aj vzdialenosť od počiatočného bodu
  • Budúci semester uvidíte na Programovaní (2) prehľadávanie grafov, ktoré funguje veľmi podobne, ale je trochu všeobecnejšie.