Двоичное изображение — это изображение, состоящее из пикселей, которые могут иметь один из двух цветов, обычно черный и белый. Двоичные изображения также называются двухуровневыми или двухуровневыми , пиксельное искусство, состоящее из двух цветов, часто называют 1-битным или 1-битным . [2] Это означает, что каждый пиксель хранится как один бит, т. е. 0 или 1. Названия черно-белый , B&W , монохромный или монохроматический часто используются для этой концепции, но могут также обозначать любые изображения, которые имеют только один образец на пиксель, например, изображения в оттенках серого . На языке Photoshop бинарное изображение — это то же самое, что и изображение в режиме «Bitmap». [3] [4]
Двоичные изображения часто возникают в цифровой обработке изображений в качестве масок или пороговых значений и сглаживания . Некоторые устройства ввода-вывода, такие как лазерные принтеры , факсимильные аппараты и двухуровневые компьютерные дисплеи , могут обрабатывать только двухуровневые изображения.
Двоичное изображение может храниться в памяти как bitmap , упакованный массив битов. Изображение размером 640×480 требует 37,5 КБ памяти. Из-за небольшого размера файлов изображений факсимильные аппараты и решения для управления документами обычно используют этот формат. Большинство двоичных изображений также хорошо сжимаются с помощью простых схем сжатия длины серии .
Бинарные изображения можно интерпретировать как подмножества двумерной целочисленной решетки Z2 ; область морфологической обработки изображений во многом была вдохновлена этой точкой зрения.
Целый класс операций над бинарными изображениями работает с окном 3×3 изображения. Оно содержит девять пикселей, то есть 2 9 или 512 возможных значений. Рассматривая только центральный пиксель, можно определить, остается ли он установленным или нет, на основе окружающих пикселей. Примерами таких операций являются прореживание, расширение, поиск точек ветвления и конечных точек, удаление изолированных пикселей, сдвиг изображения на пиксель в любом направлении и разрыв H-связей. Игра «Жизнь» Конвея также является примером операции с окном 3×3.
Другой класс операций основан на понятии фильтрации с помощью структурирующего элемента. Структурирующий элемент — это бинарное изображение, обычно небольшое, которое передается через целевое изображение аналогично фильтру при обработке изображений в оттенках серого. Поскольку пиксели могут иметь только два значения, морфологическими операциями являются эрозия (любые неустановленные пиксели внутри структурирующего элемента приводят к тому, что пиксель становится неустановленным) и расширение (любые установленные пиксели внутри структурирующего элемента приводят к тому, что пиксель устанавливается). Важными операциями являются морфологическое открытие и морфологическое закрытие, которые состоят из эрозии, за которой следует расширение, и расширения, за которым следует эрозия, соответственно, с использованием одного и того же структурирующего элемента. Открытие имеет тенденцию увеличивать небольшие отверстия, удалять небольшие объекты и разделять объекты. Закрытие сохраняет небольшие объекты, удаляет отверстия и соединяет объекты.
Очень важной характеристикой бинарного изображения является преобразование расстояния . Оно дает расстояние каждого установленного пикселя от ближайшего неустановленного пикселя. Преобразование расстояния может быть эффективно рассчитано. Оно позволяет эффективно вычислять диаграммы Вороного , где каждый пиксель в изображении назначается ближайшей из набора точек. Оно также позволяет выполнять скелетонизацию, которая отличается от прореживания тем, что скелеты позволяют восстанавливать исходное изображение. Преобразование расстояния также полезно для определения центра объекта и для сопоставления при распознавании изображений.
Другой класс операций — сбор метрик, не зависящих от ориентации. Это часто важно при распознавании изображений, когда необходимо удалить ориентацию камеры. Метрики, не зависящие от ориентации, группы связанных или окруженных пикселей включают число Эйлера , периметр, площадь, компактность, площадь отверстий, минимальный радиус, максимальный радиус.
Бинарные изображения получаются из цветных изображений путем сегментации . Сегментация — это процесс назначения каждого пикселя исходного изображения двум или более классам. Если классов больше двух, то обычным результатом будет несколько бинарных изображений. Простейшей формой сегментации, вероятно, является метод Оцу , который назначает пиксели переднему или заднему плану на основе интенсивности оттенков серого. Другим методом является алгоритм водораздела . Обнаружение краев также часто создает бинарное изображение с некоторыми пикселями, назначенными краевым пикселям, и также является первым шагом в дальнейшей сегментации.
Прореживание или скелетизация создает бинарные изображения, которые состоят из линий шириной в пиксель. Затем можно извлечь точки ветвления и конечные точки, а изображение преобразовать в график. Это важно при распознавании изображений, например, при оптическом распознавании символов .
Интерпретация двоичного значения пикселя также зависит от устройства. Некоторые системы интерпретируют значение бита 0 как черный, а 1 как белый, в то время как другие меняют значение значений на противоположное. В стандартном интерфейсе ПК TWAIN для сканеров и цифровых камер первый вкус называется ванильным , а обратный — шоколадным .
Дизеринг часто используется для отображения полутоновых изображений. [5]
Двоичное пиксельное искусство , более известное как 1-битное или 1-битное искусство, было методом отображения графики с ранних компьютеров. В то время как ранние компьютеры, такие как ZX81, использовали ограничение как необходимость аппаратного обеспечения, портативные игры на ЖК-дисплеях, такие как Game & Watch и Tamagotchi , наряду с ранними компьютерами с фокусом на графических пользовательских интерфейсах, такими как Macintosh, сделали большие шаги в продвижении культуры, техники и эстетики ограничений 1-битного искусства. [6]
Современные примеры 1-битного искусства можно увидеть в инди-видеоиграх и другом цифровом искусстве. [7] Такие бестселлеры, как Gato Roboto , Return of the Obra Dinn , Minit и World of Horror, используют 1-битный стиль, чтобы придать своим играм ощущение ретро [8] или просто сэкономить время графических дизайнеров при разработке. [9] В разработке находится даже новое 1-битное оборудование, такое как экспериментальная портативная консоль Playdate . [10]
Для художников пиксельной графики 1-бит стал обычным вызовом для создания искусства. Конкурс пиксельной графики Pixtogether потребовал от своих участников использовать только два цвета для своего 10-го ежемесячного конкурса. [11] Немногие художники в основном занимаются 1-битным искусством, но многие из них поддерживают связь друг с другом, чтобы обмениваться знаниями о работе с ограничением и организовывать собственные совместные проекты. [12]
Брэндон Джеймс Грир, создатель популярных обучающих видео на YouTube [13] [14] по однобитной и другой пиксельной графике, говорит, что «ограничение приводит к появлению некоторых уникальных подходов» и что работа в однобитной графике — «очень интересная и уникальная задача» [15] .
Хотя 1bit можно назвать художественным стилем сам по себе, каждая часть также попадает под второй стиль. Очевидные различия в художественных стилях 1bit, например, в том, используется ли, насколько и какой вид дизеринга , разрешение изображения , использование контуров и насколько детализирована работа.
В 1994 году Мони Наор и Ади Шамир продемонстрировали схему визуального разделения секрета , в которой двоичное изображение было разбито на n частей так, что только тот, у кого есть все n частей, мог расшифровать изображение, в то время как любые n − 1 частей не раскрывали никакой информации об исходном изображении. Каждая часть была напечатана на отдельной прозрачной пленке, и расшифровка выполнялась путем наложения частей. [16] Когда все n частей были наложены, появлялось исходное изображение. Существует несколько обобщений базовой схемы, включая визуальную криптографию k -из- n , [17] [18] и использование непрозрачных листов, но с их освещением несколькими наборами идентичных шаблонов освещения при записи только одного однопиксельного детектора. [19]
Датчик изображения с избыточной выборкой — это датчик изображения, напоминающий традиционную фотопленку. Каждый пиксель в датчике имеет двоичный отклик, давая только однобитное квантованное измерение локальной интенсивности света.