23
ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη 7 Οπτική Πληροφορία Μέρος Β TΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ

ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη 7

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

Page 1: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

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

Page 2: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

ΠερίληψηΠερίληψη

Θέματα για σήμερα• Επανάληψη και ολοκλήρωση

• Απεικόνιση πληροφορίας• Δημιουργία εικόνας

• Αναπαράσταση εικόνας• Ψηφιακή εικόνα, κβαντισμός• Απόδοση χρώματος (αποχρώσεις

γκρίζου, πλήρες χρώμα )• Αναπαράσταση βίντεο

Page 3: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

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

Page 4: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

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

Page 5: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

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

Page 6: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

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

Page 7: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

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

Page 8: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

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

Page 9: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

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

Page 10: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

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

Page 11: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

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

Page 12: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

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

Page 13: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

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

Page 14: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

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)

Page 15: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

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)

Page 16: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

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)

Page 17: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

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

Page 18: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

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

Page 19: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

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

Page 20: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

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

Page 21: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

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.

Page 22: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

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 )

Page 23: ΗΜΥ  007  –  Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη  7

Στην συνέχεια …Στην συνέχεια …

• Αναπαράσταση Ηχητικής πληροφορίας:• βασικές γνώσεις ηχητικών σημάτων (συχνότητα, εύρος

ζώνης, φάσμα)• μετατροπή ηχητικού σήματος αναλογικό/ψηφιακό (A/D)