TECHNICKÁ UNIERZITA LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Základy digitálního obrazu. ektorová a rastrová grafika. Učební text Ivan Jaksch Liberec 2012 Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOÁN EROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Definice digitálního obrazu 1. Definice digitálního obrazu Obraz je 2D pole hodnot reprezentujících intenzitu světla. Pro účely zpracování obrazu je termín obraz myšleno digitální obraz. Obraz je funkcí intenzity světla f(x,y) kde f je jas v bodě (x,y) a z, y reprezentují prostorové souřadnice elementu obrazu, neboli pixelu. Konvence je taková, že prostorová reference pixelu se souřadnicemi (0,0) je umístěna v levém horním rohu. číslicovém zpracování obrazů snímač obrazových bodů převádí obraz do digitální formy tedy na diskrétní počet pixelů. Senzor přiřazuje každému pixelu numerickou hodnotu jeho umístění a šedo tónovou nebo barevnou informaci specifikující jas nebo barvu pixelu. Digitální obraz má tři základní vlastnosti: rozlišení, definici a počet rovin vrstev. Rozlišení obrazu: Rozlišení obrazu je dáno počtem řádek a a počtem sloupců pixelů. Tedy obraz složený z m sloupců a n řádků má rozlišení m x n. Obraz má m pixelů v horizontální ose a n pixelů ve vertikální ose. Definice obrazu: Definice obrazu určuje počet úrovní šedi, které jsou viditelné v obrazu. Bitová hloubka obrazu udává, kolik bitů je použito pro kódování hodnoty jasu pixelu. Preo danou hloubku n, moje počet úrovní šedi 2 n. Například 8- mi bitový obraz ná 256 úrovní, 16 bitový obraz má 65 536 různých úrovní šedi. Počet rovin: Počet vrstev v obraze koresponduje s počtem polí, ze kterých je složen obraz. Šedotónové nebo pseudo barevné obrazy obsahují pouze jednu vrstvu, zatímco barevné obrazy obsahují 3 vrstvy jednu pro červenou složku, modrou složku a zelenou složku. To platí pro obraz RGB. Obrazy HSL, viz dále, jsou definovány jejich barevným odstínem (hue), nasycením (saturation) a jasem (luminance). 2
Uložení digitálního obrazu 2. Uložení digitálního obrazu v paměti počítače: Při cvičení tohoto předmětu je používán software od National Instruments, proto zde uvádíme, jak jsou uloženy šedotónové a barevné obrazy v knihovnách NI ision Libraries. Tabulka 1 ukazuje počet bytů na pixel pro šedo-tónové, barevné a komplexní obrazy. Počet bytů na pixel Tabulka 1 3
Uložení digitálního obrazu 2.1 Šedotónové obrázky jsou složeny v jedné rovině (vrstvě) pixelů. Každý pixel je kódován následně uvedenými čísly: 8-mi bitový integer bez znaménka představuje hodnoty jasu v rozsahu 0-255 16 ti bitový integer bez znaménka představující hodnoty jasu v rozsahu 0-65535 16-mi bitový integer se znaménkem představuje hodnoty jasu v rozsahu -32768 32767 Číslo v pohyblivé čárce představující hodnoty jasu v rozsahu od - až. 2.2 Barevné obrázky Jsou kódovány v paměti buď jako RGB nebo jako HSL. Jak v RGB tak i v HSL je přídavných 8 bitů v alfa rovině nevyužito. Tato reprezentace je známá jako 4x 8 bit. rozlišení RGB Y 64 je to 4x 16 bit. 3. Barevný obraz Uložení barevného obrazu v paměti Bílé světlo je součástí elektromagnetického vlnění vlnová délka je od 400 do 700 nm. Frekvence elektromagnetického vlnění: 4
Barevný obraz 3.1 Rozklad bílého světla na barevné složky Pozn. ětšinou se frekvenční stupnice kreslí obráceně od nejnižších po nejvyšší frekvence. 3.1 Analogické a komplementární barvy Komplementární barvy leží na ose vedené středem (barvy proti sobě) 4. Barevné modely v počítačové grafice RGB, CMY(K) Barevné modely v počítačové grafice představují způsob míchání a zobrazování barev na monitorech anebo při tisku na tiskárnách. 4.1 Model RGB sestává se tří primárních barev. G R B 5
Barevný obraz Spektrální složky těchto tří základních barev se míchají aditivně a tím dávají výslednou barvu. RGB model zjednodušuje návrh grafického systému, ale není vhodný pro všechny aplikace. Techniky jako ekvalizace histogramu pracují na základě intenzity složek. Zde je lepší použít jiné barevné modely (HSL). Konverze barevného obrazu do šedotónového obrazu je třeba použít rovnice: Intenzita šedé = 0.299 R + 0.587 G + 0.114 B, ta se používá zejména v televizních standardech. Možno použít i klasického průměru: Intenzita šedé = 0.333 R + 0.333 G + 0.333 B. Tento model se používá při zobrazení barev na monitorech, kde tři barevné paprsky rozsvěcují body, ležící těsně vedle sebe. Jednotlivé barevné paprsky se udávají v rozsahu 0-255. [0,0,0] je černá barva, [255,0,0] je červená barva. Barvy se máchají aditivním způsobem tj. přidáním určité složky vznikne světlejší barva. Smícháním všech tři barev dostaneme barvu bílou [255, 2555, 255]. Možno použít i klasického průměru: Intenzita šedé = 0.333 R + 0.333 G + 0.333 B 4.2 Model CMY (K) M C Y Model CMY(K) je komplementární model k modelu RGB. C azurová, M-purpurová, Y žlutá jsou známy jako základní odečítací barvy (subtractive primaries). Tyto primární barvy jsou odečítány od bílého světla pro dosažení žádané barvy. Azurová absorbuje červenou, purpurová absorbuje zelenou a žlutá absorbuje modrou. Tedy např. zvýšení zelené v obraze je možné zvýšením žluté a azurové nebo snížením purpurové. Platí: C =1.0 R M =1.0 G Y =1.0 B Kombinace C,M,Y nedá zcela černou barvu a proto byla k modelu CMY přidána černá K. Barvy modelu CMYK odpovídají barvám inkoustu v tiskárnách. Tři základní barvy nejsou vhodné pro tisk černé barvy. Soutiskem tří barev by černá barva nevznikla a zároveň je nevhodné plýtvat barevné náplně pro tisk černé. Proto se v tiskárnách přidává čtvrtá náplň s černým inkoustem. Složky barev CMYK se udávají v procentech -0-100. Hodnota [0,0,0,0] přestavují bílou barvu, např. 0,0,255,0 je žlutá barva. Barvy se zde míchají subtraktivním způsobem. Při míchání vzniká tmavší barva, což je opak proti modelu RGB 6
Barevný obraz 4.3 Srovnání modlů RGB a CMYK. CMYK je opakem RGB, RGB reprezentuje vyzařování barev, CMYK jejich odraz Při kombinaci R G B světla v plné intenzitě získáme bílou barvu. Černá znamená totální pohlcení. Papír není jako monitor počítače světlo pouze odráží. Pokud stránka obsahuje žlutý a magentový inkoust, vidíme červenou (žlutá pohltí modrou část spektra a magenty a pohltí zelenou, červená se odrazí. Barva na monitoru bývá často odlišná od barvy při tisku. Zde je problém s tzv. barevnou věrností obrázku. Pomocí kalibrační tabulky (mají firmy zabývající se tiskem fotografií)je možno nastavit přibližně stejné barvy na monitoru a tiskárně. 7
Grafické formáty 5. Grafické formáty Formáty souborů s obrázky jsou závislé na grafickém editoru, ve kterém byly vytvořeny. Stejně jako editory, grafické formáty jsou také dvojího druhu vektorové a rastrové. 5.1 ektorové grafické formáty jsou závislé na programu např. jsou vytvořeny v CorelDraw a mají příponu*.cdr 5.2 Rastrové grafické formáty: Joint Photographics Experts Group - JPG Formát JPEG byl uznán jako mezinárodní standard v roce 1988. Obrázek ve formátu JPEG má vždy 16 777 216 barev (True color). Použitím velmi složité a pokročilé ztrátové kompresní metody se dociluje až neuvěřitelného kompresního poměru 1 :~o bez viditelné ztráty kvality (použitelný je i poměr 1 :50). Tento formát je velice vhodný pro fotografie méně již pro kontrastní grafiku, kde již jsou ztráty způsobené kompresí patrné. Ztráty na kvalitě jsou lidským okem téměř nepoznatelné. elikost komprese tím i 'výsledná velikost) se dá nastavit v grafických programech. Je vhodný pro ukládáni fotografií a obrázků s velkou barevnou hloubkou. JPEG neumožňuje dělat průhledné ani animované obrázky. Tento formát se používá také na jiných počítačových platformách, kromě PC také na počítačích Macmtosh. poslední době také například v digitálních fotoaparátech. Graphics Interchange Format - GIF Formát GIF byl vyvinut americkou společností Compusserve v roce 1987. Obrázek ve formátu GIF může mít maximálně 156 barev. Používá relativně jednoduchou bezztrátovou kompresní metodu. Tento formát je velice "hodný pro kresby, kde by při použití formátu JPEG bylo již patrné zkreslení. Formát také umožňuje definovat transparentní - průhlednou barvu což je s výhodou využíváno právě na webových stránkách) a vytvářet jednoduché animace. GIF je vhodný pro zobrazení loga firem, tlačítek, animovaných obrázků. bannerů prostě všech objektů, které používají relativně málo barev a které obsahují velké, jednobarevné plochy. Tento formát se používá také na jiných počítačových platformách. 3. Tag Image File Format - TIFF Formát TIFF vznikl ve spolupráci firem Aldus a Microsoft. Oblast jeho hlavního použití je typografie - DTP (desktop publishing). Stejně jako formát GIF se i tento formát implementuje kromě počítačů PC IBM i na počítačích Macintosh, pracovních stanicích s operačním systémem UNIX a na velkých počítacích, např. typu AJC Nepoužívá kompresi. ýsledné obrázky jsou veliké. Podporuje průhlednost, je vhodný pro zachování vysoké kvality fotografií. 4. Bit Mapped Picture (bitová mapa) - BMP Bitmapové soubory Windows jsou uložené ve formátu. který je nezávislý na zařízení a tím umožňuje Windows zobrazit tyto soubory na jakémkoliv zobrazovacím zařízení. Používají 24 bitovou barevnou hloubku. tj. až 16 mil. barev. 8
Grafické formáty 5. Portable Network Graphic Format - PNG Formát PNG je takový černý kůň mezi grafickými formáty. Tento formát je založen na bezztrátové komprimační technologii pod názvem deflation", kterou používá také komprimace programu ZIP. Možnosti PNG jsou mnohem větší než u GIF. Tvůrci internetových prohlížečů ale tento formát zatím málo a nedostatečně podporují. PNG může mít 48- bitovou barevnou hloubku. PNG podporuje 256 stupňovou průhlednost a také ukládá informace o křivce gama. Nevýhodou je to, že nemá takové možnosti animace a že soubor ve formátu PNG je obvykle větší než obdobný obrázek ve formátu GIF. 6. Počítačová grafika: Počítačová grafika se dělí clo dvou hlavních kategorií - bitmapy a vektory. e Photoshopu a ImageReady můžete pracovat s oběma typy grafik, navíc soubor Photoshopu může obsahovat bitmapová i vektorová data. Porozumění rozdílu mezi těmito dvěma formáty vám pomůže vytvářet, upravovat a importovat kresby. 1. Bitmapové obrazy Bitmapové obrazy - technicky nazývané rastrové obrazy- používají pro reprezentaci obrazů mřížku barev známou jako obrazové body (pixely). Každý obrazový bod má specifikované umístění a hodnotu barvy. Například pneumatika jízdního kola v bitmapovém obraze je tvořena mozaikou obrazových bodů v příslušném místě. Při práci s bitmapovými obrazy neupravujete objekty nebo tvary, ale obrazové body. Bitmapové obrazy jsou nejpoužívanějším elektronickým médiem pro obrazy s plynulými tóny, jako jsou fotografie nebo digitální obrazy, protože umožňují reprezentovat jemné přechody odstínů a barev. Bitmapové obrazy jsou závislé na rozlišení - protože obsahují pevný počet obrazových bodů. Následkem toho mohou při zvětšení na obrazovce nebo při tisku s nižším rozlišením, než pro které byly vytvořeny, ztratit detaily nebo mohou být zubaté. Bitmapové obrazy dobře reprodukují jemné přechody barev, například ve fotografiích. Mohou mít zubaté hrany při tisku v příliš velké velikosti nebo při zobrazení s příliš vysokým zvětšením. 9
ektorové grafiky 2. ektorové grafiky ektorové grafiky se skládají z čar a křivek definovaných matematickými objekty, zvanými vektory. ektory popisují obraz pomocí geometrických charakteristik. Například pneumatika jízdního kola ve vektorové grafice je vytvořena matematickou definicí kružnice nakreslené s určitým poloměrem, na určitém místě a vyplněné určitou barvou. Pneumatiku můžete přesouvat, měnit její velikost nebo barvu bez ztráty kvality grafiky. ektorové grafiky jsou nezávislé na rozlišení - to znamená, že mohou být zvětšeny na libovolnou velikost a vytištěny při jakémkoliv rozlišení bez ztráty detailů nebo bitmapové obrazy a vektorové grafiky. ýsledkem je, že vektorová grafika je nejlepší volbou pro výrazné grafiky, které musí zachovávat ostré linky při zvětšení do různých velikostí - jako jsou například loga 24:1 ektorové grafiky dobře reprodukují ostré hrany, například loga nebo ilustrace. Mohou být vytištěny nebo zobrazeny v libovolném rozlišení bez ztráty detailů. Protože počítačové monitory reprezentují obrazy zobrazením v mřížce, jsou jak vektorová tak bitmapová data zobrazována na obrazovce jako obrazové body. Poděkování: Tento text vznikl za podpory projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měřen. 10