數位典藏之數位影像處理技術探討 雲端上的寶藏~ 國立新港藝術高中 蘇淵源

Outlines 雲端上的寶藏!? 數位典藏簡介 典藏標的物之數位化 數位典藏之工作流程 數位典藏之成果範例及體驗 雲端工作術 數位影像格式與處理簡介 JPEG之介紹 DCT之介紹 數位影像處理與保護~浮水印 Photo<->emotion 數位影像處理實作

雲端上的寶藏!? 楔子

雲端上的寶藏!? ? Google art project

雲端上的寶藏!?

典藏 保存（博物館…17世紀）~Ashmolean Museum 數位典藏簡介 「數位典藏」是啥？ ~ 1 2 「數位典藏」=數位化+典藏保存之 數位 數位化（資訊科技…） 典藏 保存（博物館…17世紀）~Ashmolean Museum 簡單定義：指將有保存價值之實體或非實體資料，透過數位化科技技術予以保存及應用。 優點：讓既有的知識經過數位化的程序而得以大量匯集且長久保存；而配合網際網路的普及，更可以 將匯集的知識大量即時地傳遞給在世界各地的人們，達到知識共享的目的。3

典藏標的物之數位化

典藏標的物之數位化 數位化~ 0 & 1 的世界~

典藏標的物之數位化 數位化~ 0 & 1 的世界~

典藏標的物之數位化

典藏標的物之數位化 數位影像資料格式 數位影像 數位影像和像素概念圖

典藏標的物之數位化 數位影像資料格式 (cont.) 黑白數位影像 灰階數位影像 彩色數位影像

典藏標的物之數位化 數位影像資料格式 (cont.) 二階數位影像示意圖 二階數位影像資料

典藏標的物之數位化 數位影像資料格式 (cont.) ■■■■ 灰階數位影像示意圖 灰階數位影像資料 Grayscale （灰階影像）: 用256（8 bits）個色階來表示該像素介於黑色(灰階等於0)與白色（灰階等於255）之間的程度

典藏標的物之數位化 數位影像資料格式 (cont.) ■■■■ 彩色數位影像示意圖 藍原色 之二維空間域陣列 紅原色 之二維空間域陣列 綠原色 之二維空間域陣列 彩色數位影像示意圖

典藏標的物之數位化 數位典藏數位化工作流程 _ view https://www.youtube.com/watch?v=ynpbZlyXuys 國立歷史博物館－國家文物數位典藏計畫 「器物數位化工作流程」（92-94年度） 國寶E化故宮新貌_ view (對焦國寶00)

數位典藏工作流程架構 數位典藏工作流程架構圖（資料來源：數位典藏與數位學習國家型科技計劃網站）

數位典藏工作流程架構說明 （1）採集：依據不同典藏品的類別，以有系統且有計畫的累積蒐集文物及展示 （1）採集：依據不同典藏品的類別，以有系統且有計畫的累積蒐集文物及展示　　　 　　　　　 教育活動過程中，所產出的照片、錄音帶、錄影帶、幻燈片及文件　 　　　　　 手稿等媒體紀錄，作為數位化之素材。 （2）後製：在於運用資訊技術，將所蒐集之媒體資料轉換為可以儲存、處理及　 　　　　　 編輯之型式，並對每件數位化典藏資源加以組織及分類，進行典藏 　　　　　 品本身之資料描述紀錄，以作為典藏品本身及各種媒體資料知識化 　　　　 　之註解說明，及使用者查詢時之索引工具。 （3）典藏：藉由進行整體性的典藏環境規劃，以建構合適資訊系統，並透過系統運作達到 數位資料的保存及管理功能。 （4）應用加值：應用資訊技術，將數位化之素材結合專業人員之描述註解，配合各種應用及各類使用 者之需求，加以編輯組合成各類網路服務或資訊產品。 （5）傳播：將提供之資訊服務及產品，利用網際網路或電子媒體(E-media) 　　 傳達給使用者，傳送過程考量使用者之需求及使用者端設備之差異，調適相容性。 （6）使用與呈現：設計多種資訊存取方法，包括瀏覽及查詢，以提供使用 者快速取得所需之資訊。

數位典藏技術架構 使用者 應用系統 加值應用 資訊檢索技術 核心元件 圖像管理 影音管理 版權管理 後設資料 資料庫管理 資料管理 數位化物件 典藏品

數位典藏相關技術簡介 後設資料規劃(Metadata) 典藏系統建置(資料庫) 多媒體處理技術 虛擬實境、圖像管理、影音處理、語音檢索 數位版權管理(DRM) 浮水印、權限管理、加密技術 語言處理技術 漢字構形資料庫/缺字處理、中文斷詞處理、跨語言檢索 時空資訊處理 GIS、地理座標分析

Metadata ~ 1 2 3 指在數位化過程中，利用結構化方式整理，及呈現典藏內涵的資料。 何謂Metadata？是一種資料嗎？什麼是Meta，究竟是什麼意思？對於各式電子資源或數位資訊有何用處？ 一般泛稱為「資料的資料」（Data about Data），此一定義係源自一九九五年三月，由線上電腦圖書中心（Online Computer Library Center，簡稱OCLC）、美國國家超級電腦應用中心（National Center for Supercomputing Applications，簡稱NCSA）兩單位共同主辦名為「Metadata Workshop」的研討會中，該會廣邀圖書館學、電腦科學、文獻編碼，以及相關領域學者專家等參加，並於會中，首先提出「資料的資料」作為Metadata 的定義。 Metadata 有九種常用的名稱：「Schema、Schemas、Schemata、Format、Formats、Element sets、Standards、Systems、Catalogues」(Polydoratou & Nicholas, 2001)。除此之外，也有人使用「Vocabulary」(Baker, et al., n.d)或「Vocabularies」（如英國CORES Schema Registry）一詞。 在華文區域：詮釋資料、超資料、元資料、元數據、後設資料。 在中國大陸則是統一使用「元數據」一詞。 指在數位化過程中，利用結構化方式整理，及呈現典藏內涵的資料。 Metadata主要功能就在於將一群龐雜的資料予以結構化的替代資訊（Surrogate），並建立資料間的相互關係，以利檢索與再利用。

Metadata也需要標準嗎？ 網際網路及數位資源的蓬勃發展，帶動對數位資訊組織管理的需求，為滿足不同資源類型與使用者團體的需要，各種具有擴充與描述功能的metadata scheme因應而生。 目前已應用的領域包括資源查尋、定位、館藏組織與管理、行政、版權管理、技術性重製與保存等等…。 為使各項經描述及組織的metadata scheme可相互運用，因此需製定可互通的標準格式。

為什麼需要製定標準？ 有了標準…各家廠商的產品可相互通用 光碟 標準規格 Fujitsu Sony Philips 其他…… Arita Benq 光碟 標準規格

數位典藏之成果範例及體驗 1 2 3 1 2 3

雲端工作術~ google 100 個工作方法 以圖找圖 Art project Google reader Other…..

數位典藏之數位影像規格

數位影像格式與處理簡介 數位影像依其處理和儲存方式可分為兩大類: 向量影像（vector-based image）：影像圖案由一個個物件所組成，每個物件可由一數學式表達 點陣式影像（bit-mapped image）：影像圖案由像素一個個排列而成

常見數位影像格式整理 檔案格式 檔案類型 色彩表現 壓縮特性 特性 微軟支援軟體 (2002版) GIF 點陣式 256色 非破壞性 (256色內) 可指定透明色彩做影像去背，及顯示動畫 Word、Excel、PowerPoint、FrontPage、IE JPEG(JPG) 全彩 破壞性 有檔案體積小的優點，但影像會有一定程度的失真 Word、Excel、PowerPoint、FrontPage、IE等支援JPEG檔案交換格式但不支援JPEG2000格式 PNG 支援透明色彩但只適用於單張圖片不具動畫效果 TIF(TIFF) 最適宜作印刷用的圖檔格式 Word、Excel、PowerPoint、FrontPage BMP 不能儲存印刷用的色彩模式影像，為Windows標準的影像格式 PICT2 可處理印刷和繪圖兩種模式的影像資料，為麥金塔作業系統標準的影像格式 Word、Excel、PowerPoint UFO PhotoImpact專用的檔案格式 無 PSD Photoshop專用的檔案格式 EPS 點陣、向量混合式   印刷場或輸出中心的標準印刷輸出用檔案格式，還有一個好處是具有可去背景的不規則形狀點陣圖特性，可置於向量式繪圖或組頁排版程式中(如PageMaker)，可惜的是在PhotoDraw 2000中只能輸入此種格式而無法以這種格式輸出或另存新檔 WMF、EMF(加強型WMF) 向量式 WMF為Windows中最被廣泛運的基本向量格式；向量式繪圖軟體多半能將自己的檔案格式轉換為WMF或EMF檔 AI Illustrator的標準向量檔 CDR CorelDRAW的標準向量檔 CMX Corel家族的標準向量轉換檔 ●GIF圖形交換格式...目前唯一可以儲存動畫效果的存檔格式

(Gray-level Image 8 bits/pixel) 數位影像格式與處理簡介 W=480 H=640 Lena (Gray-level Image 8 bits/pixel)

數位影像格式與處理簡介 影像大小(image size)： Lena: H×W=640 ×480=307200 Pixels 檔案大小： Lena: 640 ×480 ×8=2457600 bits =300 KB 解析度(resolution) dpi (dots per inch or pixels per inch) 　每一英吋長度內有幾個像素點　 Ex. 一1024 × 768的影像，解析度為300 dpi，表示影像輸出後的實際大小為8.7cm × 6.5cm (一英吋＝2.54公分)

影像模式 RGB (Red, Green, Blue) RGB 指的是光的顏色而非染料顏色 常用於監視器、彩色投影機等具發光的設備 數位影像格式與處理簡介 影像模式 RGB (Red, Green, Blue) RGB 指的是光的顏色而非染料顏色 常用於監視器、彩色投影機等具發光的設備 CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Black) CMYK指的是顏料色 　常用於彩色噴墨印表機　　　

數位影像格式與處理簡介 常見的影像處理有： 影像放大縮小 旋轉 位移 模糊化 清晰化 亮度調整 影像壓縮

影像壓縮? ~花時間~要技術~為何? 原圖（BMP 768 KB） JPEG 55 KB

數位影像壓縮 影像壓縮可分為兩類 1. 無失真壓縮 壓縮前的原始影像與壓縮後還原的結果絲毫不差。Ex. GIF, TIFF, PCX,TGA 2. 失真壓縮 壓縮前的原始影像與壓縮後還原的結果十分相像。Ex. VQ, JPEG

影像品質鑑定 The quality of the encoded image is evaluated by the peak signal-to noise ration PSNR, which is defined as For an m*m image, the mean-square error (MSE) is defined as Where xij and denote the original and quantized gray level, respectively.

數位影像壓縮 ？？？ ？？？ 一般實際操作的作法 資料壓縮（data compression）意謂著可以較少的位元數來傳送或儲存資料。這些方法可分成兩大類：不失真的和會失真的方法 ？？？ ？？？ 一般實際操作的作法

無失真的影像壓縮格式 PCX 影像壓縮技術 以變動長度編碼法（Run Length Encoding）為其核心技術 優點：演算法簡單、易懂，並容易實做 缺點：壓縮率會隨著影像複雜度的不同而有所變動。遇到重複性低的影像資料，PCX處理過的影像體積經常不增反減。 變動長度編碼（run-length encoding）可能是最簡單的資料壓縮方法。它能夠用來壓縮由任何符號所組合而成的資料。這個方法是利用一個符號加上一個數字來取代連續出現的相同符號。例如，AAAAAAAA 就以 A08 來取代 變動長度編碼範例 僅有兩種符號的變動長度編碼範例

無失真的影像壓縮格式 TIFF 影像壓縮技術 1. 提供多種壓縮策略 提供藍波-立夫-衛曲編碼法（Lempel-Ziv-Welch）、霍夫曼編碼法（Huffman Coding）及變動長度編碼法（Run Length Encoding） 2.具有豐富的色彩支援 可支援單色、灰階及全彩的影像格式 3.廣泛的應用於多種工作平台上 可用於MS Windows、 DOS、 UNIX和 OS/2等。 Huffman 編碼（Huffman coding）是利用較短的代碼來表示出現頻率較高的符號，而用較長的代碼來替代出現頻率較低的符號。在將位元樣式設定給不同的字元前，要根據字元出現的頻率來設定每一個字元的權重。

Huffman 編碼＊解碼範例

無失真的影像壓縮格式 GIF 影像壓縮技術 採用藍波-立夫-衛曲編碼法（Lempel-Ziv-Welch） 優點：可有效節省壓縮空間，提高壓縮比例 缺點：程式開發較為費時，色彩支援僅256色，不能滿足現今需求。

有失真的影像壓縮格式 JPEG 影像壓縮技術 由國際標準組織（International Organization for Standardization，簡稱ISO）及國際電話電報諮詢委員會（International Telegraph and Telephone Consultative Committee，簡稱CCITT）共同擬定。 利用離散餘弦轉換法（Discrete Cosine Transform）將資料中較不重要的部分去除，僅保留重要的資訊。

VQ 影像壓縮技術 w h Image Index table Vector Quantization Encoder

VQ 影像壓縮技術 w h Image Index table Vector Quantization Decoder

影像壓縮技術分析與比較 原圖（BMP 768 KB） JPEG 55 KB JPEG (Joint Photographic Coding Expert Group)：     主要是用於靜態影像壓縮方面。JPEC 採用可失真(Lossy) 編碼法的概念，利用數位餘弦轉換法(Discrete Cosine Transform，簡稱DCT) 將影像資料中較不重要的部份去除，僅保留重要的資訊，以達到高壓縮率的目的。雖然被JPEC 處理後的影像會有失真的現象，但由於JPEG 的失真比例可以利用參數來加以控制；一般而言，當壓縮率在5% ～15% 之間時，JPEC 依然能保証其適當的影像品質，這是一般無失真壓縮法所作不到的。     原圖（BMP 768 KB） JPEG 55 KB

全彩影像的壓縮結果

灰階影像的壓縮結果

256色影像的壓縮結果

JPEG的介紹 歷史 JPEG (Joint Photographic Experts Group) ISO與CCITT (1986) 首次發表稱為ISO/IEC 10918-1 (1991) 國際標準 (1992 – ) 利用離散餘弦轉換法（Discrete Cosine Transform）將資料中較不重要的部分去除，僅保留重要的資訊。

JPEG的介紹(cont.) 考慮一張 640480 的全彩影像 時間 versus 金錢 64048038= 7372800 Bits Modem 36Kbps 7372800/36000= 204.8 (sec)= 3.41 (min) 假設JPEG之壓縮率為12 (7372800/12)/36000= 17.1 (sec) 時間 versus 金錢

JPEG的介紹(cont.) 基本循序壓縮模式

JPEG的介紹(cont.) 漸進式壓縮模式

JPEG壓縮流程圖

JPEG解壓縮流程圖

離散餘弦轉換 空間域 頻率域 FDCT (f (x,y) | x = 0 to N ; y = 0 to N) f(x,y) = O(x,y)-128 FDCT (f (x,y) | x = 0 to N ; y = 0 to N)                 (x,y) (i,j) O(x,y) = f(x,y)+128 IDCT (D(i,j) | i = 0 to N ; j = 0 to N)

離散餘弦轉換公式 Forward DCT (FDCT) : Inverse DCT (IDCT) : if x is 0, else 1

基頻影像 空間域         DC         AC 頻率域 (8X8) DCT 二維基頻影像

基頻影像頻率圖

基頻影像邊緣分佈圖

基頻影像能量分佈圖

離散餘弦轉換的例子 所對照的影像 頻率域原始資料陣列: 0: 200 0 0 0 0 0 0 0 1: 0 0 0 0 0 0 0 0 0: 200 0 0 0 0 0 0 0 1: 0 0 0 0 0 0 0 0 2: 0 0 0 0 0 0 0 0 3: 0 0 0 0 0 0 0 0 4: 0 0 0 0 0 0 0 0 5: 0 0 0 0 0 0 0 0 6: 0 0 0 0 0 0 0 0 7: 0 0 0 0 0 0 0 0 IDCT轉換後的結果: 0: 153 153 153 153 153 153 153 153 1: 153 153 153 153 153 153 153 153 2: 153 153 153 153 153 153 153 153 3: 153 153 153 153 153 153 153 153 4: 153 153 153 153 153 153 153 153 5: 153 153 153 153 153 153 153 153 6: 153 153 153 153 153 153 153 153 7: 153 153 153 153 153 153 153 153 所對照的影像

離散餘弦轉換的例子 (cont.) 所對照的影像 頻率域原始資料陣列: 0: 0 0 0 0 0 0 0 200 0: 0 0 0 0 0 0 0 200 1: 0 0 0 0 0 0 0 0 2: 0 0 0 0 0 0 0 0 3: 0 0 0 0 0 0 0 0 4: 0 0 0 0 0 0 0 0 5: 0 0 0 0 0 0 0 0 6: 0 0 0 0 0 0 0 0 7: 0 0 0 0 0 0 0 0 IDCT轉換的結果: 0: 135 108 157 93 163 99 148 121 1: 135 108 157 93 163 99 148 121 2: 135 108 157 93 163 99 148 121 3: 135 108 157 93 163 99 148 121 4: 135 108 157 93 163 99 148 121 5: 135 108 157 93 163 99 148 121 6: 135 108 157 93 163 99 148 121 7: 135 108 157 93 163 99 148 121 所對照的影像

離散餘弦轉換的例子 (cont.) 所對照的影像 頻率域原始資料陣列: 0: 0 0 0 0 0 0 0 0 0: 0 0 0 0 0 0 0 0 1: 0 0 0 0 0 0 0 0 2: 0 0 0 0 0 0 0 0 3: 0 0 0 0 0 0 0 0 4: 0 0 0 0 0 0 0 0 5: 0 0 0 0 0 0 0 0 6: 0 0 0 0 0 0 0 0 7: 200 0 0 0 0 0 0 0 IDCT轉換的結果: 0: 135 135 135 135 135 135 135 135 1: 108 108 108 108 108 108 108 108 2: 157 157 157 157 157 157 157 157 3: 93 93 93 93 93 93 93 93 4: 163 163 163 163 163 163 163 163 5: 99 99 99 99 99 99 99 99 6: 148 148 148 148 148 148 148 148 7: 121 121 121 121 121 121 121 121 所對照的影像

離散餘弦轉換的例子 (cont.)

離散餘弦轉換的例子 (cont.)

熵編碼 (cont.) ZIG-ZAG掃描順序 轉換 2-D 係數區塊成 1-D 係數

熵編碼 (cont.) ZIG-ZAG Scan圖例

數位影像處理~Tools Coding by yourself ~ C , C++ , others MATLAB

數位影像安全與保護~浮水印(watermark)

看不見的watermark 數位浮水印的藏入 ＋ 所要藏入的浮水印 原始影像 已受保護的影像

看不見的數位浮水印 數位浮水印的取出 運算 浮水印 fragile watermark robust watermark 已受保護的影像

看不見的數位浮水印 不可視數位浮水印技術的架構圖

數位浮水印技術的設計理念 加入浮水印之影像肉眼辨識不出來 他人無法偵測影像中有浮水印 演算法須公開 取浮水印，不需仰賴原始影像 經數位訊號處理後，浮水印仍健在 演算法執行效率佳 允許同時藏入多份浮水印

Photo<->emotion ~ New topic ~ Photo<->emotion

數位影像處理實作 ~ photoshop

Q & A THANKS steven.sgash@gmail.com