Reprezentacja obrazów

Transkrypt

1 Reprezentacja obrazów Zwiększa się rola przekazywania informacji za pomocą obrazu Szybko rosnąca liczba obrazów w cyfrowych przenoszących informację w coraz większej gamie zastosowań: kamery cyfrowe na użytek u domowy, fotografia cyfrowa, obrazy satelitarne wykorzystywane w meteorologii, kartografii czy urbanistyce, systemy obrazowania medycznego i biologicznego itd. Wymaganie użycia u efektywnych metod gromadzenia, indeksowania, przeglądania i wymiany tej informacji. Czy przy pomocy bitów w można przekazywać informacje o obrazach? Oczywiście, cie, należy y tylko znaleźć sposób kodowania takiej informacji. W grafice rastrowej obrazy tworzone sąs z położonych onych blisko siebie punktów pikseli o różnorodnym r kolorze, które w efekcie stwarzają pozorny obraz ciągły. w grafice wektorowej zapis obrazu oparty jest na formułach matematycznych jest to obraz, którego poszczególne elementy to fragmenty linii prostych i łuków w będących b częś ęściami figur geometrycznych oraz wszelkie złożenia z tych tworów. w. każdy element obrazu jest opisany za pomocą pewnej liczby cech (położenie, barwa itp.),, których wartości można zmieniać podczas edycji. obraz przedstawiany na urządzeniu (monitor, drukarka) jest kreślony element po elemencie. Obraz rastrowy Zdjęcie Obraz wektorowy Rysunek utworzony z 6254 obiektów

2 np. 640x400 Mapa bitowa Sposób b zapamiętania obrazu rastrowego to bitmapa- dwuwymiarowa tablica pikseli. Bitmapę charakteryzują następuj pujące właściwow ciwości: ci: wysokość i szerokość bitmapy liczona jako liczba pikseli w pionie i w poziomie (rozdzielczość) liczba bitów w na piksel opisująca liczbę możliwych do uzyskania kolorów (głębia kolorów) Głębia koloru obrazu Kolor każdego piksela jest definiowany osobno. Obrazki z głębią kolorów RGB często składają się z kolorowych pikseli zdefiniowanych przez trzy bajty- -jeden bajt (8 bitów) na każdy kolor, czyli jest to głębia 24- bitowa. Głębia n-bitowa daje możliwość reprezentowania 2 n różnych barw Mapy 1-bitowe to mapy czarno-białe w 24-bitowych (2 24 ) jest kolorów itd. Głębia obrazu a jego jakość głębia 8-bitowa (256 kolorów) głębia 4-bitowa (16 kolorów) głębia 1-bitowa (2 kolory) Głębia koloru obrazu Im większa głęg łębia tym dokładniejszy obraz, ale także tym więcej miejsca na dysku zajmie plik. Przykładowo: jeśli mamy 8-bitow8 bitową głębię koloru na obrazie można będzie b wyświetli wietlić 2 8 =256 odcieni danego koloru. Jest to także e zakres barw wyświetlanych wietlanych na monitorze. Przy jednakowej wielkości ci,, obrazy o mniejszej głęg łębi zawierają mniej informacji i ogląda się je z pewnym dyskomfortem. Głębia koloru Oznaczenie Ilość kolorów możliwych do wyświetlenia 1-bitowa (np.. biały y i czarny) 8-bitowa bitowa bitowa Rozdzielczość i skalowanie obrazu operacja zmiany rozmiaru Skalowanie obrazu jest zależna od rozdzielczości wolne skalowanie; wiąże się z utratą jakości obrazka powiększanie: nie zależy od rozdzielczości szybkie, bezpieczne skalowanie, bez straty jakości powiększanie: Uwidocznione pojedyncze piksele Bez strat

3 Skalowanie obrazu Skalowanie obrazu -pomniejszanie -pomniejszanie Tracimy bardzo wiele szczegółów oryginalnego rysunku Bez strat Dlaczego obrazów w rastrowych nie da się skalować? Raster ma stałą liczbę pikseli (rozdzielczość ść), przy powiększeniu mapy bitowej występuje efekt powiększenia piksela nie jest możliwe wielokrotne powiększenie bez utraty jakości gdyż w obrazie oryginalnym brak wystarczającej cej ilości detali, które pozwalałyby na zbliżenie tego rzędu du. Skalowanie rysunku wektorowego Odcinek jest zapamiętywany jako zbiór dwóch punktów (początkowy i końcowy) o określonych współrzędnych, dzięki temu obliczane są punkty pośrednie. Powiększenie/pomniejszenie odcinka w tym przypadku polega na obliczeniu nowych współrzędnych dla obu punków, a następnie na nowo, na obliczeniu punktów pośrednich i wyświetleniu ich na ekranie. (Elipsa jest zapamiętywana w postaci dwóch ognisk elipsy i dwóch średnic) Rozdzielczość rastra a rozmiar pliku Rozdzielczość rastra a rozmiar pliku Im dany obrazek ma wyższ szą rozdzielczość ść,, tym większy jest jego rozmiar Na wielkość obrazka wpływ ma również ilość możliwych do zapamiętania kolorów. Im więcej kolorów tym większa objętość Szerokość bazowa (33401 B) 2/3 szerokości Bazowej (7506 B) 1 /2 szerokości bazowej (4975 B) 1/3 szerokości bazowej (2892 B) 1/12 szerokości Bazowej (709 B)

4 Kompresja danych Polega na zmianie sposobu zapisu informacji w taki sposób, aby zmniejszyć redundancję i tym samym objętość zbioru, nie zmieniając przenoszonych informacji. Innymi słowy chodzi o wyrażenie tego samego zestawu informacji, lecz za pomocą mniejszej liczby bitów. Kompresja danych Po co stosować kompresje? Oszczędność miejsca, pieniędzy, czasu transmisji itp. Prędkość wyszukiwania wyszukiwanie w tekście skompresowanym odpowiednim algorytmem może być szybsze niż wyszukiwanie w oryginalnym tekście (tekst wcale nie musi tez oznaczać tekstu ludzkiego ale może np. być zapisem DNA) Skąd d możliwo liwość kompresji? Redundancja (nadmiarowość ść) Informacje w danych powtarzają się (np.. język j potoczny), p. kody ISBN, formularze osobowe (PESEL zawiera datę urodzenia...) Różne sposoby reprezentacji np.. reprezentacja grafiki rastrowa i wektorowa.. Ograniczenia percepcji wzrokowej słuchowej Co kompresujemy? Mowa (np. w telefonii komórkowej, internetowej) Muzyka (np. utwory w formacie MP3) Dane video (np. filmy na DVD, w formacie DivX) Teksty (np. udostepniane w archiwach takich jak Project Gutenberg) Pliki wykonywalne (np. wersje instalacyjne oprogramowania) Bazy danych Zalety stosowania kompresji Wady stosowania kompresji Przesyłanie większej ilości danych w tym samym czasie (np. satelity telekomunikacyjne) Przesyłanie danych w krótszym czasie Praca większej liczby użytkowników na łączu o tej samej przepustowości (np. Internet) Duże rozmiary przechowywanych danych (rozmiary i koszty dysków twardych) Wygoda operowania plikami o mniejszych rozmiarach (film jakości DVD zajmuje jedna płyte DVD, a nie 20) Konieczność wykonania dekompresji przed użyciem u danych Czasami wymagana jest duża a moc obliczeniowa, aby kompresja/dekompresja mogła a być wykonywana w czasie rzeczywistym

5 Metody stratne i bezstratne bezstratne - z postaci skompresowanej moż można odzyskać odzyskać identyczną identyczną postać postać pierwotną pierwotną stratne - takie odzyskanie jest niemoż niemożliwe, jednak gł główne wł właściwoś ciwości któ które nas interesują interesują zostają zostają zachowane, np. np. jeś jeśli kompresowany jest obrazek, nie wystę występują pują w postaci odtworzonej widoczne ró różnice w stosunku do oryginał oryginału. Metody bezstratne zastosowania Teksty Bazy danych Obrazy medyczne (!) Programy komputerowe Archiwizacja danych Przed kompresją kompresją (800kB) Metody stratne i bezstratne Kompresja bezstratna jest odwracalna pozwala odtworzyć odtworzyć oryginalną oryginalną zawartość zawartość danych Kompresja stratna jest nieodwracalna nie odzyskamy danych w oryginalnej postaci Metody stratne zastosowania Obrazy Utwory muzyczne Mowa Dane wideo Po kompresji stratnej (64kB)

6 A może e zawsze kompresować stratnie? Teksty list do rodziców w z kolonii: Mamo przyślij kasę Mamo przyślij kasze Bazy danych stan konta: zł z złz lub zł z 200 złz Obrazy rentgenowskie błędna diagnoza Programy komputerowe program zawiesi się albo zacznie wykonywać błędne operacje Kompresja danych Wiele formatów w graficznych opierających się na grafice rastrowej (GIF,JPEG) stosuje techniki pozwalające przechowywać informacje w postaci skompresowanej. Zmiany często są niezauważalne, a istotne dla zmniejszenia rozmiaru pliku. Kompresja danych Przy zapisie obrazu bez kompresji informacje o poszczególnych pikselach następuj pują jedna po drugiej w ustalonej kolejności ci. Kompresja danych Zamiast zapisywać stan każdego piksela, można np. zastąpi pić powtarzający się znak jego jednym egzemplarzem z adnotacją o liczbie powtórze rzeń. Inny sposób b to analiza często stości występowania ciągów znaków,, analiza zmiany koloru kolejnych punktów. Rysunki o obszarach ach wypełnion nionych tą samą barwą (np. błękitne niebo) ) zajmują wtedy mniej miejsca w pliku. Kompresja obrazów o skomplikowanej i różnorodnej r treści jest mniej efektywna. Obrazki JPEG o stopniach kompresji 10%, 50% i 99% Kompresja danych Typowe zastosowania Po lewej stronie- dwukrotnie powiększony środek spirali. Z prawej strony nałożony na niego efekt "wykrywanie krawędzi". Filtr wykrywa krawędzie tylko na przejściach między kolorami. Po lewej stronie -dwukrotnie powiększony środek spirali, która wcześniej została silnie skompresowana. Z prawej strony nałożony na niego efekt "wykrywanie krawędzi". Filtr zaczyna się gubić, wykrywa krawędzie wszędzie tam, gdzie zachodzi podział na kwadraty, działanie filtra ujawnia także zwiększoną liczbę przekłamań w kolorach Znakomicie sprawdza się w przypadku zapisywania zdjęć i realistycznych obrazów (tu każdy punkt może mieć inną barwę i nasycenie). Jest w tym przypadku bardziej użyteczna od wektorowej,gdyż trudno jest przełożyć na krzywe obraz rzeczywisty jaki widzimy w danym momencie. Wszelkiego rodzaju wykresy i rysunki techniczne, prezentacja danych i modelowanie, prezentacja tekstu. Zapis wektorowy jest odpowiedni także dla gotowych dokumentów (również tekstów) nie przeznaczonych do dalszej edycji, a do rozpowszechniania w formie elektronicznej w zamkniętej postaci.

7 Konwersja formatu zapisu obrazu Przed opublikowaniem w sieci grafiki wektorowe przekształca się w ich odpowiedniki rastrowe. Jest to podyktowane konieczności cią zachowania możliwo liwości wyświetlenia wietlenia obiektów w graficznych w różnych systemach. Wyjątkiem sąs tutaj np.. prezentacje Flash i Shockwave,, które dzięki istnieniu wtyczek (plug( plug- ins) do przeglądarek sa "rozumiane" przez większo kszość komputerów. Konwersja formatu zapisu obrazu Digitalizacja - przekształcenie obrazka wektorowego w rastrowy (łatwa operacja): Nałóż siatkę kwadratów na rysunek Zapomnij o oryginalnym rysunku Zamaluj każdy kwadrat dominującym kolorem Pamiętaj układ punktów barwnych (pikseli) Konwersja formatu zapisu obrazu Wektoryzacja - przekształcenie obrazka rastrowego w wektorowy (trudna operacja): 1. W układzie barwnych pikseli rozpoznaj przebiegające linie,okręgi,litery i inne znaki, obszary jednobarwne i ich brzegi 2. Zapamiętaj ich parametry Formaty plików w graficznych Formaty plików w graficznych różnir nią się między sobą pod następuj pującymi względami: sposób b reprezentacji danych obrazka (piksele lub wektory), techniki kompresji, obsługiwane funkcje programów w graficznych. 3. Zapomnij o oryginalnym rysunku Formaty zapisu grafiki rastrowej Formaty zapisu grafiki rastrowej: JPEG JPEG 2000 GIF PNG BMP Formaty zapisu grafiki wektorowej: SVG EPS JPEG (Joint( Photographic Experts Group Format) Jest formatem plików w stworzonym do przechowywania obrazów, które wymagają "pełnego koloru", ale nie mają zbyt wielu ostrych krawędzi i małych detali - a więc zdjęć pejzaży, portretów i innych "naturalnych" obiektów Algorytm kompresji używany u przez JPEG jest algorytmem stratnym Możliwość kontroli stopnia kompresji w jej trakcie umożliwia dobranie stopnia do danego obrazka,w taki sposób b aby uzyskać jak najmniejszy plik, ale o zadowalającej jakości.

8 Przykłady kompresji JPEG Przykłady kompresji JPEG 20:1 50:1 100:1 JPEG 2000 Przykłady kompresji JPEG :1 200:1 50:1 nastę następca powszechnie stosowanego JPEG oparty jest on na technologii Wawelet. Wawelet. format ten zapewnia lepszą lepszą jakość jakość obrazu i zapewnia kompresję kompresję wysokiego stopnia, umoż umożliwia zapisanie i odczytanie wszystkich waż ważnych skł składowych obrazu, redukują redukując zniekształ zniekształcenia lepiej niż niż format jpeg. jpeg. GIF (Graphics Interchange Przykłady kompresji JPEG :1 200:1 Format) format pliku graficznego z kompresją kompresją bezstratną bezstratną, GIFGIF-y są czę często uż używane na stronach WWW umoż umożliwia niezależ niezależną sprzę sprzętowo, transmisję transmisję grafiki online. online. Wada: Wada: brak jest moż możliwoś liwości zapisu plikó plików graficznych w formacie True Color. Color. Zachowany w tym formacie obraz moż może być być czarnoczarno-biał biały, w odcieniach szaroś szarości lub kolorowy (maksymalnie 256 barw). Pliki w tym formacie mogą mogą zawierać zawierać kilka obrazó obrazów, umoż umożliwia to tworzenie dzię dzięki nim animacji, przydatny jest w banerach, banerach, butonach i obrazkach. Moż Może przechowywać przechowywać informację informację o kanale alfa (przezroczystość ). (przezroczystość).

9 BMP jeden z popularniejszych formatów w przechowywania obrazu w pamięci komputera, format ten wylansowała firma Microsoft jako podstawowy format zapisu danych plików w graficznych. Format ten obecnie jest używany u w systemie Windows i DOS. Zachowując c pliki w tym formacie, można wybrać odmianę Microsoft Windows lub OS/2 oraz głęg łębię pikseli - od 1 do 24 bitów. W przypadku obrazków w 4-4 i 8-bitowych 8 można ponadto skorzystać z kompresji Run-Length Length-Encoding (RLE). Obraz jest przechowywany bitmapa. Piksele sąs zapisywane bez żadnej kompresji z tego powodu rozmiary plików w sąs bardzo duże. SVG (Scalable( Vector Graphics) format grafiki internetowej, polega on na podobnym do języka j HTML opisie grafiki (język XML), został on opracowany przez organizację zajmującą się rozwijaniem językj zyków w hipertekstowych w3c.org. Obrazy SVG sąs łatwo skalowalne, bardzo małe, mogą być również animowane i przeźroczyste. roczyste. Obrazy generowane za pomocą SVG sąs grafiką wektorową i nie nadają się do zapisu zdjęć. PNG format graficzny wykorzystujący kompresję bezstratną. Jest formatem pozbawionym ograniczeń narzucanych przez właściciela w praw patentowych - stworzony przez internautów w może e być używany bez opłat. jest jedynym wieloplatformowym formatem bitmapowym, istnieje w nim możliwo liwość zdefiniowania stopnia przeźroczysto roczystości ci - tzw. kanału alpha.. 24-bitowy format opracowany jako alternatywa dla formatu GIF, PNG zapewnia lepszy stopień kompresji (pliki sąs od 10 do 30%). Nie może e jednak służyćs do tworzenia animacji, ponieważ nie pozwala na przechowywanie wielu obrazków w w pojedynczym pliku. Zachowując c plik w formacie PNG, można wybrać opcję sukcesywnego pojawiania się obrazków sprowadzanych z sieci (kolejne przybliżenia wnoszą coraz więcej szczegółów). TIFF (Tagged Image File Format) format ten pozwala na zapisywanie obrazów w stworzonych w trybie kreskowym, skali szarości oraz w wielu trybach koloru i wielu głęg łębiach bitowych koloru. używany do wymiany plików w między aplikacjami i różnymi r platformami sprzętowymi. format z kompresją bezstratną TIFF oparty jest na koncepcji tagów.. Tagi dostarczają informacji na temat obrazu, jeden z nich jest wskaźnikiem do całego obrazka. SąS to informacje dotyczące ce typu kompresji, rozmiaru, kolejności bitów, oraz autora, daty i oprogramowania źródłowego. TIFF 5.0 definiuje 45 tagów. TIFF jest standardem szeroko używanym u jednak zawiera wiele różnych r wersji i tagów,, co często stanowi problem. EPS (Encapsulated PostScript) format PostScript z pewnymi ograniczeniami, którego głównym przeznaczeniem jest przechowywanie pojedynczych stron zawierających grafikę komputerową w postaci umożliwiaj liwiającej osadzanie ich w innych dokumentach. Są rozpoznawane przez większo kszość programów ilustracyjnych; w większo kszości przypadków w jest to format preferowany aplikacji.

10 Plik bez formatu Grafika 3D / Animacja Można przenosić między aplikacjami i platformami komputerowymi. Składa się ze strumienia bajtów w opisujących informacje o kolorach. Każdy piksel jest opisany binarnie; 0 oznacza czerń,, a biel. Można zadeklarować rozszerzenie nazwy pliku dla Windows, Macintosh'a oraz informacje nagłówkowe. Obrazek można zachować z formacie z przeplotem i bez przeplotu. W pierwszym przypadku wartości kolorów w (na przykład czerwony, zielony i niebieski) sąs zapisywane sekwencyjnie. Wybór r zależy y od wymagań aplikacji docelowej, w której plik ma być otwierany. Grafika 3D przedstawiana na płaszczyźnie jako rzut 3 wymiarowej sceny zaawansowane techniki pozwalają na zmianę projekcji, na poruszanie się w prezentowanej przestrzeni (np. gry komputerowe, standardem w Internecie jest format VRML Virtual Reality Markup Language) Animacja formaty MPEG, QuickTime, AVI Kodowanie dźwid więku Reprezentacja dźwid więku Fala dźwiękowa to sygnał analogowy, komputer przetwarza sygnały cyfrowe; potrzebna jest więc transformacja Karta dźwiękowa określa natężenie dźwięku w danym momencie i zapisuje je w postaci liczby 8 lub 16-to bitowej (jest to tzw. rozdzielczość próbkowania) Pomiary te trzeba powtarzać tym częściej, im większe częstotliwości występują w fali (jest to tzw. częstotliwość próbkowania) Ucho odbiera dźwięki do ok. 22 khz; by nie tracić jakości należy stosować częstotliwość próbkowania 44 khz (kryterium Nyquist a) Kodowanie dźwid więku Przykłady: digitalizacja 10s dźwięku 8 bit, 8 khz, 78 KB (jakość rozmowy telefonicznej) 16 bit, 44 khz, 860 KB (jakość CD) Początkowo istniały 3 konkurencyjne formaty: wav - platforma MS Windows aiff - platforma Apple Macintosh au - platforma Unix (Solaris) Kodowanie dźwid więku popularne formaty mp3 (MPEG Audio Layer 3); zaleta: kompresja dźwięku przy jakości CD mp3 daje 12-krotną kompresję, przy niższej jakości jeszcze większą Ogg Vorbis to stratny kodek dźwięku z rodziny Ogg. Bardzo często używany jest w połączeniu z kontenerem Ogg i nosi wtedy nazwę Ogg Vorbis, często błędnie zapisywaną tylko jako Ogg. Ogg Vorbis potrafi obsłużyć do 255 kanałów i ponad 16-bitowy dźwięk w zakresie 6-48 khz.

11 Kodowanie dźwid więku popularne formaty mp3 objęty prawem autorskim, za jego użycie trzeba płacić (sierpień 2002: opłaty licencyjne obejmują teraz nie tylko kodowanie do mp3, ale również odtwarzanie mp3) Ogg Vorbis dostępny za darmo, Przykłady kodowania 6-cio minutowej piosenki: wav: 66 MB mp3: 9 MB ogg: 6 MB