Graphische Datenverarbeitung und Bildverarbeitung

Graphische Datenverarbeitung und Bildverarbeitung Hochschule Niederrhein Hardware für Graphik und Bildverarbeitung Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 1 Einordnung in die Inhalte der Vorlesung Einführung mathematische und allgemeine Grundlagen Hardware für Graphik und Bildverarbeitung Graphische Grundalgorithmen (Zeichnen graphischer Primitive, Methoden für Antialaising, Füllalgorithmen) Bildaufnahme (Koordinatensysteme, Transformation) Durchführung der Bildverarbeitung und -analyse Fourier Transformation Bildrestauration Bildverbesserung (Grauwertmodifikation, Filterverfahren) Segmentierung Morphologische Operationen Merkmalsermittlung und Klassifikation Erzeugung von Bildern in der Computergraphik Geometrierepräsentationen Clipping in 2D und 3D Hidden Surface Removal Beleuchtungsberechnung Shading Schattenberechnung Volumenrendering als Beispiel für die Nutzung beider Gebiete Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 2

Wiederholung wichtiger Begriffe Orts- und Kontrastauflösung Nachbarschaft Pfad und zusammenhängendes Gebiet Histogramm Kontrast Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 3 3.1 Prozess der Bildgenerierung in der Computergraphik Benutzerinteraktion Modell 3D-Geometrien Transformationen Materialeigenschaften Lichtquellen Beobachter Geometrie-Subsystem Vereinf. Repräsentation Eingefärbte Polygone, Strecken, Punkte Beobachter-orientiert 2D-Rasterbild Raster-Subsystem Graphik-Hardware Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 4

3.2 Graphik-Hardware Eingabegeräte Scanner Datentablett 3D-Scanner 3D-Digitalisierer Computer (Graphikkarte) Prozessor Frambuffer Speicher Ausgabegeräte Monitor (Raster / Vektor) Plotter Drucker Interaktionsgeräte Joystick Trackball / Maus 3D-Maus Datenhandschuh Datenanzug... Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 5 3.3 Bildverarbeitungshardware Eingabegeräte Kamera Scanner 3D-Scanner Mikroskop Tomograph Computer Framegrabber Prozessor Ausgabegeräte Monitor (Raster / Vektor) Plotter Drucker Beleuchtung direkt, diffus, strukturiert Speicher Interaktionsgeräte Maus Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 6

3.4 Bildeingabe Scanner Analog-Digital-Wandlung bei der Bildeingabe Arten von Scannern: high-end Trommelscanner, auch für reflektierende Bilder, Folien und 35mm Dia, hohe Auflösung (10,000dpi+) Dokumentscanner, für OCR und document management Photoscanner (Photo wird über eine stationäre Lichtquelle bewegt) Folien-/Diascanner mit Durchlicht Handscanner Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 7 Trommelscanner Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 8

Flachbettscanner Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 9 light source object optical image acquisition Digitalkamera camera axis lens CCD-chip Industrielle CCD Kameras Die Optische Achse verläuft durch das Linsenzentrum und den Mittelpunkt des Bildes. Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 10

CCD-Kamera Sensorelemente (Photodioden) vertikales Shiftregister Transfergatter Horizontales Leseregister CCD Chip (interline transfer architecture) Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 11 Farbe b435.8nmg546.1nm r700nm 400 500 600 700 Menschliche visuelle Wahrnehmung erfolgt über drei unterschiedlich für das wahrgenommene Spektrum empfindliche Zelltypen. Der Wahrnehmung fast aller sichtbaren Wellenlängen kann durch Kombination von drei Wellenlängen angenähert werden. Farbe kann als additves Rot-Grün-Blau-Signal vermittelt werden. Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 12

Farbe und CCD-Kameras 1-Chip-Kamera: Sensorelemente und RGB-Filter. Nachteil: Verringerung der Auflösung CCD-Chip Filter Licht Filter CCD-Chip (grün) 3-Chip-Kamera: Licht wird durch ein Prisma getrennt und separat gefiltert. Nachteil: Aufwändige Konstruktion. Prisma Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 13 3.5 Interaktionsgeräte Trackball / Maus (mechanisch) Funktionsprinzip Gummiball treibt abhängig von der Rotationsrichtung zwei Lochrasterscheiben an, die im Winkel von 90 Grad versetzt angeordnet sind Lochrasterscheiben wirken als Unterbrecher zweier Lichtschranken und erzeugen so Spannungsimpulse Zwei Zähler registrieren Anzahl dieser Impulse und bestimmen damit relative Änderung der Bildschirm-Cursor- Position. (Die Maus funktioniert in der gleichen Weise). Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 14

Maus (optisch) Bewegliche Teile (Kugel,...) durch einen optischen Sensor (CMOS) und einen Digitalen Signalprozessor (DSP) ersetzt Infrarot-Sensor emittiert rotes Licht unter die Maus und nimmt 1500 mal pro Sekunde ein hochaufgelöstes Bild auf. Bilder dann durch den DSP verglichen und in Bewegungen des Cursors umgesetzt image correlation processing mit 18 MIPS Vorteile sanftere, genauere Bewegung weniger anfällig gegenüber Verschmutzung funktioniert auf fast allen Oberflächen Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 15 Joystick Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 16

Drucker Ausgabe von Text- und Bild-Daten auf Papier verschiedene Drucktechnologien unterschiedliche Qualität der Ausgabe, unterschiedliche Anwendungsbereiche heute gebräuchlich: Tintenstrahldrucker Laserdrucker 3.6 Bildausgabe Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 17 Tintenstrahldrucker Tinte wird durch feine Düsen aufs Papier gespritzt. Funktionsprinzipien: continuous flow: Tinte fließt ununterbrochen, wenn kein Bildpunkt erzeugt werden soll, wird der Tintenstrahl in eine Ablenkschale geleitet Drop on demand: Tinte fließt nur, wenn ein Bildpunkt zu erzeugen ist Bubble Jet: Die sich in der Druckerdüse befindliche Tinte wird kurzzeitig stark erhitzt. Die Tinte verdampft lokal und bildet eine Gasblase, die die Tinte, die sich in der Düse befindet auf das Papier schießt. Wird das Heizelement abgeschaltet, schrumpft die Blase, es entsteht ein Unterdruck und Tinte wird aus dem Vorratsbehälter in den Druckkopf gesaugt. Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 18

piezoelektrisch: Tintenaustritt wird durch mechanische Verformung eines piezoelektrischen Wandlers erzwungen. Funktionsweise entspricht ansonsten dem eines Bubble Jetr Druckers. Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 19 Laserdrucker rotierende Trommel zuerst negativ geladen, dann positives Aufladen Laserstrahl baut beim Auftreffen die positive Ladung ab Toner (positiv geladen) kann nur an den entladenen Stellen haften Papier negativ geladen, Übertragung des Toners von der Trommel auf das Papier Toner durch Hitze (180 ) und Druck auf dem Papier fixiert D. Jackèl, Uni Rostock Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 20

Farblaserdrucker Erweitern auf 4-Farb-Druck mit Cyan, Magenta, Yellow, Black Aufbringen der Farbauszüge nacheinander direkt auf das Papier oder nacheinander auf ein Zwischenmedium und dann gemeinsam auf das Papier Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 21 Monitore (Bildschirme) Kathodenstrahlröhren-Monitore (CRT) übliche Auflösungen 640 480 bis 1600 1200 üblich: 16bit oder 32bit Farbtiefe LCD- bzw. TFT-Displays Plasmadisplays für Spezialanwendungen und große Displayflächen Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 22

Funktionsweise Raster-Monitor Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 23 Funktionsweise Vektor-Monitor Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 24

Delta-Bildröhre In der Lochmaske befindet sich für jedes Pixel ein Loch, durch das der Elektronenstrahl hindurch treten kann. Lochmaske verhindert das Mitleuchten eines benachbarten Leuchtpunktes bei Beschuss eines Leuchtpunktes Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 25 Trinitron-Bildröhre Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 26

Vor- und Nachteile von CRT-Displays Vorteile: hohe Auflösung, volle Farbtüchtigkeit, sehr guter Kontrast niedriger Preis bei hoher Zuverlässigkeit. Nachteile: schwer, sperrig hohe Leistungsaufnahme Flimmernd, verzerrend Analogtechnik Röntgenstrahlung Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 27 Flüssigkristallanzeigen (LCD) Grundlagen Flüssigkristalle: 1888 vom Physiker Reinitzer entdeckt Organischen Moleküle mit Orientierungsordnung Form ist langgestreckt oder scheibenförmig Achsen sind einheitlich ausgerichtet. Einteilung der Flüssigkristalle je nach Ausrichtung: nematische fadenförmig smekmatische schichtenförmig cholesterinische wendelförmig Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 28

Aufbau Verdrillter nematischer Flüssigkeitskristall (twisted nematic cells) Zwei parallele Glasplatten, Abstand von 5-10 mm Ausrichtung der Moleküle ohne angelegtes elektrisches Feld durch mikroskopisch feine Längsriffelung der Glasplatten Glasplatten sind mit einem feinen Elektrodenmaterial bedampft Material ist durchsichtig und leitend Indiumzinnoxid (ITO indium tin oxide) Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 29 Funktionsweise: unterschiedliche Menge der weißen Hintergrundbeleuchtung wird von einen aktiven Filter durchgelassen Farbe (RGB) durch Farbfilter Ausrichtung der Moleküle ohne Spannung entlang der Rillen entsprechend den Polfiltern, Licht wird entlang der Moleküle gedreht, und daher durchgelassen Bei angelegter Spannung wird Licht nicht gedreht und aufgrund der Polfilter blockiert Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 30

Wirkprinzip: Anlegen einer Hochspannung an ein Gas mit niedrigem Druck erzeugt Licht Plasmadisplay: Matrix kleiner Leuchtzellen Anlegen einer Spannung: Ionisieren des Gases (Übergang zu Plasma) UV-Licht wird emittiert, bringt Phosphorschicht zum Leuchten Jede Zelle hat drei Subzellen (RGB) Plasmadisplay Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 31 3.7 Graphikkarten Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 32

Hauptproblem bei den alten VGA-Systemen: Geschwindigkeit CPU musste die Graphikberechnungen durchführen hoher Datentransfer über den Bus zur Graphikkarte Speicherarchitektur (DRAM): kein gleichzeitiger Lese- und Schreibzugriff, d.h. RAMDAC musste mit dem Auslesen warten, wenn die CPU in den Speicher geschrieben hat und umgekehrt Lösung: Einführen spezieller GPUs CPU schickt Zeichenbefehle, GPU berechnet die Pixel und damit den Inhalt des Bildspeichers GPU schneller, entlastet die CPU Weniger Datentransfer auf dem Systembus Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 33 Videospeicher =Framebuffer, üblicherweise auf der Graphikkarte platziert neue Speichertechnologien können eingesetzt werden, die die Nachteile des normalen Hauptspeichers umgehen: VRAM (Video RAM): gleichzeitige Lese- und Schreibzugriffe, weniger häufiger Refresh EDO RAM: höhere Bandbreite, höhere Taktung... Information im Framebuffer: Bitmap, die dann auf den Bildschirm übertragen wird Gesonderte Speicherung der drei Grundfarben R, G, B oder Arbeit mit Farbpaletten Nicht genutzte Speicherbereiche werden auf modernen Karten als Cache oder Sonderspeicher verwendet. Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 34

RAMDAC Random Access Memory Digital Analog Converter Liest den Inhalt des Framebuffers Konvertiert die digitalen Informationen in analoge Signale Sendet die Signale an den Monitor ein DAC für jede der drei Grundfarben Konvertierung: Nutzung einer Lookup-Tabelle, die die digitalen Signale in Spannungslevel übersetzt RAMDAC diktiert Refresh-Raten und Anzahl der verfügbaren Farben Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 35 3D-Beschleunigung im Prinzip: Übernahme weiterer Berechnungen durch den Graphikchip, um die CPU zu entlasten Transformationen Beleuchtung Texturierung Die neueren Generationen vom Graphikkarten erlauben eine freie Programmierung der Rendering-Pipeline Pixelshader Vertexshader Multitexturing HDR... Graphische DV und BV, Regina Pohle, 3. Hardware für Graphik und Bildverarbeitung 36