MULTIMEDIÁLNÍ A HYPERMEDIÁLNÍ SYSTÉMY 7) Bitmapový obraz 1 Petr Lobaz, 5. 4. 2016 DIGITALIZACE OBRAZU vzorkování asu (pro kinematografii) snímek jistého pom ru stran 2D vzorkování plochy snímku jednotlivé obrazové body vzorkování spektra sv tla (vyjád ení barvy) kvantizace hodnot simulace chromatické adaptace (vyvážení bílé) simulace vjemu jasu (tone mapping) po adí krok není striktní, vzájemn se ovliv ují MHS Bitmapový obraz 1 2 / 60 POM R STRAN OBRAZU pom r ší ka obrazu : výška obrazu ve fotografii dán velikostí sníma e reprodukce tiskem o ez na libovolný pom r stran zobrazení na displeji nemusí zabírat celou plochu displeje, displeje jsou rozmanité, ve fotografii není pom r stran snímku p íliš kritický v kinematografii obvykle požadujeme zapln nou plochu displeje televizní obrazovky jsou celkem standardizované v kin nejsou požadavky na fixní pom r stran tak striktní, ale jistá standardizace je nutná budeme se p edevším zabývat pom rem stran filmového (televizního) obrazu MHS Bitmapový obraz 1 3 / 60
POM R STRAN OBRAZU p vodní pom r stran n mého filmu 1,33 : 1 (4 : 3) po zavedení zvukové stopy zm na 1,37 : 1 (Academy) první televizní obrazovky 1,33 : 1 (4 : 3) filmová studia reagovala na konkurenci širokoúhlým obrazem 1,66 : 1 1,85 : 1 (Widescreen) o íznutí výšky filmového polí ka 1,37 : 1 p i projekci 2,39 : 1 nebo 2,35 : 1 (Cinemascope) polí ko p ibližn stejné jako 1,37 : 1, obraz p i natá ení horizontáln zmenšen, p i projekci op t roztáhnut (anamorfní záznam) existovaly i další pom ry stran, principy stejné MHS Bitmapový obraz 1 4 / 60 POM R STRAN OBRAZU 1,37 : 1 (Dracula, 1931) 1,85 : 1 (The English Patient, 1996) 2,39 : 1 (The Thin Red Line, 1998) MHS Bitmapový obraz 1 5 / 60 POM R STRAN OBRAZU širokoúhlý formát n jakou dobu hledal své opodstatn ní ve filmové e i; p íklad vhodného použití detail + pozadí samotný fakt širokoúhlosti tolik tržeb z kin nep inesl, naopak poplatky za televizní uvedení rostly snaha o širokoúhlý televizor sou asné televizní obrazovky 1,78 : 1 (16 : 9) jednoduchý vztah k formátu 4 : 3 (= 4 / 3 4 / 3) kompromis mezi 4 : 3 a 2,39 : 1 skoro stejný pom r stran jako Widescreen (1,85 : 1) pom r stran netelevizních displej velmi rozmanitý vznik nového široce akceptovaného pom ru stran nepravd podobný jiné snahy filmových studií o zvýšení tržeb z kin (3D, prostorový zvuk, v n apod.) také nejsou p íliš usp šné MHS Bitmapový obraz 1 6 / 60
POM R STRAN OBRAZU zejména kv li televizním obrazovkám pot ebujeme konverze mezi obrazy r zných pom r stran letterbox (pillarbox) dopln ní na požadovaný pom r stran ernými pruhy plocha displeje nevyužita, mnoho divák nechápe d vod roztažení, chytré roztažení zachován veškerý obraz za cenu jeho deformace pan & scan zobrazen pouze vý ez s nejd ležit jší ástí obrazu zni ení kompozice obrazu, ale mnoho divák to preferuje natá ení plnou aperturou (open matte) natá ení nap. 4 : 3, ale kompozice tvo ena s ohledem na projek ní vý ez 1,85 : 1 n kdy se kv li kompromisu p ístupy kombinují MHS Bitmapový obraz 1 7 / 60 POM R STRAN OBRAZU pillarbox letterbox pom ry stran televizních obrazovek 4 : 3 (vlevo) a 16 : 9 (vpravo) MHS Bitmapový obraz 1 8 / 60 POM R STRAN OBRAZU x chytré roztažení roztažení x deformace x x roztažení chytré roztažení pom ry stran televizních obrazovek 4 : 3 (vlevo) a 16 : 9 (vpravo) MHS Bitmapový obraz 1 9 / 60
POM R STRAN OBRAZU pan & scan (o ez) zamýšlený pom r stran open matte neo íznutý obraz zamýšlený pom r stran (dvojdetail) MHS Bitmapový obraz 1 10 / 60 POM R STRAN OBRAZU princip open matte ukazuje, že snímaný a zobrazený obraz nemusí být totožné obecn je t eba vzít v úvahu: klasický film: okraje clony (okeni ky) mohou mít vady, nep esnostmi kamery nejsou okraje snímku stejné, analogový televizní signál: okraje obrazu mohou být poškozeny prudkým náb hem jasu apod. p i digitalizaci, duplikaci filmu apod. ale obvykle požadujeme kompletní záznam v etn okraj projekce vý ezu obrazového pole (m že mít i jiný pom r stran než kamerový originál) je t eba definovat technickou velikost snímku a užite nou oblast, která bude ur it zobrazena MHS Bitmapový obraz 1 11 / 60 POM R STRAN OBRAZU FILM kamerová okeni ka (apertura) nap. 21,95 16 mm projek ní okeni ka promítání v kin nap. 21,11 11,33 mm (na obrázku erven, je prakticky stejná jako telecine okeni ka) telecine okeni ka p evod pro TV obraz nap. 20,95 11,32 (16 : 9 letterbox) MHS Bitmapový obraz 1 12 / 60
POM R STRAN OBRAZU TELEVIZNÍ OBRAZ technická velikost nap. 720 576 (SDTV PAL ) aktivní nepoškozený obraz nap. 704 576 ísla plynou z digitalizace TV standard ísla volena mj. s ohledem na kompresi (násobky 16) cca 672 535 bezpe ná akce cca 624 518 bezpe ný text kv li nep esnostem analogové techniky nešlo bezpe né oblasti ur it p esn o ezávání se též íká overscan u digitální HDTV by teoreticky overscan nemusel být, ale v praxi jej mnoho výrobc d lá snazší kompatibilita s analogovým vysíláním MHS Bitmapový obraz 1 13 / 60 IDEÁLNÍ video = sled statických snímk vzorkování asu volba parametr vzorkování asu je obvykle kompromisem Kolik snímk za vte inu zaznamenat? Jak má jeden vzorek vypadat záznam obrazu v daný asový okamžik, nebo pr m r p es asový interval? pojem ideální snímková frekvence záleží na formulaci dotazu: Jak krátký d j jsme schopni zaznamenat? Jak rychle se musí snímky st ídat, aby obraz neblikal? Jak rychle se musí snímky st ídat k navození dojmu pohybu? MHS Bitmapový obraz 1 14 / 60 JAK KRÁTKÝ D J JSME SCHOPNI ZAZNAMENAT? rozpoznáme záblesk delší než 1/400 s rozpoznáme do asné zhasnutí sv tla delší než 1/100 s p i bliknutí obrazu delším než 1/200 s lze rozpoznat obsah obrazu frekvence stovek snímk za vte inu se v multimédiích prakticky nepoužívají výjimka: speciální technika pro zpomalení asu (overcranking, slow motion) natá ení vysokou snímkovou frekvencí, projekce normální snímkovou frekvencí; d ležité pro sportovní p enosy MHS Bitmapový obraz 1 15 / 60
VZORKOVÁNÍ V ASU záznam n kolika snímk za sekundu frames per second (fps) extrémy záznamu jednoho snímku: záv rka otev ená po tém nulový as snímek ostrý záv rka otev ena maximáln po dobu 1 / fps delší as záv rky snímek rozmazaný pohybem (motion blur; pohybem objektu nebo kamery) v tší rozmazání menší kontrast obrazu (viz blikání obrazu) záv rka 0 (nulový as) záv rka 360 ( as 1 / fps) snímek 1 2 3 MHS Bitmapový obraz 1 16 / 60 REKONSTRUKCE V ASU zobrazení snímk na displeji extrémy zobrazení: snímek jen blikne (zobrazení po tém nulový as): díky setrva nosti oka z stane vjem až do dalšího snímku snímek zobrazen po dobu 1 / fps problém zobrazení nulovou dobu: obraz m že blikat problém zobrazení po nenulovou dobu: oko sleduje zdánlivý pohyb objektu v obraze, tj. spojit se pohybuje (otá í) p i pohybu oka je ale po dobu 1 / fps snímek nem nný obraz snímku na sítnici rozmazaný pohybem vjem pohyblivého objektu neostrý MHS Bitmapový obraz 1 17 / 60 VJEM POHYBU p i dlouhém asu záv rky bývá 18 fps dosta ující amatérské filmy mívaly 16 fps, animované filmy i mén dnešní filmový standard 24 fps byl zaveden kv li dostate né rychlosti filmového pásu se zvukovou stopou plynulost pohybu závisí na kontrastu obrazu (resp. ostrosti hran) pomalé pohyby, rozost ené hrany: sta í 10 fps i mén rychlé pohyby, ostré snímky vyžadují i více než 50 fps MHS Bitmapový obraz 1 18 / 60
BLIKÁNÍ OBRAZU (FLICKER) vjem blikání závislý mimo jiné na pom ru st ídajících se jas a jasové adaptaci oka popis k ivkami TSF (temporal contrast sensitivity function) p íklad: p i dobrém osv tlení vnímáme p i frekvenci 10 Hz st ídání jas lišících se nejmén o 0,8 % maximální citlivost p i dostatku sv tla a frekvenci 10 20 Hz % 0,2 0,5 1,0 2,0 5,0 10,0 20,0 50,0 100,0 2 5 10 20 50 velké osv tlení sítnice malé osv tlení sítnice Hz MHS Bitmapový obraz 1 19 / 60 vjem blikání dále závisí na zorném úhlu na okraji zorného pole je citlivost na blikání vyšší experimentáln zjišt né minimální frekvence blikání obrazu: zobrazení obraz prost edí frekvence kino (promítací plátno) velký tma 48 Hz malý CRT televizor malý šero 50 Hz velký CRT televizor st ední šero 100 Hz kancelá ský displej malý sv tlo 60 Hz tma = jasová adaptace oka je dána pouze obrazem šero = pr m rný jas okolí cca 5 % jasu bílé v obrazu sv tlo = pr m rný jas okolí cca 20 % jasu bílé v obrazu MHS Bitmapový obraz 1 20 / 60 údaje o blikání nemají smysl pro displeje, které neblikají (LCD, digitální projekce apod.) u nich se ale p i malém fps projevuje problém s neostrostí pohybujícího se obrazu je t eba najít kompromis: dostate ný po et fps pro omezení vjemu blikání skute n nutný po et zaznamenaných snímk (spot eba filmového materiálu, datový tok digitální televize apod.) MHS Bitmapový obraz 1 21 / 60
ešení v analogové televizi: rozklad snímk na p lsnímky rozklad snímku na ádky liché ádky tvo í 1. p lsnímek, sudé tvo í 2. p lsnímek (nebo obrácen ) 1. p lsnímek 2. p lsnímek snímání a zobrazení p lsnímk (fields) fields per second = 2 frames per second redukce blikání, datový tok stejný jako p i snímkové frekvenci fps složení dvou p lsnímk do snímku vede k zubatým okraj m pohyblivých objekt v digitálním sv t p ináší víc problém, než kolik eší MHS Bitmapový obraz 1 22 / 60 terminologie: obraz snímaný po p lsnímcích prokládaný (interlaced) (p lsnímky snímány v r zných asech) obraz snímaný po snímcích progresivní (progressive) redukci datového toku lze dosáhnout lépe metodami ztrátové komprese obrazu (videa) d vody pro zavedení prokládaného obrazu už dnes prakticky zmizely pozor: pojem progresivní se n kdy v jiném smyslu používá p i ukládání statického obrazu pro pomalé internetové p ipojení nap ed je uložen (a p enesen) obraz v nízké kvalit, další datový p enos kvalitu vylepšuje MHS Bitmapový obraz 1 23 / 60 ešení p i promítání z filmového pásu: opakování snímk rotující clona zamezuje promítání snímku b hem posunu filmu na další snímek dv nebo t i lamely: frekvence blikání 2 nebo 3 vyšší než fps (tj. 48 nebo 72 Hz) problém (judder, stutter): oko sleduje zdánlivý pohyb objektu ve snímku spojit se pohybuje (otá í se) tak, aby byl objekt stále na stejném míst sítnice b hem zopakovaného snímku je objekt na stejném míst snímku, ale oko už je pooto eno o ekávaná pozice objektu obraz objektu je na jiném míst sítnice 1 1 2 2 trhaný pohyb MHS Bitmapový obraz 1 24 / 60
ešení u velkoplošné televize s blikajícím obrazem (CRT): na tení n kolika p lsnímk (nap. A L A S B L B S ) 2 rychlejší zobrazení, nap. A L A S A L A S B L B S B L B S pro obraz bez pohybu A L A L A S A S B L B L B S B S pro obraz s pohybem krom problému s trhaným pohybem navíc problém se skládáním p lsnímk do jediného snímku tzv. 100 Hz televize (double scan) ideální ešení: interpolace s kompenzací pohybu (motion compensation) na tení n kolika snímk, resp. p lsnímk odhad pohybu v r zných ástech obrazu výpo et mezilehlých snímk (nebo p lsnímk ) rychlé zobrazení p vodních a interpolovaných snímk MHS Bitmapový obraz 1 25 / 60 STANDARDNÍ (P L)SNÍMKOVÉ FREKVENCE filmový pás: 24 fps analogová televize v USA, Japonsku ( NTSC ) p vodn p lsnímkové frekvence 60 Hz (de facto 30 fps): stejná jako frekvence elektrické sít (snazší konstrukce televizní elektroniky) pro zavedení zp tn kompatibilního barevného vysílání bylo t eba (vícemén z ú edních d vod ) zm nit p lsnímkovou frekvenci na 60 1000 / 1001 59,94 Hz (de facto 29,97 fps) ísla 1000 a 1001 volena tak, aby byl pom r skoro 1 a aby m ly jednoduchý rozklad na prvo ísla pro snazší konstrukci elektroniky (1000 = 2 3 5 3, 1001 = 7 11 13) MHS Bitmapový obraz 1 26 / 60 analogová televize v Evrop ( PAL ) p lsnímková frekvence 50 Hz: stejná jako frekvence elektrické sít (de facto 25 fps) konstrukce elektroniky hodn vychází z 60 Hz elektroniky, d sledky viz rozlišení obrazu obnovovací frekvence moderních displej obvykle m nitelné, aby bylo možné snadno zobrazovat archivní materiál p i tvorb po adu z materiál r zných (p l)snímkových frekvencí je t eba um t standardní konverze zkratky PAL a NTSC se vztahují k analogovému kódování barvy v televizním signálu; obvykle ale PAL pracuje s 50 Hz, NTSC s 60 (59,94) Hz proto uvozovky u PAL a NTSC MHS Bitmapový obraz 1 27 / 60
KONVERZE SNÍMKOVÉ FREKVENCE konverze z filmového pásu (celé snímky) na televizní p lsnímky (telecine): rozklad p vodních polí ek na p lsnímky s lichými a sudými ádky film PAL (24 fps 25 fps) 2:2 pulldown: snímky A B C p lsnímky A L A S B L B S C L C S tj. 24 fps 48 p lsnímk /s následuje zrychlené p ehrání rychlostí 50 p lsnímk /s tj. p vodní délka 60 minut se zkrátí na 57 minut 36 s zvukovou stopu je t eba zrychlit p i zachování výšky zvuku viz zvukové efekty pitch shift/stretch zavádí zna ný zmatek do specifikace délky filmu (je udána ve frekvenci 24, nebo 25 fps?) MHS Bitmapový obraz 1 28 / 60 film NTSC (24 fps 29,97 fps) 2:3 pulldown: A B C A L A S B L B S B L C S C L tj. 2 snímky se p evedou na 5 p lsnímk, tj. 24 fps 60 p lsnímk /s následuje zpomalené p ehrání 59,94 p lsnímk /s tj. zm na délky z 60 minut na 60 minut 3,6 s zpomalení zvuku pro zachování synchronizace zm na výšky p i prostém zpomalení nepost ehnutelná je-li t eba z NTSC záznamu filmu zp tn vyrobit z p lsnímk celé snímky, je t eba proces oto it (inverse telecine) p i zachování zvukové stopy vede na snímkovou frekvenci 23,976 fps dnes de facto další standard MHS Bitmapový obraz 1 29 / 60 50 Hz ( PAL ) 60 Hz ( NTSC ) nejjednodušší: duplikování každého 5. p lsnímku levné: rekonstrukce 5 celých snímk A 1 až A 5 z 10 p lsnímk konstrukce 6 celých snímk B 1 až B 6 alfa kompozicí (B 1 = A 1, B 2 = 0,17 A 1 + 0,83 A 2, B 3 = 0,33 A 2 + 0,67 A 3, B 4 = 0,50 A 3 + 0,50 A 4, B 5 = 0,67 A 4 + 0,33 A 5, ) nejlepší: místo alfa kompozice motion compensation 60 Hz ( NTSC ) 50 Hz ( PAL ) nejjednodušší: vyhazování každého 6. p lsnímku složit jší varianty obdobné jako v opa ném procesu MHS Bitmapový obraz 1 30 / 60
TIMECODE kv li st ihu apod. je t eba jednozna n ozna it každý snímek po adu timecode standardní podoba: hour:minute:second:frame film: 0:0:0:0; ; 0:0:0:23; 0:0:1:0; PAL : 0:0:0:0; ; 0:0:0:24; 0:0:1:0; pro NTSC problém s 29,97 fps dropframe timecode vynechat ísla frame 0, 1 (nikoliv snímky ty z stávají všechny!) v první vte in každé minuty krom minut 0, 10,, 50) 0:0:0:0; ; 0:0:0:29; 0:0:1:0; 0:0:1:1; 0:0:59:29; 0:1:0:2; 0:1:0:3; 0:9:59:29; 0:10:0:0; 0:10:0:1; 0:10:0:2; MHS Bitmapový obraz 1 31 / 60 standardní vzorkování bitmapového obrazu: pravoúhlá sí obrazových element (pixel ) existují i nepravoúhlé varianty, ale v praxi se neujaly standardní analogová televize vzorkovala obraz v ase (záznam T snímk za vte inu), snímek rozkládala do ádek (vzorkování v ose Y), ádka už byla popsána spojitým signálem vzorkování v ose X zavedeno až íslicovým zpracováním vzorkování: Má pixel reprezentovat jas ( barvu ) v konkrétním bodu, nebo pr m rný jas v jistém okolí? rekonstrukce: Jak má displej z diskrétních vzork vytvo it spojitý 2D obraz? Jak má vypadat jeden pixel? nestandardní MHS Bitmapový obraz 1 32 / 60 hustota vzorkování dána rozlišovací schopností oka (zrakovou ostrostí) pr m r ípku (sv tlocitlivé bu ky) cca 5 m oko od sebe rozliší 2 rovnob žné erné linky na bílém pozadí p i úhlové vzdálenosti cca 1 rozlišovací schopnost horší, je-li kontrast bod proti pozadí menší nebo p i horším osv tlení (viz CSF) pokud máme o ima posoudit, zda na sebe dv áry navazují, je rozlišovací schopnost vyšší test ostrosti vid ní rozpoznatelnost orientace posouzení návaznosti ar MHS Bitmapový obraz 1 33 / 60
pr b h jasu L jednoho ádku 0 jas S st ední šedé ( pozadí ) funkce ve tvaru L = S + K sin(2 x x) kontrast vzoru K sou adnice x (lokální obrazová frekvence) kontrast K S / 2 sou adnice x (lokální obrazová frekvence) MHS Bitmapový obraz 1 34 / 60 CONTRAST SENSITIVITY FUNCTION (CSF) p íklad: p i dobrém osv tlení vnímáme rozdíl v jasu tém 0,2 %, je-li jemnost vzoru cca 6 LP/ (pár linek/stupe ) maximální jemnost vzoru (p es 50 LP/ ) vnímáme p i velkém kontrastu vzoru a dobrém osv tlení nejjemn ji (1 % jasu nebo lepší) vnímáme kontrast p i frekvenci 2 5 LP/ citlivost roste s rostoucím osv tlením % 0,2 0,5 1,0 2,0 5,0 10,0 20,0 50,0 100,0 0,5 1 2 5 10 20 50 velké osv tlení sítnice malé osv tlení sítnice LP/ MHS Bitmapový obraz 1 35 / 60 pro pot eby multimédií se uvažuje úhlová rozlišovací schopnost oka 1 2 pro velmi kontrastní obraz ( erný text na bílém pozadí) je t eba p ísn jší kritérium rozlišovací schopnost = 1 pixel nesmí zabrat zorný úhel v tší než / 2 pozorovací vzdálenost displeje 300 mm rozm r pixelu maximáln 300 tan / 2 = 0,044 mm hustota pixel cca 600 ppi (pixels per inch) pro obraz typu fotografie je kontrast na hranách menší rozlišovací schopnost = 2 hustota pixel cca 300 ppi (pixels per inch) obraz typu video je rozmazan jší kontrast ješt menší hustota pixel sta í menší MHS Bitmapový obraz 1 36 / 60
p i reprodukci obrazu nemáme možnost ovlivnit pozorovací úhel, resp. pozorovací vzdálenost rozlišení displej vychází z p edpokládaného použití standardní televize: vertikální pozorovací úhel cca 8 (výška obrazovky 30 cm, pozorovací vzdálenost cca 2 m) po et ádk obrazu cca 8 60 = 480 filmové plátno: horizontální pozorovací úhel cca 45 po et sloupc obrazu cca 45 60 = 2700 displej notebooku: horizontální pozorovací úhel cca 30 (displej 16 : 9, úhlop í ka 15, vzdálenost 60 cm) po et sloupc obrazu cca 30 60 = 1800 v praxi je rozlišení displeje kompromisem mezi cenou a kvalitou (a technickými limity) rozlišení kamery se odvozuje od rozlišení displeje MHS Bitmapový obraz 1 37 / 60 STANDARDNÍ TV ROZLIŠENÍ analogová televize NTSC (525/59,94) v p vodní 60 Hz televizi obraz vykreslován ádku po ádce s ádkovou frekvencí 15 750 Hz = (30 525) 525 ádk na snímek (resp. 262,5 ádku/p lsnímek) v pr b hu signálu je vykreslovací paprsek ob as zhasnutý (návrat na za átek ádku, 1. a 2. p lsnímek návrat na za átek p lsnímku) pouze 483 ádek nese aktivní obrazovou informaci pro po íta ové zpracování se redukuje na 480 ádek (násobek 16) po et ádek zachován i po úprav 60 Hz 59,94 Hz MHS Bitmapový obraz 1 38 / 60 analogová televize PAL (625/50) snaha využít elektroniku systému 525/59,94 ádková frekvence 15 625 Hz (= 625 25 15 750) 625 ádk na snímek (resp. 312,5 ádku/p lsnímek) aktivní obraz pouze v 576 ádcích z historických d vod se tedy rozlišení televizního obrazu udává po tem ádk ozna ení televizního signálu nap. 525/59,94 nebo 625/50 ozna ení aktivního obrazu nap. 480 i 29,97 nebo 576 i 25 písmeno i ozna uje prokládaný (interlaced) obraz, písmeno p ozna uje neprokládaný (progressive) obraz ozna ení samotného rozlišení jen nap. 480i nebo 576i MHS Bitmapový obraz 1 39 / 60
p i digitalizaci televizního signálu (navzorkování analogového signálu) snaha o celý po et vzork na ádku v obou standardech 525/59,94 a 625/50 ádková frekvence PAL : 15 625 Hz = 5 4 5 2 Hz ádková frekvence NTSC : 15 750 1000 / 1001 Hz = (7 3 5 2 ) (5 6) (5 3 2 3 ) / (7 11 13) Hz = 15 734,26 Hz pom r ádkových frekvencí PAL : NTSC = 143 : 144 nejnižší spole ná frekvence 15 625 144 = 15 734,26 143 = 2 250 000 Hz vzorkování násobkem 2,25 MHz rozumné zachycení detail v ádce p i vzorkování frekvencí 6 2,25 = 13,5 MHz PAL 864 vzork, NTSC 858 vzork na ádek MHS Bitmapový obraz 1 40 / 60 digitální televize se standardním rozlišením (SDTV) as vysílání jedné ádky rozd len na aktivní obrazovou oblast a dobu, kdy se vykreslovací paprsek vrací na za átek ádky po navzorkování je obraz v 720 vzorcích rozlišení obrazu PAL 720 576, NTSC 720 480 px (obraz nepoškozený náb hy jasu na za átku a konci aktivní ásti ádky nap. 704 576) toto rozlišení se podle historicky první implementace asto nazývá D1 kompatibilní rozlišení s redukcí datového toku: CIF (Common Intermediate Format) 352 288 px tvrtinové rozlišení: QCIF 176 144 px MHS Bitmapový obraz 1 41 / 60 obraz SDTV má p edepsaný pom r stran 4 : 3 ( 1,33) ale 704 / 576 1,22; 720 / 576 = 1,25 atd. standardní vzorkování SDTV vede k obdélníkovým pixel m kdyby byly pixely tvercové, m l by být po et sloupc : 576i ( PAL ): 576 4 / 3 = 768 px 480i ( NTSC ): 480 4 / 3 = 640 px pixel 576i ( PAL ): ší ka / výška = 768 / 720 1,07 : 1 (pixel široký ) pixel 480i ( NTSC ): ší ka / výška = 640 / 720 0,89 : 1 (pixel úzký ) širokoúhlá SDTV p edepisuje stejnému signálu (tj. 720 vzork na ádku) pom r stran 16 : 9 pixely velmi široké anamorfní záznam MHS Bitmapový obraz 1 42 / 60
p i zpracování digitálního obrazu se asto zavádí pojmy SAR (source aspect ratio) po et sloupc / po et ádk nap. pro SDTV PAL je SAR = 720 / 576 = 1,25 PAR (pixel aspect ratio) ší ka pixelu / výška pixelu nap. pro SDTV PAL je PAR 1,07 DAR (display aspect ratio) ší ka obrazu / výška obrazu nap. pro SDTV PAL je DAR = 4 / 3 1,33 platí DAR = SAR PAR digitální obraz by m l obsahovat metadata : po et sloupc, po et ádk ( SAR) a PAR, nebo DAR p ehráva by m l tato metadata respektovat zejména na PC to asto nefunguje MHS Bitmapový obraz 1 43 / 60 HDTV ROZLIŠENÍ primární požadavky pro HD (high definition) standard: pom r stran obrazu 16 : 9 (tj. 4 / 3 4 / 3) dvojnásobný zorný úhel oproti SDTV dobrá kompatibilita s digitálním zpracováním a s SDTV po et sloupc 720 2 4 / 3 = 1920 pro tvercové pixely: po et ádek 1920 9 / 16 = 1080 rozlišení 1920 1080 px (Full HD) snímkové frekvence kompatibilní s SDTV a filmem: 23,976 24 25 29,97 30 50 59,94 60 Hz vyšší frekvence k dispozici progresivní i prokládané pro nižší datový tok zavedeno 2 / 3 redukované rozlišení 1280 720 px (jen progresivní obraz) MHS Bitmapový obraz 1 44 / 60 DIGITALIZACE FILMOVÉHO PÁSU referencí pro kvalitu filmového obrazu je ší ka filmového pásu kvalita digitalizace se historicky ur uje po tem sloupc nejb žn jší distribu ní standardy digitálního kina: 2K (2048 1080 px) zatím nejobvyklejší 4K (4096 2160 px) d íve pom rn exkluzivní, dnes na vzestupu pom r stran distribu ního formátu cca 1,896 : 1 obraz jiného pom ru stran vložen jako letterbox/pillarbox ideální rozlišení scanu filmového pásu je takové, aby distribu ní rozlišení vzniklo nanejvýš o ezem; p evzorkování na jiné rozlišení snižuje ostrost snímku MHS Bitmapový obraz 1 45 / 60
UHDTV ROZLIŠENÍ televizní formát Full HD (1920 1080 px) podobný filmovému 2K (2048 1080 px) odpovídá cca 2,1 Mpx z diskuse o rozlišení plyne, že pro velkoplošné displeje je Full HD na hranici kvality vzorkování definice Ultra HD televizního rozlišení (UHDTV): rozlišení násobkem HD rozlišení 4K UHDTV (2160p): 3840 2160 px (odpovídá 8,3 Mpx) 8K UHDTV (4320p): 7680 4320 px (odpovídá 33 Mpx) neš astné pojmenování: televize ozna ovaná 4K UHD nemá stejné rozlišení jako 4K DCI digitální filmový obraz (= Digital Cinema Initiatives standardizace digitálního kina) MHS Bitmapový obraz 1 46 / 60 MHS Bitmapový obraz 1 47 / 60 720 576 (SDTV / PAL DVD) 1920 1080 3840 2160 (Full HD / Blu-ray disc) (4K UHD; 65mm film) MHS Bitmapový obraz 1 48 / 60
DALŠÍ STANDARDNÍ TERMINOLOGIE v obecné po íta ové grafice, internetovém publikování a specifikacích displeje je obvyklé udávat rozlišení po tem sloupc po tem ádek (nap. 1920 1200) v digitální fotografii obvykle celkový po et pixel v Mpx (nap. 18 Mpx) v tiskovém publikování obvykle fyzický rozm r obrázku a hustota pixel v ppi (nap. 10 10 cm 2 p i 300 ppi) n kdy se jednotka ppi nesprávn ozna uje jako dpi (dots per inch), existuje i jednotka lpi (lines per inch) podrobnosti viz pixel spread function (PSF) MHS Bitmapový obraz 1 49 / 60 VZORKOVÁNÍ PLOCHY pojem pixel (obrazový element) je pom rn nejasný jas dopadající na sníma : spojitá funkce L(x, y) ideální vzorkování: bodové vzorky L[i, j] = L(i x, j y) praktické vzorkování: snímací element ( pixel ) má rozm ry A x A y (maximáln x y, typicky trochu menší) 1 Ay / 2 Ax / 2 L [i, j] = A x A y Ay L(i x, j y ) d d / 2 Ax / 2 praktické vzorkování odpovídá bodovému vzorkování funkce 1 Ay / 2 Ax / 2 L (x, y) = A x A y Ay L(x, y ) d d / 2 Ax / 2 = L(x, y) (rect (x / A x ) rect (y / A y )) / (A x A y ) MHS Bitmapový obraz 1 50 / 60 A x, A y menší funkce L(x, y) a L (x, y) jsou si podobn jší, protože platí: FT{L(x, y)} = Lˆ(f x, f y ) FT{L (x, y)} = Lˆ (f x, f y ) = Lˆ(f x, f y ) / (A x A y ) FT{rect (x / A x ) rect (y / A y )} FT{rect (x / A x )} = A x sinc(a x f x ) sin ( ) sinc( ) = 1 1 pro korektní vzorkování nesmí obraz obsahovat vyšší frekvence než f S / 2 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 1/A x 0,5/ x 0 0,5/ x 1/A x sinc( ) sinc(a x f x ) f x MHS Bitmapový obraz 1 51 / 60
vliv nenulové plochy snímacího elementu (pixelu kamery): pokles amplitudy vysokých frekvencí pokles ostrosti obrazu p i zobrazování je t eba pokles amplitudy kompenzovat tzv. doost ením (zvýšení amplitudy vysokých frekvencí) praktická implementace doost ení: FIR filtr, frekven ní charakteristika inverzní k poklesu amplitudy dvourozm rná filtrace: aplikace 1D filtru na všechny ádky, poté na všechny sloupce (nebo konstrukce 2D FIR filtru mnohem pomalejší b h) na druhou stranu: menší plocha elementu (A x < x) element detekuje mén dopadající energie v tší fotonový šum MHS Bitmapový obraz 1 52 / 60 p i vzorkování m že dojít k aliasingu vizuálnímu projevu se íká moiré [ ti: moaré] nejviditeln jší p i snímání periodických vzor (tkanina, dlažba, ), ve videu se navíc moiré pohybuje p ed vzorkováním je t eba z obrazu vylou it frekvence vyšší než 0,5/ x (resp. 0,5/ y) praktická implementace: p ed sníma em difuzér ( mírn mlé né sklo ) Vzor moiré (Wikimedia Commons, licence CC 3.0) MHS Bitmapový obraz 1 53 / 60 REKONSTRUKCE OBRAZU ZE VZORK ze vzork L[i, j], resp. L [i, j], je t eba rekonstruovat p vodní spojitou funkci L(x, y) ideální rekonstrukce (viz též p ednáška 5) vzorkování s rozte í vzork x, y (vzorkovací frekvence f Sx = 1 / x, f Sy = 1 / y) spektrum navzorkovaného signálu sou tem kopií p vodního spektra s rozte í f Sx, f Sy ideální rekonstrukce vynásobením spektra funkcí rect (f x / f Sx ) rect (f y / f Sy ) konvoluce L[i, j] funkcí sinc (x f Sx ) sinc (y f Sy ) f Sy f y f Sx f x spektrum Lˆ(x,y) f y f x spektrum Lˆ[i,j] f y f x rect(f x /f Sx ) rect(f y /f Sy ) MHS Bitmapový obraz 1 54 / 60
1D p íklad: x = 0,1 p vodní signál L(x) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 x vzorky L[i] 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 x sinc(x f Sx ) = sinc(10x) díl í, posunuté a škálované pr b hy sinc(10x i) a jejich sou et (rekonstrukce) 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 x hrb drobná chyba rekonstrukce 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 x MHS Bitmapový obraz 1 55 / 60 na ilustraci není ideální rekonstrukce dokonalá ideální kamera by m la snímat nekone n velký obraz ideální displej by m l mít pixel tvaru sinc(x) sinc(y) tvar pixelu: pixel spread function (PSF) obojí technicky vylou ené LCD panely (apod.) pixel tvaru rect(x) rect(y) CRT displeje pixel tvaru exp( x 2 ) exp( y 2 ) rekonstrukce sou tem posunutých PSF x LCD PSF 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 x x CRT PSF 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 x MHS Bitmapový obraz 1 56 / 60 obdélníková PSF zanáší do obrazu um lé hrany (vysoké frekvence) gaussovská PSF obecn vede k mén ostrému, ale p íjemn jšímu obrazu vývoj sou asných displej : zvyšování LCD PSF CRT PSF rozlišení (zmenšování PSF) um lé hrany mén viditelné možnost simulace gaussovské (nebo jiné) PSF aproximací mnoha malými obdélníkovými PSF MHS Bitmapový obraz 1 57 / 60
v tisku jsou PSF ješt jiné v tšina technologií umí jen barvu vytisknout/nevytisknout náhrada pixelu puntíkem velikosti závislé na stupni šedi (malý = sv tle šedá, velký = tmav šedá) šedá plocha nahrazena sítí (rastrem) takových puntík p i ozna ení jemnosti displeje (kamery) je vhodné mluvit o rozlišení LP/? (line pairs per?) X LP/ (line pairs per degree, asto též lp ): v jednom stupni zorného úhlu rozlišíme X linek vedle sebe pro sníma kamery/displej nevhodné X LP/in (line pairs per inch): na jednom palci obrazu je odlišitelných X linek vedle sebe kv li možnosti zám ny s lpi (lines per inch) se místo LP asto používá ekvivalentní cy (cycles), nap. cy/mm MHS Bitmapový obraz 1 58 / 60 vzorky obrazu (zobrazení LCD panelem) zobrazení erno bílým tiskem puntíky rastru zobrazení barevným tiskem MHS Bitmapový obraz 1 59 / 60 mén vhodné je mluvit o pp? (pixels per?) bez znalosti PSF nic ne íká udává jen jemnost vzorkování (scanneru, sníma e kamery apod.), nej ast ji ppi (pixels per inch) speciální jednotky pro tisk: lpi (lines per inch): po et puntík rastru na 1 palec odlišovat od LP/in, typicky LP/in < 0,5 lpi, lpi 2 ppi dpi (dots per inch) puntíky rastru tvo eny elementárními kapkami inkoustu v bu kách, dpi udává jejich po et na 1 palec, typicky dpi > 10 lpi puntík rastru 1 / lpi 1 / dpi 16 16 bun k pokryto 52 z 256 bun k simulace 20% krytí barvy MHS Bitmapový obraz 1 60 / 60