Studia Podyplomowe INFORMATYKA TECHNIKI MULTIMEDIALNE dr Artur Bartoszewski
Budowa ludzkiego oka Wg http://www.zdrowie.med.pl/oczy/anat_i_fizjo/a_oczy.html
Parametry fizyczne oka Podstawowe parametry: zmienna ogniskowa (zmiana kątów załamania soczewki) zdolność akomodacji (od odległości dobrego widzenia do nieskończoności) mierzona w dioptriach 4 D tłumienie soczewki i ciała szklistego ok.. 50% energii zdolność rozdzielcza 140 mln pręcików i 7 mln czopków bezwzględny próg czułości 4*10-17 J (1 kwant promieniowania na 1 pręcik) mechanizmy adaptacji: czopki tylko widzenie jasne (fotopowe), pręciki widzenie ciemne (skotopowe) Efekt Purkinjego inaczej oceniamy względną jasność przedmiotów o odmiennej barwie przy adaptacji jasnej i ciemnej wady procesu widzenia aberracja sferyczna i chromatyczna, astygmatyzm
Parametry fizyczne oka
Parametry fizyczne oka
Parametry fizyczne oka
Parametry fizyczne oka
Parametry fizyczne oka
Parametry fizyczne oka
Parametry fizyczne oka
Parametry fizyczne oka
Parametry fizyczne oka
Parametry fizyczne oka
Parametry fizyczne oka
Parametry fizyczne oka
Parametry fizyczne oka
Parametry fizyczne oka
Parametry fizyczne oka
Oko kontra mózg
Widzenie barw Oko odbiera tylko część promieniowania nań padającego. Związane jest to z własnościami fizyko-chemicznymi rogówki, czopków i pręcików. Odbieramy światło, które mieści się w zakresie tzw. okna optycznego czyli od ok. 400nm do ok. 700nm. Rysunek przedstawia krzywą czułości widmowej oka ludzkiego dla widzenia jasnego i ciemnego.
Widzenie stereoskopowe 1. Najważniejsze: istnienie pary oczu obserwujących ten sam obiekt umożliwienie oceny odległości gdyż obrazy każdego oka różnią się. 2. Przedmioty położone bliżej przesłaniają te położone dalej oraz zamglenie tych dalej 3. Światła i cienie - ocena bryłowatości 4. Perspektywa oraz wysiłek akomodacyjny oczu, szybsze przemieszczanie się obiektów bliższych
Widzenie stereoskopowe
Rodzaje światła 1. Achromatyczne 2. Monochromatyczne 3. Złożone 4. Białe
Barwa i kolor Barwa, to względny parametr oceny światła monochromatycznego (o dokładnie jednej długości fali). Kolor, to względny parametr oceny światła złożonego (o różnych długościach fali) Kolor może być biały lub czarny, barwa NIGDY.
Dodawanie światła Światło sumacyjne addytywne, odbierane przez oko bezpośrednio ze źródeł promieniowania (nawet jeśli użyte są filtry) podstawowy model koloru RGB nałożenie wszystkich barw składowych kolor biały Światło różnicowe substraktywne, odbierane przez oko po odbiciu od różnych powierzchni (różne zdolności do odbijania i pochłaniania różnych składowych widma światła białego) podstawowy model koloru CMY nałożenie wszystkich barw kolor czarny
Pojęcie przestrzeni barw Przestrzenie barw inaczej nazywane są modelami barw i oznaczają naukowego opisu barw przy użyciu pojęć i zapisów ilościowych. Specyfikowanie barw musi być tak wykonane, aby nie zależało od konkretnego urządzenia (wejściowego lub wyjściowego). Podstawowym elementem specyfikacji jest określenie sposobu odbioru światła: perceptualnie (np. CIE) transmisyjnie addytywnie (RGB) odbiciowe substraktywne (CMYK)
Prawo Grassmana Każdą dowolnie wybraną barwę można otrzymać za pomocą trzech liniowo niezależnych barw. Trzy barwy tworzą układ niezależnych liniowo barw jeżeli dowolne zsumowanie dwóch z nich nie może dać trzeciej barwy układu. Cyan G Yellow R B Magenta Model RGB Model CMY
Modele barw Jeżeli w grafice komputerowej chcemy korzystać z barw w sposób precyzyjny, to musimy umieć je określić i mierzyć - J. Foley Modele barw: Ukierunkowane na użytkownika - HSV Ukierunkowane na sprzęt - RGB, CMY, CMYK Niezależne od urządzenia - CIE Yxy, CIE La*b*
Model addytywny Przestrzeń barw RGB nazywana jest naturalnym językiem barw wielu urządzeń tj.: monitory, skanery, cyfrowe fotoaparaty Powstałe w wyniku sumowania kolory są zawsze jaśniejsze od barw podstawowych Barwy: czerwona R, zielona G i niebieska B o maksymalnych jasnościach dodane do siebie dają kolor biały Równe jasności (niemaksymalne) 3 podstawowych barw dają różne odcienie szarości
RGB Source: www.wikipedia.pl
Barwa piksela = (r,g,b) RGB B 1 R = (1,0,0) G = (0,1,0) B = (0,0,1) 0 C = (0,1,1) M = (1,0,1) 1 Y = (1,1,0) R czarna = (0,0,0) biała = (1,1,1) neutralna 50% szarość = (0.5, 0.5, 0.5) 1 G Source: www.wikipedia.pl
Model substraktywny Podstawowe kolory tego modelu powstają jako wynik odejmowania barw podstawowych RGB od światła koloru białego. Powstają: cyan C, magenta M i yellow Y. Paleta CMYK, jest wynikiem dodania pigmentu o kolorze czarnym: black Cyan pochłania czerwień, przepuszcza zielony i niebieski Magenta (purpura) pochłania zieleń, przepuszcza czerwony i niebieski Yellow (żółty) pochłania niebieski, przepuszcza czerwony i zielony Odejmowanie zachodzące w procesie odbijania światła od podłożą daje w efekcie przyciemnianie kolorów w modelu CMYK. Stąd inny efekt wydruku (model CMYK) w stosunku do obrazu na monitorze (model RGB). Obrazy do odpowiedzialnych wydruków powinny być oglądane po konwersji do CMYK. Czerń modelu CMY z powodu niedoskonałości pigmentów bardziej przypomina brudny brąz. Stąd potrzeba dodatkowego pigmentu czarnego K. Kolory modelu CMY i RGB zachodzą na siebie, ale się nie pokrywają. Wiele kolorów oglądanych na monitorze nie może być wydrukowanych!!!
CMY Source: www.wikipedia.pl
Barwa piksela = (c,m,y) CMY Y C = (1,0,0) M = (0,1,0) Y = (0,0,1) R = (0,1,1) 0 G = (1,0,1) B = (1,1,0) 1 czarna = (1,1,1) C biała = (0,0,0) neutralna 50% szarość = (0.5, 0.5, 0.5) 1 1 M Source: www.wikipedia.pl
Model barw CMYK Aby poprawić kolorystykę druku do atramentów C, M, Y dołączono atrament czarny K (black), który zastępuje (całkowicie lub częściowo) tą część atramentów C, M, Y, które w barwie CMY tworzą neutralną szarość.
Perceptualny model barw Zakres wrażliwości barwowej oczu człowieka znacznie większy od jakiegokolwiek urządzenia: aparatu cyfrowego, skanera, czy fotonaświetlarki. Już w 1920 r. CIE (Commision International de l Eclairage) zaproponowała trójwymiarową przestrzeń barw. Kolejne wymiary to: jasność, dwa następne to nasycenie barw. Przestrzeń CIE nie zależy od użytego urządzenia i jest znacznie szersza od RGB, czy CMY Praktyczne mutacje CIE to: YCC Kodak Photo CD, LAB Adobe Photoshop.
CIE L*, a*, b* Color L brightness, a passing from green to red, b passing from blue to yellow Source: www.wikipedia.pl
Praktyczne wersje CIE YCC (Photo CD by Kodak) Y luminancja (jasność), 2 kanały C przedstawiają zakresy barw od purpury do zieleni i od żółci do błękitu. Aby nie tracić pełnego zakresu barwnego należy obrazy Photo CD otwierać w przestrzeni Photoshop CIE LAB. LAB (Adobe) L kontrola jasności i kontrastu, A i B są odpowiednikami kanałów CC
Inne perceptualne przestrzenie barwne HLS H (Hue), L (Lightness), S (Saturation) HSB H (Hue), S (Saturation), B (Brightness) HSV H (Hue), S (Saturation), V (Variance)
HSV Source: www.wikipedia.pl
V v=0.8 s=0.3 S HSV Barwa = (h, s, v)
HSB Do opisu barwy światła emitowanego bywa stosowany także system HSB (Hue, Saturation, Brightness), czyli (odcień, nasycenie, jasność). Parametr odcienia odpowiada kolorom brzegowym koła barw od 0 (czerwony) przez 120 (zielony) i 240 (niebieski) do 360 (czerwony), parametr nasycenia leży w przedziale od 0 (biel) do 1.0 lub 100% (pełne nasycenie), parametr jasności leży w przedziale od 0 (czerń) do 1.0 lub 100% (jasny kolor o podanym odcieniu i nasyceniu).
Bitmapa i wektor
Grafika rastrowa Reprezentacja siatki pikseli na monitorze komputera, drukarce lub innym urządzeniu wyjściowym Source: www.wikipedia.org
Podstawowe pojęcia o o o o o o Piksel: ang. Picture Element. Podstawowa, najmniejsza część obrazu Raster: Struktura złożona z pikseli określana w ilości pikseli w poziomie i ilości pikseli w pionie, np.. 1600x1200 px Mapa bitowa lub bitmapa: Obraz utworzony w ramach struktury rastra poprzez przydzielenie poszczególnym pikselom odpowiednich atrybutów koloru Rasteryzacja: Technika tworzenia struktury rastrowej Wektoryzacja: Technika opisu obrazu przy pomocy zestawu równań Prymityw graficzny: Prosty element (linia, elipsa, prostokąt) opisywany możliwie małą liczbą punktów o podanych współrzędnych o Grafika 2D: Obraz definiowany dwoma wymiarami bez cech obrazu przestrzennego (3D) o o o Grafika 3D: Obraz definiowany dwoma wymiarami wyposażony w efekty typowe dla widzenia przestrzennego Scena: Okno projektowania grafiki Rendering: Proces tworzenia animowanej sekwencji, tworzenie obrazów danych w postaci modeli
Grafika wektorowa 1. Zapis obrazu przy pomocy równań potrzeba mniej pamięci do zapamiętania 2. Możliwe wektoryzacje. Kiedy się to opłaca? 3. Popularne zastosowania: wizytówki, reklamówki, foldery 4. Znane programy: Adobe Ilustrator, Corel Draw 5. Łączenie grafiki wektorowej z rastrową
Idea wektorowego zapisu grafiki Rysunek zapisany wektorowo jest przechowywany jako zespół standardowych elementów, takich jak linie (proste bądź krzywe), obszary, napisy, znaczniki itp. Obraz przedstawiany na urządzeniu (monitor, drukarka, ploter) jest kreślony element po elemencie. Każdy element obrazu jest opisany za pomocą pewnej liczby cech (atrybutów), których wartości można zmieniać podczas edycji. Cechy ich nazwy, właściwości i zasady edycji zależą od środowiska, w którym powstaje rysunek. Poszczególne elementy rysunku mogą się wzajemnie przesłaniać lub przenikać.
Idea wektorowego zapisu grafiki Poniższy przykład przedstawia zapis wektorowy prostego rysunku dokonany w pewnym fikcyjnym języku. rozmiar (-100, -100, 100, 100) kolor (czarny) okrąg (0, 0, 50) półokrąg górny (25, 0, 25) półokrąg dolny (-25, 0, 25) wypełnij obszar (0, - 25)
SVG <?xml version="1.0"?> <!DOCTYPE svg PUBLIC "-//W3C//DTD SVG 20001102//EN" "http://www.w3.org/tr/2000/cr-svg- 20001102/DTD/svg-20001102.dtd" > <svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="230" height="180" viewbox="0 0 460 360" > <g style="fill-opacity: 0.7; stroke:black; stroke-width: 0.1cm;" > <circle cx="6cm" cy="2cm" r="100" style="fill: red;" transform="translate(0,50)" /> <circle cx="6cm" cy="2cm" r="100" style="fill: blue;" transform="translate(70,150)" /> <circle cx="6cm" cy="2cm" r="100" style="fill: green;" transform="translate(-70,150)" /> </g> </svg> Nawet w tak prostym przykładzie wyraźnie widać problem przenośności grafiki wektorowej pomiędzy programami
SVG Ważnym formatem zapisu wektorowego jest język SVG (Scalable Vector Graphics). Zaprojektowany w roku 2000 z myślą o bezpośrednim umieszczaniu rysunków w dokumentach internetowych, okazał się wygodną platformą do wymiany informacji graficznej między różnymi środowiskami. Dane zapisywane są znakowo w pewnym języku. Odpowiedni program graficzny na podstawie tych poleceń zbuduje obrazek
Formaty zapisu grafiki wektorowej Przykładowe formaty poszczególnych aplikacji użytkowych cdr - Corel DRAW! dgn - CAD (Bentley) dwg - CAD (AutoDesk) sda - Sun StarDraw sxd - OpenOffice Draw swf - format prezentacyjny grafiki Flash wmf - format wymiany grafiki w systemach Windows
Formaty zapisu grafiki wektorowej Formaty publicznie dostępne i przenośne cgm - Computer Graphics Metafile, obiekty dwuwymiarowe dxf - CAD i GIS, obiekty dwu- i trójwymiarowe gml - GIS, obiekty trójwymiarowe fig - XFig, obiekty dwuwymiarowe mp - MetaPost, język do tworzenia rysunków technicznych w formacie PostScript odg - OpenDocument Graphics, w istocie jest to xml/svg skompresowany algorytmem zip ps - Adobe PostScript, wektorowy opis wydruku dokumentu strona po stronie svg - Scalable Vector Graphics, język znaczników do opisu dwuwymiarowych obiektów graficznych; jest obsługiwany przez wiele edytorów grafiki i przez przeglądarki internetowe wrl - Virtual Reality Modeling Language (VRML), prezentacja scen i danych trójwymiarowych
Pojemność informacyjna 1. Strony tekstu średnio 300 wyrazów na stronę, 1 bajt na literę tekst poddaje się kompresji bezstratnej pojemność informacyjna zależna od treści 2. Fotografii kolorowej fotografia analogowa teoretycznie nieskończona pojemność informacyjna straty w trakcie kwantyzacji poddaje sie kompresji stratnej kompresja bazuje na usuwaniu informacji nadmiarowych 3. Utworu muzycznego jak wyżej
Kompresja obrazu
Kompresja LZW Lempel-Ziv-Welch (skracane zwykle do LZW) to metoda strumieniowej bezstratnej kompresji słownikowej. Pomysłodawcą algorytmu jest Terry A. Welch. Metodę opisał w 1984 roku. Metoda LZW jest względnie łatwa do zaprogramowania, daje bardzo dobre rezultaty. Wykorzystywany jest m.in. w programach ARC, PAK i UNIX-owym compress, w formacie zapisu grafiki GIF, w formatach PDF i Postscript (filtry kodujące fragmenty dokumentu) oraz w modemach (V.32bis). LZW było przez pewien czas algorytmem objętym patentem, co było przyczyną podjęcia prac nad nowym algorytmem kompresji obrazów, które zaowocowały powstaniem formatu PNG.
Kompresja LZW Wartościom wejściowym o zmiennej długości (tzn. poziomym ciągom pikseli tworzących powtarzający się wzór) przypisane są kody o stałej długości Wszystkie przykładowe próbki są 8-o bitowe, rozmiaru 90x90 pikseli (8100 bajtów bez kompresji). Zauważmy, że dłuższe ciągi poziome dają lepsza kompresję.
Kompresja obrazów - algorytm JPEG Prace nad standardem rozpoczęły się w roku 1986 z inicjatywy organizacji ISO oraz CCITT. Prowadzone przez zespół ekspertów nazywany Joint Photographic Experts Group. Standard został opublikowany w 1991 roku. Definiuje cztery tryby kompresji: sekwencyjny, oparty na DCT (kompresja stratna) progresywny, oparty na DCT (kompresja stratna) sekwencyjny, bezstratny hierarchiczny
Kompresja obrazów - algorytm JPEG Założenia: Obraz monochromatyczny: tablica liczb całkowitych opisujących jasność punktów obrazu Obraz kolorowy: tablice liczb całkowitych (najczęściej 3) opisujące obraz w języku przyjętego modelu barw, np. dla modelu RGB 3 tablice określające zawartość 3 barw podstawowych
Kompresja obrazów - algorytm JPEG Algorytm kodowania obrazu 1. Konwersja obrazu do modelu YIQ (obrazy barwne) 2. Podział obrazu na bloki 3. Obliczenie transformaty kosinusowej dla bloków 4. Kwantyzacja współczynników transformaty 5. Konwersja tablicy współczynników do postaci wektora 6. Kodowanie wektora współczynników
Kompresja obrazów - algorytm JPEG Obraz jest konwertowany z kanałów czerwony-zielonyniebieski (RGB) na jasność (luminancję) i 2 kanały barwy (chrominancje). Ludzie znacznie dokładniej postrzegają drobne różnice jasności od drobnych różnic barwy, a więc użyteczne jest tutaj użycie różnych parametrów kompresji. Krok nie jest obowiązkowy (opcjonalnie można go pominąć).
Kompresja obrazów - algorytm JPEG Wstępnie odrzucana jest część pikseli kanałów barwy, ponieważ ludzkie oko ma znacznie niższą rozdzielczość barwy niż rozdzielczość jasności. Można nie redukować wcale, redukować 2 do 1 lub 4 do 1. Kanały są dzielone na bloki 8x8. W przypadku kanałów kolorów, jest to 8x8 aktualnych danych, a więc zwykle 16x8.
Kompresja obrazów - algorytm JPEG Na blokach wykonywana jest dyskretna transformacja kosinusowa (DCT). Zamiast wartości pixeli mamy teraz średnią wartość wewnątrz bloku oraz częstotliwości zmian wewnątrz bloku, obie wyrażone przez liczby zmiennoprzecinkowe. Transformata DCT jest odwracalna, więc na razie nie tracimy żadnych danych. Zastąpienie średnich wartości bloków przez różnice wobec wartości poprzedniej. Poprawia to w pewnym stopniu współczynnik kompresji.
Kompresja obrazów - algorytm JPEG Przykłady transformaty DCT obrazów
Kompresja obrazów - algorytm JPEG
Kompresja obrazów - algorytm JPEG Kwantyzacja, czyli zastąpienie danych zmiennoprzecinkowych przez liczby całkowite. To właśnie tutaj występują straty danych. Zależnie od parametrów kompresora, odrzuca się mniej lub więcej danych. Zasadniczo większa dokładność jest stosowana do danych dotyczących niskich częstotliwości niż wysokich. Współczynniki DCT są uporządkowywane zygzakowato, aby zera leżały obok siebie. Współczynniki niezerowe są kompresowane algorytmem Huffmana. Są specjalne kody dla ciągów zer.
Formaty zapisu obrazu GIF Standardowa metoda kodowania skanowanych i generowanych komputerowo obrazów zdefiniowana przez CompuServe w 1987r. Czym jest GIF? Ilość kodowanych kolorów 1. Format plików (*.gif) 2. Format strumienia danych przesyłanych z komputera głównego do terminala graficznego Maksymalnie 256 barw. Piksele są zapisywane przy użyciu najmniejszej koniecznej liczby bitów: 256 barw 8 bitów/piksel, 2 barwy 1 bit/piksel. Kompresja LZW bezstratna, średni współczynnik kompresji 4:1 Zastosowanie Uwagi: 1. Skanowane obrazy 2-kolorowe, w skali szarości, z paletą do 256 kolorów, z dużą ilością szczegółów, linii, krawędzi (wykres, siatka, szkic, diagram, logo, napis, itp.). 2. Obrazy generowane komputerowo (max 256 barw) z dużymi polami jednobarwnych wypełnień i wzorów oraz z ostrymi krawędziami, które powinny być zachowane. Obraz zawierający więcej niż 256 barw jest przybliżany paletą 256 barw przed kodowaniem GIF.
Formaty zapisu obrazu GIF Standardowa metoda kodowania skanowanych i generowanych komputerowo obrazów zdefiniowana przez CompuServe w 1987r. Czym jest GIF? Ilość kodowanych kolorów Format plików (*.gif) Format strumienia danych przesyłanych z komputera głównego do terminala graficznego Maksymalnie 256 barw. Piksele są zapisywane przy użyciu najmniejszej koniecznej liczby bitów: 256 barw 8 bitów/piksel, 2 barwy 1 bit/piksel. Kompresja LZW bezstratna, średni współczynnik kompresji 4:1 Zastosowanie Uwagi: Skanowane obrazy 2-kolorowe, w skali szarości, z paletą do 256 kolorów, z dużą ilością szczegółów, linii, krawędzi (wykres, siatka, szkic, diagram, logo, napis, itp.). Obrazy generowane komputerowo (max 256 barw) z dużymi polami jednobarwnych wypełnień i wzorów oraz z ostrymi krawędziami, które powinny być zachowane. Obraz zawierający więcej niż 256 barw jest przybliżany paletą 256 barw przed kodowaniem GIF.
Formaty zapisu obrazu PNG bezpłatny standard, który powstał w 1995r. jako odpowiedź na zapowiedź firm UNISYS i CompuServe o planowanym pobieraniu opłat za korzystanie z oprogramowania do kompresji plików GIF. Czym jest PNG? Ilość kodowanych kolorów Kompresja Zastosowanie Uwagi: Format plików (*.png) Format strumienia danych przesyłanych z komputera głównego do terminala graficznego Maksymalna głębia piksela 48 bitów, skala szarości do 16 bitów, pełny 8-bitowy kanał Alfa. LZW bezstratna (nie opatentowana wersja, lepsza niż w GIF) W programach multimedialnych, gdy obraz wymaga efektów przezroczystości, maskowania i przechowywania innych informacji. Obsługuje dwukierunkowy przeplot, korekcję gamma w celu kontroli jasności obrazka na różnych platformach, sprawdzenie poprawności pliku. Pozwala dodać do pliku ilustracji dowolnie określony obszar przeznaczony na tekstową metainformację, włączając w to adres URL i informacje związane z bazami danych.
Porównanie GIF - PNG GIF PNG
Formaty zapisu obrazu JPEG (Joint Photographic Experts Group Wspólna Grupa Ekspertów Fotografii). Standardowa metoda kompresji zdigitalizowanych fotografii przeznaczonych do przesyłania liniami komunikacyjnymi. Czym jest JPEG Kodowanie kolorów Kompresja Zastosowanie Uwagi: Format plików (*.jpg) Standard wymiany danych w sieci. True Color RGB 2 24 =16,7 milionów barw. Zeskanowana fotografia jest kodowana przy użyciu przeciętnie jednego bitu na piksel (współczynniki kompresji od 10:1 do 100:1). Stratna jpeg. Najpopularniejszy format tonalnych obrazów w skali szarości i pełnokolorowych dla sieci Internet, programów prezentacyjnych i multimedialnych, wymagających małych plików. Im większy stopień kompresji tym mniejszy plik i tym większa strata jakości. Z obrazu mogą zostać usunięte drobne szczegóły, a linie i ostre krawędzie zostaną rozmyte. Należy używać zawsze tego samego stopnia kompresji przy wielokrotnym ponownym kompresowniu tego samego obrazu JPEG. Obrazy o wysokiej rozdzielczości są degradowane o wiele mniej niż obrazy o niskiej rozdzielczości.
Formaty zapisu obrazu JPEG - jakość maksymalna JPEG - jakość średnia JPEG kompresja 100% 117 kb 25,5 kb 1,96 kb
Formaty zapisu obrazu TIFF (Tagged Image Format znacznikowy format pliku obrazowego) Kodowany kolor Kompresja Zastosowanie Uwagi Obraz 2-kolorowy, indeksowana paleta kolorów, pełnokolorowy RGB lub CMYK, YCbCr (model oparty na systemie telewizji kolorowej), CIE La*b* Bez kompresji (mimo to format stosunkowo wydajny) lub bezstratna kompresja LZW. Najpopularniejszy format obrazów skanowanych przeznaczonych do druku oraz do prac DTP. Pliki TIFF są praktycznie niezależne od platformy, więc można je przenosić np. między platformami Maintosh i Windows (programy edycji obrazów powinny otworzyć każdy plik TIFF). Część programów prezentacyjnych lub multimedialnych nie obsługuje formatu TIFF.
Przykład TIFF JPEG
Przykład TIFF JPEG
Źródło: Wikipedia
Dziękuję za uwagę