Obraz jako środek przekazu informacji

1. Obraz jako środek przekazu informacji informatyka +

2. Program wykładu • Rola obrazu w przekazie multimedialnym • Jak powstaje obraz i jak jest postrzegany – modele barw, podstawy fizyczne • Telewizja analogowa i cyfrowa – podstawy • Poprawianie jakości obrazów w telewizji cyfrowej • Zasada działania wyświetlaczy obrazów – technologie LCD, plazmowa informatyka +

3. 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 +

4. 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 +

5. Początki • 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) informatyka +

6. Początki • 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. informatyka +

7. Dziedziny zastosowania CPO astronomia metrologia radiologia obrazowanie ultradźwiękowe sejsmologia nawigacja automatyczna CPO mikroskopia telekomunikacja nadzór przemysłowy robotyka rozrywka bezpieczeństwo kino i TV wojsko medycyna informatyka +

8. Dziedziny zastosowania CPO Zdjęcia zarejestrowane z użyciem różnych technik, wykorzystywane w różnych dziedzinach nauki. Kolejno: • zdjęcie rentgenowskie klatki piersiowej, • angiogram (obraz żył lubtętnic), • zdjęcie rentgenowskie obwoduscalonego (badanie jakościwykonania podzespołu). informatyka +

9. Dziedziny zastosowania CPO Przykład obrazu zarejestrowanego przenośną kamerą termowizyjną. informatyka +

10. Dziedziny zastosowania CPO Radarowe zdjęcie satelitarne południowej części Tybetu ok. 70 km na północ od Lhasy (NASA). informatyka +

11. Dziedziny zastosowania CPO Jądrowy rezonans magnetyczny a) kolano b) kręgosłup informatyka +

12. Dziedziny zastosowania CPO Mikroskopia elektronowa a) 250x drucik wolframowy zniszczony na skutek przegrzania b) 2500x zniszczony obwód scalony informatyka +

13. 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 +

14. Mieszanie barw Mieszanie addytywne Mieszanie substraktywne informatyka +

15. Modele barw informatyka +

16. 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 +

17. Atrybuty barwy 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). informatyka +

18. 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 +

19. Kształtowanie korekcji gamma a) b) c) informatyka +

20. Kształtowanie korekcji gamma Efekt zastosowania korekcji gamma, lewy górny róg – obraz oryginalny, pozostałe obrazy są wynikiem zastosowania korekcji gamma z różnym współczynnikiem informatyka +

21. 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 +

22. Balans bieli i korekcja barw Zafałszowanie koloru wynikające z błędu równowagi dynamicznej bieli informatyka +

23. Temperatura barwowa • 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. informatyka +

24. Podział zakresu temperatury barwowej informatyka +

25. Temperatura barwowa, balans bieli informatyka +

26. 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 +

27. Standard telewizji kolorowej PALi NTSC • PAL • 625 linii w dwóch półobrazach • Szerokość pasma wizji5 MHz • Szerokość kanału TV7 MHz • Częstotliwość zmian półobrazów 50 / 25 Hz • Częstotliwość zmian linii 15 625 • Rzeczywista rozdzielczość obrazu 720x576 • NTSC • 525 linii w dwóch półobrazach • Szerokość pasma wizji4,2 MHz • Szerokość kanału TV6 MHz • Częstotliwość zmian półobrazów 59,94 / 29,97 Hz • Częstotliwość zmian linii15 750 • Rzeczywista rozdzielczość obrazu 720x486 informatyka +

28. 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 +

29. 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 +

30. 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 +

31. 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 półobrazów A’ 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 +

32. 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 +

33. Eksponowanie konturów obrazu Poprawa ostrości konturów subiektywnie wiąże się z wrażeniem zwiększenia 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. informatyka +

34. Eksponowanie konturów obrazu 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. informatyka +

35. Algorytmy poprawy jakości obrazu Technologia D.I.S.T - (Digital ImageScaling 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 +

36. Poprawa odtwarzania pochylonych krawędzi Technologia DCDi - redukcja zniekształceń krawędzi i linii (DirectionalCorrelationDeinterlacing) 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 +

37. Technologia DCDi informatyka +

38. Ekrany LCD – ukierunkowanie światła informatyka +

39. Ekrany LCD – przepływ światła informatyka +

40. Ekrany LCD – TN (Twisted Nematic) informatyka +

41. Ekrany LCD – TN (Twisted Nematic) informatyka +

42. Ekrany LCD – TN (Twisted Nematic) Różnicując napięcie na końcówkach ciekłego kryształu można modulować stopień zamknięcia przełącznika, aby uzyskać stany pośrednie informatyka +

43. DSTN (dual scan TN) – matryce pasywne informatyka +

44. Matryce aktywne informatyka +

45. Budowa matryc TFT informatyka +

46. Budowa matryc TFT Obraz wyświetlany na ekranie monitora LCD informatyka +

47. Filtr polaryzujący Powierzchnia przeźroczysta Ciekły kryształ Elektroda Powierzchnia przeźroczysta Filtr polaryzujący Technologia IPS (In-Plane Switching) Pojedynczy piksel bez napięcia informatyka +

48. Filtr polaryzujący Powierzchnia przeźroczysta Ciekły kryształ Elektroda Powierzchnia przeźroczysta Filtr polaryzujący Technologia IPS (In-Plane Switching) Pojedynczy piksel z przyłożonym napięciem informatyka +

49. Multidomain Vertical Alignment (MVA) informatyka +

50. Multidomain Vertical Alignment (MVA) informatyka +