4 장 이미지와 그래픽

1. 4장 이미지와 그래픽

2. 4.1 이미지와 그래픽의 기본개념 • 인간이 받아들이는 정보 중 시각적인 정보는 전체 정보의 상당 부분을 차지한다. • 이미지는 멀티미디어 디자인에서 가장 중심적인 위치를 차지한다. 이미지 그래픽 이미지와 그래픽의 합성 2

3. 4.1.1 픽셀의 이해 • 이미지는 픽셀의 집합으로 표시되며, 비트맵(Bitmap) 방식으로 저장장치에 기록된다. ‘2’에 대한 비트맵 표현 3

4. 각 픽셀들은 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue)의 값을 적절히 배합시켜 색을 나타낸다. • 각 픽셀이 가질 수 있는 컬러의 종류는 픽셀당 비트수에 달려있다. 4

5. 4.1.2 컬러 모델(Color model) • 빛의 특성 • 진폭(Amplitude) : 빛의 밝기(brightness 또는 luminance)를 결정, 진폭이 클수록 밝아진다. • 파장(Wave length) : 빛의 색상(color)을 결정, 가시영역 = 380 ~ 760 nm = 보라색 ~ 빨간색 (1) RGB(Red, Green, Blue) 모델 • 빛의 삼원색(적색, 녹색, 청색)이 기본색이 되는 컬러 모델 • 여러 색의 빛을 더하면 흰색이 되는 빛의 성질을 이용 • 기본 색을 더하여 새로운 컬러를 만들어내므로 가산 모델(additive model)이라 불리운다. 5

6. RGB 컬러 모델과 기법 혼색 6

7. (2) CMY(Cyan, Magenta, Yellow) 모델 CMY 컬러모델과 감법 혼색 7

8. (3) HSV(Hue, Saturation, Value) 모델 • 인간의 시각 모델과 가장 흡사한 컬러 모델, 인간의 직관적인 시각에 기초를 둠 • 색상(Hue), 채도(Saturation), 명도(Value 또는 Brightness)의 세가지 속성을 이용 • 인간은 128(H) * 130(S) * 23(B) = 382720 color를 구별할 수 있다. • RGB 모델, CMY 모델, HSV 모델간의 변환 : • 인덱스 컬러(Indexed Color) : • 사용할 수 있는 색상의 수가 제한된 시스템에서 사용 • 색상 보기표(CLUT : Color Look-Up Table)를 이용하여 미리 정의된 색상을 사용 8

9. 색상보기표(CLUT : Color Look-Up Table) • 사용자가 임의로 정의하여 사용할 수도 있음 • 사용할 수 있는 색상의 수가 한정되어 있으므로 색변화가 일어날 수 있음　 9

10. 4.1.3 해상도(Resoultion) • 해상도(Resolution) : • 단위 길이당 표시할 수 있는 픽셀 또는 점의 수 • 인치(inch)를 단위 길이로 많이 사용, 이 경우 해상도의 단위는 dpi(dot per inch) • 레이저 프린터 : 300 dpi 이상, 모니터 : 72 ~ 75 dpi • 장치 해상도(Device resolution)와 이미지 해상도(Image resolution) • 장치 해상도 : 출력장치가 단위 면적에 표현할 수 있는 픽셀의 수 • 이미지 해상도 : 장치와 무관한 이미지 자체의 해상도 10

11. 4.1.4 이미지와 래스터/벡터 그래픽 • 래스터(Raster) 그래픽 • 픽셀단위로 저장하는 방식이다. • 파일의 크기는 해상도에 비한다. • 화면을 확대할때 화질이 떨어진다. • 그래픽 소프트웨어 중 칠하기 도구(Painting tool)를 이용하여 픽셀들의 형태로 생성한다. • 벡터(Vector) 그래픽 • 기하적인 객체들을 나타내는 그래픽 함수로 표현되는 방식으로, 일반적으로 파일의 크기가 래스터 그래픽 방식에 비해 작다. • 백터 그래픽은 점, 선, 곡선, 원등의 기하적 객체로 표현되므로, 화면 확대시 화질의 변화가 없다. • 일러스트레이션(illustration)에 적합한 방식이다. • 그래픽 소프트웨어 중 그리기 도구(Drawing tool)을 이용하여 점, 선, 곡선, 원등과 같은 기하적 객체로 생성한다 11

12. 이미지(Image) • 디지털 카메라를 이용하여 현실세계의 사물을 촬영하거나 스캐너를 이용하여 사진이나 그림을 디지털 형태로 받아들인 것 • 정지화상(still image)이라고도 하며, 래스터 그래픽과 같이 픽셀 단위로 저장된다. 12

13. 4.2 입력장치 4.2.1 스캐너 • 문서, 사진, 필름 등의 아날로그 데이터를 컴퓨터가 처리할 수 있는 디지털 데이터로 변환하는 이미지 입력장치 • 스캐닝할 이미지에 빛을 비춘다음 반사되어 돌아오는 빛을 CCD(Charge Coupled Device)로 받아들여 그 빛의 양을 측정하는 원리로 작동 • 스캐너의 해상도는 CCD입자의 정밀도에 비례하며 이를 "광학 해상도"라고 한다. 13

14. 4.2.2 디지털 카메라(Digital Camera) • 디지털 카메라와 일반 카메라의 차이 디지털화 과정의 비교 디지털 카메라의 구성요소 일반 카메라와 디지털 카메라의 비교 14

15. 해상도 • 일반 사진은 해상도를 나타내는 수치화된 기준이 없다. • 디지털 카메라는 해상도를 수치화할 수 있다. 즉, 가로×세로 화소수인 픽셀수의 곱으로 나타낼 수 있다. • 전문가를 위한 디지털 카메라는 130~150만 화소의 이미지 해상도를 지원하며, 이는 1280 * 1024 정도의 해상도를 의미한다. • 저장방식 • 전용 압축방법을 제공하는 디지털 카메라도 있으나 대부분 JPEG 압축방식을 채택 • 촬영 데이터를 PCMCIA 카드로 접속하면 JPEG으로 압축된 데이터는 컴퓨터에 접속하기만 하면 바로 읽히는 장점이 있다. 15

16. 메모리 • 디지털 카메라는 40장 정도의 사진을 촬영할 수 있으나 이는 내장 메모리나 별도의 외장 메모리 카드의 용량에 좌우된다. • 4MB의 메모리를 가지는 Kodak DC210 디지털 카메라의 경우, 최대 60장의 사진을 촬영할 수 있다. 16

17. 펜 입력장치 • Painter등과 같은 소프트웨어를 이용하여 화면에 직접 그림을 그릴 때 사용 • 펜 입력장치는 일반적으로 평판과 펜으로 구성 • 좌표는 평판에 대해 절대 좌표를 갖는다는 것이 마우스와 다르다 17

18. 4.3 출력장치 4.3.1 CRT 모니터 • 작동 원리 • 전자총(electron gun)이 전자빔(electron beam)을 발사 • 편향 요크(deflective yoke)는 전자빔의 방향을 조절하여 화면 내의 임의의 위치에 전자빔이 도달하도록 한다. • 섀도우 마스크(shadow mask)는 특정 빔을 특정 형광물질로 향하게 한다. • 전자빔은 CRT 화면에 있는 형광물질을 자극하여 발광시킨다. 18

19. 모니터의 작동 원리 및 구조 19

20. 섀도우 마스크(Shadow Mask) • 컬러 픽셀을 만들기 위해 전자빔이 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue) 형광물질과 대응되는 세개의 전자총으로 부터 발사 • 전자빔이 조준한 점에 도달하도록 조절 • 작은 구멍을 가진 얇은 금속 판 섀도우 마스크 20

21. 활성화율(Refresh rate) • 초당 화면이 몇번 칠해지는가를 나타내는 기준 • 활성화율이 낮으면 화면의 깜박거림이 심하며, 이것은 사용자에게 피곤함과 두통을 유발 21

22. 해상도(Resolution) • 해상도가 높으면 선명도가 증가 • 해상도가 높을 수록 더 많은 정보를 얻을 수 있다. 저해상도 중해상도 고해상도 저해상도와 고해상도 모니터 22

23. 4.4 이미지의 처리와 입력 4.4.1 이미지의 디지털화 • 아날로그 이미지는 컴퓨터에서 직접 처리하거나 저장할 수 없음 • 표본화(Sampling) 및 양자화(Quantization) 과정을 거쳐 디지털 이미지로 변환 (1) 표본화 (Sampling) • 아날로그 이미지의 연속적인 위치 데이터를 불연속적인 디지털 데이터로 변환하는 과정 23

24. 표본화를 거친 이미지 24

25. (2) 양자화 (Quantization) • 연속적인 색상 데이터를 불연속적인 디지털 데이터로 변환하는 과정 • 각 화소의 밝기 또는 색을 컴퓨터에서 인지할 수 있는 숫자로 표현하는 과정 • 표현할 수 있는 색상의 수가 2G일 경우 G비트 양자화라고 하며, 일반적인 흑백 사진의 경우 256레벨(8비트), X선 이미지의 경우 1024레벨(10비트) 정도임 25

26. 양자화를 거친 이미지 26

27. 4.4.2 이미지 필터링(Filtering) • 기본 이미지에 임의의 변형을 가하여 특수한 효과를 얻는 기법 • 특수 효과 뿐만 아니라 잡음이나 왜곡 등 손상된 이미지의 품질을 원상태로 복원시키기도 함 • 윤곽선 추출(Edge Detection) • 이미지의 그레이 레벨(gray level)이 급격하게 변하는 부분을 감지하여 표시하는 필터 • Sobel 알고리즘, Kirsch 알고리즘 등 여러 가지 알고리즘이 존재 27

28. 원본 이미지 윤곽선을 추출한 이미지 윤곽선 추출 필터의 적용 28

29. 평균값 필터(Average Filter) • 이미지의 각 픽셀에서 일정한 주위의 픽셀값의 평균치를 구하여 현재 픽셀값을 대체시키는 필터 • 잡음이 감소하고 경계선이 흐릿해지는 특징이 있음 원본 이미지 평균값 필터로 처리한 이미지 평균값 필터의 적용 29

30. 밝기 조절 필터(Brightness Filter) • 픽셀의 값을 전체적으로 일정 값만큼 곱하여 밝기를 조절하는 효과를 주는 필터 • 히스토그램 평준화(Histogram Equalization) • 이미지에서 명암도에 따른 픽셀의 수를 고르게 분포시키는 기법 • 히스토그램 평준화를 수행하면 이미지 히스토그램이 고르게 분산되는 것을 볼 수 있음 30

31. 4.4.3 이미지의 압축 • 이미지 데이터의 양을 줄이는 방법 • 한 화소당 데이터의 양을 줄이는 방법 • 이미지를 구성하는 화소의 수를 줄이는 방법 • 데이터를 압축하는 방법 (1) GIF 압축 • RLE(Run Length Encoding) 방식을 응용한 LZW(Lempel-Ziv-Welch) 알고리즘을 사용 RLE 압축방식 31

32. 수평으로 같은 색을 갖는 이미지의 경우 압축 효과가 크다. 154 bytes 213 bytes 318bytes 501 bytes 1,148 bytes 8,236 bytes 이미지의 특성에 따른 GIF 압축률 32

33. (2) JPEG(Joint Photographic Experts Group) 압축 • 특별히 컬러 사진의 압축을 위하여 고안되었으며, 1992년 국제 표준으로 확정됨 • 손실(Lossy) 압축은 JPEG에서 일반적으로 쓰이는 방식이며, 무손실(Lossless) 압축은 X-레이 등 픽셀 하나 하나가 중요한 경우 사용 • 24비트 컬러를 사용하며 압축 특성으로 인한 색번짐이 나타날 수 있음 • JPEG 압축 과정 • RGB모델에서 YIQ모델로 변환 • YIQ모델 : Y는 밝기, I는 색상, Q는 순도의 정보를 가짐 • 인간의 시각은 밝기 정보에 더 민감하게 반응 33

34. RGB모델을 YIQ모델로 변환 • YIQ의 매크로 블록(Macroblock)화 • Y는 16 * 16, I와 Q는 8 * 8의 크기로 나눔 • 매크로 블록을 8 * 8 블록화 • JPEG 압축은 전체 이미지를 8 * 8 픽셀 블록 단위로 나누어 압축을 수행 34

35. DCT 변환 • 2차원 평면 공간의 컬러 정보를 2차원의 주파수 정보로 푸리에 변환(Fourier Transform)하는 과정 • 1개의 DC 계수와 63개의 AC 계수를 얻음 • 양자화(Quantization) • 인간이 구별하기 힘든 범위 내에서 DCT 계수를 반올림 • 이 과정에서 인간의 눈이 잘 인식하지 못하는 높은 주파수의 DCT계수들은 거의 0 이 됨 • 가장 큰 데이터 압축이 일어나는 동시에 가장 데이터 손실이 많은 과정 35

36. 지그재그 스캐닝(Zig-zag Scanning) • DCT 계수 지그재그로 읽어 일차원 형태로 배열 • 낮은 주파수의 계수는 앞쪽에, 높은 주파수의 계수는 뒤쪽에 위치 DCT계수 및 지그재그 스캐닝 • 엔트로피 코딩(Entropy Coding) • 무손실 압축을 사용하여 최종 압축을 수행 • 일반적으로 허프만 코딩(Huffman coding)을 많이 사용 36

37. 4.5 2D/3D 그래픽스 4.5.1 문자 폰트(Character Font) • 래스터 폰트(Raster Font, Bitmap Font)와 벡터 폰트(Vector Font) 래스터 폰트 벡터 폰트 래스터 폰트와 벡터 폰트의 원리 37

38. 래스터 폰트는 글자 표현을 위한 픽셀의 위치를 기억, 확대시에는 계단 현상이 나타남 • 벡터 폰트는 선과 선의 연결좌표 및 선의 종류와 선을 그리기 위한 여러 가지 인수들을 저장, 확대시에도 깨끗한 글자를 유지 I am VECTOR Font 38

39. 4.5.2 2D 그래픽스 • 차원 그래픽에 비해 계산량이 적어 간단한 처리 방법과 빠른 처리속도를 갖는다. • 2차원 그래픽의 기본 도형(Primitive) : 점, 선, 원, 타원, 다각형, 곡선 등 • 디더링(Dithering) • 제한된 수의 색상들을 섞어서 다양한 색상을 만들어 내는 기법 • 현재 팔레트에 존재하지 않는 컬러를 컬러 패턴으로 대체하여 가장 유사한 컬러로 표현하는 기법 • 그레이 스케일 이미지를 흑백 이미지로 바꿀 수도 있음 39

40. 그레이 스케일 이미지 흑백만을 사용하여 디더링한 결과 그리이 이미지의 디더링 • 앤티앨리어싱(Antialiasing) • 물체 경계면의 픽셀을 물체의 색상과 배경의 색상을 혼합해서 표현하여 경계면이 부드럽게 보이도록 하는 기법 • 앤티앨리어싱을 사용한 경우의 이미지는 이를 사용하지 않은 이미지에 비해 훨씬 부드럽게 느껴짐 40

41. 앤티앨리어싱 전 앤티앨리어싱 후 앤티앨리어싱의 예 41

42. 4.5.3 3D 그래픽스 • 실세계에 존재하지 않는 물체를 입체적으로 표현하는 것이 가능 • 3차원 그래픽 생성과정 • 물체의 기하학적인 형상을 모델링(Modeling) • 3차원 물체를 2차원 평면에 투영(Projection) • 생성된 3차원 물체색상과 명암을 추가(Rendering) (1) 모델링(Modeling) • 실세계나 상상속에 존재하는 물체를 3차원 좌표계를 사용하여 그 모양을 표현하는 과정 • 와이어프레임(Wireframe) 모델 : 물체의 골격만을 표현 • 다각형 표면(Polygon Surface) 모델 : 삼각형이나 사각형같은 면을 기본 단위로 3차원 모델을 표현 42

43. 솔리드(Solid) 모델 3차원 물체의 모델링 43

44. 3차원 스캔에 의한 모델링 • 실제 사람의 얼굴이나 실제 물체를 스캐닝하여 모델링하는 방법 • 3차원 디지타이저와 3차원 레이저 스캐너가 있음 3차원 스캔에 의한 모델링 44

45. (2) 투영(Projection) • 평행 투영법과 원근 투영법의 두가지가 있음 평행투영법 원근투영법 평행투영법과 원근투영법 45

46. (3) 렌더링(Rendering) • 컴퓨터 그래픽에 그림자나 색채의 변화와 같은 3차원적인 질감을 더하여 현실감을 추가하는 과정 • 감추어진 면의 제거(Hidden Surface Removal), 쉐이딩(Shading), 텍스쳐 매핑(Texture Mapping) 등이 포함 3차원 물체의 렌더링 46

47. 은면의 제거와 쉐이딩 • Z 버퍼 기법 - 은면 제거 기법 중 하나. 한번에 하나의 픽셀씩 화면면에 그려질 수 있는지 판단 • 레이 트레이싱(Ray Tracing) 기법 - 빛의 경로를 모두 추적하여 렌더링하는 기법. 굉장히 사실적인 화면을 얻을 수 있음 Z-버퍼 기법을 사용하여 쉐이딩하는과정 47

48. 텍스쳐 매핑(Texture Mapping) • 실제 사진으로 기하모델의 표면을 에워싸는 기법 3차원 물체의 텍스쳐 매핑 48

49. 3차원 그래픽 파일 포맷 • WRL : • VRML을 위해 개발된 포맷 • 3차원 객체에 대한 정보및 그 객체의 위치정보를 담고있다. • DXF : • Autodesk사에서 자사의 AutoCAD에 사용하기 위해 개발된 것으로서 벡터 속성을 갖는 파일 포맷 • CAD 소프트웨어에서 널리 사용 • 3DS : • 3D Studio에서 사용된 파일 포맷 • 대부분의 3차원 그래픽 S/W에서 사용 49

50. 4.6 이미지와 그래픽의 파일 포맷 4.6.1 래스터 방식의 파일 포맷 • PCX : • 초창기 DOS시절 부터 사용되던 포맷 • 16컬러를 사용하기 때문에 RLE 방법을 이용하여 그래픽에 대해서는 어느 정도의 압축효과를 얻을 수 있다. • BMP : • 마이크로소프트에서 지원하는 가장 단순한 화일 포맷 • 비트맵 방식에서는 가장 기본이 되는 포맷 • 모든 이미지 편집 프로그램과 대부분의 워드프로세서에서 지원 • 압축 하지 않기 때문에 화일 크기가 큰 것이 단점 50