informatyka + 1
Obraz jako środek przekazu
Program wykładu
1. Rola obrazu w przekazie multimedialnym
2. Jak powstaje obraz i jak jest postrzegany – modele
barw, podstawy fizyczne
3. Telewizja analogowa i cyfrowa – podstawy
4. Poprawianie jakości obrazów w telewizji cyfrowej
5. Zasada działania wyświetlaczy obrazów – technologie
LCD, plazmowa
Cyfrowe przetwarzanie obrazów – CPO
• Sygnały świetlne docierające do oczu są zamieniane na
cechy takie jak kształt, kolor, tekstura, czy wzajemne
relacje przestrzenne obiektów.
• Obrazy cyfrowe reprezentują te same sceny wizualne w
postaci dwuwymiarowych tablic pikseli.
• Technika cyfrowa umożliwia przeprowadzenie szeregu
operacji obróbki obrazu, w tym także działań
niewykonalnych tradycyjnymi metodami przy pomocy
filtrów optycznych lub analogowej elektroniki.
Jak widzimy ?
Rejestracja promieniowania świetlnego jest realizowana na siatkówce oka.
Siatkówkę oka można przyrównać do pewnego rodzaju światłoczułej matrycy, na której znajdują się receptory widzenia – pręciki i czopki.
Początki
informatyka +
5
• Lata 1939÷45 - systemy
rozpoznawania wojskowego, wykorzystanie podwyższania jakości obrazu fotograficznego (dystorsja, nieostrość,
kontrast)
• Początek lat 60. XX wieku - początki cyfrowego
przetwarzania obrazu na potrzeby NASA (misje Ranger’a)
Początki
informatyka +
6
Lata 60. XX wieku technika cyfrowa wykorzystywana jest do obróbki zdjęć satelitarnych i zdjęć pochodzących z
kolejnych misji NASA oraz europejskich programów kosmicznych.
Po prawej pierwszy obraz Księżyca sfotografowany przez statek Ranger 7.
Dziedziny zastosowania CPO
informatyka +
7
metrologia sejsmologia nawigacja automatyczna telekomunikacja nadzór przemysłowy medycyna rozrywka kino i TV wojsko bezpieczeństwo robotyka mikroskopia obrazowanie ultradźwiękowe radiologia astronomiaCPO
Dziedziny zastosowania CPO
Zdjęcia zarejestrowane z użyciem różnych technik, wykorzystywane w różnych dziedzinach nauki.
Kolejno:
•zdjęcie rentgenowskie klatki piersiowej,
•angiogram (obraz żył lub tętnic),
•zdjęcie rentgenowskie obwodu scalonego (badanie jakości
wykonania podzespołu).
Dziedziny zastosowania CPO
Przykład obrazu
zarejestrowanego
przenośną kamerą
termowizyjną.
informatyka +
9
Dziedziny zastosowania CPO
Radarowe zdjęcie
satelitarne
południowej części
Tybetu ok. 70 km na
północ od Lhasy
(NASA).
informatyka +
10
Dziedziny zastosowania CPO
Jądrowy rezonans magnetyczny
a) kolano b) kręgosłup
Dziedziny zastosowania CPO
a) 250x drucik wolframowy
zniszczony na skutek przegrzania
informatyka +
12
b) 2500x zniszczony obwód scalony Mikroskopia elektronowa
Modele barw
Kojarzone ze sprzętem
RGB
• model addytywny,
• barwa powstaje w wyniku emisji światła,
• wszystkie barwy powstają przez zmieszanie trzech barw podstawowych: czerwonej, zielonej i niebieskiej.
CMY, CMYK
• model substraktywny,
• barwy uzyskuje się dzięki światłu odbitemu od zadrukowanego podłoża,
• wszystkie barwy w modelu CMY powstają przez zmieszanie trzech barw podstawowych: cyan (zielono-niebieska), magenta
(purpurowa), yellow (żółta).
Mieszanie barw
informatyka +
14
Modele barw
Atrybuty barwy
Odcień
• jest cechą jakościową barwy,
• odpowiada długości fali dominującej.
Nasycenie
• jest cechą jakościową barwy,
• odpowiada stosunkowi ilości światła monochromatycznego do ilości światła białego,
• im większe nasycenie, tym mniejszy jest udział w widmie promieniowania fal o innych długościach niż fali dominującej.
Jasność, jaskrawość
• jest cechą ilościową, jasność dotyczy obiektów odbijających światło, jaskrawość – świecących,
• odpowiada wrażeniu słabszego lub mocniejszego strumienia
światła, które nie wpływa na zmianę odcienia ani nasycenia barwy.
Atrybuty barwy
informatyka +
17
ja sn oś ć nasycenie 1 0 0% 100% Biel Czerń Barwa czystaOdcień barwy (ton, walor)
wrażenie związane z konkretną długością fali.
Nasycenie - „mieszanie” (0 - 100%) z barwą białą. Jasność (luminancja) wrażenie związane z wielkością strumienia świetlnego (umowna skala 0 – 1).
Kształtowanie kontrastu, korekcja
gamma
• Kontrast określa zróżnicowanie jasności poszczególnych punktów ekranu.
• Dla osiągnięcia wiernej reprodukcji rzeczywistości charakterystyka jasności całego toru wizyjnego powinna być liniowa.
• Z powodu nieliniowych właściwości luminoforów w współczesnych torach kamerowych wprowadza się obecnie celowo pewną
nieliniowość przetwarzania, aby w efekcie otrzymać liniową charakterystykę wypadkową.
• Nieliniowa charakterystyka świetlna E-U kineskopu może być opisana w następujący sposób:
E ~U γ - wykładnik γ oznacza stopień nieliniowości przetwornika
Kształtowanie korekcji gamma
informatyka +
19
Kształtowanie korekcji gamma
informatyka +
20
Efekt zastosowania korekcji gamma, lewy górny róg – obraz oryginalny, pozostałe obrazy są wynikiem zastosowania korekcji gamma z różnym współczynnikiem
Balans bieli i korekcja barw
• Zadaniem całego toru wizyjnego jest wierna reprodukcja barw. • Często jednak okazuje się, że odtwarzane barwy są w pewnym
stopniu zafałszowane (skóra, śnieg).
• Zadaniem korekcji barw jest właśnie sprowadzenie postaci barw do formy akceptowalnej przez widza.
• Celem ustawienia balansu bieli jest osłabienie barwy dominującej. W procesie edycji obrazu przy pomocy odpowiednich narzędzi można zaznaczyć fragment obrazu, który według widza ma być biały, a program dokona automatycznego zrównoważenia bieli dla całego obrazu.
Balans bieli i korekcja barw
informatyka +
22
Temperatura barwowa
informatyka +
23
• Temperatura barwowa, jako cecha określająca wrażenie percepcyjne oglądanego obrazu, zależy głównie od rodzaju oświetlenia oraz od
właściwości barwnych elementów występujących w scenie obrazowej. • W praktyce temperaturę barwową
definiuje się na podstawie relacji jakie zaobserwowano pomiędzy
temperaturą a właściwościami emisyjnymi ciała czarnego.
• Temperaturę barwową oblicza się na podstawie średniej wartości kolorów całego obrazu, z pominięciem pikseli, które nie mają wielkiego wpływu na temperaturę barwową, a mianowicie pikseli koloru czarnego i tzw. pikseli samo-świecących czyli większych od wartości średniej o pewną wartość progową.
Podział zakresu temperatury barwowej
informatyka +
24
Kategoria subiektywna Zakres temperatur
Gorąca 1667K ~ 2250K
Ciepła 2251K ~ 4170K
Neutralna 4171K ~ 8060K
Temperatura barwowa, balans bieli
Formaty obrazu wizyjnego
Prace nad systemem telewizji kolorowej, rozpoczęły się w połowie lat 50. XX wieku w Stanach Zjednoczonych. Nowy system musiał spełniać następujące założenia:
•nie mógł znacząco skomplikować budowy odbiorników telewizji kolorowej, co mogło by wpływać na koszt produkcji odbiornika telewizyjnego,
•należało przyjąć, że będzie możliwy odbiór programu telewizji nadawanego w kolorze na odbiornikach czarnobiałych i odwrotnie, •powinno być możliwe wykorzystywanie dotychczasowych kanałów częstotliwości do przesyłania sygnałów telewizji kolorowej,
•jakość przesyłanego sygnału powinna być wysoka i zaspakajać wymagania widza.
Standard telewizji kolorowej PAL
i NTSC
informatyka +
27
PAL • 625 linii w dwóch półobrazach• Szerokość pasma wizji 5 MHz
• Szerokość kanału TV 7 MHz
• Częstotliwość zmian półobrazów 50 / 25 Hz • Częstotliwość zmian linii
15 625 • Rzeczywista rozdzielczość obrazu 720x576 NTSC • 525 linii w dwóch półobrazach
• Szerokość pasma wizji 4,2 MHz
• Szerokość kanału TV 6 MHz
• Częstotliwość zmian
półobrazów 59,94 / 29,97 Hz • Częstotliwość zmian linii
15 750
• Rzeczywista rozdzielczość obrazu 720x486
Standard telewizji kolorowej HDTV
• System w pełni cyfrowy
• Częstotliwość zmian pełnej ramki obrazu 60 Hz
• Format panoramiczny 16:9
• Brak wad występujących w systemach analogowych
takich jak śnieżenie, podwójny obraz
• Rozdzielczość obrazu 1920x1080 lub 1280x720
Cyfrowa telewizja systemu DVB
• DVB (Digital Video Broadcasting) jest standardem transmisyjnym telewizji cyfrowej przekazywanej z nadajników naziemnych (DVB-T), satelity (DVB-S) i stacji czołowych telewizji kablowych (DVB-C).
• Podstawą tego systemu jest strumień transportowy (TS).
• TS składa się ze skompresowanych składowych wizji, fonii i danych oraz tablic (PSI) umożliwiających urządzeniu odbiorczemu odbiór wybranego programu telewizyjnego lub radiowego oraz danych. • Standard DVB definiuje dodatkowe tablice (SI) umieszczone w
strumieniu oraz parametry transmisji w zależności od typu kanału transmisyjnego.
• System ten został opracowany dla sygnałów poddanych kompresji 2, ale nowe efektywniejsze algorytmy kompresji typu MPEG-4 part10 (H.26MPEG-4) mogą również być stosowane.
Poprawa jakości obrazu
• Najczęściej spotykane zniekształcenia wynikają z pojawienia się artefaktów procesu kompresji.
• Do zakłóceń zaliczamy między innymi: • szumy,
• interferencje (przenikanie sygnałów luminancji i chrominancji), • migotanie powierzchni i linii,
• zaburzenia synchronizacji.
• Eliminacja wymienionych zjawisk jest możliwa przy wykorzystaniu dwu- i trójwymiarowych filtrów cyfrowych, filtrów grzebieniowych,
układów korekcji podstawy czasu i stosowaniu odpowiednich technik (100 Hz, Progressive Scan).
• Poprawie jakości sprzyja też sztuczne podnoszenie rozdzielczości w oparciu o technikę nadpróbkowywania i interpolacji wartości pikseli.
Eliminacja migotania
Technika 100Hz - podwajanie częstotliwości powtarzania półobrazów.
• Może być realizowana w różnych wariantach (AABB i ABAB)
różniących się sposobem wybierania, komplikacją układów i jakością uzyskanego efektu.
• Obecnie stosuje się interpolację treści półobrazów, polegającą na utworzeniu na podstawie przesyłanej informacji nowych półobrazów A’ i B’. Algorytmy interpolacyjne tak wyliczają wartości nowych
pikseli, aby w rezultacie doprowadzić do poprawnego odtwarzania ruchu przy niezauważalnym migotaniu. Treść wizyjna wyświetlana jest z częstotliwością 100 Hz w kolejności AA’BB’.
Redukcja artefaktów wynikających
z kompresji
• Za powstanie artefaktów odpowiada zwykle koder źródłowy MPEG-2 stosowany po stronie nadawczej.
• Zniekształcenia wynikające z kompresji są szczególnie widoczne przy ograniczeniu strumienia poniżej 4Mbit/s lub po łańcuchu
wielokrotnego kodowania i dekodowania materiału.
• Do typowych zjawisk należy tutaj efekt blokowy. Jest on charakterystyczny dla metod kompresji bazujących na przetwarzaniu bloków pikseli.
• Usunięcie poważniejszych zniekształceń w układach prostych filtrów cyfrowych może jednak prowadzić do zmniejszenia wyrazistości
obrazu lub innych efektów pogarszających jego subiektywna ocenę.
Eksponowanie konturów obrazu
informatyka +
33
Poprawa ostrości konturów subiektywnie wiąże się z wrażeniem
zwiększenia rozdzielczości. Jednak zwiększanie kontrastu w skali całego obrazu prowadzi do zatarcia się poziomów jasności w ciemnych i
jasnych partiach obrazu. Stosuje się więc zabieg polegający na lokalnym powiększenie kontrastu w bezpośrednim otoczeniu krawędzi.
Eksponowanie konturów obrazu
informatyka +
34
Stosując technikę nadpróbkowywania można utworzyć zbiór nowych pikseli w taki sposób, aby zrekonstruowany sygnał charakteryzował się pasmem telewizji HDTV. Do obliczenia wartości nowych pikseli
stosowane są odpowiednie metody interpolacji.
Sposób ten zastosowano w technologii D.I.S.T.
do poprawy ostrości i
zwiększenia rozdzielczości obrazu wizyjnego.
Algorytmy poprawy jakości obrazu
Technologia D.I.S.T - (Digital Image Scaling Technology) opracowana
przez firmę JVC.
•Obraz przekazywany w konwencjonalnym 625-liniowym standardzie PAL z przeplotem zostaje na wstępie przetworzony do trybu progresywnego. •Odbywa się to na drodze trójwymiarowej interpolacji wartości pikseli z linii półobrazów parzystego i nieparzystego, z wykorzystaniem relacji
czasowych i przestrzennych między nimi. Specjalny algorytm interpolacji pozwala na uzyskanie wysokiej rozdzielczości w kierunku pionowym i umożliwia na podwojenie ilości linii w ramce do 1250.
•Sygnał wizyjny jest następnie formowany poprzez ekstrakcję 3 pól o częstotliwości 75Hz z dwóch ramek 50 Hz i podawany na wyjście układu D.I.S.T. w trybie wybierania międzyliniowego 1250/75 Hz.
•Zwiększenie częstotliwości wyświetlania półobrazów, przyczynia się w tym przypadku do ograniczenia efektu migotania.
Poprawa odtwarzania pochylonych
krawędzi
Technologia DCDi - redukcja zniekształceń krawędzi i linii
(Directional Correlation Deinterlacing) firmy Faroudja.
•Ta technologia jest wykorzystywana w USA przez nadawców w celu konwersji standardu NTSC do telewizji wysokiej rozdzielczości HDTV. •Algorytm zaimplementowany w DCDi polega na „inteligentnej”
interpolacji pikseli w zależności od charakteru ruchu obiektu w analizowanej scenie i kąta nachylenia konturów.
•Mechanizm interpolacji „przebiega” dzięki temu wzdłuż krawędzi nie dopuszczając do efektu ich „poszarpania” lub „schodkowania”, przy
jednoczesnym zachowaniu ostrości i wierności oddania barw w miejscu przejść między kolorami.
Technologia DCDi
Ekrany LCD – ukierunkowanie światła
Ekrany LCD – przepływ światła
Ekrany LCD – TN (Twisted Nematic)
Ekrany LCD – TN (Twisted Nematic)
Ekrany LCD – TN (Twisted Nematic)
informatyka +
42
Różnicując napięcie na końcówkach ciekłego kryształu można modulować stopień zamknięcia przełącznika, aby uzyskać stany pośrednie
DSTN (dual scan TN) – matryce
pasywne
Matryce aktywne
Budowa matryc TFT
Budowa matryc TFT
informatyka +
46
Technologia IPS (In-Plane Switching)
informatyka +
47
Filtr polaryzujący Powierzchnia przeźroczysta Filtr polaryzujący Powierzchnia przeźroczysta Elektroda Ciekły kryształTechnologia IPS (In-Plane Switching)
informatyka +
48
Filtr polaryzujący Powierzchnia przeźroczysta Filtr polaryzujący Powierzchnia przeźroczysta Elektroda Ciekły kryształMultidomain Vertical Alignment (MVA)
Multidomain Vertical Alignment (MVA)
Ekrany plazmowe
informatyka +
51
Przepływ prądu elektrycznego w rozrzedzonym gazie: a) obwód wyładowania,
Stałoprądowy ekran plazmowy
DC-PDP
informatyka +
52
a) zasada konstrukcji b) widok przestrzenny
Przemiennoprądowy ekran plazmowy
AC PDP
informatyka +
53
a) zasada budowy b) model elektryczny węzła macierzyEkrany plazmowe
informatyka +
54
Zasada konstrukcji piksela współczesnego, wielobarwnego ekranu plazmowego typu AC PDP.
