-Pixelgrafik, Rastergrafik Beispiele: bmp (Bitmap) tiff (Tagged Image File Format, u. a. Rastergrafik, aber auch mehr) raw (reine Pixeldaten)

Transkript

1 Multimediale Werkzeuge, Bildobjekte -Beispiel für ein Programm zur Bearbeitung von Bildern: Adobe Photoshop. Speichern in unterschiedlichen Formaten, Bearbeiten z.b. unscharf filtern, scharf filtern... -Pixelgrafik, Rastergrafik Beispiele: bmp (Bitmap) tiff (Tagged Image File Format, u. a. Rastergrafik, aber auch mehr) raw (reine Pixeldaten) Wie wird eine Bild in Rastergrafik dargestellt? -Zerlegung in Bildpunkte (Pixel: Picture Elements). Beispiel: Schwarz-weiß Bild: Helligkeitsinformation für jedes Pixel. Meistens 8 bit. Ergibt 256 Stufen. Etwa 100 Stuten reichen für das menschliche Auge (für absolute Grauwerte; um Grausprünge zu vermeiden sind mehr Stufen nötig).

2 -Beispiel: Bild mit 1 Megapixel Auflösung: 10^6 _ Pixel x 8bit= 8x10^6 Bit = 10^6 Byte ->1 Mb Unkomprimiert in S/W Pixelgrafik. -Farbe: 3 Bilder mit den Grundfarben Rot, Grün, Blau. Beispiel oben: 3x 1Mb = 3Mb -> unkomprimiert sehr großes File. -> Wunsch nach Kompression.

3 BMP: von Microsoft, auch Windows Bitmap. Verschiedene Farbtiefen, 1, 4, 8, 16, 24,32 bpp (bit pro pixel), auch einfache verlustfreie Komprimierung vorgesehen: Lauflängen-Codierung: Wenn hintereinander oft der gleiche Wert auftritt, wie bei ebenen Flächen im Bild, wird der Wert nur einmal übertragen, zusammen mit der Anzahl der Wiederholungen. Beispiel: Zeile eines Bildes: Helligkeitswerte der Pixel der Zeile Escape code, zeigt Lauflängen-Codierung an

4 Lauflängencode spart umso mehr, Je länger die Folge der gleichen Symbole/werte wird. Sehr effizient z.b. bei Fax-Dokumenten: Große Schriften, viel weißer Hintergrund, der sich effizient Lauflängen-codieren lässt. Eine Form der Redundanz-Reduktion nutzt Eigenschaften der Quelle ->Verlustlose Codierung, kein Wissen der Signalverarbeitung des Auges nötig. - Aber: Verlustlose Codierung erreicht nur begrenzte Kompression. Deutlich höhere Kompression wird Verlustbehaftete Codierung benötigt. Hier wie auch für die Bearbeitung von Bildern ist Wissen der Signalverarbeitung im Auge nötig, Psycho-Optik. Dies wird daher im folgenden beschrieben. -> Irrelevanz Reduktion (Information weg lassen die das Auge nicht wahrnehmen kann)

5 Farbe Licht und Farbe sind elektromagnetische Wellen eines bestimmten Wellenlängen Bereiches: Interaktion mit Molekülen durch kurze Wellenlänge. Bei Reflektion durch Resonanzen mit Molekülen entziehen von bestimmten Wellenl. (Aus: J.S. Lim: "Two-Dimensional Signal and Image Processing", Prentice Hall)

6 Zerlegung weißen Lichts in seine Wellenlängen/ Farben. weißes Licht Prisma kurze Wellenlängen Lange Wellenlängen Rot Orange Gelb Grün Blau Indigo Violet -> Auge kann Licht verschiedener Wellenlängen als Farben unterscheiden

7 Nachtsehen: Etwa wie Spektrum vom Mond, Tagsehen: Etwa wie Spektrum von Sonne etwas unter 1/1000 mm

8

9 grüne Zapfen Normierung auf Helligkeit = 1 rote Zapfen Aus: _em_spektrum/farbe.htm

10 relativer Output grüne Zapfen Mögliche Mischfarben von den Farben A,B,C blaue Zapfen: z-achse, Differenz zu 1 Wir können Mischfarben "errechnen" Komplementärfarbe von B Mischfarbe Farbe A Wellenlängen des Lichts Farbe B Aus: relativer Output

11 Einfluss der unterschiedlichen Grundfarben eines Displays: Unterschiedliche Farbräume sind darstellbar. Farbe: relativer Anteil der verschiedenen Zapfen. Mischung mit den Grundfarben eines Displays: Mischfarben alle innerhalb des von dessen Grundfarben aufgespannten Dreiecks.

12 Psycho-Optik, Ortsfrequenzen, Filterung, Farbtransformation

13 -2 Typen von Photorezeptoren: Stäbchen und Zapfen: -Stäbchen: ca. 110 Mio. Stäbchen, Hell-Dunkel-Sehen (skotopisches Sehen). -Zapfen: ca. 6 Mio. Zapfen, im sogen. gelben Fleck (macula lutea) konzentriert, Farbsehen bei Tageslicht (photopisches Sehen) Unterschied der Anzahl wichtig für Übertragung und Kompression. Aus:

14 Ca. 110 Mio. Stäbchen, 6 Mio. Zapfen, aber: Sehnerv enthält nur etwa 1 Million Nervenfasern! -> Filterung, Kompression, muß bereits in der Retina passieren! Aus:

15 Webersches Gesetz Weber: Intensitätsabstufungen von Sinneswahrnehmungen z.b. Helligkeit, Lautstärke. Experiment mit Versuchspersonen: Welche Zunahme der physikalischen Größe (Delta W) entspricht einer konstanten Zunahme der Sinnes-Wahrnehmung? Absolute physikalische Größe =W. Ergebnis: Für die Empfindung einer konstanten Zunahme (also Addition einer Konstanten zur Wahrnehmung) muß Delta W proportional W sein, oder (Delta W)/W = const., also in Physikalischer Ebene: Multiplikation mit const.

16 -> Unsere Sinneszellen haben eine Übertragungsfunktion, die eine Multiplikation in eine Addition umsetzt. Beispiel für solch eine Übertragungsfunktion: f(x)=log(x) f(xk)=log(xk)=log(x)+log(k) -> Sinneszellen haben Log Kennlinie Beispiel auch: Dezibel (db): 10 Log(x) für Leistung, 20 Log(x) für Spannung oder Strom

17 Warum Log Kennlinie? Beispiel. Intensitätsbereich Abbildung des Bereiches auf 0-3 -> Wichtig um großen Bereich physikalischer Größen auf kleinen Wertebereich der Nervenfasern reduzieren zu können (Größenordnung 4 bit). - zusätzlicher Mechanismus: "Verstärkungsregelung", z.b. Anpassung des Auges an Dunkelheit.

18 Kompression des Wertebereiche Empf. Grenze Pulse Code Modulation, Logarithmisch Analogie: Töne, Sprache: PCM mu-law Bilder: Bei digitalen Kameras: Nachbearbeitung mit Gamma.

19 Sehzellen Gewichte Orts- Filter Beispiel: Kante Ortstrequenzen Gewichte Mittelung Webersches Gesetz Delta Wahrnehmung proportional Wahrnehmung log(kw)= -> Kompression des Wertebereichs für Nerven. log(k)+log(w) Aus: -> Mult. mit Faktor entspricht konstanter Änderung der Wahrnehmung

20 Ortsfrequenzen: Helligkeitsschwankungen pro Distanz, z.b. Helligkeitsschwankungen pro cm oder pro grad Angabe "pro grad" ist relevant für Eigenschaften des Auges: Winkel bei gegebenem Betrachtungsabstand.

21 Rolle der Gewichte und der Summation für die Sehnerven: Beisp: kleine Heiligkeit große Helligkeit Eine Kante erzeugt durch diese Funktion größere Werte als eine konstante Fläche -> Hervorhebung von Kanten -> Erkennung von Objekten Output der Zellen

22 Ortsfrequenz Filter Laterale Inhibition Retina: Leinwand, auf die Bild projiziert wird. Nachbar Sehnerv Dunkel Gewichte Ort Sehnerv Verbindung Sehzellen zum Sehnerv, Kante Sehnerv z.b. gleichmäßiges Licht: Sehnerv Output

23 Helligkeit Ort Beispiel: Kante: Bei den Zellen mit negativem Gewicht ist kein Licht mehr: Sehnerv Output wird größer! -Bei heller Kante von Links: Wert des Outputs verringert sich. -> Faltung: Ortsfilterfunktion der Sehnerven mit der Helligkeitsfunktion des Lichtes auf der Retina.

24 Tiefpass-Character, Glättung 0 Neven output Art Höhenbetonung, Kantenbetonung Rechteck, Fourier Transf. Ortsfrequenz Fourier Transf. hiervon sieht ähnlich aus

25 Die "Contrast Sensitivity Function" (CSF): Wesentlich für die Kompression Max. für dunkles Licht: 0.7 per./ grad Grund- Helligkeit Maximum für helles Licht: 2 perioden/grad (cycles=peroden) feine Details von Bildern: Auge ist weniger empfindlich Ortsfrequenz Hell-Dunkel Schwankung Aus: grad: Unabhängig von seh- Entfernung

26 Empfindlichkeit des Auges für versch. Ortsfrequenzen Aus: Jae S. Lim: Two-Simensional Signal and Image Processing, Prentice Hall

27 Aus: J. Watkinson: The MPEG Handbook, Focal Press Unterschiede der Maxima entsprechen etwa den unterschieden der Dichte der Stäbchen (Helligkeit) und der Zapfen (Farbe):

28 Zeitliche Auflösung - Abtastung.

29 Kino: 24 Hz, aber: Jedes Bild 2x wiedergegeben = 48Hz Flimmerfrequenz. Fernsehen: 25 Hz oder 30 Hz (NTSC) Bild frequenz, 50 Hz oder 60 Hz Halbbildfrequenz. Beispiel für Helle Bildschirme: 100 Hz Wiedergabe mittels Bildspeicher Dunkel: ca. 20 Hz, wird nur nach als konst. Licht empfunden Aus:

30 -Sakkaden: Wahrnehmung fester Flächen durch unwillentliche Augenbewegung -Aktives Sehen: Abtasten des Bildes mit dem Auge -> Filterung des Auges: Hervorheben von sich zeitlich veränderndem Licht. z.b. Blinken, sich bewegende Objekte. -> Ausblenden von unbeweglichen Objekten. Deswegen sind auch Sakkaden wichtig.