Obraz Cyfrowy. Teoria obrazu. Bogdan Kami�ski Wydawca: Multimedia Vision sp. j. Copyright � 2003 by Multimedia Vision sp. j. Wszelkie prawa zastrze�one! Powielanie, kopiowanie i rozpowszechnianie niniejszej publikacji lub jej cz�ci w jakikolwiek spos�b (w tym elektroniczny) bez zgody Wydawcy zabronione. Spis tre�ci 1. Wprowadzenie 5 2. Istota orygina�u analogowego 6 2.1. Tonalno�� 6 2.2. Ci�g�otonalno�� 8 2.3. Kreska 8 3. Istota obrazu cyfrowego 9 3.1. Piksel 9 3.2. Kana� obrazowy 11 3.3. Budowa kana�owa obrazu kreskowego .. .12 3.4. Budowa kana�owa obrazu w skali szaro�ci .13 3.5. Budowa kana�owa obrazu barwnego 14 3.6. G��bia bitowa 15 4. Rozdzielczo�� 18 4.1. Poj�cie rozdzielczo�ci 18 4.2. Rozdzielczo�� orygina�u analogowego ... .18 4.3. Rozdzielczo�� obrazu cyfrowego 19 4.4. Rozdzielczo�� interpolowana obrazu 21 5. Rejestrowanie obrazu cyfrowego 23 5.1. Czujniki fotoelektryczne 23 5.2. Przetwornik analogowo-cyfrowy 24 6. Zapis obrazu cyfrowego 25 6.1. Format TIFF 25 6.2. Format JPEG 26 6.3. Format GIF 28 3 Spis tre�ci 7. Obj�to�� obrazu cyfrowego 28 7.1. Obliczanie obj�to�ci obrazu 29 7.2. Przeliczenia wielko�ci obrazu 30 7.3. Ograniczanie wielko�ci obrazu 31 7.1. 1. WPROWADZENIE Obraz cyfrowy mo�e powstawa� m.in. w wyniku skanowania lub fotogra- fowania cyfrowego. Mimo, �e na naszym rynku jest dost�pna (chocia� niewielka) literatura na temat powy�szych zagadnie�, to okazuje si�, �e teoria i praktyka tych zagadnie� s� stosunkowo ma�o znane. �wiadcz� o tym chocia�by reprodukcje, wykonane ze �le zeskanowanych lub cyfrowo sfotografowanych orygina��w. Niek�trzy uwa�aj�, �e skoro kupili nowoczesne urz�dzenie, np. skaner lub cyfrowy aparat fotograficzny, to wszystko �samo si� dobrze zrobi". Niestety, nie jest to takie proste. Aby uzyska� cyfrowy obraz optymalnej jako�ci, trzeba potrafi� w pe�ni wykorzysta� wszystkie mo�liwo�ci urz�- dze�, z kt�rymi mamy do czynienia. Celem niniejszego podr�cznika jest przybli�enie u�ytkownikowi zagadnie� zwi�zanych z tworzeniem, budow� i parametrami obrazu cyfrowego, aby przy jego pozyskiwaniu (w wyniku skanowania czy fotografowania cyfro- wego) m�c �wiadomie i maksymalnie wykorzysta� mo�liwo�ci oferowane przez urz�dzenie. Zdobyta wiedza pozwoli tak�e podejmowa� w przysz�o- �ci w�a�ciwe decyzje dotycz�ce nabycia analogicznego sprz�tu, ale o pa- rametrach bardziej nam odpowiadaj�cych. Zagadnienia b�d� przed- stawione zar�wno od strony teoretycznej jak i praktycznej. Tworzenie obrazu cyfrowego w wyniku skanowania lub fotografowania cyf- rowego wynika z analogicznych przebieg�w tych proces�w i z tych samych teoretycznych podstaw. R�nica tkwi tylko w odmiennych urz�dzeniach realizuj�cych powy�sze procesy. Dla procesu skanowania adekwatnymi urz�dzeniami s� skanery, a dla fotografowania cyfrowego - cyfrowe aparaty fotograficzne, o kt�rych b�dziemy m�wili aparaty cyfrowe1'. Najwa�niejsze, �e w obu procesach z orygina��w analogowych (tzw. ory- gina��w) powstaj� obrazy cyfrowe (tzw. obrazy). Podr�cznik wprowadza pewn� terminologi�, kt�ra jest naturalna w oma- wianych procesach. Niekt�re nazwy nie maj� polskiego pochodzenia, ale przyj�y si� w naszym j�zyku i funkcjonuj�. B�d� jednak podawane zna- czenia termin�w obcych. Podr�cznik nale�y czyta� kolejno, gdy� zrozumie- nie kolejnych tre�ci bazuje na podanych wcze�niejszych wiadomo�ciach. 1. W odniesieniu do aparatu cyfrowego funkcjonuje te� nazwa kamera cyfrowa, ale nazwa ta mo�e by� myl�ca z nazw� kamera cyfrowa wideo, dlatego b�dziemy unikali tego nazewnictwa. 5 Obraz cyfrowy Teoria obrazu 2. ISTOTA ORYGINA�U ANALOGOWEGO Orygina�y analogowe (orygina�y) s� to materialne obiekty, kt�re mog� wy- st�powa� pod r�nymi postaciami. Dla procesu skanowania orygina�ami s� najcz�ciej p�askie odbitki i negatywy fotograficzne, przezrocza, obra- zy malarskie, rysunki i grafiki wykonane odr�cznie. Dla fotografowania cyfrowego orygina�ami s� najcz�ciej tr�jwymiarowe przedmioty i osoby wyst�puj�ce w okre�lonym otoczeniu. Okazuje si� ponadto, �e niekt�re orygina�y, charakterystyczne dla fotografowania cyfrowe- go, mog� by� tak�e orygina�ami dla skanowa- nia. Oznacza to, �e na niekt�rych skanerach (p�askich), wyposa�onych w tzw. uk�ady CCD, mo�na otrzymywa� obrazy cyfrowe z obiekt�w tr�jwymiarowych, odstaj�cych od szyby skane- ra na kilka centymetr�w. Skaner pe�ni wtedy rol� fotograficznego aparatu cyfrowego. Rys. 2.1 Obraz malarski zna- komicie nadaje si� zar�wno do fotografowania jak i ska- nowania Przyk�adowe orygina�y analogowe powszech- nie u�ywane w skanowaniu lub fotografowaniu cyfrowym przedstawiono na rysunkach od 2.1 do 2.5. 2.1. TONALNO�� Cech� charakterystyczn� orygina��w s� tonal- no�ci, czyli wyst�powanie tego samego koloru w r�nych odcieniach. Tonalno�� orygina�u po- winna zosta� odwzorowana w obrazie cyfro- wym uzyskanym -zar�wno przy pomocy skanera jak i aparatu cyfrowego. Skanery i aparaty cyf- rowe realizuj� t� funkcj� w identyczny spos�b, o czym powiemy dalej. Rys. 2.2 Je�li s� to realne obiekty, wtedy nadaj� si� do fotografowania, a gdy odbitka - do skanowania Na przedstawionych ilustracjach 2.1 - 2.4 to- nalno�ci wyst�puj� we wszystkich orygina�ach, Ale tonalno�ci nie wyst�puj� na oryginale zna- czka (rysunek 2.5), mimo �e efekt tonalno�ci dostrzegamy ogl�daj�c rzeczywisty znaczek pocztowy. Dzieje si� tak dlatego, �e reprodukc- ja (tak�e i ten podr�cznik) wykonana jest z ma- 6 I Istota orygina�u analogowego Rys. 2.3 Typowy orygina� do fotografowania, ale tak�e (niezbyt wysoki obiekt) mo�na go bezpo- �rednio skanowa� skanerem z uk�adem CCD Rys. 2.4 Typowe orygina�y do skanowania (negatywy i slajdy), z kt�rych obrazy b�d� mia�y jako�� odpowiada- j�c� parametrom skanera i skanowania Rys. 2.5 Orygina� (znaczek pocztowy) mo�liwy do ska- nowania stosuj�c spec- jalne procedury le�kich punkt�w rastrowych, wydrukowanych tylko 4 farbami, o kolorach CMYK (cyan, magenta, yellow, black). Jak to si� dzieje, �e postrzegamy tonalno��, kt�rej w rzeczywisto�ci nie ma? Tonalno�� z obrazu cyfrowego zostaje odwzorowana na wydruku po zastosowaniu procedur, kt�re zale�� od techniki drukowania. I tak, przy drukowaniu cyfrowym, np. na drukarkach atramentowych lub laserowych, tonalno�� odwzorowana jest w postaci sta�ej wielko�ci (sta�ej �rednicy) male�kich punkt�w, kt�rych ilo�� na jednostkowej powierzchni zmienia si�. Natomiast przy drukowaniu na klasycznej maszynie drukarskiej to- nalno�� odwzorowuje si� przez analogiczne punkty rastrowe pokryte far- b�, lecz, w tym przypadku, to ich wielko�� (�rednica) jest zmienna przy zachowaniu sta�ych odleg�o�ci pomi�dzy punktami. W obu przypadkach biel niezadrukowanego pod�o�a rozja�nia po�o�ony na punktach kolor barwnika, tonera lub farby, daj�c z�udzenie ja�niejsze- go odcienia (z�udzenie tonalnosci). Je�eli punkty rastrowe maj� wi�ksz� g�sto�� na jednostkowej powierzchni (z drukarki komputerowej) lub s� wi�ksze (z maszyny drukarskiej), wtedy odwzorowujemy ciemniejszy ton koloru, a je�li maj� mniejsz� g�sto�� lub s� mniejsze - ton ja�niejszy. Na rysunku 2.6 przedstawiono odwzorowanie kilku ton�w koloru czar- nego punktami rastrowymi w sta�ych odleg�o�ciach, ale o r�nej wielko�- ci (wydruk z maszyny drukarskiej). S� to odcienie szaro�ci. Rysunek za- wiera obszary jednolitych tonalnosci, a pod nimi powi�kszone 10 razy fragmenty tych obszar�w, aby mo�na by�o zaobserwowa� zmian� wielko�- ci punkt�w rastrowych symuluj�cych na wydruku powy�sze tonalnosci. Obraz cyfrowy Teoria obrazu 10% 20% 30% 60% 70% 80% 90% 100% Rys. 2.6 Ta sama barwa (czarna) odwzorowana na maszynie drukarskiej z r�nymi tonal- no�ciami, g�ra: odcienie szaro�ci i d�: powi�kszone fragmenty tych odwzorowa� 2.2. Cl�G�OTONALNO�� Dla orygina��w fotograficznych i wi�kszo�ci obiekt�w naturalnych cech� charakterystyczn� s� ci�g�otonalno�ci, czyli ci�g�e, a nie skokowe, prze- chodzenie od jednej do innej barwy (w tym od jednej tonalnosci do innej dla tej samej barwy). M�wi�c o ci�g�otonalno�ciach nie dotykamy zagad- nie� mikrostruktury, kt�ra dla �nieuzbrojonego" oka jest niezauwa�alna. Na ry- sunku 2.7 przedstawiono przechodzenie od jednej bar- wy do innej w spos�b ci�g�y Rys 2 7 Ci�g�otonalno�� (g�ra) ,? skoki tonalne i skokowy. (d�) dla barw widma �wiat�a bia�ego �wiat�oczu�e materia�y fotograficzne utworzone s� z substancji chemicz- nych, zwanych halogenkami srebra. Podczas procesu tworzenia warstwy �wiat�oczu�ej halogenki mog� grupowa� si�, tworz�c tzw. struktur� ziar- nist� materia�u. Podczas wykonywania zdj�cia w klasycznym aparacie fo- tograficznym, co nazywa si� ekspozycj� materia�u, a nast�pnie procesu wywo�ywania, uwalniane jest srebro, kt�re odwzorowuje obraz. Srebro mo�e tak�e grupowa� si�, tworz�c ziarnist� budow� wywo�anego mate- ria�u. Ziarnisto�� mo�e by� wi�c r�na i jest zale�na zar�wno od u�ytego materia�u �wiat�oczu�ego, jak i proces�w jego wywo�ywania. Tworzy to wspomnian� mikrostruktur�, w kt�r� nie b�dziemy si� wg��bia�. Wa�ne jest, �e wywo�ane srebro w r�nym stopniu zaciemnia prze�witu- j�c� klisz� lub bia�y papier fotograficzny. Czym srebra jest wi�cej, tym ciemniejszy punkt jest odwzorowany. Te r�ne zaciemnienia daj� na kliszy lub papierze odwzorowanie fotografowanej ci�g�otonalno�ci. 2.3. KRESKA Mog� tak�e wyst�powa� orygina�y, kt�re s� zbudowane tylko z jednej lub kilku barw. Nie wyst�puj� �adne odcienie kolor�w tworz�cych obraz. Ma- 8 Istota orygina�u analogowego. Istota obrazu cyfrowego my wtedy do czynienia z obrazami monobarwnymi (np. czarno-bia�ymi) lub kilkukolorowymi (np. obszary tylko niebieskie, pomara�czowe i z�ote). Wtedy nie wyst�puje tonalno��, czy ci�g�otonalno��, i m�wimy, �e jest to kreska. Na rysunku 2.8 przedstawiono orygin...
siomak