A digitális képfeldolgozás

Az előadások a következő témára: "A digitális képfeldolgozás"— Előadás másolata:

1 A digitális képfeldolgozás
alapjai

2 Digitális képfeldolgozás
A digit szó jelentése szám. A digitális jelentése, számszerű. A digitális információ számokká alakított információt jelent. A számítógép a képi információkat is digitális adatokként kezeli, így a kép minden jellemzőjéhez valamilyen számot rendel.

3 Digitalizálás A fotó vagy grafika digitalizálásakor az eredeti egy adott pontjáról mintát veszünk, majd a választott színrendszernek megfelelően a pont színével és árnyalatával arányosan létrehozunk egy számértéket. Ezek a pontok az eredeti pont síkbeli helyzetének megfelelően, egy kétdimenziós táblázatba helyezve kapjuk meg a digitális képet. Minden képpont (pixel) elérhető a koordinátája alapján.

4 A képdigitalizálás lépései
1. Mintavételezés A mintavételezés célja a digitális képpontok létrehozása (az analóg kép egyes képelemeinek a digitális képpontokhoz való hozzárendelése) A mintavételezéskor a lapolvasó felbontásának szabályozásával állítható be a digitális kép felbontása (vagyis a mintavételezés pontossága) A mintavételezés során gyakorlatilag egy képpontokat leíró rács létrehozása történik meg (képfelbontás) 2. Kvantálás A lapolvasó a kvantálás során határozza meg az egyes analóg képelemek szín- és fényesség-információit Kvantálás az egyes (mintavételezéskor meghatározott) rácspontokra eső képelemek színének és fényének összegzése Szkenneléskor a színmélységet célszerű magas (16-32 bit) értékre állítani

5 Digitalizálás Digitális kép keletkezhet: Szkenneléssel
Digitális fényképezéssel Digitális videóval Rajzolással Digitalizáló táblával

6 Szkenner A scanner feladata: a látható információt digitális információvá alakítja át. A képdigitalizáló lehetővé teszi, hogy ábrákat, szöveges dokumentumokat képként a számítógépbe juttassunk. Amennyiben szöveget digitalizálunk vele, akkor abból még csak kép lesz, amit OCR programmal át lehet alakítani szöveggé.

7 Szkenner típusok Rollszkenner: A képet a szkenner húzza keresztül az olvasó egység felett a kép mozog. Kézi szkenner: A szkennert kézzel kell a képen végighúzni. Síkágyas szkenner: A képet a tárgytartó üvegre kell rakni, és az olvasó egység halad alatta végig. A jobb készülékekhez dia feltétet is adnak, vagy az opcióként külön megvehető. Optikai felbontása általában 2200 x 4800 dpi, míg színmélysége 48 bit körül van. Diaszkenner: Csak dia és fotónegatív beolvasására használható. Az optikai felbontása 1800x1800 dpi (4,2 millió pixel), míg szoftveresen akár 19200x19200 dpi-vel is elboldogul. Dokumentumszkenner: nagy mennyiségű dokumentumok beolvasására lettek kifejlesztve. Az így beolvasott dokumentumokat archiválási célokra mentik le, vagy OCR (karakterfelismerő) alkalmazásoknak adják tovább, ezek a beolvasott képfájlt karakteres anyaggá konvertálják vissza. Könyvszkenner: automatikus lapozás révén képesek komplett könyveket beolvasni. felbontásuk: dpi és képesek egyetlen óra alatt egy 2400 oldalas könyvet is beolvasni.

8 Szkennerek tulajdonságai
Felbontás: A képdigitalizáló felbontása attól függ, hogy egy adott területet hány képpontra tud bontani. A felbontást a dpi mértékegységgel szokás megadni A problémát az jelenti, hogy a valóság átmenet nélküli színeit kell leképezni korlátozott számú színre, másrészt a szkennerek optikai felbontása is korlátozott. A legmodernebb szkennerek képesek a több ezer dpi-s felbontásra is. Optikai felbontás: az optikai felbontás a szkenner által valóban megkülönböztethető képpontok száma. Interpolált felbontás: megmutatja a gép felbontási-teljesítményét. Színmélység: A lapolvasók szinte mindegyike 16 millió színnel dogozik, ami megegyezik a 24 bites színmélységgel. Ennél több színmélységre, illetve színre nincs szükség, hisz az emberi szem azt már úgysem tudja megkülönböztetni.

9 Szkenner működése

10 Digitális rajztábla

11 Digitális fényképezőgép

12 CCD vs. CMOS CCD : Charge-Coupled Device (töltés-csatolású eszköz) CMOS : Complementary Metal Oxide Semiconductor (komplementer fémoxid félvezető) Előnyök és hátrányok CCD Kiváló minőség, forráshűség +++ Nagy dinamikatartomány ++ Kicsi zaj ++ Bonyolult (= drága) -- További feldolgozóegységeket igényel (= nagy, nehéz) -- CMOS Kis méret és fogyasztás +++ Integrált funkciók ++ Alacsony ár ++ Gyorsabb mint a CCD ++ Rosszabb a reakcióideje, így a mozgóképet könnyen elmossa -- Zajosabb kép, gyengébb forráshűség --

13 CCD vs. CMOS Elmondhatjuk, hogy a nagyon magas képminőséget igénylő alkalmazások esetén, mint a professzionális fotózás, nagy teljesítményű szkennerek stb. esetén, valószínűleg maradnak a bonyolult felépítésű és viszonylag magas fogyasztású CCD-k, míg az átlagos képminőséget igénylő készülékek lelkét a CMOS többnyire el fogja hódítani. A CMOS rengeteget fejlődött az utóbbi időben, ma már néhány professzionális digitális fényképezőgépben is előfordul. Pl: Canon EOS 1Ds Mark II, 17,2 megapixeles professzionális digitális fényképezőgépe. A mobiltelefonok esetén különösen kritikus a helykihasználás, és az alacsony fogyasztás, így valószínűleg csak egyes különleges, high end készülékekben találkozunk majd a CCD-vel, mivel sok energiát fogyaszt.

14 Vektor és pixelgrafika
Vektorgrafikus kép Pixelgrafikus kép

15 Vektorgrafika alkalmazási
területei Mérnöki tervezés (CAD) Térképészet (GIS) Kiadványszerkesztés (DTP Desk Top Publishing) Animáció és filmgyártás

16 betűtípusok is ilyenek (TrueType)
Vektorgrafika Jellemzői: a megjelenített kép elemeit a szg. matematikailag leírható vonalakra görbékre bontja, majd ezek egyenleteit tárolja a programok így felületeket színeznek az árnyalatokat nehézkesen kezeli nagyításkor a felbontás nem romlik mivel csak a csomópontok koordinátái változnak, maga a képet leíró függvény nem betűtípusok is ilyenek (TrueType)

17 Pixelgrafika Jellemzői:
Alapegysége és a felbontás egysége a képpont vagy PIXEL; a képek külön tárolt képpontokból épülnek fel; minden képpont tulajdonságait numerikus értékek határozzák meg (színmélység); korlátlan színhasználat; a pixelméret csak bizonyos határok között módosítható; képméret változáskor minőségromlás; a képeknek nagy a helyigénye; A képminőséget befolyásoló tényezők: színmélység felbontás

18 Színmélység A számítógép a képi információkat is digitális adatokként kezeli, így a kép minden jellemzőjéhez valamilyen számot rendel

19 DPI (pont per Inch) Felbontás
Ha egy kép 300 DPI-s, akkor 1 inch hosszon 300 képpontból áll! 1 inch=2,54 cm ? pont DPI (pont per Inch)

20 Felbontás Minél nagyobb a felbontás annál nagyobb a kép mérete!
A felbontás 2x-es növelésével a kép mérete a négyzetesen nő! A nagy felbontású képek csak normál felbontásban látszanak a képernyőn! Ennek feldolgozása időt vesz igénybe. Következmény, lassú megjelenés. Képernyőképek esetében a 72 DPI-s felbontást használjuk a méret és a megjelenési idő miatt. Nagyfelbontású képeket nyomdai alkalmazásra, archiválásra, vagy egyéb speciális feladatokhoz használunk.

21 Képfelbontás

22 Kimeneti felbontás

23 Kimeneti felbontás

24 DTP (Desk Top Publishing)
A pixelgrafika alkalmazási területei DTP (Desk Top Publishing) Retusálás Képmanipulálás Nyomdai előkészítés Reklám Plakát Címlapok

25 A pixeles és a vektoros kép különbségei:
A pixeles vagy rasztergrafikus kép pixelekből áll, egész képként kezelhető, a rajzi részek egymástól elválasztott külön elemekre nem bontható. A vektoros grafika matematikai módszerekkel leírt függvény, elemei külön is megváltoztathatók. A pixeles kép minőségromlás nélkül csak korlátozottan nagyítható vagy kicsinyíthető. A vektoros kép korlátlanul nagyítható. A pixeles kép tárolási mérete erősen függ a színmélységtől, a kép fizikai méretétől és a felbontástól. A vektoros kép mérete és színezése nem befolyásolja lényegesen a méretet. A pixeles kép feldolgozásának a mérete szabhat határt, gond lehet a memória, a tárolás. A vektoros kép bármikor átalakítható pixelessé. A vektorgrafikus programok egyszerű exportálással, a megfelelő felbontási paraméterek meghatározásával, képesek a vektorgrafikát pixeles grafikává alakítani. A pixeles képek csak speciális programokkal alakíthatók, korlátozott módon vektorossá. A vektorgrafika matematikai módszerekkel leírva és a tényleges kép

26 Képábrázolási módok Bittérképes kép:
az egyes képpontokhoz tartozó információt egy bit hordozza (tusrajz) ezért csak 2 szín fordulhat elő a fekete és a fehér

27 Képábrázolási módok Szürkeárnyalatos kép:
csak a szürke és árnyalatai jelenhetnek meg egyszerre legfeljebb 256 árnyalat a kép pontonként 8 biten ábrázolható (FF fénykép)

28 Képábrázolási módok Színpalettás kép:
256 (8 bit) szín jeleníthető meg egyszerre

29 Képábrázolási módok Valódi színezetű (true color) kép:
az egyes képpontokhoz tartozó információt 24 bit hordozza összesen 16 millió szín jelenhet meg adott pillanatban

30 Mi a fény? A Napból érkező elektromágneses sugárzás adott hullámhossz tartománya. A látható elektromágneses sugárzás spektruma nanométer.

31 A szem Szem csapok színérzékelés pálcikák fényérzékelés

32 Miért…?

33 Hogyan viselkednek az anyagok
a fénnyel szemben? Színérzékelés elnyelődés hőenergia áteresztés visszaverődés színezett anyag Az elnyelt és visszaverődött fény mennyisége függ a hullámhossztól SZÍN

34 A tárgyak visszaverik a fehér fényből azt az
összetevőt, amelyiket maguk is tartalmazzák Az alma visszaveri a fehér fényből a vörös összetevőt, ez a vörös fény jut a szemünkbe, ezért látjuk vörösnek az almát. A sárga gyümölcs a fehér fény vörös-zöld-kék összetevőjéből elnyeli a kéket és visszaveri a zöldet és vöröset. A szemünkben ez a két fényszín sárga színérzetet kelt.

35 Színészlelés Színemlékezet:
Világosabb tárgyak világosabbnak sötétebbek még sötétebbnek hatnak emlékezetünkben Színkultúra: Eszkimók 23 féle nevet használnak a fehér színre Érzelmi hatás: hideg - meleg színek

36 Színelmélet Newton, prizmakísérlete:
a fehér fény színek keverékéből jön össze a komponensek egymás ellentétei

37 Színelmélet Thomas Young (1802):
három szín alapelve (vörös, zöld, ibolya) szem színérzékelése a színek különböző hullámhosszúságú fénysugarak az emberi szem egyszerre több hullámhosszon is érzékel, így az összhatás adja meg az adott színt A színtanban lévő két leggyakoribb modell: ADDITÍV (RGB) az eredő fehér SZUBTRAKTÍV (CMYK) az eredő fekete

38 ADDITÍV (RGB) az eredő fehér SZUBTRAKTÍV (CMYK) az eredő fekete
Színmodellek ADDITÍV (RGB) az eredő fehér Sárga Cián Kék Bíbor Vörös Zöld Zöld Vörös Sárga Cián Bíbor Kék SZUBTRAKTÍV (CMYK) az eredő fekete

39 Színbontás

40 Színbontás

41 CIE L*a*b színmodell A LAB színtérben térben ábrázolhatóak a HSB
színtér tulajdonságai

42 CIE L*a*b színbontás

43 Gamut Szkenner RGB Monitor RGB Duoproof RGB Inkjet CMYK
Ofszetnyomtatás CMYK Hexachrom ofszet A gamut az egyes berendezések színképzési tartományát jelenti a Lab színrendszerhez képest.

44 Gamut Az eltérés oka, hogy a csapok érzékenységi tartománya nem határolódik el élesen egymástól, hanem átfedi egymást. Csak egy keskeny tartományban érzékel azonos színeket.

45 A színérzékelés sémája
A beérkező színinger spektruma A pálcikák fényérzékenysége napfénynél A spektrum fényenergiája a receptorokon keresztül vándorol idegimpulzusként az agyba. A receptorok legmagasabb érzékenységi tartományában (itt a vörös szín) a spektrális fényenergia erősebb idegimpulzust hív elő, mint a szomszédai. Először az agyban keletkezik a tényleges szín. A csapok és pálcikák együtt „számolják” ki a látott színhatást.

46 Mi a megoldás? A szem hibáinak kiküszöbölésére
az ideális színekre támaszkodó eddigi színrendszerek nem adtak választ. Ezt oldja meg az HSB (HSL) színrendszer, ami az emberi színlátás komplett modellje. Alapja a: Világosság (Brightness, Lightness) Telítettség (Saturation) Szín (Hue)

47 A HSB színmodell A HSB színrendszer képes leírni a szkenner, a monitor, a nyomat azaz az RGB, a CMYK körülményeit a Lab színrendszer segítségével.

48 A színek jellemzői Fényerő (brightness): Árnyalat (hue):
A fényerő mértéke megmutatja, hogy az adott szín mennyi fényt tükröz vissza illetve ereszt át Árnyalat (hue): Az árnyalat határozza meg a szín pontos helyét a színskálán, azaz magát a színt Telítettség (saturation): Az adott színben levő szürke mennyiségét jelenti. Minél kevesebb a szürke mennyisége annál tisztább, telítettebb a szín. A telített színek nem tartalmaznak szürkét vagy feketét. Áttetszőség (opacitás): Festékek jellemzője, azt mutatja meg az alatta levő festékréteg mennyire üt át

49 Digitális képformátumok
Milyen formátumot válasszunk? milyen módon szeretnénk a képet megjeleníteni (nyomtatás, képernyő) milyen további platformokon akarjuk a képet megjeleníteni akarunk-e vagy kell-e konvertálnunk más formátumba tömörítés és kódolás lehetősége hírközlésben akarjuk-e továbbítani nyomdai munkálatokhoz használjuk-e

50 Digitális képformátumok
TIFF(Tagged Image File Format) operációs rendszer független, hardver független, alkalmas bináris, vonalas, szürkeségi fokozatokat tartalmazó képek mentésére, (mind a 4 képábrázolási módban) Alkalmas RGB és CMYK színtérben készített képek tárolására, veszteségmentes tömörítési lehetőség (LZW compression), engedi a képi információktól eltérő adatok (pl. nyomtatási beállítások, színkorrekció, szöveg) mentésének lehetőségét kiterjesztése .TIF

51 Digitális képformátumok
BMP a DOS és Windows op. rendszerek általános képformátuma, mentéskor megadhatjuk a kimeneti op. r. típusát (Windows OS/2 színmélység 1, 8, 16, 24 bit, (kezdetben csak 16 bit volt) veszteségmentes tömörítési lehetőség (RLE) Nem támogatja a CMYK színteret, csak RGB képek mentésére használható Kiterjesztés: BMP.

52 Digitális képformátumok
JPEG (Joint Photographic Experts Group) veszteséges tömörítési eljárással készül, tömörítési arány: 1:5; 1:15 , A tömörítés lényege: az emberi szem kevésbé érzékeny a színkülönbségekre mint a világossági szint változásaira (színkivonás). A JPEG eljárás 8 pixeles mátrixokban elemzi és cseréli az ismétlődő, hasonló pixeleket. több minőségi faktorban menthető el, csak részletgazdag nagyobb méretű képek esetén használjuk, nyomdai feldolgozásra nem nyomtatásra részben ajánlott, mérete miatt kiválóan alk. képernyőn ill. Interneten való, megjelenítésre, kiterjesztése .JPG

53 JPEG tömörítés A JPEG eljárás először YUV szín-koordinátarendszerbe transzformálja a képfájlok RGB színinformációit, majd elválasztja egymástól a világosság- és a színkódokat. A második lépésben az eljárás csökkenti színinformációt. Ez a JPEG nyelvezetben "4:2:2" - csak vízszintesen megfelezett színinformáció -, vagy "4:1:1" -vízszintesen és függőlegesen megfelezett színinformáció - beállítást jelent. Az eredeti képfájlban minden képpontnak van egy világosság- és a két színkódja. A 4:2:2 beállításnál két képpont színkódjai közül az egyik elmarad, vagyis a két egymás utáni képpontnak azonos színkódja van. Megváltozik ugyan a kép, de ez alig vehető észre. Ha a világosságkód és a két színkód 4 bites, akkor 4:2:2 beállítás esetén a transzformált fájlban két képpontot 24 ( ) bit helyett 16 (12 + 4) bit definiál, tehát a képfájl mérete az eredetinek kétharmadára csökken. A 4:1:1 beállításnál az eljárás két sor színkódjait közösen kezeli. Egy képpont színkódja a mellette lévő képpont, az alatta lévő képpont, és az alatta lévő képpont mellett lévő képpont színkódját is definiálja, vagyis négy képpontnak azonos a színkódja. 4:1:1 beállítás esetén a transzformált fájlban négy képpontot 48 ( ) bit helyett 24 ( ) bit definiál, tehát a képfájl mérete az eredetinek felére csökken. Az eljárás a következő lépésben, a képfájlban található képpontokat 8 × 8 tagból álló makro-blokkokra bontja, majd elhagyja azokat a frekvencia komponenseket, melyeknek amplitúdója kisebb a paraméterezés alkalmával megadott értéknél. A megmaradt adatokat az eljárás Huffman-kódolással tömöríti. A tömörített fájl tartalmazza a kibontáshoz szükséges összes információt.

54 Digitális képformátumok
PCX Z-Soft cég fejlesztette ki DOS Windows platformokra, 8; 24 bites RGB képek mentésére alkalmas, kiterjesztése .PCX GIF (Graphics Interchange Format) az Internet legelterjedtebb formátuma, a WEB és HTML on-line rendszerek leíró nyelvet közvetlenül használó raszteres formátum, 8 bites lehet tömörített formában, Fejlesztés alatt áll a GIF 24, amely 24 bit színinformáció tárolására is képes. A képben az algoritmus ismétlődő jelláncokat keres és ezeket egy indexszel jelöli, amit egy hozzárendelt táblázatban tárol. A GIF transzparens lehet és animálható. kiterjesztése .GIF

55 Digitális képformátumok
PNG (Portable Network Graphics) 1995-ben a World-Wide-Web Consortium (W3C) a GIF alternatívájaként fejlesztette ki. A cél a GIF és a JPEG tulajdonságainak és lehetőségeinek egyesítése. PNG-8 Formátum: Ez hivatott direkt a GIF kiváltására. Gyakorlatilag ugyanott alkalmazható. • Ugyanúgy csak 256 színt képes kezelni. • 1 bit transzparens lehetősége van • Nem animálható • Veszteségmentesen tömörít, de nem a jogilag védett LZW-algoritmussal PNG-24 Formátum: Inkánbb a JPEG konkurense kíván lenni. • Veszteségmentes (JPEG-gel ellentétben) a tömörítése 24 vagy akár 48 bit színmélységben • 8 bites alfa-csatornát vihet magával transzparens információ számára, ahol rész-transzparencia is lehetséges A PNG előnye még, hogy érzéketlenebb a hibákra, mint a GIF vagy a JPEG. Míg azoknál egy bit-hiba az egész képet tönkreteheti, a PNG-nél csak a hibás tartományra terjed ki a probléma. Hátrány, hogy még nem minden böngésző tudja korrekten megjeleníteni. Éppen a Windows-operációs rendszernél az Internet Explorer szenved a 8-bites transzparenciával.

56 Digitális képformátumok
EPS (Encapsulated PostScript File) Postscript formátumban tárol (egy lapleíró nyelv) Az Adobe fejlesztése mind raszter, mind vektor adatok tárolására alkalmas. platformfüggetlen ahol szükség van különböző grafikai (festő-, vektor) programok egymás közti adatcseréjére. A képi modell alapértelmezésben a lapot 1/72 inch-es felbontással kezeli, tehát rajzoláskor mintha ez a háló lenne a lapon. EPS formátum a PostScript adatok becsomagolt formátuma. A PostScript nyelv gazdag utasításkészlete lehetővé teszi igen bonyolult szöveggel és grafikával zsúfolt lapok nyomtatását. A grafika leírása szöveges formában történik. Kiterjesztése .EPS

57 Digitális képformátumok
PSD (PhotoShop Draw) mint a nevéből is kiderül a Photoshop saját adatformátuma. mind bittérképes, mind tónusos, RGB és CMYK adatok tárolására alkalmas. A Photoshop saját formátumának előnye a többivel szemben a gyorsabb lemezkezelés (mentés, töltés), de fő haszna, a rétegek, csatornák, szekciók, stb. tárolása. Ez is platformfüggetlen, bármely más rendszeren futó Photoshop képes adatot cserélni. kiterjesztése .PSD

58 Digitális képformátumok
RAW formátum, „digitális negatív” Nyers adatformátum, azt jelenti, hogy az adatok közvetlenül a CCD-képérzékelőből kerülnek feldolgozásra. Az adatok továbbítása az eredeti állapotban történik, nem a digitális kamerában megy végbe az adatfeldolgozás. A RAW fájlok általában kisebbek a TIFF formátumban mentett fájloknál, mert a színadatok ezen a ponton még nem kerültek feldolgozásra. A fájlok megtekintéséhez és szerkesztéséhez, valamint egy megszokottabb formátumban való elmentéséhez speciális program vagy plug-in szükséges. Photoshop-ban a RAW formátumú állományok megnyitáskor a kép adatait a felhasználónak kell megadnia ahhoz, hogy az állományt a program helyesen értelmezze.

59 Digitális képformátumok
CDR, CDT (Corel DRAW, Corel DRAW Template A CDR és CDT - a CorelDRAW natív vektoros fájlformátuma. Tartalmazhatnak beillesztett bittérképes objektumokat is.