Metody a prostředky (HW+SW) pro zpracování, kompresi a záznam obrazového signálu a obrazu

Přednášející:

Miloš Klíma (gar.), Karel Fliegel, Jiří Hozman, František Rund, Stanislav Vítek

Cvičící:

Karel Fliegel, Jiří Hozman, František Rund, Stanislav Vítek

Předmět zajišťuje:

katedra biomedicínské techniky

Anotace:

Obecný systém pro zpracování obrazu. Základy snímání obrazu pomocí obrazových snímačů. Vzorkování, kvantizace a reprezentace číslicového obrazu. Aliasing. Přenosové vlastnosti zobrazovací soustavy. Snímání barevného obrazu. Přehled formátů obrazu. Digitalizační rastry. Videosignál. A/D převodníky obrazového signálu, frame-grabber. HW a SW prostředky pro zpracování obrazu. Kompresní metody. Kompresní standardy. Metody záznamu signálu. Digitální záznam signálu. Komprese zvukového signálu. Vybrané záznamové standardy pro záznam obrazu a zvuku.

Požadavky:

1. Podmínky kl. zápočtu (cvičení nejsou povinná, ale bodové hodnocení, které se na cvičení dá získat, se nedá získat nikde jinde).

2. Účast na cvičení není povinná. V případě neúčasti na některém ze cvičení student nezíská poměrnou část bodů, které se započítávají do celkového hodnocení.

3. Za semestr je možné získat 100 bodů. Přepočet na hodnocení (A, B, C, D, E, F) proběhne podle klasifikační stupnice ECTS uvedené ve studijním a zkušebním řádu ČVUT.

4. Body je možné získat za účast na cvičení a za test v tomto poměru: účast na cvičení max. 40 bodů, test 60 bodů.

5. V testu jsou 4 otázky, každá za 15 bodů. Dvě otázky jsou z obsahu přednášek a dvě z úloh cvičení.

Osnova přednášek:

A. Digitalizace obrazového signálu (Ing. Fliegel)

B. Komprese obrazového signálu (Prof. Klíma)

C. HW a SW pro zpracování obrazu (Dr. Vítek)

D. Záznam obrazového signálu (Dr. Rund)

Část A. Digitalizace obrazového signálu (Ing. Fliegel)

A1) Úvod. Příklady aplikací kde se používá zpracování obrazu. Přehled součástí obecného systému pro zpracování obrazu. Základy snímání obrazu pomocí obrazových snímačů.

A2) Vzorkování, kvantizace a reprezentace číslicového obrazu. Vznik aliasingu, moiré efekt. Popis přenosových vlastností zobrazovací soustavy, PSF, MTF. Snímání barevného obrazu, Bayerova maska, interpolace.

A3) Přehled formátů obrazu, rastrové a vektorové formáty, paletové formáty. Digitalizační rastry.

Část B. Komprese obrazového signálu (Prof. Klíma)

B1) Kompresní metody - základní charakteristiky obrazové informace, základní principy komprese obrazu a videa, redundantní a irelevantní informace, ztrátové a bezeztrátové kódování (Shannon), DPCM a predikční model, DCT vč. kvantizace, RLE, slovníkové metody (LZW), VLC (Huffman, aritmetické), detekce a predikce pohybu, vektorová kvantizace, SBC, waveletová transformace, fraktály, kódování pomocí modelu.

B2) Kompresní standardy - JPEG, JPEG 2000, MPEG -2, MPEG 4 - 2, H.264/AVC (MPEG 4 - 10), obrazové databáze

Část C. HW a SW pro zpracování obrazu (Dr. Vítek)

C1) Videosignál a jeho vlastnosti (S-video, TV normy). Přehled a funkce A/D převodníků obrazového signálu, frame-grabber. Aspekty digitálního přenosu obrazového signálu. HW implementace algoritmů zpracování obrazu (FPGA, GPU). PC rozhraní (USB, FireWire).

C2) SW rozhraní pro zachytávání videa (TWAIN, WIA). Programové vybavení pro zpracování obrazu (DirectShow, OpenCV, Matlab).

Část D. Záznam obrazového signálu (Dr. Rund)

D1) Úvod, historický přehled formátů záznamu obrazu a zvuku. Přehled metod záznamu signálu - záznam mechanický, magnetický, optický, magnetooptický, pevné paměti.

D2) Specifika digitálního záznamu signálu. Protichybové zabezpečení záznamu. Komprese zvukového signálu - principy, standardy MPEG, ATRAC, Ogg Vorbis.

D3) Přehled vybraných záznamových standardů pro záznam obrazu a zvuku. CD, DAT, Minidisc, SACD, DVD-A, VHS, BETACAM, HDCAM, DV, DVD-V, XDCAM (BD), XDCAM-HD, XDCAM-EX

Osnova cvičení:

1. VHS - záznam obrazu s rotačními hlavami - měření rozlišení pomocí měřicího řádku.

2. Záznam CD/SACD - porovnání časových průběhů a spektra u PCM a DSD signálu.

3. Porovnání spekter komprimovaných signálů - ATRAC, MPEG, WMA, OGG Vorbis.

4. Vzorkování a kvantizace obrazu. Návrh testovacího obrazce, vznik aliasingu.

5. Snímání barevného obrazu, interpolace z Bayerovy masky.

6. PSF a MTF zobrazovací soustavy.

7. A/D převodník, frame grabber.

Cíle studia:

Cílem předmětu je, aby studenti získali základní vědomosti o principech digitalizace obrazového signálu, přehled o HW a SW prostředcích pro zpracování obrazu, o metodách komprese obrazového signálu a o vybraných metodách záznamu obrazového a zvukového signálu. Po absolvování předmětu budou studenti schopni posoudit vhodnost použití daného prostředku pro daný účel a dále budou schopni navrhnou sestavu systému pro HW a SW zpracování obrazu pro daný typ aplikace.

Studijní materiály:

[1] Hlaváč, V., Sedláček, M.: Zpracování signálů a obrazů. Dotisk 2. vydání. Vydavatelství ČVUT, Praha 2007

[2] Učební text Materiály ke kurzu Získání a zpracování obrazu v mikroskopii [online]. Jiří Hozman, c2002-2007. Poslední změna 6. 6. 2006 [cit. 2007-01-18]. URL: http://webzam.fbmi.cvut.cz/hozman/

[3] Hozman, J. Snímání a digitalizace obrazu. Text pro postgraduální kurz Získání a zpracování obrazu v mikroskopii. Praha: ÚEM AV ČR, 2005.

[4] Košťál, E. Obrazová televizní technika. 3. vydání. Praha: ČVUT, 2000.

[5] HOLST, Gerald C. Sampling, aliasing, and data fidelity for electronic imaging systems, communications, and data acquisition. Winter Park (Florida): JCD Publishing; Bellingham (Washington): SPIE PRESS, 1998, 342 s. ISBN 0-9640000-3-2; ISBN 0-8194-2763-2.

[6] Páta, P. Základy obrazových kompresních metod. In.: Mikroskopie 2002, Praha: ČVUT, 2002. s. 68-77.

[7] Bernas, M. Obrazové kompresní standardy. In.: Mikroskopie 2002, Praha: ČVUT, 2002. s. 78-87.

[8] Vlček, K. Komprese a kódová zabezpečení v multimediálních komunikacích. BEN - technická literatura: Praha, 2004.

[9] Gregora, P., Kuba, P., Vít, V. Televizní technika 4 (projekční a velkoplošné zobrazení, studiové zpracování televizního signálu, zařízení pro přenos a vysílání televizního signálu). BEN - technická literatura: Praha, 2005.

[10] Vít, V. Televizní technika 3 (přenosové barevné soustavy). BEN - technická literatura: Praha, 2002.

[11] Neff. O., Březina J. Podhajský P.: Zpracování digitální fotografie. Institut digitální fotografie, Praha 2003.

[12] Neff. O., Březina J. Podhajský P.: Fotografování s digitálním fotoaparátem II. Institut digitální fotografie, Praha 2003.

[13] Bašta, I.: Zpracování a záznam signálu. Skripta. Praha: ČVUT. 1999

Poznámka:

Rozvrh na zimní semestr 2011/2012:

Rozvrh není připraven

Rozvrh na letní semestr 2011/2012:

	06:00–08:0008:00–10:0010:00–12:0012:00–14:0014:00–16:0016:00–18:0018:00–20:0020:00–22:0022:00–24:00
Po
Út
St
Čt
Pá	místnost TE:554 Klíma M. Fliegel K. 15:00–17:50 LICHÝ TÝDEN (přednášková par. 1) Dejvice Fakulta elektrotechnická místnost TE:554 Vítek S. Rund F. 15:00–17:50 SUDÝ TÝDEN (přednášková par. 1 paralelka 1) Dejvice Fakulta elektrotechnická

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Navazující magisterský studijní obor Přístroje a metody pro biomedicínu - prezenční (povinně volitelný předmět)