Obraz jako środek przekazu informacji. informatyka + 1

Transkrypt

1 Obraz jako środek przekazu informacji informatyka + 1

2 Program wykładu 1. Rola obrazu w przekazie multimedialnym 2. Jak powstaje obraz i jak jest postrzegany modele barw, podstawy fizyczne 3. Telewizja analogowa i cyfrowa podstawy 4. Poprawianie jakości obrazów w telewizji cyfrowej 5. Zasada działania wyświetlaczy obrazów technologie LCD, plazmowa informatyka + 2

3 Cyfrowe przetwarzanie obrazów CPO Sygnały świetlne docierające do oczu są zamieniane na cechy takie jak kształt, kolor, tekstura, czy wzajemne relacje przestrzenne obiektów. Obrazy cyfrowe reprezentują te same sceny wizualne w postaci dwuwymiarowych tablic pikseli. Technika cyfrowa umożliwia przeprowadzenie szeregu operacji obróbki obrazu, w tym także działań niewykonalnych tradycyjnymi metodami przy pomocy filtrów optycznych lub analogowej elektroniki. informatyka + 3

4 Jak widzimy? Rejestracja promieniowania świetlnego jest realizowana na siatkówce oka. Siatkówkę oka można przyrównać do pewnego rodzaju światłoczułej matrycy, na której znajdują się receptory widzenia pręciki i czopki. informatyka + 4

5 Początki Lata systemy rozpoznawania wojskowego, wykorzystanie podwyższania jakości obrazu fotograficznego (dystorsja, nieostrość, kontrast) Początek lat 60. XX wieku - początki cyfrowego przetwarzania obrazu na potrzeby NASA (misje Ranger a) informatyka + 5

6 Początki Lata 60. XX wieku technika cyfrowa wykorzystywana jest do obróbki zdjęć satelitarnych i zdjęć pochodzących z kolejnych misji NASA oraz europejskich programów kosmicznych. Po prawej pierwszy obraz Księżyca sfotografowany przez statek Ranger 7. informatyka + 6

7 Dziedziny zastosowania CPO astronomia obrazowanie ultradźwiękowe radiologia metrologia sejsmologia mikroskopia CPO nawigacja automatyczna telekomunikacja robotyka nadzór przemysłowy bezpieczeństwo wojsko kino i TV medycyna rozrywka informatyka + 7

8 Dziedziny zastosowania CPO Zdjęcia zarejestrowane z użyciem różnych technik, wykorzystywane w różnych dziedzinach nauki. Kolejno: zdjęcie rentgenowskie klatki piersiowej, angiogram (obraz żył lub tętnic), zdjęcie rentgenowskie obwodu scalonego (badanie jakości wykonania podzespołu). informatyka + 8

9 Dziedziny zastosowania CPO Przykład obrazu zarejestrowanego przenośną kamerą termowizyjną. informatyka + 9

10 Dziedziny zastosowania CPO Radarowe zdjęcie satelitarne południowej części Tybetu ok. 70 km na północ od Lhasy (NASA). informatyka + 10

11 Dziedziny zastosowania CPO Jądrowy rezonans magnetyczny a) kolano b) kręgosłup informatyka + 11

12 Dziedziny zastosowania CPO Mikroskopia elektronowa a) 250x drucik wolframowy zniszczony na skutek przegrzania b) 2500x zniszczony obwód scalony informatyka + 12

13 Modele barw Kojarzone ze sprzętem RGB model addytywny, barwa powstaje w wyniku emisji światła, wszystkie barwy powstają przez zmieszanie trzech barw podstawowych: czerwonej, zielonej i niebieskiej. CMY, CMYK model substraktywny, barwy uzyskuje się dzięki światłu odbitemu od zadrukowanego podłoża, wszystkie barwy w modelu CMY powstają przez zmieszanie trzech barw podstawowych: cyan (zielono-niebieska), magenta (purpurowa), yellow (żółta). informatyka + 13

14 Mieszanie barw Mieszanie addytywne Mieszanie substraktywne informatyka + 14

15 Modele barw informatyka + 15

16 Atrybuty barwy Odcień jest cechą jakościową barwy, odpowiada długości fali dominującej. Nasycenie jest cechą jakościową barwy, odpowiada stosunkowi ilości światła monochromatycznego do ilości światła białego, im większe nasycenie, tym mniejszy jest udział w widmie promieniowania fal o innych długościach niż fali dominującej. Jasność, jaskrawość jest cechą ilościową, jasność dotyczy obiektów odbijających światło, jaskrawość świecących, odpowiada wrażeniu słabszego lub mocniejszego strumienia światła, które nie wpływa na zmianę odcienia ani nasycenia barwy. informatyka + 16

17 Atrybuty barwy Odcień barwy (ton, walor) wrażenie związane z konkretną długością fali. Nasycenie - mieszanie (0-100%) z barwą białą. Jasność (luminancja) wrażenie związane z wielkością strumienia świetlnego (umowna skala 0 1). informatyka + 17

18 Kształtowanie kontrastu, korekcja gamma Kontrast określa zróżnicowanie jasności poszczególnych punktów ekranu. Dla osiągnięcia wiernej reprodukcji rzeczywistości charakterystyka jasności całego toru wizyjnego powinna być liniowa. Z powodu nieliniowych właściwości luminoforów w współczesnych torach kamerowych wprowadza się obecnie celowo pewną nieliniowość przetwarzania, aby w efekcie otrzymać liniową charakterystykę wypadkową. Nieliniowa charakterystyka świetlna E-U kineskopu może być opisana w następujący sposób: E ~U γ - wykładnik γ oznacza stopień nieliniowości przetwornika informatyka + 18

19 Kształtowanie korekcji gamma a) b) c) informatyka + 19

20 Kształtowanie korekcji gamma Efekt zastosowania korekcji gamma, lewy górny róg obraz oryginalny, pozostałe obrazy są wynikiem zastosowania korekcji gamma z różnym współczynnikiem informatyka + 20

21 Balans bieli i korekcja barw Zadaniem całego toru wizyjnego jest wierna reprodukcja barw. Często jednak okazuje się, że odtwarzane barwy są w pewnym stopniu zafałszowane (skóra, śnieg). Zadaniem korekcji barw jest właśnie sprowadzenie postaci barw do formy akceptowalnej przez widza. Celem ustawienia balansu bieli jest osłabienie barwy dominującej. W procesie edycji obrazu przy pomocy odpowiednich narzędzi można zaznaczyć fragment obrazu, który według widza ma być biały, a program dokona automatycznego zrównoważenia bieli dla całego obrazu. informatyka + 21

22 Balans bieli i korekcja barw Zafałszowanie koloru wynikające z błędu równowagi dynamicznej bieli informatyka + 22

23 Temperatura barwowa Temperatura barwowa, jako cecha określająca wrażenie percepcyjne oglądanego obrazu, zależy głównie od rodzaju oświetlenia oraz od właściwości barwnych elementów występujących w scenie obrazowej. W praktyce temperaturę barwową definiuje się na podstawie relacji jakie zaobserwowano pomiędzy temperaturą a właściwościami emisyjnymi ciała czarnego. Temperaturę barwową oblicza się na podstawie średniej wartości kolorów całego obrazu, z pominięciem pikseli, które nie mają wielkiego wpływu na temperaturę barwową, a mianowicie pikseli koloru czarnego i tzw. pikseli samo-świecących czyli większych od wartości średniej o pewną wartość progową. informatyka + 23

24 Podział zakresu temperatury barwowej Kategoria subiektywna Gorąca Ciepła Neutralna Zimna Zakres temperatur 1667K ~ 2250K 2251K ~ 4170K 4171K ~ 8060K 8061K ~ 25000K informatyka + 24

25 Temperatura barwowa, balans bieli informatyka + 25

26 Formaty obrazu wizyjnego Prace nad systemem telewizji kolorowej, rozpoczęły się w połowie lat 50. XX wieku w Stanach Zjednoczonych. Nowy system musiał spełniać następujące założenia: nie mógł znacząco skomplikować budowy odbiorników telewizji kolorowej, co mogło by wpływać na koszt produkcji odbiornika telewizyjnego, należało przyjąć, że będzie możliwy odbiór programu telewizji nadawanego w kolorze na odbiornikach czarnobiałych i odwrotnie, powinno być możliwe wykorzystywanie dotychczasowych kanałów częstotliwości do przesyłania sygnałów telewizji kolorowej, jakość przesyłanego sygnału powinna być wysoka i zaspakajać wymagania widza. informatyka + 26

27 Standard telewizji kolorowej PAL i NTSC PAL 625 linii w dwóch półobrazach Szerokość pasma wizji 5 MHz Szerokość kanału TV 7 MHz Częstotliwość zmian półobrazów 50 / 25 Hz Częstotliwość zmian linii Rzeczywista rozdzielczość obrazu 720x576 NTSC 525 linii w dwóch półobrazach Szerokość pasma wizji 4,2 MHz Szerokość kanału TV 6 MHz Częstotliwość zmian półobrazów 59,94 / 29,97 Hz Częstotliwość zmian linii Rzeczywista rozdzielczość obrazu 720x486 informatyka + 27

28 Standard telewizji kolorowej HDTV System w pełni cyfrowy Częstotliwość zmian pełnej ramki obrazu 60 Hz Format panoramiczny 16:9 Brak wad występujących w systemach analogowych takich jak śnieżenie, podwójny obraz Rozdzielczość obrazu 1920x1080 lub 1280x720 informatyka + 28

29 Cyfrowa telewizja systemu DVB DVB (Digital Video Broadcasting) jest standardem transmisyjnym telewizji cyfrowej przekazywanej z nadajników naziemnych (DVB-T), satelity (DVB-S) i stacji czołowych telewizji kablowych (DVB-C). Podstawą tego systemu jest strumień transportowy (TS). TS składa się ze skompresowanych składowych wizji, fonii i danych oraz tablic (PSI) umożliwiających urządzeniu odbiorczemu odbiór wybranego programu telewizyjnego lub radiowego oraz danych. Standard DVB definiuje dodatkowe tablice (SI) umieszczone w strumieniu oraz parametry transmisji w zależności od typu kanału transmisyjnego. System ten został opracowany dla sygnałów poddanych kompresji MPEG-2, ale nowe efektywniejsze algorytmy kompresji typu MPEG- 4 part10 (H.264) mogą również być stosowane. informatyka + 29

30 Poprawa jakości obrazu Najczęściej spotykane zniekształcenia wynikają z pojawienia się artefaktów procesu kompresji. Do zakłóceń zaliczamy między innymi: szumy, interferencje (przenikanie sygnałów luminancji i chrominancji), migotanie powierzchni i linii, zaburzenia synchronizacji. Eliminacja wymienionych zjawisk jest możliwa przy wykorzystaniu dwu- i trójwymiarowych filtrów cyfrowych, filtrów grzebieniowych, układów korekcji podstawy czasu i stosowaniu odpowiednich technik (100 Hz, Progressive Scan). Poprawie jakości sprzyja też sztuczne podnoszenie rozdzielczości w oparciu o technikę nadpróbkowywania i interpolacji wartości pikseli. informatyka + 30

31 Eliminacja migotania Technika 100Hz - podwajanie częstotliwości powtarzania półobrazów. Może być realizowana w różnych wariantach (AABB i ABAB) różniących się sposobem wybierania, komplikacją układów i jakością uzyskanego efektu. Obecnie stosuje się interpolację treści półobrazów, polegającą na utworzeniu na podstawie przesyłanej informacji nowych półobrazów A i B. Algorytmy interpolacyjne tak wyliczają wartości nowych pikseli, aby w rezultacie doprowadzić do poprawnego odtwarzania ruchu przy niezauważalnym migotaniu. Treść wizyjna wyświetlana jest z częstotliwością 100 Hz w kolejności AA BB. informatyka + 31

32 Redukcja artefaktów wynikających z kompresji Za powstanie artefaktów odpowiada zwykle koder źródłowy MPEG- 2 stosowany po stronie nadawczej. Zniekształcenia wynikające z kompresji są szczególnie widoczne przy ograniczeniu strumienia poniżej 4Mbit/s lub po łańcuchu wielokrotnego kodowania i dekodowania materiału. Do typowych zjawisk należy tutaj efekt blokowy. Jest on charakterystyczny dla metod kompresji bazujących na przetwarzaniu bloków pikseli. Usunięcie poważniejszych zniekształceń w układach prostych filtrów cyfrowych może jednak prowadzić do zmniejszenia wyrazistości obrazu lub innych efektów pogarszających jego subiektywna ocenę. informatyka + 32

33 Eksponowanie konturów obrazu Poprawa ostrości konturów subiektywnie wiąże się z wrażeniem zwiększenia rozdzielczości. Jednak zwiększanie kontrastu w skali całego obrazu prowadzi do zatarcia się poziomów jasności w ciemnych i jasnych partiach obrazu. Stosuje się więc zabieg polegający na lokalnym powiększenie kontrastu w bezpośrednim otoczeniu krawędzi. informatyka + 33

34 Eksponowanie konturów obrazu Stosując technikę nadpróbkowywania można utworzyć zbiór nowych pikseli w taki sposób, aby zrekonstruowany sygnał charakteryzował się pasmem telewizji HDTV. Do obliczenia wartości nowych pikseli stosowane są odpowiednie metody interpolacji. Sposób ten zastosowano w technologii D.I.S.T. do poprawy ostrości i zwiększenia rozdzielczości obrazu wizyjnego. informatyka + 34

35 Algorytmy poprawy jakości obrazu Technologia D.I.S.T - (Digital Image Scaling Technology) opracowana przez firmę JVC. Obraz przekazywany w konwencjonalnym 625-liniowym standardzie PAL z przeplotem zostaje na wstępie przetworzony do trybu progresywnego. Odbywa się to na drodze trójwymiarowej interpolacji wartości pikseli z linii półobrazów parzystego i nieparzystego, z wykorzystaniem relacji czasowych i przestrzennych między nimi. Specjalny algorytm interpolacji pozwala na uzyskanie wysokiej rozdzielczości w kierunku pionowym i umożliwia na podwojenie ilości linii w ramce do Sygnał wizyjny jest następnie formowany poprzez ekstrakcję 3 pól o częstotliwości 75Hz z dwóch ramek 50 Hz i podawany na wyjście układu D.I.S.T. w trybie wybierania międzyliniowego 1250/75 Hz. Zwiększenie częstotliwości wyświetlania półobrazów, przyczynia się w tym przypadku do ograniczenia efektu migotania. informatyka + 35

36 Poprawa odtwarzania pochylonych krawędzi Technologia DCDi - redukcja zniekształceń krawędzi i linii (Directional Correlation Deinterlacing) firmy Faroudja. Ta technologia jest wykorzystywana w USA przez nadawców w celu konwersji standardu NTSC do telewizji wysokiej rozdzielczości HDTV. Algorytm zaimplementowany w DCDi polega na inteligentnej interpolacji pikseli w zależności od charakteru ruchu obiektu w analizowanej scenie i kąta nachylenia konturów. Mechanizm interpolacji przebiega dzięki temu wzdłuż krawędzi nie dopuszczając do efektu ich poszarpania lub schodkowania, przy jednoczesnym zachowaniu ostrości i wierności oddania barw w miejscu przejść między kolorami. informatyka + 36

37 Technologia DCDi informatyka + 37

38 Ekrany LCD ukierunkowanie światła informatyka + 38

39 Ekrany LCD przepływ światła informatyka + 39

40 Ekrany LCD TN (Twisted Nematic) informatyka + 40

41 Ekrany LCD TN (Twisted Nematic) informatyka + 41

42 Ekrany LCD TN (Twisted Nematic) Różnicując napięcie na końcówkach ciekłego kryształu można modulować stopień zamknięcia przełącznika, aby uzyskać stany pośrednie informatyka + 42

43 DSTN (dual scan TN) matryce pasywne informatyka + 43

44 Matryce aktywne informatyka + 44

45 Budowa matryc TFT informatyka + 45

46 Budowa matryc TFT Obraz wyświetlany na ekranie monitora LCD informatyka + 46

47 Technologia IPS (In-Plane Switching) Filtr polaryzujący Powierzchnia przeźroczysta Ciekły kryształ Elektroda Powierzchnia przeźroczysta Filtr polaryzujący Pojedynczy piksel bez napięcia informatyka + 47

48 Technologia IPS (In-Plane Switching) Filtr polaryzujący Powierzchnia przeźroczysta Ciekły kryształ Elektroda Powierzchnia przeźroczysta Filtr polaryzujący Pojedynczy piksel z przyłożonym napięciem informatyka + 48

49 Multidomain Vertical Alignment (MVA) informatyka + 49

50 Multidomain Vertical Alignment (MVA) informatyka + 50

51 Ekrany plazmowe Przepływ prądu elektrycznego w rozrzedzonym gazie: a) obwód wyładowania, b) charakterystyka napięciowo-prądowa zjawiska. informatyka + 51

52 Stałoprądowy ekran plazmowy DC-PDP a) zasada konstrukcji b) widok przestrzenny informatyka + 52

53 Przemiennoprądowy ekran plazmowy AC PDP a) zasada budowy b) model elektryczny węzła macierzy informatyka + 53

54 Ekrany plazmowe Zasada konstrukcji piksela współczesnego, wielobarwnego ekranu plazmowego typu AC PDP. informatyka + 54

55 Ekrany plazmowe informatyka + 55

56