2D-3D számítógépes grafika

1. 2D-3D számítógépes grafika BME Építészmérnöki Kar Építészeti Ábrázolás Tanszék Előadó: Batta ImreRGB rendszerek

2. Tartalom Téma: összeadó színkeverésen alapuló technológiák, milyen Tv-t vásároljunk. Összeadó és kivonó színkeverés Összeadó színrendszeren alapuló felvevő és megjelenítő eszközök: CRT LCD Plazma DLP SED Grafikus kártya Digitális kamera RGB színrendszerek: Eszközfüggő színrendszerek RGB CMY HSV, HLS YUV,YCC, YPP Melléklet: TV szabványok Multimédia a francia forradalom idejéből. Fantascope projection, extraite de la Physique de Ganot (A. Molteni)

3. Összeadó és kivonó színkeverés Összeadás a szemben: ● időben, pl. Maxwell tárcsa ● helyben, pl. színes tv ● szuperpozícióval, pl. egymásra vetítés Három alapszín: vörös, zöld és a kék. Kivonás az anyagban: ● visszaverődéssel, pl. nyomat ● fényátengedéssel, pl. mozi-diafilm Három alapszín: cián, bíbor, sárga, + fehér, + fekete.

4. Összeadó színkeverés Térben összeadó a színkeverés a retinán, ha az RGB képpontok látószöge 2 ívperc alá kerül. CRT képernyő LCD képernyő Plazma (alsó)

5. Közel monokromatikus vörös (R), zöld (G) és kék (B) színű fény keverékével a színek többsége létrehozható. Az összeadó színkeverésen alapuló képalkotás meglepően egységes: a TV képernyők, Pc monitorok RGB színei (tk. a fényporok színei) szabványosak! National Television System Committee (NTSC), Society of Motion Picture and Television Engineers (SMPTE) és a European Broadcasting Union (EBU) által szabványosított TV fényporok és a C fehér színkoordinátái a CIE LUV 1976-os színkoordináta-rendszerben. Összeadó színkeverés v u

6. Eszközök 2D-3D számítógépes grafika

7. Katódsugár cső képernyő (CRT) Katódsugár cső képernyő (Chatode Ray Tube, CRT) Kutatók, feltalálók: Paul Nipkov (1860-1940): mechanikus képfelbontás pásztázó-tárcsával, 1884. Karl Ferdinand Braun (1850-1918): katódsugárcső, 1897, Nobel díj 1909. John Logie Baird (1888-1946): mechanikus televízió, 1924. Tihanyi Kálmán (1897-1947), Vladimir Kosma Zworykin (1889-1982): katódsugárcsőből kép- és kameracső, 1926-29. Működési elv: Becsapódó elektronok hatására alkalmas foszforvegyületek (fényporok) R, G és B színű fényt bocsátanak ki. A képpontokat három együttfutó, soronként pásztázó elektronsugár tapogatja le. Az elektronáram mennyiségének szabályozása (és a szomszédos képpontok leárnyékolása) videojel által vezérelt töltésű perforált fémmaszkkal történik. Az elektronsugarak pásztázó mozgását (vízszintes eltérítés, visszafutás és folyamatos süllyedés) mágneses mező változtatása biztosítja. Tihanyi Kálmán és a találmánya alapján kifejlesztett töltéstárolós tv kamera

8. Készítsen TV-t Baird alkatrészekből Mechanikus televízió

9. Készítsen TV-t Baird alkatrészekből Az első tv adás 1926-ban Angliában Baird mechanikus rendszerével indult (30 sor, 5 majd 12.5 kép/sec). BBC Alexandra Palace, ahol a Baird optikai 240 soros és a Marconi-EMI elektronikus 405 váltott soros tv rendszer 1932-36 között hetente váltogatva működött.

10. Folyékony kristály képernyő (Liquid Crystal Display, LCD, TFT-LCD) Kutatók, feltalálók: Friedrich Reinitzer: folyadékkristály, 1888; Robert WiIIiams: optikai tulajdonságok, 1963; George Heilmeier: LCD, 1968. Működési elv: Keresztben álló két polárszűrő nem engedi át a fényt. A közéjük helyezett szerves folyadékkristály (Liquid Cristal) szerkezete elektromos térben átrendeződik, a polarizált fényt 90º- vagy 270º-al elcsavarja, így a fény átjut a kettős polárszűrön. A csavarodás mértéke a feszültséggel (nem lineárisan) arányos, ezért az áteresztett fénymennyiség analóg módón szabályozható. Az RGB színek előállítása színszűrökkel történik. TFT (Thin Film Transistor) technológia: a fényátbocsátás időtartamára az LC cellában elhelyezett kondenzátor a feszültséget tárolja, így a következő cellák címzése, tk. feltöltése, időben függetlenül folytatódhat. Hátrányok: (1) szűk függőleges és vízszintes látószög, azon túl torzuló színek, (2) lassú válaszidő, ezért a mozgó képelemek után rajzolódnak, (3) az LC cella kissé fényáteresztő, ezért magas a feketeszint, kisebb a kontraszt. LCD képernyő

11. Plazma képernyő (Plasma Display Panel) Szabadalom: Donald L. Bitzer, H. Gene Slottow, 1964. Plazma képernyő a fluoreszcens lámpák elvén működik: alacsony nyomású (ritkított) gáz elektromos térben ionizálódik és ultraibolya EM sugárzást bocsát ki. Az ultraibolya sugárzást foszfor vegyületek vörös, zöld és kék színű látható EM sugárzássá alakítják át. A fényerőség fokozatokat a feszültség be- és kikapcsolásának számával érik el, így ez a képalkotási mód digitális. Előnyök: (1) gazdaságosan gyártható nagy képméret, (2) széles látószög: > 160º, (3) alacsony feketeszint és nagy fényerő, következésképp magas kontraszt és széles képdinamika. Hátrányok: (1) szúnyogháló hatás, (2) az analóg TV adás és a sötét képek zajosak, (3) az adekvát felbontástól (native resolution) eltérő felbontás rontja a képminőséget, (4) fényporok öregednek, a fénykibocsátásuk idővel csökken. LCD vagy Plazma, Samsung LN-T5281F vagy Pioneer Elite PRO-11FD Kuro? http://www.soundandvisionmag.com/features/779/plasma-vs-lcd-round-ii.html Plazma képernyő (PDP) Üveglap Szigetelés Elektródák MgO védőréteg Gáz UV EM sugárzás RGB foszfor Címző elektróda Szigetelés Üveglap

12. DLP képernyő & vetítő Szabadalom: Dr. Larry Hornbeck, Texas Instruments, 1987. DMD csip: optikai félvezető (Digital Micromirror Device) 2 millió forgópántos mikró tükörrel. 15 be-ki/msec - 1024 lépcső. 1 vagy 3 csippes vetítőrendszer (16.7 millió vagy 35 milliárd szín). Előnyei: Nincs szúnyogháló jelenség. Egymásra vetített RGB színek, nagy felbontás. www.dlp.com Digital Light Processing (DLP) DLP alaplap Processzor DMD csip Optika Vetítő optika Forgó színszűrő Optika Fényforrás Képernyő v. mozivászon

13. (1) A plazma és DLP képernyőkön a képpontok fénysűrűsége csak be- és ki állapotok számával szabályozható. Elvben a váltó frekvencia változtatásával az intenzitás analóg módon szabályozható lenne, a gyakorlatban azonban a váltófrekvencia rögzített, ezért adott képfrissítési idő alatt csak korlátozott számú világosság lépcsők állíthatók elő, ez idő szerint max. 1024 lépcső. Ha a pixel sötét színű, a képpont(hármas) az idő nagy részében kikapcsolt állapotban van. Pl. 25 %-os fénysűrűség esetén, a rendelkezésre álló idő 75 %-ában. Következmény: az alacsony fényerejű képrészek kvantálása - az analóg TV adásnál különösen - alias típusú mintavételezési - hibákat eredményez, a kép zajos lesz. A kvantálási hibákat térben és időben diteráló áramkörökkel csökkentik. Egyes gyártmányoknál a diterálás módja választható. (2) A korlátozott számú világosság lépcsők következtében az adekvát képfelbontás (native resolution) megváltoztatása, és/vagy a képarány átállítása is zajos képet eredményez. Az átméretezés a képjelet újra-mintavételezi, legyen az analóg vagy digitális, s az újra-mintavételezéssel kvantálási hibák keletkeznek. Az (1) és (2) típusú mintavételezési hibák összeadódnak. (3) Annak érdekében, hogy a közepes és a gyenge minőségű analóg CRT TV készülékek képe is éles legyen, az analóg adásjelben a magas frekvenciák amplitúdóit megemelik. A hirtelen változásoknál, pl. kontúroknál keletkező magas frekvenciákat a korlátozott számú intenzitás lépcsők miatt a digitális rekonstrukció elhibázza. Az ilyen hibákat az amplitúdó emelés tovább nagyítja, ezért a plazma képernyőn az erős élek láthatóan megkettőződnek. Ez a hiba az élesség szabályozóval (Sharpness Control) csökkenthető. Kvantálási képhibák

14. Pixel memory(Frame buffer, Video RAM, videó memória, rasztertár) kettős hozzáférésű memória, többlapos elrendezés (double buffer, stencil buffer). Look Up Table(LUT, keresőtábla) a pixel memória része, a kimenő RGB értékek képernyő specifikus beállítására szolgál. Az OP rendszer kezeli, programozható. Digital / Analog Converter(DAC, D/A átalakító) Graphic Processor(GPU, grafikus processzor) pixelműveletek (mozgatás, átfedés, átlátszóság stb.), valós idejű árnyalás-számítás (textúra leképzés, takarási feladatok megoldása, anti-alias képhiba-javítás stb.) programozható könyvtárrutinokkal (OpenGL, DirectX). Grafikus kártya PC Pixel memória Look up table D/A átalakító Képernyö Grafikus processzor VGA (Video Graphics Array)

15. RGBszínkezelés 2D-3D számítógépes grafika

16. II. Eszközfüggő színrendszerek (eszközvezérlő színrendszerek) • RGB (elektronikai eszközök) • HSV, HLS (számítógépes grafika) • LUV, YIQ, YCC (TV - videó) • CMY, CMYK (nyomtatók, nyomdagépek) Színrendszerek I. Színmérő rendszerek (színingermérő rendszerek) • CIE 1931 XYZ (általános) • CIE színességi diagramok (általános) • CIE 1976 Luv (összeadó színkeveréshez) • CIE 1976 Lab (kivonó színkeveréshez) • CIE 1997 Cam (médiák közötti adatcseréhez) Commission Internationale de l’Éclairage (Nemzetközi Világítási Bizottság) www.cie.co.at III. Színminta gyűjtemények (színrendelő rendszerek) • Munsell 1906 - (általános célú katalógus) • RAL 1927 - (fémfestékek, építőipar, gépgyártás) • Pantone 1963 - (textil-, műanyag és nyomdaipar) • Színetalonok (NPL, NBS, OMH stb.) (színmérő műszerek ellenőrzéséhez)

17. Gépi képrögzítés elve: a látvány színösszetevőkre (RGB, CMY stb.) bontása. Gépi képalkotás elve: a színösszetevők vizuális egyesítése. Eszközfüggő (eszközvezérlő) színrendszerek a képrögzítő, tároló, továbbító és megjelenítő eszközökkel megvalósítható színek koordináta-rendszerbe foglalt halmaza. Feladatuk:a színek kódolása és dekódolása, az eszközök vezérlése. Elnevezések: színkoordináta-rendszer, színtér, színmodell. Adott eszközzel megvalósítható színterjedelem (gamut): a színek kiterjedése a koordináta-rendszerben, színtest. EF színkoordináta-rendszer vektorai lehetnek: ●színösszetevők (pl. RGB), vagy… ●pszichofizikai színjellemzők (pl. szín, telítettség, világosság). EF színkoordináta-rendszerek főbb típusai: Descartes, hengeres. A színösszetevős és színjellemzős rendszerek közötti átszámítás koordináta-transzformációkkal történik. (A színek közötti távolságok és szomszédságok megváltozhatnak!) EF színkoordináta-rendszerek normalizáltak: 0 = a színösszetevőnek elvben nincs fénysűrűsége (összeadó színkeverés), illetve max. a fényelnyelése (kivonó színkeverés). 1 = a színösszetevő max. fénysűrűségű, illetve min. a fényelnyelése. Az eszköztől függ színösszetevőnként: - árnyalatszám (2, 8, 16, 64, 256 stb.), - min. fénysűrűség, max. fényelnyelés, - max. fénysűrűség, min. fényelnyelés. * A kivonó színkeverés csak elvben inverze az összeadónak, bővebbet erről a CMY rendszerek fejezetben. Eszközfüggő színrendszerek

18. RGB színmodell RGB színmodell Színösszetevőket vezérlő Descartes koordináta-rendszer. Színterjedelem (gamut, színtest) kocka alakú. Színérzetek közötti távolság nem egyenletes. Nem szemléletes, a felhasználó számára a színkeverés és színbeállítás nehézkes. Kék (0,0,1) Cián (0,1,1) Bíbor (1,0,1) Fehér (1,1,1) Fekete (0,0,0) Zöld (0,1,0) Vörös (1,0,0) Sárga (1,1,0)

19. é ù é ù é ù é ù é ù é ù C 1 R R 1 C = - = - ê ú ê ú ê ú ê ú ê ú ê ú M 1 G G 1 M ê ú ê ú ê ú ê ú ê ú ê ú Y 1 B B 1 Y ë û ë û ë û ë û ë û ë û CMY színmodell CMY színmodell Kivonó színkeveréssel megvalósítható színek 3D-s elrendezése, az RGB színmodell inverze. A három színösszetevő: sárga, cián (türkizkék) és a magenta (bíbor). Nyomtató vezérlésre nem alkalmas. Bővebbet a CMY rendszerek fejezetben. Sárga (0,0,1) Vörös (0,1,1) Zöld (1,0,1) Fekete (1,1,1) Fehér (0,0,0) Bíbor (0,1,0) Cián(1,0,0) Kék (1,1,0)

20. HSV színmodell Pszichofizikai színjellemzőket vezérlő henger koordináta-rendszer. Hue = szín Saturation = telítettség Value = világosság Színterjedelem (gamut, színtest) hatszögletű gúla alakú, az RGB kocka 2D-s vetülete. HSV színmodell Zöld (120°) Sárga (60°) Fehér (100) Cián (180°) Vörös (0°) Kék (240°) Bíbor (300°) Világosság (0-100) Szín: 0 - 359° Szín (0-359°) Fekete (0) Telítettség (0-100) Telítettség: 0 - 100 Világosság: 0 - 100 Színinterpoláció a zöld és vörös között a HSV és az RGB színrendszerben.

21. HLS színmodell HLS színmodell Pszichofizikai jellemzőket vezérlő henger koordináta-rendszer. Vektorai: Hue = szín Lightness = világosság Saturation = telítettség Színterjedelem (gamut, színtest) kettős hatszögletű gúla. Fehér (100) Zöld (120°) Sárga (60°) Világosság (0-1) Cián (180°) Vörös (0°) Szín: 0 - 359° Kék (240°) Bíbor (300°) Telítettség: 0 - 100 Világosság: 0 - 100 Szín (0-359°) Fekete (0) Telítettség (0-100)

22. é ù é ù é ù Y 0.299 0.587 0,114 R = ê ú ê ú ê ú U -0.147 -0.289 0.436 G ê ú ê ú ê ú V 0.615 -0.515 -0.100 B ë û ë û ë û Színkülönbség színmodellek A színes TV adás bevezetésének feltétele: fekete-fehér készülékkel is nézhető legyen. A színesség (árnyalat & telítettség) és a világosság információt el kellett különíteni. Színkülönbség színmodellek az analóg / digitális színes TV-videó jel továbbításához*, rögzítéséhezhasznált színkoordináta-rendszerek. Az RGB színterjedelem (gamut, színtest) csúcsára állított paralelepipedon (lásd következő diát). Y vektor a szín világosságát (fénysűrűségét) vezérli. Az Y jelben az RGB összetevők aránya: Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B Uvektor = Kék − Világosság (B−Y). V vektor = Vörös − Világosság (R−Y). * A felvétel és a megjelenítés továbbra is RGB színrendszerrel működik! Az RGB - YUV (YCC) konverzió a kamera, YUV (YCC) - RGB konverzió a vételi oldalon történik. R-Y +0.5 B-Y −0.5 −0.5 +0.5 −0.5 YUV/RGB transzformációs mátrix http://www.cs.rit.edu/~ncs/color/a_spaces.html

23. Színkülönbség színmodellek Típusai csakaz RGB transzfomációs mátrix értékeiben különböznek egymástól. YUV- analóg jelgeneráláshoz (PAL és NTSC tv szabványok). ● Kompozit (egyesített YUV + hang földfelszíni analóg adásjel). ● Komponens (szétválasztott Y, U és V videojelek, hang nélkül). ● S-videó (szétválasztott Y és UV videojelek, hang nélkül). YIQ- analógjelgeneráláshoz (NTSC tv, megszűnt). YCbCr- digitális jelgeneráláshoz, (dig. kamera/fényképezőgép, DVB, CD, DVD, HD-DVD, Blue-Ray, azaz minden eszköz, amely a jelfogadáshoz, továbbításhoz és rögzítéshez a Jpeg/Mpeg/WM9 képfájl formátumot használja). YPbPr- analóg jelgeneráláshoz, a digitális képjelek analóg kimenete, megjelenítők analóg bemenete. Az RGB-YPP trafó-mátrix ua. mint az RGB-YCC mátrix. Y Például a zöld: RGB 0,1,0 YUV: 0.587,-0,289,-0,515 R-Y B-Y RGB színtest a YUV színkoordináta-rendszerben. Felülnézetét lásd az előző dián.

24. TV szabványok 2D-3D számítógépes grafika

25. Mechanikus-TV adások 1932-ben

26. Rádió frekvencia kiosztás ma

27. Adásszabványok Amerika & Japán NTSC: analóg, 525 sor, ~60 félkép/sec. ATSC: digitális: 720 v. 1080 sor, ~60 kép vagy félkép/sec. Európa PAL: analóg, 625 sor, 50 félkép/sec. SECAM: analóg, 625 sor, 50 félkép/sec. DVB: digitális, 720 v. 1080 sor, 50 kép vagy félkép/sec. Videó jelek Analóg RGB (R) (G) (B) Analóg kompozit (Y,U,V,hang) Analóg S-Videó (Y) (U,V) Analóg komponens (Y) (U) (V) Analóg komponens (Y) (Pb) (Pr) Digitális RGB (R) (G) (B) Digitális komponens (Y) (Cb) (Cr) Miért 625 sor? Az európai országok frekvencia gazdálkodási megállapodása (CCIR) szerint a TV csatornák… frekvencia sávszélessége: 8 Mhz.* Félkép/sec: 50 (=hálózati feszültség frek.). Ezért… Sorok száma: 625, ebből… félkép váltás időtartama: 25 sor (2x). Képarány a némafilm alapján 4:3. Az elvi felbontás: 800×600 képpont**, ugyanis… (625×833 /2 félkép) ×50hz =13 millió képpont/sec maximális frekvenciaigénye*** 6.5 Mhz, hanggal együtt 8 Mhz. Frekvenciasáv belső felosztása: Világosság jel (Y): 5.5 Mhz, Színkülönbség jel (B-Y): 1.3 Mhz, Színkülönbség jel (R-Y): 1.3 Mhz, Hang: 1.5 Mhz. * Amerikában több csatorna érdekében csak 6 Mhz! ** Tényleges felbontás: 720×480 képpont. *** Egyik képpont fekete, a következő fehér. TV szabványok

28. ● Folyamatos mozgásérzethez: 16-24 kép/sec. ● Villódzásérzet megszűnése (fúziós frekvencia): 50 kép/sec-tól. A küszöb magasabb fehér színnél és a látótér szélén. Képváltási frekvencia

29. Megoldások: ● Mozi: forgó takarókoronggal (pilla) 2x, vagy 3x 24 kép/sec. ● Standard TV: közbeszövés (interlacing), váltott soros képalkotás, 50(~60) félkép/sec. A képpontszám megfelezése csökkenti a sec-ként sugárzandó adatmennyiséget. ● PC képernyő (szokásos háttérszín fehér): CRT: 60-120 kép/sec. LCD: 200 kép/sec, 200 Hz-es hátsó-lámpa megvilágítással. ● Digitális TV, az adatátviteli / kitömörítési sebességtől függően: váltott soros (i) 50(~60) félkép/sec, progresszív (p) 50(~60) kép/sec. Deinterlace: utólagos sorkettőzés időbeli és térbeli interpolációval. Villódzásérzet megszüntetése

30. Fontosabb adatátviteli csatlakozók

31. VGA, Video Graphics Array HD-DTV, High Definition Digital Television PAL, Phase Alternation Line NTSC, National Television System Committee W, Wide S, Super X, Extended U, Ultra Fontosabb felbontás szabványok H, Hex[adecatuple] i, interlaced p, progressive * Kell tényező (0.7-0.85) miatt a felbontás ennél is kevesebb: PAL ~610×460, NTSC ~390×515.

32. Felbontás szabványok 1920 1280 720 0 0 PAL TV 576 DVB TV 720 720 DVB TV 1080 1080

33. Technikai paraméterek • Képméret (Picture Size): képátló, inch. • Képarány (Aspect Ratio) videó: 4:3, 16:9; PC: 4:3, 5:3, 5:4, 16:10 • Adekvát felbontás (Native Resolution) váltott soros vagy progresszív módban: 720i, 720p, 1080i, 1080p stb. • Pixelköz (Pixel Pitch, Dot Pitch): képméret és felbontás függvénye. • Max. fényerő (Display Luminance): max. fénysűrűség (cd/m2). • Feketeszint (Black Level): min. fénysűrűség (cd/m2). • Kontrasztarány (Contrast Ratio): fénysűrűség, max. per min. • LCD válaszidő (Response Time): váltás fehérről feketére, msec. • Színárnyalat szám: 24 bit alatt diterálással, 24 bit - true color, 10 bit – deep color. • Betekintési szög (Viewing Angle): vízszintes, függőleges. • Képernyő egyöntetűség: fénysűrűség eltérés (cd/m2). • Videojel bemenet: RF (antenna), kompozit, S-videó, komponens, VGA, DVI, HDMI. • Képarány kezelés (Aspect Ratio Control): szélesítés, nagyítás, kitöltés (teljes), TV 4:3 stb. • Plazmapanel fénypor-beégés: 50 %-os fényerő-csökkenés / üzemórák száma. • Pixel hibák: halott pixel, beragadt pixel, szennyeződés. • Kitömörítési sebesség, tk. Kitömörítési mód: MPEG2, MPEG4 Halott pixel Beragadt pixel Szennyeződés

34. Európai digitális videó adásszabvány: DVB-T (Terrestial, földfelszíni), -S (Satelite, műholdas), -C (Cable, kábel) és -H (Hand Held Device, kézi eszköz). DVB-T esetében 8 Mhz frekvencia sávszélességű csatornákon 5-31 Mbit/sec között változtatható az adatátviteli sebesség. A digitális adásjel több program között megosztható (Multiplexing). A programok számát és képminőségét (felbontás, pásztázási mód, képszám/sec) a tartalom-szolgáltatóknak (Content Providers) közösen kell meghatározniuk, – figyelemmel tartalomra és a nézőkör vevőkészülékeinek technikai színvonalára. A csatornát közösen kell üzemeltetniük, mert a képminőség a képi tartalomtól is függ: a mozgás pl. sportesemények több adatot, nagyobb adatátviteli sebességet, s így gyorsabb kitömörítést igényel. A vevőkészülék fontosabb paraméterei a következők: • adatfeldolgozási sebesség ill. kitömörítési mód (Codec): Mpeg2, Mpeg4, WM9. • képfelbontás: 1920x1080, 1280x720, 640x360 stb. • pásztázási mód: váltott soros (i), progresszív (p). Magyarország 8 db DVB-T csatornával rendelkezik. Különböző felbontású, pásztázási és kitömörítési módok elfogadható - kitűnő képminősét eredményező adatfeldolgozási sebessége. (WM9, Windows Media 9 a Microsoft videó és állókép fájlformátuma.) Például egy DVB-T csatorna felosztható a következőképpen: 2 db Mpeg4-1080p program, vagy 2 db Mpeg4-720p program és 2 db Mpeg2-625i program DVB (Digital Video Broadcast) Halott pixel Beragadt pixel Szennyeződés

35. © Batta Imre, 2010 www.epab.bme.hu