Rastrový obraz. Dvourozměrná matice bodů (pixelů) Bitová hloubka definuje maximální počet odstínů

Transkript

1 RASTROVÝ OBRAZ

2 Rastrový obraz Dvourozměrná matice bodů (pixelů) z nichž každý nabývá určitých hodnot podle typu obrazu tvoří souvisle vyplněnou oblast (rastr) Bitová hloubka definuje maximální počet odstínů

3 Rastrový obraz Obraz barevného prostoru definován 3 kanály R, G, B Kanál představuje barevné složky vytvářející rastrový obraz složen z pixelů bitová hloubka kanálu definuje maximální počet odstínů kanálu

4 Monochromatický obraz Pixel obrazu: zhasnuto, rozsvíceno 1 bit

5 Indexový mód Pixel obrazu: index do barevné palety obvykle 1 B nebo 3 B

6 TrueColor Pixel obrazu: přímo barva (r,g,b) neindexový mód

7 Indexový mód Paleta (mapa barev) hodnota pixelu = umístění do převodní tabulky převodní tabulka index reprezentován bytem (2 8 = 256 barev) nebo 3 B (2 16 = barev)

8 Indexový mód 1bitová barva (2 1 = 2 barvy) monochromatické, často černobílé 2bitová barva (2 2 = 4 barvy) CGA 4bitová barva (2 4 = 16 barev) EGA, nejnižší používaný standard VGA ve vyšším rozlišení Greyscale odkaz do palety s odstíny šedi Pseudocolor (8 bit) odkaz do palety s odstíny RGB (8-8-8) ( = = 2 24 ) 1 B na všechny kanály dohromady, proto výběr pouze 2 8 = 256 z celkově možných 2 24 barev Direct Color (24 bit) odkaz (r,g,b) do 3 barevných palet V pixelu 3 hodnoty, obvykle 24 bit snadná změna všech barev bez změny rastru obrazu

9 Černobílý obraz Podle počtu bitů na pixel: 1-bit 2 1 = 2 monochromatický (černobílý) obraz 2-bit 2 2 = 4 CGA, Macintosh 8-bit 2 8 = 256 odstíny šedi (static grey)

10 CGA Color Graphic Adapter IBM 1981 Textový režim a v 2 4 = 16 barvách Grafický režim pixelů při v 2 2 = 4 pevně zvolených barvách Barevná paleta CGA 1. možnost Barevná paleta CGA 2. možnost default 5 magenta default 4 red 3 cyan 7 white (light gray) 2 green 6 brown (orange)

11 EGA Enhanced Graphics Adapter 1984 IBM AT 4-bit RGB(I) I = intenzita 2 4 = 16 barev (2 3 2 intenzity) při rozlišení bodů Default EGA 16-color palette Color rgbrgb Decimal 0 black (#000000) blue (#0000AA) green (#00AA00) cyan (#00AAAA) red (#AA0000) magenta (#AA00AA) brown (#AA5500) white / light gray (#AAAAAA) dark gray / bright black (#555555) bright blue (#5555FF) bright green (#55FF55) bright cyan (#55FFFF) bright red (#FF5555) bright magenta (#FF55FF) bright yellow (#FFFF55) bright white (#FFFFFF)

12 Barevný obraz 8-bit na pixel (3-3-2) 2 8 = bity na R a G, 2 bity na B B menší citlivost 8 8 4=256 VGA, Super VGA 12-bit na pixel 2 12 = bity (16 barev) na barevný kanál =4 096 Silicon Graphics, Amiga

13 Barevný obraz True Color High Color 15-bit 2 15 = bitů (32 barev) na barevný kanál = bit 2 16 = bitů na R a B, 6 bitů G (větší citlivost) = bit 2 18 = bitů na barevný kanál =

14 Barevný obraz True Color True Color 24-bit 2 24 = bitů (256 barev) na barevný kanál = bit 2 32 = bitů na každý barevný kanál + 8 bitů pro α-kanál optimalizace rychlosti Deep Color 30/36/48-bit RGB , ,

15 Příklady 4 b 1 b

16 Příklady True Color 8 b (3-3-2)

17 Barevné hloubky Barevná hloubka Počet bitů R G B A b High Color 16 b High Color 16 b b True Color 24 b True Color 32 b

18 KOMPRESE OBRAZU

19 Komprese rastrového obrazu Vysoká paměťová náročnost (roste kvadraticky s rozlišením) Obrovské množství formátů dáno: historicky vazbou na aplikaci technickými důvody rozdílnou metodou komprese Kompresní metody: Run length encoding (RLE) bezztrátová, PCX (ZSoft PaintBrush) Huffmanovo kódování (CCIT) bezztrátová, TIFF slovníkové kódování (LZW) bezztrátová, GIF, PNG, ZIP, ARJ diskrétní kosinová transformace (DCT) ztrátová, JPEG Hlavička souboru, definice palety a další doplňující informace se nekódují

20 Komprese rastrového obrazu Obrázek bez komprese ~ 3 MB JPEG ~ 200 kb Video (30 fps, ) bez komprese ~ 21 MBps (31 s/cd) MPEG ~ 74 min/cd (VHS kvalita) Parametry kompresní poměr kvalita rekonstrukce složitost implementace, rychlost přenosové zpoždění Originál, 108,5 kb o 92 % inf. méně, 4,82 kb o 84 % inf. méně, 9,37 kb o 98 % inf. méně, 1,14 kb

21 Run length encoding (RLE, RLC) Kódování délky běhu, bezztrátová; PCX, JPEG (pomocná) Předpoklad: opakují se hodnoty sousedních pixelů Provádí se zápis: čítač (počet stejných pixelů) vlastní hodnota barvy (která se opakuje) Příklad: wwwwwwwkkwwwwwwbbbbrrrwwwwwwwwwwwbbb 7w2k6w4b3r11w3b Zpracování po řádku úplně jiná komprese po otočení o 90 vodorovná čára efektivní, u svislých ne Možnost záporné komprese v případě neopakujících se pixelů Možnost ztrátové RLE když se sousední pixely liší málo, nahradí se stejnou hodnotou

22 Huffmanovo kódování (CCIT) Navrženo pro přenos čb. dokumentů faxem, dnes i JPEG Provedení kódování RLE úseky opakujících se pixelů Seřazení znaků podle četnosti přiřazení několikabitových kódů písmenům Opakovače nahrazeny Huffmanovými kódy často používané symboly mají kratší kódy Další příkazy FILL (vyplň do konce řádku) pro odolnost proti poruchám kódy EOL a RTC Zdokonalená metoda sleduje se změna i oproti předchozímu řádku

23 Příklad Huffmanova kódování Setřídění podle četnosti; např. (a, b, c, d) (obvykle relat.) Sečtení posledních dvou (c + d = 5) výsledek zařadíme podle velikosti mezi ostatní (a, cd, b) (11, 5, 4) Sečtení posledních dvou (cd + b = 9) výsledek opět zařadíme podle velikosti (a, bcd). Další opakování až dojdeme k celkovému součtu (rel. 1) (a + bcd = 20). Posledním dvěma znakům přiřadíme kódové znaky 1, 0 1 vyšší pravděpodobnost (a), 0 nižší (bcd) Opakování zpětný postup (cd ~ 1, b ~ 0) dokud nepřiřadíme kódové znaky všem zdrojovým znakům Výsledný kód znaku je sestaven ze znaků 1 a 0 podle toho, jak se daný znak seskupoval s ostatními znaky abcd a (1) bcd (0) cd (1) b (0) c (1) d (0) znak četnost kód a 11 1 b 4 00 c d 2 010

24 Slovníkové kódování Obecná metoda pův. LZ77, vylepšená LZW (Lempel-Ziv-Welch) známá ze ZIP či RAR Předpoklad: některá slova se v textu vyskytují častěji jsou ukládána do slovníku ve výstupním řetězci jsou nahrazena odpovídajícími kódovými slovy začíná se od písmen abecedy, slova se zvětšují a pokračuje se do vyčerpání místa slovníku obvykle 2 12 položek; pak se buď reorganizuje (uvolní se ty položky, které se málo vyskytují) nebo se zvětší

25 Příklad slovníkového kódování blablablalalb nejprve všechny znaky Postupné prohledávání celého souboru část rozdělíme na dvě posuvná okna první tvoří historii, ve druhém hledáme posloupnost znaků, která se už vyskytuje v okně historie pokud již obsaženou posloupnost najdeme, nahradíme ji kódem (o kolik znaků zpět, délka sekvence) fráze kód b 1 l 2 a 3 bl 4 la 5 ab 6 bla 7 alb 8 lal 9 lalb 10

26 Diskrétní kosinová transformace JPEG JPEG File Interchange Format (JFIF) Joint Photographic Experts Group Optimalizováno pro fotografie předchozí metody neefektivní pro barevné obrázky s mnoha přechody u kvalitních obrázků nejsou stejné sousední pixely Vhodná ztrátová komprese snížení kvality na 75 % většinou nejde zrakem rozeznat, kompresní poměr však značný (20:1 až 25:1) není vhodná pro obrazy s nižším barevným rozlišením a pro čb. obrázky vhodné tiff, gif, png Rychlost zobrazení miniatur rozdělení obrázku na oblasti 8 8 členy oblastí rozděleny podle důležitosti nejdůležitější člen (DC) se zapisuje samostatně, ostatní se komprimují 8 menší obrázek se dá vykreslit ihned

27 JPEG, DCT Forma DFT obrazová data považována za vzorky spojitých funkcí naměřených v diskrétní síti pixelů 1. Transformace bar. prostoru: RGB YC B C R lidské oko je citlivější na detaily ve složce Y (jas) než C B (blue) a C R (red) 2. Redukce barev (downsampling) pouze barevné složky, komponenta Y se nemění 2h1v: průměrování sousedních dvojic (6 4 B; ušetří 33% prostoru) 2h2v: průměrování čtveřic nejčastěji (12 6 B; ušetří 50% prostoru) 3. Data rozdělena do čtverců 8 8, každý čtverec podroben DCT 4. Diskrétní kosinová transformace

28 JPEG, DCT matice 8 8 je popsána jako kombinace 64 čtverců odečte se 256/2 = 128

29 JPEG, DCT provede se DCT u, v prostorová frekvence (od 0 do 8) výsledek DCT

30 JPEG, DCT 5. Kvantování koeficientů DCT stanovuje se ztráta informace a stupeň komprese vydělení Fourierova obrazu kvantizačním činitelem prvky kvantizační tabulky dané komisí JPEG zaokrouhlení příklad (DC člen)

31 JPEG, DCT Výsledek kvantování řídká matice 8 8 DC člen (vlevo nahoře) největší vliv stejnosměrná složka harmonického rozkladu AC členy ovlivňují vyšší frekvence čím dál od DC jsou méně významné

32 JPEG, DCT 6. Kódování využívá se toho, že matice je řídká zapíše se DC a zbytek je kódován Hufmanovým nebo aritmetickým kódováním ( zigzag order) původní segment po dekomprimaci

33 JPEG obrázek s rozdílnou mírou ztrátovosti komprese

34 JPEG Progresivní JPEG načítány progresivně načteno nejdříve v malém rozlišení a postupné zjemnění o něco většívelikost, menší podpora Standardní JPEG ("Baseline") načítány shora dolů Photoshop Save As kvalita 0 12 Save for Web optimalizováno bez EXIF kvalita 0 100

35 JPEG 2000 Diskrétní vlnková transformace discrete wavelet transform, DWT Výhody odstranění viditelných makropixelů 8 8 lepší komprese (až o 20%) při menší ztrátě kvality odolnost proti chybám progresivnost načítání podpora 256 datových kanálů stejné barevné výstupy na monitoru i na tiskárně, průhlednost definice oblastí zájmu (ROI) některé regiony obrazu možno kódovat s větší kvalitou ztrátová i bezztrátová komprese lepší správa EXIF Obdélníkové dlaždice libovolné velikosti

36 Porovnání JPEG a JPEG 2000 při stejné velikosti obrazu a vysokém stupni komprese

37 Graphics Interchange Format (GIF) Paleta a 1 byte na pixel Slovníkové kódování (LZW84) Výhody více obrázků v jednom souboru každý může mít vlastní paletu možnost prokládání řádků po získání ¼ objemu zobrazen náhled Nevýhody maximální počet současně použitých barev palety je 256 fa CompuServe (formát) a Unisys (kódování) zpoplatňovala Verze Formát GIF87a, verze GIF89a navíc podpora průhledné barvy, animací, metadat

38 GIF příklad obrázku (1 pixel) Offset Sekvence Význam bytové sekvence signatura GIF a verze řetězec '89a' šířka logické obrazovky: jeden pixel výška logické obrazovky: jeden pixel bitové pole: povolení globální barvové palety index barvy pozadí poměr výšky a šířky pixelu: ff první barva v paletě: oranžový odstín 16 ff ff ff druhá barva v paletě: čistě bílá 19 2c značka začátku rámce x-ová pozice levého okraje rámce: nultý sloupec y-ová pozice horního okraje rámce: nultý řádek šířka rámce: jeden pixel výška rámce: jeden pixel bitové pole: bez palety, bez prokládání a animace počáteční velikost LZW kódu v bitech velikost bloku zakódovaného pomocí LZW zakódovaná data rámce (1 pixel s nulovým indexem) ukončovací znak bloku zakódovaného pomocí LWZ 34 3b ukončovací znak GIF souboru: znak ';'

39 Portable Graphics Network (PNG) Mnoho barevných rozlišení Bezztrátové slovníkové kódování (LZ77) Předzpracování každého pixelu None (není upravován) Sub (uložen rozdíl od předchozího vlevo) Up (uložen rozdíl od předchozího nahoře) Average (uložen průměr daného pixelu a sousedů vlevo a nahoře) Paeth (uložena algoritmem získaná hodnota ze souseda vlevo, vlevo nahoře a nahoře Na každý řádek lze aplikovat jinou metodu pro zlepšení komprese poté LZ77 Dvourozměrné prokládací schéma po přenesení malého počtu dat je možné rozlišit obrázek

40 Portable Graphics Network (PNG) True Color až 16 bitů na barvu Informace o průhlednosti možno uložit až v 16 bitech míchání obrazů Nemožnost jednoduchých animací jediná nevýhoda oproti GIF Typ Bity indexed (color type 3) greyscale (color type 0) greyscale & alpha (color type 4) truecolor (RGB: color type 2) truecolor & alpha (RGBA: color type 6)

41 Struktura PNG Hlavička 8 B vždy stejná Jednotlivé sekce (chunk) s vlastní hlavičkou 4 B Byte Význam bytu 89 byte s nejvýše nastaveným bitem; detekce podpory 8 bitového přenosu dat 50 4E 47 ASCII řetězec PNG identifikace formátu 0D 0A 1A 0A konec řádku (CRLF); detekce náhrady za jinou sevenci byte zastavující výpis souboru v DOS detekce konce přenosu (LF)

42 Animované PNG Multiple-image Network Graphics MNG při vývoji PNG (1995) rozhodnuto nepodporovat u gif v té době nevyužíváno 2001 specifikace MNG podpora Konqueror, ostatní pomocí pluginů (Mozilla do 2003) APNG neoficiální formát PNG s podporou animací, 2004 zpětná kompatibilita s PNG zobrazí pouze první obrázek standardizace odmítnuta (2007) podpora Mozilla, Opera animovaný.png soubor

43 Porovnání JPEG PNG GIF fotografie a fotorealistické vizualizace menší ztrátová komprese speciálně navržená pro fotografii PNG má ve stejné kvalitě až 5-10 větší soubory text, čárová grafika, čisté barevné plochy a ostré rozhraní barev průsvitnost jednoduché animace

44 Tag Image File Format (TIFF) Ukládání snímků určených pro tisk neoficiální standard; 1986 fa Aldus, pův. pro čb. skenery, faxy Variabilita formátu různé komprese bez komprese, RLE, LZW, ZIP, JPEG Uložení více obrázků do jednoho souboru několik stránek dokumentu jeden soubor Možnost zpracovávat obraz po částech vhodné pro extrémně velké obrazy Struktura Image File Header hlavička souboru Image File Directory adresář souboru bitmapová data

45 Targa (TGA) Truevision (dnes Pinnacle Systems) podpora alfa kanálu 1 nebo 8 bitů Komprimovaná forma komprese RLE nebo Huffman Volná forma varianta bez komprese umožňuje zapsat obraz pixel po pixelu vhodné pro programátory Výhody jednoduchost realistická grafika ukládání a načítání textur

46 Struktura TGA Hlavička 18 B Paleta rozlišení, orientace, kódování nepovinná Rastrová data po řádcích lze nastavit obrácené pořadí Offset Název Význam položky 0 IDLength velikost obrazového identifikátoru 1 ColorMapType typ barevné mapy 2 ImageType typ obrázku 3 CMapStart počátek barevné palety 5 CMapLength délka barevné palety 7 CMapDepth bitová hloubka položek barevné palety 8 XOffset X-ová souřadnice počátku obrázku 10 YOffset Y-ová souřadnice počátku obrázku 12 Width šířka obrázku uvedená v pixelech 14 Height výška obrázku uvedená v pixelech 16 PixelDepth počet bitů na jeden pixel (bitová hloubka) 17 ImageDescriptor popisovač obrázku

47 BMP (Microsoft Windows Bitmap) Někdy i DIB (Device-Independent Bitmap) MS, IBM, 1988, obdoba XBM a XPM Interní formát Windows i OS/2 Podpora 4 formátů 1, 4, 8, 24 bit/px Extrémní jednoduchost, ale nehospodárnost bez komprese nebo RLE Nevýhody množství rezervovaných a zbytečných položek v hlavičce v barvové paletě rezervovány 4 B poslední není možné použít (ani pro alfa-kanál) od XP možno, ale ne všechny programy špatná komprimační metoda nefunguje pro truecolor (pouze indexový mód) někdy i nárůst velikosti vykreslování odspodu (pův. IBM)

48 Struktura BMP Název struktury BITMAPFILEHEADER BITMAPINFOHEADER RGBQUAD[] BITS Význam hlavička BMP souboru informační hlavička o obrázku tabulka barev (paleta) pole bitů obsahujících vlastní rastrová data (pixely) Hlavička souboru BITMAPFILEHEADER 14 B Název Délka Význam bftype 2 B Identifikátor formátu BMP, kód znaků BM bfsize 4 B Celková velikost souboru s obrazovými údaji Některé aplikace ignorují a dosazují nulu bfreserved1 2 B Rezervováno (0) bfreserved2 2 B Rezervováno (0) bfoffbits 4 B Posun struktury BITMAPFILEHEADER od začátku vlastních obrazových dat.

49 Struktura BMP Hlavička obrazu BITMAPINFOHEADER 40 B Název Délka Význam bisize 4 B celková velikost datové struktury BITMAPINFOHEADER biwidth 4 B šířka obrazu v pixelech biheight 4 B výška obrazu v pixelech biplanes 2 B počet bitových rovin pro výst. zařízení vždy 1 bibitcount 2 B celkový počet bitů na pixel (hodnoty 1, 4, 8, 24) bicompression 4 B typ komprimační metody obrazových dat 0 (BI_RGB), 1 (BI_RLE8) nebo 2 (BI_RLE4) bisizeimage 4 B velikost obrazu v bytech (pokud nekomprimovaná, může být 0) bixpelspermeter 4 B horizontální rozlišení výstupního zařízení v pixelech na metr (většina aplikací vkládá 0) biypelspermeter 4 B vertikální rozlišení výst. zařízení v pixelech na metr (většina aplikací vkládá 0) biclrused 4 B celkový počet barev použitých v bitmapě; nejčastější 0 je maximální počet barev biclrimportant 4 B počet barev, které jsou důležité pro vykreslení bitmapy; nejčastější 0 všechny barvy důležité)

50 WebP Nový formát od Google (2010) plánovaná konkurence JPEG, snížení velikosti až o 40 % základem intra-frame komprimace WebM zamýšlená jako možná náhrada flash videa Predikce založen na knihovně x264 předpovězení hodnot pixelů podle okolí, uložení chyby

51 RAW Minimálně zpracovaná data přímo ze snímače digitálního fotoaparátu bez použití interpolace Třída souborových formátů každý výrobce implementuje jinak vlastní přípona Canon.crw a.cr2 Nikon.nef Olympus.orf Minolta.mrw Panasonic.raw není přímo použitelný jako obrázek ale obsahuje všechny potřebné informace k jeho vytvoření