Цифровая визуализация или получение цифрового изображения — это создание цифрового представления визуальных характеристик объекта, [1] такого как физическая сцена или внутренняя структура объекта. Часто предполагается, что этот термин подразумевает или включает обработку , сжатие , хранение , печать и отображение таких изображений. Ключевым преимуществом цифрового изображения по сравнению с аналоговым изображением, таким как пленочная фотография , является возможность неограниченного цифрового распространения копий исходного объекта без какой-либо потери качества изображения.
Цифровые изображения можно классифицировать по типу электромагнитного излучения или других волн , переменное затухание которых при прохождении через объекты или их отражении от них передает информацию , составляющую изображение . Во всех классах цифровых изображений информация преобразуется датчиками изображения в цифровые сигналы , которые обрабатываются компьютером и выводятся в виде изображения в видимом свете. Например, среда видимого света позволяет осуществлять цифровую фотосъемку (в том числе цифровую видеосъемку ) с помощью различных видов цифровых камер (включая цифровые видеокамеры ). Рентгеновские лучи позволяют получать цифровые рентгеновские изображения ( цифровая рентгенография , рентгеноскопия и КТ ), а гамма-лучи позволяют осуществлять цифровую рентгеновскую визуализацию (цифровая сцинтиграфия , ОФЭКТ и ПЭТ ). Звук позволяет проводить ультразвуковое исследование (например, медицинское УЗИ ) и сонар , а радиоволны позволяют использовать радар . Цифровые изображения хорошо подходят для анализа изображений с помощью программного обеспечения , а также для редактирования изображений (включая манипулирование изображениями).
До появления цифровых изображений первая когда-либо созданная фотография « Вид из окна в Ле Гра » была сделана в 1826 году французом Жозефом Нисефором Ньепсом . Когда Джозефу было 28 лет, он обсуждал со своим братом Клодом возможность воспроизведения изображений с помощью света. Его внимание к новым инновациям началось в 1816 году. На самом деле его больше интересовало создание двигателя для лодки. Джозеф и его брат сосредоточились на этом в течение некоторого времени, и Клод успешно продвигал свое нововведение, продвигая его в Англию. Джозеф смог сосредоточиться на фотографии, и, наконец, в 1826 году он смог сделать свою первую фотографию вида из окна. Это заняло 8 или более часов воздействия света. [2]
Первое цифровое изображение было получено в 1920 году с помощью системы передачи изображения по кабелю Bartlane . Британские изобретатели Гарри Дж. Бартоломью и Мейнард Д. Макфарлейн разработали этот метод. Процесс состоял из «серии негативов на цинковых пластинах, которые экспонировались в течение разного времени, создавая таким образом различную плотность». [3] Система передачи изображений по кабелю Bartlane генерировала как на передатчике, так и на приемном конце перфокарту данных или ленту, которая была воссоздана как изображение. [4]
В 1957 году Рассел А. Кирш создал устройство, генерирующее цифровые данные, которые можно было хранить в компьютере; при этом использовались барабанный сканер и фотоумножитель . [3]
Цифровая обработка изображений была разработана в 1960-х и 1970-х годах, в основном для того, чтобы избежать эксплуатационных недостатков пленочных камер для научных и военных миссий, включая программу KH-11 . Поскольку в последующие десятилетия цифровые технологии стали дешевле, они заменили старые методы пленки для многих целей.
В начале 1960-х годов, занимаясь разработкой компактного, легкого, портативного оборудования для бортового неразрушающего контроля самолетов ВМФ, Фредерик Г. Вейгарт [5] и Джеймс Ф. МакНалти (радиоинженер США) [6] в компании Automation Industries, Inc. , в Эль-Сегундо, штат Калифорния, изобрел первый аппарат для создания цифрового изображения в реальном времени, которое представляло собой рентгеноскопическую цифровую рентгенограмму . Сигналы прямоугольной волны были обнаружены на флуоресцентном экране флюороскопа для создания изображения.
Устройство с зарядовой связью было изобретено Уиллардом С. Бойлем и Джорджем Э. Смитом в Bell Labs в 1969 году. [7] Исследуя технологию МОП, они поняли, что электрический заряд аналогичен магнитному пузырю и что его можно хранить. на крошечном МОП-конденсаторе . Поскольку изготовить серию МОП-конденсаторов подряд было довольно просто, к ним подключили подходящее напряжение, чтобы заряд можно было поэтапно перемещать от одного к другому. [8] ПЗС — это полупроводниковая схема, которая позже использовалась в первых цифровых видеокамерах для телевизионного вещания . [9]
Ранние датчики CCD страдали от задержки срабатывания затвора . Эта проблема была во многом решена с изобретением закрепленного фотодиода (PPD). [10] Его изобрели Нобуказу Тераниши , Хиромицу Шираки и Ясуо Исихара в NEC в 1980 году . [10] [11] Это была структура фотодетектора с малой задержкой, низким уровнем шума , высокой квантовой эффективностью и низким темновым током . [10] В 1987 году PPD начал использоваться в большинстве устройств CCD, став неотъемлемой частью потребительских электронных видеокамер , а затем и цифровых фотоаппаратов . С тех пор PPD использовался почти во всех датчиках CCD, а затем и в датчиках CMOS. [10]
Датчик активных пикселей NMOS (APS) был изобретен компанией Olympus в Японии в середине 1980-х годов. Это стало возможным благодаря достижениям в производстве полупроводниковых МОП-приборов , когда масштабирование МОП-транзисторов достигло меньших микронных, а затем и субмикронных уровней. [12] [13] NMOS APS был изготовлен командой Цутому Накамуры в Олимпе в 1985 году. [14] Датчик CMOS с активными пикселями (CMOS-сенсор) был позже разработан командой Эрика Фоссума в Лаборатории реактивного движения НАСА в 1993 году. [10] К 2007 году продажи датчиков CMOS превысили продажи датчиков CCD . [15]
Важным достижением в технологии сжатия цифровых изображений стало дискретное косинусное преобразование (ДКП). [16] Сжатие DCT используется в формате JPEG , который был представлен Объединенной группой экспертов по фотографии в 1992 году . [17] JPEG сжимает изображения до файлов гораздо меньшего размера и стал наиболее широко используемым форматом файлов изображений в Интернете . [18]
Эти различные идеи сканирования легли в основу первых конструкций цифровых камер. Ранним камерам требовалось много времени для захвата изображения, и они плохо подходили для потребительских целей. [3] Только с появлением ПЗС-матрицы ( устройства с зарядовой связью ) цифровая камера действительно стала популярной. ПЗС-матрица стала частью систем формирования изображения, используемых в телескопах, первых черно-белых цифровых камерах 1980-х годов. [3] Со временем цвет был добавлен в ПЗС-матрицу и сегодня является обычной функцией фотоаппаратов.
Большие успехи были достигнуты в области цифровой обработки изображений. Негатив и разоблачение для многих являются чуждыми понятиями, и первое цифровое изображение в 1920 году привело в конечном итоге к удешевлению оборудования, более мощному, но простому программному обеспечению и росту Интернета. [19]
Постоянное совершенствование и производство физического оборудования и аппаратных средств, связанных с цифровыми изображениями, повлияло на окружающую среду. От камер и веб-камер до принтеров и сканеров — оборудование становится более изящным, тонким, быстрым и дешевым. По мере снижения стоимости оборудования рынок для новых энтузиастов расширяется, позволяя большему количеству потребителей испытать острые ощущения от создания собственных изображений.
Повседневные персональные ноутбуки, семейные настольные компьютеры и корпоративные компьютеры могут работать с программным обеспечением для обработки фотографий. Наши компьютеры — более мощные машины с растущими возможностями запуска любых программ, особенно программного обеспечения для обработки цифровых изображений. И это программное обеспечение быстро становится умнее и проще. Хотя функции современных программ достигают уровня точного редактирования и даже рендеринга трехмерных изображений, пользовательские интерфейсы разработаны так, чтобы быть дружелюбными как к опытным пользователям, так и к новичкам.
Интернет позволяет редактировать, просматривать и обмениваться цифровыми фотографиями и графикой. При быстром просмотре веб-страниц можно легко найти графические изображения начинающих художников, фотографии из новостей со всего мира, корпоративные изображения новых продуктов и услуг и многое другое. Интернет явно зарекомендовал себя как катализатор, способствующий развитию цифровых изображений.
Обмен фотографиями в Интернете меняет наше понимание фотографии и фотографов. Интернет-сайты, такие как Flickr , Shutterfly и Instagram, дают миллиардам возможность делиться своими фотографиями, независимо от того, являются ли они любителями или профессионалами. Фотография превратилась из роскошного средства общения и обмена в мимолетный момент времени. Темы также изменились. Раньше на фотографиях в основном снимались люди и семьи. Теперь мы берем с них что угодно. Мы можем документировать наш день и делиться им со всеми прикосновением пальцев. [20]
В 1826 году Ньепс первым разработал фотографию, в которой для воспроизведения изображений использовался свет. С годами развитие фотографии резко возросло. Сегодня каждый является фотографом по-своему, тогда как в начале 1800-х и 1900-х годов стоимость долговечных фотографий высоко ценилась и ценилась потребителями и производителями. В журнальной статье о пяти способах, как цифровая камера изменила нас, говорится следующее: Влияние на профессиональных фотографов было огромным. Когда-то фотограф не осмелился бы потратить зря снимок, если бы он не был практически уверен, что он сработает». Использование цифровых изображений (фотографии) с годами изменило то, как мы взаимодействуем с окружающей средой. Часть мира имеет опыт по-другому, благодаря визуальному воображению неизгладимых воспоминаний, она стала новой формой общения с друзьями, семьей и близкими людьми по всему миру без личного общения.С помощью фотографии легко увидеть тех, кого вы никогда раньше не видели, и почувствовать их присутствие без их присутствия, например, Instagram — это форма социальных сетей, где любому разрешено снимать, редактировать и делиться фотографиями с друзьями и семьей чем угодно. Facebook, Snapshot, Vine и Twitter — это также способы, с помощью которых люди выражают себя с минимальными затратами. или нет слов и способны запечатлеть каждый важный момент. Сохранить воспоминания, которые было трудно сохранить, теперь легко, потому что теперь каждый может делать снимки и редактировать их на своих телефонах или ноутбуках. Фотография стала новым способом общения, и с течением времени он быстро растет, что влияет на мир вокруг нас. [21]
Исследование, проведенное Бэйси, Мэйнс, Фрэнсисом и Мельбурном, показало, что рисунки, используемые в классе, оказывают существенное негативное влияние на содержание более низкого порядка для лабораторных отчетов студентов, перспективы лабораторных работ, волнение и эффективность обучения. Обучение документальному стилю не оказывает существенного влияния на учащихся в этих областях. Он также обнаружил, что студенты более мотивированы и заинтересованы в обучении при использовании цифровых изображений. [22]
В сфере образования.
Область медицинской визуализации
В области технологий цифровая обработка изображений стала более полезной, чем аналоговая обработка изображений, если принять во внимание современный технологический прогресс.
Цифровая обработка изображений для дополненной реальности (DIAR) — это обширная область в более широком контексте технологий дополненной реальности (AR). Он включает в себя создание, манипулирование и интерпретацию цифровых изображений для использования в средах дополненной реальности. DIAR играет важную роль в улучшении пользовательского опыта, обеспечивая реалистичное наложение цифровой информации на реальный мир, тем самым сокращая разрыв между физическим и виртуальным мирами. [27] [28]
DIAR работает во многих секторах, включая развлечения, образование, здравоохранение, военную промышленность и розничную торговлю. В сфере развлечений DIAR используется для создания захватывающих игровых впечатлений и интерактивных фильмов. В образовании он обеспечивает более привлекательную среду обучения, а в здравоохранении — помогает при проведении сложных хирургических процедур. Военные используют DIAR в учебных целях и визуализации поля боя. В розничной торговле покупатели могут виртуально примерить одежду или визуализировать мебель в своем доме перед совершением покупки. [29]
Ожидается, что благодаря постоянному развитию технологий будущее DIAR станет свидетелем более реалистичных наложений, улучшенного моделирования 3D-объектов и плавной интеграции с Интернетом вещей (IoT). Включение тактильной обратной связи в системы DIAR может еще больше улучшить взаимодействие с пользователем за счет добавления ощущения осязания к визуальным наложениям. Кроме того, ожидается, что достижения в области искусственного интеллекта и машинного обучения еще больше улучшат контекстуальность и реалистичность наложенных цифровых изображений. [30]
Хотя теории быстро становятся реальностью в современном технологическом обществе, диапазон возможностей цифровых изображений широко открыт. Одним из основных приложений, над которым все еще работают, является обеспечение безопасности и защиты детей. Как мы можем использовать цифровые изображения, чтобы лучше защитить наших детей? Программа Kodak Kids Identification Digital Software (KIDS) может ответить на этот вопрос. Начнем с комплекта цифровых изображений, который будет использоваться для сбора фотографий, удостоверяющих личность студентов, которые будут полезны во время неотложной медицинской помощи и преступлений. Более мощные и продвинутые версии подобных приложений все еще разрабатываются, при этом постоянно тестируются и добавляются расширенные функции. [31]
Но родители и школы – не единственные, кто видит преимущества в таких базах данных. Отделения уголовных расследований, такие как полицейские участки, криминалистические лаборатории штатов и даже федеральные бюро, осознали важность цифровых изображений для анализа отпечатков пальцев и улик, проведения арестов и поддержания безопасности сообществ. По мере развития области цифровых изображений растут и наши возможности по защите населения. [32]
Цифровые изображения могут быть тесно связаны с теорией социального присутствия, особенно когда речь идет о аспекте социальных сетей изображений, снятых нашими телефонами. Существует множество различных определений теории социального присутствия, но два из них четко определяют, что это такое: «степень, в которой люди воспринимаются как реальные» (Gunawardena, 1995), и «способность социально и эмоционально проецировать себя как реальных людей». (Гарнизон, 2000). Цифровая визуализация позволяет человеку проявлять свою социальную жизнь через изображения, чтобы придать ощущение своего присутствия в виртуальном мире. Присутствие этих изображений действует как расширение вас самих для других, давая цифровое представление о том, что они делают и с кем они находятся. Цифровые изображения в виде камер на телефонах помогают усилить эффект присутствия среди друзей в социальных сетях. Александер (2012) утверждает: «Присутствие и репрезентация глубоко запечатлены в наших размышлениях об образах… это, конечно, измененное присутствие… никто не путает образ с реальностью репрезентации. Но мы позволяем себе быть вовлеченными в этим представлением, и только это «представление» способно правдоподобно показать оживленность отсутствующего». Таким образом, цифровые изображения позволяют представить нас таким образом, чтобы отразить наше социальное присутствие. [33]
Фотография – это средство, используемое для визуальной фиксации определенных моментов. Благодаря фотографии наша культура получила возможность передавать информацию (например, внешний вид) с минимальными искажениями или вообще без них. Теория медиа-богатства обеспечивает основу для описания способности средства массовой информации передавать информацию без потерь или искажений. Эта теория дала возможность понять поведение человека в коммуникационных технологиях. В статье, написанной Дафтом и Ленгелем (1984, 1986), говорится следующее:
Средства коммуникации относятся к континууму богатства. Богатство средства массовой информации состоит из четырех аспектов: наличие мгновенной обратной связи, которая позволяет задавать вопросы и отвечать на них; использование нескольких сигналов, таких как физическое присутствие, интонация голоса, жесты тела, слова, цифры и графические символы; использование естественного языка, который можно использовать для передачи понимания широкого набора концепций и идей; и личная направленность средства массовой информации (стр. 83).
Чем лучше средство массовой информации способно передать точную внешность, социальные сигналы и другие подобные характеристики, тем богаче оно становится. Фотография стала естественной частью нашего общения. Например, большинство телефонов имеют возможность отправлять изображения в текстовых сообщениях. Приложения Snapchat и Vine становятся все более популярными для общения. Такие сайты, как Instagram и Facebook, также позволили пользователям достичь более глубокого уровня богатства благодаря их способности воспроизводить информацию. Шир, ВК (январь – март 2011 г.). Использование подростками функций MSN, тем для обсуждения и развитие дружбы в Интернете: влияние богатства средств массовой информации и контроля над общением. Ежеквартальный вестник, 59 (1).
Цифровая фотография может быть создана непосредственно из физической сцены с помощью камеры или аналогичного устройства. Альтернативно, цифровое изображение может быть получено из другого изображения на аналоговом носителе, таком как фотографии , фотопленка или печатная бумага, с помощью сканера изображений или аналогичного устройства. Многие технические изображения, например полученные с помощью томографического оборудования , гидролокатора бокового обзора или радиотелескопов , на самом деле получаются путем сложной обработки данных, не являющихся изображениями. Карты метеорологических радиолокаторов , показанные в телевизионных новостях, являются обычным примером. Оцифровка аналоговых данных реального мира известна как оцифровка и включает в себя выборку (дискретизацию) и квантование . Проекционная визуализация цифровой рентгенографии может быть выполнена с помощью детекторов рентгеновского излучения , которые напрямую преобразуют изображение в цифровой формат. Альтернативно, рентгенография с люминофорной пластиной заключается в том, что изображение сначала снимается на пластине с фотостимулируемым люминофором (PSP), которое впоследствии сканируется с помощью механизма, называемого фотостимулированной люминесценцией .
Наконец, цифровое изображение также можно рассчитать на основе геометрической модели или математической формулы. В этом случае более уместно название «синтез изображений» , и его чаще называют рендерингом .
Аутентификация цифровых изображений является проблемой [34] для поставщиков и производителей цифровых изображений, таких как организации здравоохранения, правоохранительные органы и страховые компании. В области судебной фотографии появляются методы , позволяющие проанализировать цифровое изображение и определить, было ли оно изменено .
Раньше цифровое изображение зависело от химических и механических процессов, теперь все эти процессы перешли на электронные. Для того чтобы появилось цифровое изображение, должно произойти несколько вещей: энергия света преобразуется в электрическую энергию – представьте себе сеть с миллионами маленьких солнечных элементов. Каждое состояние генерирует определенный электрический заряд. Заряды каждого из этих «солнечных элементов» передаются и передаются прошивке для интерпретации. Прошивка - это то, что понимает и транслирует цвет и другие качества света. Далее мы обращаем внимание на пиксели, которые с различной интенсивностью создают и вызывают разные цвета, создавая картинку или изображение. Наконец, прошивка записывает информацию на будущую дату и для воспроизведения.
Есть несколько преимуществ цифровой обработки изображений. Во-первых, этот процесс обеспечивает легкий доступ к фотографиям и текстовым документам. Google находится в авангарде этой «революции» со своей миссией по оцифровке книг всего мира. Такая оцифровка сделает книги доступными для поиска, что сделает участвующие библиотеки, такие как Стэнфордский университет и Калифорнийский университет в Беркли, доступными по всему миру. [35] Цифровая визуализация также приносит пользу миру медицины, поскольку она «позволяет передавать изображения сторонним поставщикам услуг, направляющим стоматологам, консультантам и страховым компаниям через модем». [35] Этот процесс «также является экологически чистым, поскольку не требует химической обработки». [35] Цифровые изображения также часто используются для документирования и записи исторических, научных и личных событий. [36]
Преимущества также существуют в отношении фотографий . Цифровая обработка изображений уменьшит необходимость физического контакта с исходными изображениями. [37] Кроме того, цифровые изображения создают возможность реконструкции визуального содержания частично поврежденных фотографий, тем самым устраняя вероятность того, что оригинал будет изменен или уничтожен. [37] Кроме того, фотографы «освободятся от «приковывания» к фотолаборатории», у них будет больше времени для съемки и они смогут более эффективно выполнять задания. [38] Цифровая обработка изображений «означает», что «фотографам больше не нужно спешить со съемкой пленки в офис, поэтому они могут оставаться на съемочной площадке дольше, сохраняя при этом сроки». [39]
Еще одним преимуществом цифровой фотографии является то, что она распространилась и на телефоны с камерами. Мы можем брать с собой фотоаппараты куда угодно, а также мгновенно отправлять фотографии другим. Это облегчает людям задачу и помогает в процессе самоидентификации подрастающему поколению [40]
Критики цифровых изображений называют несколько негативных последствий. Повышенная «гибкость в предоставлении читателям изображений более высокого качества» побудит редакторов, фотографов и журналистов манипулировать фотографиями. [38] Кроме того, «штатные фотографы больше не будут фотожурналистами, а будут операторами... поскольку редакторы имеют право решать, что они хотят «снять»». [38]
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )