1. Grundlagen des digitalen Bildes

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Leopold Bergmann
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1 *UDSKLVFKH 'DWHQYHUDUEHLWXQJ Grundlagen des digitalen Bildes Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker *RHWKH8QLYHUVLWlWÃ)UDQNIXUW *UDSKLVFKHÃ'DWHQYHUDUEHLWXQJ hehuvlfkw. Die Plenoptische Funktion. Bildrepräsentationen: Charakterisierung und Beispiele. Austauschformate, Kompression, Kodierung. Programmierschnittstellen

2 hehuvlfkw)ruwvhw]xqj 5. Zusammenfassung 6. Glossar 7. Weitere Informationen 8. Ausblick Nächste Schritte 'LHOHQRSWLVFKH )XQNWLRQ ³'HUHQVFKLVWHLQ$XJHQWLHU Die plenoptische Funktion beschreibt die für einen (menschlichen) Beobachter visuell erfaßbaren Informationen an jedem Ort und zu jeder Zeit. Idealisierung des potentiell Sichtbaren.

plenoptische Funktion beschreibt die für einen (menschlichen) Beobachter visuell

3 'LHSOHQRSWLVFKH )XQNWLRQ P = f (θ, φ, I(O), t, P b ) θ, φ Raumwinkel I (O) Lichtintensität t Zeit P b Position und Blickrichtung des Beobachters 5 'LHSOHQRSWLVFKH )XQNWLRQ *UXQGJU HQGHUYLVXHOOHQ:DKUQHKPQXQJ Der Mensch wertet die Parameter dieser Funktion simultan aus: θ, φ durch die flächige Anordnung von Rezeptoren in der Retina I(O) Abtastungen durch unterschiedliche Rezeptoren :DKUQHKPXQJVSULPLWLYH FORMSEHEN TEXTURSEHEN FARBSEHEN t Zeit BEWEGTBILDSEHEN P b Abtastung zusätzlich sukzessiv durch Augen- Kopf- und Körperbewegung STEREOSEHEN TIEFEN- und RAUMSEHEN 6

durch die flächige Anordnung von Rezeptoren in der Retina I(O) Abtastungen durch unterschiedliche Rezeptoren :DKUQHKPXQJVSULPLWLYH FORMSEHEN

4 6SH]LDOLVLHUXQJHQ GHUSOHQRSWLVFKHQ )XQNWLRQ P b : eine Abtastung Î Monokulares Bild freie Bewegung Î Virtual Reality geführte Bewegung Î Film / Video t: wenige Abtastungen Î Bewegtbild eine Abtastung Î Festbild I(O): Abtastungen Î Farbbild Abtastung Î Grauwertbild extrem quantisiert Î schwarz/weiß Bild Erkenntnis: Reize lassen sich stark reduzieren (diskretisieren und quantisieren) 7,GHQWLILNDWLRQYRQ*UXQGSUREOHPHQ Das visuelle System tastet die Plenoptische Funktion in allen Parametern ab Abtastung: -Zeit -Ort - Spektrum Fragen: Was sind die Abtastraten? Welche Quantisierungen erfolgen? 8

schwarz/weiß Bild Erkenntnis: Reize lassen sich stark reduzieren (diskretisieren und quantisieren) 7,GHQWLILNDWLRQYRQ*UXQGSUREOHPHQ Das visuelle

5 9LVLRQHQ Technologie soweit entwickeln, daß künstliche Reize (Szenen) von realen Reizen (Szenen) nicht unterscheidbar sind: KRWRUHDOLVPXV Ivan Sutherlands Vision (96) Ä7KHVFUHHQLV DZLQGRZWKURXJKZKLFKRQHVHHV DYLUWXDOZRUOG7KH FKDOOHQJHLV WRPDNHWKDWZRUOG ORRNUHDODFW UHDOVRXQG UHDOIHHO UHDO,PPHUVLRQ 9 =LHOH Optimale Gestaltung der Schnittstelle HQVFK± &RPSXWHU Maximale Kommunikationsqualität Grad des Erreichens des kommunikativen Ziels Verhältnis von wahrgenommener Information zu präsentierter Information 5

WRPDNHWKDWZRUOG ORRNUHDODFW UHDOVRXQG UHDOIHHO UHDO,PPHUVLRQ 9 =LHOH Optimale Gestaltung der Schnittstelle HQVFK± &RPSXWHU

6 )ROJHUXQJHQ Grundverständnis zur visuellen Wahrnehmung erwerben Î Kapitel. Reiz... Wahrnehmung Leistungsfähigkeit des visuellen Systems Effekte Täuschungen statische Modelle %LOGUHSUlVHQWDWLRQHQ &KDUDNWHULVLHUXQJXQG%HLVSLHOH dynamische Modelle Symbolisch Graphik Digitales Bild Animation Digitalvideo Geometrie & Merkmal Diskret, Quantisiert Video Elektrisch (optisch) Reiz Optisch (unmittelbar wahrnehmbar) 6

%LOGUHSUlVHQWDWLRQHQ &KDUDNWHULVLHUXQJXQG%HLVSLHOH dynamische Modelle Symbolisch Graphik Digitales

7 HWKRGHQGHU*'9 Statische Modelle 9LVXDOLVLHUXQJ Graphik 5HQGHULQJ Digitales Bild 5HNRQVWUXNLRQ $Q]HLJH Video Reiz Dynamische Modelle Bildverstehen Animation Merkmalsextraktion Digital-Video $EWDVWXQJ $XIQDKPH HWKRGHQGHU*'9 Statische Modelle Graphikbearbeitung Graphik Bildbearbeitung Digitales Bild Videobearbeitung Video Dynamische Modelle Animation Digital-Video Reiz 7

Merkmalsextraktion Digital-Video $EWDVWXQJ $XIQDKPH HWKRGHQGHU*'9 Statische Modelle

8 6FKZHUSXQNWHLQGLHVHU 9HUDQVWDOWXQJ Statische Modelle 9LVXDOLVLHUXQJ *UDSKLNEHDUEHLWXQJ Graphik 5HQGHULQJ Digitales Bild Dynamische Modelle Animation Digital-Video 5HNRQVWUXNLRQ $Q]HLJH Video Reiz $EWDVWXQJ $XIQDKPH 5 %LOGPRGHOOH +HUOHLWXQJDXVGHUSOHQRSWLVFKHQ )XQNWLRQ = I ψ, φ,,( λ), ) ( % Spezialisierung * = I (,) [ \ Graubild ) = I ( [, \ ) Farbbild partielle Funktionen: ([, \) ; <

$Spezialisierung * = I (,) [ \ Graubild ) = I ( [, \ ) Farbbild partielle Funktionen: ([, \) ; < 5$

9 'LJLWDOH%LOG kontinuierliches Bild (Bildfunktionen) diskretisieren (abtasten) quantisieren ',*,7$/(6 %,/' Sonderfall: analoges Videosignal Nur vertikal abgetastet; horizontal nur gewandelt 7 %HLVSLHONRQWLQXLHUOLFKH%LOGIXQNWLRQ

Videosignal Nur vertikal abgetastet; horizontal nur gewandelt 7

10 %HLVSLHOGLVNUHWHV%LOG %HLVSLHOTXDQWLVLHUWHV GLVNUHWHV%LOG

11 RFKHLQ%HLVSLHO$QDORJYLGHR Detlef Krömker horizontal: vertikal: kontinuierlich - analog diskret - Zeilen :HLWHUH%LOGPRGHOOLHUXQJHQ funktionales Bildmodell -- lineare Systeme kontinuierlich -- diskret -- quantisiert Ortsbereich -- Frequenzbereich z.b. Fouriertransformation Cosinustransformatio alternative Beschreibungsformen sind: fraktale Bildmodelle -- nichtlineare Systeme statistische Bildmodelle Erweiterung: Volumenbilder 9 = I ([, \, ]) Volumenrendering * I [ \ = (,)

12 UREOHPHXQG)UDJHQ Lineare Systemtheorie Abtastung! Rekonstruktion Das Abtasttheorem: Die Theorie Ideale Abtastung und Rekonstruktion Reale Abtastung und Rekonstruktion Charakterisierung und Bewertung der unvermeidbaren Fehler... Î Themen in -E *HRPHWULHXQGHUNPDOVHEHQH Beschreibt ein Bild (D) oder eine Szene (D) durch Ensemble von geometrischen Objekten (Punkte, Linien, Flächen, Körper) Erscheinungsattribute (Farbe, Struktur, Textur, Parametern von Beleuchtungsmodellen,... ) Betrachtungsbedingungen

Charakterisierung und Bewertung der unvermeidbaren Fehler.

13 *HRPHWULHXQGHUNPDOVHEHQH Wichtige Unterscheidung Definitionsbereich: D oder D y ': ggf Ausschnitt aus Definitionsbereich darstellen: Window-Viewport Transformation ': Szene wird durch virtuelle Kamera (Viewing Transformationen, perspektivische Transformation) auf D abgebildet y z x x 6SHLFKHU XQG$XVWDXVFKIRUPDWH.RPSUHVVLRQXQG.RGLHUXQJ Speichern Austauschen Prinzipiell auf jeder Ebene möglich: Daten / Informationen Graphik/Animation (Digitale) Bilder/Video Analog-Video Papierausdruck Format (Syntax und Semantik einer Sprache) Kodierung (Abbildung auf Basisalphabet, Serialisierung) ggf. Kompression (verlustbehaftet oder verlustfrei) 6

14 %HLVSLHOHI U$XVWDXVFKIRUPDWH $QDORJYLGHR Basis des Standardfernsehen (Zeilenzahl/Halbbild-Frequenz) 65/5 Europa 55/6 USA, Japan Zwischenzeilenverfahren /Interlaced zusätzlich ggf. Angabe der Farbcodierung Videosignale Komponenten (RGB, YIQ, YUV, YC R C B,..YC) Composite (NTSC, SECAM, PAL) RS 7, RS 7A,... Speziell: Videobandformate: VHS, S-VHS Betacam, Betacam SP,... 'HWDLOVLQXOWLPHGLDXQG$QLPDWLRQ &RPSXWHUYLGHRNHLQJHQHUHOOHU6WDQGDUGJHEUlXFKOLFK 7 %HLVSLHOHI U$XVWDXVFKIRUPDWH 'LJLWDOH%LOGHU5DVWHUILOHV BMP Windows Bitmap Format Microsoft Fax Group oder Fax Group CCITT (ITU) GIF Graphics Interchange Format JFIF JPEG File Interchange Format ISO/IEC PBM Portable Bitmap PNG Portable Network Graphics TGA Targa File Format TIFF Tag Image File format u.v.a.m., insbesondere proprietäre Produktformate 8

.. 'HWDLOVLQXOWLPHGLDXQG$QLPDWLRQ &RPSXWHUYLGHRNHLQJHQHUHOOHU6WDQGDUGJHEUlXFKOLFK 7 %HLVSLHOHI U$XVWDXVFKIRUPDWH 'LJLWDOH%LOGHU5DVWHUILOHV BMP Windows Bitmap Format Microsoft Fax Group oder Fax Group

15 %HLVSLHOHI U$XVWDXVFKIRUPDWH 'LJLWDOYLGHR CCIR 6 Basis des Digitalfernsehen (CCIR) ITU H.6 Videokonferenzstandard (CCITT) ITU M-JPEG Motion JPEG ISO/IEC/CCITT MPEG Motion Picture Expert Group ISO/IEC/CCITT QT Quicktime Apple AVI 6RQGHUIRUP 795 XLFNWLPH 95 'HWDLOVLQXOWLPHGLDXQG$QLPDWLRQ 9 %HLVSLHOHI U$XVWDXVFKIRUPDWH *HRPHWULHXQGHUNPDOVHEHQH' Vector Files Zeichnungen, CAD HPGL HP Graphics Language (Plottersprache) Hewlett-Packart DXF Drawing exchange Format Autodesk (original D später auf D erweitert) Metafiles (Raster & Vektorgraphik) CGM Computer Graphic Metafile ISO/IEC Page Description Language (Seitenbeschreibungssprachen) PS (EPS) (Encapsulated) PostScript PDF Portable Document Format Adobe 5

'HWDLOVLQXOWLPHGLDXQG$QLPDWLRQ 9 %HLVSLHOHI U$XVWDXVFKIRUPDWH *HRPHWULHXQGHUNPDOVHEHQH' Vector Files Zeichnungen, CAD HPGL HP Graphics Language (Plottersprache) Hewlett-Packart

16 %HLVSLHOHI U$XVWDXVFKIRUPDWH *HRPHWULHXQGHUNPDOVHEHQH' CAD Formate IGES Initial Graphics Exchange Specification STEP Szenen- und Objektbeschreibungssprachen VRML Virtual Reality Modeling Language ISO/IEC RIB Renderman Interface Bytestream FLT MultiGen Flight OBJ Wavefront Object Alias (Wavefront) MAX D Studio Max Kinetix URJUDPPLHUVFKQLWWVWHOOHQ Beispiel: Geometrie und Merkmalsebene JAVA D (Open)GL Szenengraph API: Application Programmers Interface Funktionale Spezifikation und Spracheinbindung 6

MultiGen Flight OBJ Wavefront Object Alias (Wavefront) MAX D Studio Max Kinetix URJUDPPLHUVFKQLWWVWHOOHQ Beispiel: Geometrie

17 =XVDPPHQIDVVXQJ Plenoptische Funktion Verschiedene Bildrepräsentationen statische dynamische symbolische Ebene Modelle Modelle Graphik Animation Geometrie + Merkmale diskret + quantisiert Digitales Bild Video Reiz Digitalvideo Bildaustauschformate Programmierschnittstellen *ORVVDU Plenoptische Funktion Bildrepräsentationen symbolische, Geometrie und Merksmals-, diskret und quantisiert Digitales Bild Photorealismus Immersion Bildverstehen Merkmalsextraktion 7

Bildaustauschformate Programmierschnittstellen *ORVVDU Plenoptische Funktion Bildrepräsentationen symbolische,

18 *ORVVDU Bildbearbeitung Abtastung Aufnahme Anzeige (Display) Videosignal Rasterfile (-formate) Beispiele Szenen- und Objektbeschreibungsformate (- sprachen) 5 :HLWHUH,QIRUPDWLRQHQ Übersicht zu Graphics File Formats ftp://rtm.mit.edu/pub/usenet/news.answers/ graphics/fileformats-faq/ Mehr als verschiedene Formate werden vorgestellt. Links zu Format-Spezifikationen. Viele praktische Hinweise zur Formatwandlung und Problemlösungen. Leider seit 997 nicht mehr aktualisiert. 6 8

edu/pub/usenet/news.answers/ graphics/fileformats-faq/ Mehr als verschiedene Formate werden vorgestellt.

19 $XVEOLFN² lfkvwh6fkulwwh Bilder werden für Menschen erzeugt. Wir müssen (besser) verstehen, wie Menschen Bilder wahrnehmen. Bildwahrnehmung 7 *ORVVDU Plenoptische Funktion Bildrepräsentationen Digitales Bild Rasterformat-Dateien Vektorformat-Dateien Metafiles CAD Files Szenenbeschreibung Programmierschnittstellen Plenoptic Function Image Representation digital image raster files vector files metafiles CAD files scene description application programmers interface API 8 9

Bildwahrnehmung 7 *ORVVDU Plenoptische Funktion Bildrepräsentationen Digitales Bild Rasterformat-Dateien

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