Upload
ulla-mays
View
39
Download
2
Embed Size (px)
DESCRIPTION
ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη 7. Οπτική Πληροφορία Μέρος Β. T ΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ. Περίληψη. Θέματα για σήμερα Επανάληψη και ολοκλήρωση Απεικόνιση πληροφορίας Δημιουργία εικόνας Αναπαράσταση εικόνας - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας
Διάλεξη 7
ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας
Διάλεξη 7
Οπτική Πληροφορία Μέρος Β
TΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ
ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ
ΠερίληψηΠερίληψη
Θέματα για σήμερα• Επανάληψη και ολοκλήρωση
• Απεικόνιση πληροφορίας• Δημιουργία εικόνας
• Αναπαράσταση εικόνας• Ψηφιακή εικόνα, κβαντισμός• Απόδοση χρώματος (αποχρώσεις
γκρίζου, πλήρες χρώμα )• Αναπαράσταση βίντεο
Υλικό ΑναφοράςΥλικό Αναφοράς
• Cyganski, D., Orr, A. O., and Vaz, R. F., Information Technology Inside and Outside, Prentice Hall, 2001,• Κεφ. 5, σελίδες 74-93 • Κεφ. 7, σελίδες 108-114• Κεφ. 8, σελίδες 126-128,131-133• Demo programs στον οπτικό δίσκο
• Web Colorshttp://www.webcolors.freeserve.co.uk/chooser.htm
• Bit depth, color depthhttp://archive.devx.com/projectcool/developer/gzone/
basics/04-tech/bitdepth.html
Φωτογραφική απεικόνιση πληροφορίας
Φωτογραφική απεικόνιση πληροφορίας
• Συστήματα φωτογραφικής απεικόνισης πληροφορίας• Φωτογραφική κάμερα• μάτι
• χρησιμοποιούν ορατό φως• προβολή τοπίου ή
αντικειμένου από ένα φακό πάνω στο επίπεδο απεικόνισης• Φιλμ • αμφιβληστροειδής χιτώνας
(retina) του ματιού
• Το είδωλο ή η εικόνα είναι η προβολή (projection) ενός αντικειμένου από τρις διαστάσεις σε δύο
Ψηφιακές εικόνες Ψηφιακές εικόνες
Δημιουργία ψηφιακών εικόνων• Χρήση ψηφιακής κάμερας • Χρήση scanner για την
σάρωση αναλογικών εικόνων (π.χ. φωτογραφιών)
Χαρακτηριστικά • Στοιχεία εικόνας (picture
elements pixels)• Αναπαράσταση μιας εικόνας
μέσω ενός ορθογωνίου πλέγματος (grid) από pixels
• Ανάλυση ή ευκρίνεια εικόνας (picture resolution)
Πλέγμα με 13 x 13 στοιχεία= 169 pixels
Αναλογική σε ψηφιακή μετατροπήΑναλογική σε ψηφιακή μετατροπή
• Βασίζεται σε προσεγγίσεις• αναλογικές εικόνες έχουν άπειρες διαστάσεις και κάθε
σημείο μπορεί να έχει μία οποιαδήποτε τιμή • η ψηφιακή εικόνα έχει πεπερασμένες διαστάσεις και
τιμές • => στην μετατροπή χάνεται μέρος της οπτικής
πληροφορίας
• Βασίζεται σε “trade-offs” (αντιπραγματισμούς, ανταλλαγές)
• Μέγεθος εικόνας αριθμός bits = (αριθμός όλων των pixel) x (bits / pixel)
• Ανάλυση ή ευκρίνεια
• Εξαρτάται από • την εφαρμογή στην οποία η εικόνα θα χρησιμοποιηθεί • την δυνατότητα που έχουμε για μετατροπή, αποθήκευση
και μετάδοση της εικόνας (ορθότητα)• το κόστος και το κονδύλι που έχουμε• Την ακρίβεια που χρειαζόμαστε
• δεν είναι άπειρη!
Κάθε στοιχείο έχει μία περιορισμένη τιμή που χαρακτηρίζεται από ένα κώδικα ψηφίων
Ψηφιακή εικόνα Πλέγμα 13 x 13
Παράδειγμα ψηφιακής εικόναςΠαράδειγμα ψηφιακής εικόνας
• Η εικόνα των λουλουδιών αποτελείται από πολύ μικρά στοιχεία
• Τα στοιχεία είναι αντιληπτά όταν μεγεθύνουμε μια περιοχή αρκετά
• Ο αριθμός στοιχείων μιας εικόνας εξαρτάται από την ψηφιοποίηση που κάνουμε και καθορίζει την ανάλυση της εικόνας
Ψηφιοποίηση μίας εικόναςΨηφιοποίηση μίας εικόνας
256 x 256 =65.536 pixels
16 x 16 =256 pixels
128 x 128 =16.384 pixels
64 x 64 = 4.096 pixels
Αναπαράσταση εικόναςΑναπαράσταση εικόνας
• Δύο βασικές αποφάσεις ψηφιακής αναπαράστασης • Αριθμός στοιχείων εικόνας <= ψηφιοποίηση <=> ανάλυση εικόνας • Αριθμός τιμών (intensity values) για κάθε στοιχείο εικόνας <=
κβαντισμός • Κβαντισμός
• Η συνεχές τιμή ενός pixel στρογγυλεύεται σε μία τιμή που αναπαριστάται από τον δυαδικό κώδικα που επιλέγουμε
• Κώδικας με κ bits δίνει 2κ τιμές για κάθε pixel• Γενικά
• Διτονικές εικόνες (bitonal)• 1 bit για κάθε pixel (0 για μαύρο και 1 για άσπρο)
• Εικόνες συνεχούς τόνου (continuous tone images)• ένα ή περισσότερα bits για κάθε pixel• κλίμακες γκρίζου (gray scale)
• π.χ. με 6 bits έχουμε 64 τιμές 000000 … 111111
μαύρο … άσπρο • έγχρωμες (color)
• Ανάμιξη ποσοτήτων κόκκινου, πράσινου και μπλε χρώματος• ψηφιοποίηση 3 αριθμών για τις ποσότητες
Κβαντισμός μιας εικόναςΚβαντισμός μιας εικόνας
• Απόδοση χρωμάτων (color encoding)• Συσχέτιση κάθε στοιχείου εικόνας με ένα χρώμα μέσω ενός
αριθμού από bits• Ασπρόμαυρη εικόνα• Εικόνα σε επίπεδα του γκρίζου (gray level quantization)• Έγχρωμη εικόνα
3 bits 8 επίπεδα γκρίζου1 bit ασπρόμαυρη 6 bits 64 επίπεδα γκρίζου
Προσθετική Παραγωγή ΧρώματοςΠροσθετική Παραγωγή Χρώματος
• Ένα μεγάλο μέρος του ορατού φάσματος μπορεί να φτιαχτεί από τη μίξη τριών βασικών χρωμάτων: Κόκκινο, Πράσινο και Μπλε (Red, Green, Blue - RGB)
• Είναι προσθετικά χρώματα: η μίξη και των τριών χρωμάτων δημιουργεί το λευκό χρώμα
• Ένα χρώμα αναπαριστάται με 3 αριθμούς που δείχνουν την ποσότητα των χρωμάτων
• Η ψηφιοποίηση γίνεται όπως πριν αλλά τώρα για 3 αριθμούςπ.χ. 3 bits για κάθε RGB χρώμα=> 9 bits/pixel => 29 = 512 χρώματα
• Για πλήρες χρώμα (full color) το πρότυπο είναι 24 bits/pixel δηλ. 8 bits για κάθε χρώμα
Αποχρώσεις χρωμάτων στο ορατό φάσμα
0% κορεσμός
100% κορεσμός
Απόδοση χρωμάτωνΑπόδοση χρωμάτων
24 bit full color (8 bits για το καθένα , κόκκινο, πράσινο και μπλε)
16 bit color
8 bit color 4 bit color
Παράδειγμα με 16 bitsΠαράδειγμα με 16 bits
Κόκκινο Πράσινο Μπλε
5 bits 6 bits 5 bits
32 values 64 values 32 values
Σύνολο
32 x 64 x 32 = 65,536 [64k] pixels
Από εικόνες σε βίντεοΑπό εικόνες σε βίντεο
• Το βίντεο είναι η “ψευδαίσθηση” κινούμενης εικόνας που προκαλείται από την ταχεία προβολή μιας σειράς ανεξάρτητων εικόνων με μικρές διαφορές.
• Οι (μικρές) διαφορές ανάμεσα στις εικόνες γίνονται αντιληπτές σαν κίνηση των στοιχείων της εικόνας.
• Η ταχύτητα προβολής πρέπει να ξεπερνά τις 40 εικόνες το δευτερόλεπτο • Βασισμένο σε ερευνητικές μελέτες που έδειξαν ότι η αντίδραση
του οπτικού μας συστήματος σε αλλαγές είναι περιορισμένη • Αυτό το φαινόμενο οδήγησε στην εφεύρεση της κινηματογραφικής
μηχανής • Μικρότερη ταχύτητα προκαλεί την αίσθηση τρέμουλου
(flickering)
Αναπαράσταση σήματος βίντεο Αναπαράσταση σήματος βίντεο
• Δομή σήματος• Αποτελείται από πλαίσια (frames)• Κάθε πλαίσιο αποτελείται από έναν αριθμό οριζόντιων γραμμών σάρωσης• Υπάρχουν διαφορετικοί τρόποι αναπαράστασης χρωμάτων
• Ρυθμός πλαισίων• Ο αριθμός των πλαισίων που παράγονται από
ένα σήμα βίντεο ανά sec• Τυπικές τιμές: 25-75 πλαίσια/sec• Όχι τρεμόσβημα όταν παράγονται 40 πλαίσια/sec• Ελάχιστο όριο για ανθρώπινο μάτι:
15 πλαίσια/sec
• Πλήθος γραμμών σάρωσης• Σταθερό για όλα τα πλαίσια.• Ρυθμός σάρωσης (scan rate) = ( αριθμός γραμμών σάρωσης) * (ρυθμός
πλαισίων)
Συμπίεση εικόναςΣυμπίεση εικόνας
• Το μέγεθος μιας εικόνας είναι πολύ μεγάλο• π.χ. Εικόνα μεγέθους Α4 δημιουργημένη από ένα σαρωτή με 300
pixels ανά ίντσα και με χρήση του RGB μοντέλου (24 bits, 8 ανά χρώμα) καταλαμβάνει 20 Mbytes μνήμης
• Δύο κατηγορίες τεχνικών συμπίεσης• Χωρίς απώλειες (lossless): η εικόνα που παράγεται μετά από συμπίεση και
αποσυμπίεση της αρχικής είναι της ίδιας ποιότητας• Με απώλειες (lossy): η εικόνα που παράγεται μετά από συμπίεση και
αποσυμπίεση της αρχικής είναι κατώτερης ποιότητας
• Ο βαθμός αποτελεσματικότητας μιας τεχνικής συμπίεσης είναι συνήθως αντιστρόφως ανάλογος της διατήρησης ποιότητας της αρχικής εικόνας
• Ο τύπος (format) εικόνας σχετίζεται και με τον τρόπο συμπίεσής της• GIF (Graphics Interchange Format) – περιορίζεται στην αναπαράσταση
εικόνων μέσω 256 χρωμάτων (8 bits of color depth)• JPEG (Joint Photographic Experts Group) – εκατομμύρια χρωμάτων (24 bits
of color depth)
Παραδείγματα GIF και JPEGΠαραδείγματα GIF και JPEG
2 χρώματα1 bitGIF
1,329 bytes
16 χρώματα4 bitGIF
4,407 bytes
256 χρώματα8 bitGIF
8,822 bytes
16,777,216 χρώματα24 bitJPEG
4,321 bytes
Καλύτερη συμπίεση
Μέγιστοόριο GIF
Bit depth (βάθος ψηφίου) = αριθμός bit που χρησιμοποιείται για κάθε pixelColor depth (βάθος χρώματος) = αριθμός χρωμάτων που χρησιμοποιείται για
κάθε pixel
Εικόνα με 115 x 87 pixels
GIF GIF
• Αναπτύχθηκε από την CompuServe με στόχο τη διευκόλυνση της ανταλλαγής εικόνων μέσω δικτύου.
• Υποστηρίζει συμπίεση εικόνας που βασίζεται • στο αλγόριθμο LZW (Lempel-Ziv-Welch). Ο αλγόριθμος αυτός
ανήκει στην κατηγορία των διανυσματικών τεχνικών συμπίεσης και λειτουργεί χωρίς απώλειες. Ο λόγος συμπίεσης (compression ratio) που επιτυγχάνει είναι 4:1 αλλά περιορίζεται σε εικόνες βάθους χρώματος των 8bits (256 χρώματα).
• Προτερήματα:• λειτουργεί χωρίς απώλειες για εικόνες βάθους 8 bits • είναι ιδανικός για εικόνες με πολλές ακμές και γωνίες όπως
γραμμικά σχέδια. • χρησιμοποιείται ευρέως και ελεύθερα
• Μειονεκτήματα: • δεν είναι κατάλληλο για εικόνες με πολλά χρώματα • οι λόγοι συμπίεσης είναι μικροί και δεν μπορούν να
ανταλλαχθούν με ποιότητα εικόνας • δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για κινούμενη εικόνα • δεν είναι ανεξάρτητος από την ανάλυση της εικόνας
Το πρότυπο JPEGΤο πρότυπο JPEG
• Σχεδιάστηκε από την ομάδα Joint Photographic Expert Group σε συνεργασία με την Διεθνή Ένωση Τηλεπικοινωνιών (ITU-TS)
• Μπορεί να δώσει διαφορετικό αποτέλεσμα ανάλογα με τις απαιτήσεις που έχουμε για την ποιότητα της εικόνας και το λόγο συμπίεσης • 10:1 έως 20:1 – υψηλή ποιότητα • 30:1 έως 50:1 – μέτρια ποιότητα • 60:1 έως 100:1 – κακή ποιότητα
• Πετυχαίνει συμπίεση του αρχικού μεγέθους ακόμη και μικρότερο του ενός δέκατου χωρίς ορατές απώλειες στην ποιότητα της εικόνας.
• Βασίζεται στη • Μείωση της χρωματικής πληροφορίας • Συμπίεση των πληροφοριών φωτεινότητας και απόχρωσης
JPEG (συν.)JPEG (συν.)
• Χρησιμοποιείται κυρίως για (ασπρόμαυρες ή έγχρωμες) εικόνες, αλλά και για βίντεο (Motion JPEG)
• Υλοποιείται μέσω είτε μόνο ειδικού λογισμικού είτε συνδυασμού λογισμικού και hardware (ειδικών καρτών)
• Ο χρήστης μπορεί να ορίσει την ποιότητα της εικόνας που θα παραχθεί, το χρόνο επεξεργασίας της συμπίεσης και το μέγεθος της συμπιεσμένης εικόνας
• Εκτός από τις γενικές απαιτήσεις που πρέπει να ικανοποιεί κάθε τεχνική συμπίεσης, ισχύουν επίσης τα εξής:
• Η τεχνική είναι ανεξάρτητη του μεγέθους ή του περιεχομένου της εικόνας και εφαρμόσιμη σε οποιοδήποτε είδος εικόνας και pixel aspect ratio
• Η αναπαράσταση των χρωμάτων πρέπει να είναι ανεξάρτητη από τη συγκεκριμένη υλοποίηση της τεχνικής
• Ο βαθμός συμπίεσης και η ποιότητα της εικόνας που επιτυγχάνεται πρέπει να είναι όσο το δυνατόν καλύτερα
Άλλοι τύποι αρχείων εικόναςΆλλοι τύποι αρχείων εικόνας
• BMP• Bitmap • τύπος που υποστηρίζουν τα MS Windows • ίσως ο πιο απλό τύπος - απλώς περιγράφει το τρόπο με τον
οποίο θα αποθηκευτούν τα bits της εικόνας σε ένα αρχείο• δεν προσφέρει καμιά δυνατότητα συμπίεσης.
• TIFF• Tagged Image File Format• αναπτύχθηκε από τις εταιρείες Aldus και Microsoft • χρησιμοποιείται ευρέως στην ανταλλαγή εικόνων• αποτελείται από ένα σύνολο εικόνων, με μια κεφαλίδα
(header) να καθορίζει τις παραμέτρους της κωδικοποίησης. • Δεν περιλαμβάνει αλγορίθμους συμπίεσης.
Περίληψη - Τύπος αρχείων εικόνας Περίληψη - Τύπος αρχείων εικόνας
Τύπος Αρχείου
Περιγραφή
BMP standard Windows format (true color)
TIFF Tag Image File Format
GIF Graphics Interchange Format (8-bit) διαθέτει μέθοδο συμπίεσης Lempel-Ziv-Welch - LZW)
JPΕG Joint Photographic Experts Group (true color, διαθέτει την ομώνυμη μέθοδο συμπίεσης )
Στην συνέχεια …Στην συνέχεια …
• Αναπαράσταση Ηχητικής πληροφορίας:• βασικές γνώσεις ηχητικών σημάτων (συχνότητα, εύρος
ζώνης, φάσμα)• μετατροπή ηχητικού σήματος αναλογικό/ψηφιακό (A/D)