Komputerowa reprezentacja obrazu

Podstawy informatyki

Izabela SzczęchPolitechnika Poznańska

KOMPUTEROWA REPREZENTACJA

OBRAZÓW

2

Plan wykładu

� Grafika rastrowa

� Grafika wektorowa

� Skalowanie obrazu

� Kompresja danych

� Popularne formaty plików graficznych - przegląd

3

Informacja jako obraz cyfrowy

� Zastosowania informacji przenoszonej w formie obrazu

cyfrowego:

� kamery cyfrowe na użytek domowy

� fotografia cyfrowa

� obrazy satelitarne wykorzystywane w meteorologii, kartografii

czy urbanistyce

� systemy obrazowania medycznego i biologicznego itd.

� Potrzebne są efektywne metody gromadzenia, indeksowania,

przeglądania i wymiany tej informacji

4

Jak przy pomocy bitów przekazywać informacje o obrazach?

� Sposoby kodowania informacji o obrazach:

� grafika rastrowa

� grafika wektorowa

5

GRAFIKA RASTROWA

6

Grafika rastrowa

� Obrazy tworzone są z

położonych blisko siebie

punktów – pikseli, które w

efekcie stwarzają pozorny

obraz ciągły

� Piksel - najmniejszy punkt

ekranu lub obrazu

� Słowo powstałe jako zlepek

angielskich picture oraz

element

7

np. 800x640

� Sposób zapamiętania obrazu rastrowego to bitmapa czyli

dwuwymiarowa tablica pikseli

� Bitmapę charakteryzują następujące właściwości:

� wysokość i szerokość bitmapy liczona jako liczba pikseli w

pionie i w poziomie (rozdzielczość)

Przykładowo rozdzielczość

ekranu 800x640 oznacza,

że można na nim wyświetlić

maksymalnie 800 pikseli

w jego szerokości i 640 w wysokości

� liczba bitów wykorzystywana do reprezentacji koloru danego

piksela (głębia koloru)

Większa głębia koloru oznacza szerszy zakres kolorów

8

Mapa bitowa

� Gdy zmierzymy (na przykład zwykłą linijką) szerokość i wysokość

użytkowego obszaru na ekranie i podzielimy takie wymiary przez

rozdzielczość to otrzymamy wymiary piksela ekranowego

� DPI, PPI, LPI

� Liczba pikseli (kropek, punktów, lini) na jednostkę długości

(cal) – dots/points/lines per inch.

� Określa ile punktów będzie miał obraz w swojej szerokości

� Określenie stosowane głównie w przypadku urządzeń typu

skaner, drukarka, ploter

9

Rozdzielczość obrazu

� Głębia koloru obrazu to liczba bitów wykorzystywana do reprezentacji

koloru danego piksela

� Głębia n-bitowa daje możliwość reprezentowania 2n różnych barw

� Im większa głębia tym dokładniejszy obraz, ale także tym więcej miejsca

na dysku zajmie plik

� Obrazy w modelu kolorów RGB często składają się z kolorowych pikseli

zdefiniowanych przez trzy bajty-jeden bajt (8 bitów) na każdy kolor

(czerwony, zielony i niebieski), czyli jest to głębia 24-bitowa

10

Głębia koloru Liczba kolorów możliwych do wyświetlenia

1-bitowa 21 2 (np. biały i czarny)

8-bitowa 28 256

24-bitowa 224 16 777 216

32-bitowa 232 4 294 967 296

Głębia koloru obrazu

Głębia koloru obrazu a jakość obrazu

� Przy jednakowej wielkości (rozdzielczości), obrazy o mniejszej

głębi zawierają mniej informacji i ogląda się je z pewnym

dyskomfortem

11

głębia 8-bitowa (256 kolorów)

głębia 4-bitowa (16 kolorów)

głębia 1-bitowa (2 kolory)

Rozmiar pliku grafiki rastrowej

� Im wyższa rozdzielczość obrazu, tym większy rozmiar pliku

� Im więcej kolorów możliwych do zapamiętania, tym większy

rozmiar pliku

12

GRAFIKA WEKTOROWA

13

� zapis obrazu oparty jest na formułach matematycznych

� obraz opisany jest za pomocą tzw. obiektów, które zbudowane

są z podstawowych elementów nazywanych prymitywami, czyli

prostych figur geometrycznych takich jak odcinki, krzywe,

okręgi, wielokąty

� każdy element obrazu jest opisany

za pomocą pewnej liczby cech

(położenie, barwa itp.), których

wartości można zmieniać podczas edycji

� obraz przedstawiany na urządzeniu (monitor, drukarka) jest

„kreślony” element po elemencie

14

Grafika wektorowa

Obraz wektorowy utworzony z 6254 obiektów

Zdjęcie – obraz rastrowy

Obraz rastrowy vs. wektorowy

15

SKALOWANIE OBRAZU

16

Skalowanie obrazu – operacja zmiany rozmiaru

Grafika rastrowa

� jest zależna od rozdzielczości

� wolne skalowanie, wiąże się z

utratą jakości obrazu

� przykład powiększania:

Grafika wektorowa

� nie zależy od rozdzielczości

� szybkie, bezpieczne

skalowanie, bez straty jakości

� przykład powiększania:

17

Skalowanie obrazu rastrowego

� Raster ma stałą liczbę pikseli (rozdzielczość)

� przy powiększeniu mapy bitowej występuje efekt powiększenia

piksela

� nie jest możliwe wielokrotne

powiększenie bez utraty jakości

gdyż w obrazie oryginalnym

brak wystarczającej ilości detali,

które pozwalałyby na zbliżenie

tego rzędu

18

� Odcinek jest zapamiętywany jako zbiór dwóch punktów

(początkowy i końcowy) o określonych współrzędnych, dzięki

temu obliczane są punkty pośrednie

� Powiększenie/pomniejszenie odcinka

w tym przypadku polega na obliczeniu

nowych współrzędnych dla obu punków,

a następnie na nowo, na obliczeniu

punktów pośrednich i wyświetleniu ich na ekranie

(Elipsa jest zapamiętywana w postaci dwóch ognisk elipsy i dwóch

średnic)

19

Skalowanie obrazu wektorowego

Skalowanie obrazu – przykłady powiększania

Grafika rastrowa

� uwidocznione pojedyncze

piksele

Grafika wektorowa

� brak strat

20

Skalowanie obrazu – przykłady pomniejszania

Grafika rastrowa

� tracimy bardzo wiele

szczegółów oryginalnego

obrazu

Grafika wektorowa

� brak strat

21

Skalowanie obrazu – przykłady powiększania

Grafika rastrowa Grafika wektorowa

22

Grafika rastrowa – zastosowania

� zapisywanie zdjęć i realistycznych obrazów (każdy punkt może

mieć inną barwę i nasycenie)

� tworzenie obrazów o skomplikowanych kolorach, przejściach

tonalnych, cieniach, gradacjach barw itp.

� składanie ilustracji

� obróbka zdjęć, np. retuszowanie zniszczonych

� tworzenie grafiki ekranowej dla aplikacji multimedialnych

� przygotowywanie statycznych efektów specjalnych w filmie

� kreowanie prostych animacji GIF

23

Grafika wektorowa – zastosowania

� prezentacja tekstu – zapis wektorowy jest odpowiedni dla

gotowych dokumentów (również tekstów) nie przeznaczonych do

dalszej edycji, a do rozpowszechniania w formie elektronicznej w

zamkniętej postaci

� wizytówki, emblematy, znaki firmowe, reklama

� fonty, komputerowe opisy czcionek

� prezentacja danych i modelowanie

� tworzenie wykresów 2D i 3D funkcji matematycznych, fizycznych

i ekonomicznych; histogramów i wykresów kołowych; wykresów

harmonogramowania zadań; wykresów wielkości zapasów i

produkcji itd.

� kreślenie i projektowanie wspomagane komputerowo

� symulacja i animacja dla wizualizacji naukowej i rozrywki24

Konwersja formatu zapisu obrazu

� Operacja przetworzenia obrazu wektorowego na jego

odpowiednik rastrowy jest wykonywana przed jakimkolwiek

obrazowaniem grafiki wektorowej na monitorze, czy drukarce

� Istnieją jednakże urządzenia takie jak plotery, np. ploter tnący,

dla których opis wektorowy jest naturalnym sposobem działania

� Przed opublikowaniem w sieci grafiki wektorowe również często

przekształca się w ich odpowiedniki rastrowe

� Jest to podyktowane koniecznością zachowania możliwości

wyświetlenia obiektów graficznych w różnych systemach

� Wyjątkiem są tutaj np. prezentacje Flash i Shockwave, które

dzięki istnieniu wtyczek (plug-ins) do przeglądarek są

"rozumiane" przez większość komputerów

25

� Digitalizacja - przekształcenie obrazu wektorowego w rastrowy

(łatwa operacja):

� nałóż siatkę kwadratów na rysunek

� zamaluj każdy kwadrat dominującym kolorem

� Wektoryzacja - przekształcenie obrazu rastrowego w wektorowy

(trudna operacja):

� w układzie barwnych pikseli rozpoznaj przebiegające linie,

okręgi, litery i inne znaki, obszary jednobarwne i ich brzegi

� zapamiętaj ich parametry

26

Konwersja formatu zapisu obrazu

Formaty plików graficznych

� Wszelkie obrazy graficzne w postaci cyfrowej mają pewne

przyporządkowane formaty plików

� Formaty plików graficznych różnią się między sobą:

� sposobem reprezentacji danych obrazu (piksele lub wektory)

� techniką kompresji

� obsługiwanymi funkcje programów graficznych.

27

KOMPRESJA DANYCH

28

Kompresja danych

� Polega na zmianie sposobu zapisu informacji w taki sposób,

aby zmniejszyć redundancję i tym samym objętość zbioru,

nie zmieniając przenoszonych informacji

� Innymi słowy chodzi o wyrażenie tego samego zestawu

informacji, lecz za pomocą mniejszej liczby bitów

/wikipedia.org/

� Dane reprezentowane są w zwartej postaci w celu redukcji

kosztów ich przechowywania i przesyłania

29

Skąd możliwość kompresji?

� Redundancja (nadmiarowość)

� informacje w danych powtarzają się

� Różne sposoby reprezentacji

� np. rastrowa i wektorowa reprezentacja grafiki

� Ograniczenia percepcji

� wzrokowej

� słuchowej

30

Co kompresujemy?

� Mowa (np. w telefonii komórkowej, internetowej, VoIP)

� Muzyka (np. utwory w formacie MP3)

� Dane video (np. filmy na DVD, w formacie DivX)

� Teksty (np. udostępniane w archiwach takich jak Project

Gutenberg)

� Pliki wykonywalne (np. wersje instalacyjne oprogramowania)

� Bazy danych

31

Zalety stosowania kompresji

� Przesyłanie większej ilości danych w tym samym czasie

(np. satelity telekomunikacyjne)

� Przesyłanie danych w krótszym czasie

� Praca większej liczby użytkowników na łączu o tej samej

przepustowości (np. Internet)

� Zmniejszenie rozmiarów przechowywanych danych (rozmiary i

koszty dysków twardych)

� Wygoda operowania plikami o mniejszych rozmiarach

32

� Konieczność wykonania dekompresji przed użyciem danych

� Czasami wymagana jest duża moc obliczeniowa, aby

kompresja/dekompresja mogła być wykonywana w czasie

rzeczywistym

33

Wady stosowania kompresji

Uniwersalne i dedykowane metody kompresji

� współczynnik kompresji to wyrażony w procentach stosunek

rozmiaru danych (np. pliku) po kompresji do rozmiaru danych

przed kompresją, np. 10%

� metody uniwersalne - możliwość stosowania jednego algorytmu

do różnych typów danych

� z reguły gorszy współczynnik kompresji

� metody dedykowane – stworzone do konkretnego zastosowania

� lepszy współczynnik kompresji

� potrzeba stworzenia wielu algorytmów dla konkretnych danych

� koszty opracowania algorytmu mogą przekraczać zyski z jego

stosowania

34

Bezstratne i stratne metody kompresji

� Kompresja bezstratna jest odwracalna - pozwala odtworzyć

oryginalną zawartość danych

� Szerokie spektrum zastosowań

� Gorszy współczynnik kompresji

� Kompresja stratna jest nieodwracalna - nie odzyskamy danych w

oryginalnej postaci, jednak główne właściwości zostają zachowane

� Lepszy współczynnik kompresji

� Ograniczone spektrum zastosowań

35

Przed kompresją (800kB)

36

Po kompresji stratnej (64kB)

37

Metody bezstratne — zastosowania

� Teksty

� Bazy danych

� Obrazy medyczne (!)

� Programy komputerowe

� Archiwizacja danych

38

Metody stratne — zastosowania

� Obrazy

� Utwory muzyczne

� Mowa

� Dane wideo

39

POPULARNE FORMATY PLIKÓW

GRAFICZNYCH - PRZEGLĄD

40

Formaty grafiki rastrowej

� Używające kompresji stratnej:

� JPEG (Joint Photographic Experts Group)

� JPEG 2000

� TIFF (Tagged Image File Format) - udostępniający wiele

rodzajów kompresji (zarówno stratnej jak i bezstratnej)

� DjVu (Deja Vu) - format stworzony do przechowywania

zeskanowanych dokumentów w formie elektronicznej

41

JPEG

� JPEG (Joint Photographic Experts Group Format)

� format stworzonym do przechowywania obrazów, które

wymagają "pełnego koloru", ale nie mają zbyt wielu ostrych

krawędzi i małych detali - a więc zdjęć pejzaży, portretów i

innych "naturalnych" obiektów

� algorytm kompresji używany przez JPEG jest algorytmem

stratnym

� możliwość kontroli stopnia kompresji w jej trakcie umożliwia

dobranie stopnia do danego obrazka, w taki sposób, aby uzyskać

jak najmniejszy plik, ale o zadowalającej jakości

42

Przykłady kompresji JPEG

1:20 1:50

43

Przykłady kompresji JPEG

1:100 1:200

44

JPEG - wady i zalety

� Zalety:

� bardzo dobre współczynniki kompresji

� możliwość dobierania współczynnika kompresji

� bardzo duża popularność

� Wady:

� lepszy współczynnik kompresji oznacza pogorszenie jakości

obrazu

� istnieją lepsze algorytmy

45

JPEG 2000

� następca powszechnie stosowanego JPEG

� format ten zapewnia lepszą jakość obrazu i zapewnia kompresję

wysokiego stopnia

� umożliwia zapisanie i odczytanie wszystkich ważnych składowych

obrazu, redukując zniekształcenia lepiej niż format JPEG

� w odróżnieniu od JPEG, obraz może być również skompresowany

bezstratnie, co czyni go konkurencyjnym dla formatu PNG

� algorytm JPEG 2000 jest wykorzystywany między innymi do

kompresowania obrazu w kinach cyfrowych

46

Przykłady kompresji JPEG 2000

1:20 1:50

47

Przykłady kompresji JPEG 2000

1:100 1:200

48

JPEG 2000 – wady i zalety

� Zalety:

� bardzo dobre współczynniki kompresji przy zadawalającej

jakości obrazu

� Wady:

� duża złożoność obliczeniowa, w związku z tym nie przewiduje

się zastąpienia nim standardu JPEG

� stosunkowo wolne działanie

49

TIFF

� TIFF (Tagged Image File Format)

� format ten pozwala na zapisywanie obrazów stworzonych

w skali szarości oraz wielu głębiach bitowych koloru

� format z kompresją bezstratną, ale udostępniający także wiele

rodzajów kompresji stratnej

� TIFF oparty jest na koncepcji znaczników (tagów).

Znaczniki dostarczają informacji na temat obrazu;

jeden z nich jest wskaźnikiem do całego obrazka, inne dotyczą

typu kompresji, rozmiaru, kolejności bitów, oraz autora, daty i

oprogramowania źródłowego

� TIFF jest standardem szeroko używanym jednak zawiera wiele

różnych wersji i tagów, co często stanowi problem

50

Porównanie formatów TIFF i JPEG

TIFF; 918 KB JPEG; 59 KB

51

Formaty grafiki rastrowej

� Używające kompresji bezstratnej:

� GIF (Graphics Interchange Format)

� PNG (Portable Network Graphics)

� TIFF

52

GIF

� GIF (Graphics Interchange Format)

� format pliku graficznego z kompresją bezstratną

� GIF-y są często używane na stronach www

� brak jest możliwości zapisu plików graficznych w formacie True

Color. Zachowany w tym formacie obraz może być czarno-biały, w

odcieniach szarości lub kolorowy (maksymalnie 256 barw na blok

obrazu)

� pliki w tym formacie mogą zawierać kilka obrazów, umożliwia to

tworzenie dzięki nim animacji

� może przechowywać informację o kanale alfa (przezroczystość)

53

GIF – wady i zalety

� Zalety:

� umożliwia zapis w jednym pliku wielu obrazów GIF w celu

późniejszego ich prezentacji w postaci animacji

� możliwość ustawienia dla każdego piksela przezroczystości

(jedynie dwie wariancje - albo jest, albo nie jest

przezroczysty)

� popularny

� Wady:

� nie obsługuje trybów o 24-bitowych kolorze

54

PNG

� PNG (Portable Network Graphics)

� format graficzny wykorzystujący kompresję bezstratną

� jest formatem pozbawionym ograniczeń narzucanych przez

właściciela praw patentowych - stworzony przez internautów

może być używany bez opłat

� jest wieloplatformowym formatem bitmapowym

� istnieje w nim możliwość zdefiniowania stopnia przeźroczystości -

tzw. kanału alpha

� zapewnia lepszy stopień kompresji niż GIF (10 - 30%)

� nie może jednak służyć do tworzenia animacji, ponieważ nie

pozwala na przechowywanie wielu obrazków w pojedynczym pliku

55

PNG – wady i zalety

56

� Zalety:

� umiejętność zapisu grafiki truecolor (aż do 48 bitów na piksel)

oraz grafiki grayscale (aż do 16 bitów na piksel)

� uwzględnianie współczynnika przezroczystości (alpha channel)

na każdy piksel

� efektywna, bezstratna kompresja (o ok. 10-30 proc. bardziej

wydajna niż stosowana w GIF-ie)

� Wady:

� efekt ziarnistości przy dużej kompresji

Porównanie formatów GIF, JPEG, PNG

57

Porównanie formatów GIF, JPEG, PNG

� Oryginalny obraz zawierał 25 kolorów

58

Porównanie formatów GIF, JPEG, PNG

59

Porównanie formatów GIF, JPEG, PNG

60

Formaty grafiki rastrowej

� Bez kompresji:

� BMP

� XCF (eXperimental Computing Facility) - mapa bitowa

programu GIMP; może przechowywać wiele warstw

� XPM format zapisu plików przy pomocy znaków ASCII

� GIMP (GNU Image Manipulation Program) – darmowy program

do tworzenia i obróbki grafiki rastrowej

61

BMP

� Obraz jest przechowywany jako bitmapa. Piksele są zapisywane

bez żadnej kompresji z tego powodu rozmiary plików są bardzo

duże

� Jeden z popularniejszych formatów przechowywania obrazu w

pamięci komputera, format ten wylansowała firma Microsoft jako

podstawowy format zapisu danych plików graficznych

� Zachowując pliki w tym formacie, można wybrać głębię pikseli -

od 1 do 24 bitów

62

Porównanie formatów BMP i JPEG

BMP; 1,37 MB JPEG; 36 KB

63

Formaty grafiki wektorowej

� SVG (Scalable Vector Graphics) - format oparty na języku XML;

promowany jako standard grafiki wektorowej; umożliwia

tworzenie animacji

� CDR (Corel Draw) - format opatentowany przez firmę Corel

Corporation

� SWF (Adobe Flash) - format grafiki wektorowej popularny w

internecie; umożliwia tworzenia animacji

� EPS (Encapsulated PostScript) – format PostScript z

ograniczeniami

64

Plik bez formatu

� Można przenosić między aplikacjami i platformami

komputerowymi

� Składa się ze strumienia bajtów opisujących informacje o

kolorach. Każdy piksel jest opisany binarnie

� Obrazek można zachować w formacie z przeplotem i bez

przeplotu. W pierwszym przypadku wartości kolorów (na przykład

czerwony, zielony i niebieski) są zapisywane sekwencyjnie. Wybór

zależy od wymagań aplikacji docelowej, w której plik ma być

otwierany

65

Literatura:

66

� A. Przelaskowski, "Kompresja danych: podstawy, metody

bezstratne, kodery obrazów", Wydawnictwo BTC, W-wa, 2005.

� A. Drozdek, „Wprowadzenie do kompresji danych”, WNT,

Warszawa, 2007