带有 Haskell repa 数组库的彩色图像文件 IO

Question

我正在通过尝试大量 programming examples 来探索 Haskell repa 库。我的目标是使用repa实现常见的图像处理算法。

重复示例

repa 存储库中有一些helpful code examples。它们都对Array U DIM2 a 或Array DIM2 Float 或Array U DIM2 Double 类型的图像进行操作。

-- three image types used below
type Image = Array U DIM2 Double
type Image = Array DIM2 Float
type Image = Array U DIM2 (Word8, Word8, Word8)

-- examples/Blur/src-repa/Main.hs
blur :: Monad m => Int -> Array U DIM2 Double -> m (Array U DIM2 Double)

-- examples/Laplace/src-repa/SolverStencil.hs
solveLaplace :: Monad m => Int -> Array U DIM2 Double -> Array U DIM2 Double -> Array U DIM2 Double -> m (Array U DIM2 Double)

-- examples/Sobel/src-repa/SolverSeparated.hs
type Image = Array DIM2 Float
gradientX_sep :: Image -> Image
gradientX1    :: Image -> Image
gradientX2    :: Image -> Image
gradientY_sep :: Image -> Image
gradientY2    :: Image -> Image

-- examples/Canny/src-repa/Main.hs
type Image a = Array U DIM2 a
toGreyScale  :: Image (Word8, Word8, Word8) -> IO (Image Float)
blurSepX     :: Image Float -> IO (Image Float)
blurSepY     :: Image Float -> IO (Image Float)
gradientX    :: Image Float -> IO (Image Float)
gradientY    :: Image Float -> IO (Image Float)
suppress     :: Float -> Float -> Image (Float, Word8) -> IO (Image Word8)
wildfire     :: Image Word8 -> Array U DIM1 Int -> IO (Image Word8)
selectStrong :: Image Word8 -> IO (Array U DIM1 Int)
gradientMagOrient :: Float -> Image Float -> Image Float -> IO (Image (Float, Word8))

图片文件IO

图片文件IO有两种选择：

1. repa-devil 支持 PNG、BMP、JPG、TIF 的包。不幸的是，正如 repa-devil 维护者 here 所证实的那样，它们被解析为不符合上述 repa 示例的数组类型。
2. repa-io 包与repa-examples 中图片的数组类型参数更接近，但只支持BMP 文件。

repa-devil（与 repa-examples 不兼容）

repa-examples 包中的图像类型为Array F DIM3 Word8，如果是灰度图像，则为Array F DIM2 Word8。这意味着 repa-devil 不能用于读取要与 repa-examples 中的示例一起处理的图像，因为 repa-examples 中的图像是二维数组，而 repa-devil 中的图像是三维数组。

readImage :: FilePath -> IL Image
writeImage :: FilePath -> Image -> IL ()
data Image = RGBA (Array F DIM3 Word8)
           | RGB  (Array F DIM3 Word8)
           | BGRA (Array F DIM3 Word8)
           | BGR  (Array F DIM3 Word8)
           | Grey (Array F DIM2 Word8)

repa-io（与 repa-examples 有一些兼容性）

repa-examples 和 repa-io 之间有更密切的对应关系。

readImageFromBMP :: FilePath -> IO (Either Error (Array U DIM2 (Word8,Word8, Word8)))
writeImageToBMP  :: FilePath -> Array U DIM2 (Word8, Word8, Word8) -> IO ()

这一次，一个 BMP 图像文件被解析为一个二维数组，其元素类型为 (Word8,Word8,Word8)，大概代表 R、G 和 B 值。即便如此，repa-examples 包中唯一兼容的函数是上面的toGreyScale。所有其他函数都对 Array U DIM2 Float 或 Array DIM2 Float 或 Array U DIM2 Double 类型的值进行操作。

问题

1. 除了toGreyScale，repa-examples 中的所有示例都只适用于灰度图像吗？虽然从类型上看这是有道理的，但令人惊讶的是，没有彩色图像的 repa 示例。例如，为什么blur 的类型不是： blur :: Monad m => Int -> Array U DIM2 (Word8, Word8, Word8) -> m (Array U DIM2 (Word8, Word8, Word8))
2. Array U DIM2 Float 中捕获的浮点数是什么值？它是 0 到 255 之间的灰度值吗？
3. 是否在 repa-io 包中添加 JPG/PNG/TIF IO 支持？

Answer 1

1. 没有理由。您可以将单通道模糊功能应用于彩色图像的每个 RGB 通道。
2. 对于表示为Array U DIM2 Float 的图像，元素通常具有0.0 - 1.0 范围。
3. 我认为加载 JPG/PNG 图像不应该放在 repa-io 包中，因为这会导致对外部编解码器库的依赖。使用 repa-devil 等其他软件包之一加载图像。

repa-devil 包包装了外部 DevIL 库，因此加载的图像最终会在外部内存中——因此Array F DIM3 Word8 中的F 索引。 DevIL 库本身不知道如何在 Haskell 堆中构建未装箱的 U 数组。

这些示例只是示例，我并不打算将repa-examples 用作一个功能齐全的图像处理库。有些数组使用外部F 表示，有些使用未装箱的U 表示这一事实仅反映了包装外部代码的标准问题。如果您想要一个统一的图像处理 API，那么您要么需要更改边界处的图像表示（这可能会引入冗余复制），要么使函数更具多态性（这会使它们的类型复杂化），或者以某种方式隐藏问题（这会增加成本）模型不明显）。无论您选择哪个选项，都会有人抱怨。

Answer 2

比如为什么不是blur的类型是：blur :: Monad m => Int -> Array U DIM2 (Word8, Word8, Word8) -> m (Array U DIM2 (Word8, Word8, Word8))

1. 永久使用元组而不是简单数字是样板，除非您使用fixed-vector

2. 生成的代码不可重用

3. 您不能通过颜色通道并行计算

看看yarr，专为 RGB 图像处理而设计。例如，您可以定义blur :: (Num v) => Array Dim2 v -> Array Dim2 v（近似签名），然后将其应用于灰度图像或颜色：

let blurred = fromSlices $ map blur $ slices image

见https://github.com/leventov/yarr/blob/master/tests/blur.hs