Vstup obrazu včetně komprese

Transkript

1 Vstup obrazu včetně komprese Snímače obrazů, čárové kódy a RFID X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

2 Obsah přednášky Senzory pro přímý vstup optické informace. Skenery. Fotoaparáty/kamery včetně komprese. 2D čárové kódy, 3D čárové kódy, RFID. OCR. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

3 Snímací prvky X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

4 Přehled snímacích prvků CCD senzor (Charge Coupled Device), CMOS (Complementary MOS), moderní: Super CCD, Foveon. U skenerů také CIS (Contact Image Sensor), PMT (Photo Multiplier Tubes). X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

5 CCD - historie 1971 Bell Laboratories, řádkové pole 96 x 1 pixel. CCD (Charge-coupled device). Jméno je podle způsobu čtení informace po expozici. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

6 Technologie CCD X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

7 Princip CCD Křemíkový MOS kondenzátor (dioda) X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

8 Příčný řez buňkou snímače CCD X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

9 Přesouvání náboje Dvoufázové přesouvání náboje pod transportní hradlo X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

10 CCD - rysy Výhody: vysoký výkon a kvalita, zaběhnutost výroby. Nevýhody: více různých napětí + vysoká spotřeba, postupné čtení, žádná integrovaná logika. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

11 Skutečné (?) provedení X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

12 CCD konkurence CCD donedávna jediná možnost: kvalita, výkon. CMOS nový konkurent: cena, spotřeba energie. Všimněte si: i CCD je MOS struktura. CMOS (Complementary MOS) je jiná technologie výroby MOS! Souboj desetiletí?? X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

13 CMOS CMOS senzory (Complementary Metal Oxide Semiconductor) se vyrábí prakticky stejnými postupy, jako běžné procesory. Tato technologie umožňuje integraci specializovaných obvodů, například ke stabilizaci nebo kompresi obrazu. Nevýhodou dosavadních CMOS - malá citlivost na světlo. Nedostatek se řeší přidáním miniaturních čoček. Výhoda: jediné napájecí napětí! X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

14 Super CCD SR princip Každá buňka je dělená na dvě. Tím simuluje rozdělení filmu na oblasti s vysokou citlivostí (velká část buňky) a s nízkou citlivostí (menší část buňky). (zdroj: X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

15 Foveon Princip tohoto senzoru (ve srovnání s konkurenty): Současná verze se označuje jako Foveon X3. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

16 Skenery X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

17 Co je to skener? Skener - externí zařízení připojitelné k počítači umožňující převést předlohu do digitální podoby pro následné počítačové zpracování. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

18 Technologie a rozdělení skenerů Podle technologie snímacího prvku, podle technologického provedení, podle rozlišení, podle barevných vlastností, podle připojení k počítači. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

19 Používané snímací prvky CCD senzor (Charge Coupled Device), CIS senzor (Contact Image Senzor), PMT senzor (Photo Multiplier Tubes) laserový skener. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

20 Principy barevného snímání Skenování s barevnými filtry, skenování barevným světlem, skenování s paralelním rozkladem, skenování s využitím barevných CCD senzorů. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

21 CIS skenery Používají pouze jeden řádek senzorů, jež jsou umístěny co nejblíže snímané předloze. Zdrojem světla jsou tři řádky LED diod v základních barvách, které jsou přímo integrovány do čtecí hlavy. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

22 CIS vs. CCD Výhody: nemají složitý optický systém, snížené napájecí napětí na 5 V, nevyžadují ustálení světelného toku, jsou levnější, mají vyšší životnost snímací hlavy, jsou lehčí. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

23 CIS vs. CCD Nevýhody: neumožňují snímat transparentní předlohy (diapozitivy a filmy), mají nižší rozlišovací schopnost na tmavších plochách předlohy při větší vzdálenosti předlohy od plochy skeneru (např. hřbet vázaného dokumentu) rychleji klesá osvícení. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

24 PMT skenery Na každou barvu mají jeden senzor (RGB model). Odpadají barevné chyby a tolerance, které mohou vzniknout použitím tisíců jednotlivých prvků. Senzory jsou kalibrovatelné fotonásobiče (díky zesilování světla postihnou odstíny i velmi tmavých částí). Konstruují se v bubnovém provedení. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

25 Bubnové skenery Skenované předloha se umisťuje z vnitřní strany průhledného skenovacího bubnu (bez uchycování). Polohu fixuje odstředivá síla a vrstvička oleje, který po roztočení bubnu vytvoří tenkou vrstvu mezi předlohou a sklem bubnu. Skenované materiály není nutné precizně čistit. Nečistoty vytlačí z předlohy odstředivá síla a soustředí je v horní části bubnu. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

26 Bubnové skenery vertikální bubnový skener ICG 360 X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

27 Laserový skener Jedná se vlastně o jiné zařízení. Jeho účelem je snímání čárových kódů, nebo 3D snímání. Technologické provedení aktivní bezkontaktní snímač, pasivní bezkontaktní snímač, kontaktní tužkový snímač. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

28 Příklad technologického provedení Červený laserový paprsek kmitá vlevo-vpravo přes čárový kód. Vzpomínáte si na svůj poslední nákup v samoobsluze? Vzdálenost kód - snímač může být až několik metrů. Příklad provedení: X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

29 Rozlišení skenerů Hardwarové (optické) rozlišení, softwarové (interpolované) rozlišení, udává se v bodech na palec - dpi (dots per inch). X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

30 Optické rozlišení Rozlišení, kterého je skener schopen fyzicky dosáhnout. Horizontální rozlišení je dáno počtem snímacích prvků v řadě, vertikální rozlišení je dáno velikostí kroku mechanismu posunujícího snímací hlavu. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

31 Softwarové rozlišení Hodnota bývá vyšší než rozlišení optické, předloha se snímá v rozlišení fyzickém. Vyššího rozlišení se dosáhne softwarově dopočítáním obrazu a barev. Skener se nesnaží o dokonalejší kvalitu obrazu, ale o jeho zvětšení, může dojít k rozostření obrazu. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

32 Možnosti připojení skenerů Paralelní port, SCSI řadič, USB řadič, bez připojení k počítači - pracují i samostatně. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

33 Obrázkové kompresní metody jednotlivé snímky X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

34 JPEG - základní vlastnosti JPEG - Joint Picture Expert Group, polovina 80. let. Pracuje s barevným modelem YCbCr, do modelu RGB lze ale jednoduše přejít: Y = 0,3R+0,6G+0,1B, Cb= 0,5(B-Y)+0,5 a Cr= 10/16(R-Y)+0,5. Podvzorkování chrominancí. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

35 Princip podvzorkování chrominancí X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

36 JPEG snímková komprese X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

37 JPEG - dvoudimenzionální kosínová transformace X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

38 JPEG dekomprese Opačný postup, než je patrný z předcho-zího obrázku. Komprese je (v podstatě) symetrická, dekomprese trvá stejně dlouho jako komprese. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

39 Budoucnost JPEG Kompresní algoritmus JPEG byl vybrán z cca 12 možných metod, přesto už dnes překonán. JPEG zásady kvalitní komprese s nízkým bitovým tokem, ztrátová i bezeztrátová komprese, odolnost proti chybám, založen na vlnkové (wavelet) transformaci. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

40 JPEG vs. vlnková komprese X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

41 Obrázkové kompresní metody videosekvence X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

42 MPEG MPEG - Moving Picture Expert Group (expertní skupina vytvořená v roce 1988), úkol: vytvořit jednoduchý, levný a univerzálně použitelný kompresní standard. Škálovaná koncepce (MPEG-1,, MPEG-7). Zadání počítalo s nesymetrickou kompresí. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

43 Princip MPEG komprese Obsahuje kódovanou video- i audio- složku a nezbytné prostředky pro jejich rozdělení a synchronizaci, je tedy nutné MPEG datový tok při dekódování rozdělit: X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

44 MPEG videokanál Základním komprimovatelným prvkem videosekvence je snímek. MPEG předpoklad: mnohé informace se v následujících snímcích opakují. Proto se (u některých snímků) ukládají jen rozdíly vzhledem k předcházejícím/následujícím. 3 druhy komprimovaných snímků (I-, P-, B-) s typickým datovým objemem 15 : 5 : 2. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

45 MPEG filozofie X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

46 MPEG terminologie Skupina obrázků, videosekvence (GOP), obrázek, řez, makroblok, blok. Obrázek je samovysvětlující: X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

47 Typy komprimovaných snímků: I- snímek (Intra-Frame), kóduje se samostatně (technikou JPEG). P- snímek (Forward Predicted Frame), kóduje se s ohledem na předchozí I- nebo Ptechnikou pohybové kompenzace (Motion Compensation). B- snímek (Bi-directional Predicted Frame), jako vztažný používá předchozí i následující I- nebo P- snímky. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

48 I-, P-, B- snímky v MPEG X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

49 Mezisnímková komprese pohybová kompenzace X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

50 Jedna z metod hledání vektoru pohybu X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

51 Čárové kódy X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

52 Čárové kódy Nejstarší a nejrozšířenější metoda automatické identifikace. Kombinace tmavých čar a světlých mezer. Data obsažená v čárovém kódu: číslo výrobku číslo objednávky místo uložení ve skladu sériové číslo datum výroby... X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

53 Čárové kódy - princip Snímače čtou tmavé čáry a světlé mezery odražené od vytištěného kódu v červeném nebo infračerveném světle. Světlo je tmavými čarami pohlcováno, světlými mezerami odráženo. Rozdíly v odraženém světle se převádějí na elektrické signály, které odpovídají šířce čar a mezer. Signály se převádějí ve znaky odpovídající příslušnému čárovému kódu. Posloupnost čar a mezer je přesně dána použitým typem kódu. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

54 Základní pojmy Symbol Vlastní čárový kód, který začíná znakem znakem start, následují data s případným kontrolním součtem a na konci znak stop. Před ním a za ním musí být klidová zóna místo bez potisku. Kódy souvislé (spojité) Souvislé čárové kódy začínají čarou, končí mezerou a nemají meziznakové mezery Kódy diskrétní Diskrétní čárové kódy začínají čarou, končí čarou a mezi jednotlivými znaky se nachází meziznaková mezera. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

55 Čárové kódy - příklad Informace kódována kódem Industrial 2/5, numerický kód proměnné délky, diskrétní tvořen znakem Start datovými znaky znakem Stop Kódkaždéhoznakutvořen pětičarami (3úzké,2široké). Mezerypouzeoddělují čáry,nenesouinformaci. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

56 Jednotlivé typy čárových kódů Code 39 a Code 39 Mod 43 U.P.C. A U.P.C. E0 a U.P.C. E1 EAN 13 a EAN 8 Code 93 Interleaved 2/5 a Interleaved 2/5 Mod 10 Code 128 Codebar MSI X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

57 Code 39 a Code 39 Mod 43 Nejčastější čárový kód, vyvinut První plně alfanumerická symbolika - umožňuje zakódovat číslice, písmena a některé interpunkční znaky. Nepodporuje malá písmena. Modifikace Code 39 Mod 43 obsahuje navíc kontrolní znak součet hodnot všech znaků řetězce modulo 43. Code 93 Rozšíření Code 39. Alfanumerická symbolika proměnné délky, souvislá, kóduje všech 128 znaků ASCII 43 znaků odpovídá Code 39. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

58 EAN 13 a EAN 8 European Article Numbering (EAN), je nadstavbou U.P.C. Snímače EAN dovedou dekódovat U.P.C., opačně to ale nemusí platit. Numerický kód je pevné délky. Správu kódu EAN na evropském teritoriu provádí nekomerční organizace EAN se sídlem v Belgii. Jejími dobrovolnými členy jsou národní komise EAN všech evropských zemí. Česká republika má přidělen kód země 859. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

59 Kódování znaků do kódů Příklad pro EAN 13: pevná délka kódu znaku (7 jednotek), kódování číslic 0 až 9, tři znakové sady, značené A, B a C. Symbol čárového kódu EAN 13 je uprostřed rozdělen dělicím znakem na dvě části, zvané pole. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

60 První pole Čárový kód EAN 13 najdete na obalu téměř každého zboží v obchodě. Symbol bývá doplněn čitelnými číslicemi. Pokud jsou první tři číslice 859, jedná se o zboží vyrobené v ČR. Dekódování první číslice pomocí použitých sad, udává zemi, 4 výrobce. Číslice Znakovésady Číslice Znakovésady 0 AAAAAA 5 ABBAAB 1 AABABB 6 ABBBAA 2 AABBAB 7 ABABAB 3 AABBBA 8 ABABBA 4 ABAABB 9 ABBABA X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

61 Druhé pole Číslo výrobku 5 číslic, 1 kontrolní číslice. Vypočte se jako suma číslic na sudých pozicích * 3 + suma číslic na lichých pozicích, výsledek se zaokrouhlí nahoru na celé desítky. Kontrolní číslice je rozdíl zaokrouhlené a původní hodnoty. Příklad: Výpočet kontrolní číslice pro = 18, 18*3 = 54, = = 83 Zaokrouhleno:90, = 7 Pro kód EAN 13 se tedy bude kódovat X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

62 2D čárové kódy X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

63 Proč 2D? Začaly být větší nároky: obsáhnout větší množství informace, zmenšit velikost kódu. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

64 Historie 2D 1984 standard složený ze čtyř Code 39 skup. AIAG (číslo dílu, dodavatel, množství, sériové číslo) Code 49 - Intermec Copr. první opravdový 2D kód Code 16K - Ted Williams PDF Symbol Technologies velká podoba s 1D čárovými kódy. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

65 Historie 2D - II. Od 90 let se začaly objevovat i další typy 2D kódů tvořené tzv. maticovým způsobem, jako např. Data Matrix, MaxiCode, MiniCode; celkový přehled dále.. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

66 snímání jak ve vertikálním, tak horizontálním směru => nejsou vertikálně redundantní. Minimální velikost místa pro zakódování dat, až 30x menší oproti 1D, nesou 10 až 100 krát více informací než 1D, techniky tisknutí stejné jako 1D kódů nebo přímé/permanentní značení na materiál, možnost značení na světlo odrážející materiál všesměrové vysokorychlostní snímání, vysoká přesnost a spolehlivost opravy informací. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

67 Dělení 2D kódů Skládaný (Stacked) kód vzniká skládáním 1D čárových kódů skládajících se z čar a mezer proměnné délky do horizontálních vrstev Maticový (Matrix) kód kód je tvořen složením buněk ( modulů ) různého tvaru (čtverec, šestiúhelník, kruh) připomínající dvourozměrnou matice. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

68 Přehled 2D kódů X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

69 Omezující faktory čárových kódů Požaduje se přímá viditelnost, trvanlivost, dosah, datová kapacita, sekvenční čtení, nemožnost zápisu. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

70 RFID neboli Radio Freqeuncy Identification X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

71 RFID Aktivní - napájeny z baterií, pasivní - aktivovány čtecím zařízením. Nízkofrekvenční - pomalejší; pracují na principu indukční vazby, vysokofrekvenční - větší pracovní vzdálenost, větší, dražší. X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

72 RFID - princip činnosti X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

73 RFID běžné frekvence ElectromagneticSpectrum Electric Waves Radio Waves Infra red Visible Light Ultra Violet X Rays Gamma Rays Cosmic Rays RadioSpectrum 9kHz 30kHz VLF LF 300kHz 3000kHz MF HF Long Wave Medium Wave kHz 300MHz VHF UHF 3000MHz 30GHz SHF VeryLowFrequency LowFrequency MediumFrequency HighFrequency 13,56M hz M Hz 300GHz EHF Short Wave VLF LF MF HF The RFI D Frequencies 30MHz VHF UHF SHF EHF 3000GHz Not designated VeryHighFrequency UltraHighFrequency SuperHighFrequency ExtremelyHighFrequency 2,45and5,8GHz X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

74 RFID and Barcodes Technology BarCode RFID RFI D BenefitExample Lineofsightrequirement Required Notrequired Noneedtoorientate scanneditems Numberofitemsthatcanbe scanned One Multiple Veryfastinventoryscan Automation&Accuracy Manualreaderrors& pronetomis scanning Fullyautomatedand highlyaccurate Errorfreeinventorycount Identification Onlyseriesortype Uniqueitemlevel TargetedRecall Datastorage Limitedcodes UptoseveralkBdata Realtimedataaccessin anylocation Capability X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

75 Microprocessor Cards Contactless Smart Card X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

76 Basic Operation 1. Tag enters RF field of Reader 2. RF signal powers Tag Antenna 3. Tag transmits ID, plus data 4. Reader captures data 5. Reader sends data to computer 6. Computer send data to reader 7. Reader transmits data to tag Computer Reader Tagon Item,boxor pallet X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek

77 RFID Tags & Packaging X36PZA PerifernízařízeníM.Šnorek