Technologie cyfrowe semestr letni 2018/2019 Tomasz Kazimierczuk
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
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
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: 101 101 101 101 101 01 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 01 01 01 111 111 111 111 111 111 100 100 100 100 100 1101 1101 1101 1101 01 01 1100 wynik: 100 bitów Wizualizacja algorytmu: https://people.ok.ubc.ca/ylucet/ds/huffman.html
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
Idea współczesnej fotografii barwnej 1861 - James Clerk Maxwell zademonstrował projekcję trzech wyciągów kolorowych przez trzy kolorowe filtry
Idea współczesnej fotografii barwnej niebieski
Idea współczesnej fotografii barwnej niebieski + zielony
Idea współczesnej fotografii barwnej niebieski + zielony + czerwony
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
Standardowy wykres barwności Y Commission Internationale d'eclairage (CIE) 1931 kolory służące do definicji bazy: X 700.0 nm R 546.1 nm G 435.8 nm B x y z R=( 0.720; 0.280; 0.000 ) G=( 0.313; 0.681; 0.0055) B=( 0.162; 0.022; 0.0815) CIE(1964) Z
Przestrzeń barwna przy odtwarzaniu obrazu Y z których 3 kolorów najlepiej składać obraz? przykład RGB: X wyświetlacz Z
Systemy kolorów RGB (Red-Green-Blue) Podstawowy system w wyświetlaczach fizyka.umk.pl/~milosz
Systemy kolorów CMYK (Cyan-Magenta-YellowblacK) Najpopularniejszy system subtraktywny Drukarki, etc. Czwarty barwnik (K) dla zwiększenia kontrastu fizyka.umk.pl/~milosz
Systemy kolorów HSV (Hue-Saturation-Value) Alternatywna reprezentacja przestrzeni RGB odpowiadająca ludzkiej percepcji (nie mylić z systemem LAB) http://colorizer.org/ fizyka.umk.pl/~milosz
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 = 16777216 kolorów Jakie to kolory? 00 00 00, 00 FF 00, FF FF FF
Kompresja bezstratna Co jeżeli w obrazie jest mniej kolorów niż 2 24 = 16 777 216? Np. 16 kolorów jak na rysunku obok? Krótsze opisy kolorów, np. po 4 bity zamiast 24 na każdy piksel. Paleta kolorów standardowa lub indeksowana
Format GIF (Graphics Interchange Format) Format bezstratny Limit 256 kolorów Przezroczystość (0/1) Kompresja Przeplot (Interlacing) Ładowanie stopniowe Animacja Problemy własnościowo-patentowe
Format PNG (Portable Network Graphics) Format bezstratny odpowiedź na problemy patentowe GIF Przezroczystość (płynnie) Pełna paleta RGB Kompresja Przeplot (Interlacing) Animacja Problemy własnościowo-patentowe
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
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 72.00 Y resolution 72.00 Resolution unit Inch Exposure time 1/659 s F-number f/4.0 Exposure program Normal program
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
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
Działanie JPEG [rozkład Fouriera] Analog 2D: http://science4all.com
Systemy kolorów YPbPr Składowa luminancji Dwie różnicowe chrominancje wikipedia.org
Formaty rastrowe +animacja +przezroczystość +zdjęcia +ostre krawędzie +jednolite wypełnienia
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, http://www.studio-progresiv.pl/format-raw-w-fotografii/ Nie wszystkie aparaty cyfrowe pozwalają na zapis zdjęć w formacie RAW.
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
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?
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
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? 10 10 6 12 / 8 / 1024 / 1024 = 14.3 MiB! http://en.wikipedia.org/wiki/exmor