이미지와그래픽
이미지와그래픽 1. 이미지와그래픽의기본개념 2. 이미지데이터의코딩 3. 이미지의처리와압축 4. 2D/3D 그래픽스 5. 이미지와그래픽의파일포맷 6. 이미지 / 그래픽스편집소프트웨어
1. 이미지와그래픽의기본개념 기본개념 픽셀의이해 비트수와색상 해상도 레스터그래픽 / 이미지 벡터그래픽 3
기본개념 이미지 : 2 차원또는 3 차원의화면에재생및표시된시각정보를의미 스캐너, 디지털카메라와같은입력장치를이용해생성된그림 다섯가지미디어인텍스트, 이미지, 사운드, 비디오, 애니메이션중에서이미지는특히중요한위치를차지 그래픽 : Illustrator 와같은컴퓨터소프트웨어를통하여생성된그림 다양한디자인효과를얻기위해이미지의사용이필수적 이미지의특성을이해하고이를적절히활용 텍스트로는전달하기어려운내용을그림이나그래프를이용하여쉽고명확하게전달가능 멀티미디어디자인에서가장중심적인위치를차지
픽셀의이해 픽셀 (Pixel) Picture Element 의합성어 화면을구성하는가장기본단위 이미지는픽셀의집합으로표현, 비트맵 (Bitmap) 방식으로저장 색상의수 비트맵표현 각픽셀은 Red, Green, Blue 의값을적절히배합시켜색을표현 색상의수는픽셀당비트 ( 할당된비트수,Depth) 에비례 : 2 k 개색상 5
비트수와색상 비트수 표현가능한색상의수 비고 1 2 (2 1 ) 흑백 4 16 (2 4 ) 팔레트사용 ( 인덱스컬러 ) 8 256 (2 8 ) 팔레트사용 ( 인덱스컬러 ) 16 65536 (2 16 ) 하이컬러 (R:G:B = 5:5:5) 24 16,777,216 (2 24 ) 트루컬러 (R:G:B = 8:8:8) 32 16,777,216 + 8비트알파채널 트루컬러 + 알파채널 비트수에따른이미지변화 ( 출처 : Adobe Photoshop 의샘플이미지 ) 6
해상도 (Resolution) 장치해상도 (Device resolution) 단위면적당표시할수있는픽셀또는점의수 인치 (inch) 를단위길이로많이사용, 이경우해상도의단위는 dpi(dot per inch) 프린터, 스캐너 : 300~700 dpi 이상, 모니터 : 85 ~ 120 dpi 이상 이미지해상도 (Image resolution) 장치와무관한이미지자체의해상도 전체픽셀의수 ( 또는가로세로픽셀수 ) 로표현 디스플레이, 카메라, 이미지등의해상도에적용 7
래스터그래픽 / 이미지 래스터 (Raster) 그래픽 픽셀당하나의색을표현 : RGB 값에대한정보 화면을확대할때화질이떨어진다. : 계단현상 각픽셀이가질수있는컬러의종류는픽셀당비트수에달려있다. 칠하기도구 (Painting tool), 사진편집도구에서사용하는방식 이미지 래스터그래픽과마찬가지로픽셀단위 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 레스터그래픽의확대 ( 출처 : 멀티미디어배움터 2.0, p76) (a) 비트맵이미지 (b) 비트맵 8
벡터그래픽 벡터 (Vector) 그래픽 점, 선등의도형을나타낼때사용되는좌표와수식으로표현되는이미지로확대나축소시화질의변화가없다. 파일의크기가래스터그래픽방식에비해작다. 그리기도구로점 / 선 / 원 / 다각형등기하객체생성 일러스트레이션 (illustration), 3D 그래픽, 애니메이션등에적합 line 10,50, 70,80 rectangle 40,50, 70,70 circle 40,40, 20 fill (a) 벡터이미지 (b) 그림 (a) 의벡터표현 벡터그래픽의확대 레스터그래픽의확대 9 ( 출처 : 멀티미디어배움터2.0, p76)
2. 이미지데이터의코딩 이미지데이터의코딩 컬러모델 RGB 모델 CMY 모델 HSV/HSB 모델 인덱스컬러모델 10
이미지데이터코딩 벡터이미지와비트맵이미지 : 이미지의처리시간과, 저장공간의측면에서서로다른특성을가짐 벡터이미지 : 이미지를구성하는객체들에대한정보를기록 객체들이다양하고많을수록처리시간과저장공간이많이소요됨 비트맵이미지 : 이미지의픽셀에대한정보를기록 이미지의품질에따라처리시간과저장공간이정해짐 비트맵이미지의저장공간 = ( 가로의픽셀수 ) X ( 세로의픽셀수 ) X ( 픽셀깊이 )
컬러모델 (Color model) 컬러모델의종류 RGB, CMY, HSV 등 보통세가지요소를사용하여색을표현하므로 3 차원좌표시스템에각색상을하나의점으로표시 하나의컬러모델을사용하여컬러의모든성질을설명못함 여러종류의컬러모델을정의하여상황에따라사용 빛의특성 진폭 (Amplitude) : 빛의밝기 (brightness 또는 luminance) 를결정, 진폭이클수록밝아진다. 파장 (Wave length) : 빛의색상 (color) 을결정, 가시영역 = 380 ~ 760 nm = 보라색 ~ 빨간색 12
RGB(Red, Green, Blue) 모델 가산모델 (additive model) 빛의삼원색 ( 적색, 녹색, 청색 ) 이기본색이되는컬러모델 기본색세가지를더하여새로운컬러생성 더해질수록흰색 사용 : CRT 모니터등 RGB 컬러모델과기법혼색 13
CMY(Cyan, Magenta, Yellow) 모델 감산모델 (subtractive model) 빛의혼합에의해발생한 2 차색상들을기본으로하는컬러모델 Cyan, Magenta, Yellow 는 Red, Green, Blue 와보색 컬러프린터나인쇄등에사용 CMYK 모델을많이사용 : K(Kappa) - 검은색 CMY 를섞으면검은색이생성 14
HSV or HSB 모델 인간시각모델과흡사 색상 (Hue), 채도 (Saturation), 명도 (Value 또는 Brightness) 의세가지속성을이용 인간은 128(H) * 130(S) * 23(B) = 382720 color 구별 RGB 모델, CMY 모델, HSV 모델들사이에는변환이가능 15
인덱스컬러 (Indexed Color) 팔레트, 색상보기표 (CLUT : Color Look-Up Table) 이용 팔레트 ( 색상보기표 ) 에미리정의된색상을사용하여이미지표현 화면상의한점은팔레트의번호 ( 인덱스 ) 를갖고있으며, 여기에는그점이나타낼색상의 RGB 값이기억되어있음 사용할수있는색상의수가제한된시스템에서사용 보통 8 비트에서총 256 color 사용 16
인덱스컬러 (Indexed Color) 시스템팔레트와사용자정의팔레트 사용가능한색상의수제한 이미지에적합한색상의선택에따라색상표현에차이 인덱스컬러사용의예 ( 출처 : 멀티미디어배움터 2.0, 최윤철외, p82) 17
3. 이미지처리 이미지처리 이미지처리응용분야 히스토그램 이미지평활화 이미지복원 이미지분석 18
이미지처리 (Image Processing) 인간이이해하기편하게이미지정보를컴퓨터를이용하여이미지 ( 화상혹은영상 ) 를생성하고, 처리하여개선하고, 영상을해석, 인식하는영상과관련된모든분야를의미하는. 학문 복잡한계산이요구되어서컴퓨터의발달과함께새로운학문으로등장 원하는이미지를획득 이미지를평활화 (smoothing) 하여블러링 (blurring) 현상을줄인다. 뚜렷한이미지를얻기위하여선명화 (sharpening) 필터를한다 이미지에대비도를증가
이미지처리분야 영상조작 (Image Manipulation) 분야 잡음이많은영상의개선 흐려진영상의복원 인공위성영상의경우처럼기하학적인교정 영상콘트라스트의향상 예술적인변형등의작업을의미 영상분석 (Image Analysis) 분야 인쇄되거나필기된글자를식별 카메라를통하여부품의치수를측정 PCB 기판의정밀도를체크하거나 의료분야에서의세포분석 영상인식 (Scene Analysis) 분야 영상에존재하는물체의종류와물체의수량등을인식하는것 대표적인예가로봇의시각시스템과무인자동차의눈
이미지처리 (Image Processing) 이미지처리의개요 돌에새겨진문자나그림의복원도가능 이미지와이미지간에논리적인연산으로합산및감산도가능
이미지처리의응용분야 생물학분야 생물학과생의학연구실에서는생물샘플을시각적으로분석하기위해영상처리를사용 세포나어떤특성을만족하는객체들의자동적인계수와분류, DNA 의분석, 분류, 정합등에사용 군사적분야 위성사진을분석하여목표물이나적의공항, 함정, 미사일발사, 군사진지등을탐지 스마트폭탄이나미사일유도장치에사용 문서처리 문서를디지털형태로바꾸고압축하며여러가지매체에저장 수표나세금양식에인쇄되어있는글자를자동검출하고인식
이미지처리의응용분야 공장자동화 자동화된검사와프로세스감시에이용 생산공정의정밀도와안정성을향상시키면서작업자의수를줄인다. 의료진단영상시스템 의료방사선촬영을통하여사람의내부장기를볼수있는 X-Ray 나 CT 촬영은디지털영상처리를집중적으로사용 CT 는여러장의투영영상을이용하여 3 차원영상을합성한다. 리모트센싱 인공위성은일정한간격으로지구의표면을촬영 이영상은곡물의작황을분석하거나식물의분포, 자원탐사등에이용 고도자료에의해 3 차원으로지구표면을그릴수있다. 비디오 / 필름효과 영화산업계에서는특수시각효과를만드는데다양한영상처리기법을이용 대표적인기술 : 모핑 (morphing) 과영상합성
히스토그램 (Histogram) 이미지처리에서가장많이쓰임 이미지에대하여각농도의레벨마다그농도레벨을갖는픽셀의수, 또는모든픽셀수에대한비율을표시한함수 픽셀값들을막대그래프혹은직선그래프로표시 X 축은픽셀의값 ( 명암도 ) 이되고 Y 축은픽셀의수를표시 문턱치 (threshold) 값을설정하여객체를추출가능 가로는밝고어두운농도구역을의미하고세로축은분포량을의미한다. 이미지의전체적으로어두운정도를나타내는것 문턱치 (threshold) 히스토그램을구하고이미지와배경을나눌수있는가장적절한값을기준으로선택 이미지를히스토그램평준화를수행할수있다.
히스토그램 (Histogram) 히스토그램그래프의예
이미지평활화 (Image Equalization) 이미지평활화개념 이미지생성, 처리과정에서손상된부분의영향을최소화하기위한작업 이미지생성 이미지캡처나, TV 카메라및플랫배드스캐너와핸드스캐너등이장비를사용 그래픽스의기술을사용하여이미지를생성 잡음등의불필요한신호가섞인다. 이미지처리과정에서노이즈가섞이거나정보의손실로인하여실제와는많은차이가발생 이미지의평활화단계로이상적인이미지를대상으로얻을수있는결과에근접하게한다. 공간영역별방법과주파수영역적방법
이미지복원 (Image Restoration) 저하된이미지의질을대수학적인방법이나주파수영역에서의개념등을이용하여원래의영상을찾아주는것 이미지의복원의예
이미지복원 (Image Restoration) 이미지복원 (Image Restoration) 의예
이미지분석 (Image Analysis) 이미지처리과정에서얻어진객체의정보에대해서수치화된데이터를추출하는과정이나추출되어진데이터를분류하는것 객체의형태학적인특성, 색상들의특성및질감의특성들을추출 (extraction) 하기위해서는여러수학적인수식을사용 얻어진데이터를통계학적으로혹은신경망이론 (neuron networks) 이나퍼지이론 (fuzzy) 등을사용하여분류 이것의결과가이미지분할 (segmentation) 로나타나며정량적분석을하게된다. 응용분야 인공위성이미지로부터지상의주요지리정보분석 환경오염에대한이미지의정확한분석 산업체에서잘못된부품을검출 의료분야에서세포의크기혹은종양의크기를정확하게계산하여임상에서환자에대한정확한진단이나예후판단에사용
4. 2D/3D 그래픽스 레스터폰트 벡터폰트 2D 그래픽스 3D 그래픽스 30
레스터폰트 (Raster, Bitmap Font) 글자를표현하기위해픽셀들의위치를기억 비트맵 화면에빠르게디스플레이 확대시계단현상이나타남 저해상도프린터 / 디스플레이기기에사용 31
벡터폰트 (Vector Font) 선의종류 / 좌표와그에따른인수들을기억 장점 : 확대시에도깨끗한글자를유지 단점 : 계산이필요하므로디스플레이시간이더소요 현재윈도우및프린터는대부분이벡터폰트 I am VECTOR Font I am VECTOR Font I am VECTOR 32
2D 그래픽스 2 차원벡터그래픽을구성하는기본도형 (Primitive) 으로는점, 선, 원, 타원, 다각형, 곡선등 선분그리기 아무리복잡한그림이더라도기본도형의조합으로구성되고, 기본도형은일반적으로작은선분으로나누어그린다 선분생성과도형내부채우기가 2D 그래픽스의가장기본적작업 선분그리기는 XY 평면상에양끝점이주어지고두점사이의선분에해당하는픽셀을찾아내는작업 브레젠햄 (Bresenham) 알고리즘이널리사용 33
내부채우기 영역채우기 (Region Filling) 방식 윤곽선을먼저그리고난후내부영역을채우는방식 시드픽셀로부터경계를만날때까지사방으로채우기를진행 주로칠하기 (Painting) 프로그램에서널리사용 다각형채우기 (Polygon Filling) 방식 윤곽선의픽셀을구하면서동시에채우기를하는방식이 스캔라인순서대로윤곽픽셀과내부필섹을찾아가면서내부채우기 다각형도형의채우기나그리기 (Drawing) 프로그램에서주로사용 34 영역채우기방식 다각형채우기방식
앤티앨리어싱 (Antialiasing) 물체의윤곽선이사선의경우배경과의접촉면은계단형태로표시되어미관상부자연 => 앨리어스 (Aliased) 물체경계면의픽셀을물체의색상과배경의색상을혼합해서표현하여경계면이부드럽게보이도록하는기법 앤티앨리어싱을사용한경우훨씬부드럽게느껴짐 앤티엘리어싱 35
3D 그래픽스 3차원그래픽스의가장큰목적은실감효과 실세계에존재하지않는물체를입체적으로표현가능 3차원그래픽생성과정 물체의기하학적인형상을모델링 (Modeling) 3차원물체를 2차원평면에투영 (Projection) 생성된 3차원물체의색상과명암을그리기 (Rendering) 36
3D 그래픽스 (1) 모델링 (Modeling) 3 차원좌표계로모양을표현하는과정 와이어프레임 (Wireframe) 모델 다각형표면 (Polygon Surface) 모델 솔리드 (Solid) 모델 3 차원스캔에의한모델링 실제사람의얼굴이나물체를스캐닝 3 차원디지타이저, 3 차원레이저스캐너 37
(2) 투영 (Projection) 3 차원물체를 2 차원평면에투영 평행투영법과원근투영법 (3) 렌더링 (Rendering) 그림자나색채의변화와같은 3 차원적인질감을더하여현실감 (Realism) 을추가하는과정 와이어프레임이미지를명암이있는이미지로바꾸는데사용 감추어진면제거 (Hidden Surface Removal), 쉐이딩 (Shading), 그리고텍스쳐매핑 (Texture Mapping) 을포함 38
은면제거 (Hidden Surface Removal) Z 버퍼사용 각픽셀에서카메라의시점으로부터물체를볼수있는지여부를판단 물체들의깊이값을비교하여가장가장가까운물체만그린다 쉐이딩 (Shading) 물체의표면에색상과명암을표현 레이트레이싱 (Ray Tracing) 기법 텍스쳐매핑 (Texture Mapping) 색깔이나밝기와같은 2 차원적질감뿐아니라물체의투명과반사와같은 3 차원적특성도표현 39
5. 이미지와그래픽의파일포맷 파일저장방식 래스터방식의파일포맷 파일포멧의비교 벡터그래픽의파일포맷 3차원그래픽파일포맷 40
파일저장방식 이미지파일의포맷의종류.GIF 또는.JPEG,.BMP 등다양 각각의포맷이서로다른응용에적합하도록만들어짐 다른프로그램과파일을주고받을수없다는문제가발생 이미지편집프로그램은여러가지포맷의파일을읽을수있는기능을포함한다.
래스터방식의파일포맷 BMP Microsoft 에서지원, 비트맵방식에서가장기본포맷 압축하지않기때문에파일크기가큰것이단점 TIFF(Tagged Image File Format) GIF Aldus 사와 Microsoft 사가공동으로개발한이미지저장포맷 1980 년대스캐너에서사용할일반적인파일포맷으로개발 탁상출판, 팩스, 의료이미지처리및 3D 응용프로그램에서사용 Compuservetk 에서통신용이미지파일전송을위해개발 8bit 인덱스컬러를지원하는대표적압축포맷 일러스트레이션용그래픽파일의경우에는압축효과가높다 GIF89, GIF89a : 투명색 (transparent color), 애니메이션기능제공 42
래스터방식의파일포맷 PNG(Portable Network Graphics) 비손실그래픽파일포맷 GIF 의특허문제와 256 칼라제한을개선하고자공개형식으로개발 대부분의경우 PNG 는 GIF 보다압축율이더높으며 24 비트트루컬러를지원하여원본의색을다저장가능 애니메이션은지원하지않음 JPEG(Joint Photographic Experts Group) 특별히사진의압축을위해고안된파일포맷 사진의경우한픽셀의값은바로옆픽셀과큰차이가없다, 사람의눈은명암을색상보다더잘인식한다는사실을활용 손실 (Lossy) 압축 많은컬러를가지는큰이미지를다룰경우에는 JPEG 이적합 43
파일포멧의비교 파일포맷의비교 원본 BMP 파일 JPEG 이미지 GIF 이미지 416KB 19.8KB(21.0:1) 4.91KB(84.7:1) 1641KB 84.2KB (19.49:1) 168.0KB(9.77:1) 44
벡터그래픽의파일포맷 EPS (Encapsulated Postscript) 프린터에사용되는포스트스크립트 (Postscript) 언어를활용 텍스트의그래픽구조및폰트, 비트맵정보를표시 WMF (Windows Meta File) Windows에서사용하는메타파일방식, 오피스클립아트에사용 비트맵과벡터정보를함께표현하고자할경우가장적합 AI Adobe Illustrator에서사용된파일포맷 CDR Corel Draw에서사용되는파일포맷 45
3 차원그래픽파일포맷 3DS 3D Studio에서사용된파일포맷 대부분의 3차원그래픽소프트웨어에서사용 DXF Autodesk사에서자사의 AutoCAD에사용하기위해개발 CAD 소프트웨어에서널리사용 WRL VRML을위해개발된포맷 3차원객체에대한구성및그객체의위치정보 46
6. 이미지 / 그래픽스편집소프트웨어 그리기도구 칠하기도구 이미지편집도구 3차원그래픽소프트웨어 47
그리기도구 (Drawing Tool) 특징 벡터방식을기본으로함, 이동및확대 / 축소가용이 소프트웨어 Adobe 사의 Illustrator 그래픽디자이너, 일러스트레이터등전문가들이선호 Corel 사의 Corel Draw 레이어를이용한벡터일러스트기능과페이지레이아웃기능이우수 일러스트레이션, CI(Corporation Identification), 간행물표지디자인, 브로셔제작등에사용 48
칠하기도구 (Painting Tool) 특징 픽셀단위를기본으로하는래스터데이터를가짐 그리기도구의데이터에비해데이터사이즈가크다. 소프트웨어 MacPaint, SuperPaint, Painter 등 Corel Painter 실세계의회화기법을컴퓨터에서적용하기위해좋은도구 목탄, 연필, 수채, 유채물감등과같은다양한종류의칠하기도구들을제공 Corel Painter 의작업화면 49
이미지편집도구 (Image Editing Tool) 특징 스캐너나디지털카메라등입력장치를통해얻은사진이나이미지에다양한그래픽처리를하기위한소프트웨어 필터링, 해상도조정, 레이어, 화상처리등다양한기능제공 소프트웨어 Adobe Photoshop 이미지편집도구의표준이라할만큼널리사용 이미지편집에필요한대부분의기능보유 강력하고다양한필터기능제공 50
3 차원그래픽소프트웨어 특징 모델링과정과렌더링과정을포함하여하나의소프트웨어로제공 모델링 : 3 차원물체만드는과정 렌더링 : 모델에쉐이딩, 텍스쳐, 표면처리등의작업을수행 대표소프트웨어 3D Studio Max, MAYA, SoftImage 3D 등 (a) 모델링 (b) 쉐이딩 (c) 텍스쳐매핑 51
3 차원그래픽소프트웨어 3D Studio Max Autodesk 사의계열사인 Kinetix 사에서개발 뛰어난모델링과렌더링, 애니메이션기능제공 MAYA Silicon Graphics 사가 Alias Wavefront 를수정, 확장하여개발 너브모델링 (NURBS Modeling), 다각형모델링 (Polygon Modeling), 미립자시스템 (Particle System) 등기능제공 SoftImage 3D 캐나다 SoftImage 사에서개발하였고, 현재 Autodesk 사에서판매 캐릭터애니메이션분야에서독보적인위치 52