Sistemas Multimédia. Ano lectivo Aula 9 Representações de dados para gráficos e imagens

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1 Sistemas Multimédia Ano lectivo Aula 9 Representações de dados para gráficos e imagens Sumário Gráficos e imagens bitmap Tipos de dados para gráficos e imagens Imagens de 1-bit Imagens de gray-level de 8 bits Tipos de dados de imagens Imagens de 24 bits a cor Imagens de 8 bits a cor Color Lookup Tables Formatos de ficheiros mais usados (prox. aula) Pesquisa suplementar (prox. aula) para gráficos e imagens 2 1

2 Gráficos e Imagens bitmap Conceito Os gráficos (ou desenhos vectoriais) e as imagens bitmap (ou simplesmente imagens) são tipos de media constituídos por informação visual que é de natureza tipicamente não textual para gráficos e imagens 3 Gráficos e Imagens bitmap Conceito Fazendo a analogia com os documentos tradicionais: os gráficos correspondem a desenhos ou a esquemas imagens correspondem a fotografias para gráficos e imagens 4 2

3 Gráficos e Imagens bitmap Conceito Os gráficos e imagens bitmap são dois tipos de media distintos, apesar de ambos gerarem imagens que podem ser apresentadas no écran ou impressas A distinção fundamental entre estes dois tipos de media reside na forma como a informação, que constitui a imagem resultante, é representada para gráficos e imagens 5 Gráficos e Imagens bitmap Conceito Forma como a informação que constitui a imagem resultante é representada: nas imagens bitmap, a informação visual que constitui a imagem é representada por uma matriz de pixéis para gráficos e imagens 6 3

4 Gráficos e Imagens bitmap Conceito nos gráficos, a informação visual que constitui a imagem é representada sob a forma de equações matemáticas que descrevem uma série de elementos, que podem ser bidimensionais (2D), tais como linhas, rectângulos, ovais, polígonos, curvas e outras formas geométricas, ou tridimensionais (3D), tais como sólidos ou outros volumes. Estes elementos, no seu conjunto, originam a imagem final. para gráficos e imagens 7 Gráficos Conceito Os conteúdos gráficos são corrigíveis, na medida em que a sua representação retém informação estrutural Os gráficos são constituídos por objectos gráficos (as linhas, rectângulos, curvas, ovais e outras formas). Esses objectos podem ser eliminados, adicionados, movidos e modificados individualmente. Além disso esses objectos gráficos possuem atributos, por exemplo, espessura, cor e padrão de preenchimento, que também são corrigíveis, isto é, que também podem ser modificados individualmente. para gráficos e imagens 8 4

5 Gráficos Conceito Desenhos vectoriais, porque na realidade, todos os objectos gráficos contidos num gráfico são descritos por vectores (linha com uma dada direcção e sentido) Ex: RECT 0,0,300,300 Os gráficos podem ser criados utilizando aplicações de edição gráfica bidimensional e tridimensional, tais como o Corel Draw, Aldus Freehand, Adobe Illustrator, Autodesk AutoCAD, Autodesk 3DStudio Os gráficos podem ainda ser gerados directamente por programas de computador para gráficos e imagens 9 Gráficos e Imagens bitmap Conceito Noção de rendering: conceito que diferencia claramente gráficos e imagens O rendering é uma operação que toma dados gráficos e produz dados de imagem O rendering é uma operação gráfica que interpreta as equações matemáticas que descrevem os objectos gráficos e que gera os pixéis da imagem bitmap correspondente para gráficos e imagens 10 5

6 Gráficos e Imagens bitmap Conceito resultado prático A representação gráfica é muito mais compacta (ocupa menos espaço de armazenamento) do que a representação de imagem Um gráfico demora mais tempo a ser apresentado do que uma imagem bitmap, pois o gráfico tem de ser convertido para imagem antes de ser possível apresentá-lo, enquanto que a imagem bitmap pode ser apresentada sem qualquer processamento O realismo de uma imagem bitmap resultante da digitalização de uma fotografia é muito difícil de se atingir por meios gráficos para gráficos e imagens 11 Gráficos e Imagens bitmap Vantagens rep. gráfica vs. rep. bitmap 1. Em síntese, os gráficos são constituídos por linhas e curvas definidas matematicamente Uma vantagem deste tipo de representação gráfica reside na facilidade de manipulação das formas ou objectos desenhados sem perda de informação Representação especialmente indicada para a criação de logotipos, símbolos gráficos, botões para aplicações interactivas e ícones, pois estes requerem uma boa definição das linhas independentemente da sua escala, visto que representam informação cuja compreensão é crítica para gráficos e imagens 12 6

7 Gráficos e Imagens bitmap Vantagens rep. gráfica vs. rep. bitmap 2. A representação gráfica é muito mais compacta (ocupa menos espaço de armazenamento) do que a representação bitmap correspondente para gráficos e imagens 13 Imagens bitmap Conceito Conceptualmente as imagens bitmap são mais simples do que os modelos gráficos As imagens bitmap (images ou pictures) não são conteúdos corrígiveis, pois o modo como se representam (matrizes de pixeis) não contém informação estrutural A representação bitmap não descreve a imagem recorrendo a modelos matemáticos que preservam o significado do conteúdo, mas apenas em termos de cor e brilho dos vários pixéis que constituem a imagem. para gráficos e imagens 14 7

8 Imagens bitmap Conceito As imagens podem ser resultado de um processo de captura do mundo real - imagens capturadas ou podem ser geradas inteiramente por computador - imagens sintetizadas para gráficos e imagens 15 Imagens bitmap Modos de obtenção de imagens digitalizadas a partir do mundo real (imagens capturadas): Captura de páginas impressas por meio de um scanner Captura de imagens por meio de máquinas fotográficas digitais Produção de imagens digitais a partir de fotografias de 35mm obtidas por meio de uma máquina fotográfica convencional Digitalização de imagens filmadas por meio de uma câmara de vídeo analógica, utilizando uma placa de captura de vídeo (conversão A/D) Captura por intermédio de uma câmara de vídeo digital (para disco rígido ou para memória RAM do computador) para gráficos e imagens 16 8

9 Imagens bitmap Todas as imagens digitais provenientes do mundo real resultam de um processo de captura de material impresso, ou de fotogramas (frames) e designam-se por imagens capturadas Por outro lado as imagens podem ser sintetizadas directamente no computador para gráficos e imagens 17 Imagens bitmap Formas de obter imagens sintetizadas directamente no computador: Criação manual de imagens através da utilização de uma aplicação de pintura ou ferramenta de edição de imagem, como por exemplo, Adobe Photoshop, Paint Shop Pro Conversão de um gráfico vectorial numa imagem bitmap por meio de uma operação de rendering Captura de um écran de computador sob a forma de uma imagem bitmap Geração de uma imagem por intermédio de um programa de computador As imagens digitais produzidas inteiramente em computador designam-se por imagens sintetizadas para gráficos e imagens 18 9

10 Imagens bitmap As ferramentas de edição de imagem são aplicações de autoria de imagem que permitem criar e modificar o aspecto dos pixéis que a constituem Os editores de imagem permitem retocar, apagar zonas da imagem e aplicar efeitos de sobreposição, mas não permitem corrigi-la no sentido de modificar o seu conteúdo, pois como já foi referido, os documentos de imagem (bitmaps) não retêm o conteúdo semântico da imagem. para gráficos e imagens 19 Imagens bitmap Por exemplo, se existir uma imagem com o desenho de duas linhas sobrepostas, não é possível seleccionar e eliminar uma das linhas, porque a imagem não representa a informação visual em termos de objectos O editor de imagem apenas possibilita eliminar os pixéis que constituem uma dada linha, mas não o objecto linha. para gráficos e imagens 20 10

11 Tipos de dados para gráficos e imagens O número de formatos de ficheiros utilizados em multimédia continua a proliferar Formatos de ficheiros utilizados no Macromedia Director para gráficos e imagens 21 Tipos de dados para gráficos e imagens Imagens de 1-bit Imagens de gray-level de 8 bits Imagens de 24 bits a cor Imagens de 8 bits a cor para gráficos e imagens 22 11

12 Pixel e Profundidade de cor Pixel Designação que corresponde à aglutinação da expressão picture element (elemento de figura) As imagens digitais representam-se sob a forma de matrizes bidimensionais ou grelhas, de pixéis com cor e intensidade (ou brilho), variáveis que se designam por bitmaps Os pixéis identificam-se por um par de coordenadas O pixel é o elemento mais pequeno de resolução de uma imagem para gráficos e imagens 23 Pixel e Profundidade de cor Profundidade de cor O número de bits utilizado para codificar, ou descrever, um pixel designa-se por profundidade do pixel (pixel depth), profundidade da amplitude (amplitude depth) ou profundidade de cor A profundidade de cor determina quanta informação relativa à cor está contida em cada pixel para gráficos e imagens 24 12

13 Pixel e Profundidade de cor Profundidade de cor A profundidade de cor para imagens a preto e branco é 1 (1 bit permite obter 2 cores diferentes) A profundidade de cor das imagens coloridas varia consoante o número de cores incluídas na imagem aumenta Normalmente, em aplicações multimédia, a profundidade de cor varia entre 2, 4, 8, 12, 16 e 24 bits, resultando em 4, 16, 256, 4096, e cores respectivamente para gráficos e imagens 25 Imagens de 1-bit As imagens consistem de pixéis elementos de figura em imagens digitais Uma imagem de 1-bit consiste exclusivamente de bits on e off e é portanto o tipo mais simples de imagem Cada pixel é armazenado como um único bit (0 ou 1); é também referida como imagem binária para gráficos e imagens 26 13

14 Imagens de 1-bit Uma imagem deste tipo é também designada por imagem monocromática de 1-bit, uma vez que não contém cor A figura seguinte mostra uma imagem monocromática de 1-bit (designada por Lena pelos investigadores em multimédia é uma imagem standard utilizada para ilustrar muitos algoritmos) para gráficos e imagens 27 Imagens de 1-bit Imagem monocromática de 1-bit para gráficos e imagens 28 14

15 Imagens de gray-level de 8-bits Cada pixel tem um gray-value entre 0 e 255. Cada pixel é representado por um único byte; por exemplo, um pixel escuro pode ter um valor de 10, e um claro pode ter um valor de 230. A imagem inteira pode ser encarada como um array bi-dimensional de valores de pixéis (bitmap) Bitmap: Array bi-dimensional de valores de pixéis que representam os dados de um gráfico ou imagem. para gráficos e imagens 29 Imagens de gray-level de 8-bits Resolução de imagem refere o número de pixéis numa imagem digital (resolução mais alta origina sempre melhor qualidade de imagem) uma resolução bastante boa para uma imagem deste tipo pode ser 1600 x 1200, enquanto que uma resolução baixa pode ser 640 x 480 para gráficos e imagens 30 15

16 Imagens de gray-level de 8-bits Frame buffer: hardware utilizado para armazenar o array bitmap Placa de video video card (actualmente uma placa gráfica graphics card ) é utilizada para este fim A resolução da placa de video não tem que ser igual à resolução desejada para a imagem, mas se não houver memória suficiente na placa de video então os dados terão que ser passados para RAM para serem visualizados. para gráficos e imagens 31 Imagens de gray-level de 8-bits Uma imagem de 8 bits pode ser pensada como um conjunto de planos de 1 bit, em que cada plano consiste numa representação de 1-bit da imagem a níveis cada vez mais altos de elevação: um bit é ligado se o pixel da imagem tem um valor diferente de zero que está ao nível desse bit ou a um nível mais alto A figura seguinte ilustra o conceito de planos de 1 bit gráficamente. para gráficos e imagens 32 16

17 Imagens de gray-level de 8-bits Planos de 1-bit para uma imagem grayscale de 8 bits para gráficos e imagens 33 Imagens de gray-level de 8-bits Cada pixel é geralmente armazenado como um byte (um valor entre 0 e 255) Uma imagem grayscale de 640 x 480 requere 300 KB para armazenamento (640 x 480 = bytes) A figura apresenta a imagem Lena novamente, mas desta vez em grayscale para gráficos e imagens 34 17

18 Imagens de gray-level de 8-bits Imagem em grayscale para gráficos e imagens 35 Imagens de gray-level de 8-bits Quando uma imagem é impressa, a estratégia básica de dithering é utilizada, que manipula a intensidade de resolução para resolução espacial, de forma a ser possível imprimir imagens de vários níveis em impressoras de 2 níveis (1-bit) para gráficos e imagens 36 18

19 Dithering Dithering é utilizado para calcular padrões de pontos de forma a que valores entre 0 e 255 correspondam a padrões que são mais preenchidos por valores de pixéis escuros, para impressão numa impressora de 1-bit. para gráficos e imagens 37 Tipos de dados de imagens Os tipos de dados mais comuns para gráficos e formatos de ficheiros de imagens imagens a cor de 24 bits e imagens a cor de 8 bits Alguns formatos estão restringidos a sistemas operativos ou plataformas específicas, enquanto que outros são formatos independentes da plataforma Para casos de formatos que não sejam independentes da plataforma, existem aplicações de conversão que reconhecem e convertem formatos de um sistema para outro. para gráficos e imagens 38 19

20 Tipos de dados de imagens Muitos formatos de imagens incluem alguma variante de uma técnica de compressão devido ao tamanho elevado dos ficheiros de imagem. para gráficos e imagens 39 Imagens a cor de 24 bits Numa imagem a cor de 24 bits, cada pixel é representado por 3 bytes, geralmente representando RGB Este formato suporta 256 x 256 x 256 combinações de cores possíveis ou um total de cores No entanto, esta flexibilidade resulta em grandes necessidades de espaço de armazenamento: uma imagem a cor de 24 bits de 640 x 480 necessita de KB (640 x 480 x 3 = bytes) de espaço sem nenhuma compressão para gráficos e imagens 40 20

21 Imagens a cor de 24 bits Nota: muitas imagens a cor de 24 bits são armazenadas como imagens de 32 bits, com o byte extra de dados para cada pixel utilizado para armazenar um valor alfa para representar informação de efeitos especiais (exemplo: transparência) para gráficos e imagens 41 Imagens a cor de 24 bits A figura seguinte mostra a imagem forestfire.bmp, uma imagem a cor de 24 bits no formato BMP do Microsoft Windows. Também são mostradas as imagens em grayscale para os canais Vermelho, Verde e Azul em separado para a mesma imagem. Tomando os valores de bytes em cada canal de cor para representar a intensidade, pode ser mostrada uma imagem em grayscale para cada cor separadamente. para gráficos e imagens 42 21

22 Imagens a cor de 24 bits Imagem a cor em alta resolução e imagens separadas relativas aos canais de cor R, G, B para gráficos e imagens 43 Imagens a cor de 8 bits Se o espaço ocupado for uma questão a ponderar, podem ser obtidas imagens a cor de qualidade razoável, quantitizando a informação de cor e condensando-a. Muitos sistemas podem utilizar só 8 bits de informação de cor (as designadas 256 cores ) na produção de uma imagem no écran. para gráficos e imagens 44 22

23 Imagens a cor de 8 bits Estes ficheiros de imagem utilizam o conceito de lookup table para armazenar a informação de cor Basicamente, a imagem armazena não a cor, mas em vez disso só um conjunto de valores de códigos (um código por pixel); cada código é um índice para uma tabela com valores de 3 bytes que especificam a cor para um pixel com aquele índice da lookup table A figura seguinte apresenta um histograma em 3D dos valores RGB dos pixéis em forestfire.bmp para gráficos e imagens 45 Imagens a cor de 8 bits Histograma em 3D das cores RGB em forestfire.bmp para gráficos e imagens 46 23

24 Imagens a cor de 8 bits A figura apresenta a imagem de 8 bits resultante em formato GIF: Exemplo de uma imagem a cor de 8 bits para gráficos e imagens 47 Imagens a cor de 8 bits É de realçar a grande poupança em espaço de armazenamento para imagens de 8 bits em relação às imagens de 24 bits: Uma imagem a cor de 8 bits 640x480 só necessita de 300 KB comparados com os 921,6 KB necessários para a mesma imagem a cor de 24 bits para gráficos e imagens 48 24

25 Imagens a cor de 8 bits A utilização de imagens de 8 bits ou de 24 bits pode não ser sempre indiferente (espaço armazenamento vs. precisão da imagem) Campo da Medicina: visualização de orgãos humanos para cirurgias a laser Utilização de imagens de 64 bits para gráficos e imagens 49 Color Look-up Tables (LUTs) A ideia subjacente às imagens a cor de 8 bits é armazenar só o índice ou valor de código, para cada pixel. Por exemplo, se um pixel armazena o valor 25, o significado será ir à linha 25 numa color look-up table (LUT) Uma LUT é também designada por palette de cores para gráficos e imagens 50 25

26 Color Look-up Tables (LUTs) Color LUT para imagens a cor de 8 bits para gráficos e imagens 51 Color Look-up Tables (LUTs) Um color-picker consiste num array de grandes blocos de cor (ou uma gama semi-contínua de cores) de tal forma que mediante um clique do rato a cor indicada pode ser selecionada para gráficos e imagens 52 26

27 Color Look-up Tables (LUTs) Na realidade, um color picker apresenta as cores da palette com valores de índices associados de 0 a 255 A figura apresenta o conceito de um color-picker : se o utilizador selecciona o bloco de cor com valor de índice 2, então a cor produzida é o cyan com valores de RGB (0,255,255) para gráficos e imagens 53 Color Look-up Tables (LUTs) Color-picker para cor a 8 bits: cada bloco do color picker corresponde a uma linha da color LUT para gráficos e imagens 54 27

28 Próxima aula Representações de dados para gráficos e imagens Formatos de ficheiros mais usados para gráficos e imagens 55 28