Grafische Datenverarbeitung at Hochschule Furtwangen

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Können Sie verschiedene Farbräume nennen? Was sind die Vorteile der
einzelnen?

CIE-XYZ
- Stellt alle vom Menschen wahrnehmbare Farben dar
RGB
- gut für Hardware, Bilddarstellung, -verarbeitung und -analyse
CMY(K)
- Im Druck anwendbar
HSV
- Basiert auf menschlicher Farbwahrnehmung, Farbart ist von
  Intensität entkoppelt
YUV
- Gut um Farbinformationen für
  TV darzustellen
CIELAB
- Einbeziehung des menschlichen Farbempfindens
- Vielseitig einsetzbar

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Wovon hängt die Intensität eines Bildes ab?

Von der gesamten Menge des Lichts
Winkel des Lichts
- je schräger der Winkel desto weniger Licht kommt an

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Können Sie erklären, was Metamere sind?

Zwei Lichter oder Oberflächen produzieren dieselbe Reaktion
Es sieht für den Menschen genau gleich aus
- 3 verschiedene Cones mit den man wegen unterschiedlicher
  Sensibilität verschiedene Wellenlängen wahrnehmen kann (RGB Verknüpfung)
  o Anteile der Cones bilden Wellenlänge anhand eines Vektors
  o Information geht dabei verloren -> Anteile der Cones

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Methoden der Farbaufnahme für Bilder aufzählen.

Temporäres Multiplexing
- 3-mal sequenziell scannen
- Pro: 3 Werte pro Pixel
- Con: langsam, statische Szene
3- CCD-Sensoren
- Prisma spaltet Wellenlängen auf
- Pro: 3 echte Werte pro Pixel, wenig Verlust von Photonen
- Con: Teuer, weil 3 Sensoren, braucht viel Platz
Räumliches Multiplexing
- Bayer-Mosaik
- Pros: 1 Sensor
- Con: Interpolation benötigt
Depth Multiplexing
- Vertikal aufgebauter Sensor
- Pro: 3 echte Werte pro Pixel
- Con: rauscht wegen Schichten

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Können Sie erklären, was Weißabgleich bedeutet?

Weiße Punkte dem puren Weiß annähern
Menschliches Auge passt sich an Licht an, Kamera aber nicht
Farbtemperatur des Lichts lässt Farben anders scheinen
Methoden:
- Graue Welt (Durchschnittsfarbe: grau, dann gewichten)
- Hellster Pixel (Weißabgleich auf Glanzpunkte anwenden)
- Manuell (Bild von weißem Objekt machen)

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Warum werden Bilder gamma-kodiert?

Bilder werden nicht-linear gespeichert
Sagt aus, wie stark nichtlinear die Tonabstufungen digital kodiert wurden
Man bekommt mehr Präzision in dunklen Bildbereichen (Abstände sind nicht so krass)

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Können Sie erklären, was Demosaicing/Debayering bedeutet ?

Übersetzen der Rastergrafik in das fertige Bild
Bayer Filter stellt Grün/Rot/Blau Werte dar, jeder Pixel hat nur eine Farbe
Interpolation von fehlenden Werten an jedem Pixel
2/3 der Daten sind „ausgedacht“
Algorithmen:
- Nearest Neighbor Interpolation
  - Downsampling
- Linear Interpolation
  - Durchschnitt der 4/2 nächsten Nachbarn
- Bilinear Interpolation
  - Erweiterte lineare Interpol.

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Demosaicing: Moiré Effekt, Median Filter

Moiré Effekt
- Grobes Raster entsteht, wenn feine Raster sich überlagern
- Wechselwirkung zwischen Motiv mit Struktur und dem Raster des Kamerasensors oder Druckers
Color Moire/Fringing
- Artefakte entstehen durch Interpolationsfehler bei der Farbinterpolation
- Vor allem an detailreichen und kontrastreichen Kanten
- Bei der Berechnung wird angenommen, dass benachbarte Pixel ähnliche Farbinformationen beinhalten. Ist dies nicht der Fall „verrechnet“ sich der Algorithmus und der entsprechende Pixel im Bild wird in falscher Farbe dargestellt
Median Filter
- Bildet den Mittelwert der Signalwerte eines bestimmten Fensters (Filterbreite)
- Fenster wird sukzessive durchgeschoben
- Demosaicing Vorgehensweise:
  - Interpoliert Farbkanäle
  - Konvertiert zu YUV, behält aber nur U und V
  - Median Filter wird auf U und V angewendet
  - Rekonstruiert in RGB

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Welche linearen Operationen kennen Sie? Dann erklären (s. Faltung) (Thema: Filterung)

Moving Average
- Neue Funktion definieren, indem man den Durchschnitt von einem Schiebefenster bildet?
- Smoothing: Werte summieren und durch Anzahl der Werte teilen, dann an Signalstelle speichern
Cross-Correlation
- G = H x F (G: Output-Bild, H: Kernel-Größe, F: Bild)
- Skalarprodukt von lokaler Umgebung und Kern von jedem Pixel
Box-Filter (2D)
- Ersetzt jeden Pixel mit dem Durchschnitt der Nachbarschaft
- Ergibt Smoothing Effekt, Scharfe Merkmale gehen verloren
Convolution/ Faltung
- Ist eine Kreuz-Korrelation, bei welcher ein Filter vor der Anwendung vertikal und horizontal gedreht wird
- Operation ist wie Multiplikation (kommutativ, assoziativ, distrib., etc.)
- Man kann mehrere Filter nacheinander anwenden
Gaussian Filter
- Gewichtet Pixel, welche weiter weg vom Zentrum des Fensters sind, weniger o Wird dann nicht so pixelig
- Standartabweichung  bestimmt Ausmaß des Smoothings
- Kernel-Größe (kleine Vierecke) können unendlich sein, diskrete Filter haben aber begrenzt große Kernels

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Welche nicht-lineare? (s. Median) (Thema: Filterung)

Median Filter
- Bildet den Mittelwert der Signalwerte eines bestimmten Fensters (Filterbreite)
- Fenster wird sukzessive durchgeschoben
- Entfernt Spikes
- Demosaicing Vorgehensweise:
  - Interpoliert Farbkanäle
  - Konvertiert zu YUV, behält aber nur U und V
  - Median Filter wird auf U und V angewendet
  - Rekonstruiert in RGB

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Wozu dient die Fourier-Transformation bei Bildern?

Die Effekte von Linearen Filtern können durch die Fourieranalyse quantifiziert werden
Man kann damit Filtern
Voraussetzung: Wissen, welche Frequenzen darin vorkommen
Hohe Frequenzen werden stellen Ecken, Noise, Details etc. dar
Niedrige Frequenzen: Flächen, wenige Unterschiede/Kontraste/Details
Hoch und Tiefpassfilterung
Rauschen reduziere, Details hervorheben,

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Welche geometrischen Transformationen kennen Sie?

Verschieben (Translation)
Drehung (Rotation)
Euklidisch (Rotation + Translation)
Ähnlichkeit (Similarity) (Rotation + Translation + Skalierung)
Affine Transformation
Projektive Transformation
Scheren
Spiegeln

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CIE-XYZ
- Stellt alle vom Menschen wahrnehmbare Farben dar
RGB
- gut für Hardware, Bilddarstellung, -verarbeitung und -analyse
CMY(K)
- Im Druck anwendbar
HSV
- Basiert auf menschlicher Farbwahrnehmung, Farbart ist von
  Intensität entkoppelt
YUV
- Gut um Farbinformationen für
  TV darzustellen
CIELAB
- Einbeziehung des menschlichen Farbempfindens
- Vielseitig einsetzbar

Grafische Datenverarbeitung

Wovon hängt die Intensität eines Bildes ab?

Von der gesamten Menge des Lichts
Winkel des Lichts
- je schräger der Winkel desto weniger Licht kommt an

Grafische Datenverarbeitung

Können Sie erklären, was Metamere sind?

Zwei Lichter oder Oberflächen produzieren dieselbe Reaktion
Es sieht für den Menschen genau gleich aus
- 3 verschiedene Cones mit den man wegen unterschiedlicher
  Sensibilität verschiedene Wellenlängen wahrnehmen kann (RGB Verknüpfung)
  o Anteile der Cones bilden Wellenlänge anhand eines Vektors
  o Information geht dabei verloren -> Anteile der Cones

Grafische Datenverarbeitung

Methoden der Farbaufnahme für Bilder aufzählen.

Temporäres Multiplexing
- 3-mal sequenziell scannen
- Pro: 3 Werte pro Pixel
- Con: langsam, statische Szene
3- CCD-Sensoren
- Prisma spaltet Wellenlängen auf
- Pro: 3 echte Werte pro Pixel, wenig Verlust von Photonen
- Con: Teuer, weil 3 Sensoren, braucht viel Platz
Räumliches Multiplexing
- Bayer-Mosaik
- Pros: 1 Sensor
- Con: Interpolation benötigt
Depth Multiplexing
- Vertikal aufgebauter Sensor
- Pro: 3 echte Werte pro Pixel
- Con: rauscht wegen Schichten

Grafische Datenverarbeitung

Können Sie erklären, was Weißabgleich bedeutet?

Weiße Punkte dem puren Weiß annähern
Menschliches Auge passt sich an Licht an, Kamera aber nicht
Farbtemperatur des Lichts lässt Farben anders scheinen
Methoden:
- Graue Welt (Durchschnittsfarbe: grau, dann gewichten)
- Hellster Pixel (Weißabgleich auf Glanzpunkte anwenden)
- Manuell (Bild von weißem Objekt machen)

Grafische Datenverarbeitung

Warum werden Bilder gamma-kodiert?

Bilder werden nicht-linear gespeichert
Sagt aus, wie stark nichtlinear die Tonabstufungen digital kodiert wurden
Man bekommt mehr Präzision in dunklen Bildbereichen (Abstände sind nicht so krass)

Grafische Datenverarbeitung

Können Sie erklären, was Demosaicing/Debayering bedeutet ?

Übersetzen der Rastergrafik in das fertige Bild
Bayer Filter stellt Grün/Rot/Blau Werte dar, jeder Pixel hat nur eine Farbe
Interpolation von fehlenden Werten an jedem Pixel
2/3 der Daten sind „ausgedacht“
Algorithmen:
- Nearest Neighbor Interpolation
  - Downsampling
- Linear Interpolation
  - Durchschnitt der 4/2 nächsten Nachbarn
- Bilinear Interpolation
  - Erweiterte lineare Interpol.

Grafische Datenverarbeitung

Demosaicing: Moiré Effekt, Median Filter

Moiré Effekt
- Grobes Raster entsteht, wenn feine Raster sich überlagern
- Wechselwirkung zwischen Motiv mit Struktur und dem Raster des Kamerasensors oder Druckers
Color Moire/Fringing
- Artefakte entstehen durch Interpolationsfehler bei der Farbinterpolation
- Vor allem an detailreichen und kontrastreichen Kanten
- Bei der Berechnung wird angenommen, dass benachbarte Pixel ähnliche Farbinformationen beinhalten. Ist dies nicht der Fall „verrechnet“ sich der Algorithmus und der entsprechende Pixel im Bild wird in falscher Farbe dargestellt
Median Filter
- Bildet den Mittelwert der Signalwerte eines bestimmten Fensters (Filterbreite)
- Fenster wird sukzessive durchgeschoben
- Demosaicing Vorgehensweise:
  - Interpoliert Farbkanäle
  - Konvertiert zu YUV, behält aber nur U und V
  - Median Filter wird auf U und V angewendet
  - Rekonstruiert in RGB

Grafische Datenverarbeitung

Welche linearen Operationen kennen Sie? Dann erklären (s. Faltung) (Thema: Filterung)

Moving Average
- Neue Funktion definieren, indem man den Durchschnitt von einem Schiebefenster bildet?
- Smoothing: Werte summieren und durch Anzahl der Werte teilen, dann an Signalstelle speichern
Cross-Correlation
- G = H x F (G: Output-Bild, H: Kernel-Größe, F: Bild)
- Skalarprodukt von lokaler Umgebung und Kern von jedem Pixel
Box-Filter (2D)
- Ersetzt jeden Pixel mit dem Durchschnitt der Nachbarschaft
- Ergibt Smoothing Effekt, Scharfe Merkmale gehen verloren
Convolution/ Faltung
- Ist eine Kreuz-Korrelation, bei welcher ein Filter vor der Anwendung vertikal und horizontal gedreht wird
- Operation ist wie Multiplikation (kommutativ, assoziativ, distrib., etc.)
- Man kann mehrere Filter nacheinander anwenden
Gaussian Filter
- Gewichtet Pixel, welche weiter weg vom Zentrum des Fensters sind, weniger o Wird dann nicht so pixelig
- Standartabweichung  bestimmt Ausmaß des Smoothings
- Kernel-Größe (kleine Vierecke) können unendlich sein, diskrete Filter haben aber begrenzt große Kernels

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Welche nicht-lineare? (s. Median) (Thema: Filterung)

Median Filter
- Bildet den Mittelwert der Signalwerte eines bestimmten Fensters (Filterbreite)
- Fenster wird sukzessive durchgeschoben
- Entfernt Spikes
- Demosaicing Vorgehensweise:
  - Interpoliert Farbkanäle
  - Konvertiert zu YUV, behält aber nur U und V
  - Median Filter wird auf U und V angewendet
  - Rekonstruiert in RGB

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Wozu dient die Fourier-Transformation bei Bildern?

Die Effekte von Linearen Filtern können durch die Fourieranalyse quantifiziert werden
Man kann damit Filtern
Voraussetzung: Wissen, welche Frequenzen darin vorkommen
Hohe Frequenzen werden stellen Ecken, Noise, Details etc. dar
Niedrige Frequenzen: Flächen, wenige Unterschiede/Kontraste/Details
Hoch und Tiefpassfilterung
Rauschen reduziere, Details hervorheben,

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Verschieben (Translation)
Drehung (Rotation)
Euklidisch (Rotation + Translation)
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