Slajd 1

Przetwarzanie obrazu na sygnał

elektryczny

– Głównym podzespołem decydującym o parametrach

kamery telewizyjnej jest

lampa

analizująca

lub

przetwornik obrazu CCD

. Zadaniem ich jest

przetworzenie obrazu optycznego, rzutowanego przez
obiektyw kamery na powierzchnię światłoczułą
przetwornika, na sygnał elektryczny o postaci
szeregowej.



Lampy analizujące

VIDICON-

starej generacji



Przetworniki

CCD i CMOS-

nowej generacji

Przetworniki obrazu

CCD

(Charged Coupled

Device

- czujnik fotoelektryczny.)

CMOS

(Complementory Metal Oxide

Semiconductor

Komplementarny półprzewodnik z tlenków metalu)

Przetworniki CCD produkowane są w technologii wynalezionej
specjalnie do zastosowań w kamerach przemysłowych. Z kolei sensory
CMOS są wytwarzane w tej samej technologii co układy używane w
komputerach.

Zalety CCD do lamp analizujących

Przetworniki CCD/CMOS wykazują szereg zalet w

porównaniu z lampami analizującymi:



— brak bezwładności;



— odporność na wypalanie obrazu;



— idealna geometria obrazu;



— niewrażliwość na zakłócenia magnetyczne;



— zdolność przenoszenia w szerokim zakresie silnie

oświetlonych fragmentów obrazu;



— prawie nieograniczona trwałość;



— duży stosunek sygnału do szumu;



— duża odporność na narażenia mechaniczne;



— możliwość masowej produkcji przy zastosowaniu

technologii układów scalonych

W obu przypadkach foton, padając na materiał

półprzewodnikowy, wybija elektrony, które niosą informacje o

natężeniu światła.

Najważniejszą różnicą między przetwornikami CCD i CMOS jest

to, że elementem przetwarzająco – akumulującym w czujniku CCD

jest kondensator złączowy, a w czujniku CMOS kondensator MOS.

Technologie produkcji obu sensorów są różne

Standard RGB (rys. z lewej)

Standard YUV (rys. z prawej)



YUV - model barw, w którym Y

odpowiada za jasność obrazu

(luminancję), a pod UV zaszyta jest

barwa - dwie chrominancje.



Y=0.299 *R + 0.587*G +0.114 *B



U = R - Y



V = B – Y



RGB, jego nazwa powstała ze

złożenia pierwszych liter angielskich

nazw barw:



R – red (czerwonej)



G – green (zielonej)



B – blue (niebieskiej)



Najczęściej stosowany jest 24-bitowy

zapis kolorów (po 8 bitów na każdą z

barw składowych) które przyjmują

wartość z zakresu 0-255

Kamery internetowe czy
sieciowe?

Jaka jest różnica pomiędzy
kamerą IP, kamerą sieciową
czy kamerą internetową?



Kamera internetowa / Kamera IP - Obie nazwy wynikają z

bezpośredniego tłumaczenia z języka angielskiego Network

Camera (kamera sieciowa) i IP Camera (kamera IP).



Kamera sieciowa IP, to określenie jest najtrafniejsze. Nazwa ta po

prostu określa zasadę ich działania z siecią komputerową , gdzie

każdy z komputerów może mieć do niej dostęp poprzez nadawany

jej nr IP. Dokładnie tak samo jak każdy komputer w sieci ma

nadany swój nr IP.



Kamera internetowa (WebCam) zazwyczaj jest urządzeniem

zakończonym Interfejsem USB i co najwyżej pomoże nam w

komunikacji poprzez komunikatory internetowe takie jak GG czy

SKYPE.

Podział urządzeń

przetwarzających sygnał

analog video na video IP



Kamery IP (LAN , WiFi)



Web Serwery



Rejestratory i karty DVR



Telewizja cyfrowa (medium przesyłu)

- internetowa

- rozsiewcza naziemna

- satelitarna

Przepustowość w sieciach

komputerowych

Transmisja wizji wymaga

dużych przepustowości?

(przykładowo 1 klatka obrazu = 16

kBajtów =128 kbitów /s)



PSTN 56 kbitów/s 0,45 kl/s



ISDN 64 kbitów/s 0,5 kl/s



ISDN 128 kbitów/s 1 kl/s



ADSL 256 kbitów/s 2 kl/s



ADSL 512 kbitów/s 4 kl/s

A zatem kompresja !

Rozmiar zajmowanej

przestrzeni dysku, pamięci

Obraz

PAL

zwykle składa się

klatek na sekundę,

720

punktów w

poziomie i

576

punktów w pionie, a kolor każdego z tych punktów

opisany jest

bitami. Oznacza to, że każda 1 sekunda nie

skompresowanego obrazu w standardzie PAL ma wielkość prawie

megabajtów. Jak łatwo wyliczyć

1,5

godzinny film zajmie ponad

156

gigabajtów

Przykład obliczeń dla strumienia video

720 x 572 pixeli =414720 pixeli x 24 bity= 9953289 bitów

9953289 bitów = 1244160 Bajtów =1215 kB = 1,18 MB

1,18 MB jeden obraz /s

Złudzenie płynnego ruchu jest przy 25 obrazach /s

1,18 MB X 25 =29,5 MB / s lub ok.

236 Mb /s

A zatem kompresja !

Formaty zapisu obrazu i dźwięku

JPEG

(Joint Photographic Experts Group) W 1986 roku z inicjatywy

ISO oraz CCITT powstał zespół ekspertów , który zjednoczył wysiłki

różnych niezależnych grup.

JPEG to algorytm kompresji obrazu zaprojektowany do kompresji

obrazów pełnokolorowych lub w skali szarości przedstawiających

naturalne sceny .Nie działa zbyt dobrze z obrazami

nierealistycznymi, takimi jak kreskówki czy szkice oparte na

liniach. Jego odmiana to

Motion JPEG (ruchomy JPEG)

używana do

odtwarzania ruchomych obrazów

MPEG

(ang. Moving Picture Experts Group) - grupa robocza ISO/IEC

zajmująca się rozwojem standardów kodowania audio i wideo, a

także zatwierdzona przez ISO grupa powszechnie stosowanych

formatów zapisu danych zawierających

ruchomy obraz i dźwięk.

Jego działanie opiera się na zapisywaniu informacji tylko o

zmianach następujących w obrębie klatki w stosunku do sąsiednich

obrazów

Wersje formatu MPEG

MPEG-1

dotyczy kodowania sekwencji obrazu i dźwięku i jest

wykorzystywana w zapisie na dyskach kompaktowych.

MPEG-2

standard używany jest do zapisu filmów Video CD,

DVD i transmisji telewizji cyfrowej W roku 1994 pojawiła się

specyfikacja standardu MPEG-2, w którym maksymalna

rozdzielczość obrazu wynosi 1920x1152 punktów, a

prędkość transferu waha się między 3 a 130 Mb/s.

MPEG-3

Standard został zaprojektowany z myślą o telewizji

wysokiej rozdzielczości HDTV o przepływności od 20 do 40

Mbit. /s. Szybko okazało się że podobne rezultaty można

uzyskać modyfikując istniejący standard MPEG-2. Wkrótce

prace nad MPEG-3 zostały przerwane.

MPEG-4

jest przystosowany głównie do kompresji danych

strumieniowych (wideokonferencje), posiada

zaimplementowane funkcje ochronne przed błędami

przesyłu.

Dalszy rozwój technik kompresji

AVC (ang. Advanced Video Coding)

Standard kodowania sekwencji wizyjnych o

bardzo małych przepływnościach, przyjęty w roku

2003 jako 10 część standardu ISO MPEG-4 oraz

jako rekomendacja ITU-T H.264. Projekt x264

zajmuje się stworzeniem otwartej implementacji

tego kodeka.

Efektywność kompresji kodera

AVC

dzięki

wprowadzeniu nowych rozwiązań jest o wiele

większa niż poprzednich standardów:

MPEG-1,

MPEG-2 czy MPEG-4 ASP

Algorytm Motion-JPEG Idea jego działania polega na

osobnej kompresji każdej z klatek filmu przy użyciu

algorytmu JPEG



AVI (ang. Audio Video Interleave)

to kontener danych

audiowizualnych. Został

wprowadzony w roku 1992 przez

firmę Microsoft jako element

strategii przystosowania systemu

Windows do obsługi multimediów,

stanowiący część technologii

Video for Windows.



Najczęściej stosowane w nim

formaty kompresji obrazu to XviD,

DivX, Intel Real Time Video, Indeo,

Cinepak,

MJPEG

Editable MPEG,

VDOWave, Clear Video/Real Video,

QPEG, MPEG-4



Np. YUV

4:2:2

jest to forma

proporcji i oznacza, stosunek

częstości próbkowania luminacji

do częstości próbkowania obu

sygnałów różnicowych koloru

(chrominancji).

Podstawowe algorytmy obróbki obrazu



Podpróbkowanie chrominancji

Standard

RGB

to 8-bitowe wartości informujące o

nasyceniu punktu kolorami: czerwonym (red), zielonym

(green) oraz niebieskim (blue)

Standard

YUV

to luminancja (jasność, oznaczenie Y) oraz

chrominancja (unikatowy kolor, oznaczenie U i V).

Jak wykazały badania, informacja kolorystyczna ma

mniejsze znaczenie dla ludzkiego oka, dlatego stosuje się

"podpróbkowanie" - najczęściej na każde 2x2 punkty

luminancji przypada zaledwie jeden punkt chrominancji U

i jeden V.



Kodowanie transformatowe:

- dyskretna transformata cosinusowa (FDCT),

- odwrotna dyskretna transformata cosinusowa

(IDCT -

Inverse )

Obraz każdej klatki dzielony jest na bloki o wielkości 8x8

punktów, dokonuje się operacji matematycznej nazywanej

transformatą cosinusową, która informację o 64 punktach

pozwala zapisać na zaledwie kilku liczbach bez zauważalnej

straty jakości.

Podstawowe algorytmy obróbki obrazu



Kodowanie Huffmana

Informacja o wektorach ruchu i współczynnikach

DCT jest kodowana kodem Huffmana. Wartości

bardzo prawdopodobne są reprezentowane przez

krótsze ciągi zer i jedynek, a mało prawdopodobne -

przez dłuższe.

Ma to na celu zmniejszenie objętości

macierzy.



Kompensacja ruchu

Zamiast podawania w każdej klatce informacji o

każdym pikselu, podaje się dane o pikselach, które

zmieniły swoje cechy. Dla każdego makrobloku

(16x16 punktów) oblicza się wektor, wskazujący na

miejsce w klatce odniesienia (najczęściej jest to

poprzednia klatka filmu), które jest najbardziej

podobne do kodowanego makrobloku. Do odbiornika

przesyła się wartość wektora i różnicę względem

"podobnego" makrobloku. Ta operacja pozwala na

ogromną redukcję przesyłanych danych.

Aplikacje współpracujące z

urządzeniami przetwarzania obrazu

Zadania aplikacji :

- dostarczanie jednego lub więcej źródeł

obrazu do obserwatora,

- archiwizacja przechwytywanych obrazów,

- obróbka obrazów mająca na celu

dostarczenie istotnych informacji

obserwatorowi

Transport danych TCP a UDP



UDP (ang. User Datagram Protocol

Datagramowy Protokół

Użytkownika) – jeden z podstawowych protokołów

internetowych. UDP zajmuje się dostarczaniem

pojedynczych pakietów, udostępnionych przez IP.



TCP (ang. Transmission Control Protocol

protokół kontroli

transmisji) – strumieniowy protokół komunikacji między

dwoma komputerami.



W przeciwieństwie do

UDP, TCP

zapewnia wiarygodne

połączenie dla wyższych warstw komunikacyjnych przy

pomocy sum kontrolnych i numerów sekwencyjnych

pakietów, w celu weryfikacji wysyłki i odbioru. Brakujące

pakiety są obsługiwane przez żądania retransmisji



cechą odróżniającą

UDP od TCP

jest możliwość transmisji do

kilku adresów docelowych na raz (tzw

. multicast

Datagram UDP

Pola

PORT NADAWCY i PORT ODBIORCY

zawierają 16-

bitowe numery portów UDP używane do odnajdywania
procesów oczekujących na dany datagram .
Pole

PORT NADAWCY

jest opcjonalne.

Pole

DŁUGOŚĆ

zawiera wartość odpowiadającą liczbie

bajtów datagramu UDP wliczając nagłówek i dane.
Minimalna więc wartość tego pola wynosi więc 8, czyli jest
długością samego nagłówka.

Pole

SUMA KONTROLNA

jest opcjonalne. Ponieważ jednak

IP nie wylicza sum kontrolnych dla danych, suma kontrolna
UDP jest jedyną gwarancją, że dane nie zostały uszkodzone.

Stos komunikacyjny



Warstwa aplikacji

(HTTP, SMTP,

FTP, NFS, NIS, LPD, Telnet,
SSH. )



Warstwa transportowa

(UDP i TCP)



Warstwa sieciowa

(IP) lub

(ICMP, IGMP, RIP, OSPF i EGP).



Warstwa łącza

(ARP i RARP)

Document Outline