visi201/main.py

### Modules ###

from PIL import Image
from numpy import asarray, ndarray, array, uint8, delete
from random import choices, randint
from copy import deepcopy


### Fonctions ###

def import_image(chemin: str, resize: bool = False) -> ndarray :
    """Charge l'image donnée, la passe en nuances de gris, et la convertit en tableau (de numpy)"""

    ## Chargement de l'image ## 

    # On essaie d'ouvrir l'image avec la librairie PIL
    try:
        image = Image.open(chemin)

    # Gestion d'erreur si le fichier n'est pas accessible ou n'existe pas 
    except FileNotFoundError:
        print("Le chemin d'accès est invalide.")
        # TODO Set image sur une image blanche en cas d'erreur
    
    # Gestion d'erreur dans les autres cas
    except:
        print("Une erreur s'est produite")
        # TODO Pareil qu'au dessus


    ## Conversion de l'image en nuances de gris ##

    # On utilise la méthode .convert() de PIL
    image = image.convert("L")

    if resize:
        image = image.resize((300, 400))


    ## Conversion en tableau ##

    # On utilise la fonction asarrray() de numpy
    image_array = asarray(image)

    return image_array
    
    
def tab_image_blanche(longueur: int, hauteur: int) -> ndarray:
    """Génère un tableau contenant des pixels blancs avec les dimensions données"""
    # On crée autant de lignes que de pixels de hauteur, et autant de pixels que de hauteur
    tab = [ [255] * longueur] * hauteur
    return array(tab)

    
def tab_image_noire(longueur: int, hauteur: int) -> ndarray:
    """Génère un tableau contenant des pixels noirs avec les dimensions données"""
    # On crée autant de lignes que de pixels de hauteur, et autant de pixels que de hauteur
    tab = [ [0] * longueur] * hauteur
    return array(tab)


def tab_image_grise(longueur: int, hauteur: int) -> ndarray:
    """Génère un tableau contenant des pixels gris avec les dimensions données"""
    # On crée autant de lignes que de pixels de hauteur, et autant de pixels que de hauteur
    tab = [ [127] * longueur] * hauteur
    return array(tab)

    
def get_longueur_img(tab_img: ndarray) -> int:
    """Renvoie la longueur du tableau à deux dimensions (représentant une image) donné"""
    return len(tab_img[0])


def get_hauteur_img(tab_img: ndarray) -> int:
    """Renvoie la hauteur du tableau à deux dimensions (représentant une image) donné"""
    return len(tab_img)


def assombrir_pixel(tab_img: ndarray, ligne: int, colonne: int) -> ndarray:
    """Réduit de 51 (parce que c'est 255/5) les valeurs des couleurs du pixel à la position donnée."""
    if tab_img[ligne][colonne] >= 51:
        tab_img[ligne][colonne] = tab_img[ligne][colonne] - 51

    return tab_img


def eclaircir_pixel(tab_img: ndarray, ligne: int, colonne: int) -> ndarray:
    """Augmente de 51 (parce que c'est 255/5) les valeurs des couleurs du pixel à la position donnée."""
    if tab_img[ligne][colonne] <= 214:
        tab_img[ligne][colonne] += 51

    return tab_img


def generer_clous(tab_img: ndarray) -> list:
    """Génère un tableau qui contient des tuples qui représentent des clous : deux coordonnées et un numéro de côté -> 0 pour le haut, 1 pour la droite, 2 pour le bas, 3 pour la gauche"""
    liste_res = []

    h = get_hauteur_img(tab_img)
    l = get_longueur_img(tab_img)

    for i in range(0, l, 10):
        liste_res = liste_res + [(i, 0, 0)]
    for i in range(10, h, 10):
        liste_res = liste_res + [(l - 1, i, 1)]
    for i in range(l - 11, -1, - 10):
        liste_res = liste_res + [(i, h - 1, 2)]
    for i in range(h - 11, 0, -10):
        liste_res = liste_res + [(0, i, 3)]

    return liste_res


def generer_clous_plus_clous_aleatoires(tab_img):
    """Génère un tableau de clous classiques (cf generer_clous) + des clous aleatoires au milieu de l'image"""
    h = get_hauteur_img(tab_img)
    l = get_longueur_img(tab_img)

    liste_res = generer_clous(tab_img)

    for i in range(0, 200):
        liste_res.append((randint(20, l - 20), randint(20, h - 20), i + 4))
    
    return liste_res


def visible(clou1: tuple, clou2: tuple) -> bool:
    """Renvoie True si les clous se voient, False sinon"""
    return clou1[2] != clou2[2]


def tracer_droite(clou1: tuple, clou2: tuple, image: ndarray) -> ndarray:
    """Trace une droite noire d'un clou à un autre."""
    if visible(clou1, clou2):
        liste_points = liste_points_traverses(clou1[0], clou1[1], clou2[0], clou2[1])
        
        for i in range(0, len(liste_points)):
            ligne = liste_points[i][1]
            col = liste_points[i][0]
            image = assombrir_pixel(image, ligne, col)

    return image


def tracer_droite_blanche(clou1: tuple, clou2: tuple, image: ndarray) -> ndarray:
    """Trace une droite blanche d'un clou à un autre."""
    if visible(clou1, clou2):
        liste_points = liste_points_traverses(clou1[0], clou1[1], clou2[0], clou2[1])
        
        for i in range(0, len(liste_points)):
            ligne = liste_points[i][1]
            col = liste_points[i][0]
            image = eclaircir_pixel(image, ligne, col)

    return image


def liste_points_traverses(x1: int, y1: int, x2: int, y2: int) -> list:
    """Renvoie les points que le segment [(x1, y1), (x2, y2)] traverse"""
    liste_res = []
    a, b = calcul_droite(x1, y1, x2, y2)

    # Si l'angle entre l'axe des abscisses et la droite est compris entre -45° et 45°
    if -1 <= a <= 1:
        if x1 > x2:
            # On cherche y pour chaque x, donc on commence du point dont le x est le plus proche de 0
            x1, y1, x2, y2 = x2, y2, x1, y1

        x = x1 + 1
        y = y1
        liste_res.append((x1, y))

        while x <= x2:
            y = round(a * x + b)
            liste_res.append((x, y))
            x += 1

    else:
        if y1 > y2:
            # On cherche x pour chaque y, donc on commence du point dont le y est le plus proche de 0
            x1, y1, x2, y2 = x2, y2, x1, y1

        if a != 999999999 and b != 999999999:
            x = x1
            y = y1 + 1
            liste_res.append((x, y1))
            while y <= y2:
                x = round((y - b) / a)
                liste_res.append((x, y))
                y += 1

        # Gestion des droites verticales
        else:
            x = x1
            y = y1 + 1
            liste_res.append((x, y1))
            for i in range(y, y2 + 1):
                liste_res.append((x, i))
    
    return liste_res


def calcul_droite(x1: int, y1: int, x2: int, y2: int) -> tuple:
    """Renvoie le coefficient directeur et l'ordonnée à l'origine de la droite passant par (x1, y1) et (x2, y2)"""

    if x1 != x2:
        a = (y2 - y1) / (x2 - x1)
        b = y1 - x1 * a

    # Gestion des droites verticales
    else:
        a = 999999999
        b = 999999999

    return (a, b)


def liste_clous_al(liste_clous : list, taille_l : int) -> list:
    """On créer une liste de clou choisis aléatoirement"""
    lst_res = choices(liste_clous, k=taille_l)
    return lst_res


def reduction_erreur_droite(clou_dep: tuple, clou_arr: tuple, img1: ndarray, img2: ndarray) -> float:
    """Renvoie la différence entre l'erreur de l'image cible et de l'image actuelle, et l'erreur de l'image cible et de l'image actuelel si on traçait la droite noire donnée"""
    
    if not visible(clou_dep, clou_arr):
        return 999999999
    

    lst_pts = liste_points_traverses(clou_dep[0], clou_dep[1], clou_arr[0], clou_arr[1])
    err_act = 0
    nb_pts = len(lst_pts)

    for i in range(0, nb_pts):
        err_act += erreur_point(lst_pts[i], img1, img2)

    new_err = 0

    for i in range(0, nb_pts):
        new_err += erreur_point_assombri(lst_pts[i], img1, img2)
    
    return (new_err - err_act) / nb_pts


def reduction_erreur_droite_blanche(clou_dep: tuple, clou_arr: tuple, img1: ndarray, img2: ndarray) -> float:
    """Renvoie la différence entre l'erreur de l'image cible et de l'image actuelle, et l'erreur de l'image cible et de l'image actuelel si on traçait la droite blanche donnée"""
    
    if not visible(clou_dep, clou_arr):
        return 999999999
    

    lst_pts = liste_points_traverses(clou_dep[0], clou_dep[1], clou_arr[0], clou_arr[1])
    err_act = 0
    nb_pts = len(lst_pts)

    for i in range(0, nb_pts):
        err_act += erreur_point(lst_pts[i], img1, img2)

    new_err = 0

    for i in range(0, nb_pts):
        new_err += erreur_point_eclairci(lst_pts[i], img1, img2)
    
    return (new_err - err_act) / nb_pts


def erreur_point(p: tuple, img1: ndarray, img2: ndarray):
    """Renvoie la différence entre la valeur du pixel sur l'image 1 et la valeur du pixel sur l'image 2"""
    return abs(img1[p[1]][p[0]] - img2[p[1]][p[0]])


def erreur_point_assombri(p: tuple, img1: ndarray, img2: ndarray):
    """Renvoie la différence entre la valeur du pixel sur l'image 1 et la valeur du pixel sur l'image 2 lorsqu'on assombrit ce pixel"""
    if img2[p[1]][p[0]] >= 51:
        return abs(img1[p[1]][p[0]] - img2[p[1]][p[0]] + 51)
    else:
        return erreur_point(p, img1, img2)


def erreur_point_eclairci(p: tuple, img1: ndarray, img2: ndarray):
    """Renvoie la différence entre la valeur du pixel sur l'image 1 et la valeur du pixel sur l'image 2 lorsqu'on éclaircit ce pixel"""
    if img2[p[1]][p[0]] <= 51:
        return abs(img1[p[1]][p[0]] - img2[p[1]][p[0]] - 51)
    else:
        return erreur_point(p, img1, img2)


def trouve_meilleure_droite(img1: ndarray, img2: ndarray, clou_dep: tuple, lst_clous: list) -> tuple:
    """Renvoie le clou dont la droite le traversant lui et le clou de départ réduit le plus l'erreur entre les deux images"""
    liste_c = liste_clous_al(lst_clous, len(lst_clous) // 2)
    liste_red_err = []

    for i in range(0, len(liste_c)):
        liste_red_err.append(reduction_erreur_droite(clou_dep, liste_c[i], img1, img2))
    
    red_err = min(liste_red_err)
    meilleur_clou = liste_c[liste_red_err.index(red_err)]

    return (meilleur_clou, red_err)


def trouve_meilleure_droite_blanche(img1: ndarray, img2: ndarray, clou_dep: tuple, lst_clous: list) -> tuple:
    """Renvoie le clou dont la droite blanche le traversant lui et le clou de départ réduit le plus l'erreur entre les deux images"""
    liste_c = liste_clous_al(lst_clous, len(lst_clous) // 2)
    liste_red_err = []

    for i in range(0, len(liste_c)):
        liste_red_err.append(reduction_erreur_droite_blanche(clou_dep, liste_c[i], img1, img2))
    
    red_err = min(liste_red_err)
    meilleur_clou = liste_c[liste_red_err.index(red_err)]

    return (meilleur_clou, red_err)


def retrace_image(chemin_img_source: str, nom_image_sortie: str, resize: bool = False):
    """Retrace l'image donnée avec des fils et sauvegarde dans le dossier resultat, au chemin donné"""
    image = import_image(chemin_img_source, resize)

    new_img = tab_image_blanche(get_longueur_img(image), get_hauteur_img(image))

    clous = generer_clous(new_img)

    clou_dep = clous[0]
    cpt_augmentation_err = 0
    cpt_droites = 0

    while cpt_augmentation_err < 3:
        meilleur_clou, reduction_err = trouve_meilleure_droite(image, new_img, clou_dep, clous)

        print(reduction_err, clou_dep, meilleur_clou)

        if reduction_err >= 0:
            cpt_augmentation_err += 1
        # On ne trace la droite que si elle réduit l'erreur
        else:
            cpt_augmentation_err = 0

        new_img = tracer_droite(clou_dep, meilleur_clou, new_img)


        clou_dep = meilleur_clou
        cpt_droites += 1

    print(cpt_droites)

    image_res = Image.fromarray(uint8(new_img))
    image_res.save("resultat/" + nom_image_sortie + ".png")


def retrace_image_deux_fils(chemin_img_source: str, nom_image_sortie: str, resize: bool = False):
    """Retrace l'image donnée avec un fil noir et un fil blanc sur un fond gris et sauvegarde dans le dossier resultatnb, au chemin donné"""
    image = import_image(chemin_img_source, resize)

    new_img = tab_image_grise(get_longueur_img(image), get_hauteur_img(image))

    clous = generer_clous(new_img)

    clou_dep_noir = clous[0]
    clou_dep_blanc = clous[0]
    cpt_augmentation_err = 0
    cpt_droites = 0

    while cpt_augmentation_err < 5:
        meilleur_clou_noir, reduction_err_noire = trouve_meilleure_droite(image, new_img, clou_dep_noir, clous)
        meilleur_clou_blanc, reduction_err_blanche = trouve_meilleure_droite_blanche(image, new_img, clou_dep_blanc, clous)

        if reduction_err_noire <= reduction_err_blanche:

            print(reduction_err_noire, clou_dep_noir, meilleur_clou_noir)

            if reduction_err_noire >= 0:
                cpt_augmentation_err += 1
            # On ne trace la droite que si elle réduit l'erreur
            else:
                cpt_augmentation_err = 0

            new_img = tracer_droite(clou_dep_noir, meilleur_clou_noir, new_img)


            clou_dep_noir = meilleur_clou_noir
            cpt_droites += 1

        else:

            print(reduction_err_blanche, clou_dep_blanc, meilleur_clou_blanc)

            if reduction_err_blanche >= 0:
                cpt_augmentation_err += 1
            # On ne trace la droite que si elle réduit l'erreur
            else:
                cpt_augmentation_err = 0
                
            new_img = tracer_droite_blanche(clou_dep_blanc, meilleur_clou_blanc, new_img)


            clou_dep_blanc = meilleur_clou_blanc
            cpt_droites += 1

    print(cpt_droites)

    image_res = Image.fromarray(uint8(new_img))
    image_res.save("resultatnb/" + nom_image_sortie + ".png")


def retrace_image_clous_aleatoires(chemin_img_source: str, nom_image_sortie: str, resize: bool = False):
    """Retrace l'image donnée avec des fils et sauvegarde dans le dossier resultat, au chemin donné"""
    image = import_image(chemin_img_source, resize)

    new_img = tab_image_blanche(get_longueur_img(image), get_hauteur_img(image))

    clous = generer_clous_plus_clous_aleatoires(new_img)

    clou_dep = clous[0]
    cpt_augmentation_err = 0
    cpt_droites = 0

    while cpt_augmentation_err < 3:
        meilleur_clou, reduction_err = trouve_meilleure_droite(image, new_img, clou_dep, clous)

        print(reduction_err, clou_dep, meilleur_clou)

        if reduction_err >= 0:
            cpt_augmentation_err += 1
        # On ne trace la droite que si elle réduit l'erreur
        else:
            cpt_augmentation_err = 0

        new_img = tracer_droite(clou_dep, meilleur_clou, new_img)


        clou_dep = meilleur_clou
        cpt_droites += 1

    print(cpt_droites)

    image_res = Image.fromarray(uint8(new_img))
    image_res.save("resultat-clous-al/" + nom_image_sortie + ".png")



### Tests ###

retrace_image_clous_aleatoires("images/chateau.jpg", "chateau-400px", True)


### TODO ###

# Pas forcément mesurer l'erreur d'une bande de quelques pixels au bord si on met les clous dedans