Technologie cyfrowe semestr letni 2018/2019

Transkrypt

1 Technologie cyfrowe semestr letni 2018/2019 Tomasz Kazimierczuk

2 Kompresja Kompresja bezstratna: z postaci skompresowanej można odtworzyć całkowitą informację wejściową. Kompresja polega na zastosowaniu algorytmów usuwających redundantne (=powtarzające się) sekwencje danych. Najprostszy wariant: kodowanie długości serii (ang. Run Length Encoding, RLE): Sekwencja oryginalna: wwwwwiiiikkkkkkkiiippppppeeeeeddddiia bajtów: 37x1 = 37 Sekwencja skompresowana: 5w4i7k3i6p5e4d2i1a bajtów: 18x1 = 18 Stopień kompresji: 37/18 = 2

3 Kompresja Sekwencja oryginalna: wwwwwiiiikkkkkkkiiippppppeeeeeddddiia rozmiar: 37Bx1 = 37B = 296bit RLE: 5w4i7k3i6p5e4d2i1a rozmiar: 18Bx1 = 18B = 144bit Klucze stałej długości (3 bity na literę) rozmiar: 37 x 3bit = 11bit Entropia Shannona: Litera Krotność w 5 i 9 k 7 p 6 e 5 d 4 a 1

4 Kodowanie Huffmana Sekwencja oryginalna (tekst): wwwwwiiiikkkkkkkiiippppppeeeeeddddiia Litera Krotność w 5 i 9 k 7 p 6 e 5 d 4 a 1 Słowa kodowe wg. kodowania Huffmana: a 1100, d 1101, e 100, i 01, k 00, p 111, w 101 Sekwencja skompresowana: wynik: 100 bitów Wizualizacja algorytmu:

5 Kompresja Sekwencja oryginalna: wwwwwiiiikkkkkkkiiippppppeeeeeddddiia rozmiar: 37Bx1 = 37B = 296bit RLE: 5w4i7k3i6p5e4d2i1a rozmiar: 18Bx1 = 18B = 144bit Klucze stałej długości (3 bity na literę) rozmiar: 37 x 3bit = 11bit Entropia Shannona: Litera Krotność w 5 i 9 k 7 p 6 e 5 d 4 a 1 Algorytm Huffmana: Rozmiar: 100bit

6 Idea współczesnej fotografii barwnej James Clerk Maxwell zademonstrował projekcję trzech wyciągów kolorowych przez trzy kolorowe filtry

7 Idea współczesnej fotografii barwnej niebieski

8 Idea współczesnej fotografii barwnej niebieski + zielony

9 Idea współczesnej fotografii barwnej niebieski + zielony + czerwony

10 Mechanizm widzenia kolorów U kręgowców za widzenie barwne odpowiadają Komórki czopków w siatkówce oka światło pręciki czopki za charakterystykę widzenia barw odpowiadają krzywe absorpcji barwników występujących w oku: opsyn

11 Standardowy wykres barwności Y Commission Internationale d'eclairage (CIE) 1931 kolory służące do definicji bazy: X nm R nm G nm B x y z R=( 0.720; 0.280; ) G=( 0.313; 0.681; ) B=( 0.162; 0.022; ) CIE(1964) Z

12 Przestrzeń barwna przy odtwarzaniu obrazu Y z których 3 kolorów najlepiej składać obraz? przykład RGB: X wyświetlacz Z

13 Systemy kolorów RGB (Red-Green-Blue) Podstawowy system w wyświetlaczach fizyka.umk.pl/~milosz

14 Systemy kolorów CMYK (Cyan-Magenta-YellowblacK) Najpopularniejszy system subtraktywny Drukarki, etc. Czwarty barwnik (K) dla zwiększenia kontrastu fizyka.umk.pl/~milosz

15 Systemy kolorów HSV (Hue-Saturation-Value) Alternatywna reprezentacja przestrzeni RGB odpowiadająca ludzkiej percepcji (nie mylić z systemem LAB) fizyka.umk.pl/~milosz

16 Formaty graficzne Grafika rastrowa (bitmapa): reprezentacja obrazu jako dwuwymiarowej siatki punktów o różnych kolorach. Kolor każdego piksela jest kodowany jako suma trzech podstawowych kolorów: czerwony, niebieski, zielony (RGB) Zwykle przeznacza się 1 bajt na poziom każdego z kolorów, co daje: 2 8 = 256 poziomów dla każdego z kolorów (min 0x0, max 0xFF) 3x8 = 24 bity na kodowanie kolorów 24 bity koduje 2 24 = kolorów Jakie to kolory? , 00 FF 00, FF FF FF

17 Kompresja bezstratna Co jeżeli w obrazie jest mniej kolorów niż 2 24 = ? Np. 16 kolorów jak na rysunku obok? Krótsze opisy kolorów, np. po 4 bity zamiast 24 na każdy piksel. Paleta kolorów standardowa lub indeksowana

18 Format GIF (Graphics Interchange Format) Format bezstratny Limit 256 kolorów Przezroczystość (0/1) Kompresja Przeplot (Interlacing) Ładowanie stopniowe Animacja Problemy własnościowo-patentowe

19 Format PNG (Portable Network Graphics) Format bezstratny odpowiedź na problemy patentowe GIF Przezroczystość (płynnie) Pełna paleta RGB Kompresja Przeplot (Interlacing) Animacja Problemy własnościowo-patentowe

20 Format JPEG (Joint Photographic Expert Group) Format stratny regulowany stopień kompresji Brak przezroczystości Brak możliwości animacji Działa na blokach 8x8 pikseli 3x8-bitowa głębia koloru

21 Exif format standaryzacji metadanych Umieszczany standardowo przez aparaty fotograficzne w plikach JPG Tag Manufacturer Model Value CASIO QV-4000 Orientation (rotation) top-left [8 possible values [22] ] Software Ver1.01 Date and time 2003:08:11 16:45:32 YCbCr positioning centered Compression JPEG compression X resolution Y resolution Resolution unit Inch Exposure time 1/659 s F-number f/4.0 Exposure program Normal program

22 Formaty graficzne Ile miejsca zajmuje rysunek rastrowy o rozdzielczości 1280x1024? 24 bity x 1280 x 1024 / 8 /1024 /1024 = 3.75 MiB Formaty graficzne z kompresją bezstratną: PNG, TIFF, Formaty graficzne z kompresją stratną: JPEG (kompresja JPEG najlepiej odzwierciedla tekstury, najsłabiej krawędzie) Przykład obok: jakość 100 kompresja 2.6:1 jakość 50 kompresja 15:1 jakość 1 kompresja 144:1 By Toytoy at en.wikipedia CC BY-SA 3.0

23 Formaty graficzne Ile miejsca zajmuje rysunek rastrowy o rozdzielczości 1280x1024? 24 bity x 1280 x 1024 / 8 /1024 /1024 = 3.75 MiB Formaty graficzne z kompresją bezstratną: PNG, TIFF, Formaty graficzne z kompresją stratną: JPEG (kompresja JPEG najlepiej odzwierciedla tekstury, najsłabiej krawędzie) Przykład obok: jakość 100 kompresja 2.6:1 jakość 50 kompresja 15:1 jakość 1 kompresja 144:1 By Toytoy at en.wikipedia CC BY-SA 3.0

24 Działanie JPEG [rozkład Fouriera] Analog 2D:

25 Systemy kolorów YPbPr Składowa luminancji Dwie różnicowe chrominancje wikipedia.org

26 Formaty rastrowe +animacja +przezroczystość +zdjęcia +ostre krawędzie +jednolite wypełnienia

27 Formaty graficzne RAW: format zapisu zdjęć cyfrowych zachowujący pełną (surową, ang. raw) informację o danych uzyskanych przez matrycę światłoczułą, bez żadnych modyfikacji (i kompresji) które zwykle wykonuje oprogramowanie aparatu zapisując zdjęcie w formatach wyższego poziomu. Kamil Rumiński, Nie wszystkie aparaty cyfrowe pozwalają na zapis zdjęć w formacie RAW.

28 Cyfryzacja obrazu Fotografia cyfrowa: pomiar jasności pikseli (punktów) matrycy, na którą pada światło. Rozmiar matrycy: rzędu milionów pikseli Rozmiar pojedynczego piksela w matrycach telefonów komórkowych: rzędu 2x2 µm Liczba bitów kodujących natężenie światła: zależy od ADC (ang. Analog to Digital Converter) zwykle 12 Jak jest rozpoznawany kolor? Photographs by Jack/The Landingfield and used with permission

29 Cyfryzacja obrazu Fotografia cyfrowa: pomiar jasności pikseli (punktów) matrycy, na którą pada światło. Rozmiar matrycy: rzędu milionów pikseli Rozmiar pojedynczego piksela w matrycach telefonów komórkowych: rzędu 2x2 µm Liczba bitów kodujących natężenie światła: zależy od ADC (ang. Analog to Digital Converter) zwykle 12 Jak jest rozpoznawany kolor?

30 Cyfryzacja obrazu Fotografia cyfrowa: pomiar jasności pikseli (punktów) matrycy, na którą pada światło. Rozmiar matrycy: rzędu milionów pikseli Rozmiar pojedynczego piksela w matrycach telefonów komórkowych: rzędu 2x2 µm Liczba bitów kodujących natężenie światła: zależy od ADC (ang. Analog to Digital Converter) zwykle 12 Photographs by Jack/The Landingfield and used with permission

31 Cyfryzacja obrazu Fotografia cyfrowa: pomiar jasności pikseli (punktów) matrycy, na którą pada światło. Rozmiar matrycy: rzędu milionów pikseli Rozmiar pojedynczego piksela w matrycach telefonów komórkowych: rzędu 2x2 µm Liczba bitów kodujących natężenie światła: zależy od ADC (ang. Analog to Digital Converter) zwykle 12 Weźmy matrycę 10 MP. Ile danych trzeba zapisać dla jednego zdjęcia? / 8 / 1024 / 1024 = 14.3 MiB!