Bild-Erfassung Digitalisierung Abtastung/Quantisierung

Transkript

1 Multimediatechnik / Video Bild-Erfassung Digitalisierung Abtastung/Quantisierung Oliver Lietz Bild-Erfassung Abtastung / Digitalisierung Scanner: Zeilenweise Abtastung mit CCD Digitale Kamera: Flächenweise Abtastung mit CCD Analoge Kamera Zeilenweise Abtastung mit RöhreR

2 Monitor Bild-Wiedergabe RGB, 3 Elemente/Pixel (additive( Farbmischung) Röhre / TFT Beamer Druck CMYK (subtraktive( Farbmischung) Digitale Bilderfassung / Abtastung CCD Charge Coupled Devices 1969 Boyle/Smith - Nobelpreis 2009 Prinzipien: Matrix aus Halbleitern Photoelektrischer Effekt Endliche Auflösung ( Megapixel ) Ähnlich: CMOS Tendenziell billiger mehr Rauschen

3 1-Chip-CCDCCD Farbe: unterschiedliche Arten von Filtern/Sensoren Bayer-Matrix Nachteil: Verringerung der Auflösung, Interpolation (Störungen an scharfen Kanten) 3CCD Farbe: unterschiedliche Farbfilter über Dichroitisches Prisma Nachteil: aufwendige Optik (teuer) Einsatz in Professioneller Studiotechnik

4 CCD: Foveon-X3 Abtastung / Rasterung Abtast-Theorem von Shannon Vermeidung von Aliasing [Neumann: Bildverarbeitung für Einsteiger]

5 Alias-Effekt / Moire-Muster Muster Überlagerung von Gittermustern Abtastgitter zu groß Analoges Signal Alias-Effekt Abtastfrequenz zu niedrig Aliasfrequenz

6 Alias-Effekt bei Bildabtastung Moire -MusterMuster bei zu großem Abtastraster Vgl. Teil Bildverarbeitung / Größ ößenänderung Zeitlicher Alias-Effekt bei Bildabtastung Wagon-Wheel Wheel-Effekt Beispiel: Aufnahme: 24 Hz, Raddrehung: 13 Hz

7 Abtast-Theorem Abtastfrequenz muss mind. doppelt so groß wie größ ößte Signalfrequenz sein: f a > 2 f max [Hz], sonst Alias-Frequenzen Abtast-Theorem, Nyquist-Frequenz = f a /2 Anti-Alias Alias Kantenglättung ttung durch Tiefpass / Glättungsfilter

8 Analoge und Digitale Signale Analog: Kontinuierlich (Zeit- bzw. Ortsbereich) Digital: Diskrete Werte (Einteilung in Stufen) Audio: Lautstärke Video: Helligkeit Audio: Zeit (t) Video: Ort (x) Digitalisierung eines Signals Abtastung & Quantisierung = Puls-Code Code-Modulation (PCM)

9 Quantisierung Stufeneinteilung der Aussteuerung (Lautstärke/Helligkeit) Pro Bit = Verdoppelung der Auflösung Quantisierung Einteilung in Stufen Prinzip: Teilen und Runden Datenreduktion mit Informationsverlust! (Irrelevanz) Feste Quantisierung: Für F r jeden Wert P(x): P q (x) ) = P(x) ) / Q (Q = Quantisierungsfaktor) Rekonstruktion / Inverse Quantisierung: P r = P q (x) ) * Q

10 Quantisierung: Beispiel Quantisierung durch Teilen und Runden nicht verlustfrei umkehrbar! Beispiele: Q= / 10 = * 10 = 230 Quantisierungsfehler = = 3 81,82,83.90,91,.90,91, 80,80,80,.90,90,.90,90,. 0,1,2,3.. 9,10,11, 0,0,0,0,.. 0,10,10,. Quantisierung: Aufgabe Quantisieren,, Rekonstruieren und Fehler berechnen! ( Q=2 ) Original: Quantisiert: Rekonstruiert: Fehler: Mittl.Fehler: : 4/6 = 2/3 = 0,67

11 Quantisierungsfehler Messung: Fehler = ( Signalwert - Quant.Wert ), e = s - q Mittlerer Quadratischer Fehler (MSE): Summe(Fehlerquadrate) Signal-To To-Noise-Ratio (SNR / db): Signal/Fehler-Verh Verhältnis, Rauschabstand Quantisierte Bilder Quantisierung in Bit = Anzahl Graustufen / Farben

12 Digitales Audio / Video Unkomprimiert (Uncompressed) PCM-Audio: Abtastrate (Sampling( Sampling) ) Hz ( / Sekunde, 44,1 khz) Quantisierung 16 Bit / Sample HDTV: ITU BT Bit Auflösung (Quantisierung) pro Farbkanal, auch 10 Bit (aber nur Werte ) YUV 4:2:2 1920x1080i oder 1080p 25 Hz (auch 24, 30, 50, 60 Hz)