Jak to vše začalo Technické principy digitalizace obrazu Michal Veselý, FCH VUT v Brně vesely-m@fch.vutbr.cz Skenery se vyvinuly z telefotografických zařízení, sestávající z rotujícího válce při 60 nebo 20 ot/min s jednoduchým fotodetektorem, používaných od 20. let do poloviny 90. let 20. století. Lineární analogový AM signál odesílaný přes standardní telefonní linku. Jak to vše začalo a dnes První obrazový skener: 957, US National Bureau of Standards, tým vedený Russelem Kirschem (válcový skener) První skenovaný obraz: 5 5 cm fotografie (Kirschův 3měsíční syn Walden, celkem 76 pixelů) Bubnové skenery Ploché skenery (ruční, filmové, knižní, 3D, atd.) Standards Eastern Automatic Computer (SEAC) v laboratořích National Bureau of Standards (NBS). Skenované předlohy Bubnové skenery reflexní (zaznamenává se odražené světlo) např. fotografie, tisky, kresby transparentní (zaznamenává se prošlé světlo) např. filmy, diapozitivy 8 000 ppi, D = 4,5 Tento typ skenerů využívá dva světelné zdroje umístěné: na vnitřní straně bubnu (pro průhledné předlohy), na vnější straně bubnu (pro odrazné předlohy) Zdrojem světla jsou halogenidové nebo xenonové výbojky. Snímací hlava je umístěna vně bubnu, snímá prošlé nebo odražené světlo, posouvá se rovnoběžně s osou rotujícího (800 min ) válce. Snímaný paprsek je rozdělen na tři svazky a po průchodu příslušným filtrem (RB) zaznamenáván pomocí fotonásobičů.
Bubnové skenery Ploché skenery Zdrojem světla jsou xenonové obloukové výbojky. Pod skleněnou deskou se pohybuje snímací soustava. Její pohyb je řízen krokovým motorkem. Obraz je zaznamenáván třířádkovým (RB) fotocitlivým snímačem (CCD, CMOS nebo CIS). Rozlišovací schopnost skeneru je dána jemností kroku motorku a hustotou fotocitlivých prvků v řádkovém snímači. 6 400 dpi, D > 3,2 Filmové skenery (6 400 dpi, D = 3 4) Mikrofilmové skenery. Mají monitor, nepotřebují PC, skenují vysokou rychlostí ve stupních šedi, 2ti bitová hloubka, rozlišení 600 ppi Knižní skenery pro skenování vázaných publikací. Otevřená publikace (80 ) je snímána seshora pomocí CCD kamery, nebo je snímána pootevřená (60 00 ) pomocí dvou kamer. Lze využít i upravenou technologii plochých skenerů (snímací plocha musí dosahovat až k hraně) Velkoformátové skenery Pro skenování velkoformátových předloh (> A3). protahovací (šíře až 20 cm, délka neomezená) ploché (stejný princip jako ploché skenery) s využitím CCD kamery (obdobně jako při skenování knih je předloha upevněná na pevném stole snímána seshora CCD kamerou rozlišení 300 dpi, barvová hloubka 36 bitů) Maloformátové skenery. Pro skenování maloformátových dokumentů (vizitky, platební karty, šeky). Konstrukce protahovací nebo plochý (formát zpravidla < A6). Kromě digitalizace používaný i pro kontrolu dokumentů 2
Maloformátové skenery. Pro skenování maloformátových dokumentů (vizitky, platební karty, šeky). Konstrukce protahovací nebo plochý (formát zpravidla < A6). Kromě digitalizace používaný i pro kontrolu dokumentů Světlocitlivý záznamový prvek integrovaný obvod zabezpečující konverzi světelného záření dopadajícího na jeho jednotlivé obrazové elementy (pixely) na elektrický náboj. Počet lokálně generovaných elektronů přitom odpovídá intenzitě dopadajícího světelného záření. CCD (Charge Coupled Devices) elektronický integrovaný obvod, ve kterém je elektrický náboj vygenerovaný ve fotodiodách obrazových elementů přenášen potenciálovými jámami pomocí napětí na soustavě elektrod. CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductors) elektronický integrovaný obvod, ve kterém je elektrický náboj vygenerovaný ve fotodiodách obrazových elementů odváděn pomocí adresovatelné sběrnice. CCD vs. CIS senzor (světlo R,, a B LED diod) CIS: menší rozměry zařízení, menší spotřeba energie. CCD: větší hloubka pole, vyšší poměr S/N, lepší barevná věrnost Skenovací přístroje (třílineární scannery, kde pohybující se jezdec postupně snímá řádku po řádce společně červený, zelený a modrý výtažek) Víceprůchodové celoplošné čipy (snímek realizovaný třemi postupnými expozicemi. Čip je monochromatický, ale s pomocí separačních filtrů postupně snímá snímky pod modrým, zeleným a červeným filtrem) R R B B R Jednoprůchodové celoplošné čipy (jedna expozice, uspořádání jednotlivých světlocitlivých prvků do červeno-zelenomodré mozaiky) B B B R R B R R 3
Barvové složky obrazu, pixel Bitová hloubka vs. barvová hloubka Počet rozlišitelných jasových úrovní (bitová hloubka) vs. součet bitových hloubek všech kanálů (barvová hloubka), je udáván jako exponent čísla 2, amatérské přístroje 3 8 bitů, profesionální přístroje 3 6 bitů a.u. 250 200 50 00 digitalní fotoaparát klasický čb film Dynamický rozsah skeneru (digitálního fotoaparátu) Poměr mezi maximální a minimální zaznamenatelnou intezitou světla. Vyjadřuje se jako poměr těchto intenzit nebo častěji jako odpovídající rozsah expozičních hodnot či počet clonových čísel, je obvykle v rozmezí 2 6 až 2 6. Rozlišení skeneru, fyzické rozlišení, interpolované rozlišení. Typy předloh tónová barevná nebo ve stupních šedi, perová předloha. Optimální nastavení rozlišení skenu. Ukládání souborů formáty souborů. 50 0 DR -8-6 -4-2 0 2 4 6 8 Například dynamický rozsah 6 clonových čísel odpovídá 6 EV nebo 6 0,3 D =,8 (optické hustoty) nebo poměru :2 6 = :64. EV http://www.danes-picta.com/ Optimální nastavení rozlišení skenu. Ukládání souborů formáty souborů. Komprese grafických souborů Komprese bezeztrátová Využívá se ke zmenšení souboru bez degradace původní informace. Předpokládá se, že data obsahují opakující se řetězce, objekty apod., a obecně je při něm dosahováno menších kompresních poměrů. Proudové kódování RLE (Run Length Encoding) Například 7380000000009999996243765 je možné převést takto: 738 9 0 6 9 6243 765. čísel jsme ušetřili, a přitom jsme schopni 00% restaurovat původní řadu. Slovníková komprese. Vytvoření slovníku datových slov a jejich nahrazení v proudu dat hodnotou přiřazenou ve slovníku. Pro obrazová data je často používána slovníková komprese LZW (Lempel-Ziv-Welch). 4
Komprese grafických souborů Komprese ztrátová Ztrátové algoritmy se využívají při kompresí obrazu, videa či zvuku a jsou založeny na vynechání informací, které nejsou pro lidské smysly tak důležité jako jiné informační složky daného média. Podle znalosti obsahu a jeho kontextu likviduje nepotřebné detaily. Hlavní fakta zůstanou zachována, jemné detaily se však nenávratně ztratí. Nikdy již není možné obnovit originál. Když stoupá stupeň komprese, klesá kvalita neboli podobnost originálu a kopie. JPE (Joint Photographic Expert roup) Ideální, a speciálně pro fotografii navržený formát pro ukládání fotografií. Nedostatky JPE. Formát JPE nepodporuje bitovou hloubku 2, 4 ani 6 bitů, ale jen 8 bitů. 2. JPE nepodporuje průhlednost (Transparency) 3. Komprese má tendenci čáry a písmena zobrazovat zubaté" a rozpít je a tím zhoršovat jejich vzhled a čitelnost. 4. JPE nepodporuje animace (pohyblivé obrázky). 5. Komprese je vždy ztrátová, i když v praxi je možné tvrdit, že velmi malý stupeň komprese je absolutně nerozeznatelný např. od bezeztrátového TIFF. 6. Určitě riziko ztráty kvality hrozí při opakovaném ukládání do JPE. JPE 2000 Nový standard používající jinou metodu komprese a poskytující menší soubory (cca o 20 %) a přitom s vyšší kvalitou obrazu.. Umožňuje též bezeztrátovou kompresi a je možně používat bitovou hloubku jak 8, tak i 6 bitů na kanál. 2. Málo programů, které s ním dokáží pracovat. TIFF (Tagged Image File Format).. Formát TIFF je standard pro vysoce kvalitní ukládání obrázků v tiskovém průmyslu. 2. Pracuje s 8bitovou i 6bitovou bitovou hloubkou. 3. Více obrázků či vrstev v jednom souboru. 4. Zcela bez komprese, nebo s bezeztrátovou kompresí LZW či ZIP. 5. Zachovává Exif informace i správu barev (ICC profil), a proto je ideální pro archivaci mezisouborů, které budou editovány později. PN (Portable Network raphics).. Formát PN může používat též paletu barev i 8bitovou a 6bitovou hloubku. 2. Používá bezeztrátovou kompresi a uchovává průhlednost i správu barev (ICC profil). 3. Nepodporuje Exif! Děkuji za pozornost 5
Poznámky k diskusi Poznámky k diskusi Shrnutí pravidel pro skenování barevná dpi = z. lpi. qf Nastavení: 24 až 48 bitové barvy Tónová předloha černobílá dpi = z. lpi. qf Nastavení: 8 až 6 bitové stupně šedi Perovková předloha dpi input = z. dpi output Nastavení: bit, nebo černobíle D=0 D=0,3 D=0,6 Φ T = ; T = 2 = Φ 0 2 D = logt = log = log2 = 0,3 2 6 6 EV = 6clon = 6 0,3 D = : 2 = : 64 Φ 0 Φ 6