Obraz jako srodek przekzau informacji.NET

Pełen tekst

(1)Obraz jako środek przekazu informacji. informatyka +. 1.

(2) 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. informatyka +. 2.

(3) 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.. informatyka +. 3.

(4) 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.. informatyka +. 4.

(5) Początki • 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). informatyka +. 5.

(6) Początki 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.. informatyka +. 6.

(7) Dziedziny zastosowania CPO astronomia obrazowanie ultradźwiękowe. metrologia. radiologia. sejsmologia. CPO. mikroskopia. nawigacja automatyczna telekomunikacja nadzór przemysłowy. robotyka. rozrywka. bezpieczeństwo wojsko. kino i TV. medycyna. informatyka +. 7.

(8) 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).. informatyka +. 8.

(9) Dziedziny zastosowania CPO. Przykład obrazu zarejestrowanego przenośną kamerą termowizyjną.. informatyka +. 9.

(10) Dziedziny zastosowania CPO Radarowe zdjęcie satelitarne południowej części Tybetu ok. 70 km na północ od Lhasy (NASA).. informatyka +. 10.

(11) Dziedziny zastosowania CPO Jądrowy rezonans magnetyczny a) kolano. b) kręgosłup. informatyka +. 11.

(12) Dziedziny zastosowania CPO Mikroskopia elektronowa a) 250x drucik wolframowy zniszczony na skutek przegrzania. b) 2500x zniszczony obwód scalony. informatyka +. 12.

(13) 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).. informatyka +. 13.

(14) Mieszanie barw Mieszanie addytywne. Mieszanie substraktywne. informatyka +. 14.

(15) Modele barw. informatyka +. 15.

(16) 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.. informatyka +. 16.

(17) Atrybuty barwy Odcień 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).. informatyka +. 17.

(18) 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. informatyka +. 18.

(19) Kształtowanie korekcji gamma a). b). informatyka +. c). 19.

(20) Kształtowanie korekcji gamma. Efekt zastosowania korekcji gamma, lewy górny róg – obraz oryginalny, pozostałe obrazy są wynikiem zastosowania korekcji gamma z różnym współczynnikiem. informatyka +. 20.

(21) 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.. informatyka +. 21.

(22) Balans bieli i korekcja barw. Zafałszowanie koloru wynikające z błędu równowagi dynamicznej bieli. informatyka +. 22.

(23) Temperatura barwowa • 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.. informatyka +. 23.

(24) Podział zakresu temperatury barwowej Kategoria subiektywna. Zakres temperatur. Gorąca. 1667K ~ 2250K. Ciepła. 2251K ~ 4170K. Neutralna. 4171K ~ 8060K. Zimna. 8061K ~ 25000K. informatyka +. 24.

(25) Temperatura barwowa, balans bieli. informatyka +. 25.

(26) 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.. informatyka +. 26.

(27) Standard telewizji kolorowej PAL i NTSC 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. informatyka +. 27.

(28) 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. informatyka +. 28.

(29) 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 MPEG-2, ale nowe efektywniejsze algorytmy kompresji typu MPEG4 part10 (H.264) mogą również być stosowane.. informatyka +. 29.

(30) 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.. informatyka +. 30.

(31) 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’.. informatyka +. 31.

(32) Redukcja artefaktów wynikających z kompresji • Za powstanie artefaktów odpowiada zwykle koder źródłowy MPEG2 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.. informatyka +. 32.

(33) Eksponowanie konturów obrazu 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.. informatyka +. 33.

(34) Eksponowanie konturów obrazu 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.. informatyka +. 34.

(35) 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.. informatyka +. 35.

(36) 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.. informatyka +. 36.

(37) Technologia DCDi. informatyka +. 37.

(38) Ekrany LCD – ukierunkowanie światła. informatyka +. 38.

(39) Ekrany LCD – przepływ światła. informatyka +. 39.

(40) Ekrany LCD – TN (Twisted Nematic). informatyka +. 40.

(41) Ekrany LCD – TN (Twisted Nematic). informatyka +. 41.

(42) Ekrany LCD – TN (Twisted Nematic). Różnicując napięcie na końcówkach ciekłego kryształu można modulować stopień zamknięcia przełącznika, aby uzyskać stany pośrednie. informatyka +. 42.

(43) DSTN (dual scan TN) – matryce pasywne. informatyka +. 43.

(44) Matryce aktywne. informatyka +. 44.

(45) Budowa matryc TFT. informatyka +. 45.

(46) Budowa matryc TFT Obraz wyświetlany na ekranie monitora LCD. informatyka +. 46.

(47) Technologia IPS (In-Plane Switching) Filtr polaryzujący. Powierzchnia przeźroczysta. Ciekły kryształ Elektroda Powierzchnia przeźroczysta. Filtr polaryzujący. Pojedynczy piksel bez napięcia. informatyka +. 47.

(48) Technologia IPS (In-Plane Switching) Filtr polaryzujący. Powierzchnia przeźroczysta. Ciekły kryształ Elektroda Powierzchnia przeźroczysta. Filtr polaryzujący. Pojedynczy piksel z przyłożonym napięciem. informatyka +. 48.

(49) Multidomain Vertical Alignment (MVA). informatyka +. 49.

(50) Multidomain Vertical Alignment (MVA). informatyka +. 50.

(51) Ekrany plazmowe. Przepływ prądu elektrycznego w rozrzedzonym gazie: a) obwód wyładowania, b) charakterystyka napięciowo-prądowa zjawiska.. informatyka +. 51.

(52) Stałoprądowy ekran plazmowy DC-PDP. a) zasada konstrukcji b) widok przestrzenny. informatyka +. 52.

(53) Przemiennoprądowy ekran plazmowy AC PDP. a) zasada budowy b) model elektryczny węzła macierzy. informatyka +. 53.

(54) Ekrany plazmowe. Zasada konstrukcji piksela współczesnego, wielobarwnego ekranu plazmowego typu AC PDP.. informatyka +. 54.

(55) Ekrany plazmowe. informatyka +. 55.

(56)

(57)