DIGITALE BILDER und deren VERARBEITUNG

MIC - Seminar DIGITALE BILDER und deren VERARBEITUNG Stefan A. Tschanz Dr. med. / Software Engineer Institut für Anatomie / MIC Universität Bern tschanz@ana.unibe.ch BASICS: Was ist eine DIGITALES Bild > Bild in Einzelpunkte (Pixel) gerastert > Anzahl Punkte in X und Y Olympus Y: 32 Pixel Y: 1200 Pixel X: 867 Pixel X: 24 Pixel 2 1

BASICS: Was ist ein Pixel > 1 Pixel hat EINEN Farbwert / Grauwert > Dieser Wert ist eine ZAHL oder ZAHLENREIHE! Pixelwert: 0 schwarz 000:000:000 Pixelwert: 866761 grün 052:115:070 Pixelwert: 12671518 orange 196:090:030 Pixelwert: 16777215 weiss 255:255:255 3 BASICS: Pixelwerte > Farbraum : je grösser je grösser Spanne der Pixelwerte > Pixelwerte als Binärwerte (1&0): binär nach dezimal 2 n ( n ist "Bit"-Zahl) Farbräume: > 8-Bit BW 256 Grauwerte > 8-Bit Farben 256 Farben (Auge nimmt max. 64 unterschiedliche Grauwert wahr) > 24 Bit Farben 16 Mio. RGB Farben (Farbschachtel: 140km breit) RGB: 3 x 8Bit 256 Rot * 256 Grün * 256 Blau (srgb: Standard RGB) ADDITIV, "physiologische" Farbmischung, 3 Maxima der Zapfen Methode der digitalen Bearbeitung und Monitordarstellung > 32 Bit Farben 4 Mia CYMK Farben CYMK: 4 x 8Bit 256 Cyan* 256 Yellow* 256 Magenta * 256 Schwarz (Key-Plate) SUBTRAKTIV, "physikalische" Farbmischung Methode im Druckvorgang > 48 Bit Farben 280 Billionen (3 x 16 Bit RGB) > 16 Bit BW 65536 Grauwerte 4 2

BASICS: Aufnahme in der Digitalkamera Grauwertkamera > 1 Pixel hat EINEN Grauwert > 1 Pixel entspricht einem Lichtsensor photoaxe.com Pixelwert: 95 (aus 0 255) 5 EXPERT : Aufnahme in der Digitalkamera Farbkamera > Licht geht zuerst durch Farbfilter > 1 SENSOR-Pixel gibt ENTWEDER EINEN Rot-, Grün- oder Blau-Wert Sensor-Pixel nicht aus ganzem Farbspektrum Farb-Digitalbild immer berechnet : Demosaicing! Bayer-Filter Demosaicing photoaxe.com 6 3

EXPERT: Aufnahme in der Digitalkamera Farbkamera (single CCD Chip, single C-MOS Chip) > Angegebene Megapixel-Zahl entspricht der Anzahl Sensoren > ABER: NICHT jeder Sensorpixel empfängt ganzes Farbspektrum, sondern eine der 3 Grundfarben Megapixel-Zahl ist "unechte" Pixelzahl > Farb-Digitalbild immer berechnet Demosaicing (Interpolation) + Rauschunterdrückung + Pixelkorrektur! Ausnahmen > "RAW" Format Bilder nicht interpoliert / korrigiert! > 3-Chip Kameras (Wissenschaft) "echte" Pixelzahl (x 3) > "Moving"-Chip Kamera (Wissenschaft) "echte" Pixelzahl (x 3) Gute Kameras: 14 Bit Sensoren 3 x 14 Bit? nein!! Bayer-Filter wie wird interpoliert? 7 BASICS: Bild-Auflösung > Frühere 100 ISO Filme: max.150 Linien/mm (TEM Filme bis 800/mm) ca. 20 Mio. Bildpunkte auf Kleinbild-Film > Fotochips heute: 8 12-24 Megapixel > was ist die gewünschte Bildgrösse? A4, 600dpi: 35 Megapixel A4, 300dpi: 9 Megapixel Datenflut! > 24 Megapixel Bild (Nikon D3X SLR) als 14bit RAW: 50MB TIFF 48bit: 146MB JPEG 24bit: 10MB!Kameraauflösung NICHT vermindern, Kamera-Kompression auf beste Qualität! 8 4

BASICS: Bild-Auflösung: DPI?, Pixelzahl? Pixelgrösse? > Pixelzahl: absoluter Wert: z.b. 12 Megapixel aus 3000 x 4000 Pixel das, was wir an Bildinhalt haben: "36 Aprikosen" > DPI: Dots-(Pixels-)-Per-Inch: PixelDICHTE X: 0, 1, 2,.4000 Aussage über die Ziel- (Druck-)"Qualität" wie gut machen wir das Bild, oder: "6 Aprikosen pro Kuchenstück fruchtiger als 3 Aprikosen pro Kuchenstück (gleiche Stückgrösse)" ist abhängig von Zielgrösse UND Pixelzahl: "Kleiner Kuchen mit 36 Aprikosen ergibt fruchtigere Kuchenstücke als grosser Kuchen mit 36 Aprikosen" > Gängige DPI Werte: Guter Druck: 300DPI (= 120 Pixel / cm) ( perfekt für Digitalprints!) Sehr guter Druck: 600DPI (= 240 Pixel / cm) ( häufige Journal Anforderung!, Strichgrafik) Broschüre: Monitor: 200DPI (= 80 Pixel / cm) 96DPI (= 40 Pixel / cm) > Pixelgrösse: sehr relativ, bezogen auf was? Chip? Monitor? Ausdruck? Y: 0, 1, 2,..3000 9 BASICS: Bild-Auflösung: Probleme mit DPI?, Pixelzahl? etc. > kurze Überschlagsrechnungen sichern adäquates Resultat: Foto13 cm x 18 cm, Qualität 300DPI (120px / cm) (13 x 120) x (18 x 120) = 1560 x 2160 = 3.4 Megapixel > "DPI" in Bildbearbeitungsprogrammen: oft standardmässig auf 300DPI: Grössenangabe in cm bei 300DPI! aber auch 96DPI oder Übernahme aus Quelle: Digitalkamera (300DPI, 180DPI, 72DPI etc.) Wert ist nicht fixiert, Änderung führt u.u. zum Verlust der Auflösung! >Was nun? > Ermitteln wahre Pixelzahl: "Bildeigenschaften" wahre Pixelzahl Überschlagsrechnung > Moderne Digitalkameras reichen längstens für A4 Prints! 10 5

EXPERT: Mega-Pixel Kamera Manie "8 Megapixel Kamera im Handy" "Grösste Fotochips: 150 Megapixel" toll? > Relevanz der Chipgrösse und daraus folgend > Sensordichte enge Sensoren beeinflussen sich feinster "Lichtstrahl" auf Chip: ca. 3μm (wegen Microlenses u.a.) Chip in Consumer-Kamera: 5,8 4,3 mm(1/2.5') mit 8 Megapixel 1,7 μm Sensordistanz! Spiegelreflex-Sensorchips: ¾ Zoll: 17.3 x 13 mm APC: 25.1 16.7 mm Vollformat (Kleinbild): 36 x 24mm (physikalische Grenze: 96 Megapixel) 11 EXPERT: Aufbau einer Digitalbild-DATEI > Header Meta-Informationen Magic number: Dateityp Info für den PC Bilddatei-Informationen Bit-Tiefe Komprimierungsinfo Auflösung EXIF / IPTC Daten Kameradaten Datum etc. > Daten: binäre Werte 12 6

BASICS: Bild-Formate (1) > TIFF (Tagged Image File Format) verlustlos unkomprimiert (gross) 24 32 48 Bit universell (Bildbearbeitung) frei programmierbarer Header, inkl. IPTC 3D, 4D Daten Standard-Format für wissenschaftliche Archivierung TIFF compressed (Achtung Kompatibilität!) > JPEG (Joint Photographic Experts Group) verlustbehaftet gute Kompression (rel. klein) 24 Bit EXIF / IPTC Header (Kamera-Daten) universell (WEB, weniger Bearbeitung) Standard-Format für Consumer Bilder 13 BASICS: Bild-Formate (2) > PNG verlustlos mittlere Kompression 8 24 -Bit Farbe universell (WEB) Bearbeitung z.t. problematisch Transparenz > GIF (Graphics Interchange Format) verlustlos mittlere Kompression 8-Bit Farbe universell (WEB) Transparenz / animated GIF wird durch PNG ersetzt > RAW verlustlos (fast) exakte Information des Sensor-Chip (ausser Pixelfehler) nur 1 Farbkomponente pro Pixel (kein Demosaicing / Interpolation) nicht universell: Kamera-Hersteller-Abhängig nicht sichtbares Bild (nur mit adäquatem RAW-Reader) 14 7

EXPERT: Bild-Format: Vergleich der Grösse Bild: Nikon D3X, 24 Megapixel, 6048 x 4032 Pixel > RAW, 14Bit 51.3MByte > TIFF, 48Bit 146.3MByte > TIFF, 24Bit 73.2MByte > JPEG, 24Bit, 100%, progressiv, Farbverteilung: 4-4-4 16.5MByte > JPEG, 24Bit, 95%, progressiv, Farbverteilung: 4-4-4 5.2MByte > JPEG, 24Bit, 95%, progressiv, Farbverteilung: 4-2-2 4.4MByte > JPEG, 24Bit, 95%, standard, Farbverteilung: 4-2-2 4.8MByte > JPEG, 24Bit, 85%, progressiv, Farbverteilung: 4-4-4 2.0MByte > JPEG, 24Bit, 75%, progressiv, Farbverteilung: 4-2-2 1.0MByte > JPEG, 24Bit, 50%, progressiv, Farbverteilung: 4-2-2 0.5MByte > GIF 8Bit, 6.5MByte > PNG 8Bit 6.6MByte > PNG 24Bit (aus Corel PhotoPaint) 21.5MByte > PNG 24Bit, (aus Photoshop) 20.0MByte (??) > PNG 24Bit, direkt aus RAW (Photoshop) 15.4MByte (??) 15 EXPERT: JPEG Kompression: Extreme Bild: Canon EOS 350D, 8 Megapixel, 3456x 2304 Pixel JPEG, 97%: 3.6MBytel JPEG, 10%: 0.2MBytel 16 8

EXPERT: JPEG Kompression > Farbraumumrechnung vom (meist) RGB-Farbraum ins YCbCr-Farbmodell (nach IEC 601). (verlustbehaftet) > Tiefpassfilterung und Unterabtastung der Farbabweichungssignale Cb und Cr (verlustbehaftet). > Einteilung in 8 8-Blöcke und diskrete Kosinustransformation dieser Blöcke (theoretisch verlustfrei, durch Rundungsfehler aber verlustbehaftet). > Quantisierung (verlustbehaftet). > Umsortierung > Entropiekodierung Na, dann prosit! 17 EXPERT: Bearbeitung / Manipulation: Möglichkeiten > Komprimierung > Filterung (Low-Pass, High-Pass, Sharpen) > Kontrast-Anpassung > Helligkeits-Anpassung > Gamma-Anpassung > Farb-Anpassungen > "Reinigen" des Hintergrundes > Ausschneiden (Crop/Cut) > Klonierung / Duplizierung > Bild-"Kompositionen" > Manipulation von Subregionen (ROI) > Schwellenwert- (Threshold-) Anwendungen Beispiele aus: What's in a picture? The temptation of image manipulation, Mike Rossner, Kenneth M. Yamada, JCB, 166(1):11-15, 2004 18 9

EXPERT: Helligkeit / Kontrastanpassung Rossner M, Yamada K. JCB 2004;166:11-15 2004 Rockefeller University Press 19 EXPERT: Hintergrund-"Reinigung" > Stempeltool (Photoshop) > Klon-Tool (Corel) > Verwischer-Tool Rossner M, Yamada K. JCB 2004;166:11-15 2004 Rockefeller University Press 20 10

EXPERT: Crop, Cut, Clone Rossner M, Yamada K. JCB 2004;166:11-15 2004 Rockefeller University Press 21 EXPERT: Subregion-Manipulation (ROI) Rossner M, Yamada K. JCB 2004;166:11-15 2004 Rockefeller University Press 22 11

EXPERT: Bild-"Kompositionen" Rossner M, Yamada K. JCB 2004;166:11-15 2004 Rockefeller University Press 23 EXPERT: SCIENCE Manipulation: Zulässig, mit VORSICHT Globale Manipulationen auf ganzes Bild (Beispiele) > Filterung (Low-Pass, High-Pass, Sharpen) > Kontrast-Anpassung > Helligkeits-Anpassung > Gamma-Anpassung > Farbanpassungen, wenn Farbe unkritisch Lokale Manipulation > "Reinigen" des Hintergrundes, nur wenn ECHTE Artefakte WICHTIG: Keine Veränderung der Aussagekraft erzeugen! Was fordert das Journal! 24 12

EXPERT: SCIENCE Manipulation: NO GOs Lokale Manipulationen auf Ausschnitte des Bildes > "Reinigen" des Hintergrundes von "Unerwünschtem" > Ausschneiden (Crop/Cut) > Klonierung / Duplizierung > Bild-"Kompositionen" > Manipulation von Subregionen (ROI) Filterung Helligkeit / Kontrast etc. > Farb-Anpassungen, wenn Farbinformation kritisch: Fluoreszenz Publication by Photoshop 25 EXPERT: SCIENCE Schwellenwert / Threshold Methoden Aufteilen (Segmentation) eines Bildes in 1: Struktur, 0: Hintergrund > Binarisierung unterhalb / oberhalbe eine Schwelle Threshold > Morphologische Filterung Opening Closing Erode Dilate > Zweck: Flächenmessung Kantenmessung 3D Visualisierung, Oberflächen-Rendering > Imaris, Amira etc. 26 13

EXPERT: SCIENCE Threshold Methoden: Effekte Segmentation eines Bildes mit verschiedenen Schwellenwerten Flächenmessungen, Kantenmessungen > Threshold 75 Fläche 8160μm² Kante 7320μm +24% -13% > Threshold 150 Fläche 10146μm² Kante 6374μm +23% -21% > Threshold 190 Fläche 12462μm² Kante 5043μm 27 BASICS: Digitalbilder speichern (1) Bilder wieder finden? > Speicher-"Strategie", hierarchische Ordnerstruktur Aussagekräftige Bilder-/Ordnernamen & Datumsangaben "Jahr-Monat-Tag" "c:\bilder\2011\" "c:\bilder\2011\2011-07-21 Demo Seminar" "c:\bilder\2010\2010-06 Ferien die zu kurz waren" Langfristige Strategie! > Bildinformation? Metainformationen (EXIF) Kommentare einfügen > Datenmenge? "Ausmisten" Auslagern: Archivordner auf externer "Archiv"-Festplatte "wichtige" Daten "c:\bilder\" Versionen, Wiederholungen, "nicht so wichtig" auf externe Archiv-Harddisk Kompression erhöhen (Kamera oder Nachbearbeitung) Auflösung vermindern (Kamera oder Nachbearbeitung) 28 14

BASICS: Digitalbilder speichern (2) > Datensicherheit / Lanzeitspeicherung? Bilder Ordner auf mehreren Datenträgern z.b. Kopie auf externe BackUp-Festplatte(n), Achtung Billig-DVD/CD! GANZER Bilder-Ordner regelmässiges kopieren / synchronisieren Langzeitproblem (was ist in 30 Jahren?) auf jeweils technische aktuellem Speichermedium speichern mit jeweils aktuellem Bildverwaltungsprogramm öffnen >Datenpflege! mit einem "gäbigen" Bildverwaltungstool, welches NICHT kamera-abhängig ist! Picasa (OHNE Web!) XnView, andere? Zukunft: Cloud-Lösungen (privacy?) 29 EXPERT: SCIENCE: Digitalbilder speichern: DATENBANK > Datenbank (DB)-gestützte Speicherung Zugriff auf Bild NUR über diese Datenbank-Lösung Trennung von Bild: (Speicherort Datenbank-abhängig, unwichtig, ausser für BackUp) (Meta-)Information in Datenbank-Datei (Index-Datei) Bildsuche im Datenbank-Index möglich und viel schneller Speicher-"Strategie": von Datenbank bestimmt Datenbank auf Netzspeicher gute zugänglich Pilotversuch Storage-Service der ID! Bilddatenbank für Person(?), Gruppe(?), Abteilung(?), MIC(?) Backup der ganzen Datenbank (delegieren an IT) Anatomie: STAR-Datenbank (analysis, item, cell^d, cell^f, Olympus) langfristig: Herstellerunabhängige Lösung (ETH) 30 15

EXPERT: SCIENCE: Digitalbilder speichern: DATENBANK > Metainformationen PFLEGEN! jede Bildeingabe INKLUSIVE Informationen > IMMER erste, unmanipulierte, unkomprimierte RAW oder TIFF Version behalten! > Zwischenversionen auch in DB speichern, auch wenn in externem Programm (Corel, Photoshop) bearbeitet > Publikation eines Bildes über EXPORT der letzten Version in der DB > Langfristig zusätzlich NUR erste Ur-Version (TIFF) und letzte bearbeitete Version behalten (TIFF) > Bild-Zwischenversionen ab und zu löschen. auch hier: Datenpflege! 31 EXPERT: PowerPoint und Bilder: Einfügen Vor Office 2010 > Einfügen von Bildern IMMER als ganze JPEG / PNG etc. Datei > direktes copy-paste-einfügen von Bildausschnitten aus Corel/Photoshop erzeugt ein "Bild"-Objekt mit Verbindung zum Bearbeitungsprogram (OLE / DDE (linked objects)) Objekt schlecht bearbeitbar (z.b. drehen, öffnen, komprimieren) riesige Dateigrössen Probleme mit PPT-Datei auf anderem PC (wenn Bearbeitungsprogramm nicht installiert) Probleme mit neuen PowerPoint-Versionen: Crash > Workaround: rechte Maustaste "Als Grafik speichern " (PNG, JPEG..) Wiedereinfügen der Bilddatei, aber: Bildqualität fraglich Ab Office 2010 > direktes copy-paste-einfügen von Bildausschnitten möglich (geprüft: Corel PhotoPaint, CorelDraw, PhotoShop) > Aber: Qualität des Bildes fixiert und nicht definiert besser: Einfügen von ganzen Bilddateien aus der eigenen Bildersammlung 32 16

EXPERT: PowerPoint und Bilder: Bearbeitung (1) > Bildqualität (-grösse) für PowerPoint PNG / JPEG reine Präsentation: gemäss Beamerleistung (SXGA: 1024x768px, HD: 1920x1080px) für Handzettel ca. 2000x1500px (Office 2010) Bearbeitung von Bilddateien in PowerPoint > Bild markieren "Bildtools" im Menüband rechts "Format "klicken > Zuschneiden (Ausschnittgrösse anpassen) > Grösse (auch mit Maus) > Ebene > Bild bearbeiten > Bild komprimieren 33 EXPERT: PowerPoint und Bilder: Bearbeitung (2) Bildtools Format (Office 2010) > Zuschneiden (Ausschnittgrösse anpassen) > Grösse (auch mit Maus) > Ebene > Bild komprimieren > Bild bearbeiten 34 17

EXPERT: PowerPoint und Bilder: Automatische Komprimierung! Alle Office 2010 Programme (PowerPoint, Word, Excel) komprimieren eingebettete Bilder AUTOMATISCH! Problem: > Qualität reduziert > Qualität inadäquat Lösung > pro Datei (vor 1. Speichern!): "Datei" "Optionen" Bilder nicht in Datei komprimieren, oder "Standardausgabe festlegen" z.b. 220ppi Zuschneiden (Ausschnittgrösse anpassen) > definitiv: Registry Eintrag: [HKEY_CURRENT_USER\Software\Microsoft\Office\14.0\PowerPoint] "AutomaticPictureCompressionDefault"=dword:00000000 (Registry Script bei S. Tschanz) 35 Dank an >Sandra Frank >Barbara Krieger 36 18