Цифровое изображение — это изображение , состоящее из элементов изображения , также известных как пиксели , каждый из которых имеет конечные , дискретные величины числового представления для своей интенсивности или уровня серого , что является выходом его двумерных функций, подаваемых в качестве входных данных его пространственными координатами, обозначенными как x , y на оси x и оси y соответственно. [1] В зависимости от того, является ли разрешение изображения фиксированным, оно может быть векторным или растровым . Сам по себе термин «цифровое изображение» обычно относится к растровым изображениям или растровым изображениям (в отличие от векторных изображений ). [ необходима цитата ]
Растровые изображения имеют конечный набор цифровых значений, называемых элементами изображения или пикселями . Цифровое изображение содержит фиксированное количество строк и столбцов пикселей. Пиксели — это наименьший отдельный элемент изображения, содержащий квантованные значения, которые представляют яркость заданного цвета в любой конкретной точке.
Обычно пиксели хранятся в памяти компьютера в виде растрового изображения или растровой карты, двумерного массива небольших целых чисел. Эти значения часто передаются или хранятся в сжатом виде.
Растровые изображения могут быть созданы с помощью различных устройств ввода и методов, таких как цифровые камеры , сканеры , координатно-измерительные машины, сейсмографическое профилирование, бортовые радары и т. д. Их также можно синтезировать из произвольных не-изображений данных, таких как математические функции или трехмерные геометрические модели; последние являются основным подразделом компьютерной графики . Область цифровой обработки изображений — это изучение алгоритмов их преобразования.
Большинство пользователей сталкиваются с растровыми изображениями посредством цифровых камер, которые используют один из нескольких форматов файлов изображений .
Некоторые цифровые камеры предоставляют доступ практически ко всем данным, снятым камерой, используя формат необработанного изображения . Универсальные руководящие принципы фотографической обработки изображений (UPDIG) предлагают использовать эти форматы, когда это возможно, поскольку необработанные файлы создают изображения наилучшего качества. Эти форматы файлов предоставляют фотографу и обрабатывающему агенту максимальный уровень контроля и точности для вывода. Их использование сдерживается распространенностью конфиденциальной информации ( коммерческой тайны ) для некоторых производителей камер, но были инициативы, такие как OpenRAW , чтобы повлиять на производителей, чтобы они публиковали эти записи. Альтернативой может быть Digital Negative (DNG) , запатентованный продукт Adobe, описываемый как «публичный архивный формат для необработанных данных цифровой камеры». [2] Хотя этот формат еще не получил всеобщего признания, поддержка продукта растет, и все более профессиональные архивисты и специалисты по охране природы, работающие в уважаемых организациях, по-разному предлагают или рекомендуют DNG для архивных целей. [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10]
Векторные изображения получены из математической геометрии ( вектор ). В математических терминах вектор состоит как из величины, или длины, так и из направления.
Часто в одном изображении объединяются как растровые, так и векторные элементы, например, в случае рекламного щита с текстом (вектор) и фотографиями (растр).
Примерами векторных типов файлов являются EPS , PDF и AI .
Программное обеспечение для просмотра изображений, отображаемое на изображениях. Веб-браузеры могут отображать стандартные форматы изображений Интернета, включая JPEG , GIF и PNG . Некоторые могут отображать формат SVG , который является стандартным форматом W3C . В прошлом, когда Интернет был еще медленным, было принято предоставлять «предварительные» изображения, которые загружались и появлялись на веб-сайте, прежде чем заменялись основным изображением (чтобы дать предварительное впечатление). Теперь Интернет достаточно быстрый, и это предварительные изображения используются редко.
Некоторые научные изображения могут быть очень большими (например, изображение Млечного Пути размером 46 гигапикселей , размером около 194 ГБ). [11] Такие изображения трудно загрузить, и обычно их просматривают онлайн через более сложные веб-интерфейсы.
Некоторые просмотрщики предлагают утилиту для показа слайд-шоу, позволяющую отображать последовательность изображений.
Ранние цифровые факсимильные аппараты, такие как система передачи изображений по кабелю Bartlane, появились на десятилетия раньше цифровых камер и компьютеров. Первое изображение, которое было отсканировано, сохранено и воссоздано в цифровых пикселях, было показано на автоматическом компьютере Standards Eastern ( SEAC ) в NIST . [12] Развитие цифровых изображений продолжилось в начале 1960-х годов, наряду с развитием космической программы и медицинских исследований. Проекты в Лаборатории реактивного движения , Массачусетском технологическом институте , Bell Labs и Мэрилендском университете , среди прочих, использовали цифровые изображения для совершенствования спутниковых изображений , преобразования стандартов телефотосъемки, медицинской визуализации , технологии видеофонии , распознавания символов и улучшения фотографий. [13]
Стремительное развитие цифровой обработки изображений началось с появлением МОП-интегральных схем в 1960-х годах и микропроцессоров в начале 1970-х годов, а также с развитием соответствующих запоминающих устройств , технологий отображения и алгоритмов сжатия данных .
Изобретение компьютерной аксиальной томографии ( CAT-сканирования ), использующей рентгеновские лучи для получения цифрового изображения «среза» трехмерного объекта, имело большое значение для медицинской диагностики. Наряду с возникновением цифровых изображений, оцифровка аналоговых изображений позволила улучшить и восстановить археологические артефакты и начала использоваться в таких различных областях, как ядерная медицина , астрономия , правоохранительные органы , оборона и промышленность . [14]
Достижения в области микропроцессорной технологии проложили путь к разработке и маркетингу приборов с зарядовой связью (ПЗС) для использования в широком спектре устройств захвата изображений и постепенно вытеснили использование аналоговой пленки и ленты в фотографии и видеосъемке к концу 20-го века. Вычислительная мощность, необходимая для обработки цифрового захвата изображений, также позволила цифровым изображениям , созданным на компьютере, достичь уровня детализации, близкого к фотореализму . [15]
Первым полупроводниковым датчиком изображения был ПЗС, разработанный Уиллардом С. Бойлом и Джорджем Э. Смитом в Bell Labs в 1969 году. [16] Исследуя технологию МОП, они поняли, что электрический заряд является аналогом магнитного пузыря и что он может храниться на крошечном МОП-конденсаторе . Поскольку было довольно просто изготовить ряд МОП-конденсаторов в ряд, они подключили к ним подходящее напряжение, так что заряд мог передаваться от одного к другому. [17] ПЗС — это полупроводниковая схема, которая позже использовалась в первых цифровых видеокамерах для телевизионного вещания . [18]
Ранние ПЗС-датчики страдали от задержки затвора . Эта проблема была в значительной степени решена с изобретением закрепленного фотодиода (PPD). [19] Он был изобретен Нобуказу Тераниши , Хиромицу Шираки и Ясуо Исихарой в NEC в 1980 году. [19] [20] Это была структура фотодетектора с малой задержкой, низким уровнем шума , высокой квантовой эффективностью и низким темновым током . [19] В 1987 году PPD начали включать в большинство ПЗС-устройств, став неотъемлемой частью потребительских электронных видеокамер , а затем и цифровых фотоаппаратов . С тех пор PPD использовался почти во всех ПЗС-датчиках, а затем и в КМОП-датчиках. [19]
Датчик с активными пикселями NMOS (APS) был изобретен компанией Olympus в Японии в середине 1980-х годов. Это стало возможным благодаря достижениям в производстве полупроводниковых приборов MOS , при этом масштабирование MOSFET достигло микронных , а затем и субмикронных уровней. [21] [22] Датчик с активными пикселями NMOS был изготовлен командой Цутому Накамуры в Olympus в 1985 году. [23] Датчик с активными пикселями CMOS (CMOS-датчик) был позже разработан командой Эрика Фоссума в Лаборатории реактивного движения NASA в 1993 году. [19] К 2007 году продажи датчиков CMOS превзошли продажи датчиков CCD. [24]
Важным достижением в технологии сжатия цифровых изображений стало дискретное косинусное преобразование (DCT), метод сжатия с потерями, впервые предложенный Насиром Ахмедом в 1972 году. [25] Сжатие DCT используется в JPEG , который был представлен Объединенной группой экспертов по фотографии в 1992 году. [26] JPEG сжимает изображения до гораздо меньших размеров файлов и стал наиболее широко используемым форматом файлов изображений в Интернете . [27]
В цифровой обработке изображений мозаика — это комбинация неперекрывающихся изображений, организованных в некоторую тесселяцию . Гигапиксельные изображения являются примером таких цифровых мозаик изображений. Спутниковые изображения часто объединяются в мозаику, чтобы покрыть регионы Земли.
Интерактивный просмотр обеспечивается с помощью фотографии виртуальной реальности .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )