Technologie cyfrowe

semestr letni 2018/2019

Tomasz Kazimierczuk

Wykład 3 (11.03.2019)

Kompresja Kompresja bezstratna: z postaci skompresowanej można

odtworzyć całkowitą informację wejściową. Kompresja polega na zastosowaniu algorytmów usuwających redundantne (=powtarzające się) sekwencje danych.

Najprostszy wariant: kodowanie długości serii (ang. Run Length Encoding, RLE):

Sekwencja oryginalna: wwwwwiiiikkkkkkkiiippppppeeeeeddddiia bajtów: 37x1 = 37

Sekwencja skompresowana: 5w4i7k3i6p5e4d2i1a bajtów: 18x1 = 18 Stopień kompresji: 37/18 = 2

Wykład 3 (11.03.2019)

Kompresja

Sekwencja oryginalna: wwwwwiiiikkkkkkkiiippppppeeeeeddddiia rozmiar: 37Bx1 = 37B = 296bit

RLE: 5w4i7k3i6p5e4d2i1a rozmiar: 18Bx1 = 18B = 144bit Klucze stałej długości (3 bity na literę) rozmiar: 37 x 3bit = 11bit Entropia Shannona:

Litera Krotność

w 5

i 9

k 7

p 6

e 5

d 4

a 1

Wykład 3 (11.03.2019)

Kodowanie Huffmana Sekwencja oryginalna (tekst): wwwwwiiiikkkkkkkiiippppppeeeeeddddiia Słowa kodowe wg. kodowania Huffmana: a – 1100, d – 1101, e – 100, i – 01, k – 00, p – 111, w – 101 Sekwencja skompresowana: 101 101 101 101 101 01 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 01 01 01 111 111 111 111 111 111 100 100 100 100 100 1101 1101 1101 1101 01 01 1100 wynik: 100 bitów

Wizualizacja algorytmu: https://people.ok.ubc.ca/ylucet/DS/Huffman.html

Litera Krotność

w 5

i 9

k 7

p 6

e 5

d 4

a 1

Wykład 3 (11.03.2019)

Kompresja

Sekwencja oryginalna: wwwwwiiiikkkkkkkiiippppppeeeeeddddiia rozmiar: 37Bx1 = 37B = 296bit

RLE: 5w4i7k3i6p5e4d2i1a rozmiar: 18Bx1 = 18B = 144bit Klucze stałej długości (3 bity na literę) rozmiar: 37 x 3bit = 11bit Entropia Shannona: Algorytm Huffmana: Rozmiar: 100bit

Litera Krotność

w 5

i 9

k 7

p 6

e 5

d 4

a 1

Wykład 3 (11.03.2019)

Idea współczesnej fotografii barwnej

1861 - James Clerk Maxwell

zademonstrował projekcję trzech wyciągów

kolorowych przez trzy kolorowe filtry

Wykład 3 (11.03.2019)

Idea współczesnej fotografii barwnej

niebieski Wykład 3 (11.03.2019)

Idea współczesnej fotografii barwnej

niebieski + zielony Wykład 3 (11.03.2019)

Idea współczesnej fotografii barwnej

niebieski + zielony + czerwony Wykład 3 (11.03.2019)

Mechanizm widzenia kolorów

U kręgowców za widzenie barwne odpowiadają

Komórki czopków w siatkówce oka

światło

pręciki

czopki

za charakterystykę widzenia barw odpowiadają

krzywe absorpcji barwników występujących w oku:

opsyn

Wykład 3 (11.03.2019)

Standardowy wykres barwności

kolory służące do

definicji bazy:

700.0 nm R

546.1 nm G

435.8 nm B

Commission Internationale d'Eclairage (CIE) 1931

X

Y

Z

x y z

R=( 0.720; 0.280; 0.000 )

G=( 0.313; 0.681; 0.0055)

B=( 0.162; 0.022; 0.0815)

CIE(1964)

Wykład 3 (11.03.2019)

Przestrzeń barwna przy odtwarzaniu obrazu

X

Y

Z

przykład

RGB:

wyświetlacz

z których 3 kolorów najlepiej składać obraz ?

Wykład 3 (11.03.2019)

Systemy kolorów

Wykład 3 (11.03.2019)

RGB (Red-Green-Blue)

Podstawowy system

w wyświetlaczach

fizyka.umk.pl/~milosz

Systemy kolorów

Wykład 3 (11.03.2019)

CMYK (Cyan-Magenta-Yellow-

blacK)

Najpopularniejszy

system subtraktywny

Drukarki, etc.

Czwarty barwnik (K) dla

zwiększenia kontrastu

fizyka.umk.pl/~milosz

Systemy kolorów

Wykład 3 (11.03.2019)

HSV (Hue-Saturation-Value)

Alternatywna reprezentacja

przestrzeni RGB

odpowiadająca ludzkiej

percepcji (nie mylić z

systemem LAB)

fizyka.umk.pl/~milosz

http://colorizer.org/

Formaty graficzne

Grafika rastrowa (bitmapa): reprezentacja obrazu jako dwuwymiarowej siatki punktów o różnych kolorach.

Kolor każdego piksela jest kodowany jako suma trzech podstawowych kolorów: czerwony, niebieski, zielony (RGB) Zwykle przeznacza się 1 bajt na poziom każdego z kolorów, co daje: 28 = 256 poziomów dla każdego z kolorów (min – 0x0, max – 0xFF) 3x8 = 24 bity na kodowanie kolorów 24 bity koduje 224 = 16777216 kolorów Jakie to kolory? 00 00 00 , 00 FF 00, FF FF FF

Wykład 3 (11.03.2019)

Kompresja bezstratna

Wykład 3 (11.03.2019)

Co jeżeli w obrazie jest mniej kolorów niż

224 = 16 777 216 ?

Np. 16 kolorów jak na rysunku obok?

Krótsze opisy kolorów, np. po 4 bity

zamiast 24 na każdy piksel.

Paleta kolorów standardowa lub

indeksowana

Format GIF (Graphics Interchange Format)

Wykład 3 (11.03.2019)

Format bezstratny

Limit 256 kolorów

Przezroczystość (0/1)

Kompresja

Przeplot (Interlacing)

Ładowanie stopniowe

Animacja

Problemy własnościowo-patentowe

Format PNG (Portable Network Graphics)

Wykład 3 (11.03.2019)

Format bezstratny – „odpowiedź” na problemy

patentowe GIF

Przezroczystość (płynnie)

Pełna paleta RGB

Kompresja

Przeplot (Interlacing)

Animacja

Problemy własnościowo-patentowe

Format JPEG (Joint Photographic Expert Group)

Wykład 3 (11.03.2019)

Format stratny – regulowany stopień kompresji

Brak przezroczystości

Brak możliwości animacji

Działa na blokach 8x8 pikseli

3x8-bitowa głębia koloru

Exif – format standaryzacji metadanych

Wykład 3 (11.03.2019)

Umieszczany standardowo przez aparaty

fotograficzne w plikach JPG

Tag Value

Manufacturer CASIO

Model QV-4000

Orientation (rotation) top-left [8 possible values[22]]

Software Ver1.01

Date and time 2003:08:11 16:45:32

YCbCr positioning centered

Compression JPEG compression

X resolution 72.00

Y resolution 72.00

Resolution unit Inch

Exposure time 1/659 s

F-number f/4.0

Exposure program Normal program

Formaty graficzne Ile miejsca zajmuje rysunek rastrowy o rozdzielczości 1280x1024? 24 bity x 1280 x 1024 / 8 /1024 /1024 = 3.75 MiB Formaty graficzne z kompresją bezstratną: PNG, TIFF, Formaty graficzne z kompresją stratną: JPEG (kompresja JPEG najlepiej odzwierciedla tekstury, najsłabiej krawędzie)

Przykład obok: jakość 100 – kompresja 2.6:1 jakość 50 – kompresja 15:1 jakość 1 – kompresja 144:1

By Toytoy at en.wikipedia

CC BY-SA 3.0 Wykład 3 (11.03.2019)

Formaty graficzne Ile miejsca zajmuje rysunek rastrowy o rozdzielczości 1280x1024? 24 bity x 1280 x 1024 / 8 /1024 /1024 = 3.75 MiB Formaty graficzne z kompresją bezstratną: PNG, TIFF, Formaty graficzne z kompresją stratną: JPEG (kompresja JPEG najlepiej odzwierciedla tekstury, najsłabiej krawędzie)

Przykład obok: jakość 100 – kompresja 2.6:1 jakość 50 – kompresja 15:1 jakość 1 – kompresja 144:1

By Toytoy at en.wikipedia

CC BY-SA 3.0 Wykład 3 (11.03.2019)

Działanie JPEG [rozkład Fouriera]

Wykład 3 (11.03.2019)

http://science4all.com

Analog 2D:

Systemy kolorów

Wykład 3 (11.03.2019)

YPbPr

Składowa luminancji

Dwie różnicowe

chrominancje

wikipedia.org

Formaty rastrowe

Wykład 3 (11.03.2019)

+animacja +przezroczystość

+ostre krawędzie

+jednolite wypełnienia

+zdjęcia

Formaty graficzne RAW: format zapisu zdjęć cyfrowych zachowujący pełną (surową, ang. raw) informację o danych uzyskanych przez matrycę światłoczułą, bez żadnych modyfikacji (i kompresji) które zwykle wykonuje oprogramowanie aparatu zapisując zdjęcie w formatach wyższego poziomu.

Nie wszystkie aparaty cyfrowe pozwalają na zapis zdjęć w formacie RAW.

http://www.studio-progresiv.pl/format-raw-w-fotografii/ ©Kamil Rumiński,

Wykład 3 (11.03.2019)

Wykład 3 (11.03.2019)

Cyfryzacja obrazu

Fotografia cyfrowa: pomiar jasności pikseli (punktów) matrycy, na którą pada światło.

Rozmiar matrycy: rzędu milionów pikseli Rozmiar pojedynczego piksela w matrycach telefonów komórkowych: rzędu 2x2 µm Liczba bitów kodujących natężenie światła: zależy od ADC (ang. Analog to Digital Converter) – zwykle 12 Jak jest rozpoznawany kolor?

Photographs by Jack/The Landingfield and used with permission

Wykład 3 (11.03.2019)

Cyfryzacja obrazu

Fotografia cyfrowa: pomiar jasności pikseli (punktów) matrycy, na którą pada światło.

Rozmiar matrycy: rzędu milionów pikseli Rozmiar pojedynczego piksela w matrycach telefonów komórkowych: rzędu 2x2 µm Liczba bitów kodujących natężenie światła: zależy od ADC (ang. Analog to Digital Converter) – zwykle 12 Jak jest rozpoznawany kolor?

Fotografia cyfrowa: pomiar jasności pikseli (punktów) matrycy, na którą pada światło.

Wykład 3 (11.03.2019)

Rozmiar matrycy: rzędu milionów pikseli Rozmiar pojedynczego piksela w matrycach telefonów komórkowych: rzędu 2x2 µm Liczba bitów kodujących natężenie światła: zależy od ADC (ang. Analog to Digital Converter) – zwykle 12

Photographs by Jack/The Landingfield and used with permission

Cyfryzacja obrazu

Fotografia cyfrowa: pomiar jasności pikseli (punktów) matrycy, na którą pada światło.

Wykład 3 (11.03.2019)

Rozmiar matrycy: rzędu milionów pikseli Rozmiar pojedynczego piksela w matrycach telefonów komórkowych: rzędu 2x2 µm Liczba bitów kodujących natężenie światła: zależy od ADC (ang. Analog to Digital Converter) – zwykle 12

Cyfryzacja obrazu

http://en.wikipedia.org/wiki/Exmor

Weźmy matrycę 10 MP. Ile danych trzeba zapisać dla jednego zdjęcia? 10 · 106 · 12 / 8 / 1024 / 1024 = 14.3 MiB!