Rastrový obraz. Dvourozměrná matice bodů (pixelů) Bitová hloubka definuje maximální počet odstínů

RASTROVÝ OBRAZ

Rastrový obraz 

Dvourozměrná matice bodů (pixelů)  

z nichž každý nabývá určitých hodnot podle typu obrazu tvoří souvisle vyplněnou oblast (rastr)

Bitová hloubka definuje maximální počet odstínů

http://homepage.ntlworld.com/lynnfo/educatio/fileswor/filesw03.html

Rastrový obraz 

Obraz barevného prostoru 



definován 3 kanály R, G, B

Kanál 

představuje barevné složky 



vytvářející rastrový obraz

složen z pixelů 

bitová hloubka kanálu definuje maximální počet odstínů kanálu

http://www.libpng.org/pub/png/spec/iso, http://www.webstyleguide.com/wsg2/graphics/displays.html

Monochromatický obraz 

Pixel obrazu: zhasnuto, rozsvíceno 

1 bit

http://www.webstyleguide.com/wsg2/graphics/displays.html

Indexový mód 

Pixel obrazu: index do barevné palety 

obvykle 1 B nebo 3 B

http://www.webstyleguide.com/wsg2/graphics/displays.html

TrueColor 

Pixel obrazu: přímo barva  (r,g,b) 

neindexový mód

http://www.webstyleguide.com/wsg2/graphics/displays.html

Indexový mód 

Paleta (mapa barev)  

hodnota pixelu = umístění do převodní tabulky převodní tabulka  

index reprezentován bytem (28 = 256 barev) nebo 3 B (216 = 65 536 barev)

Indexový mód 

1bitová barva (21 = 2 barvy) 



2bitová barva (22 = 4 barvy) 



odkaz do palety s odstíny šedi

Pseudocolor (8 bit)  



EGA, nejnižší používaný standard VGA ve vyšším rozlišení

Greyscale 



CGA

4bitová barva (24 = 16 barev) 



monochromatické, často černobílé

odkaz do palety s odstíny RGB (8-8-8) (256×256×256=16 777 216 = 224) 1 B na všechny kanály dohromady, proto výběr pouze 28 = 256 z celkově možných 224 barev

Direct Color (24 bit) 

odkaz (r,g,b) do 3 barevných palet  

V pixelu 3 hodnoty, obvykle 24 bit snadná změna všech barev bez změny rastru obrazu

Černobílý obraz 

Podle počtu bitů na pixel:



1-bit 21 = 2 



2-bit 22 = 4 



monochromatický (černobílý) obraz

CGA, Macintosh

8-bit 28 = 256 

odstíny šedi (static grey)

CGA 

Color Graphic Adapter 



Textový režim 



IBM 1981 40×25 a 80×25 v 24 = 16 barvách

Grafický režim 

320×200 pixelů při v 22 = 4 pevně zvolených barvách Barevná paleta CGA 1. možnost

Barevná paleta CGA 2. možnost

default

5 — magenta

default

4 — red

3 — cyan

7 — white (light gray)

2 — green

6 — brown (orange)

EGA 



Default EGA 16-color palette Color rgbRGB Decimal 0 — black (#000000) 0 0 Enhanced Graphics 1 — blue (#0000AA) 1 1 Adapter 2 — green (#00AA00) 10 2  1984 IBM AT 3 — cyan (#00AAAA) 11 3 4 — red (#AA0000) 100 4 4-bit RGB(I) 5 — magenta (#AA00AA) 101 5  I = intenzita 6 — brown (#AA5500) 10100 20 4  2 = 16 barev 7 — white / light gray (#AAAAAA) 111 7 3  (2 × 2 intenzity) 8 — dark gray / bright black (#555555) 111000 56  při rozlišení 640×350 9 — bright blue (#5555FF) 111001 57 bodů 10 — bright green (#55FF55) 111010 58 11 — bright cyan (#55FFFF) 111011 59 12 — bright red (#FF5555) 111100 60 13 — bright magenta (#FF55FF) 111101 61 14 — bright yellow (#FFFF55) 111110 62 15 — bright white (#FFFFFF) 111111 63

Barevný obraz 

8-bit na pixel (3-3-2) 

3 bity na R a G, 2 bity na B 

 



B menší citlivost

8×8×4=256 VGA, Super VGA

12-bit na pixel   

28 = 256

212 = 4 096

4 bity (16 barev) na barevný kanál 16×16×16=4 096 Silicon Graphics, Amiga

Barevný obraz – True Color  

High Color 15-bit 









5 bitů (32 barev) na barevný kanál 32×32×32=32 768

16-bit 



216 = 65 536

5 bitů na R a B, 6 bitů G (větší citlivost) 32×64×32=65 536

18-bit 

215 = 32 768

218 = 262 144

6 bitů na barevný kanál 64×64×64=262 144

http://www.diycalculator.com/popup-h-console.shtml

Barevný obraz – True Color  

True Color 24-bit 

8 bitů (256 barev) na barevný kanál 







256×256×256=16 777 216

32-bit 

224 = 16 777 216

232 = 4 294 967 296

8 bitů na každý barevný kanál + 8 bitů pro α-kanál optimalizace rychlosti

Deep Color 

30/36/48-bit RGB 

1 073 741 824, 68 719 476 736, 281 474 976 710 656

http://www.diycalculator.com/popup-h-console.shtml

Příklady

4b

1b

Příklady

True Color

8 b (3-3-2)

Barevné hloubky Barevná hloubka 3-3-2

High Color High Color True Color True Color

Počet bitů

R

G

B

A

8b

3

3

2

-

16 b 16 b 18 b 24 b 32 b

5 5 6 8 8

6 5 6 8 8

5 5 6 8 8

1 8

KOMPRESE OBRAZU

Komprese rastrového obrazu  

Vysoká paměťová náročnost (roste kvadraticky s rozlišením) Obrovské množství formátů dáno:    



Kompresní metody:  

 



historicky vazbou na aplikaci technickými důvody rozdílnou metodou komprese Run length encoding (RLE) – bezztrátová, PCX (ZSoft PaintBrush) Huffmanovo kódování (CCIT) – bezztrátová, TIFF slovníkové kódování (LZW) – bezztrátová, GIF, PNG, ZIP, ARJ diskrétní kosinová transformace (DCT) – ztrátová, JPEG

Hlavička souboru, definice palety a další doplňující informace se nekódují

Komprese rastrového obrazu 

Obrázek  



Video (30 fps, 720×480) 





bez komprese ~ 3 MB JPEG ~ 200 kB bez komprese ~ 21 MBps (31 s/CD) MPEG ~ 74 min/CD (VHS kvalita)

Parametry   



kompresní poměr kvalita rekonstrukce složitost implementace, rychlost přenosové zpoždění

Originál, 108,5 kB

o 92 % inf. méně, 4,82 kB

o 84 % inf. méně, 9,37 kB o 98 % inf. méně, 1,14 kB

Run length encoding (RLE, RLC)   

„Kódování délky běhu“, bezztrátová; PCX, JPEG (pomocná) Předpoklad: opakují se hodnoty sousedních pixelů Provádí se zápis:  



Příklad: 



wwwwwwwkkwwwwwwbbbbrrrwwwwwwwwwwwbbb  7w2k6w4b3r11w3b

Zpracování po řádku  



úplně jiná komprese po otočení o 90° vodorovná čára efektivní, u svislých ne

Možnost záporné komprese 



čítač (počet stejných pixelů) vlastní hodnota barvy (která se opakuje)

v případě neopakujících se pixelů

Možnost ztrátové RLE 

když se sousední pixely liší málo, nahradí se stejnou hodnotou http://www.siggraph.org/publications/newsletter/volume-41-number-4/afis-data-compression

Huffmanovo kódování (CCIT)  

Navrženo pro přenos čb. dokumentů faxem, dnes i JPEG Provedení kódování RLE 



Seřazení znaků podle četnosti 



často používané symboly mají kratší kódy

Další příkazy  



přiřazení několikabitových kódů písmenům

Opakovače nahrazeny Huffmanovými kódy 



úseky opakujících se pixelů

FILL (vyplň do konce řádku) pro odolnost proti poruchám kódy EOL a RTC

Zdokonalená metoda 

sleduje se změna i oproti předchozímu řádku

http://www.ams.org/featurecolumn/archive/compression5.html

Příklad Huffmanova kódování  

Setřídění podle četnosti; např. (a, b, c, d) (obvykle relat.) Sečtení posledních dvou (c + d = 5)  



Sečtení posledních dvou (cd + b = 9) 



výsledek opět zařadíme podle velikosti (a, bcd). až dojdeme k celkovému součtu (rel. 1) (a + bcd = 20).

Posledním dvěma znakům přiřadíme kódové znaky 1, 0 



a (1)

1 vyšší pravděpodobnost (a), 0 nižší (bcd)

Opakování – zpětný postup (cd ~ 1, b ~ 0)  

dokud nepřiřadíme kódové znaky všem zdrojovým znakům Výsledný kód znaku je sestaven ze znaků 1 a 0 podle toho, jak se daný znak seskupoval s ostatními znaky

bcd (0)

cd (1)

Další opakování 



abcd

výsledek zařadíme podle velikosti mezi ostatní (a, cd, b) (11, 5, 4)

c (1)

b (0)

d (0)

znak

četnost

kód

a

11

1

b

4

00

c

3

011

d

2

010

Slovníkové kódování 

Obecná metoda  



pův. LZ77, vylepšená LZW (Lempel-Ziv-Welch) známá ze ZIP či RAR

Předpoklad: některá slova se v textu vyskytují častěji 

 

jsou ukládána do slovníku ve výstupním řetězci jsou nahrazena odpovídajícími kódovými slovy začíná se od písmen abecedy, slova se zvětšují a pokračuje se do vyčerpání místa slovníku 

obvykle 212 položek; pak se buď reorganizuje (uvolní se ty položky, které se málo vyskytují) nebo se zvětší

Příklad slovníkového kódování 

blablablalalb 



nejprve všechny znaky

Postupné prohledávání celého souboru 

část rozdělíme na dvě posuvná okna 



první tvoří historii, ve druhém hledáme posloupnost znaků, která se už vyskytuje v okně historie

pokud již obsaženou posloupnost najdeme, nahradíme ji kódem 

(o kolik znaků zpět, délka sekvence)

fráze

kód

b

1

l

2

a

3

bl

4

la

5

ab

6

bla

7

alb

8

lal

9

lalb

10

http://www2-fs.informatik.uni-tuebingen.de/~reinhard/datkom/LZW_Applet.html

Diskrétní kosinová transformace – JPEG 

JPEG File Interchange Format (JFIF) 



Joint Photographic Experts Group

Optimalizováno pro fotografie 

předchozí metody neefektivní pro barevné obrázky s mnoha přechody 



Vhodná ztrátová komprese 



snížení kvality na 75 % většinou nejde zrakem rozeznat, kompresní poměr však značný (20:1 až 25:1) není vhodná pro obrazy s nižším barevným rozlišením a pro čb. obrázky 



u kvalitních obrázků nejsou stejné sousední pixely

vhodné tiff, gif, png

Rychlost zobrazení miniatur    

rozdělení obrázku na oblasti 8×8 členy oblastí rozděleny podle důležitosti nejdůležitější člen (DC) se zapisuje samostatně, ostatní se komprimují 8× menší obrázek se dá vykreslit ihned

JPEG, DCT 

Forma DFT 



1. Transformace bar. prostoru: RGB →YCBCR 



obrazová data považována za vzorky spojitých funkcí naměřených v diskrétní síti pixelů lidské oko je citlivější na detaily ve složce Y (jas) než CB(blue) a CR(red)

2. Redukce barev (downsampling)   

pouze barevné složky, komponenta Y se nemění 2h1v: průměrování sousedních dvojic (6 → 4 B; ušetří 33% prostoru) 2h2v: průměrování čtveřic – nejčastěji (12 → 6 B; ušetří 50% prostoru)



3. Data rozdělena do čtverců 8×8, každý čtverec podroben DCT



4. Diskrétní kosinová transformace

JPEG, DCT 



matice 8×8 je popsána jako kombinace 64 čtverců

odečte se 256/2 = 128

JPEG, DCT 

provede se DCT



výsledek DCT

u, v prostorová frekvence (od 0 do 8)

JPEG, DCT 

5. Kvantování koeficientů DCT 

stanovuje se ztráta informace 



a stupeň komprese

vydělení Fourierova obrazu kvantizačním činitelem 

prvky kvantizační tabulky dané komisí JPEG



zaokrouhlení



příklad (DC člen)

JPEG, DCT 

Výsledek kvantování 

řídká matice 8×8



DC člen (vlevo nahoře)  



největší vliv stejnosměrná složka harmonického rozkladu

AC členy  

ovlivňují vyšší frekvence čím dál od DC jsou méně významné

JPEG, DCT 

6. Kódování  

využívá se toho, že matice je řídká zapíše se DC a zbytek je kódován 

Hufmanovým nebo aritmetickým kódováním („zigzag“ order)

původní segment

po dekomprimaci

JPEG obrázek s rozdílnou mírou ztrátovosti komprese

JPEG 

Progresivní JPEG   



Standardní JPEG ("Baseline") 



načítány progresivně načteno nejdříve v malém rozlišení a postupné zjemnění o něco většívelikost, menší podpora načítány shora dolů

Photoshop 

Save As 



kvalita 0 – 12

Save for Web   

optimalizováno bez EXIF kvalita 0 – 100

JPEG 2000 

Diskrétní vlnková transformace 



discrete wavelet transform, DWT

Výhody     

odstranění viditelných makropixelů 8×8 lepší komprese (až o 20%) při menší ztrátě kvality odolnost proti chybám progresivnost načítání podpora 256 datových kanálů 



definice oblastí zájmu (ROI) 

 



stejné barevné výstupy na monitoru i na tiskárně, průhlednost některé regiony obrazu možno kódovat s větší kvalitou

ztrátová i bezztrátová komprese lepší správa EXIF

Obdélníkové dlaždice libovolné velikosti

Porovnání JPEG a JPEG 2000 při stejné velikosti obrazu a vysokém stupni komprese

Graphics Interchange Format (GIF) 

 

Paleta a 1 byte na pixel Slovníkové kódování (LZW84) Výhody 

více obrázků v jednom souboru 



možnost prokládání řádků 



po získání ¼ objemu zobrazen náhled

Nevýhody  



každý může mít vlastní paletu

maximální počet současně použitých barev palety je 256 fa CompuServe (formát) a Unisys (kódování) zpoplatňovala

Verze 

Formát GIF87a, verze GIF89a navíc podpora průhledné barvy, animací, metadat

GIF – příklad obrázku (1 pixel) Offset 00 06 08 10 11 12 13 16 19 20 22 24 26 28 29 30 31 33 34

Sekvence 47 49 46 38 39 61 01 00 01 00 80 00 00 ff 80 00 ff ff ff 2c 00 00 00 00 01 00 01 00 00 02 02 44 01 00 3b

Význam bytové sekvence signatura GIF a verze – řetězec '89a' šířka logické obrazovky: jeden pixel výška logické obrazovky: jeden pixel bitové pole: povolení globální barvové palety index barvy pozadí poměr výšky a šířky pixelu: 1÷1 první barva v paletě: oranžový odstín druhá barva v paletě: čistě bílá značka začátku rámce x-ová pozice levého okraje rámce: nultý sloupec y-ová pozice horního okraje rámce: nultý řádek šířka rámce: jeden pixel výška rámce: jeden pixel bitové pole: bez palety, bez prokládání a animace počáteční velikost LZW kódu v bitech-1 velikost bloku zakódovaného pomocí LZW zakódovaná data rámce (1 pixel s nulovým indexem) ukončovací znak bloku zakódovaného pomocí LWZ ukončovací znak GIF souboru: znak ';'

Portable Graphics Network (PNG)   

Mnoho barevných rozlišení Bezztrátové slovníkové kódování (LZ77) Předzpracování každého pixelu     





None (není upravován) Sub (uložen rozdíl od předchozího vlevo) Up (uložen rozdíl od předchozího nahoře) Average (uložen průměr daného pixelu a sousedů vlevo a nahoře) Paeth (uložena algoritmem získaná hodnota ze souseda vlevo, vlevo nahoře a nahoře

Na každý řádek lze aplikovat jinou metodu pro zlepšení komprese  poté LZ77 Dvourozměrné prokládací schéma 

po přenesení malého počtu dat je možné rozlišit obrázek

Portable Graphics Network (PNG) 

True Color 



Informace o průhlednosti možno uložit až v 16 bitech 



až 16 bitů na barvu

míchání obrazů

Nemožnost jednoduchých animací 

jediná nevýhoda oproti GIF

Typ indexed (color type 3) greyscale (color type 0) greyscale & alpha (color type 4) truecolor (RGB: color type 2) truecolor & alpha (RGBA: color type 6)

Bity 1 1 -

2 2 -

4 4 -

8 8 16 2×8 2×16 3×8 3×16 4×8 4×16

Struktura PNG 

Hlavička 8 B 



vždy stejná

Jednotlivé sekce (chunk) 

s vlastní hlavičkou 4 B

Byte

Význam bytu

89

byte s nejvýše nastaveným bitem; detekce podpory 8 bitového přenosu dat

50 4E 47

ASCII řetězec „PNG“ – identifikace formátu

0D 0A

konec řádku (CRLF); detekce náhrady za jinou sevenci

1A

byte zastavující výpis souboru v DOS

0A

detekce konce přenosu (LF)

Animované PNG 

Multiple-image Network Graphics – MNG 

při vývoji PNG (1995) rozhodnuto nepodporovat 

 

2001 specifikace MNG podpora 



u gif v té době nevyužíváno

Konqueror, ostatní pomocí pluginů (Mozilla do 2003)

APNG  

neoficiální formát PNG s podporou animací, 2004 zpětná kompatibilita s PNG 

 

zobrazí pouze první obrázek

standardizace odmítnuta (2007) podpora 

Mozilla, Opera animovaný .png soubor

Porovnání 

JPEG 

fotografie a fotorealistické vizualizace   



PNG  



menší ztrátová komprese speciálně navržená pro fotografii PNG má ve stejné kvalitě až 5-10× větší soubory

text, čárová grafika, čisté barevné plochy a ostré rozhraní barev průsvitnost

GIF 

jednoduché animace

Tag Image File Format (TIFF) 

Ukládání snímků určených pro tisk 



neoficiální standard; 1986 fa Aldus, pův. pro čb. skenery, faxy

Variabilita formátu 

různé komprese 



Uložení více obrázků do jednoho souboru 



několik stránek dokumentu jeden soubor

Možnost zpracovávat obraz po částech 



bez komprese, RLE, LZW, ZIP, JPEG

vhodné pro extrémně velké obrazy

Struktura   

Image File Header – hlavička souboru Image File Directory – adresář souboru bitmapová data

Targa (TGA) 

Truevision (dnes Pinnacle Systems) 

podpora alfa kanálu 



Komprimovaná forma 



komprese RLE nebo Huffman

Volná forma  

varianta bez komprese umožňuje zapsat obraz pixel po pixelu 



1 nebo 8 bitů

vhodné pro programátory

Výhody   

jednoduchost realistická grafika ukládání a načítání textur

Struktura TGA Hlavička 18 B rozlišení, orientace, kódování

Paleta nepovinná

Rastrová data po řádcích

lze nastavit obrácené pořadí

Offset 0 1 2 3 5

Název IDLength ColorMapType ImageType CMapStart CMapLength

7 CMapDepth 8 10 12 14

XOffset YOffset Width Height

16 PixelDepth 17 ImageDescriptor

Význam položky velikost obrazového identifikátoru typ barevné mapy typ obrázku počátek barevné palety délka barevné palety bitová hloubka položek barevné palety X-ová souřadnice počátku obrázku Y-ová souřadnice počátku obrázku šířka obrázku uvedená v pixelech výška obrázku uvedená v pixelech počet bitů na jeden pixel (bitová hloubka) popisovač obrázku

BMP (Microsoft Windows Bitmap) 

Někdy i DIB (Device-Independent Bitmap) 

 

1, 4, 8, 24 bit/px

Extrémní jednoduchost, ale nehospodárnost 



obdoba XBM a XPM

Interní formát Windows i OS/2 Podpora 4 formátů 



MS, IBM, 1988,

bez komprese nebo RLE

Nevýhody  

množství rezervovaných a zbytečných položek v hlavičce v barvové paletě rezervovány 4 B  



špatná komprimační metoda  



poslední není možné použít (ani pro alfa-kanál) od XP možno, ale ne všechny programy nefunguje pro truecolor (pouze indexový mód) někdy i nárůst velikosti

vykreslování odspodu (pův. IBM)

Struktura BMP

Hlavička souboru BITMAPFILEHEADER

Název struktury

Význam

BITMAPFILEHEADER

hlavička BMP souboru

BITMAPINFOHEADER

informační hlavička o obrázku

RGBQUAD[]

tabulka barev (paleta)

BITS

pole bitů obsahujících vlastní rastrová data (pixely)

Název bfType

14 B bfSize

bfReserved1 bfReserved2 bfOffBits

Délka Význam 2 B Identifikátor formátu BMP, kód znaků „BM“ 4 B Celková velikost souboru s obrazovými údaji Některé aplikace ignorují a dosazují nulu 2 B Rezervováno (0) 2 B Rezervováno (0) 4 B Posun struktury BITMAPFILEHEADER od začátku vlastních obrazových dat.

Struktura BMP Hlavička obrazu BITMAPINFOHEADER 40 B

Název biSize biWidth biHeight biPlanes

Délka Význam 4 B celková velikost datové struktury BITMAPINFOHEADER 4 B šířka obrazu v pixelech 4 B výška obrazu v pixelech 2 B počet bitových rovin pro výst. zařízení – vždy 1

2 B celkový počet bitů na pixel (hodnoty 1, 4, 8, 24) 4 B typ komprimační metody obrazových dat 0 (BI_RGB), 1 (BI_RLE8) nebo 2 (BI_RLE4) biSizeImage 4 B velikost obrazu v bytech (pokud nekomprimovaná, může být 0) biXPelsPerMeter 4 B horizontální rozlišení výstupního zařízení v pixelech na metr (většina aplikací vkládá 0) biYPelsPerMeter 4 B vertikální rozlišení výst. zařízení v pixelech na metr (většina aplikací vkládá 0) biClrUsed 4 B celkový počet barev použitých v bitmapě; nejčastější 0 je maximální počet barev biClrImportant 4 B počet barev, které jsou důležité pro vykreslení bitmapy; nejčastější 0 –všechny barvy důležité) biBitCount biCompression

WebP 

Nový formát od Google (2010)  

plánovaná konkurence JPEG, snížení velikosti až o 40 % základem intra-frame komprimace WebM 



zamýšlená jako možná náhrada flash videa

Predikce 



založen na knihovně x264 předpovězení hodnot pixelů podle okolí, uložení chyby

http://www.root.cz/clanky/ma-novy-formatwebp-od-google-sanci-nahradit-jpeg/

RAW 

Minimálně zpracovaná data  



přímo ze snímače digitálního fotoaparátu bez použití interpolace

Třída souborových formátů  

každý výrobce implementuje jinak vlastní přípona    





Canon .crw a .cr2 Nikon .nef Olympus .orf Minolta .mrw Panasonic .raw

není přímo použitelný jako obrázek 

ale obsahuje všechny potřebné informace k jeho vytvoření