FAV-ZCU/KIV UPG/04. Základní bitmapová grafika.md

Základní bitmapová grafika

Bitmapová grafika

Bitmapový (rastrový) obrázek

• vytvářen většinou vstupních zařízení (fotoaparát, kamera, scanner, ...)
• vzniká také rasterizací vektorové grafiky
• obrázek je složen z matice MxN diskrétních pixelů
  • interně jednorozměrné pole
  • pro přístup k pixelu [i, j] nutno spočítat index

Pixel = picture element = obrazový element

• nese informaci o barevné hodnotě
• přímé uložení
  • většina používaných formátů
  • barevná hodnota uložena na fixní počet bitů (nejčastěji 24)
• nepřímé uložení
  • hodnota pixelu v poli je index do tabulky barev (palety)
  • vhodné pro obrázky s malým počtem unikátních barev (GIF)
  • nejčastěji 256 nebo 4096 unikátních barev + 8/12 bitový index
• mnoho bitmapových formátů či knihoven z důvodu urychlení požaduje, aby 1. pixel i-tého řádku začínal vždy na začátku bytu - za posledním pixelem i-tého řádku tedy může být několik nevyužitých bitů

Modelování reálného světa

Cíl modelování

• zachytit reálnýá svět vstupním zařízením
• vytvořit umělý model inspirovaný reálným světem
• zobrazit model (obrázek) na výstupním zařízení

Fotorealistické modelování

• snaha, aby lidské vnímání světa počítačové grafiky bylo totožné s vnímáním reálného světa

Lidské oko

• světelné zdroje emitují fotony
• pokud fotony viditelného světla dopadnout na sítnici oka, dochází k vizuálnímu vjemu
• sítnice (retina)
  • tyčinky
    • extrémní citlivost (už při 1 fotonu)
    • nejcitlivější na modrozelené světlo (cca 505 nm)
    • dlouhá setrvačnost
    • noční vidění
  • čípky
    • málá citlivost (až při stovkách fotonů)
    • denní vidění
    • krátká setrvačnost
    • tři typy: L, S, M (každý na jinou vlnovou délku)

Jas

• skalární veličina
• ovlivněn vlnovou délkou (modrá žárovka se jeví tmavší než bílá)
• oko vnímá hodnoty od tisícín po tisíce Cd \cdot m^{-2}
• současná zařízení (LCD, tiskárny) však produkují hodnoty jasu jen velmi omezené
• kontrast
  • = poměr mezi nejsvětejší a nejtmavší hodnotou, kterou zařízení zvládne
  • výrobci uváděné kontrasty jsou obvykle nerealistické
  • v praxi jsou kontrasty úplně jinde
  • důsledek: černou a bílou na různých zařízeních vnímáme různě
• jas není vnímán lineárně ($L = I^{0.4}$)
• jak vnímán v kontextu okolí

Barva

• fotony různé vlnové délky vnímány jako různě barevné
• výsledná barva složena mozkem podle podráždění jednotlivých typů čípků
• barva vnímána v závislosti na kontextu

• relativní podráždění čípků: hodnoty L, M, S
• vnímaný jas B = L + M + S
• vnímaná barevnost C = (L/B, M/B, S/B)

• důsledek: lidské oko je podstatně citlivější na jas než na barvu

Matematická reprezentace barvy

CIE xy

• standardizovaný matematický model barevného prostoru
• libovolný barevný odstín popsatelný dvojicí reálných čísel x, y
  • směs různých vlnových délek
• používá se pro definování alternativních reprezentací barvy

Ideální obrazovka

• 1 zobrazovací element může vysílat (emitovat) fotony o libovolné vlnové délce
• rychlost emitování fotonů lze velmi dobře řídit (libovolný jas)
• fyzikálně obtížně realizovatelné

Současné reálné obrazovky

• pixel zobrazován několika málo zobrazovacími elementy
• realističnost zobrazení závisí zejména na
  • volbě typů zobrazovacích elementů, tj. jaké vlnové délky mají fotony, které elementy emitují (barevný rozsah)
  • schopnosti zobrazovacích elementů emitovat různě velké množství fotonů za jednotku času (jasový rozsah)
• pro napodobení většiny reálných barev postačí červený (R), zelený (G) a modrý (G) zobrazovací element (RGB barevný prostor)
• počet fotonů, který má element emitovat za jednotku času, určen relativně na intervalu 0.0 - 1.0
• problém
  • volba základních barev R, G, B se liší podle výrobce
  • různá zařízení mají různý zobrazovací gamut
  • částečným řešením je zavedení standardizovaného teoretického barevného systému RGB
    • dochází ke transformaci teoretických hodnot na hodnoty displeje
    • ne vždy musí být barva na zařízení reprodukovatelná

sRGB

• = standardizovaný barevný systém
• základní barvy odpovídají "průměrným" základním barvám v zobrazovacích zařízeních
• příliš omezený pro moderní zařízení

scRGB

• barevný sytém od Microsoftu a HP
• definice shodná s sRGB
• hodnoty r, g, b omezeny na -0.5 až 7.5 místo 0.0 až 1.0
• bohatší barvy

Tiskárny

• zcela odlišný přístup (papír je bílý, potřeba modifikovat množství odraženého světla)
• barviva CMY
  • C (cyan, azurová) - pohltí R
  • M (magenta, purpurová) - pohltí G
  • Y (yellow, žlutá) - pohltí B
• barviva nejsou čistá, smíšení nedokonalé
• z těchto barviv nelze namíchat černou - vyřešeno přidáním K (černé)

CMYK

• barevný prostor o trojici/čtveřici čísel (c, m, y, k)
• čistota barev podle výrobce

Barva nemůže být reprezentována v počítači jedním univerzálním způsobem.

• barvy je možné mezi systémy převádět
• může dojít ke ztrátě v důsledku odlišnosti gamutů

Barevné systémy

RGB

• barevný systém používaný zobrazovacími i vstupními zařzeními
• nativně užíván v bitmapových obrázcích
• hojně rozšířený (jako sRGB)
• problém: specifikace barvy není intuitivní

CMY(K)

• pro tiskové účely

HSV

• hue - odstín (0 - 360 stupňů)
• saturation - sytost (0 - 1)
• value - jas (0 - 1)
• jednodušší na zadání

Grafické knihovny obvykle umožňují zadáním RGB i HSV složek.

YCbCr, YCoCg, CIE Lab

• jasová složka separována (Y, L)
• barevnost ve zbývajících složkách
• výhodné pro kompresní účely (využívá citlivosti oka na jas)

Ukládání barvy

• potřeba uložit v podporovaném formátu (omezená přesnost)
• desetiné datové typy
  • přesnější
• celočíselné datové typy
  • často používané
  • omezenější přesnost, ale úspornější
  • fixní počet bitů

8 bitů (byte)

• rozsah 0 - 255
• u RGB je to 16.7 miliónu různých barev
• nejrozšířenější, pro většinu aplikací postačuje

High-Color

• RGB barva ve 2 bytech
• dvě možnosti
  • jeden bit volný (např. pro průhledný/neprůhledný)
  • 5 bitů pro R a B, 6 bitů pro G
• jen 32768 nebo 65536 barev

scRGB

• hodnota x \in (-0.5, 7.5) uložena na 16 bitech jako 8192 \cdot x + 4096
• 48 bitů na pixel (případně 64 při použítí 16 bitů pro průhlednost)

12, 14 nebo 16 bitů

• 4096, 16384 nebo 65536 úrovní
• obvykle ukládáno na 2 byty
• nejvyšší bity se nepoužijí
• používá se např. ve filmovém průmyslu

Digitalizace barvy

• vstupní zařízení obsahují fotocitlivé senzory na základní barvy (nejčastěji RGB)

Diskretizace jasového rozsahu

• proces kvantizace
• jasový rozsah rozdělen na m úrovní
• skutečná hodnota zaokrouhlena na hodnotu nejbližší úrovně

Uniformní diskretizace

• nejjednodušší, nebere v úvahu lidské vnímání

Neuniformní diskretizace

• jasová hodnota podrobena gama korekci L = I^{0.4}
• ukládám L místo I (skutečná hodnota jde zjistit jako $I = L^{2.5}$)
• prováděno automaticky většinou zařízení
• menší chyba reprezentace obrazu

Formáty bitmapové grafiky

• typicky obsahují hlavičku následovanou daty (pixely)
• hlavička
  • signatura formátu
  • rozlišení obrázku
  • počet barevných složek a počet bitů každé
  • způsob uložení dat (komprese, little/big endian)

BMP

• podporován většinou graf. knihoven
• základ (nejrozšířenější část)
  • bezeztrátový formát
  • RGB barevný systém
  • podpora palety o 1, 16 nebo 256 barev
  • podpora přímé reprezentace barev
    • 16 bpp (HighColor), 24 bpp (TrueColor) nebo 32 bpp (TrueColor)
• podpora průhlednosti v režimu 32 bpp (není standardní)
• data mohou být i obrázek v PNG nebo JPEG

GIF

• podporován většinou graf. knihoven
• bezeztrátový formát
• data komprimována LZW slovníkovou metodou (delší sekvence nahrazeny kratšími)
• RGB barevný systém s paletou 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 nebo 256 barev
• podpora průhlednosti (binární) a animací
• malá velikost, vhodné pro internet

PNG

• mnoho aplikací podporuje pouze částečně
• bezeztrátový formát
• data komprimovaná slovníkovou metodou
• RGB(A) barevný systém
  • paleta o 2, 4, 16 nebo 256 barvách
  • přímá reprezentace o 1, 2, 4, 8 nebo 16 bitů na barevnou složku
• podpora úplné průhlednosti
• vhodné pro rastrovanou vektorovou grafiku
• nevhodné pro zašumělá data (fotografie)

JPEG

• ztrátový formát (využití nedokonalosti lidského zraku)
• degradace kvality obrazu
• kompresní poměry 5:1 až 20:1
  • velká komprese = viditelné artefakty
• barevný systém YCbCr
  • přímá reprezentace barvy, TrueColor
• komprese založená na diskrétní kosinové transformaci následované kvantizací a RLE + slovníkovou kompresní metodou
• nepodporuje průhlednost
• vhodné pro fotografie určené k archivaci
  • JPEG (s EXIF) obvyklým výstupem z digitálních fotoaparátorů
• nevhodné pro uložení obrazu, který
  • bude postupně upravován
  • bude rozpoznáván počítačem