30.1.2012
Jak to vše začalo…
Technické principy digitalizace obrazu
Skenery se vyvinuly z telefotografických zařízení, sestávající z rotujícího válce při 60 nebo 120 ot/min s jednoduchým fotodetektorem, používaných od 20. let do poloviny 90. let 20. století. Lineární analogový AM signál odesílaný přes standardní telefonní linku.
Michal Veselý, FCH VUT v Brně
[email protected]
Jak to vše začalo…
… a dnes
První obrazový skener: 1957, US National Bureau of Standards, tým vedený Russelem Kirschem (válcový skener)
Bubnové skenery Ploché skenery Ostatní skenery (ruční, filmové, knižní, 3D, atd.)
První skenovaný obraz: 5×5 cm fotografie (Kirschův 3měsíční syn Walden, celkem 176 pixelů)
Standards Eastern Automatic Computer (SEAC) v laboratořích National Bureau of Standards (NBS).
Skenované předlohy
reflexní (zaznamenává se odražené světlo) – např. fotografie, tisky, kresby transparentní (zaznamenává se prošlé světlo) – např. filmy, diapozitivy
Bubnové skenery
Tento typ skenerů využívá dva světelné zdroje umístěné: – na vnitřní straně bubnu (pro průhledné předlohy), – na vnější straně bubnu (pro odrazné předlohy) Zdrojem světla jsou halogenidové nebo xenonové výbojky. Snímací hlava je umístěna vně bubnu, snímá prošlé nebo odražené světlo, posouvá se rovnoběžně s osou rotujícího (1800 min–1) válce.
8 000 ppi, D = 4,5
Snímaný paprsek je rozdělen na tři svazky a po průchodu příslušným filtrem (RGB) zaznamenáván pomocí fotonásobičů.
1
30.1.2012
Bubnové skenery
Ploché skenery
Zdrojem světla jsou xenonové obloukové výbojky. Pod skleněnou deskou se pohybuje snímací soustava. Její pohyb je řízen krokovým motorkem. Obraz je zaznamenáván třířádkovým (RGB) fotocitlivým snímačem (CCD, CMOS nebo CIS). Rozlišovací schopnost skeneru je dána jemností kroku motorku a hustotou fotocitlivých prvků v řádkovém snímači. 6 400 dpi, D > 3,2
Ostatní skenery
Filmové skenery (6 400 dpi, D = 3–4) Mikrofilmové skenery. Mají monitor, nepotřebují PC, skenují vysokou rychlostí ve stupních šedi, 12ti bitová hloubka, rozlišení 600 ppi
Ostatní skenery
Velkoformátové skenery Pro skenování velkoformátových předloh (> A3). – „protahovací“ (šíře až 120 cm, délka neomezená) – ploché (stejný princip jako ploché skenery) – s využitím CCD kamery (obdobně jako při skenování knih je předloha upevněná na pevném stole snímána seshora CCD kamerou
Ostatní skenery
Knižní skenery – pro skenování vázaných publikací. Otevřená publikace (180°) je snímána seshora pomocí CCD kamery, nebo je snímána pootevřená (60–100°) pomocí dvou kamer. Lze využít i upravenou technologii plochých skenerů (snímací plocha musí dosahovat až k hraně)
Ostatní skenery
Maloformátové skenery. Pro skenování maloformátových dokumentů (vizitky, platební karty, šeky). Konstrukce „protahovací“ nebo plochý (formát zpravidla < A6). Kromě digitalizace používaný i pro kontrolu dokumentů
rozlišení 300 dpi, barvová hloubka 36 bitů)
2
30.1.2012
Ostatní skenery
Záznamové světlocitlivé prvky
Maloformátové skenery. Pro skenování maloformátových dokumentů (vizitky, platební karty, šeky). Konstrukce „protahovací“ nebo plochý (formát zpravidla < A6). Kromě digitalizace používaný i pro kontrolu dokumentů
Světlocitlivý záznamový prvek integrovaný obvod zabezpečující konverzi světelného záření dopadajícího na jeho jednotlivé obrazové elementy (pixely) na elektrický náboj. Počet lokálně generovaných elektronů přitom odpovídá intenzitě dopadajícího světelného záření. CCD (Charge Coupled Devices) elektronický integrovaný obvod, ve kterém je elektrický náboj vygenerovaný ve fotodiodách obrazových elementů přenášen potenciálovými jámami pomocí napětí na soustavě elektrod. CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductors) elektronický integrovaný obvod, ve kterém je elektrický náboj vygenerovaný ve fotodiodách obrazových elementů odváděn pomocí adresovatelné sběrnice.
Záznamové světlocitlivé prvky
CCD vs. CIS senzor (světlo R, G, a B LED diod) CIS: menší rozměry zařízení, menší spotřeba energie. CCD: větší hloubka pole, vyšší poměr S/N, lepší barevná věrnost
Záznamové světlocitlivé prvky
Víceprůchodové celoplošné čipy (snímek realizovaný třemi postupnými expozicemi. Čip je monochromatický, ale s pomocí separačních filtrů postupně snímá snímky pod modrým, zeleným a červeným filtrem)
R
R
G R
G
B
Záznamové světlocitlivé prvky
Skenovací přístroje (třílineární scannery, kde pohybující se jezdec postupně snímá řádku po řádce společně červený, zelený a modrý výtažek)
Záznamové světlocitlivé prvky
Jednoprůchodové celoplošné čipy (jedna expozice, uspořádání jednotlivých světlocitlivých prvků do červeno-zelenomodré mozaiky)
B G B G G R G R
B
B G B G G R G R
3
30.1.2012
Záznamové světlocitlivé prvky
Bitová hloubka vs. barvová hloubka Počet rozlišitelných jasových úrovní (bitová hloubka) vs. součet bitových hloubek všech kanálů (barvová hloubka), je udáván jako exponent čísla 2, amatérské přístroje – 3×8 bitů, profesionální přístroje – 3×6 bitů
Barvové složky obrazu, pixel
Důležité pojmy a definice Dynamický rozsah skeneru (digitálního fotoaparátu) Poměr mezi maximální a minimální zaznamenatelnou intezitou světla. Vyjadřuje se jako poměr těchto intenzit nebo častěji jako odpovídající rozsah expozičních hodnot či počet clonových čísel, je obvykle v rozmezí 26 až 216.
a.u.
250 digitalní fotoaparát klasický čb film
200
150
100
50
DR
0 -8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Důležité pojmy a definice
Důležité pojmy a definice Rozlišení skeneru, fyzické rozlišení, interpolované rozlišení. Typy předloh – tónová barevná nebo ve stupních šedi, perová předloha. Optimální nastavení rozlišení skenu. Ukládání souborů – formáty souborů.
Například dynamický rozsah 6 clonových čísel odpovídá 6 EV nebo 6×0,3 D = 1,8 (optické hustoty) nebo poměru 1:26 = 1:64.
EV
http://www.danes-picta.com/
Důležité pojmy a definice
Optimální nastavení rozlišení skenu. Ukládání souborů – formáty souborů.
Důležité pojmy a definice
Komprese grafických souborů Komprese bezeztrátová • Využívá se ke zmenšení souboru bez degradace původní informace. • Předpokládá se, že data obsahují opakující se řetězce, objekty apod., a obecně je při něm dosahováno menších kompresních poměrů. • Proudové kódování RLE (Run Length Encoding) Například 7380000000009999996243765 je možné převést takto: 738 9×0 6×9 6243 765. 11 čísel jsme ušetřili, a přitom jsme schopni 100% restaurovat původní řadu. • Slovníková komprese. Vytvoření slovníku datových slov a jejich nahrazení v proudu dat hodnotou přiřazenou ve slovníku. Pro obrazová data je často používána slovníková komprese LZW (Lempel-Ziv-Welch).
4
30.1.2012
Důležité pojmy a definice Komprese grafických souborů Komprese ztrátová • Ztrátové algoritmy se využívají při kompresí obrazu, videa či zvuku a jsou založeny na vynechání informací, které nejsou pro lidské smysly tak důležité jako jiné informační složky daného média. Podle znalosti obsahu a jeho kontextu likviduje nepotřebné detaily.
Ukládání dat JPEG (Joint Photographic Expert Group) Ideální, a speciálně pro fotografii navržený formát pro ukládání fotografií.
Nedostatky JPEG 1. Formát JPEG nepodporuje bitovou hloubku 12, 14 ani 16 bitů, ale jen 8 bitů. 2. JPEG nepodporuje průhlednost (Transparency)
• Hlavní fakta zůstanou zachována, jemné detaily se však nenávratně ztratí. • Nikdy již není možné obnovit originál. • Když stoupá stupeň komprese, klesá kvalita neboli podobnost originálu a kopie.
3. Komprese má tendenci čáry a písmena zobrazovat „zubaté" a rozpít je a tím zhoršovat jejich vzhled a čitelnost. 4. JPEG nepodporuje animace (pohyblivé obrázky). 5. Komprese je vždy ztrátová, i když v praxi je možné tvrdit, že velmi malý stupeň komprese je absolutně nerozeznatelný např. od bezeztrátového TIFF. 6. Určitě riziko ztráty kvality hrozí při opakovaném ukládání do JPEG.
Ukládání dat JPEG 2000
Ukládání dat
TIFF (Tagged Image File Format).
Nový standard používající jinou metodu komprese a poskytující menší soubory (cca o 20 %) a přitom s vyšší kvalitou obrazu. 1.
Umožňuje též bezeztrátovou kompresi a je možně používat bitovou hloubku jak 8, tak i 16 bitů na kanál.
2.
Málo programů, které s ním dokáží pracovat.
1. Formát TIFF je standard pro vysoce kvalitní ukládání obrázků v tiskovém průmyslu. 2. Pracuje s 8bitovou i 16bitovou bitovou hloubkou. 3. Více obrázků či vrstev v jednom souboru. 4. Zcela bez komprese, nebo s bezeztrátovou kompresí LZW či ZIP. 5. Zachovává Exif informace i správu barev (ICC profil), a proto je ideální pro archivaci mezisouborů, které budou editovány později.
Ukládání dat
PNG (Portable Network Graphics). 1. Formát PNG může používat též paletu barev i 8bitovou a 16bitovou hloubku. 2. Používá bezeztrátovou kompresi a uchovává průhlednost i správu barev (ICC profil).
Děkuji za pozornost
3. Nepodporuje Exif!
5
30.1.2012
Poznámky k diskusi
Poznámky k diskusi
Shrnutí pravidel pro skenování Tónová předloha barevná
Perovková předloha
D=0 D=0,3 D=0,6
černobílá T =
dpi = z . lpi . qf
dpi = z . lpi . qf
Nastavení: 24 až 48 bitové barvy
Nastavení: 8 až 16 bitové stupně šedi
dpiinput = z . dpioutput Nastavení: 1 bit, nebo „černobíle“
1 Φ 1 ;T = 2 = Φ0 1 2
1 D = − logT = − log = log 2 = 0,3 2 6 EV = 6 clon = 6 × 0,3 D = 1: 26 = 1 : 64
Φ0 Φ
6
