ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη 6 Οπτική Πληροφορία Εισαγωγή TΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ

Περίληψη Θέματα για σήμερα Επανάληψη και ολοκλήρωση Πρωτόκολλα αποθήκευσης δεδομένων Πρωτόκολλα μετάδοσης δεδομένων Οπτική Πληροφορία Απεικόνιση πληροφορίας Δημιουργία εικόνας Αναπαράσταση εικόνας

Υλικό Αναφοράς Cyganski, D., Orr, A. O., and Vaz, R. F., Information Technology Inside and Outside, Prentice Hall, 2001, σελίδες Εισαγωγή στη Ψηφιακή φωτογραφία m/articles/texniki/eisagogi-stin- psifiaki.htm

Χρησιμότητα Πρωτοκόλλων Τα πρωτόκολλα είναι αναγνωρισμένοι κανόνες οργάνωσης για την επικοινωνία πληροφορίας Παρέχουν τάξη στα συστήματα πληροφορίας και αποτελεσματική ανταλλαγή πληροφορίας, π.χ. Πρωτόκολλα οργάνωσης και αποθήκευσης πληροφορίας Πρωτόκολλα μετάδοσης πληροφορίας Με την βοήθεια των πρωτοκόλλων είναι δυνατόν να προσδιορισθεί Το μορφότυπο των δεδομένων Η ανίχνευση σφάλματος Ο συγχρονισμός των δεδομένων Που αρχίζω;

Πρωτόκολλα αριθμητικής πληροφορίας Παράδειγμα: θετικοί ακέραιοι αριθμοί με 16 bits Ποιο αριθμό παριστάνουν τα 2 bytes ; Εξαρτάται από το πρωτόκολλο που χρησιμοποιεί ο Η/Υ Με το πρωτόκολλο ‘big endian’ έχουμε = = = 384 Με το πρωτόκολλο ‘little endian’ έχουμε = = = Για αρνητικούς ακέραιους αριθμούς υπάρχουν διάφορα πρωτόκολλα Ο ποιο απλός τρόπος (αλλά δεν χρησιμοποιείται συνήθως) είναι η αναπαράσταση του πρόσημου από το πρώτο ψηφίο στα αριστερά 0 για αρνητικό 1 για θετικό

Πρωτόκολλα αποθήκευσης δεδομένων Υπάρχουν διάφορα πρωτόκολλα που καθορίζουν πως αποθηκεύονται οι πληροφορίες πως γίνεται η ανάληψη (προσπέλαση) πληροφοριών από το μέσο αποθήκευσης Το πρωτόκολλο εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του μέσου αποθήκευσης Μνήμη τυχαίας προσπέλασης (Random Access Memory = RAM) Μαγνητική ταινία (magnetic tape) Περιστρεφόμενοι δίσκοι Δισκέτα ή μαλακός δίσκος (floppy disk) Σκληρός δίσκος (hard disk) Οπτικός δίσκος (CD ROM)

Μνήμη τυχαίας προσπέλασης (Random Access Memory = RAM) Μία μνήμη στην οποία μπορούμε να γράψουμε ή να διαβάσουμε πληροφορίες επανειλημμένα Αποτελεί το κύριο τμήμα της μνήμης Η/Υ Μία γραμμική σειρά από bytes αριθμημένα από το 0 μέχρι το τελευταίο byte στην σειρά Οι αριθμοί αποτελούν τις διευθύνσεις των δεδομένων και χρησιμοποιούνται από τον Η/Υ να βρει και να πάρει τα δεδομένα Γρήγορη προσπέλαση αν η διεύθυνση είναι γνωστή Όλες οι λέξεις είναι το ίδιο προσπελάσιμες Άμεση πρόσβαση δεδομένων Οι περισσότερες RAMs είναι διατάξεις από ημιαγωγό υλικό (semiconducting material)

Μαγνητική Ταινία Μέσον αποθήκευσης δεδομένων σε μορφή κασέτας ή καρουλιού Τα δεδομένα γράφονται σε γραμμική σειρά όπως στην RAM Ακολουθιακή προσπέλαση (sequential access) Ο αναγνώστης της μαγνητικής ταινίας προσδιορίζει αν πρέπει να προχωρήσει μπροστά ή πίσω συγκρίνοντας την θέση στην οποία βρίσκεται με την επιθυμητή θέση => χρονοβόρα διαδικασία => Η άμεση πρόσβαση δεδομένων δεν είναι εφικτή Για διευκόλυνση της αναζήτησης, τα δεδομένα είναι χωρισμένα σε τμήματα που λέγονται μπλοκs δεδομένων (blocks) Κάθε μπλοκ περιέχει εκατοντάδες ή χιλιάδες bytes Κάθε μπλοκ έχει ένα διακριτό δυαδικό κώδικα Η αναζήτηση έχει δύο μέρη: αναζήτηση του επιθυμητού μπλοκ, αναζήτηση των δεδομένων

Περιστρεφόμενοι δίσκοι Μαγνητικά μέσα Δισκέτα ή μαλακός δίσκος (floppy disk) Σκληρός δίσκος (hard disk) Ο δίσκος είναι χωρισμένος σε τροχιές ή κανάλια εγγραφής (tracks). Κάθε τροχιά χωρίζετε σε τομείς (sectors) O γνωστός δίσκος των 3 ½ ιντσών με χωρητικότητα των 1.44 Μbytes έχει 80 τροχιές σε κάθε πλευρά => σύνολο 160 τροχιές. Κάθε τροχιά έχει 18 τομείς και κάθε τομέας έχει 512 bytes => 160 x 18 x 512 = bytes Η κεφαλή ανάγνωσης τοποθετείται πάνω σε μία τροχιά και καθώς ο δίσκος γυρίζει οι πληροφορίες διαβάζονται Ο δίσκος περιέχει επιπλέον πληροφορίες για την οργάνωση των δεδομένων που είναι γνωστές εκ των προτέρων κατάλογο δεδομένων με τα ονόματα και μεγέθη όλων των αρχείων πίνακα αναζήτησης αρχείων που περιέχει την ακριβή τοποθεσία των δεδομένων για κάθε αρχείο => οι δίσκοι δεν μπορούν να μεταφερθούν από σύστημα Η/Υ σε άλλο

Οπτικός δίσκος CD-ROM CD-ROM (= Μνήμη σύμπυκνου δίσκου μόνο ανάγνωσης) Ακολουθιακή προσπέλαση βασιζόμενη σε οπτική αλληλεπίδραση Τα δεδομένα σώζονται σε ένα σπιράλ από τα μέσα προς τα έξω Μοιάζει με τον μαγνητικό δίσκο αλλά η αποθήκευση και οργάνωση πληροφορίας μοιάζει με εκείνη της μαγνητικής ταινίας Χρησιμοποιεί κατάλογο δεδομένων και πίνακα αναζήτησης αρχείων Δεν είναι απαραίτητο να διαβαστούν όλα τα προηγούμενα δεδομένα Η αναζήτηση γίνεται πιο γρήγορα σε σύγκριση με την αναζήτηση σε μαγνητική ταινία

Πρωτόκολλα μετάδοσης δεδομένων Πολλές προϋπόθεσης λαμβάνονται υπόψη για την ανάπτυξη ενός τέτοιου πρωτοκόλλου Απλό Παράδειγμα για να δούμε τις βασικές αρχές: ένα μήνυμα στέλλεται από την μνήμη του Η/Υ στον εκτυπωτή ( printer) μέσω καλωδίων Το μήνυμα κωδικοποιείται σε δυαδικά ψηφία χρησιμοποιώντας τον Κώδικα ASCII και μεταδίδεται Η αποκωδικοποίηση του μηνύματος από τον δέκτη είναι εύκολη αν: όλα τα στοιχεία φθάσουν στον δέκτη σωστά ο δέκτης γνωρίζει την αρχή της στοιχειοσειράς ο δέκτης γνωρίζει ότι τα ψηφία παριστάνουν κώδικα ASCII Μήνυμα: “You”

Πρωτόκολλα μετάδοσης δεδομένων Έλεγχος ζεύξης δεδομένων υψηλής στάθμης (HDLC – High Level Data Link Control) Πρωτόκολλο προσανατολισμένο στα δυαδικά ψηφία (bit oriented protocol) Διεθνές πρότυπο καθορισμένο από το ISO (International Standards Organization) Τα δεδομένα χωρίζονται σε Frames Frame = πλαίσιο: μια ομάδα διαδοχικών δυαδικών ψηφίων τα οποία μεταδίδονται σαν ένα σύνολο Για την αναγνώριση της αρχής του Frame από τον δέκτη, χρησιμοποιείται μοναδικός κωδικός που σημαίνει «αρχή μηνύματος» (start-of-message or frame) Byte δείκτης (Flag byte) = Ο δέκτης εξετάζει κάθε ψηφίο και μόλις αναγνωρίσει τον δείκτη ξέρει ότι αρχίζει το Frame Ποια είναι τα προβλήματα με αυτή την μέθοδο;

Πρωτόκολλο HDLC Προβλήματα 1.αν ο κωδικός του Byte δείκτη εμφανιστεί σε ένα άλλο μέρος του μηνύματος 2.αν τα τύχει σφάλμα στην μετάδοση ψηφίων Λύσεις 1.Χρησιμοποιείται η μέθοδος του ψηφίου παραγεμίσματος (bit stuffing) αν πέντε συνεχόμενα ψηφία είναι ‘1’ τότε προστίθεται ένα ψηφίο ‘0’ => έτσι ποτέ δεν υπάρχουν έξι συνεχόμενα ψηφία ‘1’ όπως στο flag byte Ο δέκτης γνωρίζοντας το πρωτόκολλο αφαιρεί το ‘0’ που ακολουθεί πέντε ψηφία ‘1’ 2.Για την αναγνώριση και διόρθωση σφαλμάτων χρησιμοποιούνται άλλα πρωτόκολλα που προσθέτουν επιπλέον ψηφία πλεονασμός ψηφίων (bit redundancy)

είδωλο Απεικόνιση πληροφορίας Επιθυμία απεικόνισης ανθρώπων, τοπίων, γεγονότων οδήγησε στην εφεύρεση της φωτογραφικής μηχανής (1839) Μεγάλη εξέλιξη της τεχνολογίας Πρώτες μηχανές: μεγάλες, ακριβές με δύσκολη χρήση Μέγεθος μικραίνει, αυτοματοποίηση χρήσης Από αναλογικές φωτογραφικές μηχανές σε ψηφιακές Η βασική αρχή φωτογραφικής απεικόνισης δεν έχει αλλάξει αντικείμεν ο

Απεικόνιση πληροφορίας Λειτουργία συστήματος απεικόνισης βασιζόμενο σε προβολή τοπίου ή αντικειμένου από ένα φακό πάνω στο επίπεδο απεικόνισης Το είδωλο ή η εικόνα είναι η προβολή (projection) ενός αντικειμένου από τρις διαστάσεις σε δύο Μήκος εστιάσεως (focal length) – καθορίζει την μεγέθυνση του φακού Η φωτογραφική απεικόνιση χρησιμοποιεί ορατό φως είδωλο

Άλλοι τρόποι απεικόνισης Για την δημιουργία εικόνας μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφοροι τύποι ενέργειας (εκτός από το ορατό φως) σε διαφόρων ειδών συστήματα Ακτινογραφία (ακτίνες Χ) Αξονική Τομογραφία (ακτίνες Χ) Μαγνητική Τομογραφία (ραδιοκύματα από πυρήνες ατόμων υπό την επίδραση μαγνητικών πεδίων) Υπέρηχοι (ηχητικά κύματα) Ραντάρ (ραδιοκύματα) Radar – Radio Detection and Ranging Ολογραφία (ακτίνες λέιζερ) - μοναδικό σύστημα δημιουργεί εικόνα με τρισδιάστατο χαρακτήρα

Σύστημα ραντάρ 1935 – εφευρέτης Sir Robert A. Waston-Watt Η αντένα περιστρέφεται και εκπέμπει ραδιοκύματα σε συγκεκριμένες γωνιές Όταν η δέσμη ακτινοβολίας κτυπήσει ένα αντικείμενο, τα ραδιοκύματα επιστρέφουν και κτυπούν πάνω στο ραντάρ το οποίο καταγράφει στην εικόνα την γωνιά και την απόσταση από την αντένα Η αντένα είναι στο κέντρο της εικόνας

Σύστημα ραντάρ Η ακτινοβολία ραδιοκυμάτων παρέχεται από το σύστημα και όχι από το περιβάλλον Η εικόνα είναι σε πολικές συντεταγμένες και όχι σε ορθογώνιες Το οπτικό σύστημα βρίσκεται στο επίπεδο απεικόνισης και όχι σε κάποια απόσταση όπως στην περίπτωση απεικόνισης με προβολή τοπίου από ένα φακό => εύκολη απεικόνιση πληροφορίας μεγάλων περιοχών

Σύστημα ολογραφίας εφευρέτης Dennis Gabor Φωτισμός με λέιζερ ακτίνες Πολύπλοκο σύστημα Το ολόγραμμα είναι τρισδιάστατο

Ψηφιακές εικόνες Δημιουργία ψηφιακών εικόνων Χρήση ψηφιακής κάμερας Χρήση scanner για την σάρωση αναλογικών εικόνων (π.χ. φωτογραφιών) Χαρακτηριστικά Στοιχεία εικόνας (picture elements pixels) Αναπαράσταση μιας εικόνας μέσω ενός ορθογωνίου πλέγματος (grid) από pixels Ανάλυση εικόνας (picture resolution) Πλέγμα με 13 x 13 στοιχεία

Ανάλυση εικόνας (picture resolution) Αναφέρεται στην τοποθέτηση των pixel και μετριέται σε pixels ανά ίντσες - pixels per inch (ppi). Για printers και scanners μετριέται σε τελείες ανά ίντσα - dots per inch (dpi). Εάν μια εικόνα έχει ανάλυση 72 ppi, τότε σε μια τετραγωνική ίντσα μπορεί να εμφανίσει 72  72 = 5184 pixels Όσο μεγαλύτερη είναι η ανάλυση μιας εικόνας τόσο περισσότερη πληροφορία (pixels) περιλαμβάνει

Ψηφιακή φωτογραφική Χρησιμοποιούν αισθητήρες διάταξης. Ανάλογα με την ποιότητα (τόνο, απόχρωση, ένταση) του φωτός που προσπίπτει σε κάθε ένα εικονοστοιχείο του αισθητήρα παράγεται ένα byte πληροφορίας => 256 διαφορετικές ποιότητες για κάθε πληροφορία του εικονοστοιχείου.

Ο Σαρωτής Ο scanner επιτρέπει στον υπολογιστή να μετατρέπει μια εικόνα σε ψηφιακή μορφή έτσι ώστε να μπορεί να προβάλλει ή να χρησιμοποιεί την εικόνα. Κύριο χαρακτηριστικό είναι η ανάλυσή του η οποία ορίζει πόσο ευκρινώς και λεπτομερώς μπορεί να διαβάσει ο scanner. Όσο ψηλότερη είναι η ανάλυση τόσο περισσότερη μνήμη χρειάζεται για να σαρωθεί ένα αντικείμενο και τόσο μεγαλύτερο αρχείο παράγεται.

Παράδειγμα ψηφιακής εικόνας Η εικόνα των λουλουδιών αποτελείται από πολύ μικρά στοιχεία Τα στοιχεία είναι αντιληπτά όταν μεγεθύνουμε μια περιοχή αρκετά

Αναπαράσταση εικόνας Γενικά Διτονικές εικόνες (bitonal) Εικόνες συνεχούς τόνου (continuous tone images) Κλίμακες γκρίζου (gray scale) έγχρωμες (color) Βασικές αποφάσεις Αριθμός στοιχείων εικόνας Δυνατές τιμές ( intensity values ) για κάθε στοιχείο εικόνας Άλλες αποφάσεις Μέγεθος, Απόχρωση, κλπ.

Αναπαράσταση μίας εικόνας 256 x 256 = pixels 16 x 16 = 256 pixels 128 x 128 = pixels 64 x 64 = pixels

Αναπαράσταση εικόνας Απόδοση χρωμάτων (color encoding) Συσχέτιση κάθε στοιχείου εικόνας με ένα χρώμα μέσω ενός αριθμού από bits Ασπρόμαυρη εικόνα Εικόνα σε επίπεδα του γκρίζου (gray level quantization) Έγχρωμη εικόνα 3 bits  8 επίπεδα γκρίζου1 bit  ασπρόμαυρη6 bits  64 επίπεδα γκρίζου

Προσθετική Παραγωγή Χρώματος Διάγραμμα που δείχνει όλες τις αποχρώσεις χρωμάτων στο ορατό φάσμα (full range of hue) και τιμή κορεσμού (saturation values). 0% κορεσμός στο κάτω μέρος και 100% κορεσμός στο πάνω μέρος Ένα μεγάλο μέρος του ορατού φάσματος μπορεί να φτιαχτεί από τη μίξη τριών βασικών συνιστωσών φώτων σε διαφορετικές αναλογίες και εντάσεις. Οι τρεις αυτές συνιστώσες είναι τα βασικά χρώματα: Κόκκινο, Πράσινο και Μπλε (Red, Green, Blue) Είναι προσθετικά χρώματα: η μίξη και των τριών χρωμάτων δημιουργεί το λευκό χρώμα

Απόδοση χρωμάτων 24 bit color (8 bits για το καθένα, κόκκινο, πράσινο και μπλε.) 16 bit color 8 bit color 4 bit color

Στην συνέχεια … Αναπαράσταση Οπτικής πληροφορίας: Από εικόνες σε βίντεο κωδικοποίηση εικόνας και βίντεο Συμπίεση δεδομένων εικόνας