Digitalizace obrazu

 

Základem pro digitalizaci jakéhokoliv obrazu je převod světla na elektrické veličiny

K převodu světla na elektrické veličiny slouží čip CCD.Zkratka CCD znamená Charged Coupled Device - prvek s vázaným nábojem.
 
Zjednodušeně řečeno jde o polovodičový prvek, který při dopadu světelného záření získá elektrický náboj. Čím je větší intenzita dopadajícího světla, tím větší je náboj.Tyto miniaturní polovodičové prvky jsou ve velkém množství (až v milionech prvků) pravidelně uspořádány do plošné struktury, která zajišťuje akumulaci a přenos nábojů z čipu k dalšímu zpracování.Proti všem dříve používaným fotoelektrickým prvkům je podstatně menší a především významně citlivější. Pokud je umístěn za optickou soustavu (objektiv), vznikne zařízení pro převod obrazu na elektrické veličiny.
V současnosti se za přijatelné ceny vyrábějí čipy CCD o ploše několika čtverečních milimetrů, na nichž je soustředěno až několik milionů prvků. Každý tento prvek (při troše zjednodušení) představuje obrazový bod neboli pixel. Množství pixelů zásadním způsobem určuje kvalitu získávaného obrazového záznamu.Čip CCD ovšem dává analogový záznam obrazu - tedy převod jeho jednotlivých bodů na různé hodnoty napětí, což je pro počítač nesrozumitelné. Proto je za obrazovým čipem zařazen analogově-digitální převodník. Jeho úkolem je převod analogových elektrických veličin na numerické hodnoty. Samozřejmě, že se analogově-digitální převodník nepoužívá jen pro vstup obrazu, ale i zvuku a dalších analogových veličin.
 
Způsob, jakým se to děje, nazýváme vzorkování, neboli sampling. Princip vzorkování si vysvětlíme na zvuku (je to trochu jednodušší, než u obrazu). Zvuk převedený do podoby elektrického napětí vypadá na grafu či obrazovce osciloskopu, kde svislá osa (Y) představuje napětí a vodorovná (X) čas, viz. obr.
Pokud změříme okamžitou vzdálenost křivky (Y) od časové osy  v co
nejvíce pravidelně rozmístěných bodech osy X, máme řadu čísel, která umožní celý graf zpětně nakreslit. Čím větší počet bodů bychom měřili, tím přesnější by byl záznam, a tedy i případná zpětná rekonstrukce. Tomuto postupu se říká vzorkování (sampling), úroveň analogového signálu je měřena v pravidelných intervalech a převáděna do číselných veličin. Počet těchto měření za sekundu je vzorkovací frekvence - čím je vyšší, tím věrnější zvuk pak z počítače zase dostaneme. Vzorkovací (samplovací) frekvence se udává v počtech za sekundu, tedy v hertzech, v našem případě v kilohertzech (kHz). Výsledkem je dlouhá řada jedniček a nul vhodná pro ukládání a zpracování v počítači. U počítačového zpracování videa je to podobné - s tím rozdílem, že obraz z čipu CCD nebo jiného zdroje analogového či digitálního záznamu obrazu představuje mnohonásobně větší objem informací než u zvuku.
Obvody s obrácenou funkci, tedy digitálně-analogové převodníky najdeme obvykle na výstupech z počítače. Slouží pro zpětný převod již zpracovaného signálu do podoby vhodné pro analogová zařízení. Například zvuk je v počítači zaznamenán v podobě řady čísel, reproduktory či sluchátka však ke své práci potřebují spojitý napěťový signál. V digitálně analogovém převodníku (zvukové kartě) se proto čísla zase mění zpět na jim odpovídající hodnoty napětí.
Stejné to je při počítačovém zpracování videa. Analogový záznam (v případě použití analogové videokamery) nejdříve převedeme na digitální a po úpravách (střih atd.) opět pomocí digitálně-analogového převodníku  převedeme zpět na analogový videosignál, např. pro sledování v TV.
V praxi jsou funkce analogově-digitálního i digitálně-analogového převodníku obsaženy na tzv. kartách, které se do počítače přidávají, když na něm chcete zpracovávat zvuk, obraz, video, televizní či rozhlasový signál atd.
Všechny vstupní a výstupní konektory jsou pak obvykle soustředěny právě na příslušné kartě nebo na externích zařízeních s touto kartou spjatých.
 
 
 

Digital vs. analog

Rozdíl mezi analogovým a digitálním záznamem.
 
Počítače pracují s dvojkovou (binární, 1 a 0) informací, obraz a zvuk určený ke zpracování (střihu) obrazu a zvuku na počítači je nutno do této formy převést.
Digitální videokamery mají jedničky a nuly k dispozici přímo na tzv. DV výstupu. U analogových  videokamer, nebo na analogovém výstupu digitální videokamery (nebo u ostatních analogových výstupů) se musíme postarat o převod na tvar vhodný pro počítačové zpracování. To znamená na tvar čísel v dvojkové soustavě.
Rozdíl mezi analogovým (např. klasická gramofonová deska) a digitálním (CD,DVD…) záznamem informace spočívá v tom, že u digitálního záznamu se signál nezaznamenává na nosič přímo, ale nejdříve se převede na číselné hodnoty a teprve ty se uchovávají. Prakticky nic v přírodě není interpretováno digitálně a všechny tyto vstupní údaje je nutno do počítače dostat v dvojkové formě, tedy je digitalizovat. U obrazu se zaznamenávají informace o optických vlastnostech jeho jednotlivých bodů pixelů, tedy o jasu a barvě. Čím větší množství obrazových bodů jsme takto popsali a uložili na nosič, tím více se záznam blíží originálu. Objem záznamu (velikost v MB nebo jiných jednotkách) je tedy většinou významným ukazatelem jeho kvality.
Princip digitálního záznamu řeší prakticky všechny problémy svých analogových předchůdců. Především vyniká trvanlivostí a stabilitou informací. Výhoda digitálního záznamu se projeví i při
kopírování. Nepřevádějí se analogové veličiny, které ze samé své podstaty nabírají další šum a zkreslení, ale čísla. A na nich není co změnit.Obraz převedený na čísla má i další možnosti. S čísly lze dále matematicky pracovat, což při dostatečně výkonném počítači znamená fantastické úpravy obrazu. Využití je obrovské a prakticky neomezené.
Předností analogového záznamu je především jeho jednoduchost a větší dynamické přenosové pásmo (analogové zvukové záznamové systémy jsou schopny nahrát skladby s velkou dynamikou věrněji a lépe než systémy digitální).

Komprese dat při práci s video a audio soubory

Jedním z největších problémů digitální práce s obrazem je nutnost zpracovávat a uchovávat neobvykle velká množství dat.
 
Tato potíž se objevuje už u digitální fotografie, avšak mnohem markantnější je při práci s pohyblivým obrazem, tedy u digitálního videa. Není-li k dispozici dostatečná kapacita pro zpracování stávajícího objemu dat, je nutné tento objem snížit. To se děje metodou zvanou komprese.
Základní princip je prostý. V každém souboru je poměrně velký podíl informace vyjádřen způsobem, který je značně neúsporný. počítačové soubory jsou už ze své binární podstaty značně velké, například dlouhá rovná černá čára bude zaznamenána ve formě, kterou lze při troše zjednodušení přeložit asi takto: černá tečka, černá tečka, černá tečka, černá tečka--- a tak pořád dál, třeba i několik stránek.
Přitom naprosto totéž lze vyjádřit mnohem kratším zápisem: 200 x černá tečka. To samozřejmě platí v ještě větší míře pro velké jednobarevné plochy.
Uvedený příklad s přímkou je metoda bezeztrátové komprese. To znamená, že se při změně zápisu nic neztratilo a po dekomprimaci získáme původní informaci ve zcela nezměněné podobě. Někdy ovšem bezeztrátová komprese nestačí a je nutné objem dat snižovat dál- i za cenu toho, že po opětovném "rozbalení" už nebudou data kompletní(ztrátová komprese). Poměr původního a zkomprimovaného objemu dat se nazývá kompresní poměr. Čím je větší, tím větší také bývají ztráty na kvalitě. U digitálního videa to vede ke ztrátě kvality výsledného obrazu (obraz obsahuje například méně detailů, které však člověk vnímá jen okrajově), což lze za určitých okolností akceptovat. Kompresi lze provádět jak hardwarovými prostředky (speciálními čipy na kartách pro zpracování obrazu), tak softwarovými metodami využívajícími výkon vlastního centrálního procesoru počítače (CPU). Hardwarové prostředky pochopitelně systém zatěžují méně, jsou tedy rychlejší, ale většinou dražší.
Pro centrální procesor počítače je mnohem jednodušší zkomprimovaný soubor zobrazit než naopak provádět komprimaci.
Metody komprese jsou samozřejmě podstatně složitější. než náš příklad s opakováním bodů přímky. U použití náročnějších metod komprese pak systémy založené na kompresi centrálním procesorem počítače nejsou schopné kompresi provádět přímo v reálném čase (tedy tak, jak data přicházejí). Tehdy se komprese provádí metodou zvanou off-line, což znamená, že provedení komprese trvá déle než samotná doba komprimovaného záznamu.
Pro kompresi počítačových dat existuje řada matematických metod, a tedy i příslušných hardwarových čipů nebo programů (těm se někdy říká kodek). Specializovaný čip (kodek) je schopen provádět co nejrychleji požadovaný úkol (tedy kompresi a dekompresi obrazových dat), protože na rozdíl od centrálního procesoru počítače byl pro tuto činnost navržen a optimalizován.
Existuje několik obecných standardů souvisejících s metodami komprese, které se v různých oblastech práce s digitálním obrazem staly normami.