SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY FEI-5392-22821 Meranie jasu digitálnym fotoaparátom 2010 Miroslav Mašír
SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY Meranie jasu digitálnym fotoaparátom Bakalárska práca Študijný program: Študijný odbor: Školiteľ: Konzultant: Školiace pracovisko: Elektrotechnika 5.2.9 Elektrotechnika Ing. František Krasňan, PhD Ing. František Krasňan, PhD Katedra elektroenergetiky Bratislava, 2010 Miroslav Mašír
Slovenská technická univerzita v Bratislave Katedra elektroenergetiky Fakulta elektrotechniky a informatiky Akademický rok: 2009/2010 Evidenčné číslo: FEI-5392-22821 ZADANIE BAKALÁRSKEJ PRACE Študent: IDštudenta: Študijný program: Študijný odbor: Vedúci práce: Miesto vypracovania: Miroslav Mašír 22821 elektrotechnika 5.2.9 elektrotechnika Ing. František Krasňan, PhD. KEE Názov práce: Meranie jasu digitálnym fotoaparátom Špecifikácia zadania: Naštudujte a opíšte formáty pre ukladanie dát v digitálnych fotoaparátoch, vyberte najvhodnejší z nich a aplikujte ho pri tvorbe softvéru na meranie jasu. Vytvorte komplexný merací systém a následne vykonajte jeho kalibráciu. Úlohy: 1. Opíšte princípy digitálnej fotografie a formáty na ukladanie získaných dát. 2. Analyzujte možnosti využitia digitálnej fotografie na meranie jasu a farieb. 3. Navrhnite softvérovú aplikáciu na meranie jasu pomocou digitálneho fotoaparátu. Riešenie zadania práce od: 21. 09. 2009 Dátum odovzdania práce: 14. 05. 2010 Miroslav Mašír Študent doc. Ing. Anton Beláň, PhD. Vedúci pracoviska prof. Ing. Vladimír Nečas, PhD. Garant študijného programu
Abstrakt Témou mojej bakalárskej práce je oboznámiť čitateľa o možnosti využitia digitálnej fotografie na meranie jasu a farieb. Cieľom tejto práce je popísať typy formátov digitálnych fotografií a vybrať najvhodnejší z nich, ktorý sa bude dať použiť pre softvérovú aplikáciu na meranie jasu. V práci sa dozviete čo je digitálny fotoaparát, digitálna fotografia, jej vlastnosti, možnosti jej využitia, jednotlivé formáty, ich vlastnosti a výhody. Abstract The theme of my work is to present the possibilities of digital photography for measuring the brightness and color. This thesis aims to describe the types of formats of digital photos and choose the best of them, which could be used for application software to measure brightness. In this work, see what a digital camera, digital photography, it features, the possibility of its use, the formats, their features and benefits.
Prehlasujem, že som túto prácu vypracoval samostatne s použitím literatúry a zdrojov uvedených v zozname použitej literatúry.... Miroslav Mašír
Poďakovanie Ďakujem týmto svojmu vedúcemu bakalárskej práce, pánovi Ing. Františkovi Krasňanovi za odborný dohľad, pripomienky a pomoc pri vypracovaní bakalárskej práce.
Obsah Zoznam použitých skratiek... 8 Zoznam použitých obrázkov...9 Úvod... 10 1. Digitálny fotoaparát... 11 1.1 Typy digitálnych fotoaparátov... 11 1.2 Hlavné časti digitálneho fotoaparátu...12 1.2.1 Snímač obrazu...12 1.2.2 Objektív...16 1.2.3 Uzávierka...17 1.2.4 Zaostrovanie...17 1.2.5 Hľadáčik...18 1.2.6 LCD displej...18 1.2.7 Ďalšie časti digitálneho fotoaparátu...18 1.3 Pripojenie k PC...19 1.4 Porovnanie filmového a digitálneho fotoaparátu...18 2. Digitálna fotografia... 20 2.1 Princíp digitálnej fotografie...21 2.2 Nevýhody digitálnej fotografie...21 3. Počítačová grafika...22 3.1 Spôsoby ukladania obrazu... 22 3.2 Kompresie pri grafických formátoch... 23 3.2.1 RLE (Run Lenght Encoding)...23 3.2.2 LZW (Lampel, Ziv, Welch)... 23 3.2.3 Huffmanové kódovanie...23 3.3 Formáty obrazových súborov... 24 3.3.1 Bezstratové formáty... 25 3.3.1.1 Bitmap file (*.bmp)... 25 3.3.1.2 RAW (*.raw)...25 3.3.1.3 TIFF (*.tif)... 27 3.3.1.4 GIF Graphics Interchange Format (*.gif)... 27
3.3.1.5 PNG Portable Network Graphic (*.png)... 28 3.3.2 Stratové formáty... 29 3.3.2 JPEG Joint Photographic Experts Group (*.jpg)... 29 4. Možnosti využitia digitálnej fotografie pre meranie jasu a farieb...31 5. Teoretický návrh softvéru pre meranie jasu pomocou digitálnej fotografie...36 Záver... 38 Použitá literatúra... 39
Zoznam použitých skratiek LCD CCD CMOS TTL AF USB RGB RLE LZW BMP RAW TIFF GIF PNG JPEG Liquid Crystal Display Charge Coupled Device Complementary Metal Oxide Semiconductor Trough The Lens Autofocus Universal Serial Bus Red, Green, Blue Run Lenght Encoding Lampel, Ziv, Welch Bit Mapped Picture Raw Tag Image File Format Graphics Interchange Format Portable Network Graphics Joint Photographic Experts Group 8
Zoznam použitých fotografií Obr. 1: Kompaktný fotoaparát...11 Obr. 2: Digitálna zrkadlovka...12 Obr. 3: CCD čip...12 Obr. 4: Princíp dopadania svetla na čip...14 Obr. 5: Principiálna schéma...14 Obr. 6: CMOS čip...15 Obr. 7: Objektív...16 Obr. 8: Prepojenie cez USB...19 Obr. 9: Formát RAW...26 Obr. 10, 11: Vplyv JPEG kompresie na kvalitu fotografie...29 Obr. 12: Formát JPEG...30 Obr. 13: Palubná doska v automobile...31 Obr. 14: Pouličné osvetlenie............31 Obr. 15: Osvetlenie tunela...31 Obr. 16: Užívateľské prostredie programu LumiDISP...32 Obr. 17: Canon EOS 350D...32 Obr. 18: LMK 98-4 color...33 Obr. 19: LMK 98-4...33 Obr. 20: Užívateľské rozhranie aplikácie LMK 2000...34 Obr. 21: Automobilové svietidlo...34 Obr. 22: Pozemné komunikácie...35 Obr. 23: Grafický návrh softvéru na meranie jasu...36 9
Úvod Digitálne fotografie už neplnia len úlohu uchovávania obrazových spomienok a udalostí, ale už ich využívajú aj grafici, ktorí ďalšou úpravou dokážu navrhovať reklamné plagáty, inzeráty, letáky, prezentácie, webové stránky, a podobne. V súčasnej dobe fotografia zohráva dôležitú úlohu ako komunikačné médium, ale aj ako nástroj vedy a techniky. Úlohou tejto práce je zoznámiť poslucháča so základnými vlastnosťami digitálnej fotografie, ukázať základné metódy a možnosti spracovania digitálnych fotografií a uplatnenie týchto postupov v praxi. Popíšem digitálny fotoaparát a jeho prácu, vznik digitálnej fotografie, jej ukladanie a prenos do počítača. Ukážem Vám teoretický popis programu na meranie jasu, ktorý ako vstupné dáta využíva digitálnu fotografiu a možnosti jej využitia pre rôzne meracie účely. 10
1 Digitálny fotoaparát Digitálny fotoaparát je fotoaparát, zaznamenávajúci obraz v digitálnej forme, takže môže byť okamžite zobrazený na zabudovanom displeji alebo nahraný do počítača. Základnou funkciou digitálneho fotoaparátu je snímanie statických obrazov do podoby tzv. digitálnej fotografie a umožniť tak ich ďalšie spracovanie v počítači, ich tlač či vyvolanie špeciálnou osvitovou jednotkou do výslednej podoby ako u klasickej fotografie. Digitálne fotoaparáty ponúkajú okrem svojej základnej funkcie aj rad ďalších doplňujúcich a rozširujúcich funkcií, ktoré súvisia buď priamo alebo nepriamo so spracovávanými obrazovými údajmi. Fotoaparáty tak dokážu okrem obrazu zaznamenať aj pohyblivé scény vo forme videa alebo zvukový záznam vo forme ozvučeného videa alebo ako poznámky k odfoteným snímkam. [5] 1.1 Typy digitálnych fotoaparátov Na trhu dostať rôzne typy digitálnych fotoaparátov v závislosti od ich konštrukcie. Dva základné typy digitálnych fotoaparátov sú: 1. kompaktný Obr.1: Kompaktný fotoaparát Vyrábajú sa rozličné typy, od tradičných až po vreckové rozmery. Veľkosť fotoaparátu vychádza z veľkosti používaných batérií a systému ukladania fotografií 11
2. zrkadlovka Obr. 2: Digitálna zrkadlovka Sú vybavené zrkadlom, ktorým možno v optickom hľadáčiku pozorovať fotografovanú scénu priamo cez objektív. Výhodou zrkadloviek je tak priamy pohľad na snímanú scénu, čo umožňuje lepšie posúdenie farebnosti. Je to výhodné najmä pri zhoršených svetelných podmienkach, keď náhľadový LCD displej nedokáže dostatočne verne zobraziť farby snímaných objektov. V dôsledku toho sa u niektorých typov nedá používať panel LCD na zobrazenie náhľadu scény. 1.2 Hlavné časti digitálneho fotoaparátu 1.2.1 Snímač obrazu Snímač obrazu je asi najdôležitejšia súčiastka digitálnych fotoaparátov, ktorá zaznamenáva obraz. Poznáme viac druhov snímačov, najpoužívanejšie sú CCD a CMOS 1.2.1.1 CCD čip (Charge Coupled Device) Obr. 3: CCD čip 12
Podstatným článkom pri prenose obrazu na pamäťové médium je čip CCD umiestnený za clonou fotoaparátu. ktorý je Snímač mení dopadajúce svetlo na digitálne údaje a prístroj obsahuje pamäť na ich uloženie, buď vstavanú, alebo vymeniteľnú. CCD je fotocitlivý segment tvorený mnohými kremíkovými diódami kde svetlo dopadajúce na senzor CCD nabíja jednotlivé pixely ( z angl. picture elements) čo sú najmenšie častice rastrového displeja alebo digitálneho obrazu obsahujúceho informáciu o jase a farbe. Kombinácia CCD, softwaru a pamäte nahradzuje v digitálnom zobrazovaní diapozitívy alebo filmy s ktorými sa stretávame v analógových fotoaparátoch. Najvýraznejším dôsledkom tohto procesu je, že záber si môžeme kedykoľvek po odfotení pozrieť priamo na displeji svojho digitálneho fotoaparátu. Čip CCD je veľký zhruba ako necht na prste ruky. Čip fotoaparátu, s rozlíšením asi 2,5 megapixlov má na svojom povrchu viac ako 1 700 x 1 300 fotocitlivých diód usporiadaných do stĺpcov a radov podobne ako pixely počítačového monitora. Keby všetky senzory reagovali na prichádzajúce svetlo rovnako snímal by digitálny fotoaparát iba čiernobielo. Preto sú senzory prekryté rôznymi farebnými filtrami pomocou ktorých môžeme dosiahnuť vernejšiu reprodukciu farieb. Pre kvalitné zachytenie obrazu sú ešte potrebné informácie o jase, intenzite svetla. Pre každú farbu ja stanovených až 256 úrovní svetelnej intenzity. Z tejto kombinácie vzniká 16,7 milióna rôznych farebných odtieňov. Tieto údaje sú prevedené na digitálne signály tak aby všetky dôležité informácie o snímanom obraze mohli byť uložené v pamäti digitálneho fotoaparátu. Jeho výroba je relatívne jednoduchá, ale nákladná. Výstup informacií z CCD čipu eště nie je digitálny, ale analogový a preto za CCD čipom musia nasledovať obvody pre digitalizáciu obrazu (A/D prevodník), čo znamená vyšší odber elektrické energie a spomalenie toku dát. Svetlocitlivé bunky na CCD čipe majú tvar štvorca a výstup z CCD čipu je pomocou zbernice. Jednotlivé riadky, prípadne stĺpce svetlocitlivých buniek sú napojené na zbernicu a tak keď sa odčítajú údaje o obraze najprv hlási údaje jeden stĺpec, potom druhý atd.. a to všetko po jednej zbernici. Jednoduchšie prevedenie, ale pomalejšie čítanie dát. Takémuto usporiadanoi CCD čipu sa hovorí progresívny CCD čip. Naproti tomu čip označovaný ako prekladaný CCD čip je síce zložitejší na pohľad, ale výrobne jednoduchší. Princíp je veľmi jednoduchý. 13
Nenačítajú sa rady či stĺpce svetlocitlivých buniek postupne, ale po blokoch, keď napr. prvý až tretí stĺpec ná svoj vlastný register (akási minipameť pre odčítanie), štvrtý až šiesty majú tiež vlastný atd. Odčítavajú sa potom postupne práve tieto hodonoty jednotlivých registrov, čo vedi k urychleniu získávánia dát z čipu. Prekladaný CCD čip je tak výhodnejší pre prípady, keď je nutné fotografovať niekoľko snímkov za sebou (sériove snímanie). Obr. 4: Princíp dopadania svetla na čip Snímaný obraz CCD čip šošovka Obr. 5: Principiálna schéma Tab.1: Štandardné veľkosti čipov Format [''] 1 2/3 1/2 1/3 1/4 Vertical [mm] 9,6 6,6 4,8 3,6 2,2 Horizontal [mm] 12,8 8,8 6,4 4,8 3,6 Diagonal [mm] 16,0 11,0 8,0 6,0 4,5 14
1.2.1.2 CMOS čip Obr. 6: CMOS čip CMOS čip je konstrukčne veľmi zložitou záležitosťou, ale je výrobne lacnejší, pretože sa vyrába rovnakým spôsobom ako procesory pre počítače. Obvody, ktoré digitalizujú obraz pri CCD čipe pre všetky pixely postupne sú tu už priamo súčasťou CMOS čipu, keď každá svetlocitlivá bunka má tieto obvody priamo v sebe. Digitalizácia obrazu sa tak prevadza pre všetky pixely zvlášť a naraz. To znižuje dobu potrebnú na prečítanie obrazu z CMOS čipu a znižuje spotrebu energie. Vďaka tomu, že každá svetlocitlivá oblasť má rovno v sebe svoje digitalizačné obvody zaberajú tieto oblasti citlivé na svetlo iba nepatrnú časť celej plochy čipu. To sa rieši tak, že každá takáto bunka dostane nad seba, okrem RGB filtra i miniaturnu šošovku, ktorá sústredí lúče dopadajúce na plochu s digitalizačnými obvodmi do miesta citlivého na svetlo. Počet takýchto mikronových šošoviček tak stúpa do miliónov. Výhodou je výstup dát z CMOS čipu. Nedeje sa tak postupne po zbernici, ale naraz. Vývod dát má každá svetlocitlivá bunka zvlášť. To zvyšuje rýchlosť odberu dát z CMOS čipu, hlavne je táto vlastnst žiadúca pri sériovom snímaní. 15
1.2.2 Objektív Obr. 7: Objektív Objektív tvorí spojená optická sústava viacerých šošoviek, ktorej úlohou je čo najvernejšie zachytiť obraz a preniesť ho na snímač. Ohniskom je obraz nekonečne vzdialeného bodu na osi optickej sústavy objektívu. Ohnisková vzdialenosť objektívu je vzdialenosť stredu optickej sústavy objektívu od ohniska. Udáva sa v milimetroch. Platí, že normálny objektív má ohniskovú vzdialenosť približne rovnakú ako uhlopriečka snímača, čo zodpovedá pozorovaniu ľudského oka. Objektív s väčšou ohniskovou vzdialenosťou nám obraz približuje, s menšou ohniskovou vzdialenosťou naopak pozorovaný obraz vzdiali. Objektívy môžu byť s pevným ohniskom alebo s premenlivým ohniskom, tzv. transfokátory (zoom). Ak si chceme pri objektíve s pevným ohniskom priblížiť fotografovanú scénu, musíme fyzicky prejsť niekoľko krokov. Ak má fotoaparát transfokátor, priblíženie sa dá jednoducho uskutočniť zmenou ohniskovej vzdialenosti objektívu bez zmeny nášho stanoviska. Rozsah transfokátora (zoomu) udáva, koľkokrát sa dá ohnisková vzdialenosť zväčšiť oproti najmenšej ohniskovej vzdialenosti. Väčšina digitálnych fotoaparátov má pevne zabudovaný, poloprofesionálne a profesionálne fotoaparáty majú možnosť použitia výmenných objektívov. Ďalším parametrom objektívu je svetelnosť. Svetelnosť udáva, aké množstvo svetla prepustí optická sústava objektívu na snímač. Najideálnejší je objektív, ktorého svetelnosť sa blíži k hodnote 1. Bežné objektívy digitálnych fotoaparátov majú svetelnosť v rozsahu od 2 do 4,5. Súčasťou každého objektívu je clona. Clona slúži na obmedzenie množstva svetla, ktoré objektív prepúšťa (zmenšuje priemer optickej sústavy). Najnižšie clonové číslo (maximálne otvorený objektív) je zhodné so svetelnosťou objektívu. 16
Clona sa otvára alebo zatvára po krokoch. Existuje základný rad clonových čísel, pričom platí, že ďalšie clonové číslo tohto radu otvorí clonu tak, aby prepúšťala polovičné množstvo svetla oproti predchádzajúcemu clonovému číslu. Význam objektívu pre digitálny fotoaparát Dôležitosť sústavy šošoviek je často u digitálnych fotoaparátov podceňovaná. Výrobcovia často odvádzajú pozornosť zákazníka na rozlíšenie, cenu alebo iné parametre. Schopnosť digitálneho fotoaparátu zamerať zachytené svetlo na CCD je závislá práve na kvalite použitých šošoviek keďže CCD čip je výrazne menší ako plocha klasického filmu. Preto musia mať šošovky digitálneho fotoaparátu výrazne vyššie rozlíšenie ako klasické kompaktné prístroje. Ďalším dôvodom prečo použiť kvalitnú optiku je, že okrem ostrosti fotografií ovplyvňujú šošovky aj reprodukciu farieb a kvalitu fotografií urobených v zhoršených svetelných podmienkach. 1.2.3 Uzávierka Slúži na obmedzenie času, počas ktorého dopadá svetlo na snímač. Staršie klasické fotoaparáty používali mechanickú uzávierku, novšie typy klasických a takmer všetky digitálne fotoaparáty používajú elektronickú uzávierku Expozičné časy uzávierky tvorí základný rad, pričom platí, že ďalšia hodnota je približne polovicou, resp. dvojnásobkom predošlej hodnoty. 1.2.4 Zaostrovanie Digitálne fotoaparáty používajú na zaostrovanie objektívu systém autofocus (označovaný skratkou AF). Objektív obsahuje miniatúrne motorčeky, ktoré na základe impulzov z procesora pohybujú jednotlivými optickými členmi. 17
1.2.5 Hľadáčik Hľadáčik slúži na zobrazenie scény počas fotografovania. Digitálne zrkadlovky používajú 3 typy hľadáčikov - optický priehľadový hľadáčik, elektronický hľadáčik a priehľadový TTL systém. Optický hľadáčik je konštrukčne najjednoduchší, zvyčajne je umiestnený priamo nad objektívom alebo mierne vpravo od osi objektívu. Jeho nevýhodou je malá veľkosť a hlavne pri menších vzdialenostiach nastáva mierny posun obrazu oproti tomu, čo bude skutočne zachytené objektívom. Tento typ hľadáčika používajú kompakty. Elektronický hľadáčik používa na zobrazenie miniatúrny displej. To, čo sa zobrazí v hľadáčiku, sa skutočne dostane aj na snímač a výslednú fotografiu. Jeho nevýhodou je nízke rozlíšenie a pre fotografa zhoršené podmienky na kontrolu kompozície, prípadne ostrosti scény. Priehľadový TTL (Trough The Lens) hľadáčik, zobrazuje obraz prechádzajúci objektívom a cez zrkadlo alebo optický hranol sa dostane na matnicu. Obraz v tomto type hľadáčika je najvernejší a zobrazuje skutočný obraz, ktorý sa dostane na výslednú fotografiu. 1.2.6 LCD displej Umožňuje pozorovať obraz ako klasický hľadáčik, slúži na nastavovanie jednotlivých funkcií a parametrov menu a taktiež sa dá použiť na prehliadanie nafotografovaných záberov. Dôležitým parametrom LCD displeja je jeho rozlíšenie v bodoch. 1.2.7 Ďalšie časti digitálneho fotoaparátu 1. Spúšť Stlačením tohto tlačidla urobíme fotografiu. 2. Blesk Slúži na osvetlenie scény. Snímač CCD v digitálnom fotoaparáte potrebuje dostatok svetla rovnako ako klasický film. 4. Pamäťová karta Karta obsahujúca pamäťové čipy, kam sa ukladajú fotografie. 18
5. Batérie Digitálne fotoaparáty majú väčšinou vysoké nároky na výkon batérií, najmä ak sa dlho používa displej LCD. 6. Telo objektívu Cez telo objektívu vchádza do fotoaparátu svetlo z fotografovanej scény. 1.3 Pripojenie digitálneho fotoaparátu k PC Musí byť rovnaké rozhranie medzi počítačom a fotoaparátom (napr. sériové alebo USB). Pre odoslanie dát z fotoaparátu na počítač je nutné mať kompatibilné rozhranie. V súčasnosti sa najviac používa USB. Obr. 8: Prepojenie cez USB 1.4 Porovnanie filmového a digitálneho fotoaparátu Digitálne fotoaparáty sú oproti klasickým mechanickým jednoduchšie. Odpadá nutnosť motorového prevíjania filmu a jeho zakladania cez otvárateľnú zadnú stenu. Takže sa to prejaví priaznivým znížením rozmerov. Digitálny spôsob snímania obrazu dovoľuje použiť okrem optických transfokátorov tiež transfokátory digitálne, ktoré umožňujú vďaka interpolácií za cenu mierneho zníženia kvality obrazu napodobniť efekt predĺženia ohniskovej vzdialenosti optických transfokátorov. 19
Udáva sa, že políčko kinofilmu obsahuje okolo 5-6 miliónov efektívne využiteľných obrazových bodov. Obrazový snímač dnešných digitálnych fotoaparátov už tieto hodnoty dosiahol. Zatiaľ čo možnosti zlepšovania rozlíšenia citlivej vrstvy negatívneho filmu sú už na hranici svojich možností, obrazové snímače digitálnych fotoaparátov prežívajú búrlivý vývoj a ďalšie rýchle zvyšovanie svojej rozlišovacej schopnosti majú ešte len pred sebou. 2 Digitálna fotografia Digitálna fotografia je vlastne digitálne vyfotený obraz ktorý sa ďalej spracúva v počítači. Je to nechemická, elktronicko optická fotografia vytvorená prostrednictvom elektronických, digitálnych fotoaparátov, alebo videotechniky Digitálna fotografia, na rozdiel od filmovej fotografie, používa elektronické zariadenia na nahrávanie obrázkov v binárnej forme. Toto uľahčuje ich uloženie a úpravu na osobných počítačoch a taktiež schopnosť vidieť a vymazať nevydarené obrázky z fotoaparátu. Digitálna fotografia má oproti fotografií klasickej rad nesporných výhod. Pri klasickej fotografií sa exponovaním jedného políčka negatívu stáva táto plocha filmu k ďalšiemu fotografovaniu už nepoužiteľná, film je treba posunúť o ďalšie políčko vpred a nakoniec vymeniť za nový. Digitálny fotoaparát však ukladá exponované obrázky do elektronickej pamäti, z ktorej ich môžeme kedykoľvek "vymazať" do počítača či fotolaboratória a fotografovať do uvoľneného priestoru pamäti znovu. V pamätiach dnešných fotoaparátov je možné (podľa nastaveného rozlíšenia) uchovávať stovky až tisíce snímok, bez toho, aby sme boli nútení neustále ich ukladať do počítača. Najmä je možné si po každej expozícií okamžite výsledný obrázok prehliadnuť na displeji a ak sa nám nepáči, hneď ho priamo z pamäte fotoaparátu vymazať. [8] 20
2.1 Princíp digitálnej fotografie Objektívom fotoaparátu dopadá na plochu snímača svetlo. Snímač je zložený z niekoľkých miliónov svetlocitlivých buniek. Každá bunka prevádza intenzitu svetla najčastejšie na jeden z 256 odtieňov pomocou analógovo-digitálneho prevodníka. Okrem toho ešte musí spracovať aj informáciu o farbe. Digitálne fotoaparáty analyzujú najčastejšie 3 základné farby: červenú (red), zelenú (green) a modrú (blue). Z toho vychádza skratka RGB, ktorá označuje farebný priestor s tromi základnými farbami. Kombináciou 3 farieb v 256 stupňoch vzniká celkom 16,7 milióna farebných odtieňov. Spracované informácie sa ukladajú na pamäťovú kartu do obrazových súborov - najčastejšie vo formáte JPEG alebo TIFF 2.2 Nevýhody digitálnej fotografie Citlivosť snímačov digitálnych fotoaparátoch a klasických negatívov je veľmi podobná. Negatívny film je schopný sa vyrovnať s väčším rozdielom jasov a na rozdiel od elektronického snímača teda vykreslí správne i pomerne veľmi kontrastný obraz. Rovnako ako klasické aj digitálne fotoaparáty potrebujú svoj zdroj energie, teda batériu. Odber prúdu z batérie je však u digitálnych fotoaparátov zatiaľ podstatne väčší. Na vine je predovšetkým farebný displej, ktorého príkon je pomerne veľký. Z týchto dôvodov sa v digitálnych fotoaparátoch používajú nabíjacie akumulátory (NiMH, Li-Ion) veľkých kapacít. [8] 21
3 Počítačová grafika Počítačová grafika - je to akákoľvek forma informácie v podobe obrázku, grafu, náčrtu, fotografie, schémy, modelu apod. 3.1 Spôsoby ukladania obrazu V praxi existujú tri principiálne odlišné spôsoby (druhy formátov) ukladania obrazu: - vektorový - rastrový - metaformáty Vektorová grafika Vektorová grafika sa neskladá z bodov, ale z objektov a geometrických útvarov. Vektorové obrazy nazývame kresby. Najčastejšie sa skladajú z kriviek a úsečiek. Krivka sa skladá z dvoch spojených bodov, pričom tvar spojovacej čiary je daný smerom a veľkosťou vodiacich vektorov umiestnených v bodoch ohraničujúcich krivku. Vektorová grafika sa používa pre znázornenie rôznych geometrických konštrukcií, ale aj pri vytváraní kresleného dizajnu. Výhodou je, že všetky tvary sú zapísané matematicky a tak možno kresby ľubovoľne zväčšovať bez straty kvality. Rastrová grafika Obraz je uložený bod po bode ako dvojrozmerná matica čísel, kde každé označuje farbu daného bodu v závislosti od zvolenej farebnej hĺbky V praxi je tento spôsob ukladania obrazu najpoužívanejší, vhodný pre fotografie a web. V súčasnosti je to najpoužívanejší druh grafiky a pre bežného používateľa aj najdostupnejší a najdôležitejší spôsob zachytenia obrazu v počítači. Rastrovým obrazom hovoríme maľby, alebo fotografie. Princíp je jednoduchý. Rastrový obraz sa skladá z množstva obrazových bodov - pixlov. Je to vlastne mozaika poskladaná z veľmi malých štvorčekov. Využíva sa najmä pri detailných obrazoch s množstvom prechodov, kde záleží na každom bode. Typickým rastrovým obrazom je fotografia. Nevýhodou rastrovej maľby, či fotografie je strata kvality pri zmenšovaní a opätovnom zväčšovaní, alebo pri zväčšovaní obrazu vôbec. 22
Metaformáty Je to kombinácia vektorových a rastrových dát. 3.2 Komperesie pri grafických formátoch 3.2.1 RLE (Run Lenght Encoding) redukuje opakované výskyty znakov -miesto AAAAA napíše 5A (možno kódovať v smere X, Y, ZIGZAG,...), vhodné pre obrázky skladajúce sa z oblastí s charakteristickou farbou.. 3.2.2 LZW (Lampel, Ziv, Welch) všeobecne použiteľné kódovanie (nielen na obrázky), používajú ho napríklad aj ZIP, ARJ, LHARC, GIF, TIFF - za behu buduje slovník sekvencií dát, ktoré sa vo vstupe objavujú. 3.2.3 Huffmanové kódovanie (CCITT) predloha sa skladá z 1 a 0, sledujeme dĺžky prúdov 1 a 0 a tie zapisujeme pomocou ich dĺžky, na ďalších riadkoch sa sledujú zhody a odlišnosti od predchádzajúceho riadku (niekedy sa ako prvý riadok berú samé 1) a kódujú pomocou dĺžok zhôd a odlišností. JPEG (DCT transformácia) stratová kompresia, stráca časti takmer neviditeľné Pre ľudské oko (malé zmeny farieb), možno nastaviť výslednú kvalitu (stratovosť), Vhodné hlavne pre fotografie (nie pre jednofarebné plochy). 23
3.3 Formáty obrazových súborov Každá digitálna fotografia je uložená v špeciálnom obrázkovom formáte. Formáty obrazových súborov môžeme rozdeliť na bezstratové a stratové Stratová kompresia Stratové kompresné algoritmy sú algoritmy zabezpečujúce kompresiu (zníženie objemu dát) multimédia (zvuk, obraz, video) za cenu jeho kvality. Stratová kompresia je metóda, ktorou po zkomprimovaní dát a ich rozkomprimovaní získame výsledok odlišný od originálu. Tento výsledok bude však tak blízko originálu, že sa dajú ešte na nejaký účel použiť Bezstratová kompresia Bezstratová kompresia je trieda kompresných algoritmov, umožňujúca spätnú rekonštrukciu komprimovaných dát do pôvodnej podoby bez straty informácie, na rozdiel od stratovej kompresie, kde toto nie je možné. Bezstratová kompresia sa používa všade tam, kde je potrebné, aby dekomprimované údaje boli identické s pôvodnými údajmi. Typické príklady sú spustiteľné programy alebo zdrojové kódy. Niektoré obrázkové formáty, napríklad PNG alebo GIF, používajú iba bezstratovú kompresiu, zatiaľ čo niektoré ďalšie formáty môžu používať stratovú aj bezstratovú kompresiu. 24
3.3.1 Bezstratové formáty 3.3.1.1 BMP Bitmap file (*.bmp) (Bit Mapped Picture = Microsoft Windows Bitmap) Môže mať rôznu farebnú hĺbku: 1, 4, 8, 24 bity. Bit Mapped Picture v slovenčine približne znamená obrázok s popisom všetkých obrazových bodov. Môže byť buď nekomprimovaný alebo komprimovaný nestratovou kompresiou RLE. Tento grafický formát používa operačný systém Microsoft Windows. Pôvodne bol určený pre 16 farebné obrázky. Podporuje len jednoduchú kompresiu. Je to preto, že sa často používal a dlhá dekompresia by výrazne spomaľovala rýchlosť celého systému. Preto je formát jednoduchý a rýchly. Záporom je veľká veľkosť obrázku na disku. [9] 3.3.1.2 RAW (*.raw) V digitálnych fotoaparátoch vyššej triedy sa môžeme stretnúť s formátom RAW, ktorý je na rozdiel od JPEG bezstratový takže uchováva všetky získané informácie. O RAW sa tiež hovorí ako o digitálnom negatíve. Názov formátu je od anglického slova RAW surový. Je to surový formát priame dáta zo snímača digitálneho fotoaparátu, na farby sa premieňajú až konverzným softvérom v PC do potrebného modelu. Pri fotení formátom RAW sa nezpracuváva nič, dáta CPU iba pretekajú a ihneď sa ukládajú na kartu. To zrýchľuje prácu fotoaparátu pri sériovom snímaní. Veľkost formátu RAW je naviac značne menšia než konkurenčného TIFF, aj keď je stále 2-3x väčšia než veľkost JPEGu. RAW sa používa najmä pri profesionálnom fotografovaní, keď autorovi veľmi záleží na kvalite a vernosti obrazu. [9] 25
Vlastnosti RAW fotografie v programe ACDSee: Obr. 9: Formát RAW 26
3.3.1.3 TIFF - Tag Image File Format (*.tif) (TIF, Tag Image File Format) Je formát vytvorený pre použitie v typografii. Môžeme sa s ním stretnúť pri skeneroch. Je príkladom veľmi univerzálneho grafického formátu, čo však prináša veľkú zložitosť a odlišnosť pri načítavaní tohto formátu. Spolu s formátom JPEG a PNG je medzinárodným štandardom pre kódovanie statických obrazov. V súbore je zapísané, aká kompresia je pre dáta použitá. Používa sa Huffmanové kódovanie LZW a občas aj JPEG. Obsahuje aj veľa doplnkových údajov, napríklad pre tlačiarne. Formát TIFF používa nestratovú kompresiu, teda veľkosť obrázku je značná. V tomto formáte sa neoplatí ukladať digitálne fotografie. Jeho najväčšie využitie je pri skenovaní, pretože možno upravovať jednotlivé časti obrazu samostatne. Editovanie veľkých naskenovaných súborov je tak menej náročné na hardware. [9] 3.3.1.4 GIF Graphics Interchange Format (*.gif) (Graphics Interchange Format) Je asi najstarší a najrozšírenejší formát používaný na WWW stránkach. Skratka GIF znamená. Jeho autorom je firma CompuServe, jeho prvá verzia vznikla už v roku 1987 (označuje sa ako GIF 87a), v roku 1989 (GIF 89a) bol formát rozšírený o niektoré prvky animácie a priehľadnosť. GIF používa tzv. indexové farby: tj. súčasťou každého obrázku je farebná paleta a každý bod môže mať iba tú farbu, ktorá je obsiahnutá v tejto palete. Paleta môže obsahovať lubovolné farby a jej veľkosť určuje počet zobraziteľných farieb a zároveň aj veľkosť obrázku. Každý pixel totiž obsahuje odkaz do tejto palety. Minimálne môže obsahovať len dve farby vtedy na odkaz stačí jeden bit. Maximálne môže byť odkaz 8 bitov, tj. 256 farieb. Pretože jednou z požiadaviek pre internetové formáty je čo najmenšia veľkosť, obsahuje GIF kompresiu. Používa sa algoritmus LZW. Tento algoritmus je veľmi efektívny pre veľké jednofarebné plochy, prípadne pre vodorovné pruhy. V obrázku môžeme jednu farbu z palety definovať ako priehľadnú, neviditeľnú. Vymoženosť GIFu je že môžeme vytvárať jednoduché animácie. Je to v podstate niekoľko obrázkov za sebou, ktoré sa striedajú. Typickou ukážkou sú reklamné bannery na internete. 27
GIF je teda veľmi vhodný na obrázky s obmedzeným počtom farieb. Napríklad na rôzne schémy, firemné logá alebo nápisy. Naopak je nevhodný pre fotky alebo farebné prechody. [9] [10] 3.3.5 PNG - Portable Network Graphic (*.png) (Portable Network Graphics) Tento formát má ambície nahradiť GIF a zároveň odstrániť jeho hlavé nevýhody. PNG využíva bezstratovú kompresiu založenú na algoritme deflate. PNG umožňuje ukladať obrázky buď s indexovými farbami (16 alebo 256 farieb), alebo s plnou farebnou informáciou (24 alebo 48 bitov). Okrem toho sa dá do súboru uložiť aj ďalšia informácia, ako napríklad pomer strán obrazového bodu, alfa kanál alebo gama korekcia. Ďalšou veľkou prednosťou je priehľadnosť. Ak použijete indexované farby, môžete opäť jednu farbu spriehľadniť, tak ako u GIFu. Ak však uložíte obrázok s plnou farebnou informáciou, máte k dispozícii až 256 až 65536 úrovní priehľadnosti. Vďaka tomu môžete ľahko vytvárať rôzne tiene alebo prechody. PNG používa kvalitnejší algoritmus nestratovej kompresie LZ77 a Huffmanovú kompresiu, ako je LZW pri GIF e. Doporučuje sa používať všade na webe namiesto GIF u. [10] 28
3.3.2 Stratové formáty 3.3.2 JPEG Joint Photographic Experts Group (*.jpg) (JPG, Joint Photographic Experts Group) Najpopulárnejší a vždy podporovaný grafický formát bežného užívateľa. Vznik obrázku JPG sa datuje do roku 1990, kedy bol štandardizovaný normou ISO, a roku 1991, kedy začal byť dosť používaný. Formát JPEG podporuje 24 bitovú grafiku a preto môže obsahovať plnú paletu farieb. Je určený pre ukladanie fotografií či obrázkov využívajúcich plné farebné spektrum. Je to však stratový formát, čo znamená, že určité informácie sú z obrázku odstránené práve s ohľadom na zníženie dátovej náročnosti. Jeho vnútorná štruktúra dát vychádza z postupov porovnateľných s komprimáciou dát, preto pri relatívne malej dátovej veľkosti môže niesť veľké množstvo informácií. Formát JPEG nepodporuje transparentné obrázky ani animácie. JPG sa značne rozšíril spolu s Internetom. Rastrový obrázok je komprimovaný stratovou kompresiou JPEG. Platí, že čím vyššia komprimácia, tým väčšie straty. Kvôli stratovosti kompresie (a tým pádom nevratnosti komprimačného procesu) sa JPEG nepoužíva ako pracovný súbor. Pri každom uložení by sa totiž znížila kvalita obrazu. Práve kvôli stratovosti sa JPEG rovnako nepoužíva na jednoduchú webovú grafiku (málo farieb, súvislé farebné plochy). Pri ukladaní takejto grafiky by totiž na súvislých plochách vznikali zhluky pixelov neprirodzenej farby. Rovnaký efekt síce vzniká aj na zložitých fotkách, ale tu ich ľudské oko nie je schopné zaregistrovať. [7] Obr. 10, 11: Vplyv JPEG kompresie na kvalitu fotografie: - minimálna kompresia, veľkosť 36 kb - maximálna kompresia, veľkosť 8 kb 29
Vlastnosti JPEG fotografie v programe ACDSee: Obr. 12: Formát JPEG 30
4. Možnosti využitia digitálnej fotografie pre meranie jasu a farieb Existuje veľa odvetví kde sa využíva digitálna fotografia napr. na reklamné účely, rôzne dokumentácie ako dôkazy pre políciu atd. Ja Vám chcem predstaviť digitálnu fotografiu za účelom merania jasu a farieb. Využitie môže byť všestranné môže sa použiť v automobilovom priemysle na meranie osvetlenia paluboviek. Obr. 13: Palubná doska v automobile Ďalej sa môže použiť pri osvetlení verejných komunikací, verejného osvetlenia, prechodov pre chodcov, chodníkov, Obr. 14: Pouličné osvetlenie pri osvetlení tunelov, v kancelárií, v domoch, v budovách, v obchodných centrách, školských posluchárňach apod. Obr. 15: Osvetlenie tunela 31
V súčasnosti existuje viac rôznych programov na meranie jasu pomocou digitálnej fotografie. Najznámejší v blízkom okolí je program LumiDISP ( Luminance DIStribution Processing) je to program, ktorý zjednodušuje meranie vo svetelnej technike. Ako podklad používa dáta vo formáte JPEG v ktorom je obraz zaznamenaný vo forme stratovej kompresie snímku. Z nameraného snímku je vytvoeny jasový kanál, v ktorom je uložená informácia o hodnote jasu pre daný makropixel. Makropixel obsahuje 3 pixely (R, G, B), v ktorých je uložená hodnota zaznamenaná CMOS snímačom fotoaparátu. [12] Obr. 16: Užívateľské prostredie programu LumiDISP Ďalší profesionálny softvéry je napríklad LMK 2000 od firmy TechnoTeam Technika TechnoTeam prelomila všetky bariéry v oblasti fotometrických meraní osvetľovacieho zariadenia. Na vykonávanie statických a dynamických fotometrických meraní používajú profesionálnu digitálnu zrkadlovku Canon EOS 350D (LMK mobile advanced) Obr. 17: Canon EOS 350D 32
alebo sériu modelov LMK98. Obr. 18: LMK 98-4 color Obr. 19: LMK 98-4 Pretože ľudské oko, ktoré vytvára obraz priamym pozorovaním, je voči svetlu a farbám citlivé ináč než snímače typu CCD alebo CMOS, ktoré používa na záznam snímanej scény séria modelov LMK98 alebo profesionálna digitálna zrkadlovka Canon EOS 350D (LMK mobile advanced) treba brať do úvahy najmä: - odchýlku údajov spektrálnej citlivosti od funkcie V(λ); - smerovú chybu; - chybu linearity; - teplotnú chybu; - chybu pri meraní modulovaného svetla; - totálnu chybu. 33
Obr.20 : Užívateľské rozhranie aplikácie LMK 2000 Užívateľské rozhranie aplikácie LMK2000 je tvorené niekoľkými komponentmi nachádzajúcimi sa vo vnútri okna programu. Súčasťou základného produktu LMK2000 sú malé jednoúčelové programy. Napríklad: LMK2000 Scheinwerfer - na meranie svetlometov a ostatných svietidiel vozidiel; Obr. 21: Automobilové svietidlo 34
LMK2000 Strassen und Tunnel aplikácia pre pozemné komunikácie a cestné tunely; Obr. 22: Pozemné komunikácie LMK2000 Konoskop - program s prídavným objektívom, ktorý sníma jas a farbu monitorov; LMK2000 Spektrometer - technológia umožňujúca meranie spektrálneho žiarenia a trichromatických súradníc farebných podnetov; LMK2000 color interior, resp. LMK interior - aplikácia pre skúšky osvetlených a presvetlených bezpečnostných značiek; Ide o presne špecifikovanú skupinu programov, ktorých hlavným cieľom je vytvoriť protokol z merania. [13] 35
5. Návrh softvéru na meranie jasu pomocou digitálneho fotoaparátu Situácia v praxi sťažuje komplikované použitie meracích postupov, či práce s klasickými jasomermi. Práca s jasomerom je síce pomerne presná ale komplexná analýza je príliš zdĺhavá a náročná. Môj postup pri návrhu programu začal vybraním najvhodnejšieho formátu fotografie, ktorou je formát RAW pretože je to nekomprimovaný a surový formát, tak najdôverihodnejšie zaznamenáva svetlo na CCD senzore a oproti TIFF formátu má 3x menšiu veľkosť. Každý pixel nekomprimovanej fotografie ma v sebe uloženú informáciu o jase, v tomto prípade je to číslo od 0 po 255, pričom 0 je najtmavší bod a 255 je najjasnejší bod. Program by mal slúžiť na zjednodušenie merania a vyhodnocovanie jasu, mal by vypočítať priemerný jas nájsť najjasnejší bod vo výbere. Výhodou tohto spôsobu je možnosť robiť meranie až následne pri spracovaní zaznamenaných dát. Obr. 23: Grafický návrh softvéru na meranie jasu 36
Na rozdiel od klasického jasomeru, ktorý má obvyklý vzorný uhol 1 stupeň a meraná plocha je kruhová, v programe je možné si zvoliť lubovolný uhol. Môže to byť kruh, štvorec, čiara nebo akýkoľvek útvar, ktorým sa ohraničí lubovolná plocha, ktorú chceme merať. Reálne scény veľmi často majú také rozloženie jasu, ktoré nie je možné v jednom snímku dobre zaznamenať. Správne by bolo nastaviť taký expozičný režim, aby bola zaznamenaná najvyšší hodnota jasu bez presýtenia čipu. V prípade svetelných zdrojov, ktorých jasy sú rádové tisíce až stovky tisíc kandel na meter štvorcový, by okolité jasy pravdepodobne zanikli a výsledkom by bola čierna fotografia s niekoľkými jasnejšími miestami svetelnými zdrojmi. Obrovskou výhodou digitálnych fotoaparátov je skutočnosť, že ich expoziční režim je možné ľahko nastaviť vo veľmi veľkom rozsahu až niekoľko rádov citlivosti. Tak je možné zaznamenať ako veľmi vysoké, tak i veľmi nízke jasy. U kvalitných objektívov a digitálnych fotoaparátov to môže byť šesť až sedem rádov, čo predstavuje schopnosť merať napr. úrovne jasu v rádoch desatiny až do jednotiek miliónov kandel na meter štvorcový! Vďaka počítačovému spracovaniu je možné z niekoľko snímkov nafotených rôznou expozíciou vypočítať skutočné hodnoty jasov, a tie použiť pre ďalšie výpočty. Podmienkou je, aby sa scéna medzi jednotlivými snímky nemenila, aby snímky boli nafotené takmer v jednom čase a jednej polohe, t.j. zo statívu. [11] 37
Záver V tejto práci som zhrnul vlastnosti digitálnych fotoaparátov, a to predovšetkým z pohľadu záznamu obrazovej informácie. Uviedol som princípy používaných senzorov (CCD a CMOS), ich výhody a nevýhody. Venoval som sa základnému teoretickému opisu formátov a opisu možností ich využitia. Porovnal som tiež jednotlivé druhy grafických formátov. Analyzoval som možnosti využitia digitálnej fotografie v praxi. Teoreticky som navrhol program na meranie jasu. Softvér sa pripravuje je v štádiu riešenia a chcel by som ho dokončiť ďalej v diplomovej práci. 38
Použitá literatúra Zoznam kníh 1. Dobeš, M. Zpracování obrazu a algoritmy v C#. Praha : BEN - technická literatúra, 2008. ISBN 978-80-7300-233-6. 2. Baxant,P.: Analýza jasových poměru s využitím digitální fotografie. Brno : FEI VUT, 1999. Zoznam www stránok 3. Svetlo: http://www.svetlo.sk/ 4. TechoTeam: http://www.technoteam.de 5. Wikipedia: http://sk.wikipedia.org/wiki/digitálny_fotoaparát 6. Grafika:http://grafika.sk/ 7. Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/jpeg 8. Fotografia euforion: http://fotografia.euforion.sk/clanok/digitalna-fotografia.html 9. Referaty: www.referaty.sk 10. Katalog: http://clanky.katalog-fotoaparatov.sk/fotografovanie-upravy-fotografii/1488- formaty-dat-pro-digitalni-fotografii/ 11. LumiDISP: http://www.lumidisp.eu/ 39
12. Odborné časopisy: http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=22833 Zoznam použitých fotografií [Obr. 1: Kompaktný fotoaparát] Miroslav Mašír, 2010 [Obr. 2: Digitálna zrkadlovka] Miroslav Mašír, 2010 [Obr. 3: CCD čip] http://www.kenrockwell.com/nikon/d40/images/d40-sensor.jpg [Obr. 4: Princíp dopadania svetla na čip] http://www.ries.sk/ccd/df0.jpg [Obr. 5: Principiálna schéma] Miroslav Mašír, 2010 [Obr. 6: CMOS čip] http://digitalcontentproducer.com/hdhdv/depth/cmos%20chip1.jpg [Obr. 7: Objektív] 13. Techpark: http://www.techpark.sk/technika-4-2009/spolocne-zaklady-noriem-z-oblastisvetla-a-osvetlenia.html http://www.pentask.sk/nikon-objektiv-nikkor-70-300mm-f4-5-5-6g-af-s-vr-zoomnikkor_i16097.jpg [Obr. 8: Prepojenie cez USB] Miroslav Mašír, 2010 40
[Obr. 9: Formát RAW] Miroslav Mašír, 2010 [Obr. 10, 11: Vplyv JPEG kompresie na kvalitu fotografie] Miroslav Mašír, 2010 [Obr. 12: Formát JPEG] Miroslav Mašír, 2010 [Obr. 13: Palubná doska v automobile ] http://www.nissanclub.cz/graphics/msgboard/139865/full/palubovka.jpg [Obr. 14: Pouličné osvetlenie] http://www.verejneosvetlenie.sk/master/articles.php?lng=sk&pg=145 [Obr. 15: Osvetlenie tunela] http://www.asb.sk/portal/userfiles/image/stavebnictvo/inzinierske-stavby/bezpecnosttunelov-z-pohladu-poziarneho-nudzoveho-osvetlenia//bezpecnost-tunelov-z-pohladupoziarneho-nudzoveho-osvetlenia-2660-big-image.jpg [Obr. 16: Užívateľské prostredie programu LumiDISP] http://www.lumidisp.eu/ [Obr. 17: Canon EOS 350D] http://www.techpark.sk [Obr. 18: LMK 98-4 color] http://www.technoteam.de/ [Obr. 19: LMK 98-4] http://www.technoteam.de/ 41
[Obr. 20: Užívateľské rozhranie aplikácie LMK 2000] http://www.techpark.sk [Obr. 21: Automobilové svietidlo] Miroslav Mašír, 2010 [Obr. 22: Pozemné komunikácie] http://www.technoteam.de/ [Obr. 23: Grafický návrh softvéru na meranie jasu] Miroslav Mašír, 2010 42