3D Graphik-Pipeline Anwendung Geometrieverarbeitung - - PowerPoint PPT Presentation

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

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Computer ¡Graphik ¡I ¡

¡ Ausgabe ¡

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

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3D ¡Graphik-­‑Pipeline ¡

§ Anwendung ¡ § Geometrieverarbeitung ¡ § Rasterisierung ¡ § Ausgabe ¡

• Speichern ¡des ¡Bildes ¡
• Display ¡
• Hardcopy ¡

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Bilder ¡

Bildtypen ¡

§ Rasterbilder ¡

• Diskrete ¡Bildelemente: ¡Pixel ¡
• Typische ¡Formate: ¡GIF, ¡TIFF, ¡JFIF, ¡PNG, ¡(PS), ¡... ¡

§ ¡Bildauflösung ¡

• Anzahl ¡der ¡Pixel ¡in ¡einem ¡Rasterbild ¡ ¡
• Je ¡höher ¡die ¡Bildauflösung, ¡desto ¡höher ¡ist ¡zumeist ¡auch ¡die ¡

Bildqualität ¡

§ Vektorbildformate ¡

• Vergleichbar ¡mit ¡2D ¡Graphikprogrammierung ¡
• Typische ¡Formate: ¡CGM, ¡(PS, ¡PDF), ¡CDR ¡

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Rasterbilder ¡

Monochroma@sche ¡Bilder ¡/ ¡Bit-­‑Maps ¡

§ Für ¡jedes ¡Pixel ¡wird ¡ein ¡ einzelnes ¡Bit ¡(0 ¡oder ¡1) ¡ angegeben ¡ § Speicherbedarf ¡

• 640x480 ¡

¡37,5 ¡kB ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

§ Bit-­‑Maps ¡werden ¡häufig ¡in ¡ Verbindung ¡mit ¡Dithering-­‑ Verfahren ¡zur ¡Reduzierung ¡ der ¡Farbaefe ¡eingesetzt ¡ ¡

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Bildtypen ¡

Grauwertbilder ¡

§ Für ¡jedes ¡Pixel ¡wird ¡ein ¡Byte ¡ (Werte ¡zwischen ¡0 ¡und ¡255) ¡ angegeben ¡ § Speicherbedarf ¡

• 640x480 ¡

¡300 ¡kB ¡ ¡

§ Es ¡gibt ¡auch ¡Grauwert-­‑ Bildformate ¡mit ¡12 ¡und ¡16 ¡ bit ¡

• Gleicher ¡Effekt ¡wie ¡8 ¡Bit ¡

Grauwert ¡+ ¡8 ¡Bit ¡Alpha ¡

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Rasterbilder ¡

24-­‑bit ¡Farbbilder ¡

§ Für ¡jedes ¡Pixel ¡werden ¡3 ¡ Byte ¡(jeweils ¡1 ¡Byte ¡für ¡ R,G,B) ¡ ¡ § Dadurch ¡sind ¡2563≈16,7•106 ¡ Farbkombinaaonen ¡möglich ¡ § Speicherbedarf ¡

• 640x480 ¡

¡921,6 ¡kB ¡ ¡

§ Zum ¡Teil ¡32 ¡Bit ¡durch ¡8 ¡Bit ¡ Alpha ¡(RGBA) ¡ ¡ ¡

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Rasterbilder ¡

8-­‑bit ¡Farbbilder ¡

§ Farbbilder ¡mit ¡24 ¡bit ¡Farbaefe ¡sind ¡sehr ¡groß ¡und ¡daher ¡ schwierig ¡zu ¡

• speichern ¡
• übertragen ¡
• verarbeiten ¡

§ Meist ¡werden ¡gar ¡nicht ¡ alle ¡Farben ¡benöagt ¡ § Viele ¡Farben ¡sind ¡kaum ¡ unterscheidbar ¡ § Man ¡verwendet ¡Farbtabellen ¡

24 bit 8 bit

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Rasterbilder ¡

Erzeugung ¡von ¡8-­‑bit ¡Farbbildern ¡

§ Ansatz: ¡ ¡

• Quanasierung ¡des ¡Farbbildes ¡
• Auswahl ¡repräsentaaver ¡Farbwerte ¡
• Ablegen ¡der ¡Farbwerte ¡in ¡Farbtabellen ¡(Look-­‑Up ¡Tables) ¡
• Repräsentaaon ¡des ¡Bildes ¡als ¡Pointer ¡in ¡die ¡Farbtabelle ¡

§ Quanasierung ¡auf ¡8 ¡bit ¡Farbaefe: ¡

• 256 ¡Farben, ¡im ¡Allgemeinen ¡akzeptable ¡Farbqualität ¡ ¡

§ Speicherbedarf: ¡

• 640 ¡x ¡480 ¡8-­‑bit ¡color ¡ ¡307.2 ¡kB ¡

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8-­‑Bit ¡Farbbilder ¡

Median ¡Cut ¡Algorithmus ¡

§ Eine ¡Pixelfarbe ¡im ¡Quellbild ¡entspricht ¡einem ¡Punkt ¡im ¡RGB-­‑ Kubus ¡ § Alle ¡Pixelfarben ¡des ¡Quellbildes ¡bilden ¡"Punktwolken" ¡im ¡ RGB-­‑Kubus ¡ § Punktwolken ¡wiederholt ¡teilen, ¡bis ¡256 ¡Teilwolken ¡ entstanden ¡sind; ¡dann ¡einen ¡Repräsentanten ¡aus ¡jeder ¡der ¡ 256 ¡Teilwolken ¡wählen, ¡Repräsentant ¡ersetzt ¡die ¡Farben ¡in ¡ der ¡Teilwolke ¡ § "Wolken" ¡lassen ¡sich ¡schlecht ¡handhaben: ¡durch ¡ umschreibenden ¡Quader ¡ersetzen ¡

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8-­‑Bit ¡Farbbilder ¡

Median ¡Cut ¡Algorithmus ¡

§ Einzelschripe ¡Median ¡Cut-­‑Algorithmus ¡

• der ¡Punktewolke ¡einen ¡Quader ¡umschreiben ¡
• Quader ¡soweit ¡verkleinern, ¡dass ¡die ¡Punktewolke ¡gerade ¡noch ¡

enthalten ¡ist ¡(kleinster ¡umschreibender ¡Quader) ¡

• Quader ¡quer ¡zur ¡längsten ¡Kante ¡in ¡zwei ¡Quader ¡teilen, ¡so ¡dass ¡in ¡

jeder ¡Hälqe ¡gleich ¡viele ¡Punkte ¡liegen ¡

• Schripe ¡mit ¡jedem ¡Halbquader ¡wiederholen ¡(falls ¡mehr ¡als ¡1 ¡Punkt ¡

enthalten ¡ist), ¡bis ¡256 ¡Quader ¡entstanden ¡sind ¡

• Wahl ¡des ¡Repräsentanten: ¡ ¡

– "Centroid": ¡Farbe ¡im ¡geometrischen ¡Mipelpunkt ¡des ¡Quaders ¡ ¡ – gemipelte ¡Farbe: ¡Primärfarbenanteile ¡der ¡verbleibenden ¡Punkte ¡im ¡Quader ¡ getrennt ¡mipeln; ¡ergibt ¡Durchschnipsfarbe ¡

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Kompressionsverfahren ¡

§ Formen ¡von ¡Kompressionsverfahren ¡

• Informaaonserhaltende/verlustreie ¡Kompression ¡
• verlustbehaqete ¡Kompression ¡

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Kompression ¡

VerlusMrei ¡

§ nach ¡der ¡Dekompression ¡stehen ¡die ¡exakten ¡Originaldaten ¡zur ¡ Verfügung ¡ § Kompressionsverfahren ¡arbeiten ¡alle ¡nach ¡dem ¡gleichen ¡ Schema: ¡Die ¡anfallenden ¡Daten ¡werden ¡zuerst ¡in ¡eine ¡Menge ¡ von ¡Deskriptoren ¡transformiert, ¡für ¡diese ¡Deskriptoren ¡ein ¡ staasasches ¡Modell ¡(i.a. ¡eine ¡Verschlüsselungstabelle) ¡ erstellt, ¡und ¡danach ¡die ¡Deskriptoren ¡anhand ¡des ¡Modells ¡

• codiert. ¡ ¡

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Kompression ¡

¡VerlustbehaNet ¡ ¡

§ Erlaubt ¡dem ¡Kompressionsverfahren ¡die ¡Kodierung ¡der ¡ Bildinformaaonen ¡in ¡einer ¡Weise, ¡die ¡nicht ¡alle ¡Eigenschaqen ¡ des ¡Bildes ¡berücksichagt ¡und ¡somit ¡ggf. ¡die ¡exakte ¡ Rekonstrukaon ¡des ¡Bildes ¡nicht ¡mehr ¡möglich ¡macht ¡ § Erlaubt ¡dem ¡Anwender ¡die ¡Steuerung ¡des ¡Verhältnisses ¡von ¡ Qualität ¡zu ¡Kompressionsgrad ¡ § Verwendet ¡üblicherweise ¡Modelle ¡der ¡menschlichen ¡ Wahrnehmung ¡zur ¡Idenafizierung ¡von ¡für ¡den ¡Betrachter ¡ irrelevanten ¡Bildeigenschaqen, ¡die ¡nicht ¡kodiert ¡werden ¡ müssen ¡

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Kompression ¡

Kompressionsverfahren ¡für ¡Bilder ¡

§ Arahmeac ¡/ ¡Lempel-­‑Ziv-­‑Welch ¡/ ¡Huffman ¡Coding ¡ § Run-­‑length ¡Encoding ¡ § JPEG ¡ § Wavelet ¡Compression ¡ § Fractal ¡Compression ¡

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Bildkompression ¡

Run-­‑length ¡Encoding ¡(RLE) ¡

§ Verlustreies ¡Kompressionsverfahren, ¡das ¡auf ¡der ¡Ausnutzung ¡ von ¡örtlicher ¡Kohärenz ¡in ¡Bildern ¡beruht ¡

• Zeilen ¡weisen ¡häufig ¡eine ¡Reihe ¡von ¡gleichen ¡Farbwerten ¡

hintereinander ¡auf ¡

§ Ansatz: ¡Stap ¡Kodierung ¡jedes ¡einzelnen ¡Pixel, ¡Angabe ¡einer ¡ Wiederholungsanzahl ¡für ¡jeden ¡Pixel ¡

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Bildkompression ¡

Harmonische ¡Transforma@onen ¡

§ Zerlegung ¡der ¡Daten ¡in ¡verschiedene ¡„Frequenzanteile“ ¡

• Fourier-­‑Transformaaon ¡
• Wavelet-­‑Transformaaon ¡

§ Typischer ¡Vertreter: ¡JPEG ¡

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Bildkompression ¡

JPEG ¡

§ Familie ¡von ¡Algorithmen ¡zur ¡Kompression ¡digitalisierter ¡ Standbilder ¡in ¡Echtarbqualität ¡ § Sammlung ¡unterschiedlichster ¡Verfahren ¡1993 ¡unter ¡der ¡ Bezeichnung ¡ISO ¡10918 ¡standardisiert. ¡ ¡ § Verlustbehaqete ¡und ¡verlustreie ¡Kompression ¡ § Verlustbehaqeten ¡JPEG-­‑Prozesse ¡auf ¡fotografische ¡ Aufnahmen ¡mit ¡fließenden ¡Farbübergängen ¡hin ¡opamiert ¡und ¡ für ¡andere ¡Arten ¡von ¡Bildern ¡weniger ¡geeignet ¡ ¡(z.B. ¡Bilddaten ¡ mit ¡harten ¡Kontrasten, ¡Liniengrafiken ¡oder ¡Texte) ¡

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Bildkompression ¡

VerlustbehaNetes ¡JPEG ¡

§ Verwendung ¡der ¡8x8 ¡Diskreten ¡Kosinus-­‑Transformaaon ¡(DCT) ¡

FDCT IDCT Quantisierung Dequantisierung Decodierung Codierung Tabellen Tabellen

0110101 0110101

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Bildkompression ¡

JPEG ¡– ¡„Baseline ¡Codec“ ¡

§ Komprimierung ¡mit ¡dem ¡JPEG ¡baseline ¡codec ¡besteht ¡ im ¡wesentlichen ¡aus ¡5 ¡Schripen: ¡ ¡

• Konveraerung ¡des ¡Bildes ¡in ¡den ¡YCRCB-­‑Farbraum ¡ ¡
• Farb-­‑Subsampling ¡ ¡
• Diskrete ¡Kosinustransformaaon ¡(DCT) ¡ ¡
• Quanasierung ¡der ¡DCT-­‑Koeffizienten ¡ ¡
• Kodierung ¡der ¡Koeffizienten ¡ ¡

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JPEG ¡– ¡„Baseline ¡Codec“ ¡

• 1. ¡Umwandung ¡in ¡den ¡YCRCB-­‑Farbraum ¡ ¡

§ Kodierung ¡der ¡Farben ¡als ¡

• Y

¡ ¡Helligkeitswert ¡

• CR

¡Abweichung ¡vom ¡Grau ¡in ¡Richtung ¡rot ¡

• CB

¡Abweichung ¡vom ¡Grau ¡in ¡Richtung ¡blau ¡

! ! ! " # $ $ $ % & ! ! ! " # $ $ $ % & − − = ! ! ! " # $ $ $ % & ! ! ! " # $ $ $ % & ! ! ! " # $ $ $ % & − − − − = ! ! ! " # $ $ $ % &

B R B R

C C Y B G R B G R C C Y . 772 . 1 . 1 71414 . 34414 . . 1 402 . 1 . . 1 0813 . 4187 . 5 . 5 . 3313 . 1687 . 114 . 587 . 299 .

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JPEG ¡– ¡„Baseline ¡Codec“ ¡

• 2. ¡Farb-­‑Subsampling ¡

§ Verlustbehaqete ¡Komprimierung ¡der ¡Farbrepräsentaaon ¡ § Grundlage: ¡Höhere ¡Genauigkeit ¡der ¡menschlichen ¡ Ortsauflösung ¡im ¡Helligkeitsbereich/Grünbereich ¡als ¡im ¡ Farbbereich ¡ § für ¡ein ¡kleines ¡Gebiet ¡werden ¡die ¡Farbdifferenzwerte ¡ ¡CR ¡und ¡ CB ¡gemipelt ¡und ¡für ¡das ¡gesamte ¡Gebiet ¡zusammengefaßt ¡ angegeben ¡ § übliche ¡Größe: ¡2 ¡x ¡2 ¡Pixel ¡

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JPEG ¡– ¡„Baseline ¡Codec“ ¡

• 3. ¡Diskrete ¡Kosinustransforma@on ¡

§ Umwandlung ¡der ¡Bildinformaaonen ¡in ¡den ¡Frequenzbereich ¡ § Filterung ¡(durch ¡den ¡folgenden ¡Quanasierungsschrip) ¡von ¡ hohen ¡Frequenzen ¡in ¡den ¡Farbanteilen, ¡die ¡vom ¡menschlichen ¡ Auge ¡nicht ¡wahrgenommen ¡werden ¡können ¡ § Transformaaon ¡in ¡den ¡Wertebereich ¡-­‑128 ¡bis ¡128 ¡ § Rasterung ¡in ¡8x8 ¡Bildblöcke ¡ § Bildblöcke ¡werden ¡DCT ¡unterzogen ¡und ¡als ¡Vektoren ¡ interpreaert ¡

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JPEG ¡– ¡„Baseline ¡Codec“ ¡

• 3. ¡Diskrete ¡Kosinustransforma@on ¡

§ Basisvektoren ¡ ¡ ¡ ¡ Koeffizienten ¡werden ¡auf ¡Grundlage ¡dieser ¡Basisvektoren ¡ beschrieben ¡

16 ∂ ) 1 2 ( cos 16 ∂ ) 1 2 ( cos ã ã 4 1

7 7 ,

v j u i C

i j v u v u

+ + =

∑∑

= =

16 ∂ ) 1 2 ( cos 16 ∂ ) 1 2 ( cos ) , ( ã ã 4 1 ) , (

7 7

v j u i j i f v u F

i j v u

+ + =

∑∑

= =

16 ∂ ) 1 2 ( cos 16 ∂ ) 1 2 ( cos ) , ( ã ã 4 1 ) , (

7 7

v j u i v u F j i f

u v v u

+ + = ∑∑

= =

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JPEG ¡– ¡„Baseline ¡Codec“ ¡

• 3. ¡Diskrete ¡Kosinustransforma@on ¡

§ Basisvektoren ¡als ¡8x8 ¡ Grauwertbilder ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

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JPEG ¡– ¡„Baseline ¡Codec“ ¡

• 3. ¡Diskrete ¡Kosinustransforma@on ¡

§ Der ¡Vorteil ¡der ¡DCT: ¡benachbarte ¡Bildpunkte ¡unterscheiden ¡ sich ¡kaum, ¡wenn ¡das ¡Bild ¡keine ¡scharfen ¡Kanten ¡hat ¡(Kanten ¡= ¡ hohe ¡Frequenzen) ¡ § In ¡der ¡Koeffizientendarstellung ¡nehmen ¡nur ¡der ¡DC-­‑ Koeffizient ¡und ¡einige ¡niederfrequente ¡AC-­‑Koeffizienten ¡große ¡ Werte ¡an ¡-­‑ ¡alle ¡anderen ¡sind ¡fast ¡oder ¡gleich ¡0 ¡ § Geeignete ¡Repräsentaaon ¡für ¡weitere ¡ Komprimierungsschripe ¡ ¡

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JPEG ¡– ¡„Baseline ¡Codec“ ¡

• 3. ¡Diskrete ¡Kosinustransforma@on ¡

§ Beispiel: ¡Transformaaon ¡eines ¡8x8 ¡Blocks ¡ ¡

• 31 -11

8 28 47 67 87 106

• 22
• 1

21 42 63 85 106 127

• 40 -22
• 4

14 31 49 67 85

• 49 -32 -17
• 1

15 31 41 63

• 57 -43 -29
• 15
• 1

14 28 42

• 66 -54 -41
• 29
• 17
• 4

8 21

• 75 -65 -54
• 43
• 33 -22 -11
• 1
• 84 -75 -66
• 57
• 49 -40 -31
• 22
• 2
• 7

2

• 29

7

• 275 74

7 2

• 1 -275 0
• 29
• 7
• 2

Grauwertkante im Luminanzanteil (Hell-Dunkel-Übergang) DCT-Koeffizienten

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JPEG ¡– ¡„Baseline ¡Codec“ ¡

• 4. ¡Quan@sierung ¡

§ Beseiagung ¡von ¡Informaaonsanteilen, ¡ die ¡das ¡menschliche ¡Auge ¡ ¡ nicht ¡oder ¡nur ¡ ¡ schlecht ¡ ¡ wahrnimmt ¡ § Beispiel: ¡ Quanasierung-­‑ ¡ schripweite ¡ von ¡99 ¡

• 1
• 2

1 2

• 49,5

49,5 148,5

• 148,5

DCT-Koeffizienten Quantisierte DCT-Koeffizienten

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JPEG ¡– ¡„Baseline ¡Codec“ ¡

• 4. ¡Quan@sierung ¡

§ Verwendete ¡Anzahl ¡der ¡Quanasierungsstufen ¡stellt ¡ prinzipiellen ¡Kompressionsparameter ¡dar: ¡ § Ansatz: ¡ § Für ¡die ¡Quanasierung ¡ohne ¡sichtbaren ¡Informaaonsverlust ¡ exisaeren ¡jeweils ¡für ¡Helligkeit ¡und ¡Farbigkeit ¡opamierte ¡ Quanasierungstabellen ¡

! " ! # $ # + = ) , ( ) , ( 2 1 ) , ( v u q v u F v u F Q

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JPEG ¡– ¡„Baseline ¡Codec“ ¡

• 4. ¡Quan@sierung ¡

§ Quanasierungs-­‑Tabellen ¡ § Beispiele: ¡Quanasierungmatrix ¡CCIR601 ¡

49 64 78 87 103 121 120 101 72 92 95 98 112 100 103 99 24 35 55 64 81 104 113 92 18 22 37 58 68 109 103 77 14 17 22 29 51 87 80 62 14 13 16 24 40 57 69 56 12 12 14 19 26 58 60 55 16 11 10 16 24 40 51 61 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 47 66 99 99 99 99 99 99 24 26 56 99 99 99 99 99 18 21 26 66 99 99 99 99 17 18 24 47 99 99 99 99 Luminanz-Quantisierungsmatrix Chrominanz-Quantisierungsmatrix

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JPEG ¡– ¡„Baseline ¡Codec“ ¡

• 5. ¡Kodierung ¡der ¡Koeffizienten ¡

§ Kepenbildung ¡nach ¡dem ¡Zick-­‑Zack ¡Verfahren ¡

• 1
• 25

6

• 25
• 1

FQ (7,0) DC=FQ (0,0) FQ (7,7) FQ (0,7) DC=FQ (0,0)

• 25

AC=FQ (0,1)

• 25

AC=FQ (1,0) AC=FQ (2,0) 6 AC=FQ (1,1) AC=FQ (0,2)

...

AC=FQ (7,7)

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JPEG ¡– ¡„Baseline ¡Codec“ ¡

• 5. ¡Kodierung ¡der ¡Koeffizienten ¡

§ Aus ¡den ¡8x8 ¡Blöcken ¡wird ¡ein ¡sequenaeller ¡ (eindimensionaler) ¡Bitstrom ¡erzeugt ¡ § DC ¡Koeffizienten ¡werden ¡als ¡Differenzen ¡zum ¡vorhergehenden ¡ DC ¡Koeffizienten ¡kodiert ¡

• Durch ¡die ¡Kohärenz ¡der ¡DC-­‑Koeffienten ¡ergeben ¡sich ¡auch ¡hier ¡

wieder ¡kleinere ¡Werte ¡

§ Die ¡63 ¡AC-­‑Koeffizienten ¡werden ¡anhand ¡einer ¡Zick-­‑Zack-­‑Kurve ¡ kodiert ¡

• da ¡die ¡hohen ¡Frequenzanteile ¡oq ¡sehr ¡klein ¡bzw. ¡Null ¡sind, ¡entsteht ¡

eine ¡für ¡die ¡weitere ¡Kompression ¡der ¡Bilddaten ¡günsage ¡Reihenfolge. ¡ ¡

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JPEG ¡– ¡„Baseline ¡Codec“ ¡

• 5. ¡Kodierung ¡der ¡Koeffizienten ¡

§ Die ¡bisher ¡beschriebenen ¡Verfahren ¡beinhalten ¡noch ¡keine ¡ explizite ¡Kompression, ¡sondern ¡stellen ¡nur ¡eine, ¡und ¡bei ¡ starker ¡Quanasierung ¡der ¡DCT-­‑Koeffizienten ¡recht ¡grobe ¡ ¡ Transformaaon ¡der ¡Bilddaten ¡dar ¡ § Typische ¡Kompressionstechniken ¡

• Komprimierung ¡durch ¡Huffman-­‑Algorithmus ¡ ¡
• Arithmeasches ¡Codieren ¡ ¡

§ Arithmeasches ¡Codieren ¡komprimiert ¡zwar ¡besser ¡als ¡das ¡ Huffman-­‑Verfahren, ¡ist ¡jedoch ¡mit ¡verschiedenen ¡Patenten ¡ belegt; ¡daher ¡häufig ¡Entscheidung ¡für ¡Huffman-­‑Verfahren. ¡ ¡

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JPEG ¡– ¡„Baseline ¡Codec“ ¡

• 5. ¡Kodierung ¡der ¡Koeffizienten ¡

§ DC-­‑Koeffizienten ¡werden ¡zunächst ¡mipels ¡DPCM ¡kodiert ¡ § AC-­‑Koeffizienten ¡werden ¡gewandelt ¡in ¡eine ¡Form: ¡

• (Länge, ¡Größe, ¡Wert) ¡ ¡

§ Länge: ¡4-­‑Bit ¡Zahl ¡und ¡entspricht ¡der ¡Anzahl ¡von ¡Nullen ¡bis ¡ zum ¡nächsten ¡Nicht-­‑Null-­‑Koeffizienten ¡ § Größe: ¡Anzahl ¡der ¡Bits ¡an, ¡die ¡der ¡Wert ¡des ¡Nicht-­‑ Nullkoeffizienten ¡in ¡VLI-­‑Darstellung ¡benöagt ¡ § Vorteilhaq, ¡wenn ¡möglichst ¡lange ¡Folgen ¡von ¡Nullen ¡codiert ¡ werden ¡müssen ¡

• vorgestellte ¡Zickzack-­‑Kodierung ¡vorteilhaq ¡

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JPEG ¡

¡Beispiele ¡ ¡

§ Original ¡Bild ¡

2048x1536 Pixel 3x8 Bit 9.437.184 Bytes

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JPEG ¡

Qualitätsfaktor ¡75% ¡

25.398 Bytes Kompressionsrate 1:6

Original - Ausschnitt (441x541 Pixel) 167.015 Bytes (715.743 Bytes)

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

CG CG

36

JPEG ¡

Qualitätsfaktor ¡50% ¡

• Qualitätsfaktor ¡50% ¡ ¡

15.980 Bytes Kompressionsrate 1:10

Original - Ausschnitt (441x541 Pixel) 167.015 Bytes (715.743 Bytes)

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

CG CG

37

JPEG ¡

Qualitätsfaktor ¡25% ¡

• Qualitätsfaktor ¡25% ¡ ¡

11.334 Bytes Kompressionsrate 1:15

Original - Ausschnitt (441x541 Pixel) 167.015 Bytes (715.743 Bytes)

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

CG CG

38

JPEG ¡

Qualitätsfaktor ¡10% ¡

• Qualitätsfaktor ¡10% ¡ ¡

7.742 Bytes Kompressionsrate 1:22

Original - Ausschnitt (441x541 Pixel) 167.015 Bytes (715.743 Bytes)

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

CG CG

39

JPEG ¡

Qualitätsfaktor ¡5% ¡

• Qualitätsfaktor ¡5% ¡ ¡

6.194 Bytes Kompressionsrate 1:27

Original - Ausschnitt (441x541 Pixel) 167.015 Bytes (715.743 Bytes)

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

CG CG

40

JPEG ¡

Qualitätsfaktor ¡3% ¡

• Qualitätsfaktor ¡3% ¡ ¡

5.547 Bytes Kompressionsrate 1:30

Original - Ausschnitt (441x541 Pixel) 167.015 Bytes (715.743 Bytes)

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

CG CG

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JPEG ¡

¡Zusammenfassung ¡ ¡

§ Komplexes ¡Verfahren ¡zur ¡Bildkompression, ¡mit ¡dem ¡ Kompressionsraten ¡bis ¡zu ¡1:20 ¡bis ¡1:35 ¡zu ¡erreichen ¡sind ¡ § in ¡den ¡Hauptmodi ¡und ¡Hauptanwendungsgebieten ¡ verlustbehaqet ¡ § basiert ¡auf ¡einer ¡diskreten ¡Kosinustransformaaon ¡mit ¡ intelligenter ¡Quanasierung ¡und ¡Komprimierung ¡der ¡ Koeffizienten ¡

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

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42

JPEG ¡

Wavelet-­‑Komprimierung ¡

§ Heuage ¡Datenmengen ¡verstärken ¡jedoch ¡Bedarf ¡nach ¡ effekaveren ¡Kompressionsverfahren ¡

• Komprimierungsraten ¡bis ¡1:100 ¡
• verlustreie ¡Kompression ¡

§ Wavelet-­‑Komprimierung ¡liefert ¡

• bessere ¡Ausnutzung ¡örtlicher ¡Redundanzen ¡
• bessere ¡Ausnutzungs ¡spektraler ¡Redundanzen ¡

§ Grundlage: ¡Ortsfrequenzdarstellung ¡des ¡Bildes ¡

• Sehr ¡komplizierte ¡Theorie ¡

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

CG CG

43

Ausgabegeräte ¡für ¡die ¡GDV ¡

§ Interakave ¡Ausgabegeräte ¡

• CRT ¡Display ¡
• LC ¡Display ¡

§ Hardcopygeräte ¡

• Laserdrucker ¡
• Tintenstrahldrucker ¡

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

CG CG

44

Ausgabegeräte ¡

§ Interakave ¡Ausgabegeräte ¡

• CRT ¡Display ¡
• LC ¡Display ¡

§ Hardcopygeräte ¡

• Laserdrucker ¡
• Tintenstrahldrucker ¡

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

CG CG

45

Ausgabegeräte ¡

§ Interakave ¡Ausgabegeräte ¡

• CRT ¡Display ¡
• LC ¡Display ¡

§ Hardcopygeräte ¡

• Laserdrucker ¡
• Tintenstrahldrucker ¡

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

CG CG

46

Ausgabegeräte ¡

§ Interakave ¡Ausgabegeräte ¡

• CRT ¡Display ¡
• LC ¡Display ¡

§ Hardcopygeräte ¡

• Laserdrucker ¡
• Tintenstrahldrucker ¡

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

CG CG

47

Ausgabegeräte ¡

§ Interakave ¡Ausgabegeräte ¡

• CRT ¡Display ¡
• LC ¡Display ¡

§ Hardcopygeräte ¡

• Laserdrucker ¡
• Tintenstrahldrucker ¡

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

CG CG

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Kathodenstrahlröhre ¡(CRT) ¡

§ Vorteile ¡

• hohe ¡Auflösung, ¡ ¡
• volle ¡Farbtüchagkeit, ¡sehr ¡guter ¡Kontrast ¡
• niedriger ¡Preis ¡bei ¡hoher ¡Zuverlässigkeit. ¡ ¡

§ Nachteile ¡

• schwer, ¡sperrig ¡
• hohe ¡Leistungsaufnahme ¡
• Flimmernd, ¡verzerrend ¡
• Analogtechnik ¡
• Röntgenstrahlung ¡

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

CG CG

49

Kathodenstrahlröhre ¡(CRT) ¡

Phosphor ¡und ¡Persistenz ¡ § Floureszenz ¡

• Elektronenabsorpaon ¡führt ¡zu ¡Emission ¡von ¡Licht ¡

§ Phosphoreseszenz ¡

• Emission ¡nach ¡der ¡Absorpaon ¡

§ Persistenz ¡

• Bildregenerierung ¡ohne ¡

Flimmern ¡(Ca. ¡85 ¡Hz) ¡

§ Kurze ¡Nachleuchtdauer: ¡

• wenig ¡Zeit ¡zum ¡Bildau|au ¡
• Hohe ¡Bildwiederholraten ¡

§ Lange ¡Nachleuchtdauer ¡

• Schlierenbildung ¡
• Geisterbilder ¡

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

CG CG

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Kathodenstrahlröhre ¡(CRT) ¡

Gammakorrektur ¡ § Helligkeit ¡wird ¡(nichtlinear) ¡durch ¡Elektronenstrahlstärke ¡besammt. ¡ ¡ § Nichtlineare ¡Strahlstrom-­‑Steuerspannungskennlinie! ¡ ¡

γ=2.2

• hne

Korrektur γ

" " # $ % % & ' ∗ =

max

max G G

U U I I

mit Korrektur γ γ

" " " # $ % % % & ' ( ( ) * + + ,

• ∗

=

1 max

max

G G

U U I I

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

CG CG

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Kathodenstrahlröhre ¡(CRT) ¡

§ Fernsehen: ¡Korrektur ¡auf ¡der ¡Aufnahmeseite ¡

• Menschliche ¡Wahrnehmung ¡ist ¡logarithmisch ¡
• Übertagungsfehler ¡werden ¡gleich ¡empfunden ¡

§ Gamma-­‑Korrektur ¡in ¡der ¡GDV: ¡

• Helligkeitswerte ¡werden ¡gleich ¡bei ¡der ¡Berechnung ¡korrigiert. ¡ ¡
• Unkorrigierte ¡Werte ¡werden ¡durch ¡eine ¡vorberechnete ¡Tafel ¡(lookup ¡

table) ¡korrigiert. ¡ ¡

• Im ¡Monitor ¡wird ¡eine ¡analoge ¡Gammakorrektur ¡durchgeführt. ¡ ¡
• Die ¡erste ¡Methode ¡erlaubt ¡eine ¡individuelle ¡Anpassung ¡an ¡Monitor ¡

und ¡Betrachter. ¡ ¡

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

CG CG

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Kathodenstrahlröhre ¡(CRT) ¡

Lochmaskenröhre ¡

§ Lochmaskenröhre ¡mit ¡Dreiecks ¡(Delta) ¡-­‑Anordnung ¡des ¡ Elektronenstrahlsystems ¡und ¡punktörmigem ¡Phosphor. ¡

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

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Kathodenstrahlröhre ¡(CRT) ¡

Lochmaskenröhre ¡

§ Lochmaskenröhre ¡

• Inline-­‑Anordnung ¡des ¡Elektronenstrahlsystems ¡mit ¡ ¡

streifenförmiger ¡(in ¡line) ¡ Anordnung ¡des ¡

• Phosphors. ¡

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

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Flüssigkeitskristallanzeigen ¡(LCD) ¡

§ Vorteile ¡ ¡

• Geringe ¡Leistungsaufnahme, ¡

niedrige ¡Betriebsspannung ¡

• Flimmerfrei ¡
• gute ¡Kontrastwerte ¡
• Digital ¡
• Leicht, ¡klein, ¡notwendig ¡für ¡mobile ¡Geräte ¡

§ Nachteile ¡

• passive ¡Arbeitsweise ¡

– zusätzliche ¡LC ¡sind ¡für ¡Farbe ¡nöag. ¡

• Geringer ¡Betrachtungsbereich ¡
• aufwendige ¡Herstellung, ¡teuer ¡

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

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Flüssigkeitskristallanzeigen ¡(LCD) ¡

§ Grundlagen ¡Flüssigkristalle: ¡ ¡

• 1888 ¡vom ¡Physiker ¡Reinitzer ¡entdeckt ¡
• Organischen ¡Moleküle ¡mit ¡Orienaerungsordnung ¡
• Form ¡ist ¡langgestreckt ¡oder ¡scheibenförmig ¡
• Achsen ¡sind ¡einheitlich ¡ausgerichtet. ¡ ¡

§ Einteilung ¡der ¡Flüssigkristalle ¡je ¡nach ¡Ausrichtung: ¡

• ¡nemaasche

¡ ¡fadenförmig ¡

• ¡smekmaasche ¡

¡schichtenförmig ¡

• ¡cholesterinische

¡ ¡wendelförmig ¡

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

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Flüssigkeitskristallanzeigen ¡(LCD) ¡

Auhau/Funk@on ¡ § Verdrillter ¡nemaascher ¡Flüssigkeits-­‑ ¡ kristall ¡(twisted ¡nemaac ¡cells) ¡ § Zwei ¡parallele ¡Glasplapen, ¡ Abstand ¡von ¡5-­‑10 ¡µm ¡ § Ausrichtung ¡der ¡Moleküle ¡

• hne ¡angelegtes ¡elektrisches ¡

Feld ¡durch ¡mikroskopisch ¡feine ¡ Längsriffelung ¡der ¡Glasplapen ¡ § Glasplapen ¡sind ¡mit ¡einem ¡ feinen ¡ ¡Elektrodenmaterial ¡bedampq ¡

• Material ¡ist ¡durchsichag ¡und ¡leitend ¡
• Indiumzinnoxid ¡(ITO ¡indium ¡an ¡oxide) ¡ ¡

¡

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

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Flüssigkeitskristallanzeigen ¡(LCD) ¡

Auhau/Funk@on ¡

§ Außenseiten ¡der ¡Glasplapen ¡sind ¡Polarisaaonsfilter ¡ § Wellenebenen ¡der ¡Polarisatoren ¡sind ¡um ¡90º ¡verdreht. ¡ § Riffelungen ¡in ¡beiden ¡ Plapen ¡sind ¡auch ¡ rechtwinklig ¡ § LC-­‑Moleküle ¡roaeren ¡

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

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Flüssigkeitskristallanzeigen ¡(LCD) ¡

Blickwinkelabhängigkeit ¡

§ Schichtdicke ¡ist ¡auf ¡Drehung ¡um ¡90º ¡eingestellt ¡ § Schräger ¡Lichteinfall ¡à ¡längerer ¡Weg ¡durch ¡die ¡LC-­‑Schicht ¡ § Andere ¡ Polarisaaonsrichtung ¡ § Schlechterer ¡Kontrast ¡

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

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Flüssigkeitskristallanzeigen ¡(LCD) ¡

Auhau ¡

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

CG CG

60

Flüssigkeitskristallanzeigen ¡(LCD) ¡

§ TFT ¡(Thin ¡Film ¡Transistor)-­‑Technik ¡

• Anforderung: ¡1024 ¡x ¡768 ¡x ¡3 ¡≈2,3 ¡Mpixel ¡
• Erst ¡mit ¡TFT ¡(Thin ¡Film ¡Transistor)-­‑Technik ¡konnte ¡

Lichtdurchlässigkeit ¡jedes ¡Pixels ¡von ¡einem ¡eigenen ¡Transistor ¡als ¡ Schalter ¡gesteuert ¡werden. ¡

§ Pixel ¡

• Eine ¡ITO-­‑Schicht ¡ist ¡homogen ¡
• Die ¡andere ¡bildet ¡ein ¡Array ¡aus ¡ITO-­‑Rechtecken, ¡an ¡die ¡jeweils ¡ein ¡

TFT ¡angeschlossen ¡ist ¡

– Maße ¡der ¡ITO-­‑Rechtecke ¡besammen ¡die ¡Pixelgröße. ¡ ¡

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

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Flüssigkeitskristallanzeigen ¡(LCD) ¡

Funk@on ¡/ ¡Herstellung ¡ § Photolithographie ¡

• Ätztechnik ¡produziert ¡Streifenmuster ¡aus ¡schmalen ¡Leiterbahnen ¡

§ Schichten ¡aus ¡isolierenden ¡Materialien ¡und ¡doaertem ¡amorphem ¡ Silizium ¡ (a-­‑Si) ¡formen ¡TFT. ¡ § Darüber ¡kommt ¡ein ¡ zweites ¡ ¡Elektrodenmuster. ¡ § Transistor ¡sitzt ¡klein ¡in ¡ einer ¡Ecke ¡des ¡Pixels ¡

• Lichtausbeute ¡

§ Übriger ¡Platz: ¡Pixel ¡aus ¡ITO ¡

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

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Flüssigkeitskristallanzeigen ¡(LCD) ¡

Zeilen ¡und ¡Spalten ¡

§ Zeilenelektroden ¡sind ¡mit ¡Gate ¡des ¡Transistors ¡verbunden ¡ § Spannung ¡am ¡Gate ¡à ¡Drain-­‑Source ¡offen ¡ § Alle ¡Gates ¡an ¡einer ¡Zeilenleitung ¡ § Spalten ¡werden ¡durch ¡ Spannungssignal ¡gesteuert ¡ § Jeweils ¡eine ¡Zeile ¡frei, ¡ Spaltentreiber ¡setzt ¡Pixel ¡

Marc ¡Alexa, ¡TU ¡Berlin ¡

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Farben ¡

§ Bildpunkt ¡= ¡3 ¡Pixel ¡mit ¡rotem, ¡grünem ¡und ¡blauem ¡Farbfilter. ¡ ¡ § Leuchtmipel ¡ist ¡eine ¡Leuchtstofflampe ¡

• Emi‚ert ¡im ¡UV-­‑Spektrum ¡
• Beschichtung ¡der ¡Glasröhre ¡

macht ¡sichtbares ¡Licht ¡

• Beschichtung ¡emi‚ert ¡

Grundfarben ¡ (700 ¡nm, ¡546.1 ¡nm, ¡435.8 ¡nm) ¡

• Lichtleiter ¡plus ¡Diffuser-­‑Scheibe ¡verteilen ¡das ¡Licht ¡des ¡Displays ¡

gleichmäßig ¡über ¡die ¡gesamte ¡Fläche. ¡ ¡

§ Desktop-­‑Displays ¡bis ¡zu ¡4 ¡Röhren, ¡Notebook-­‑Displays ¡2 ¡