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1 Digitale Bilder Dipl.-Ing. Guido Heising Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 1

2 1. Digitalisierung von Video-Signalen Alias-Entstehung im Frequenzband Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 2

3 1. Digitalisierung von Video-Signalen Entstehung von Alias-Strukturen Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 3

4 1. Digitalisierung von Video-Signalen Abtastung mit der vierfachen Farbträgerfrequenz Digital-Composite Signal Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 4

5 1. Digitalisierung von Video-Signalen Digitalisierung des FBAS-Signals Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 5

6 1. Digitalisierung von Video-Signalen Digitalisierung von Komponentensignalen Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 6

7 1. Digitalisierung von Video-Signalen Gebräuchliche Abtaststrukturen und deren Bezeichnungen Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 7

8 1. Digitalisierung von Video-Signalen Abtastwerte pro Zeile nach CCIR 601 Quantisierung der Komponenten nach CCIR 601 Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 8

9 1. Digitalisierung von Video-Signalen Multiplexbildung von Y, C B und C R bei der Signalspeicherung Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 9

10 1. Digitalisierung von Video-Signalen Verteilung der Zusatzdaten in den Austastlücken Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 10

11 1. Digitalisierung von Video-Signalen Digitales Audioformat nach AES/EBU Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 11

12 Bildübertragungsprinzip Bildvorlage Bildwiedergabe Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 12

13 Digitale Bildübertragungsstrecke Analoges Bildsignal Quelle Digitales Bildsignal kom prim iertes Bildsignal Kanal Quellencodierung Kanalcodierung Kanaldecodierung Quellendecodierung R ekonstruiertes Digitales Bildsignal Sinke Auge Bilderfassung Koder Speicherm edium D ekoder Bildausgabe Scanner Digitale Kam era Film scanner JPEG M PEG... Harddisk Floppy Internet... JPEG M PEG... Filmprinter Monitor Drucker... Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 13

14 Digitalisierung Was passiert bei einer Analog-Digital-Wandlung? Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 14

15 Digitalisierung Q ue le Analoges Bildsignal x D igitale Bildw andlung: Diskretisierung + Quantisierung Digitales Bildsignal xq Param eter: Auflösung + Farbtiefe Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 15

16 Ein Bild als Funktion abhängig vom Ort f(x,y) f(x,y) x y Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 16

17 Diskretisierung (Wert und Zeit bzw. Ort) Quantisierungsfehler: e=x-xq Abtastung = zeitliche/ örtliche Diskretisierung Quantisierung = Wertdiskretisierung Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 17

18 Quantisierungskennlinie xq /2 x Gleichförmige Quantisierung mit Quantisiererstufenhöhe Bsp: Werte 3 /2 < x 5 /2 werden mit x q = 2 rekonstruiert Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 18

19 Wie hoch muß die Auflösung / Abtastung sein? Abtastfrequenz f T als Funktion der max. Signalfrequenz f s (Abtasttheorem)? Ts=1/fs Beispiel: ft=fs Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 19

20 Wie hoch muß die Auflösung / Abtastung sein? Abtastfrequenz f T als Funktion der max. Signalfrequenz f s (Abtasttheorem)? Ts=1/fs Beispiel: ft= 7/4 fs Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 20

21 Wie hoch muß die Auflösung / Abtastung sein? Abtastfrequenz f T als Funktion der max. Signalfrequenz f s (Abtasttheorem): f 2 f T s Ts=1/fs Beispiel: ft= 7/4 fs Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 21

22 Digitale Bilder Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 22

23 Digitale Bilder Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 23

24 Quantisierung (Farbtiefe) 8 Bit 4 Bit 2 Bit 1 Bit Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 24

25 Farbtiefe (Wieviele Bits pro Pixel (bpp)) Bits mögliche Farben Name 1 2 (schwarz + weiß) bitonal schwarz bis weiß Graustufen versch. Farben Palette schwarz bis weiß 16 Bit Graustufen fast alle Farben High Color 24 16,7 Mio alle Farben 24 Bit True Color 32 16,7 Mio alle Farben 24 Bit True Color mit Transparenz Alpha-Kanal Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 25

26 Pseudocolor (Palettendarstellung 8 bpp) Zugriff auf 256 RGB-Farbkombinationen per colour look-up table (8-bit LUT) Paletten können dynamisch geladen werden Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 26

27 Highcolor (15 bzw. 16 bpp) Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 27

28 Truecolor (24 bpp) Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 28

29 Palettenbilder sind historisch bedingt, aus Zeiten, in denen Computer nur eine begrenzte Zahl an Farben gleichzeitig darstellen konnten (meist 256) Pixel Farben 256 Farben Palette Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 29

30 Kompression von Palettenbildern Palettenbilder benötigen nur ein Drittel der Größe von Truecolor- Bildern. Sie besitzen aber unnatürlichen Strukturen, die sich schlechter komprimieren lassen Farben 256 Farben Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 30

31 Transparenzen Transparenz als G rauw ertkanal Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 31

32 Transparenz Überlagerung des Vordergrundpixels P V mit dem Hintergrundpixel P H mit der Transparenz A RGBA: RGB-Wert mit Transparenz A (0..255) (transparent bis opak) R = R V A + RH 255 ( 255 A) G und B entsprechend Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 32

33 Transparenz (Alpha) PNG (8 bit Alpha) GIF (1 bit Alpha) Transparenztest: ine.com /jason/testbed/pngtrans/ Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 33

34 Transparenz GIF PNG Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 34

35 Digitale Bilder (Dateigröße) Dateigröße = Spaltenzahl Zeilenzahl Farbtiefe [Bit] b Spaltenzahl Zeilenzahl Farbtiefe / 8 [Byte] B Beispiel: Bildschirmabzug (screen shot): / 8 = Bytes 1MB = Bytes Bytes = 3.75 MB Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 35

36 Auflösung / Abtastung 256x x128 64x64 Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 36

37 Digitale Bilder (Auflösung) Auflösung (Punkte bzw. Pixel pro cm oder inch) Einheit [dpi = dots per inch] (1 inch = 2,54 cm) Beispiel: Dateigröße einer gescannten farbigen DinA4 Seite (300 dpi): Dateigröße = Pixelanzahl 3 21cm 300 = cm 2.54 inch inch 300 = 8.26 inch inch = = [ Bytes] = 29.7 cm cm 2.54 inch inch inch 3 inch 24.9[ MB] Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 37

38 Beispiele Auflösungen Gerät Auflösung (dpi) PC-Monitor Drucker Scanner Beispiel: Laptop mit 14,1 inch Bildschirmdiagonale und 1024x768 Bildpunkten: 14,1 2 = x 2 + y 2 = x 2 + (3/ 4x) 2 = 25/16x 2 x = 14,1 5/ 4 = 11,28 inch 1024 dot /11,28 inch = 90,78 dpi Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 38

39 Standard Bildgrößen QCIF CIF CCIR601 (quarter) common intermediate format Fernsehen Spalten Zeilen Bildfrequenz [Hz] (Frame Rate) Daten (pro Bild) [kb] Daten (pro sec)[mb/sec] Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 39

40 Bildgrößen Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 40

41 Bildorganisation Pixelanordnung (z.b. Bild mit 3 Zeilen à 4 Pixel) Pixel Interleaved: RGBRGBRGBRGB RGBRGBRGBRGB RGBRGBRGBRGB Line Interleaved: RRRRGGGGBBBB RRRRGGGGBBBB RRRRGGGGBBBB Plane Interleaved: RRRRRRRRRRRR GGGGGGGGGGGG BBBBBBBBBBBB Zeilenanordnung Interlaced: Zeile1 Zeile3... Zeile2 Zeile4... (z. B. TV) Non Interlaced, oder progressiv: Zeile1 Zeile2 Zeile3 Zeile4... (z. B. Monitor) Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 41

42 A:B:C Notation Diese Notation gibt das Verhältnis der Anzahl zwischen Luminanzund Chrominanz-Pixeln (das Unterabtastungsschema) an. 4:4:4 4RRRRRRRR 4GGGGGGGG BBBBBBBB z. B. Bild der Größe: RRRRRRRR 4GGGGGGGG BBBBBBBB RRRRRRRR GGGGGGGG BBBBBBBB RRRRRRRR GGGGGGGG BBBBBBBB 4 Zeilen x 8 Spalten 4:2:2 4YYYYYYYY 2UUUU VVVV YYYYYYYY 2UUUU VVVV YYYYYYYY UUUU VVVV YYYYYYYY UUUU VVVV 4:1:1 4YYYYYYYY 1UU VV YYYYYYYY 1UU VV YYYYYYYY UU VV YYYYYYYY UU VV 4YYYYYYYY 2UUUU VVVV YYYYYYYY 0UUUU VVVV YYYYYYYY YYYYYYYY 4:2:0 (z.b. MPEG) Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 42

43 A:B:C Notation Lage von Luminanz- und Crominanzbildpunkten Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 43

44 4:4:4 4:2:0 Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 44

45 Auflösung von Bildschirmbildern 0,33 bis 1,0 Pixel pro Bildschirmpixel Höchste Qualität mit 1 Pixel pro Bildschirmpixel 0,33 0,5 1 (Zahlen sind exaktbeieinerbildschirm auflösung von 1024x768 Pixeln) Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K. Barthel 45

Standbildcodierung. Dipl.-Ing. Guido Heising. Digitale Videotechnik, SS 02, TFH Berlin, Dipl.-Ing. G. Heising G. Heising, K.

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