Vstup obrazu včetně komprese

Vstup obrazu včetně komprese Snímače obrazů, čárové kódy a RFID

X36PZA Periferní zařízení M. Šnorek

Obsah přednášky • • • • • • •

Senzory pro přímý vstup optické informace. Skenery. Fotoaparáty/kamery včetně komprese. 2D čárové kódy, 3D čárové kódy, RFID. OCR.


Snímací prvky


Přehled snímacích prvků • • • • • •

CCD senzor (Charge Coupled Device), CMOS (Complementary MOS), moderní: Super CCD, Foveon. U skenerů také CIS (Contact Image Sensor), PMT (Photo Multiplier Tubes).


CCD - historie • 1971 – Bell Laboratories, – řádkové pole 96 x 1 pixel.

• CCD (Charge-coupled device). – Jméno je podle způsobu čtení informace po expozici.


Technologie CCD


Princip CCD Křemíkový MOS kondenzátor (dioda)


Příčný řez buňkou snímače CCD


Přesouvání náboje

Dvoufázové přesouvání náboje pod transportní hradlo


CCD - rysy • Výhody: – vysoký výkon a kvalita, – „zaběhnutost“ výroby.

• Nevýhody: – více různých napětí + vysoká spotřeba, – postupné čtení, – žádná integrovaná logika.


Skutečné (?) provedení


CCD konkurence • CCD – donedávna jediná možnost: – kvalita, výkon.

• CMOS – nový konkurent: – cena, spotřeba energie.

• Všimněte si: i CCD je MOS struktura. • CMOS (Complementary MOS) je jiná technologie výroby MOS! • Souboj desetiletí ??


CMOS • CMOS senzory (Complementary Metal Oxide Semiconductor) se vyrábí prakticky stejnými postupy, jako běžné procesory. • Tato technologie umožňuje integraci specializovaných obvodů, například ke stabilizaci nebo kompresi obrazu. • Nevýhodou dosavadních CMOS - malá citlivost na světlo. Nedostatek se řeší přidáním miniaturních čoček. • Výhoda: jediné napájecí napětí!


Super CCD SR – princip

Každá buňka je dělená na dvě. Tím simuluje rozdělení filmu na oblasti s vysokou citlivostí (velká část buňky) a s nízkou citlivostí (menší část buňky). (zdroj: www.fujifilm.co.uk/digital)


Foveon • Princip tohoto senzoru (ve srovnání s konkurenty):

Současná verze se označuje jako Foveon X3.


Skenery


Co je to skener? • Skener - externí zařízení připojitelné k počítači umožňující • převést předlohu do digitální podoby pro následné • počítačové zpracování.


Technologie a rozdělení skenerů • • • • •

Podle technologie snímacího prvku, podle technologického provedení, podle rozlišení, podle barevných vlastností, podle připojení k počítači.


Používané snímací prvky • • • •

CCD senzor (Charge Coupled Device), CIS senzor (Contact Image Senzor), PMT senzor (Photo Multiplier Tubes) laserový skener.


Principy barevného snímání • • • •

Skenování s barevnými filtry, skenování barevným světlem, skenování s paralelním rozkladem, skenování s využitím barevných CCD senzorů.


CIS skenery • Používají pouze jeden řádek senzorů, jež jsou umístěny co nejblíže snímané předloze. • Zdrojem světla jsou tři řádky LED diod v základních barvách, které jsou přímo integrovány do čtecí hlavy.


CIS vs. CCD • • • • • • •

Výhody: nemají složitý optický systém, snížené napájecí napětí na 5 V, nevyžadují ustálení světelného toku, jsou levnější, mají vyšší životnost snímací hlavy, jsou lehčí.


CIS vs. CCD • Nevýhody: • neumožňují snímat transparentní předlohy (diapozitivy a filmy), • mají nižší rozlišovací schopnost na tmavších plochách předlohy • při větší vzdálenosti předlohy od plochy skeneru (např. hřbet vázaného dokumentu) rychleji klesá osvícení.


PMT skenery • Na každou barvu mají jeden senzor (RGB model). Odpadají barevné chyby a tolerance, které mohou vzniknout použitím tisíců jednotlivých prvků. • Senzory jsou kalibrovatelné fotonásobiče (díky zesilování světla postihnou odstíny i velmi tmavých částí). • Konstruují se v bubnovém provedení.


Bubnové skenery • Skenované předloha se umisťuje z vnitřní strany průhledného skenovacího bubnu (bez uchycování). • Polohu fixuje odstředivá síla a vrstvička oleje, který po roztočení bubnu vytvoří tenkou vrstvu mezi předlohou a sklem bubnu. • Skenované materiály není nutné precizně čistit. • Nečistoty vytlačí z předlohy odstředivá síla a soustředí je v horní části bubnu.


Bubnové skenery • vertikální bubnový skener ICG 360


Laserový skener • Jedná se vlastně o jiné zařízení. Jeho účelem je – snímání čárových kódů, nebo – 3D snímání.

• Technologické provedení – aktivní bezkontaktní snímač, – pasivní bezkontaktní snímač, – kontaktní tužkový snímač.


Příklad technologického provedení • Červený laserový paprsek kmitá vlevo-vpravo přes čárový kód. • Vzpomínáte si na svůj poslední nákup v samoobsluze? • Vzdálenost kód - snímač může být až několik metrů. • Příklad provedení:


Rozlišení skenerů • Hardwarové (optické) rozlišení, • softwarové (interpolované) rozlišení, • udává se v bodech na palec - dpi (dots per inch).


Optické rozlišení • Rozlišení, kterého je skener schopen fyzicky dosáhnout. • Horizontální rozlišení je dáno počtem snímacích prvků v řadě, • vertikální rozlišení je dáno velikostí kroku mechanismu posunujícího snímací hlavu.


Softwarové rozlišení • Hodnota bývá vyšší než rozlišení optické, • předloha se snímá v rozlišení fyzickém. • Vyššího rozlišení se dosáhne softwarově dopočítáním obrazu a barev. • Skener se nesnaží o dokonalejší kvalitu obrazu, ale o jeho zvětšení, • může dojít k rozostření obrazu.


Možnosti připojení skenerů • Paralelní port, • SCSI řadič, • USB řadič, • bez připojení k počítači - pracují i samostatně.


Obrázkové kompresní metody jednotlivé snímky


JPEG - základní vlastnosti • JPEG - Joint Picture Expert Group, polovina 80. let. • Pracuje s barevným modelem YCbCr, do modelu RGB lze ale jednoduše přejít: – Y = 0,3R+0,6G+0,1B, – Cb= 0,5(B-Y)+0,5 a – Cr= 10/16(R-Y)+0,5. • Podvzorkování chrominancí.


Princip podvzorkování chrominancí


JPEG snímková komprese


JPEG - dvoudimenzionální kosínová transformace


JPEG dekomprese • Opačný postup, než je patrný z předcho-zího obrázku. • Komprese je (v podstatě) symetrická, dekomprese trvá stejně dlouho jako komprese.


Budoucnost JPEG • Kompresní algoritmus JPEG byl vybrán z cca 12 možných metod, přesto už dnes překonán. • JPEG 2000 - zásady – – – –

kvalitní komprese s nízkým bitovým tokem, ztrátová i bezeztrátová komprese, odolnost proti chybám, založen na vlnkové (wavelet) transformaci.


JPEG vs. vlnková komprese


Obrázkové kompresní metody videosekvence


MPEG • MPEG - Moving Picture Expert Group (expertní skupina vytvořená v roce 1988), • úkol: – vytvořit jednoduchý, levný a univerzálně použitelný kompresní standard. – Škálovaná koncepce (MPEG-1, … , MPEG-7).

• Zadání počítalo s nesymetrickou kompresí.


Princip MPEG komprese • Obsahuje kódovanou video- i audio- složku a nezbytné prostředky pro jejich rozdělení a synchronizaci, • je tedy nutné MPEG datový tok při dekódování rozdělit:


MPEG videokanál • Základním komprimovatelným prvkem videosekvence je snímek. • MPEG předpoklad: – mnohé informace se v následujících snímcích opakují. – Proto se (u některých snímků) ukládají jen rozdíly vzhledem k předcházejícím/následujícím.

• 3 druhy komprimovaných snímků (I-, P-, B-) • s typickým datovým objemem 15 : 5 : 2.


MPEG filozofie


MPEG terminologie • Skupina obrázků, videosekvence (GOP), • obrázek, • řez, • makroblok, • blok. • Obrázek je samovysvětlující:


Typy komprimovaných snímků: • I- snímek (Intra-Frame), – kóduje se samostatně (technikou JPEG).

• P- snímek (Forward Predicted Frame), – kóduje se s ohledem na předchozí I- nebo Ptechnikou pohybové kompenzace (Motion Compensation).

• B- snímek (Bi-directional Predicted Frame), – jako vztažný používá předchozí i následující I- nebo P- snímky.


I-, P-, B- snímky v MPEG


Mezisnímková komprese pohybová kompenzace


Jedna z metod hledání vektoru pohybu


Čárové kódy


Čárové kódy • Nejstarší a nejrozšířenější metoda automatické identifikace. • Kombinace tmavých čar a světlých mezer. • Data obsažená v čárovém kódu: – – – – –

číslo výrobku číslo objednávky místo uložení ve skladu sériové číslo datum výroby...


Čárové kódy - princip • Snímače čtou tmavé čáry a světlé mezery odražené od vytištěného kódu v červeném nebo infračerveném světle. • Světlo je tmavými čarami pohlcováno, světlými mezerami odráženo. • Rozdíly v odraženém světle se převádějí na elektrické signály, které odpovídají šířce čar a mezer. • Signály se převádějí ve znaky odpovídající příslušnému čárovému kódu. • Posloupnost čar a mezer je přesně dána použitým typem kódu.


Základní pojmy • Symbol Vlastní čárový kód, který začíná znakem znakem start, následují data s případným kontrolním součtem a na konci znak stop. Před ním a za ním musí být klidová zóna – místo bez potisku.

• Kódy souvislé (spojité) Souvislé čárové kódy začínají čarou, končí mezerou a nemají meziznakové mezery

• Kódy diskrétní Diskrétní čárové kódy začínají čarou, končí čarou a mezi jednotlivými znaky se nachází meziznaková mezera.


Čárové kódy - příklad • Informace kódována kódem Industrial 2/5, • numerický kód • proměnné délky, diskrétní • • tvořen – znakem Start – datovými znaky – znakem Stop

Kód každého znaku tvořen pěti čarami (3 úzké, 2 široké). Mezery pouze oddělují čáry, nenesou informaci.


Jednotlivé typy čárových kódů • • • • • • • • •

Code 39 a Code 39 Mod 43 U.P.C. A U.P.C. E0 a U.P.C. E1 EAN 13 a EAN 8 Code 93 Interleaved 2/5 a Interleaved 2/5 Mod 10 Code 128 Codebar MSI X36PZA Periferní zařízení M. Šnorek

Code 39 a Code 39 Mod 43 • Nejčastější čárový kód, vyvinut 1974. • První plně alfanumerická symbolika - umožňuje zakódovat číslice, písmena a některé interpunkční znaky. • Nepodporuje malá písmena. • Modifikace Code 39 Mod 43 obsahuje navíc kontrolní znak součet hodnot všech znaků řetězce modulo 43.

• Code 93 • Rozšíření Code 39. • Alfanumerická symbolika proměnné délky, souvislá, • kóduje všech 128 znaků ASCII – 43 znaků odpovídá Code 39.


EAN 13 a EAN 8 • European Article Numbering (EAN), • je nadstavbou U.P.C. • Snímače EAN dovedou dekódovat U.P.C., opačně to ale nemusí platit. • Numerický kód je pevné délky. • Správu kódu EAN na evropském teritoriu provádí nekomerční organizace EAN se sídlem v Belgii. Jejími dobrovolnými členy jsou národní komise EAN všech evropských zemí. • Česká republika má přidělen kód země 859.


Kódování znaků do kódů • • • • •

Příklad pro EAN 13: pevná délka kódu znaku (7 jednotek), kódování číslic 0 až 9, tři znakové sady, značené A, B a C. Symbol čárového kódu EAN 13 je uprostřed rozdělen dělicím znakem na dvě části, zvané pole.


První pole • Čárový kód EAN 13 najdete na obalu téměř každého zboží v obchodě. • Symbol bývá doplněn čitelnými číslicemi. • Pokud jsou první tři číslice 859, jedná se o zboží vyrobené v ČR. • Dekódování první číslice pomocí použitých sad, • 13. + 2 udává zemi, 4 výrobce.

Číslice

Znakové sady

Číslice

Znakové sady

0

AAAAAA

5

ABBAAB

1

AABABB

6

ABBBAA

2

AABBAB

7

ABABAB

3

AABBBA

8

ABABBA

4

ABAABB

9

ABBABA


Druhé pole • Číslo výrobku – 5 číslic, • 1 kontrolní číslice. Vypočte se jako suma číslic na sudých pozicích * 3 + suma číslic na lichých pozicích , výsledek se zaokrouhlí nahoru na celé desítky. Kontrolní číslice je rozdíl zaokrouhlené a původní hodnoty. • Příklad: Výpočet kontrolní číslice pro 859123412345 5+1+3+1+3+5 = 18, 18*3 = 54, 8+9+2+4+2+4 = 29 54+29 = 83 Zaokrouhleno:90, 90-83 = 7 Pro kód EAN 13 se tedy bude kódovat 8591234123457.


2D čárové kódy


Proč 2D? • Začaly být větší nároky: • obsáhnout větší množství informace, • zmenšit velikost kódu.


Historie 2D • 1984 –standard složený ze čtyř Code 39 skup. AIAG (číslo dílu, dodavatel, množství, sériové číslo).

• 1988 - Code 49 - Intermec Copr. první opravdový 2D kód. • 1989 - Code 16K - Ted Williams. • 1990 - PDF 417 - Symbol Technologies ⇒velká podoba s 1D čárovými kódy.


Historie 2D - II. • Od 90 let se začaly objevovat i další typy 2D kódů tvořené tzv. maticovým způsobem, – – – –

jako např. Data Matrix, MaxiCode, MiniCode; celkový přehled dále ..


• snímání jak ve vertikálním, tak horizontálním směru => nejsou vertikálně redundantní. • Minimální velikost místa pro zakódování dat, až 30x menší oproti 1D, • nesou 10 až 100 krát více informací než 1D, • techniky tisknutí stejné jako 1D kódů nebo přímé/permanentní značení na materiál, • možnost značení na světlo odrážející materiál • všesměrové vysokorychlostní snímání, • vysoká přesnost a spolehlivost opravy informací.


Dělení 2D kódů • Skládaný (Stacked) kód – vzniká skládáním 1D čárových kódů skládajících se z čar a mezer proměnné délky do horizontálních vrstev

• Maticový (Matrix) kód – kód je tvořen složením buněk ( modulů ) různého tvaru (čtverec, šestiúhelník, kruh) připomínající dvourozměrnou matice.


Přehled 2D kódů


Omezující faktory čárových kódů • Požaduje se přímá viditelnost, • trvanlivost, • dosah, • datová kapacita, • sekvenční čtení, • nemožnost zápisu.


RFID neboli Radio Freqeuncy Identification


RFID • Aktivní - napájeny z baterií, • pasivní - aktivovány čtecím zařízením. • Nízkofrekvenční - pomalejší; pracují na principu indukční vazby, • vysokofrekvenční - větší pracovní vzdálenost, větší, dražší.


RFID - princip činnosti


RFID běžné frekvence Electromagnetic Spectrum Electric Waves

Radio Waves

Infrared

Visible Light

Ultra Violet

XRays

Gamma Rays

Cosmic Rays

Radio Spectrum

9kHz

30kHz

VLF

LF

300kHz

3000kHz

MF

HF

Long Wave

Medium Wave

125134 kHz

300MHz

VHF

UHF

3000MHz

30GHz

SHF

Very Low Frequency Low Frequency Medium Frequency High Frequency

13,56 M hz

860930 M Hz

300GHz EHF

Short Wave VLF LF MF HF

The “RFI D ” Frequencies

30MHz

VHF UHF SHF EHF

3000GHz Not designated

Very High Frequency Ultra High Frequency Super High Frequency Extremely High Frequency

2,45 and 5,8 GHz


RFID and Barcodes Technology

Bar Code

RFID

RFI D Benefit Example

Line of sight requirement

Required

Not required

No need to orientate scanned items

Number of items that can be scanned

One

Multiple

Very fast inventory scan

Automation & Accuracy

Manual read errors & prone to misscanning

Fully automated and highly accurate

Error free inventory count

Identification

Only series or type

Unique item level

Targeted Recall

Data storage

Limited codes

Up to several kB data

Real time data access in any location

Capability


Microprocessor Cards Contactless Smart Card


Basic Operation 1. Tag enters RF field of Reader 2. RF signal powers Tag

Antenna

3. Tag transmits ID, plus data 4. Reader captures data 5. Reader sends data to computer 6. Computer send data to reader 7. Reader transmits data to tag

Computer

Reader

Tag on Item, box or pallet


RFID Tags & Packaging


Vstup obrazu včetně komprese

Recommend Documents