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ヘキサブログ
プログラム
32とか16とかその6
こんにちは。
シュンスケです
前回、どれがキレイ(元画像に近い)なのかをプログラムで判断できれば、
数あるパターンから最適なものが見つけられるのではといった話がありました
そこで、今回のアプローチは、GA
ガーディアンエンジェルではありません。
ギャラクシーエンジェルでもありません。
Genetic Algorithmつまり、「遺伝的アルゴリズム」です
大まかに説明すると、とある解を求めるにあたって、生物の進化のように、
解候補たちを組み替えながら、正解に近いものは残して、遠いものを淘汰し、
時には突然変異を起こすといった感じで、多くのパターンからより良いものを
導き出す処理方法です
と、ここまで来て気付く方も多いと思いますが、正解に近いかどうか、それが今回でいうと、
元画像に近いかどうかということです。
その比較方法でお手軽なのがPSNR値を使うものなようなので、今回はそうします。
(ただし、人間の目を相手にするとなると、問題は多いようです)
そして今回、果敢にも全ピクセルの全チャンネルに関して、組み換え対象として
実装しました。
つまり、膨大なパターンがあるということです
さて、以下実装です。
using System; using System.Drawing; using System.Drawing.Imaging; using System.Windows.Forms; using System.IO; using System.Runtime.InteropServices; namespace Pic32bitTo16bitGA { class Program : Form { struct Gene { public static void cross(ref Gene a, ref Gene b) { if( a.buf == null || b.buf == null ) return; // 2点交叉 var r = new Random(); var index1 = r.Next(0, (a.buf.Length - 1) / PIXEL_BYTES); var index2 = r.Next((index1 + 1) / PIXEL_BYTES, b.buf.Length / PIXEL_BYTES); for( int i = index1; i < index2; ++i ) { var tmp0 = a.buf[i + 0]; var tmp1 = a.buf[i + 1]; var tmp2 = a.buf[i + 2]; var tmp3 = a.buf[i + 3]; a.buf[i + 0] = b.buf[i + 0]; a.buf[i + 1] = b.buf[i + 1]; a.buf[i + 2] = b.buf[i + 2]; a.buf[i + 3] = b.buf[i + 3]; b.buf[i + 0] = tmp0; b.buf[i + 1] = tmp1; b.buf[i + 2] = tmp2; b.buf[i + 3] = tmp3; } } // コンストラクタ public Gene(int w, int h) { buf = new byte[w * h * PIXEL_BYTES]; psnr = -1; } // ランダムで埋める public void fillRand() { // ランダムで色を埋める var r = new Random(); r.NextBytes(buf); } // PSNRを算出して保持 public void calcPSNR(byte[] org) { psnr = -1; if( org == null || buf == null || org.Length != buf.Length || org.Length == 0 ) return; // MSE算出 ulong mse = 0; for( int i = 0; i < org.Length; ++i ) { long d = (buf[i] - org[i]); mse += (ulong)(d * d); } mse /= (ulong)org.Length; if( mse <= 0 ) return; // PSNR算出 psnr = (10 * Math.Log10((double)(255 * 255) / (double)mse)); } // 突然変異 public void mutation() { if( buf == null ) return; var r = new Random(); var index = r.Next(0, buf.Length / PIXEL_BYTES); buf[index + 0] = (byte)r.Next(0, 256); buf[index + 1] = (byte)r.Next(0, 256); buf[index + 2] = (byte)r.Next(0, 256); buf[index + 3] = (byte)r.Next(0, 256); } // 値を設定 public void set(Gene g) { if( g.buf == null ) return; if( buf == null || buf.Length != g.buf.Length ) { buf = new byte[g.buf.Length]; } Array.Copy(g.buf, buf, buf.Length); psnr = g.psnr; } public byte[] buf; public double psnr; } private const int PIXEL_BYTES = 4; //!< 1ピクセルあたりのバイト数 // エントリポイント static void Main(string[] args) { // 入力受付 Console.WriteLine("please input picture path..."); var srcPath = Console.ReadLine(); // ファイル存在確認 if( !File.Exists(srcPath) ) { Console.WriteLine("file not exists."); return; } // 画像読み込み byte[] buf = null; int width = 0; int height = 0; using( var img = Image.FromFile(srcPath, true) as Bitmap ) { if( img == null ) { Console.WriteLine("file type is not support."); return; } // メモリに保持 var dat = img.LockBits(new Rectangle(Point.Empty, img.Size), ImageLockMode.ReadOnly, PixelFormat.Format32bppArgb); width = img.Width; height = img.Height; buf = new byte[width * height * PIXEL_BYTES]; Marshal.Copy(dat.Scan0, buf, 0, buf.Length); // 解放 img.UnlockBits(dat); } if( buf == null ) { Console.WriteLine("buf load failed."); return; } // フォーム開始 Application.Run(new Program(ref buf, width, height)); } // コンストラクタ public Program(ref byte[] buf, int w, int h) { if( buf == null ) return; _org = buf; _buf = new byte[buf.Length]; _img = new Bitmap(w, h); // 第1世代生成 for( int i = 0; i < _curGen.Length; ++i ) { _curGen[i] = new Gene(w, h); _curGen[i].fillRand(); } // フォームのサイズ設定 ClientSize = new Size(w, h * 2); // フォント作成 _font = new Font(Font.Name, 10); _fontBrush = new SolidBrush(ForeColor); // 描画更新開始 _sec = 0; _refreshTimer.Interval = 1000; _refreshTimer.Tick += new EventHandler(refresh); _refreshTimer.Start(); // 処理更新開始 _updateTimer.Interval = 1; _updateTimer.Tick += new EventHandler(update); _updateTimer.Start(); } // 描画時処理 protected override void OnPaint(PaintEventArgs e) { base.OnPaint(e); if( _img == null ) return; // 元画像描画 if( _org != null ) { var newDat = _img.LockBits(new Rectangle(Point.Empty, _img.Size), ImageLockMode.WriteOnly, PixelFormat.Format32bppArgb); Marshal.Copy(_org, 0, newDat.Scan0, _org.Length); _img.UnlockBits(newDat); e.Graphics.DrawImage(_img, 0, 0); } // 生成画像描画 if( _buf != null ) { var newDat = _img.LockBits(new Rectangle(Point.Empty, _img.Size), ImageLockMode.WriteOnly, PixelFormat.Format32bppArgb); Marshal.Copy(_buf, 0, newDat.Scan0, _buf.Length); _img.UnlockBits(newDat); e.Graphics.DrawImage(_img, 0, _img.Size.Height); } // フレーム数表示 e.Graphics.DrawString("sec : " + _sec, _font, _fontBrush, 0, 0); // 世代数表示 e.Graphics.DrawString("gen : " + _genCnt, _font, _fontBrush, 100, 0); } // 描画更新 private void refresh(object sender, EventArgs e) { // 保持したトップを描画バッファに設定 if( _topGen.buf != null ) { Array.Copy(_topGen.buf, _buf, _buf.Length); } // 画面をリフレッシュ ++_sec; Invalidate(); } // 処理更新 private void update(object sender, EventArgs e) { // 評価値算出 for( int i = 0; i < _curGen.Length; ++i ) { _curGen[i].calcPSNR(_org); } // 評価値でソート Array.Sort(_curGen, (a, b) => { if( a.psnr == b.psnr ) return 0; return (b.psnr > a.psnr) ? 1 : -1; }); // 1位を保持 _topGen.set(_curGen[0]); // 上位いくつかはそのまま残す var newIndex = 0; for( int i = 0; i < 2; ++newIndex, ++i ) { _nextGen[newIndex].set(_curGen[i]); } while( newIndex < _nextGen.Length ) { // 交叉対象1を選出(上位が選ばれやすいように) _cross1Buf.set(_curGen[0]); for( int i = 1; i < _curGen.Length; ++i ) { var rate = _selectRnd.Next(0, 100); if( rate < 10 ) { _cross1Buf.set(_curGen[i]); break; } } // 交叉対象2を選出(上位が選ばれやすいように) _cross2Buf.set(_curGen[1]); for( int i = 2; i < _curGen.Length; ++i ) { var rate = _selectRnd.Next(0, 100); if( rate < 10 ) { _cross2Buf.set(_curGen[i]); break; } } // 交叉 Gene.cross(ref _cross1Buf, ref _cross2Buf); _nextGen[newIndex].set(_cross1Buf); ++newIndex; if( _nextGen.Length <= newIndex ) break; _nextGen[newIndex].set(_cross2Buf); ++newIndex; if( _nextGen.Length <= newIndex ) break; // 突然変異対象を選出 var mutIndex = _selectRnd.Next(0, _curGen.Length); _nextGen[newIndex].set(_curGen[mutIndex]); _nextGen[newIndex].mutation(); ++newIndex; if( _nextGen.Length <= newIndex ) break; // そのままコピー var copyIndex = _selectRnd.Next(0, _curGen.Length); _nextGen[newIndex].set(_curGen[copyIndex]); ++newIndex; if( _nextGen.Length <= newIndex ) break; } // 次世代を現世代に移す for( int i = 0; i < _nextGen.Length; ++i ) { _curGen[i].set(_nextGen[i]); } ++_genCnt; } private Bitmap _img = null; private byte[] _org = null; private byte[] _buf = null; private Timer _refreshTimer = new Timer(); private Timer _updateTimer = new Timer(); private Font _font = null; private Brush _fontBrush = null; private int _sec = 0; private int _genCnt = 0; private Gene[] _curGen = new Gene[64]; private Gene[] _nextGen = new Gene[64]; private Random _selectRnd = new Random(); private Gene _cross1Buf = new Gene(); private Gene _cross2Buf = new Gene(); private Gene _topGen = new Gene(); } }
このままでは処理速度に難がありそうですが、実行してみます
ウィンドウの中で、上が目指す画像で、下が完全ランダム値からはじめて、
最終的には同じ絵になって欲しい部分です。
はじめの方
:
:
約50分後
う、うーん…ダメだ
さすがにパターンが多すぎたようです。
それに、交叉や突然変異の確率、評価処理もかなー、 見直しが必要そうです。
というか、そもそも全ピクセルランダムスタートで辿り着けるのか。。。
ただ、薄っすらと緑っぽく近づいてきてはいるので、アプローチの方向はまだ捨てずに
おこうと 思いますが、今回はここまで
では
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