Маска (вычисление)

В информатике маска побитовых или битовая маска — это данные, которые используются для операций , особенно в битовых полях . Используя маску, несколько битов в байте , полубайте , слове и т. д. могут быть включены или выключены, либо инвертированы из включенного в выключенное состояние (или наоборот) за одну побитовую операцию. Дополнительное использование маскировки включает в себя предикацию при векторной обработке , где битовая маска используется для выбора, какие операции с элементами в векторе должны выполняться (бит маски включен), а какие нет (бит маски сброшен).

Общие функции битовых масок

Маскирование битов для `1`

Чтобы включить определенные биты, побитовое OR можно использовать операцию, следуя принципу , согласно которому Y OR 1 = 1 и Y OR 0 = Y. Поэтому, чтобы убедиться, что бит включен, OR может использоваться с 1. Чтобы оставить немного неизменным, OR используется с 0.

Пример: Маскирование старшего полубайта . (биты 4, 5, 6, 7), оставляя младший полубайт (биты 0, 1, 2, 3) неизменным

    10010101   10100101 OR 11110000   11110000  = 11110101   11110101

Маскирование битов для `0`

На практике чаще всего биты «маскируются » (или маскируются под 0), чем «замаскировано » (или замаскировано под 1). Когда немного ANDed с 0, результат всегда 0, т.е. Y AND 0 = 0. Чтобы оставить остальные биты такими, какими они были изначально, их можно ANDЭд с 1 как Y AND 1 = Y

Пример: маскирование старшего полубайта ( биты 4, 5, 6, 7), оставляя младший полубайт (биты 0, 1, 2, 3) неизменным.

    10010101   10100101AND 00001111   00001111  = 00000101   00000101

Запрос статуса бита

Можно использовать битовые маски, чтобы легко проверять состояние отдельных битов независимо от других битов. Для этого отключим все остальные биты с помощью побитовой AND делается, как обсуждалось выше, и значение сравнивается с 0. Если оно равно 0, то бит был выключен, но если значение имеет любое другое значение, то бит был включен. Что делает это удобным, так это то, что нет необходимости выяснять, каково на самом деле значение, просто оно не 0.

Пример: Запрос состояния 4-го бита

    10011101   10010101AND 00001000   00001000  = 00001000   00000000

Переключение значений битов

До сих пор в статье рассматривалось, как включать и выключать биты, но не то и другое одновременно. Иногда не имеет особого значения, какое значение имеет значение, но его необходимо сделать противоположным тому, какое оно есть в данный момент. Этого можно добиться с помощью XOR (исключительное или) операция. XOR возвращает 1 тогда и только тогда, когда нечетное число битов 1. Следовательно, если два соответствующих бита 1, результатом будет 0, но если только один из них 1, результат будет 1. Поэтому инверсия значений битов выполняется путем XORиспользуя их 1. Если исходный бит был 1, он возвращается 1 XOR 1 = 0. Если исходный бит был 0 он возвращается 0 XOR 1 = 1. Также обратите внимание, что XOR маскирование является битобезопасным, то есть оно не влияет на немаскированные биты, поскольку Y XOR 0 = Y, точно так же, как OR.

Пример: переключение значений битов

    10011101   10010101XOR 00001111   11111111  = 10010010   01101010

Чтобы записать произвольные 1 и 0 в подмножество битов, сначала запишите 0 в это подмножество, а затем установите старшие биты:

  register = (register & ~bitmask) | value;

Использование битовых масок

Аргументы функций

В языках программирования, таких как C , битовые поля являются полезным способом передачи набора именованных логических аргументов в функцию. Например, в графическом API OpenGL есть команда: glClear() который очищает экран или другие буферы. Он может очищать до четырех буферов ( буфер цвета, глубины, накопления и трафарета ), поэтому авторы API могли использовать четыре аргумента. Но тогда вызов к нему будет выглядеть так

 glClear(1,1,0,0); // This is not how glClear actually works and would make for unstable code.

что не очень наглядно. Вместо этого есть четыре определенных бита поля: GL_COLOR_BUFFER_BIT, GL_DEPTH_BUFFER_BIT, GL_ACCUM_BUFFER_BIT, и GL_STENCIL_BUFFER_BIT и glClear() объявляется как

 void glClear(GLbitfield bits);

Тогда вызов функции выглядит так

 glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

Внутри функция, принимающая такое битовое поле, может использовать двоичный код. and для извлечения отдельных битов. Например, реализация glClear() может выглядеть так:

void glClear(GLbitfield bits) {  if ((bits & GL_COLOR_BUFFER_BIT) != 0) {    // Clear color buffer.  }  if ((bits & GL_DEPTH_BUFFER_BIT) != 0) {    // Clear depth buffer.  }  if ((bits & GL_ACCUM_BUFFER_BIT) != 0) {    // Clear accumulation buffer.  }  if ((bits & GL_STENCIL_BUFFER_BIT) != 0) {    // Clear stencil buffer.  }}

Преимущество этого подхода заключается в том, что уменьшаются накладные расходы на аргументы функции. Поскольку минимальный размер данных составляет один байт, разделение опций на отдельные аргументы привело бы к потере семи бит на аргумент и заняло бы больше места в стеке. Вместо этого функции обычно принимают одно или несколько 32-битных целых чисел, каждое из которых содержит до 32 битов опций. Несмотря на элегантность, в простейшей реализации это решение не является типобезопасным . А GLbitfield просто определяется как unsigned int, поэтому компилятор допустит бессмысленный вызов glClear(42) или даже glClear(GL_POINTS). В C++ альтернативой было бы создание класса для инкапсуляции набора аргументов, которые glClear мог бы принять и которые можно было бы аккуратно инкапсулировать в библиотеке.

Инверсные маски

Маски используются с IP-адресами в IP ACL (списках контроля доступа), чтобы указать, что следует разрешить, а что запретить. Чтобы настроить IP-адреса на интерфейсах, маски начинаются с 255 и имеют большие значения слева: например, IP-адрес 203.0.113.129 с маской 255.255.255.224 . Маски для IP ACL являются обратными: например, маска 0.0.0.255 . Иногда ее называют обратной маской или подстановочной маской . Когда значение маски разбивается на двоичные значения (0 и 1), результаты определяют, какие биты адреса следует учитывать при обработке трафика. - бит 0 указывает, что бит адреса должен учитываться (точное совпадение); бит 1- в маске означает «неважно». Эта таблица дополнительно объясняет эту концепцию.

Пример маски:

сетевой адрес (трафик, который необходимо обработать): 192.0.2.0

маска: 0.0.0.255

сетевой адрес (двоичный): 11000000.00000000.00000010.00000000

маска (двоичная): 00000000.00000000.00000000.11111111

Судя по двоичной маске, видно, что первые три набора ( октета ) должны точно соответствовать заданному двоичному сетевому адресу (11000000.00000000.00000010). Последний набор цифр состоит из слова «все равно» (.11111111). Таким образом, весь трафик, начинающийся с « 192.0.2. », соответствует, поскольку последний октет — «не важно». Таким образом, с помощью этой маски сетевые адреса с 192.0.2.1 по 192.0.2.255 ( 192.0.2.x обрабатываются ).

Вычтите нормальную маску из 255.255.255.255 , чтобы определить обратную маску ACL. В этом примере обратная маска определяется для сетевого адреса 198.51.100.0 с нормальной маской 255.255.255.0 .

255.255.255.255 - 255.255.255.0 (обычная маска) = 0.0.0.255 (инверсная маска)

Эквиваленты ACL

подстановочный знак источника 0.0.0.0/255.255.255.255 Источник / означает « любой».

Источник/подстановочный знак 198.51.100.2/0.0.0.0 хост 198.51.100.2 такой же, как « . »

Маски изображений

Растровые графические спрайты (слева) и маски (справа)

В компьютерной графике , когда данное изображение предназначено для размещения на фоне, прозрачные области можно указать с помощью двоичной маски. ^[1] Таким образом, для каждого предполагаемого изображения фактически существует два растровых изображения : фактическое изображение, в котором неиспользуемым областям присваивается значение пикселя , а все биты установлены в 0, и дополнительная маска , в которой соответствующим областям изображения присваивается значение пикселя. всех битов установлено в 0, а в прилегающих областях значение всех битов установлено в 1. В примере справа черные пиксели имеют биты «все нули», а белые пиксели — биты «все единицы».

Во время выполнения , чтобы поместить изображение на экран поверх фона, программа сначала маскирует биты пикселей экрана маской изображения в нужных координатах, используя И. побитовую операцию Это сохраняет фоновые пиксели прозрачных областей и обнуляет биты пикселей, которые будут скрыты перекрывающимся изображением.

Затем программа визуализирует биты пикселей изображения, объединяя их с битами пикселя фона с помощью побитовой операции ИЛИ . Таким образом, пиксели изображения размещаются соответствующим образом, сохраняя при этом фон, окружающий пиксели. В результате получается идеальное сочетание изображения с фоном.

Этот метод используется для рисования курсоров указывающих устройств, в типичных 2-D видеоиграх для персонажей, маркеров и т. д. (спрайты ) , для графического пользовательского интерфейса значков , а также для титров видео и других приложений для микширования изображений. Более быстрый метод — просто перезаписать пиксели фона пикселями переднего плана, если их альфа = 1.

связаны между собой (поскольку они используются для одних и тех же целей), Несмотря на то, что прозрачные цвета и альфа-каналы они представляют собой методы, которые не включают смешивание пикселей изображения посредством двоичной маскировки.

Хэш-таблицы

Для создания хеш-функции для хеш-таблицы часто используется функция, имеющая большой домен. Чтобы создать индекс на основе выходных данных функции, можно взять модуль, чтобы уменьшить размер домена до размера массива; однако на многих процессорах зачастую быстрее ограничить размер хеш-таблицы степенями двух размеров и вместо этого использовать битовую маску.

Пример как по модулю, так и маскировки в C:

#include <stdint.h>#include <string.h>int main(void) {    const uint32_t NUM_BUCKETS = 0xFFFFFFFF;  // 2^32 - 1    const uint32_t MAX_RECORDS = 1<<10;  // 2^10    const uint32_t HASH_BITMASK = 0x3FF;  // (2^10)-1    char **token_array = NULL;    // Handle memory allocation for token_array…    char token[] = "some hashable value";    uint32_t hashed_token = hash_function(token, strlen(token), NUM_BUCKETS);    // Using modulo    size_t index = hashed_token % MAX_RECORDS;    // OR    // Using bitmask    size_t index = hashed_token & HASH_BITMASK;    *(token_array+index) = token;    // Free the memory from token_array …    return 0;}

См. также

Ссылки

^ «Маска R-CNN с помощью OpenCV» . PyImageSearch . 19 ноября 2018 г. Проверено 5 апреля 2020 г.

[1] «Маска R-CNN с помощью OpenCV» . PyImageSearch . 19 ноября 2018 г. Проверено 5 апреля 2020 г.

[1]