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圖形影像的介面與處理

圖形、影像的基本觀念影像的擷取、處理、壓縮

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數位圖形與影像的描述• 向量圖(vector based image) ：圖形 (Graphics)

– 用一種命令來描述圖形。– 繪圖程式 (draw program) ： AutoCAD 、 Corel Draw 、 3DS

MAX

– 檔案小– 工程製圖、廣告設計、電腦輔助設計 (CAD) 、地圖等

• 點陣圖(bit-mapped image) ：影像 (image)

– 描述畫面中每一個圖素的亮度或顏色。– 畫圖程式 (paint program) ：小畫家、 Photo Shop

– 影像檔：檔案大， PCX 、 BMP 、 TIFF 、 TGA 、 GIF

影像分類• 黑白 ( 二元化 ) 影像 (Binary images)• 灰階影像 (Gray-scale images)• 彩色影像 (Color images)

• 靜態與動態影像

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點陣圖重要參數• 影像尺寸

– 影像的大小，例如 320*200

• 彩色空間– 顏色描述的方法（或稱顏色模型），有 RGB （紅綠藍）、 CMYK （青澄黃黑）、

YUV 、 YIQ 。• 位元平面 (bit plane)

– 一個位元所展開的平面。若 (R,G,B)=(3,3,2) ，則紅色就佔 3 個位元平面。• 最大顏色數

– 彩色影像各分量 (R 、 G 、 B) 所佔的位元平面數總和的位元空間。若(R,G,B)=(3,3,2) ，則有 256 色。

• 影像資料容量– 影像所佔的空間（以 byte 為單位） = 影像寬度 * 影像長度 * 影像深度 /8

顏色的原理

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常用的向量圖檔格式• WMF ： windows metafiles ，可嵌入點陣圖檔。• DRW ： micrografx 公司所建立的格式，內含數學運算式。• CDR ： Corel Systems 公司的 Corel Draw 所使用的格式。• EPS ： Encapsulated Post Script file ， Adobe Systems 公司所開發

的格式，可包含點陣圖檔。• DXF ： Draw-Exchange files ， Autodesk 公司的 AutoCAD 中所使

用的格式。• FLI ： Autodesk 公司的動畫檔格式。• FLC ： Autodesk 公司的動畫檔格式。• PCI ： Lotus 1-2-3 產生的檔案格式。

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常用的點陣圖檔格式• BMP ： Microsoft windows BMP ， Microsoft windows 的原始檔。• DIB ： Device Independent Bit map ， Microsoft windows 的原始

檔和目的檔。• TGA ： Truevision 公司定義的格式，採用 RLE 無失真壓縮方法。• PCX ： Z-soft 公司定義的格式，採用 RLE 無失真壓縮方法。• GIF ： Graphics Interchange Format ， Compuserve 公司開發的格

式，使用 LZW 無失真壓縮技術，一個 GIF 檔可以有多幅彩色影像。

• TIF ： Tag Image File Format ， Aldus 和 Microsoft 公司為掃描器所定的格式。

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掃瞄器 Scanner

• 光學成像• 機械傳動• 轉換電路• 介面種類 Parallel, SCSI, USB• 解析度 Optical resolution• Color calibration 顏色量測校正• One-pass/3-pass• 搭配軟體

了解掃瞄器

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數位相機 Digital Camera

• Resolution• Storage capacity• Media:

- Compact Flash- Smart Media

• Zoom• LCD Viewer• Interface

了解數位照相機

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影像捕捉卡

• Source: VCR, TV, Camcorder…• A/D conversion• NTSC -> MPEG

EZCapture

BallEyE

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影像處理軟體

• Photoshop, PhotoImpact, ImagePals, Paint Shop Pro….

• 基本功能 : brightness, contrast, hue, saturation 等調整

• 進階功能 : filters, thumbnail, file management, output format, GIF 動畫… ..

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動畫• 人眼的視覺暫留。• 把一系列的逐漸變化的圖形分別一張張的拍攝，然後

以每秒 24 張的速度連續播放。• 美國迪士尼 (Disney) 公司最有名。• 電腦動畫：電腦在起始和終點兩張『關鍵偵』間插入

數張逐漸變化的偵（ frames) 。• 魔鬼終結者 II 、侏羅記公園、玩具總動員

資料重複 ( 多餘 )性

• 編碼重複 ( 多餘 ) 性 Coding redundancy ：出現機率較大的資料用較短的碼來取代

• 像素間重複 ( 多餘 ) 性 Inter-pixel redundancy ：由於相鄰影像點的重複性高，可利用已知的影像點來推導相鄰的影像點

• 視覺心理重複 ( 多餘 ) 性 Psychovisual redundancy ：由於視覺上的盲點，可去除影像中醫些微小的變化而不會影響視覺效果

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影像壓縮的標準• JPEG

– Joint Photographic Experts Group – 灰度影像及彩色影像的壓縮標準

• JBIG– 二值影像或圖形的壓縮標準

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JPEG 影像格式

Joint Photographic Experts Group

• 失真式壓縮• 適用於各種灰階 , 彩色影像• 不適用於黑白影像• 可調整影像品質 ( 壓縮比 )

• 有 Blocking effect

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JPEG 工作原理• 以 Discrete Cosine Transform 為基礎 • 將影像切割為 8x8 區塊作轉換• Quantization ( 量化 )

• Encoding( 編碼 )

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JPEG 工作原理

DCT QUANTIZER( 量化 )

ENTROPY

QUANTIZER TABLE

HUFFMAN TABLE

8x8 ImageBlock

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Quantization 量化• 依據人眼視覺系統之特性 , 對轉換後之

DCT 係數進行 adaptive Quantization

• 用 Zigzag 折線掃描法將 2D 資料轉成 1D資料 (why?)Y(0,0)->Y(0,1)->Y(0,2)->Y(1,1)->Y(2,0)->Y(3,0)-….->Y(7,7)

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Encoding 編碼• 經 Zigzag 後的 1-D 資料再以

Huffman encoding (lossless compression)壓縮

• 出現機率高的以較少位元來表示• 出現機率低的以較多位元來表示

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解壓縮的過程• 收到 1-D data stream

• 以 Entropy Decoding 排回原來 8x8 係數

• De-quantization

• Inverse DCT

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JPEG 2000

• Uses new "wavelet" technology for improved compression (20% better) and less degradation than current JPEG's.

• Level of interest access—user controls how much resolution to download. Lossless save will be possible too.

• Increased capacity for color information.

• Improved metadata capability

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相關網站• JPEG 2000 與 MPEG 4 簡介• GIF、JPEG與PNG影像格式的區別• 淺談影像壓縮

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二值影像• 定義：只有黑白兩種顏色的影像• 取代灰階影像：一幅 256 色的灰階影像可以按位元平面分解成

8 幅二值影像• 應用：文字、報紙、傳真、速寫• 二值影像的編碼方法（無失真）

– 改進型霍夫曼編碼 (MH: Modified Huffman) : 1980, CCITT T.4

– 改進型相對位置碼 (MR: Modified Relative Element Address Designate) : 1980, CCITT T.4

– 二維 MR 編碼 (MMR) : 1984, CCITT T.6

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改進型霍夫曼編碼 (MH)

– 文件傳真三類機 (G3) 的 1 維編碼– 根據各種連續出現的白圖素 (white pixels) 個數和連續出現的黑圖素 (black pixels) 個數的機率編出霍夫曼碼表，編碼解碼過程都是查表。

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改進型相對位置碼 (MR)

– 文件傳真三類機 (G3) 的 2 維編碼– 把一頁的檔案沿著掃描方向分成若干組，每組有 K列影像資料，其中第一列用 MH 編碼，其餘利用影像的列間相關性對當前圖素模式進行識別後在編碼。

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JBIG 演算法的特點• 編碼效率高：由於能自適應影像的特徵，較具穩健性

(robustness) 。• 使用累進編碼 ：逐步降低標準 (PRES: progressive

reduction standard) ，產生解析度減半 (half-resolution)影像時，其品質優於原來兩點取一點的亞取樣 (sub-sampling) 方法。

• 也可用於灰度影像獲彩色影像的資訊保持型壓縮編碼：一幅 256 色的灰階影像可以按位元平面分解成 8 幅二值影像，然後獨立用二值影像編碼。