Zápatí prezentace1
DIGITALIZACE A ZÁKLADY DIGITÁLNÍHO
OBRAZU
Vyučující: Erik Staffa
V případě dotazů k úkolu pište na: staffa@mail.muni.cz
Systém
je když…
Jde o obecný pojem, který vyjadřuje obvykle nějaké uspořádání
prvků a vztahů mezi nimi
Příklady systémů:
Fylogenetická klasifikace živočichů
Model ekosystému
Blokové schéma mikroskopu
Metabolické dráhy
Jak z toho udělat definici?
Systém je když…. Pracujeme systematicky
Definice:
Systém je dvojice množin (P,V), kde P je
množina prvků a V je množina vztahů mezi nimi.
JAK SOUVISÍ SIGNÁLY A SYSTÉMY?
Systém je zdrojem signálu
Signál je průchodem systému modifikován
Modifikace záměrná: zpracování signálu, filtrace
Modifikace nežádoucí: poruchy, šum
Co je to šum?
Ve zpracovávání signálu může šum znamenat data bez
významu, tedy data, která nejsou použita pro přenos
signálu a jsou jen produkována jako nechtěný vedlejší
produkt jiných aktivit.
biosignál
SIGNÁL
Je fyzikální děj nesoucí informaci o systému
Je žádoucí, aby nesl užitečnou informaci
Je to výstup systému
BIOSIGNÁL
Signál, které nese informaci o živém systému
A NARÁŽÍME NA
OTÁZKY
Co je informace?
Co je systém?
Co je živý systém?
Biosignál – stochastický signál
Reálná situace: náhody se nezbavíme – šum, případné onemocnění
Matematicky jde o náhodný proces
Jde popsat jen pravděpodobnostmi (např. Brownův pohyb)
Biosignály
PASIVNÍ
Organizmus není zdrojem energie
Organizmus modifikuje vnější energii
Např. rtg, ultrazvuk, bioimpedance
AKTIVNÍ
organizmus je zdrojem energie
tuto energii registrujeme a zesilujeme
např. ekg, spirometrie, ergometrie
Analogový signál / SPOJITÝ SIGNÁL – lze
si představit jako plynulý (např. průběh řeči na
osciloskopu)
Pro digitalizaci signálu je nutné spojitý signál
rozdělit na definované úseky (diskrétní
hodnoty, přidělit konečnou množinu prvků) 
získáváme diskrétní signál
Digitalizace
Diskrétní signál - okamžitá hodnota se nemění spojitě s
časem.
Vzorkovaný signál - hodnota se mění pouze v izolovaných
okamžicích. Proces diskretizace v časové oblasti. Není
spojitý v čase a vzniká vzorkováním analogového signálu –
počet vzorků za sekundu udává vzorkovací kmitočet. Tzn. z
biosignálu je třeba vybrat jen vzorky.
Digitalizace
Kvantovaný signál - v libovolném okamžiku nabývá pouze
konečného počtu hodnot a ke změně hodnoty signálu může
dojít v libovolném čase. Proces diskretizace oboru hodnot
signálu. Pro převod A/D převodník.
V praxi se obvykle obě metody kombinují.
digitální signál - je vzorkovaný a následně kvantovaný. Tvořen vzorky, které mohou
nabývat pouze omezeného počtu hodnot- posloupnost celých čísel. Při převodu A
na D signál  ztráta informace
Řešení  Zvyšováním vzorkovacího kmitočtu a počtu úrovní kvantizace.
http://www.tsrb.hr/elektro/index.php?option=com_content&task=view&id=13&Itemid=1
Binární soustava
bit a byte
 Bit - binary digit (bit = drobek) je základní a nejmenší jednotkou
informace, základní jednotka kapacity paměti (v čase 56 kbit/s)
 1 bit = informace získaná odpovědí na jednu otázku typu
ano/ne. Tyto odpovědi můžeme označit binárními číslicemi 0 a
1.
 Skupina 8 bitů se nazývá Byte („bajt“) - tzn. osmiciferné binární
číslo. Jeden bajt je obvykle nejmenší objem dat, se kterým
dokáže počítač (resp. procesor) přímo pracovat.
POŽADAVKY
Shanon-Kotelnikovův teorém - Přesná rekonstrukce spojitého,
frekvenčně omezeného, signálu z jeho vzorků je možná tehdy,
pokud byla vzorkovací frekvence vyšší než dvojnásobek nejvyšší
harmonické složky vzorkovaného signálu. (př. CD 44,1 kHz X
lidské ucho 20 kHz).
Aliasing – při vzorkování dochází k překrývání frekvenčních
spekter
Nyquistova
limita
MOARÉ – PROBLÉM PŘI DIGITÁLNÍ
FOTOGRAFII
Digitální obraz
digitální obraz chápeme jako obrazovou informaci, která
je převedená do číslicové podoby
výhody digitálního obrazu:
úprava obrazových dat bez vlivu na data originální
oproti úpravám analogových obrazů umožňuje
digitální obraz neporovnatelně vyšší možnosti
pro úpravy slouží v dnešní době celá řada
softwarů
rozlišujeme dva typy obrazů:
vektorový
rastrový
CCD
Charge-coupled device, Willard Boyle a George E. Smith v roce 1969, 2009 NC
Fotoelektrický jev – „fotoefekt“, elektrony jsou uvolňovány z látky v důsledku
absorpce elektromagnetického záření látkou. Foton při nárazu do atomu,
excituje elektron
http://www.kenrockwell.com/canon/6d/D3S_9073-0600.jpg
Digitalizace obrazu
Polovodiče – volné elektrony vedou proud
CCD - elektroda je od polovodiče izolována vrstvou
oxidu křemičitého – izolant. Elektrony nemohou být
odvedeny.
http://www.techmania.cz/edutorium/data/fil_1760.gif
Pořízení obrazu – základy fotografie
Je-li světla příliš mnoho:
Snímek bude světlý, bude obsahovat „vypálená místa“ (bílé plochy
bez barvy – okna focená z místnosti)
Je-li světla příliš málo:
Snímek bude tmavý, nezřetelný, bude obsahovat černé plochy
Správné dávkování světla
zajišťuje kombinace clony a času
Také udává (převráceně)velikost otvoru, kterým
objektiv propouští světlo na snímač
Označuje se písmenkem f
Např.: f8 (přesněji 1:8)znamená, že ke snímači
projde 1/8 světla, které zachytí objektiv, f2
objektiv propustí polovinu světla
Žádný objektiv není schopen propustit 100%
světla, profesionální fotoaparát f1,2, běžné levné
f8
CLONA OBJEKTIVU
Clona udává poměr zachyceného světla k propuštěnému světlu ke
snímači
Běžný čas je 1/100 vteřiny
Většina lidí udrží v ruce bez rozmazání čas
1/60 vteřiny, profesionál 1/30 vt.
Pod 1/10 vt. Již nikdo nerozmazaný obrázek
neudrží – stativ – sportovní záběry, zvířata
v pohybu potřebují 1/250 vt.
Nastavení: znamená správné určení clony a
správného času (většinou umí nastavit
automatika zažízení)
Čas expozice
Tato doba musí být tak dlouhá, aby na snímač dopadlo „přiměřené“
množství světla
Hloubka ostrosti
• Čím větší clona, tím je větší hloubka ostrosti
• Malá hloubka ostrosti – popředí ostré, vzdálenější předměty jsou
rozmazané
• Velká hloubka ostrosti – popředí i pozadí je ostré, celý snímek je
rovnoměrně ostrý
Základní úprava obrazu
Doplňkové úpravy (většinou nejsou nutné pro
hodnocení)
Digitální zpracování obrazu za účelem zlepšení jeho
kvality
Vyhlazení (redukce šumu), detekce rozhraní –
možnost nastavení vhodných parametrů pro optimální
zobrazení
EXIF data
Vektorový a rastrový obraz
Vektorový obraz je tvořen pomocí geometrických
objektů (tj. body, přímky, křivky, polygony)
Rastrový obraz je popsán pomocí jednotlivých bodů –
pixelů (pixel – je elementární část obrazu z angl. picture
element)
Datové formáty obrazu
Obrázek je pospán pomocí jednotlivých barevných bodů (pixelů)
uspořádaných do (pravoúhlé) mřížky
Každý bod má definovanou přesnou polohu a hodnotu (např. barvu)
Kvalitu záznamu určuje zejména rozlišení (plošná hustota
obrazových bodů) a barevná hloubka (počet hodnot, kterých může
každý obrazový bod nabývat).
S rastrovou grafikou pracují monitory, skenery, tiskárny, fotoaparáty
atd.
Obrazový formát
Typy obrazových formátů
Který použít? BMP, GIF, JPEG, PNG a TIFF, RAW
Výběr formátu zvolit dle zamýšleného použití obrázku (pro web, pro tisk, fotografie)
BMP (Bitmap) je výchozím grafickým formátem ve Windows. BMP může
znázornit jednobarevnou kresbu, šedou škálu nebo True Color. Formát BMP by
neměl být používán pro webové stránky a pro archivaci obrázků by měl být použit
pouze plnobarevný mód. Soubory BMP jsou obvykle velmi veliké. Pro archivaci
obrázků se dává přednost formátu TIFF. Obrázky jsou ukládány po jednotlivých
pixelech.
Počet bitů pro každý pixel udává množství barevných odstínů:
1 bit= 2 barvy
8 bitů= 256 barev
24 bitů= 16,7 milionů barev atd.
BMP
Jpeg JPEG (Joint Photographic Experts Group) je
grafický formát, který zkomprimuje až 16
miliónů barev (True Color) v obrázku na
relativně malý soubor. Ačkoli JPEG může
dosáhnout mnohem větší komprese než jiné
metody, obrázky mohou utrpět znatelnou
ztrátu kvality. JPEG je na internetu
preferovaný formát pro barevné fotografie
Formát ztrátové komprese datové informace, kterou lidské oko nevnímá, nebo vnímá
jen velmi slabě. Volitelná míra komprese určuje výslednou velikost datového souboru
Vhodný pro fotografii, nevhodný pro ukládání grafických prvků
Výhodou je velká rozšířenost formátu. Práci s tímto formátem umožňuje velká řada
editorů a aplikací
gif
GIF (Graphics Interchange Format) je běžným grafickým formátem pro kresby na internetu,
který mají plnobarevné velké plochy nebo transparentní pozadí nebo které jsou animovány.
GIF obsahuje informace komprimované do relativně malého formátu souboru. To proto, že
obrázky GIF jsou omezeny na 256 barev (8 bitů). Černobílé fotografie a fotografie, které
mají paletu méně než 256 barev, mohou však být ve formátu GIF uloženy bez problémů.
(JPEG má v současné době přednost před GIF jako formát pro obrázky s více než 256
barvami.) Formát vhodný pro internetovou grafiku (loga, tlačítka, nápisy,...) Nevhodný pro
fotografii
TIFF (Tagged Image File Format) je formát pro ukládání rastrové grafiky, který obsahuje
vysokou úroveň informací o každém bitu nebo pixelu. Obrázky TIFF mohou mít několik
variant: jednobarevné, 8-0bitové nebo 24-bitové. Formát TIFF navíc podporuje průhlednost.
Tento formát byl vyvinut pro publikační aplkace pro Macintosh a PC/Windows, jako jsou
Adobe PageMaker a QuarkExpress. Vaše obrázky uložte jako TIFF, pokud je zamýšlíte
publikovat v tištěné formě. TIFF je také upřednostňován jako formát pro archivační účely;
vytváří však velmi veliké soubory. Formát TIFF podporuje několik kompresních metod,
včetně JPEG, ale při archivování se vyhněte ztrátové kompresní metodě JPEG.
TIFF
PNG (Portable Network Graphic) dobrá volba pro archivování
obrázků, protože využívá bezeztrátovou kompresní metodu a
podporuje až 48-0bitovou True Color. Ve 24-bitových obrázcích True
Color podporuje PNG průhlednost a uvažuje se o něm, jako o
případné náhradě patentovaného formátu GIF, který je vlastněn
společností Compuserve. Důležitou výhodou formátu PNG je, že
obrázky obsahují informaci o gamma korekci, která pomáhá obrázkům
udržet stejný jas na různých monitorech a tiskárnách. Pokud vaše
obrázky vypadají dobře na obrazovce, ale jsou vytištěny příliš tmavě,
zkuste použít formát PNG.
Formát PNG získává na webu rychle popularitu a je kompatibilní s
většinou současných verzí webových prohlížečů. Protože soubory
PNG jsou bezeztrátové, nedochází při kompresi obrázku ke zhoršení
kvality. Formát PNG vytváří větší soubory než jeho protějšky JPEG
nebo GIF. Velikost obrazu – rozlišení. Vhodný pro fotografii a pro
archivaci
PNG
Vektorová grafika
Obrázek je složen z vektorů – základních
geometrických útvarů (body, křivky, přímky,
mnohoúhelníky)
Uzavřené křivky mohou mít různou barevnou výplň
Slouží k tvorbě ilustrací, diagramů a počítačových
animací
Zpracování: CorelDraw, Inkspace, Zoner Callisto,
Výhody: při zvětšování a zmenšování obrázku
nedochází ke ztrátě kvality; s každým objektem
možno pracovat odděleně, paměťová náročnost je
menší než u rastrové grafiky
Nevýhody: složitější pořízení obrázku
Formáty: EPS, PDF, CDR, SVG, ZMF
pdf
Vyvinut společností Adobe
Slouží pro ukládání nezávisle na hardwaru a softwaru, kde byl pořízen. Vždy stejné!
Může obsahovat text i grafiku
Pro vytváření je třeba mít vhodný software
Základní charakteristika obrazu
Jas pixelu poskytuje informaci o svítivosti plošky reálného obrazu. Černá barva (nulová svítivost) je obvykle prezentována v
paměti číslem 0, úplně bílá pak nejvyšších použitelným číslem.
Nejvyšší použitelná hodnota jasu určuje schopnost dane reprezentace obrazu rozlišit různé úrovně jasu = hloubka obrazu
(počet bitů char. Jas jednoho pixelu)
rozlišení
Obraz určuje matice, jejíž prvky jsou hodnoty jasu jednotlivých pixelů.
Rozlišení je šířka a výška obrazu vyjádřená v počtu pixelů (640x480)
Rozlišení není fyzický rozměr! Vlastní informaci o fyzickém rozměru nese údaj o
velikosti jednoho pixelu (DPI – dots per inch), odpovídá šířce jednoho palce (2.54cm)
Kontrast a dynamický rozsah
Kontrast obrazu je spojen s fyziologií vidění. Definuje rozdíl nebo
podíl mezi nejsvětlejším a nejtmavším oblastí v obrazu,
Podíl nejvyššího a nejnižšího jasu, jaké je schopen daný formát
rozlišit (nejvyšší dosažitelný kontrast obrazu) je dynamický rozsah
Histogram obrazu
Histogram je grafické zobrazení velikosti plochy (četnosti)
jednotlivých stupňů jasu od bílé (R,G,B=255) po černou (R,G,B=0).
Na vodorovné ose je 256 bodů (0-255), které odpovídají počtu
odstínů od černé vlevo po bílou vpravo.
Na svislé ose je znázorněn počet pixelů příslušného jasu v
obrázku. Výška sloupců v histogramu znázorňuje, jakou plochu v
obrázku jednotlivé odstíny zabírají.
Použití histogramu
Histogram poskytuje základní informaci o úrovni jasu v obrázku
Příliš světlý
(přeexponovaný)
– pravá část
Příliš tmavý
(podexponovaný)
– levá část
Nízká úroveň
kontrastu – pouze
střední část
Úprava histogramu
(ekvalizace)
Tak, aby byl co nejvíce plochý
Posun histogramu
Zvyšování jasové úrovně obrázku posouvá
histogram doprava
POSUN HISTOGRAMU
Pozor na ztrátu obrazové informace ve velmi jasných
a tmavých úrovních barev při operacích s
histogramem
Zvýraznění obrazu
Obraz se vylepšuje pro další interpretaci (upraví se
jeho vzhled a zvýší se vizuální odlišení mezi jednotlivými
prvky obrazu, čímž se zvětší množství informace, které
lze vizuálně interpretovat).
Úpravy je vhodné provádět pouze na monitoru a
nezasahovat do zdrojových dat.
Základní skupiny digitálního zvýraznění obrazového
záznamu:
Bodové (radiometrické) zvýraznění
Prostorové zvýraznění (filtrace)
Spektrální zvýraznění
Zvýraznění kontrastu
úprava histogramu:
Lineárním roztažením v celém využitém rozsahu, nebo v některé jeho
části
Vyrovnání histogramu – četnějším hodnotám se přisoudí větší prostor
Zvýraznění části histogramu
Barevný model
Informace o barvě pixelu je prezentována jako bod barevného
prostoru (obvykle trojrozměrný až čtyřrozměrný)
Barevné vlastnosti prezentuje trojice nebo čtveřice čísel
RGB model – barvu pixelu prezentuje odpovídající jas červené,
zelené a modré barvy (RGB), výsledná barva je dána adicí všech tří
barev
Barevný model
CMYK model – výsledná barva je dána rozdílem složky azurové,
fialové a žluté (CMY). Používá se při tisku a pro úsporu barvy ještě
informace o černé složce (K)