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雲端上的寶藏~
數位典藏之數位影像處理技術探討
國立新港藝術高中
蘇淵源
1
Outlines




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

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


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
2
雲端上的寶藏!?
楔子
3
雲端上的寶藏!?
?
Google art project
4
雲端上的寶藏!?
5
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
6
典藏標的物之數位化
7
典藏標的物之數位化

數位化~ 0 & 1 的世界~
8
典藏標的物之數位化

數位化~ 0 & 1 的世界~
9
典藏標的物之數位化
10
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
11
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
12
典藏標的物之數位化
數位影像資料格式 (cont.)
1
1

0

1
二階數位影像示意圖
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1 
0

1
二階數位影像資料
13
典藏標的物之數位化
數位影像資料格式 (cont.)

■■■■
■■■■
■■■■
■■■■
153
0

128

0
灰階數位影
像示意圖
灰階數位影像資料
0
0
0
255
0
128
195
0
0
0
0

0
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
14
典藏標的物之數位化
數位影像資料格式 (cont.)
■■■■
■■■■
■■■■
■■■■
0 0
153 0
 0

0
128
0


128 0 195 0


 0 255 0 0
藍原色
彩色數位影像示意圖
之二維空間域陣列
0 0
153 0
 0

0
128
0


128 0 195 0


 0 255 0 0
紅原色
之二維空間域陣列
0 0
153 0
 0

0
128
0


128 0 195 0


 0 255 0 0
綠原色
之二維空間域陣列
15
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)

16
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
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
後設資料
版權管理
資料庫管理
數位化物件
資料管理
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



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。
22
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
Sony
Fujitsu
光碟
標準規格
Arita
Benq
Philips
其他……
23
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…..
25
數位典藏之數位影像規格
26
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:
1. 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
2. 點陣式影像（bit-mapped image）：影像圖案由像素
一個個排列而成
27
常見數位影像格式整理
檔案類型
色彩表現
GIF
點陣式
256色
JPEG(JPG)
點陣式
全彩
PNG
點陣式
全彩
非破壞性 支援透明色彩但只適用於單張圖片不具動畫效果
Word、Excel、PowerPoint、FrontPage、IE
TIF(TIFF)
點陣式
全彩
非破壞性 最適宜作印刷用的圖檔格式
Word、Excel、PowerPoint、FrontPage
BMP
點陣式
全彩
非破壞性
PICT2
點陣式
全彩
UFO
PSD
點陣式
點陣式
全彩
全彩
EPS
WMF、
EMF(加強型
WMF)
AI
CDR
CMX
點陣、向量
混合式
壓縮特性
特性
微軟支援軟體
(2002版)
檔案格式
非破壞性
可指定透明色彩做影像去背，及顯示動畫
(256色內)
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
Word、Excel、PowerPoint、FrontPage、IE等支
援JPEG檔案交換格式但不支援JPEG2000格式
不能儲存印刷用的色彩模式影像，為Windows標準的影
Word、Excel、PowerPoint、FrontPage、IE
像格式
可處理印刷和繪圖兩種模式的影像資料，為麥金塔作業
非破壞性
Word、Excel、PowerPoint
系統標準的影像格式
非破壞性 PhotoImpact專用的檔案格式
無
非破壞性 Photoshop專用的檔案格式
無
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 Word、Excel、PowerPoint、FrontPage
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
向量式
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
Word、Excel、PowerPoint、FrontPage
EMF檔
Illustrator的標準向量檔
無
CorelDRAW的標準向量檔
Word、Excel、PowerPoint
向量式
Corel家族的標準向量轉換檔
向量式
●GIF圖形交換格式...目前唯一可以儲存動畫效果的存檔格式
無
28
數位影像格式與處理簡介
W=480
H=640
Lena
(Gray-level Image 8 bits/pixel)
29
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)
30
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

31
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
32
影像壓縮? ~花時間~要技術~為何?
原圖（BMP 768 KB）
JPEG 55 KB
33
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
34
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
2
255
P SNR  10 log10
dB.
MSE

For an m*m image, the mean-square error (MSE) is defined as
1 2
MSE  ( )
m

Where xij and
respectively.
m
m

i 1 j1
( x i j  xˆ ij ) 2 ,
xˆ ij denote the original and quantized gray level,
35
數位影像壓縮

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
36
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
37
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。
38
Huffman 編碼＊解碼範例
39
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。
40
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。
41
VQ 影像壓縮技術
h
w
Image
Index table
Vector Quantization Encoder
42
VQ 影像壓縮技術
h
w
Image
Index table
Vector Quantization Decoder
43
影像壓縮技術分析與比較

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
44
全彩影像的壓縮結果
45
灰階影像的壓縮結果
46
256色影像的壓縮結果
47
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。
48
JPEG的介紹(cont.)

考慮一張 640480 的全彩影像


64048038= 7372800 Bits
Modem 36Kbps


假設JPEG之壓縮率為12


7372800/36000= 204.8 (sec)= 3.41 (min)
(7372800/12)/36000= 17.1 (sec)
時間 versus 金錢
49
JPEG的介紹(cont.)

基本循序壓縮模式
50
JPEG的介紹(cont.)

漸進式壓縮模式
51
JPEG壓縮流程圖
YCbCr
色相轉換
無損
R
G
取樣
有損
B
輸出檔
量化表Table
編碼表
DCT
量化
熵編碼
無損
有損
檔頭
資料段
無損
8x8
影像區塊
52
JPEG解壓縮流程圖
JPEG檔
編碼表
量化表
熵編碼的解碼
反量化
檔頭
資料段
YCbCr
IDCT
反取樣
色相反轉換
R
8x8
影像係數區塊
G
B
53
離散餘弦轉換
空間域
頻率域
f(x,y) = O(x,y)-128






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








(x,y)
O(x,y) = f(x,y)+128
FDCT (f (x,y) | x = 0 to N ; y = 0 to N)















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







(i,j)
IDCT (D(i,j) | i = 0 to N ; j = 0 to N)
54
離散餘弦轉換公式
Forward DCT (FDCT) :
D(i, j) 
N 1 N 1
1
 (2x  1)i 
 (2y  1) j 
C(i)C( j) f ( x, y) cos
cos



2N
2N
 2N 


x 0 y 0
Inverse DCT (IDCT) :
f ( x, y) 
1 N 1 N 1
 (2x  1)i 
 (2y  1) j 
C(i)C( j)D(i, j) cos
cos



2N
2 N i  0 j 0
 2N 


C ( x) 
1
2
if x is 0, else 1
55
基頻影像
空間域













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
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











AC




DC








頻率域
(8X8) DCT 二維基頻影像
56
基頻影像頻率圖
8
DC
低頻
8
中頻
高頻
57
基頻影像邊緣分佈圖
8
DC
垂直邊緣
8
交錯邊緣
水平邊緣
高頻區
58
基頻影像能量分佈圖
8
DC
水平能量
8
交錯能量
垂直能量
高頻區
59
離散餘弦轉換的例子
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
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
60
離散餘弦轉換的例子 (cont.)
頻率域原始資料陣列:
0: 0 0 0 0 0 0
1: 0 0 0 0 0 0
2: 0 0 0 0 0 0
3: 0 0 0 0 0 0
4: 0 0 0 0 0 0
5: 0 0 0 0 0 0
6: 0 0 0 0 0 0
7: 0 0 0 0 0 0
0 200
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
IDCT轉換的結果:
0: 135 108 157
1: 135 108 157
2: 135 108 157
3: 135 108 157
4: 135 108 157
5: 135 108 157
6: 135 108 157
7: 135 108 157
163
163
163
163
163
163
163
163
93
93
93
93
93
93
93
93
99
99
99
99
99
99
99
99
148
148
148
148
148
148
148
148
121
121
121
121
121
121
121
121
所對照的影像
61
離散餘弦轉換的例子 (cont.)
頻率域原始資料陣列:
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
1: 108 108 108 108 108 108 108
2: 157 157 157 157 157 157 157
3: 93 93 93 93 93 93 93 93
4: 163 163 163 163 163 163 163
5: 99 99 99 99 99 99 99 99
6: 148 148 148 148 148 148 148
7: 121 121 121 121 121 121 121
135
108
157
163
148
121
所對照的影像
62
離散餘弦轉換的例子 (cont.)
空間域原始資料陣列 :
155 148 161 143 163
148 168 130 180 126
161 130 188 112 194
143 180 112 201 105
163 126 194 105 201
145 176 118 194 112
158 138 176 126 180
151 158 145 163 143
145
176
118
194
112
188
130
161
FDCT轉換的結果 :
0: 200 0 0 0 0
1: 0 0 0 0 0
2: 0 0 0 0 0
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0 0
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0
0
0
0
0
0
0
0
158
138
176
126
180
130
168
148
151
158
145
163
143
161
148
155
IDCT轉換的結果:
0: 155 148 161 143 163 145 158 151
1: 148 168 130 180 126 176 138 158
2: 161 130 188 112 194 118 176 145
3: 143 180 112 201 105 194 126 163
4: 163 126 194 105 201 112 180 143
5: 145 176 118 194 112 188 130 161
6: 158 138 176 126 180 130 168 148
7: 151 158 145 163 143 161 148 155
63
離散餘弦轉換的例子 (cont.)
IDCT結果1
頻率域原始陣列1
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
─────────────
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: 0 0 0 0 0 0 0 200
頻率域原始陣列2
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
-128
IDCT結果3:
+128
0: 130 123 136 118
1: 123 143 105 155
2: 136 105 163 87
3: 118 155 87 176
4: 138 101 169 80
5: 120 151 93 169
6: 133 113 151 101
7: 126 133 120 138
IDCT結果2
138
101
169
80
176
87
155
118
120 133 126
151 113 133
93 151 120
169 101 138
87 155 118
163 105 136
105 143 123
136 123 130
+
0: 155 148 161 143 163 145 158 151
1: 148 168 130 180 126 176 138 158
2: 161 130 188 112 194 118 176 145
3: 143 180 112 201 105 194 126 163
4: 163 126 194 105 201 112 180 143
5: 145 176 118 194 112 188 130 161
6: 158 138 176 126 180 130 168 148
7: 151 158 145 163 143 161 148 155
-128
64
熵編碼 (cont.)
ZIG-ZAG掃描順序

轉換 2-D 係數區塊成 1-D 係數
AC係數
DC係數
65
熵編碼 (cont.)
ZIG-ZAG Scan圖例
 30


 2


 1


 0


 0


 0


 0


 0
3
1
0
0
0
0
2
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0


0


0


0


0


0


0


0
量化後的
DCT 區塊
DCT一維
陣列
DC
AC
-1 -2 -1 0 0 -1 0 0 ... 0
-2 --1
-3 -2
30 -3
DPCM
長度變動編碼
66
數位影像處理~Tools
 Coding by yourself ~ C , C++ , others
 MATLAB
67
數位影像安全與保護~浮水印(watermark)
看得見的watermark
68
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
69
看不見的數位浮水印
數位浮水印的取出
運算
浮水印
已受保護的影像
•fragile watermark
•robust watermark
70
看不見的數位浮水印
不可視數位浮水印技術的架構圖
71
數位浮水印技術的設計理念
1. 加入浮水印之影像肉眼辨識不出來
2. 他人無法偵測影像中有浮水印
3. 演算法須公開
4. 取浮水印，不需仰賴原始影像
5. 經數位訊號處理後，浮水印仍健在
6. 演算法執行效率佳
7. 允許同時藏入多份浮水印
72
~ New topic ~
Photo<->emotion
73
數位影像處理實作 ~ photoshop
74
Q&A
THANKS
[email protected]
75