Adolf Knoll Národní knihovna České republiky adolf.knoll@nkp.cz Část 2 Digitální obraz Adolf Knoll Národní knihovna České republiky adolf.knoll@nkp.cz © Adolf Knoll, National Library of the Czech Republic

Cíle Po absolvování této lekce budeme s to : Porozumět skladbě digitálního obrazu a jeho hlavním parametrům: Rozlišení Barvy Komprese Formáty Rozhodovat v oblasti použití digitálního obrazu

Když obraz zvětšíme, začne se objevovat jeho struktura. Můžeme vidět, že obraz se skládá z prvků/elementů. Takovýto obraz se nazývá RASTROVÝ OBRAZ nebo BITMAPA. Každý element má svou vlastní barvu

Některé obrazy však zjevně z těchto elementů nesestávají…neboť je lze hladce zvětšovat. Takový obraz se nazývá VEKTOROVÝ OBRAZ.

Rozdíly Vektorový obraz Rastrový obraz Když jej zvětšujeme, jeho struktura je stále uhlazená Užívá se pro jednoduchou grafiku a nákresy/plány Typické formáty: EPS, AI, CDR, WMF, DXF,… Speciální případ: SVG Rastrový obraz Když jej zvětšujeme, jeho struktura vykazuje složení z barevných elementů Užívá se pro fotorealistické obrazy Typické formáty: JPEG, TIFF, GIF, PNG, …

A vector drawing

Scalable Vector Graphics SVG (informace je uložena jako <?xml version="1.0" standalone="no"?> <!DOCTYPE svg PUBLIC "-//W3C//DTD SVG 1.0//EN" "http://www.w3.org/TR/2001/REC-SVG-20010904/DTD/svg10.dtd"> <svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="100%" height="100%" > <desc>page1</desc> <style type="text/css"> .dfltt {font-family:Times New Roman;font-size:14px;font-weight:normal;text-decoration:normal;text-align:left;fill:black;} </style> <defs> <radialGradient id="Sshd1" fx="50%" fy="50%" x="95%" y="50%" gradientUnits="objectBoundingBox"> <stop id="stop1" offset="0%" style="stop-color:rgb(248,188, 94);stop-opacity: 1.00;"/> <stop id="stop2" offset="100%" style="stop-color:rgb(128,128,128);stop-opacity: 1.00;"/> </radialGradient> </defs> <rect id="Bpage1" style="fill:#ffedc6;" width="100%" height="100%"/>; <g id="Oobj48" style="fill:url(#Sshd1);fill-rule:evenodd;" transform="matrix(0.70,-0.54,0.65,0.85,407.00,276.00)"> <rect id="Ggeo46" x="-230" y="-180" width=" 460" height=" 361" style="stroke:rgb(196,128,128);stroke-width:1" /> </g> <g id="Oobj1" style="fill:url(#Sshd1);fill-rule:evenodd;" transform="matrix(1.50,0.00,0.00,1.00,403.00,272.00)"> <ellipse id="Ggeo1" cx="0" cy="0" rx="130.00" ry="99.00" style="stroke:rgb(128,128,128);stroke-width:1" /> <g id="Oobj47" style="fill:none;fill-rule:evenodd;" transform="matrix(3.46,0.00,0.00,6.53,408.00,263.50)"> <text id="Ggeo45" x=" -48px" y=" -7px" width=" 96" height=" 15" style="font-family:Arial;font-size: 12px;fill:rgb( 0, 64,128);" > <tspan x=" -48px" y=" 3px">Training Courses</tspan></text> </svg> Scalable Vector Graphics SVG (informace je uložena jako textový XML soubor) grafická reprezentace téhož souboru Vnitřní kód souboru

Fotorealistický rastrový obraz

Jak vidíme digitální obraz Když jsou zobrazeny na monitoru nebo vytištěny, jak rastrový, tak i vektorový obraz jsou vidět díky své vlastní projekci do rastru/mřížky barevných elementů, nazývaných pixely (= picture elements) Počet pixelů na jednotku délky se nazývá rozlišení nebo též prostorové rozlišení. Uvádí se jako počet bodů (dots) na (per) jeden palec (inch) = dpi

Rozlišení Vyšší rozlišení = obraz je s to vyjádřit jemné detaily Nižší rozlišení = jemné detaily ztrácejí svou uhlazenou podobu Jestliže chceme dosáhnout dobré reprezentace detailů ve velkém obraze, musíme použít vysoké rozlišení a/nebo optické přiblížení (zoom); v žádném případě nepoužívejme digitální přiblížení (zoom), neboť to jen umisťuje možné dopočítané pixely mezi ty skutečné, tzn. vymýšlí si

Umístění pixelu y Je uložen v bitmapě, kde má své souřadnice (x, y) Svislé rozlišení Je uložen v bitmapě, kde má své souřadnice (x, y) X Vodorovné rozlišení

Umístění pixelu Každý pixel má své místo v rastru; z tohoto důvodu můžw být rozlšení dáno jako poměr počtu vodorovných pixelů ku počtu svislých pixelů v celém obraze, například: Rozlišení = x x y, např.. 1 600 x 1 200 Totéž rozlišení může být také dáno jako výsledek (součin položek) tohoto vzorce: 1 600 x 1 200 = 1 920 000 pixelů = cca. 2 milióny (= 2 megapixely)

větší část povrchu, a menší, když reprezentuje menší část povrchu. Rozměr jednoho pixelu Pixel nemá rozměry, protože jeho velikost je relativní: je větší, když má reprezentovat větší část povrchu, a menší, když reprezentuje menší část povrchu.

Pixely: jejich velikost a rozměry Když se podíváme na obrázek na v počítači, tento je promítnut do rozlišení jeho monitoru; proto vypadá tatáž naskenovaná fotografie menší, když je naskenována v menším rozlišení, a větší, když je naskenována ve vyšším rozlišení.

Skenování Při skenování musíme věnovat zvýšenou pozornost fixaci originálu Vzhledem, k rastrovému charakteru digitálního obrazu, pouze pravoúhlé rotace (90, 180 nebo 270 stupňů) nezmění obraz během dodatečného zpracování Volná rotace jej mění, neboť pixely nemohou být umístěny přesně na pravoúhlých osách/souřadnicích

Volná rotace NE! ANO, TO LZE! Rotace 2 stupně Rotace 90 stupňů doprava

BARVY Každý pixel má svou jedinečnou barvu

Přirozený barevný systém + prezence nebo absence světla 146 116 individuálních barev

Počítačový barevný systém … pokusme se o tuto úvahu: BÍLÁ Veškeré světlo se odráží Žádné světlo se neabsorbuje ČERNÁ Žádné světlo se neodráží Veškeré světlo se absorbuje ŽLUTÁ Žluté světlo se odráží Zbytek světla se absorbuje Závěr: Jestliže je model založen na odraze světla, pak černá barva 0 (nic se neodráží -RGB). Jestliže je model založen na absorpci světla, pak černá barva je 1 (vše se absorbuje CMY).

RGB R G B RGB (Red/Červená, Green/Zelená, Blue/Modrá) Každá barva má hodnoty od 0 do 255, tj. 256 odstínů (255,255,0) (215,185,229) Takže 256 x 256 x 256 = 16 777 216 možných (odstínů) barev.

CMY systém Barvy mohou být také zapsány jako rozsah: binárních čísel od 00000000 do 11111111 hexadecimálně od 00 do FF Jak se barvy kombinují (255,255,255) (#FFFFFF) (0,0,0) (#000000) CMY systém (255,255,0) (#FFFF00) (56,108,98) (#386C62)

Jak se kombinují barvy a pigmenty RGB popisuje barvy: R – red/červená G – green/zelená B – blue/modrá CMYK popisuje pigmenty: Y – yellow/žlutá M – magenta (pink/fialová) C – cyano (aqua/bleděmodrá) K – black (černá/klíčová barva)

Hue/Zabarvení, Saturation/Nasycení a Brightness/Lightness//Jas/Světelnost = HSL/HSB Saturation change HSL (42,155,255) RGB (255,255,0) HSL (42,255,128) HSL (42,114,255) HSL (42,0,255) HSL (x,x,255) = plné světlo HSL (42,255,226) HSL (x,x,0) = žádné světlo HSL (42,255,114) Změna jasu HSL schéma je alternativou RGB k vyjádření barev

Barva a pigment Barva pro zobrazení Pigment pro tisk

Barevná hloubka 1 pixel = 1 bit, tj. může to být 0 nebo 1 – tím se vyjádří černá nebo bílá barva Obraz sestávající pouze z jednobitových pixelů se nazývá: 1-bitový obraz nebo bilevel image (dvouvrstvý obraz) nebo black-and-white (černobílý) obraz Jestliže máme dvoumegapixelový obraz (přesněji 1 920 000 pixelů), pak bude mít takový obraz 1 920 000 bitů, tj. 240 000 bytů (240 KB)

Barevná hloubka 1 pixel = 8 bitů (= 1 byte), tj. takto můžeme vyjádřit paletu 256 různých barev Potom však tento dvoumegapixelový obraz bude mít 1,92 MB 1 pixel = 24 bitů (= 3 byty), tj. kyždý byte může vyjádřit 256 barev, tj. celkem 16 777 216 možných barev Potom tento dvoumegapixelový bude mít 5,76 MB

Barevná hloubka 24-bit 1-bit 4-bit 8-bit 12-bit Barevná hloubka říká, jak hluboký daný pixel je, tj. informuje o počtu možných barev. 24-bit 1-bit 4-bit 8-bit 12-bit

Jestliže však kombinace komponent je speciální… Jestliže komponenty R, G, a B mají totožné hodnoty, např. (57,57,57) … pak bude daný pixel šedý Příslušný obraz ze šedých pixelů nebude mít 16 miliónů barev, ale pouze 256 odstínů šedi Abychom to vše vyjádřili, stačí nám jeden byte, takže obraz bude třikrát menší, než je obraz v plných (true/věrných) barvách Obraz v odstínech šedi je také barevný obraz; neměli bychom o něm tedy mluvit jako o obrazu černobílém (tedy nikoli tak, jak to činíme v případě nebarevných fotografií)

256 odstínů šedi 8 bitů na pixel 16 miliónů barev 24 bitů na pixel Černobílý 1 bit na pixel 16 miliónů barev 24 bitů na pixel 16 barev 4 bity na pixel 8 barev 4 bity na pixel

Jak zmenšit soubor s barevným obrazem? Rozlišení může být menší, tj. počet pixelů nezbytných pro reprezentaci obrazu Počet barev může být snížen Bitmapa může být komprimována v rámci počítačového souboru

80 dpi = 3,75x menší soubor Snížení rozlišení může způsobit snížení čitelnosti 300 dpi

Snížení barevné hloubky 24 bitů 8 bitů 4 bity 1 bit Cca. 16 700 000 barev 256 barev 16 barev 2 barvy

Snížení barevné hloubky 1/3 původní velikosti 1/6 původní velikosti 1/24 původní velikosti Šedá škála Barvy 24-bit 8-bit 4-bit 1-bit

Komprese obrazu Komprese může být: bezeztrátová – když otevřeme soubor, každý pixel se znovu objeví na původním místě, tj. původní informace byla zachována ztrátová – nepotřebná informace je odstraněna a pouze relevantní část je zachována; lidské smysly dokážou rekonstruovat originál díky své nedokonalosti vnímat ztráty a své schopnosti dobudovat chybějící částečky díky kontextu a analogii s obvyklými a očekávanými objekty

Ztrátová komprese Je aplikována především v oblasti informačně bohatých barevných obrazů, zatím co u černobílého obrazu pouze v novějších přístupech založených na standardu JBIG Nejrozšířenější dva barevné kompresní algoritmy jsou: DCT = Discrete Cosine Transform, nazývaná též JPEG komprese Wavelet – používaná v novějších přístupech

Kvalita ztrátové komprese Kvalita musí být nastavena individuálně; jakékoli numerické nebo procentuální vyjádření kompresních poměrů platí pouze v konkrétním prostředí daného obrazového editoru Hodnoty kompresních poměrů závisejí na vnímání objektů v obraze

Artifacts/Artefakty Rušící prvky způsobené ztrátovou kompresí se nazývají artifacts Wavelet artifacts JPEG DCT artifacts

Obrazové formáty Obrazy jsou uloženy v počítačových formátech; těchto formátů je velké množství, ale je třeba se soustředit jen na několik nejvíce používaných … Formáty obsahují informace o parametrech obrazu: rozlišení barevná hloubka komprese řada dalších vlastností obrazu Některé formáty (např. TIFF) mohou podporovat různé hodnoty těchto parametrů, jiné zase pouze určité konkrétní hodnoty určitého parametru. Výběr konkrétních hodnot ovlivňuje kvalitu a charakter obrazu.

Webové formáty JPEG pro fotorealistické obrazy GIF pro jednoduchou barevnou grafiku PNG pro věrné fotorealistické obrazy i jednoduchou grafiku Všechny další formáty nemohou být přímo zobrazeny ve webových prohlížečích; aby to bylo možné, je nutná instalace přídavných komponent (zásuvné moduly/pluginy nebo ActiveX komponenty)

JPEG (*.jpg, *.jpeg) podporuje jen 16 miliónů barev nebo 256 odstínů šedi používá se pro fotorealistické obrazy používá se většinou se ztrátovou kompresí artefakty/rušící prvky mají podobu čtvercových plošek, takže např. hladké povrchy objektů vyžadují menší kompresi, zatím co bohatý různorodý obsah umožňuje aplikaci větší ztrátové komprese Používá se na webu, v digitálních fotoaparátech, při běžné práci s fotografiemi atp. JPEG = Joint Photographic Expert Group

GIF (*.gif) paletový formát, protože podporuje max. 256 barev; proto není vhodný na fotografie zabudovaná bezeztrátová LZW komprese podporuje animaci (sekvence obrázků v jednom souboru) a průhlednost (jedna barva z palety může být nastavena jako průhledná) Používá se na webu pro jednoduchou grafiku (256 nebo 16 barev) nebo na nákresy (černobílé) GIF = Graphic Interchange Format

PNG (*.png) podporuje až 16 miliónů barev, vynikající na fotografie zabudovaná PNG komprese, která je účinnější než LZW některé programy umožňují nastavení kompresního poměru (např. IrfanView) poskytuje nejúčinnější bezeztrátovou kompresi pro fotorealistické obrazy mezi newaveletovými (tj. tradičními) formáty používá se tam, kde potřebujeme 16 miliónů barev a nechceme aplikovat ztrátovou kompresi PNG = Portable Network Graphics

TIFF (*.tif) podporuje jakékoli rozlišení a jakékoli množství barev nabízí řadu kompresních možností: bez komprese LZW (fotorealistické obrazy) CCITT Fax Group 3 a 4 (černobílé obrazy) teoreticky též kompresi vlastní JPG a další používá se tam, kde předpokládáme další zpracování zejména barevného obrazu (v tomto případě se ukládá většinou nekomprimovaně) nejlepší klasické řešení pro černobílé obrazy při nastavení na kompresi CCITT Fax Gr. 4 podporuje více obrazů uložených v jednom souboru TIFF = Tagged Image File Format

Obrazové formátu typu wavelet nabízejí nejúčinnější bezeztrátovou, ale také ztrátovou kompresi problémem je, že nejsou doporučeny pro web používají se ve speciálních aplikacích, kde lze garantovat budoucí komfort uživatele nejpoužívanější jsou: JPEG2000 (*.jp2), MrSID (*.sid) a barevná komponenta formátu DjVu (viz smíšený obsah)

Smíšený obsah / Mixed raster content (MRC) Obraz je rozdělen na: popředí – komprimováno jednobitovými kompresními algoritmy pozadí – komprimováno technologiemi wavelet oboje je uloženo v jednom počítačovém souboru: nepřekonatelná účinnost ztrátové komprese (až 10x účinnější než JPEG při zachování obdobného zrakového vjemu) Typický segment použití: naskenované časopisy nebo noviny Dva nejlepší formáty jsou: DjVu (*.djvu/djv) and LuraDocumentDF (*.ldf, *.jpm, atp.)

MRC = Mixed Raster Content / smíšený obsah Klikněte a vrstvy se objeví v tomto pořadí: Barevné pozadí (wavelet komprese) Černobílé popředí Obarvené černobílé popředí

Typy a formáty obrazu Jednotný obsah: Smíšený obsah: Z pohledu svého obsahu lze roztřídit obrazy takto: Jednotný obsah: Smíšený obsah: jakákoli kombinace typů jednotného obsahu typický příklad: naskenovaná strana barevného časopisu Typ obrazu Nejlepší doporučený formát Jednoduchá kresba TIFF/Fax Gr. 4, PNG, GIF Text Barevná grafika PNG, GIF Fotorealistické obrazy JPEG

Image in practice archiving: use standard ISO formats (TIFF, JPEG) delivery: use the formats the supposed user can handle alone (web image formats) or with your help (any other format) think he or she can have slow Internet connection or limited computing capabilities in his/her computer = do not send or deliver excessively large image files for some purposes you may use also the PDF format for delivery (for this you must have a virtual PDF printing driver installed) in digital libraries small preview images, special image servers working on demand, or special imaging techniques may be also used for special purposes do not forget that the parameters and the quality of your digital image are defined by the purpose for which you create it

Další informace Můžete použít volné obrazové editory, např. IrfanView (http://www.irfanview.com/) nebo Gimp (http://www.gimp.org/)\ Můžete navštívit webové stránky Joint Photographic Expert Group (http://www.jpeg.org) nebo the Joint Bilevel Expert Group (http://www.jbig.org) Můžete se podívat na http://digit.nkp.cz/techstandards_data_en.html pro další informace