Филатов А.К. Компьютерная обработка изображений

Подождите немного. Документ загружается.

681.3

5(075) № 2712

К637

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

∼∼∼∼

ТАГАНРОГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

КОМПЬЮТЕРНАЯ ОБРАБОТКА

ИЗОБРАЖЕНИЙ

Учебно-методическое пособие по курсу

ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ВИДЕОГРАФИКИ

Для студентов радиотехнического факультета специальностей

20.14.00, 20.07.00, 07.15.00 всех форм обучения

Таганрог 1999

УДК 681.3

5 (075.8)

Составитель А. К. Филатов.

Компьютерная обработка изображений: Учебно-методическое пособие. Под ред. проф. К.В. Фи-

латова. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1999. 83 с.

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов специальности 20.14.00, изучающих

данный спецкурс, а также может быть полезно студентам специальностей 20.07.00 и 07.15.00 всех

форм обучения, изучающих курсы "Студийная видеоаппаратура", "Цифровая обработка сигна-

лов", "Видеотехника". В данном пособии объясняются принципы работы в программе обработки

видео Power Surge. Дается описание возможных эффектов, органов управления и примеров ис-

пользования.

Ил. 66. Библиогр.: 18 назв.

Рецензент А.Ф. Землянухин, канд. техн. наук, доцент кафедры РПрУ и ТВ, ТРТУ.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Оборудование для телевизионного производства и доставки программ постепенно стано-

вится цифровым. В настоящее время эксплуатация цифрового комплекса обходится дешевле,

чем традиционного аналогового телецентра с теми же функциями. Цифровое оборудование

имеет меньше отказов в работе и требует меньше технического обслуживания. Происходит не

просто изменение аппаратуры, сама сущность телевидения критически пересматривается.

Формат кадра 4:3 вытесняется форматом 16:9, телевидение будущего основано на сжатии ин-

формации, это означает, что телеприемники также будут цифровыми. Сочетание цифрового ТВ

и компьютерных технологий позволит реализовать систему "видео по требованию", в которой

запросы телезрителей передаются к видеосерверу по линии обратного канала. Тем самым гра-

ницы между компьютерными вычислениями и операциями с изображениями практически исче-

зают.

Цифровая обработка изображений позволяет получить гораздо большую технологиче-

скую свободу, чем аналоговая, и, соответственно, получить новые творческие возможности для

создателей ТВ программ. Особенно привлекательны компьютерные технологии обработки и

"нелинейного" видеомонтажа, при котором изображения с различных источников хранятся в

памяти компьютера с произвольным доступом и монтаж состоит в произвольной обработке двух

(или нескольких) цифровых потоков, извлекаемых из памяти компьютера.

В данном пособии описывается программа обработки видео Power Surge, которая явля-

ется мощным дополнением к программе Adobe Premier. Видеоэффекты, получаемые с помо-

щью фильтров Power Surge, весьма многообразны и позволяют выполнить любые мыслимые (и

даже немыслимые) преобразования движущихся изображений, записанных в память компьюте-

ра в форматах Video for Windows, Desktop Animation, Quick Time Animation.

Помимо использования в специальном учебном курсе "Основы компьютерной видеогра-

фики", данное пособие может быть полезно видеорежиссерам при создании видеофильмов

различного назначения: документальных, рекламных, художественных и т.п. В пособии приво-

дятся примеры, которые дают представление о работе фильтров, результаты можно увидеть в

режиме предварительного просмотра Quick Play.

Органы управления в каждом эффекте могут грубо настраиваться с помощью указателя

мыши и точно подстраиваться при помощи клавиш Page Up и Page Down. Также щелчок мышью

с любой стороны указателя приведет к соответствующему уменьшению или увеличению вели-

чины регулируемого параметра. Следует учесть, что после включения (добавления) эффекта

возможно пройдет несколько секунд, пока не появится изображение, особенно при большом

размере кадра. В течение этого интервала времени можно нажать клавишу Enter или "о" для

применения фильтра с текущими установками или нажать "Esc" или "n" для отмены фильтра.

В данном пособии опущены детали, относящиеся к интерфейсу Windows 95, поэтому при

возникновении затруднений следует обращаться к справочной системе Windows.

Для лучшего понимания алгоритмов обработки изображения следует изучить книги [1 – 5],

принципы сжатия данных изложены в работах [6 –10], стандарты сжатия описаны в работах

[11 – 18] рекомендуемой литерату ры.

К.В. Филатов

Описание фильтров и эффектов математическими выражениями

В этом пособии объясняется каким образом получить желаемый эффект посредством исполь-

зования программы дополнения Power Surge. Однако, практически любой эффект можно запро-

граммировать посредством математической записи. В программе Adobe Premier заложена воз-

можность создания новых фильтров и эффектов. Для создания нового видеоэффекта необхо-

димо использовать Transition Factory, для создания нового фильтра необходимо использовать

Filter Factory (стандартные возможности Adobe Premier).

Цифровые изображения

Цифровое видеоизображение представляет собой совокупность крохотных элементов изобра-

жения, называемых пикселями. Значения пикселей определяют цвет и яркость изображения.

Каждый пиксель изображения однозначно определяется своими координатами. Первая коорди-

ната соответствует горизонтальному расположению пикселя, а вторая координата – вертикаль-

ному расположению. Горизонтальная координата отсчитывается от левого края изображения и

увеличивается при движении к правому краю изображения. Вертикальная координата отсчиты-

вается от верхнего края изображения и увеличивается при движении вниз. Таким образом,

верхний левый угол изображения соответствует координатам (0,0). Диапазон изменения значе-

ний координат зависит от разрешения (размера) изображения.

Для формата RGB цвет каждого пикселя хранится в виде трех чисел: насыщенность красного

цвета, насыщенность зеленого цвета и насыщенность синего цвета. Эти три цвета называются

каналами. Значение каждого канала может изменяться в пределах от 0 до 255.

•

Если значение канала для какого-либо пикселя установлено в 0, то соответствующий цвет

отсутствует в данном пикселе.

•

Если значение канала для какого-либо пикселя установлено в 255, то в данном пикселе при-

сутствует максимальное количество соответствующего цвета.

•

Если все три канала для какого-либо пикселя имеют одинаковое значение, то цвет пикселя

будет определяться шкалой серого. Например (80, 80, 80), соответствует темно-серому цве-

ту, (128, 128, 128) соответствует более светлому оттенку серого, (200, 200, 200) соответству-

ет светло-серому цвету.

•

Если все три канала для какого-либо пикселя установлены в 0, то пиксель будет черного

цвета. При установке всех трех каналов в 255, результирующий цвет будет белым.

Фильтры и видеоэффекты воздействуют на каналы пикселей изображения. Для создания эф-

фекта необходимо записать выражение для каждого канала. Каждый оператор выражения бу-

дет воздействовать на соответствующий канал каждого пикселя изображения. Выражение мо-

жет содержать координаты пикселей, к которым необходимо применить фильтр или видеоэф-

фект.

Примечание:

Если результат вычислений превышает значение 255, то канал устанавли-

вается в 255. Также если в результате вычислений получается значение, меньшее 0, то канал

устанавливается в 0.

Составляющие части выражений

Видеоэффекты, или фильтры, производят операции над каналами каждой точки изображения.

Эти операции описываются математическими выражениями. Выражения составляются из ком-

понентов четырех типов: констант, переменных, функций и операторов. В программе Adobe

Premier допускается использовать в выражениях только целые числа. Результат вычислений

также округляется до целого числа.

Константы

Константы – это числа, непосредственно используемые в вычислениях. Константы могут ис-

пользоваться для получения простых выражений, например 10 + 5. Константы можно записы-

вать в шестнадцатеричной системе счисления. В этом случае необходимо использовать пре-

фикс 0x, например 0xAF10.

Переменные

В качестве переменных используются такие буквы, как x. Значение переменной зависит от те-

кущего изображения, текущего пикселя или текущего канала, для которого записывается выра-

жение. Например, переменная x всегда соответствует горизонтальной координате пикселя, а

переменная y всегда соответствует вертикальной координате. Переменные для каналов теку-

щего пикселя заданы как r (красный), g (зеленый) и b (синий).

Если Вы создаете видеоэффект, то необходимо определить, на какое из изображений произво-

дится воздействие. Для этого к соответствующим переменным необходимо добавить индекс 0

или 1. Например r0 соответствует красному каналу для текущего пикселя первого изображения,

в то время как r1 соответствует красному каналу для текущего пикселя второго изображения.

В выражении можно объединять константы и переменные. Например, выражение r + g возвра-

щает значения красного и зеленого каналов для текущего пикселя и складывает их вместе.

Функции

В выражениях можно использовать функции, которые требуют наличие аргумента (аргументов

может быть больше одного). Например, функция rnd (генератор случайных чисел) требует двух

аргументов. Эта функция возвращает число, которое больше или равно первому аргументу и

меньше либо равно второму аргументу. Выражение rnd(1,10) возвратит случайное число в пре-

делах от 1 до 10 включительно. Эта функция может использоваться для добавления шума или

структуры в изображение.

Другая функция src (источник) возвращает значение канала для отдельного пикселя. Этой

функции необходимо три аргумента: горизонтальная координата пикселя, вертикальная коор-

дината и индекс канала. Индекс для красного канала соответствует 0, для зеленого канала – 1 и

для синего канала – 2. Например, выражение src(10,20,0) возвращает значение красного канала

для пикселя с координатами (10,20). Выражение src(x,y,0) возвращает значение красного кана-

ла текущего пикселя. Выражение src(x+1,y,0) возвращает значение красного канала для пиксе-

ля, находящегося справа от текущего. Список всех доступных функций приведен дальше.

Операторы

Под операторами понимаются все арифметические компоненты, используемые в выражении.

Существует пять типов операторов: основные, относительные, логические, условные и бито-

вые.

Основные операторы

Можно использовать следующие основные операторы: +, –, *, / и %. Оператор % вычисляет ос-

таток от деления. Например, результатом вычисления 11%3 будет 2.

Относительные операторы

К относительным операторам относятся <, <=, >, >=, == и !=. Эти операторы сравнивают два

выражения и возвращают 1 (истинно) или 0 (ложно). Например, оператор < возвращает 1, если

выражение, находящееся слева от оператора, меньше выражения, находящегося справа. Вы-

ражение r < g возвращает 1 в случае, когда красный канал текущего пикселя имеет меньшее

значение, чем зеленый канал. В противном случае это выражение возвращает 0. Оператор ==

возвращает 1, когда два выражения, окружающие этот оператор, тождественно равны. Опера-

тор != возвращает 1, когда два выражения, окружающие этот оператор, отличны. Например,

выражение 1==1 соответствует 1, а 1==2 соответствует 0. Выражение 1!=2 соответствует 1, а

1!=1 соответствует 0.

Логические операторы

К логическим относятся следующие операторы: &&, || и !. Эти операторы позволяют скомбини-

ровать несколько относительных выражений. Например, Вы можете составить условие для оп-

ределения, когда горизонтальная координата пикселя попадает в пределы от 10 до 30 включи-

тельно. Соответствующие выражения будут иметь вид: x >= 10 и x <= 30. Оператор && можно

использовать для объединения двух условий в одно выражение (x >= 10)&&(x <= 30). Оператор

&& возвращает 1, только в случае истинности обоих выражений. Логический оператор || выпол-

няет действие, подобное действию оператора &&, но с несколько иным результатом. Например,

выражение (x > 10)||(y > 10) возвращает 1, когда горизонтальная координата больше 10. Это

выражение возвращает 0 только в том случае, когда горизонтальная координата <= 10 и верти-

кальная координата <= 10. Следующая таблица иллюстрирует различия между операторами ||

и &&.

Левое выражение Правое выраже-

ние

Левое && Правое Левое || Правое

0 0 0 0

0 1 0 1

1 0 0 1

1 1 1 1

Оператор ! используется для инвертирования значения, возвращаемого выражением. Если вы-

ражение возвращает 0, то оператор ! возвращает 1 и наоборот.

Условный оператор

В Adobe Premier используется единственный условный оператор ?, позволяющий выбрать меж-

ду двумя альтернативами. Условное выражение состоит из условия и двух альтернативных вы-

ражений. Условный оператор проверяет условие и использует результат для выбора между

двумя альтернативами. Если условие возвращает любое число кроме 0, то вычисляется первая

альтернатива. Если условие возвращает 0, то вычисляется вторая альтернатива.

Например, в выражении (x%2) ? r : g, оператор ? отделяет условие (x%2) от двух альтернатив-

ных выражений r и g. Альтернативные выражения разделяются двоеточием. В условии вычис-

ляется остаток от деления горизонтальной координаты текущего пикселя на 2. Если горизон-

тальная координата – нечетное число, то условие возвращает ненулевое значение, если гори-

зонтальная координата – четное число, то условие возвращает 0. Таким образом, если пиксель

имеет нечетную горизонтальную координату, то условный оператор возвращает значение крас-

ного канала. В случае, когда текущий пиксель имеет четную горизонтальную координату, услов-

ный оператор возвращает значение зеленого канала.

Битовые операторы

К битовым операторам относятся &, |, ^, ~, << и >>. Эти операторы непосредственно воздейст-

вуют на биты числа. Операторы &, | и ^ необходимо размещать между двумя выражениями.

Оператор & осуществляет операцию "логическое и" по отношению к соответствующим битам,

возвращаемых выражениями значений. Оператор | осуществляет операцию "логическое или", а

оператор ^ – "логическое исключающее или". Оператор ~ применяется к одному выражению и

осуществляет операцию "логическое не" по отношению к каждому биту результирующего зна-

чения выражения.

Операторы << и >> необходимо размещать между двумя выражениями. Оба оператора произ-

водят сдвиг бит в значении, возвращаемом левым выражением на величину, определяемую

значением правого выражения. Оператор << осуществляет сдвиг бит влево, а оператор >> –

вправо.

Обеспечение динамической регулировки в видеоэффектах

Когда Вы создаете видеоэффект или фильтр, может возникнуть необходимость введения до-

полнительных регулировок для изменения параметров эффекта. В Adobe Premiere заложена

возможность введения до восьми дополнительных регуляторов. Регулятор изменяет значение

соответствующей переменной в пределах от 0 до 255. Регуляторы поддерживаются при помо-

щи функций ctl (контроль), val (диапазон) и map (группировка).

•

Функция ctl возвращает текущее значение определенного регулятора. Этой функции требу-

ется один аргумент: индекс регулятора, который является числом в пределах от 0 до 7. На-

пример, выражение ctl(0) возвратит текущее значение первого регулятора.

•

Функция val преобразует диапазон возможных значений регулятора (от 0 до 255) в новый

диапазон, определяемый пользователем. Например, для задания диапазона от 1 до 100 не-

обходимо использовать выражение val(0,1,100). В этом случае диапазон 0…255 преобразу-

ется в диапазон 1…100.

•

Функция map позволяет объединять регуляторы в пары. Каждая пара регуляторов (четный /

нечетный) заносит данные в таблицу, доступ к которой можно получить при помощи функции

map. Существует четыре таблицы – одна для каждой пары регуляторов. Регуляторы 0 и 1

записывают данные в таблицу 0, регуляторы 2 и 3 записывают данные в таблицу 1 и т.д. Ка-

ждая таблица содержит 256 значений, которые вычисляются при каждом изменении положе-

ния регуляторов.

Функция map требует наличия двух аргументов: индекс таблицы и индекс элемента таблицы.

Например, выражение map(1,20) возвращает значение 20-го элемента таблицы 1. Индекс таб-

лицы должен попадать в пределы 0…3. Индекс элемента может иметь значение из диапазона

0…255 включительно.

При использовании этих функций для получения информации от регуляторов необходимо уста-

новить опции Slider или Map в диалоговом окне Build Custom (при использовании Transition Fac-

tory или Filter Factory).

Примеры

В данном разделе приводятся несколько примеров создания фильтров и видеоэффектов. При-

меры представлены в порядке их постепенного усложнения. В комплекте поставки программы

Adobe Premiere также имеются несколько примеров математических выражений для создания

фильтров и видеоэффектов. Эти примеры записаны в формате текстовых файлов в директории

Adobe Premiere. Для просмотра этих примеров можно использовать Transition Factory или Filter

Factory.

Воздействие на отдельный канал (фильтр)

Чтобы сделать изображение более красным, необходимо использовать следующие выражения:

A: 0

R: r + 100

G: g

B: b

Во второй строке к значению красного канала каждого пикселя добавляется 100, затем полу-

ченное значение присваивается красному каналу. В следующих двух строках зеленому и сине-

му каналам каждой точки присваивается их собственное значение (зеленый и синий каналы ос-

таются неизменными).

Воздействие на каналы с возможностью регулировки (фильтр)

Чтобы воздействовать на каналы при помощи регуляторов, необходимо использовать следую-

щие выражения:

A: 0

R: r + ctl(0)

G: g + ctl(1)

B: b + ctl(2)

Во второй строке к значению красного канала каждой точки добавляется значение регулятора 0.

В последующих строках аналогичные преобразования происходят с зеленым и синим каналами.

Добавление шума к изображению с возможностью регулировки (фильтр)

Для создания такого фильтра с регулятором, определяющим диапазон случайных значений

(шума), необходимо использовать следующие выражения:

A: 0

R: r + rnd(–ctl(0),ctl(0))

G: g + rnd(–ctl(1),ctl(1))

B: b + rnd(–ctl(2),ctl(2))

Фильтр, описываемый этими выражениями, добавляет шум ко всем трем каналам. Количество

шума в каждом канале определяется положением соответствующего регулятора. Во второй

строке значение регулятора 0 используется в качестве аргумента функции rnd. Если регулятор

установлен в 0, то функция rnd возвратит 0. Если регулятор установлен в 100, то функция rnd

возвратит любое число из диапазона –100…100 включительно. Результат, возвращаемый

функцией rnd, добавляется к текущему значению красного канала каждой точки. В последних

двух строках аналогичные преобразования производятся с зеленым и синим каналами.

Усиление или ослабление каналов (фильтр)

Чтобы усилить или ослабить канал, в зависимости от значений другого канала, необходимо ис-

пользовать следующие выражения:

A: 0

R: (b>100) ? r + 50 : r – 50

G: g

B: b

Во второй строке определяется величина значения синего канала. Если значение синего кана-

ла больше 100, то значение красного канала увеличивается на 50. В противном случае значе-

ние красного канала уменьшается на 50. Зеленый и синий каналы остаются неизменными. Та-

ким образом, этот фильтр усиливает красный канал, если изображение более синее, чем Вы

хотите, или ослабляет красный канал, если изображение недостаточно синее.

Можно использовать регуляторы для построения подобного фильтра:

A: 0

R: (b>ctl(0)) ? r + ctl(1) : r – ctl(1)

G: g

B: (b>ctl(0)) ? b – ctl(1) : b + ctl(1)

Во втором выражении в качестве порогового значения используется положение регулятора 0.

Если значение синего канала превосходит порог, то значение красного канала увеличивается

на значение, возвращаемое регулятором 1. Если значение синего канала меньше порога, опре-

деляемого регулятором 0, то значение красного канала уменьшается на величину, определяе-

мую регулятором 1. В четвертой строке выполняются действия, противоположные действиям,

выполняемым во второй строке. Исключение составляет только то, что действия производятся

над синим каналом вместо красного. В результате то, что добавляется в красный канал, вычи-

тается из синего и наоборот.

Растворение одного изображения в другом (видеоэффект)

Чтобы создать относительно простой эффект перехода от одного клипа к другому, можно ис-

пользовать следующие выражения:

A: mix(c1,c0,t,total)

R: mix(c1,c0,t,total)

G: mix(c1,c0,t,total)

B: mix(c1,c0,t,total)

В первой строке текущее значение альфа-канала первого клипа смешивается с текущим значе-

нием альфа-канала второго клипа в пропорции время / общее время (time / total time). В осталь-

ных трех строках аналогичные действия производятся с каналами R, G и B.

Усреднение значений каналов соседних пикселей (фильтр)

При помощи функции src (источник) можно получить значения каналов для соседних пикселей,

а затем усреднить их. Для этого необходимо использовать следующие выражения:

A: 0

R: (src(x–1,y,0) + src(x,y,0) + src(x+1,y,0)) / 3

G: (src(x–1,y,1) + src(x,y,1) + src(x+1,y,1)) / 3

B: (src(x–1,y,2) + src(x,y,2) + src(x+1,y,2)) / 3

Во второй строке при помощи функции src вычисляются значения красного канала для трех

разных пикселей: пиксель слева от текущего, пиксель справа от текущего и текущий пиксель.

Эти три значения складываются вместе и затем результат сложения делится на 3, затем полу-

ченное значение присваивается красному каналу текущего пикселя. В последующих строках

аналогичные действия производятся для зеленого и синего каналов.

Вытеснение одного изображения другим (видеоэффект)

Для создания видеоэффекта "вытеснение слева направо" необходимо использовать следую-

щие выражения:

A: 0

R: x*1024 / xmax < t*1024 / total ? src0(xmax + x – t*xmax / total,y,p) : src1(x – t*xmax / total,y,p)

G: x*1024 / xmax < t*1024 / total ? src0(xmax + x – t*xmax / total,y,p) : src1(x – t*xmax / total,y,p)

B: x*1024 / xmax < t*1024 / total ? src0(xmax + x – t*xmax / total,y,p) : src1(x – t*xmax / total,y,p)

В каждом из этих выражений в условии перед знаком вопроса определяется изображение, ис-

пользуемое для получения текущего пикселя. Два выражения, расположенные после знака во-

проса, используются для выбора правильного пикселя, рассчитываемого на основе прошедше-

го времени клипа.

Обзор используемых выражений

В этом разделе производится обзор всех операторов, переменных и функций, которые можно

использовать при составлении выражений для Transition Factory или Filter Factory.

Операторы

В составляемых выражениях можно использовать операторы, приведенные ниже. Операторы

представлены в порядке их приоритета. Приоритет определяет, какой оператор будет выполнен

раньше в выражении, содержащем различные операторы. Например, в выражении 2 + 3*4 опе-

ратор * будет выполнен первым, поскольку он имеет более высокий приоритет, чем оператор +.

Оператор Описание

!, ~ Логическое НЕ, битовое НЕ

+, – Сложение, вычитание

*, /, % Умножение, деление, остаток от деления

<<, >> Сдвиг влево, сдвиг вправо

<, <=, >, >= Меньше, больше или равно, больше, больше или равно

==, != Тождественно равно, не равно

&, ^, | Битовое И, битовое исключающее ИЛИ, битовое ИЛИ

&&, || Логическое И, логическое ИЛИ

?: Условие

•

Арифметические операторы +, –, *, / и % производят действия со знаковыми 32-разрядными

целыми числами.

•

Логические операторы &&, || и ! позволяют производить действия с любыми выражениями.

Любое ненулевое значение означает истинность, 0 – означает ложность.

•

Сдвиговые операторы (<< и >>) обеспечивают логический (не арифметический) сдвиг, т.е.

знак операнда не сохраняется.