影像

石岳峻 博士

數位影像

• 數位影像– 將圖片或照片等資料，利用電腦與周邊設備 (

如掃描器、數位相機 ) 將其轉換成數位化資料影像

• 影像處理技術– 主要是用來編輯、修改與處理靜態圖像，以產生不同的影像效果。

點 陣 圖

• 像素 (Pixel, Picture Element)

– 就是螢幕畫面上最基本的構成粒子，每一個像素都記錄著一種顏色。

• 影像是由螢幕上的像素所組成 。• 像素的數目越多，圖像的畫質就更佳。 Pixel

Y

X

解析度 (resolution)

• 決定點陣圖影像品質與密度的重要因素 • 像素密度愈高，影像則愈細緻，解析度也越高。

解析度： 300 解析度： 150 解析度： 72

解析度單位

• DPI (Dot Per Inch)

– 適用於平面輸出單位例如：印表機解析度

• PPI (Pixel Per Inch)

– 螢幕上的像素單位例如：顯示器解析度。

點陣圖

• 優點─可呈現真實風貌。• 缺點─放大或是縮小處理後，容易失真。

點陣圖放大後會產生失真現象

向 量 圖

• 數學運算產生的幾何曲線所構成的繪圖方式，具有放大縮小均不會失真或產生鉅齒狀，檔案大小也通常不大。

• 無法表示精緻度較高的圖案，適合表示一般的卡通或漫畫圖。

向量圖放大時不會產生失真現象

RGB 色彩模式

• 色光三原色，則為紅、綠、三種。 • 每個像素是由 24 位元 (3 個位元組 ) 表示，每一種色光都有 256 種光線強度 ( 也就是 28

種顏色 ) 。三種色光正好可以調配出224=16,777,216 種顏色，也稱為 24 位元全彩。

CMYK 色彩模式

• 稱為印刷四原色，屬於印刷專用，適合印表機與印刷相關用途。

• C 是青色， M 是洋紅， Y 是黃色， K 是黑色，以減法混色所形成，將此三色等量混合時，會產生黑色。

CMYK v.s. RGB

• CMYK 模式所能呈現的顏色數量會比 RGB模式少。

• RGB 模式中，色光三原色越混合越明亮，而 CMYK 模式，色料三原色越混合越混濁，這是兩者間的主要差別。

HSB 模式

• 是指人眼對色彩的觀察來定義。

• 用 H( 色相 ,Hue)、 S(飽和度 ,Saturation)及B( 亮度 ,Brightness)來代表顏色，在螢幕上顯示色彩時，會有較逼真的效果。

色彩深度

• 影像是以位元來儲存，當位元數目越高，就代表影像所能夠具有的色彩數目越多，相對地，影像的漸層效果就越柔順。

色彩深度(位元 )

1 2 4 8 16 24

色彩數目 2色 4色 16色 256色 65536色（高彩）

16777216色（全彩）

黑白模式

• 像素用 1 個位元來表示，只有黑色與白色。

• 可以製作黑白的線稿 (Line Art) ，或是只有二階 (2 位元 ) 的高反差影像。

• 圖檔容量小，影像比較單純。

灰階模式

• 像素用 8 個位元來表示，亮度值範圍為0~255， 0 表示黑色、 255 表示白色，共有256(28) 個不同層次深淺的灰色變化，也稱為 256 灰階。

16 色模式

• 像素用 4 位元來表示，共可表示 16 種顏色，為最簡單的色彩模式，如果把某些圖片以此方式儲存，會有某些顏色無法顯示。

256 色模式 • 像素用 8 位元來表示，共可表示 256 種顏色，已經可以把一般的影像效果表達的相當逼真，也是目前常用的彩色模式。

高彩模式

• 像素用 16 位元來表示，其中紅色佔 5 位元，藍色佔 5 位元，綠色佔 6 位元，共可表示 65536 種顏色。

• 資料量過多，礙於儲存空間的限制。

全彩模式• 像素用 24 位元來表示，其中紅色佔 8 位元，藍色佔 8 位元，綠色佔 8 位元，共可表示 16,777,216種顏色

• 表現上非常的豐富、完整，但使用全彩模式及256 色模式，光是檔案資料量的大小就差了三倍之多。

RGBA格式• 像素用 32 位元來表示，其中紅色佔 8 位元，藍色佔 8 位元，綠色佔 8 位元，另一個位元稱為Alpha ，它代表不透明度 (Opacity) ，越高越不透明。

• 影像就可以做半透明重疊影像的效果，稱這為Alpha Blending 。

螢幕解析度

• 螢幕解析度是由顯示卡（ Display Card）所決定的，並不是由螢幕所決定。

BMP 檔案格式

• BMP 是 Bit Mapped 的縮寫• 是 Microsoft 為 Windows 發展的影像檔格式

• Windows 中畫面的捲動、視窗開啟及恢復，均需高速運作，不能有太多的計算過程，因此真實的將螢幕內容一點一點地儲存在檔案內，避免解壓縮時浪費時間，因此有了 BMP 的誕生。

BMP 檔案格式

• BMP 格式是與裝置無關的，故又稱 DIB (Device-Independent Bitmap) 。

• 可以是 2 色、 16 色、 256 色或 16777216 色

• 每個影像檔都有兩部份– 部份一是記錄影像相關資料的檔頭，– 部份二是影像資料。

• 根據原始影像資料與某些演算法，來產生另外一組資料，方式可區分為– 破壞性壓縮

• 壓縮比率大，但容易失真• JPG

– 非破壞性壓縮• 壓縮比率小，不過還原後不容易失真。 • TIF、 GIF 、 PNG

影像壓縮

TIF(Tagged Image File Format)

• 所有圖檔的「母檔」，最高品質的檔案• 非破壞性壓縮模式，• 支援儲存 CMYK 的色彩模式與 256 色，• 能儲存 Alpha 色版。• 檔案格式較大 ，• 不同軟體與平台交換傳輸圖片，• 為文件排版軟體的專用格式。

JPG(Joint Photographic Experts Group)

• 副檔名為 .jpg或 jpeg

• 屬於破壞性壓縮• 儲存後的影像會造成失真的現象• 支援 CMYK、 RGB 和灰階色彩模式，但不支援 Alpha 色版。

• 壓縮比率可相當高• 適合大自然或人物等連續色調的全彩相片

GIF (Graphics Interchange Format)

• 副檔名為 .gif

• GIF 圖檔最多只能儲存 256色 (8 bits) 。• GIF 僅能顯示 RGB 色彩，不能用於

CMYK

• 不支援 Alpha 色版• 支援透明度、交錯顯示，以及多重影像圖片 (動畫 GIF) 。

• 適合卡通類小型圖片或按鈕圖示。

交錯顯示 (Interlacing)

• 圖形的顯示一般是由上而下一條線一條線地依序顯示，直到圖形資料下載完後，才能看到完整的圖形；

• 交錯顯示則是以相隔八條線的方式跳著顯示，可以讓瀏覽者在圖形未完全出現前，先對圖案有個概念

• 製作 GIF動畫時，不適合使用交錯顯示，會有鬼影殘留的現象。

GIF 動畫 (GIF89a)

TIFF、 JPEG、 GIF 之比較TIF JPG GIF

檔案量 最大 4 種壓縮程度而定 約 TIF 檔 1/5支援色彩 CMYK、 RGB CMYK、 RGB RGB

色彩品質 最佳 視壓縮比例而定 較差用途 印刷、典藏保存 用於網路傳輸 用於網路傳輸失真度 保留圖檔原樣，

不失真。 保留 RGB 色彩資訊，選擇性丟棄

CMYK 資料，減少容量。

轉換 RGB ，減少容量，減少傳輸速度。

PNG (Portable Network Graphic)

• 高階無失真壓縮 •• 支援 Alpha 色板透明度 • 支援 Gamma 修正 ( 圖像亮度控制 )

• 支援交錯顯示• 新的網頁瀏覽器才支援• 壓縮小於 JPG

gamma 值• 人眼所能分辨的亮差層次是以對數方式分佈，而非以線性方式分佈。

• 人眼對低亮度變化的感覺比對高亮度變化的感覺來得敏銳 ─ >犧牲亮部層次來換取更多的暗部表現

• 亮度 ＝ 255 (RGB 值 / 255) GammaPC 選用 2.2 Gamma 值

RAW

• 相機的 CCD或 CMOS 將光信號轉換為電信號的原始數據的記錄

• 是未經處理、也未經壓縮的格式，可以把RAW 比作“數位底片”

• JPEG、 TIFF 等是數位相機在 RAW格式基礎上，調整白平衡和飽和度等參數，產生的圖檔。

RAW

• 影象儲存壓縮比：• JPEG ：主要是破壞性 ( 失真 ) 的壓縮方式• TIFF ：將最原始的訊號資料加以解析換算，最終產生一個三色頻道 （ RGB）

• RAW ：擷取在影像處理之前的源頭訊號

傳統相機 v.s. 數位相機

感光裝置

• 像傳統相機的底片一樣，是感應光線的裝置，負責把影像變成電訊號。有兩大類 :– 電子耦合元件 (Charge-Coupled Device,CCD)

• 當光線與影像從鏡頭透過、投射到 CCD表面時， CCD就會產生電流，將感應到的內容轉換成數位資料儲存起來。

• 優點是影像質素非常好，• 缺點是生產成本較昂貴，耗電量也較大。

感光裝置– 互補金屬氧化半導體 (Complementary Metal

Oxide Semiconductor,CMOS)• 採用 CMOS晶片製造技術生產的。• 優點是可令生產成本大大降低，只需 CCD感光晶片的三分之一。

• 缺點是噪音較多，影像質素不及 CCD 感光晶片• 常被用於低階數位相機或 Webcam 。

CCD v.s. CMOS

傳統相機 v.s. 數位相機

數位相機─正面

快門按鈕

模式轉盤/ 電源 喇叭 閃光燈

觀景窗鏡頭 / 鏡頭蓋

麥克風感光器自拍 / 錄影

指示燈

握持處

腕帶連接處

數位相機─背面就緒顯示

燈液晶螢

幕 資訊\

求

助

刪除

鈕

廣角變焦

鈕 遠攝變焦

鈕

五向操作鈕

記憶卡

USB/AV 輸出

直流電輸入

底座介面

三腳架連接孔

查看

鈕 功能表

鈕 電池

座 分享指示

燈

數位相機內部構造

鏡頭組

鏡頭組

快門電池組記憶卡

快門鈕

快門

觀景器 閃光燈

拍攝物成像

感光晶片

感光晶片

畫素

• 4”x 6” 的相片以一般相片的解析度約 300 dpi– ( 相片長度 * 解析度 ) x ( 相片寬度 * 解析度 )

    = (4 * 300) x (6 * 300)

    = 1200 x 1800

    = 2160000 (約 2百萬像素 )

• 目前已到千萬像素以上

重要操作

螢幕資訊

照片拍的好要訣一

• 光線要充足– 不可過多 (曝光過量 ), 照片過亮– 不可過少 (曝光不足 ), 照片太暗

影響曝光的因素─ ISO

• 傳統相機時指的是底片的感光度。而數位相機的感光度則是在感光元件 CCD 上的能力。

• ISO 值越高就越能在昏暗場合拍出明亮的照片• ISO 值越高，放大後的效果較差。• 最高已有

ISO 80 ISO 400ISO 200ISO 100

影響曝光的因素─光圈

• 鏡頭內用來控制光線透過鏡頭，進入機身內感光面的光量的裝置。

• 光圈 f 值 = 鏡頭的焦距 / 鏡頭口徑的直徑

• 光圈 f 值愈小，進光量便愈多，而且上一級的進光量剛是下一級的一倍。

光圈與景深

• 當光圈愈大 ( 光圈值愈小 ) ，則景深愈小。當光圈愈小 ( 光圈值愈大 ) ，則景深愈大

清晰度下降

清晰度下降

可接受的清晰範圍

光圈與景深

光圈與景深

50mm F/1.8 50mm F/4

50mm F/5.6 50mm F/8

影響曝光的因素─快門

• 鏡頭前阻擋光線進來的裝置，可決定曝光時間長短

快門速度快 快門速度慢 快門速度快 快門速度慢

光圈與快門• 光圈就是水管的粗細

– 水管越粗水越多– 光圈越大光線越多– 光圈表示法 ： F2.0 > F2.8 ( 因為是倒數關係 )

• 快門就是進水的時間– 放水時間越久水越多– 快門越長光線越多– 快門表示法： 1/500秒 ~8秒– 消費型大部份最多到 8秒

拍攝模式

照片拍的好要訣二

• 影像要清晰– 影像清晰 ( 對焦 ) 影像模糊 ( 失焦 )

變焦 (zoom in/out)

• 改變鏡頭的焦距 ，可望遠拍攝 時放大遠方物體。• 一般基本焦距 為 35mm• 20～ 35mm 的鏡頭稱為廣角鏡 焦距 更短的就是超廣角鏡

光學變焦 (optical zoom)

• 靠光學鏡頭結構來實現變焦，方式與傳統相機差不多，就是通過相機鏡片移動來放大與縮小需要拍攝的景物，光學變焦倍 數越大，能拍攝的景物就越遠。

數位變焦 (digital zoom)

• 將 CCD 影像感應器上的像素用程式計算將畫面放大到整個畫面。

• 數位變焦將拍攝的景物放大了，但清晰度會下降，所以數位變焦並 沒有太大的實際意義。

智能變焦 (smart zoom)

• SONY獨有，可放大變焦拍攝 ，不會將微粒放大，能保持畫質與原本影像相同。

3x optical zoom 1.8x smart zoom 4.7x smart zoom

防手震 (Anti-Shake) 系統

• 減少因照相時相機晃動所產生畫質不清的問題。

光學防手震

• 將防手震機構放置在鏡頭內，經由鏡頭內的角速度感知器，感應到鏡頭晃動程度，計算後將應補正量由鏡頭內的機械結構移動鏡片，往反方向回饋修正，以達成防手震的效果。

CCD防手震

• 又稱機身防手震，以仰賴 CCD 的補償移動，當角度速感知器察覺機身發生震動時 ( 這個機構是裝置在機身內部，並與 CCD 影像感測器結合 ) ，會啟動控制機構，將 CCD往相對的方向補償移動，以獲得穩定的影像。

數位防手震

• 通過軟體計算的方法，利用成像掃描過程與機械快門開啟的過程相互配合校正震動的影響，獲取穩定的畫面。 主要應用在體積更小的產品，例如輕薄型的數位相機、照相手機、迷你 DV 等等。 。

白平衡

• 不同的環境下有不同的色溫，就像是你開燈泡時，連白紙看來也變黃的。

日光燈模式

太陽光模式自動模式

臉部自動對焦系統

紅眼• 用閃光燈拍攝人像時，由於被攝者眼底血管的反光，使拍

出照片上人的眼睛中有一個紅點的現象。• 在比較暗的環境中，人眼的瞳孔會放大，此時，強烈的閃

光燈光線如果通過人的眼底反射入鏡頭，眼底有豐富的毛細血管，這些血管是紅色的，所以就形成了紅色的光斑。

• 防紅眼是閃光燈的一種功能，是在正式閃光之前預閃一次，使人眼的瞳孔縮小，從而減輕紅眼現象。

DSLR(Digital Single Lens Reflex)

• 簡單的來說就是數位單鏡反光鏡式相機。• 透過反光鏡將影像反射到觀景窗，所照出來的影像會跟看到的一模一樣。

DSLR 鏡頭

• DSLR 可接多種不同的鏡頭

記憶卡• 由快閃記憶體組成的• 電腦記憶體在硬體關閉電源後，暫存資料會消失• 快閃記憶體不需要電力來維持已儲存的資料。電源關閉後，原本寫入的資料仍可保存於記憶體中

• 小體積大容量的特性，目前被廣泛運用製作行動碟、記憶卡、讀卡機等儲存產品。

CF- Compact Flash

• 最早問世的記憶卡 ( 大約 1994年 )

• 目前主流記憶卡中，體積最大的• 記憶容量發展最快速的。• 整體價格較高，但單位容量價格較為便宜• 卡中一般內建控制器，可提供較快的速度• 規格

– 介面： Compact Flash TYPE I & II 尺寸：長 42.8mm × 寬 36mm × 厚 3mm 重量：約 6 公克 記憶體：最大到 64GB

MD- MicroDrive

• 微型硬碟，是很精密的硬碟技術，相容於 Compact Flash TYPE II 的規格。

• 介面規格： Compact Flash TYPE II用途：高階數位相機與 PDA。

MMC- MultiMediaCard

• MMC– 1999年 8月由松下電器、 SanDisk 、東芝共同開發，大約等於一張郵票大小，比 CF 要更小。

• RS-MMC– MMC卡 (Multi Media Card) 卡的縮小版本，它只有

MMC 卡的一半大小，厚度略比 SD 卡薄。尺寸為 24 mm × 16 mm × 1.5 mm 。

– 通常用於手持性設備，比如手機。– 雙電壓小尺寸多媒體卡（ DV-RS-MMC）

MMC Plus/Mobile/Micro

• MMC協會依不同的產品應用延續原有的 MMC規格在 2004年制訂 4.0版的規格

• MMC規格在 MMC 4.0 稱為 MMCplus (HS MMC)；

• RS-MMC規格在 MMC 4.0 稱為 MMCmobile 。• MMC micro 體積尺寸僅有 RS-MMC card 的三分之一小，讀寫效能（ 26MB/sec）

SD- Secure Digital

• SD 是以 MMC 為基礎開發，長相跟MMC 如出一轍，支援 SD 的裝置，大多相容於 MMC ，所以常見記憶卡插槽標示「 SD/MMC」。

• SD 存取速度快比 MMC快，且支援數位音樂加密– 尺寸長 32mm × 寬 24mm × 厚 2.1mm

– 記憶體最大 4GB

– 用途內建 SD插槽的 DC 、 PDA、MP3隨身聽等

SDHC

• SDHC 是 2006年初 SDA 協會所定義的新規格 (SD 2.0) ，讓 SD 容量能突破 4GB ，最高可達 32GB 。

• SDHC 卡並不往前相容– 舊型的 SD讀卡裝置 (讀卡機、數位相機、 PDA 、大姆哥 ) 可能都無法存取 SDHC 記憶卡。

MiniSD & MicroSD

• MiniSD 卡特別設計於行動電話上– 體積為 20mm x 21.5mm x1.4mm 。

• MicroSD (TransFlash, T-Flash)– 體積為 15mm x 11mm x1mm ，是現時 (2007)最小的記憶卡。

SD 家族

MS- Memory Stick

• SONY自行開發，只用在 Sony 的數位產品。– Memory Stick

– Memory Stick DUO• DUO 是短卡，只有一般 MS 記憶卡的 2/3 大小。

– Memory Stick Pro• 高容量 MS 記憶卡， MagicGate 技術保護，傳輸速度也升級。

– Memory Stick Pro DUO (需轉接頭 ) 新超高容量 MS DUO 記憶卡

– 彼此並不完全相容，插槽也有分別

M2-Memory Stick Micro

• 大小只有 Memory Stick PRO Duo 的四分之一，厚度只有 1.2 公厘。

M2-Memory Stick Micro

• 可以支援手機使用的 1.8 伏特電壓，以及其他與 Memory Stick PRO 相容產品所使用的 3.3 伏特電壓，大幅提升使用的便利性。

Memory Stick Pro-HG (Duo)

• 將Memory Stick Pro的 4 位元平行介面（ 4 bit Parallel Interface）擴充為 8 位元平行介面

• 由 40MHz提升為 60MHz ，理論傳輸速率為Memory Stick Pro的 3倍，達 480Mbps 。

XD(Extreme Digital-Picture Card)

• 2002年 7月由 Fujifilm、 Olympus發表，一種專門用於數位相機的記憶卡。

• xD 卡用在 Fujifilm、 Olympus、 Kodak 的數位相機

• M型 xD 卡容量可以擴展到 8GB ，但目前僅有1GB

• H型 xD 卡的主要訴求為高速存取速率。目前容量有 256MB、 512MB、 1GB、 2GB 。

OTG（ ON-The-Go）• 就是可以不透過 PC ，而與具有 USB 的數位相機、MP3、 PSP 等機器直接連接並進行資料的交換。

• 這種外接式隨身硬碟內含電池，即使所連接的機器處於電量不足的狀態也可以使用