Obraz jako środek przekazu - informatykaplus.edu.pl · scalonego (badanie jakości wykonania podzespołu). informatyka + 8. Dziedziny zastosowania CPO Przykład obrazu zarejestrowanego

informatyka + 1

Obraz jako środek przekazu informacji

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

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

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

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

rozrywkakino i TV

wojskobezpieczeństwo

robotyka

mikroskopia

obrazowanie ultradźwiękowe

radiologia

astronomia

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 jakościwykonania podzespołu).

informatyka + 8


Przykład obrazu zarejestrowanego przenośną kamerą termowizyjną.

informatyka + 9


Radarowe zdjęcie satelitarne południowej części Tybetu ok. 70 km na północ od Lhasy (NASA).

informatyka + 10

Dziedziny zastosowania CPOJądrowy rezonans magnetyczny

a) kolano b) kręgosłup

informatyka + 11


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).

informatyka + 13

Mieszanie barw

informatyka + 14

Mieszanie addytywne Mieszanie substraktywne

Modele barw

informatyka + 15

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

Atrybuty barwy

informatyka + 17

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 (umownaskala 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

informatyka + 18

Kształtowanie korekcji gamma

informatyka + 19

a) b) c)

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.

informatyka + 21

Balans bieli i korekcja barw

informatyka + 22

Zafałszowanie koloru wynikające z błędu równowagi dynamicznej bieli

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 temperaturGorąca 1667K ~ 2250K Ciepła 2251K ~ 4170K

Neutralna 4171K ~ 8060KZimna 8061K ~ 25000K

Temperatura barwowa, balans bieli

informatyka + 25

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

Standard telewizji kolorowej PALi 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

informatyka + 28

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 MPEG-4 part10 (H.264) mogą również być stosowane.

informatyka + 29

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

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 półobrazówA’ 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

Redukcja artefaktów wynikającychz 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.

informatyka + 32

Eksponowanie konturów obrazu

informatyka + 33

Poprawa ostrości konturów subiektywnie wiąże się z wrażeniemzwiększenia 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 zastosowanow 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.

informatyka + 35

Poprawa odtwarzania pochylonych krawędzi

Technologia DCDi - redukcja zniekształceń krawędzi i linii (DirectionalCorrelation 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

Technologia DCDi

informatyka + 37

Ekrany LCD – ukierunkowanie światła

informatyka + 38

Ekrany LCD – przepływ światła

informatyka + 39

Ekrany LCD – TN (Twisted Nematic)

informatyka + 40


informatyka + 41


informatyka + 42

Różnicując napięcie na końcówkach ciekłego kryształu można modulowaćstopień zamknięcia przełącznika, aby uzyskać stany pośrednie

DSTN (dual scan TN) – matryce pasywne

informatyka + 43

Matryce aktywne

informatyka + 44

Budowa matryc TFT

informatyka + 45

Budowa matryc TFT

informatyka + 46

Obraz wyświetlany na ekranie monitora LCD

Technologia IPS (In-Plane Switching)

informatyka + 47

Filtr polaryzujący

Powierzchnia przeźroczysta

Filtr polaryzujący


Elektroda

Ciekły kryształ

Pojedynczy piksel bez napięcia

Technologia IPS (In-Plane Switching)

informatyka + 48

Filtr polaryzujący


Filtr polaryzujący


Elektroda

Ciekły kryształ

Pojedynczy piksel z przyłożonym napięciem

Multidomain Vertical Alignment (MVA)

informatyka + 49

Multidomain Vertical Alignment (MVA)

informatyka + 50

Ekrany plazmowe

informatyka + 51

Przepływ prądu elektrycznego w rozrzedzonym gazie:a) obwód wyładowania,b) charakterystyka napięciowo-prądowa zjawiska.

Stałoprądowy ekran plazmowyDC-PDP

informatyka + 52

a) zasada konstrukcjib) widok przestrzenny

Przemiennoprądowy ekran plazmowy AC PDP

informatyka + 53

a) zasada budowyb) model elektryczny

węzła macierzy

Ekrany plazmowe

informatyka + 54

Zasada konstrukcji piksela współczesnego, wielobarwnego ekranu plazmowego typu AC PDP.

Ekrany plazmowe

informatyka + 55

Documents

Obraz jako środek przekazu - informatykaplus.edu.pl · scalonego (badanie jakości wykonania podzespołu). informatyka + 8. Dziedziny zastosowania CPO Przykład obrazu zarejestrowanego