Digitalizácia obrazu: Pixely a rozlíšenie

Digitalizácia obrazu: Základné pojmy

• Pixel je základná jednotka digitálneho obrazu, pričom obraz je zložený z mnohých malých bodov, ktoré sa nazývajú pixely
• Rozlíšenie určuje počet pixelov na obrazovke alebo v obrázku
• Vyššie rozlíšenie znamená väčší počet pixelov a tým aj detailnejší obraz
• Farebná hĺbka udáva počet bitov použitých na reprezentáciu farby každého pixelu
• Čím viac bitov je použitých, tým viac farieb sa môže reprezentovať

Pixel

• Pixel je základná jednotka digitálneho obrazu v zariadeniach ako digitálne kamery, fotoaparáty a displeje
• "Pixel" je skratka pre "picture element", čiže obrazový prvok
• Každý pixel je malá časť celkového obrazu
• Zodpovedá za zachytenie a zobrazenie farby a intenzity svetla na danom mieste obrazu

Rozlíšenie

• Udáva celkový počet pixelov v obrázku, bežne šírka x výška
• Napríklad, rozlíšenie 1920x1080 znamená 1920 pixelov na šírku a 1080 pixelov na výšku
• Vyššie rozlíšenie umožňuje zobraziť viac detailov a vytvára ostrejší obraz.

Farebná hĺbka

• Známá aj ako bitová hĺbka alebo bitová hustota
• Vzťahuje sa na počet bitov použitých na reprezentáciu farby jedného pixela v obraze
• Väčšia farebná hĺbka umožňuje bohatšiu a podrobnejšiu reprezentáciu farieb
• Napríklad 8-bitová farebná hĺbka reprezentuje 256 farieb (2^8), zatiaľ čo 24-bitová približne 16,7 milióna farieb (2^24)
• Niekedy označovaná aj ako farebná paleta, vyjadruje skôr súbor farieb dostupných v digitálnom dokumente
• Najpoužívanejší je model RGB, v ktorom sa pomocou kombinácie farebnej hĺbky priraďujú číselné kódy farbám

Zachytávanie obrazu digitálnym snímačom

• Svetlo vstupuje do snímača z rôznych zdrojov
• Mikrošošovky koncentrujú svetlo na fotodetektory, čím zvyšujú zachytené svetlo a efektívnosť snímača
• RGB farebné filtre (Bayerov filter) prepúšťajú len červenú (R), zelenú (G) alebo modrú (B) farbu
• Každý pixel je citlivý len na jednu z týchto farieb
• Fotodiódy premieňajú svetlo na elektrický náboj, ktorého intenzita závisí od farby a intenzity svetla filtrovaného cez RGB filtre
• Elektrický náboj z fotodiód je zosilnený a spracovaný obrazovým procesorom, ktorý vyhodnotí signály, kombinuje ich a vytvorí kompletný obraz

Snímače: CCD vs. CMOS

• CCD (Charge-Coupled Device) snímače prenášajú náboj postupne z jedného pixela na druhý
• Majú vysokú kvalitu obrazu, lepšie zachytávajú detaily a majú menej šumu, hlavne pri slabom osvetlení
• Sú drahšie na výrobu a majú vyššiu spotrebu energie
• Boli prvým typom snímača
• CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) snímače majú obvody priamo pri každom pixelu, čo umožňuje rýchlejšie spracovanie a nižšiu spotrebu
• Majú porovnateľnú kvalitu obrazu s CCD a sú lepšie pre video a akčné fotografie, kde je potrebná rýchla sekvenčná snímka
• Sú lacnejšie na výrobu a energeticky efektívnejšie
• Predstavujú štandard pre väčšinu digitálnych fotoaparátov a smartfónov

Štandardné rozlíšenia

• 640x480 (VGA) - klasické rozlíšenie používané v počiatkoch počítačov a monitorov
• 800x600 (SVGA) - bežné rozlíšenie monitorov v polovici 90. rokov
• 1024x768 (XGA) - používané na počítačových monitoroch a projektoroch
• 1280x1024 (SXGA) - populárne pred príchodom širokouhlých monitorov
• 1366x768 (HD) štandardné rozlíšenie pre ekonomické notebooky a televízory
• 1600x900 (HD+) - používané v niektorých moderných notebookoch
• 1920x1080 (Full HD alebo 1080p) - súčasný štandard pre HDTV
• 2560x1440 (QHD alebo WQHD) - obľúbené na herných monitorov a high-end smartfónoch
• 3840x2160 (4K, UHD alebo 2160p) - štvornásobok Full HD
• Rýchlo sa stáva štandardom pre televízory a monitory
• 7680x4320 (8K) - šestnásťnásobok Full HD a jedno z najvyšších rozlíšení

Farebná Hĺbka - Príklady

• 1-bit (Bitová Mapa): 2 farby (čierna a biela)
• 4-bit (VGA): 16 farieb (štandardná VGA paleta)
• 8-bit (256 farieb): 256 farieb (indexované palety)
• 15-bit (Highcolor): 32 768 farieb (5 bitov na červenú, zelenú a modrú)
• 16-bit (Highcolor): 65 536 farieb (5 bitov na červenú, 6 na zelenú a modrú)
• 24-bit (Truecolor): 16 777 216 farieb (8 bitov na červenú, zelenú a modrú)
• 32-bit (Truecolor s alfa kanálom): 16 777 216 farieb + alfa kanál pre priehľadnosť
• 32-bitová často zahŕňa alfa kanál, ktorý umožňuje priehľadnosť pixelov a je používaný v grafickom dizajne a vývoji hier

Model RGB

• Základný farebný model používaný v elektronických systémoch na zobrazenie a zachytenie obrazov
• R (Red) - červená
• G (Green) - zelená
• B (Blue) - modrá - základné farby modelu

Princíp RGB modelu

• Každá farba je tvorená kombináciou červenej, zelenej a modrej
• Mení sa intenzita základných farieb, čím sa vytvára široká paleta farieb
• Farby sa vytvárajú pridaním svetla rôznych farieb (aditívne miešanie farieb)

Model CMYK

Základný farebný model používaný v tlačiarenskom priemysle

• C (Cyan) - azúrová
• M (Magenta) - purpurová
• Y (Yellow) - žltá
• K (Key) - čierna - základné farby modelu

Princíp CMYK modelu

• Každá farba je tvorená kombináciou azúrovej, purpurovej, žltej a čiernej
• Pri tlačení sa farby vytvárajú odobratím svetla (subtraktívne miešanie farieb)
• Mení sa intenzita základných farieb, čím sa vytvárajú rôzne farebné tóny a odtiene pre presnú tlač
• Čierna farba zvyšuje hĺbku a detaily obrazu a vytvára tmavšie tóny

Tvorba farieb v RGB modeli:

• Intenzita každej farby sa vyjadruje číslom od 0 do 255 (8-bitová farebná hĺbka)
• 0 - žiadna intenzita
• 255 - plná intenzita
• Napríklad, čistá červená - (255, 0, 0), plná intenzita pre červenú a žiadna pre zelenú a modrú
• Kombináciou rôznych úrovní intenzity sa vytvárajú nové farby
• Všetky tri základné s plnou intenzitou (255, 255, 255) - biela farba
• Všetky tri intenzity na nule (0, 0, 0) - čierna farba
• Žltá - plná intenzita červenej a zelenej (255, 255, 0)
• Azúrová (Aqua) - plná intenzita zelenej a modrej (0, 255, 255)
• Purpurová (Fuchsia) - plná intenzita červenej a modrej (255, 0, 255)
• RGB modely sú dôležité pre pochopenie, ako digitálne zariadenia zachytávajú a zobrazujú farby
• Sú kľúčové pre prácu v digitálnom dizajne a počítačovej grafike

Rastrová Grafika

• Reprezentácia - tvorené pixlami usporiadanými v mriežke
• Pixel má farbu a umiestnenie
• Škálovateľnosť - stráca na kvalite pri zväčšení
• Formáty - JPEG, PNG, BMP a GIF
• Vhodná pre fotografie a obrázky s komplexnými farbami a textúrami

Vektorová Grafika

• Reprezentácia - matematické objekty (body, čiary, krivky)
• Objekt má farbu, tvar a veľkosť
• Škálovateľnosť - plne škálovateľná bez straty kvality
• Formáty - SVG(Scalable Vector Graphics), AI (Adobe Illustrator), EPS (Encapsulated PostScript)
• Logá, ikony, nápisy a iné škálovateľné grafické prvky

Využitie rastrovej grafiky

• Fotografie
• Grafický dizajn (plagáty, brožúry, letáky)
• Webdesign (obrázky, fotorafie, pozadia)
• Digitálna maľba
• Videohry (grafické prvky)
• Tlačoviny (knihy, časopisy, plagáty)
• Lekárske obrazy (röntgenové snímky, CT, MRI)
• Vedecká vizualizácia

Využitie vektorovej grafiky

• Grafický dizajn (logá, nápisy, ikony)
• Branding a identita značky
• Webový dizajn (ikony, grafické prvky),
• Animácie (2D animácie, infografiky)
• Inžinierstvo a CAD (technické výkresy a plány)
• Kartografie (mapy a geografické informačné systémy)
• Matematické grafy
• Lekárstvo (diagramy a ilústrácie)
• Architektúra a interiérový dizajn (návrhy budov a interiérov) Oba typy grafiky sa dajú využiť pre rovnaké oblasti, záleží na konkrétnom využití a často sa využíva aj kombinácia oboch typov grafík

Komprimovanie obrázkov

• Proces, ktorý znižuje množstvo dát pri zachovaní informácií
• Bezstratová kompresia
• Obnovenie bez straty informácií
• ZIP, gzip alebo PNG
• Stratová kompresia
• Obetuje sa časť informácií, ale dosiahne sa kompaktnejšia reprezentácia audia aj videa
• MP3, JPEG alebo H.264

Rastrové grafické formáty

• Bezstratová kompresia - PNG (Portable Network Graphics), TIFF (Tagged Image File Format), BMP (Bitmap), GIF (Graphics Interchange Format), WebP
• Stratová kompresia - JPEG (Joint Photographic Experts Group), WebP, JPEG 2000, JPEG XR
• Bez kompresie - RAW, BMP (Bitmap), TGA (TARGA – Truevision Advanced Raster Graphics Adapter)

Farebný model HSV

• H-odtieň (Hue) - farba ako taká (0-360 stupňov, červená je 0, zelená 120 a modrá 240)
• S-sýtosť (Saturation) - intenzita, čistota farby (0-100%, nízka sýtosť vyzerá bledšie)
• V-jas (Value) - ako je farba svetlá alebo tmavá (0-100%, 0 je čierna)

Základné pojmy pri spracovani zvuku

• Analogovy signal, spojity v case a moze mat akukolvek hodnotu
• Digitalizacia- analogovo/digitalna konverzia
• Vzorkovacia frekvencia (sampling rate)- pocet vzoriek zvukoveho signalu zaznamenanych za sekundu
• Bitova hlbka- pocet bitov ulozena kazda vzorka
• Kvantizacia-zaokruhlovanie hodnoty kazdej vzorky
• Pulsno kodov modulacia- digitalizacia analog signalu signal sa vzorkuje kvantuje a koduje to binarnej formy
• Kompresia-redukuje velkost zvukoveho suboru a moze byt stratova alebo bezstratova
• MIDI-technologicky standard synhronizovanie a hudobnym nastrojom

Frekvencia a počuteľné spektrum

• Frekvencia vznika periodou vlny a jej jednotkou je Hertz (Hz)
• Dlzku doby T ukazuje cas za ktiry vlna zvovvykona cele kmitanie
• ludske ucho vnima frekvencie 20 Hz-20 kHz
• Infrazvuk- zvuky nizsie ako 20Hz
• Ultrazzvuk-zvuky s vyssou frekvenciou nez 20khz

Frekvencie a tonove rozsahy hudby a hlasu

• Diagram ukazuje tonovy rozsah klavesov a frekvenciami pre kazdu klavesu
• Klavesnica je rozdelena do viac octav
• Farebne bloky znazornuju hudobsne nastroje a spievacki hlas
• rozsah maju nizske tony a kolko maju vysoke tony

##Proces digitalizacie zvuku

• Analogovysi signal-povodny zvokovy signal je neprerusity v case a amplitude
• Proces vzorkovania- meranie amplitudy analogove signalu v pravidelnich intervaloch
• Kvantizacia- prevradza kazdu yzorku no najbližšej hodnoty, v preddefinovanych sadou urovni
• Ulozenia v binayovej farbe- su kvantizovane udaje prevedene no a binarni cisla
• Kompresia - zamerana no znizenie velkosti digiatlneho zvukoveho suboru

Proces digitalizácie zvuku

• Znázorňuje, ako sa analógový signál mení späť na analógový
• PCM dekodér
• Nízkopriepustný Filter (Low-pass filter) vyhadzuje zvukove časti a je pod určitou frekvenciu
• Analogovy signal, je uz pripraveny no prehravanie

Výpočet veľkosti

• Vzrec znazorneny na vypocet velkosti digitalyzvaneho zaznamu a je tu uvedna dlzka zvukovej informacia
• Vzorcovacia frekvencia × Počet bajtov na vzorku × Kvalita × Dĺžka v sekundách =Veľkosť v bajtoch

Kvalita záznamu digitalizovaného zvuku

• Telefonna, hovory postačujuca
• Rozhlasava, bitov mono
• CD kvalita, bitov srereo
• DVD kvalita, bitov sourround sound
• Tabulka ukazijuje zvisujucim rozlisenim a vitsim zvykom kanalom sa zvisuje kvalita

Formáty digitalizovaného zvuku

• Wav-bezztratovy
• mp3- stratovy
• acc- stratový
• flac-bezztratovy bez znehodnotenia
• Alac.bezztratoby, podobny flac optimalizivany pre system aplie
• Alff-bezztratoby kodovovam pre Apple
• Ogg-stratoby-alebo bezstratovy a pristupny kazdemu
• WMA- stratoby, pre windovs

MIDI – Musical Instrument Digital Interface

• Digitalne rozhranie na pouzitie nahravanie zvuku, pre posielanie infiomaciami
• MIDI set je pripojeny knootbook a klavesem, kontrola softveru sluzi no kompozici

Zvuková karta

• Znázorňuje schému pripojenie z vukove karty do radia
• Ľavá strana je diagram z označovaniom vstupu a výstupu a port pre MIDI
• Zvukova karta pripojena k CD rom mechanike josticko-v
• Pava strana realny obraz z roznim pripojeniamy
• Celkove znázorne na zostroie medzi rostimiami zariadeniami

Softver na upravu zvuku

• Audacity- multiplatformový, open-source zvukovoy editor
• umožnuje nahradavanie, upravu a množstvi efelto
• podpor pre viacero zvukovzh formatou

ulohy

• Z pixabay ziska 2 zvukove subory
• do formatu wav exportuje jende subor do roznich nastaveniach
• upravy 2 zvukove subory mixnite, zmněťy,rychlosť a pod

Digitálne video

• Úzke prepojenie s grafikov, sú postupnosti rotravych obrazkvo a grafika na to poskytuje zakladne bloky
• Serial rychlo zobrazyhucich staticych obrazkvo (rámky)
• Frejm ukuzuje napriklad kolko 30 alebo 60. snimkov
• Spojenie sa vzorovanim, kazdy frame je ovycajny obrazok a na to vyuzivame vsetky známe princýpy
• Mame tiez zvukov stopu
• Farebnu modely ako RHb rozlisemim pocet pixelov z bitou no pixel
• Tie video subory musia byt sinchronyzované, codi vyjadruje casová os
• A do jedneho subory to davane pomocu kontajnera na video, audia a dalsi udajov
• metadaty- informacie pormerov

Kompromitácia

• bez komprimovani kazdej frejm jivelky
• stratova - odstranuje nadbytočne infocacie, vnimaju oko (napr h264)
• beztatova- zachovava vsetko, ale su veľký(napriklad Huuv)
• kodedy/ su softverove nastroje, co kodu a ty dekoduju
• Intra fram komprosia- kompresia v ramci framov, ako a jpeg
• Inferfame komporiosa - pomacaou klucových snimkov
• interframe je pre video no strih, kde je potrebny pristip k jednotlim snimkov
• pouyizva sa o profissionalyich video formátoch

Full I-Frames

Compression using P-Frames

Prehľad základných pojmov digitalizácie obrazu. Vysvetlenie pixelov ako základných jednotiek obrazu a ich vplyvu na rozlíšenie. Pochopenie farebnej hĺbky a jej významu pre kvalitu obrazu.