Digitale Bildbearbeitung mit Photoshop 5.5

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1 1 Digitale Bildbearbeitung mit Photoshop 5.5 Sören Haubrock Fachbereich Mathematik/Informatik Universität Osnabrück Februar 2001

2 2 Inhaltsverzeichnis 1. Grundlagen Einleitung Bildbearbeitung als Teil der graphischen Datenverarbeitung Beschreibung von Einkanalbildern Graubild-Farbbild-Binärbild Farbtiefe, Auflösung Digitalisierung von Bildern Grauwertmanipulation 2.1. Lineare Skalierung der Grauwerte Logarithmische und exponentielle Skalierung Arbeiten mit Farbbildern 3.1. Beschreibung von Farbbildern Reduktion der Farben Falschfarbendarstellung Filter 4.1. Filteroperationen im Ortsbereich Tiefpaßfilter Hochpaßfilter Erzeugung von Binärbildern für Segmentierung Pixeldateiformate 5.1. Tagged Image File Format (TIFF) Graphics Interchange Format (GIF) Joint Photographic Expert Group (JPEG) Photoshop Document (PSD) Arbeiten mit Photoshop Allgemeines Programmaufbau Dateiverwaltung Arbeiten mit Ebenen Literaturverzeichnis... 18

3 3 Kapitel 1 Einleitung In diesem Dokument werden einige Grundlagen der digitalen Bildverarbeitung erörtert. Hierbei wird versucht, sowohl die Theorie zu erfassen, als auch die praktische Anwendung in einem konventionellen Bildbearbeitungsprogramm aufzuzeigen. Hierbei wird auf das Produkt Photoshop 5.5 von Adobe zurückgegriffen. Um diese doppelseitige Betrachtungsweise zu realisieren, wird zunächst auf die theoretischen Grundlagen eingegangen. Im zweiten Abschnitt wird dann kurz aufgezeigt, wie diese in Photoshop umgesetzt werden. Es kann im Rahmen dieses Dokuments nur auf einen kleinen Teil der Bildverarbeitung eingegangen werden. Ebenso sind auch nur Ausschnitte der Funktionsweise von Photoshop 5.5 dargelegt. Hier wurden vor allem die Operationen ausgewählt, die im Rahemn der Bildverbesserung immer wieder zum Tragen kommen. Für weitergehende Studien sei auf die Literaturangaben verwiesen. 1.1 Bildbearbeitung als Teil der graphischen Datenverarbeitung Die einzelnen Teildisziplinen der graphischen Datenverarbeitung sind nicht immer eindeutig voneinander zu trennen. Die Computergrafik beschäftigt sich mit der Beschreibung von Bildern in digitalem Format sowie mit der Eingabe, Manipulation und Ausgabe dieser Beschreibungen. Hierbei wird zumeist versucht, die Realität in Form von grafischen Modellen digital abzubilden, wobei das Modell die Art der Beschreibung festlegt. In der Bildbearbeitung geht es vor allem darum, Bilddaten zu manipulieren, um ein für den Verwendungszweck qualitativ besseres Bild zu erhalten. Die hier bearbeiteten Bilder können auf verschiedenen Wegen entstanden sein. Quellen stellen z.b. die Digitalisierung von analogen Vorlagen oder die digitale Photographie dar. Mit den verschiedenen Möglichkeiten der Bildbearbeitung beschäftigt sich dieses Dokument. Computergrafik Beschreibung von Bildern Eingabe, Manipulation, Ausgabe der Beschreibung Bildbearbeitung Nachbesserung, Verformung, Vereinfachung von Bilddaten Mustererkennung Extraktion von Bildinformationen Bei der Mustererkennung wird versucht, aus den Bilddaten gewisse Informationen automatisch zu extrahieren. Beispielsweise versucht man in der Fernerkundung, Satellitenbilder automatisch zu klassifizieren. Abbildung 1: Arbeitsgebiete in der grafischen Datenverarbeitung Voraussetzung für die Mustererkennung ist eine hinreichende Qualität im Bild. Diese kann in den einzelnen Schritten der Bildbearbeitung verbessert werden, ohne Bildinformationen zu verlieren oder künstlich hinzuzufügen.

4 4 1.2 Beschreibung von Einkanalbildern Eine mögliche Beschreibung von digitalen Rasterbildern ist die Notation als Bildmatrix. Bilder mit nur einem Aufnahmekanal haben dann Z Bildzeilen und S Bildspalten. An jeder Stelle in der Matrix wird ein Helligkeitswert abgelegt und als Pixel (Picture Element) bezeichnet. 0 0 y S-1 Spalten x Z-1 Bildpunkt in der Position (x,y) Zeilen Abbildung 2: Bildmatrix eines digitalisierten Einkanalbildes mit Koordinatensystem 1.3 Graubild-Farbbild-Binärbild Graubilder bestehen aus einem Kanal: 0 ist schwarz, 255 entspricht weiß Farbbilder werden durch die Ebenen Rot/Grün/Blau (RGB) beschrieben Der Eindruck des Farbbilds entsteht durch die Mischung der Farbanteile Binärbilder besitzen eine Ebene, auf der nur zwei verschiedene Pixelwerte angenommen werden

5 5 Abbildung 3: Die Kanäle RGB eines Farbbildes als Matrizen 1.4 Farbtiefe, Auflösung Farbtiefe entspricht der Anzahl der möglichen Farbwerte pro Kanal Werte von 2 bis zu 32-bit sind üblich Auflösung beschreibt geometrische Genauigkeit eines Bildes (in dots per inch (dpi)) 1.5 Digitalisierung von Bildern Analoges Bild wird durch Sensoren in digitale Werte transformiert 2 Schritte: Rasterung und Quantisierung Rasterung unterteilt das Bild in gleichmäßige homogene Pixel Quantisierung weist einer Fläche (Größe eines Pixels) durch Mittelung einen diskreten Binärwert zu Die Größe des Rasters bestimmt die geometrische Qualität, die Menge der Farbquanten die farbliche Genauigkeit des digitalen Bildes

6 6 Kapitel Lineare Skalierung der Grauwerte Verteilung der Helligkeitswerte werden in Histogramm dargestellt Zur Änderung der Helligkeit werden Werte einfach verschoben Zur Änderung des Kontrastes wird das Histogramm gestaucht oder gedehnt Abbildung 4: Grauwerte-Histogramm eines digitalisierten Einkanalbildes. Die gestrichelte Linie bildet die kumulierte Verteilung. (Quelle: Haberäcker 1995) Formel 1: Einstellung des Kontrasts zur optimalen Ausnutzung aller Grauwerte Abbildung 5: Grauwerte-Histogramm nach Anwendung der Kontraststreckung. Die gestrichelte Linie verläuft nun nahezu linear. (Quelle: Haberäcker 1995) In Photoshop können die Helligkeits- und Kontrasteinstellungen über das Menü Bild - Einstellen -... verändert werden.

7 7 2.2 Logarithmische und exponentielle Skalierung Bei linearer Skalierung werden alle Bereiche gleichmäßig verändert Um dunkle Bereiche kontrastreicher zu machen, muß logarithmisch skaliert werden Helle Bereiche werden entsprechend durch exponentielles Skalieren kontrastreicher Abbildung 6: Logarithmische und exponentielle Skalierungsfunktion mit entsprechenden Ergebnissen. (Quelle: Haberäcker 1995) Die Einstellung einer geeigneten Skalierungsfunktion erfolgt in Photoshop graphisch über den Menüpunkt Bild - Einstellen - Gradiationskurven

8 8 Kapitel 3 Arbeiten mit Farbbildern 3.1 Beschreibung von Farbbildern Darstellung in Kanälen, jeweils mit x-bit Farbtiefe Farbtabellen: die wichtigsten Farben werden abgespeichert. Anstelle der Farbeinträge für jedes Pixel stehen im Bild Verweise auf einen Eintrag in der Farbtabelle 3.2 Reduktion der Farben Es werden selten 16,7 Mio. Farben benötigt Ausgabegeräte verwenden haüfig nur 256 Farben Speicherplatz kann signifikant reduziert werden 256 Farben pro Kanal = 16.7 Mio. Farben 1132 Byte 8 Farben pro Kanal = 256 Farben 377 Byte Beispiel 1: Speicherbedarf für ein Tiff-Bild, unkomprimiert, 740 x 510 Pixel 3.3 Falschfarbendarstellung Kanäle RGB können isoliert voneinander dargestellt und manipuliert werden Satellitenbilder verwenden bis zu 16 Kanäle (Infrarot bis Ultraviolett) Bei optimaler Darstellung von drei Kanälen unterschiedlicher Wellenlänge durch die Kanäle RGB können für das menschliche Auge zunächst nicht erfassbare Kontraste visualisiert werden Abbildung 7: Satellitenbild in Falschfarbendarstellung

9 9 Kapitel 4 Filter 4.1 Filteroperationen im Ortsbereich Bilddaten aus Sensorsystemen sind verrauscht Rauschen kann für weitere Bearbeitungsschritte verfälschend wirken Einsatz von Glättungsoperationen Bildpunkte des Ausgabebildes ergeben sich durch gewichtete Verknüpfung des Bildpunktes mit den Nachbarpunkten s a (x,y) = Ausgabepixel s e (x,y) = Eingabepixel h(x,y) = Maskengewichtung m = Parameter für Maskengröße (meist 3, 5 oder 7) k = (m-1)/2 Formel 2: Filterfunktion für Pixelbilder 4.2 Tiefpaßfilter Glättung durch Mittelwertbildung der Nachbarn Beispiel 1: Bewegter Mittelwert Beispiel 2: Gauß-Tiefpaßfilter

10 10 Abbildung 8: Gescanntes Bild vor und nach einer Gauß-Tiefpaßfilterung 4.3 Hochpaßfilter Niedrige Frequenzbereiche werden abgeschwächt, kleinräumig auftretende Grautonunterschiede verstärkt Bild wird dadurch kontrastreicher, Kanten können extrahiert werden Bildrauschen wird ebenfalls verstärkt Beispiel 1: Laplace-Operator Anstelle des Laplace-Operators können auch folgende Masken verwendet werden oder

11 11 Abbildung 9: Gescanntes Bild vor und nach einer starken Hochpaßilterung 4.4 Erzeugung von Binärbildern für Segmentierung Graustufenbild wird stückweise linear skaliert Für geeigneten Schwellwert c werden alle Werte auf 0 bzw. 1 gesetzt Verfahren dient zur Segmentierung von Bildobjekten

12 12 Kapitel 5 Pixeldateiformate 5.1 Tagged Image File Format (TIFF) Sehr häufig verwendetes Dateiformat Besteht aus drei Teilen: Dateikopf, Metadata (Image File Directory), Datenblock Genaugenommen kein eigenes Grafikformat, sondern Verkapselung anderer Formate und Kompressionen Stellt u.a. Schwarzweiß-/ Graustufen-/ RGB- und Palettenbilder dar Komprimierung durch JPEG, LZW, CCITT möglich Dateikopf Motorola (high order first) Versionsnummer Offset des IFD Bildbreite Bildhöhe Bits pro Kanal Kompression Photometrische Interpretation Startadresse des Datenblocks IFD Orientierung Kanäle pro Pixel Auflösung in X-Richtung Auflösung in Y-Richtung Einheit der Auflösung (keine, Inch, cm) Datenformat (RRRR...GGGG...BBBB... oder RGB RGB...RGB) Color Map Datenblock RGB-Werte oder Indizes (ggf. komprimiert) für die Farbtabelle Tabelle 1: Aufbau und Inhalt einer TIFF-Datei. (Quelle: Vornberger 2000) 5.2 Graphics Interchange Format (GIF) Von Compuserve eingeführt, patentiert und im kommerziellen Bereich Benutzung kostenpflichtig Animation durch mehrere Bilder in einer Datei Hintergrundfarbe kann transparent gemacht werden Kann Bilddaten mit einer Farbtiefe von 1 Bit bis 8 Bit darstellen Bilder werden immer im RGB-Modell abgespeichert Im WWW weit verbreitet, insbesondere bei künstlich erzeugten Bildern Verwendet zwei Kompressionsmethoden zur Datenreduktion: Farbpalette und LZW- Komprimierung 5.3 Joint Photographic Expert Group (JPEG) Im WWW weit verbreitet, insbesondere bei digitalisierten (inhomogenen) Bildern Liefert sehr hohe Kompressionsraten

13 13 Es werden nacheinander folgende Schritte ausgeführt: Transformation des RGB-Bildes in den YUV-Raum Diskrete Cosinustransformation Rundung der Frequenzkoeffizienten Run-Length-Encoding Huffmancodierung der Lauflängenbeschreibung 5.4 Photoshop Document (PSD) Kann Bilddaten mit einer Farbtiefe von 1 Bit bis 32 Bit darstellen Run-Length-Encoding Unterstützt Graustufen, Farbinddex, RGB, Binärbilder Kann Bilder in mehreren Ebenen abspeichern Für eine genauere Beschreibung von Pixeldateiformaten sei auf (Vornberger 2000) und entsprechende Literatur verwiesen.

14 14 Kapitel 6 Arbeiten mit Photoshop Allgemeines Photoshop wurde zunächst für Apple-Plattformen entwickelt Bearbeitet pixelbasierte Bilder und Text in mehreren Ebenen Alle wichtigen Dateiformate werden unterstützt, Benutzer hat Einfluß auf Komprimierungsarten 6.2 Programmaufbau Photoshop verwendet mehrere Dialogfenster, die an- und ausschaltbar sind (Menu Fenster) Werkzeugleiste ist immer sichtbar Abbildung 10: Werkzeugleiste in Photoshop Dateiverwaltung Grafiken können als Dateien geöffnet oder vom Scanner importiert werden Unter dem Menüpunkt Speichern stellt Photoshop nur eigenes Format zur Verfügung. Für andere Formate muß Kopie speichern unter gewählt werden

15 Arbeiten mit Ebenen Im Folgenden sollen beispielhaft die Schritte aufgezeigt werden, um einen Teil des Bildes (den Himmel) durch ein anderes Bild zu ersetzen. Abbildung 11: Digitalisiertes Farbbild (Original) 1. Zauberstab zur Selektion des Himmels anwenden Der Zauberstab wählt in direkter Nachbarschaft eines selektierten Pixels alle anderen aus, die sich hinsichtlich ihres Farbwertes nur um eine gewisse Toleranz vom selektierten unterscheiden Bei Toleranz von 0 werden nur Pixel mit identischen Werten in unmittelbarer Nachbarschaft ausgewählt Bei Toleranz von 255 werden (für einen Kanal) alle Pixel des Bildes ausgewählt Hier zeigt sich, daß die Toleranz 70 zur optimalen Auswahl des Himmels führt Abbildung 12: Mit dem Zauberstab selektierter Himmel. Die Umrandung zeigt den Umfang der Auswahl an. 2. Maskierung umkehren über Menüpunkt: Auswahl - Auswahl umkehren

16 16 3. Umgedrehte Auswahl als Ebene ablegen über Menüpunkt: Ebene - Neu - Ebene durch Kopieren In der resultierenden Ebene wird das Bild ohne Himmel dargestellt Abbildung 13: Bild mit ausgeschnittemem Himmel. Die Fläche erscheint nun transparent. 4. Ebene für neuen Himmel anlegen und neues Bild über Zwischenablage einfügen (evtl. vorher Bildgröße anpassen) 5. Anordnung der Layer ändern Abbildung 14: Ebenen -Dialog in Photoshop 5.5. Die oberen Ebenen decken jeweils die darunterliegenden ab. In diesem Fall sind die beiden Ebenen Landschaft und Abendhimmel sichtbar (Aktiviert durch "Auge-Icon")

17 17 6. Helligkeit und Kontrast des Restbildes anpassen Abbildung 15: Resultierendes Bild nach Änderung des Hintergrunds und Anpassung der Helligkeits- und Kontrastwerte. Im Folgenden müßten weitere Nachbearbeitungen erfolgen, um die Fälschung realistisch wirken zu lassen (z.b. Schlagschatten des Schildes entfernen)

18 18 Literaturverzeichnis M. Gradias : "Das große Buch Photoshop 5.5. Webdesign, Scannen, Retusche, Special Effects, Montage", Data Becker, P. Haberäcker: "Praxis der digitalen Bildverarbeitung und Mustererkennung", Carl Hanser Verlag, O. Vornberger: "Computergrafik", Universität Osnabrück, 2000.