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