stringtranslate.com

Цифровое изображение

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 ]

Растр

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.

Форматы растровых файлов

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]

Вектор

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 .

Просмотр изображения

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.

История

Первое сканирование, проведенное SEAC в 1957 году
Сканер SEAC

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]

Цифровые датчики изображения

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]

Цифровое сжатие изображений

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]

Мозаика

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 .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Гонсалес, Рафаэль (2018). Цифровая обработка изображений . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Пирсон. ISBN 978-0-13-335672-4. OCLC  966609831.
  2. Спецификация цифрового негатива (DNG). Архивировано 20 апреля 2011 г. на Wayback Machine . Сан-Хосе: Adobe, 2005. Версия 1.1.0.0. стр. 9. Доступ получен 10 октября 2007 г.
  3. ^ Универсальные руководящие принципы создания цифровых фотографических изображений (UPDIG): Форматы файлов — проблема с файлами RAW Архивировано 20.10.2011 на Wayback Machine
  4. ^ Archaeology Data Service / Digital Antiquity: Guides to Good Practice - Раздел 3 Архивирование растровых изображений - Форматы файлов Архивировано 14 декабря 2011 г. на Wayback Machine
  5. ^ Университет Коннектикута: «Raw как архивный формат неподвижных изображений: рассмотрение» Майкла Дж. Беннетта и Ф. Барри Уиллера. Архивировано 14 сентября 2011 г. на Wayback Machine.
  6. ^ Межуниверситетский консорциум политических и социальных исследований: Устаревание — Форматы файлов и программное обеспечение Архивировано 2011-11-02 на Wayback Machine
  7. ^ JISC Digital Media - Неподвижные изображения: Выбор формата файла для цифровых неподвижных изображений - Форматы файлов для главного архива Архивировано 16.11.2011 на Wayback Machine
  8. ^ Музей Дж. Пола Гетти - Отдел фотографии: Проект Rapid Capture Backlog - Презентация, архивированная 10 июня 2012 г. на Wayback Machine
  9. ^ самое важное изображение в Интернете - Electronic Media Group: Форматы файлов цифровых изображений Архивировано 14 декабря 2010 г. на Wayback Machine
  10. ^ Ассоциация архивов Британской Колумбии: Стратегии приобретения и сохранения (Розалин Хилл)
  11. ^ «Эта 46-гигапиксельная фотография Млечного Пути сведет вас с ума». 23 октября 2015 г. Архивировано из оригинала 5 июля 2018 г. Получено 5 июля 2018 г.
  12. Пятидесятая годовщина первого цифрового изображения. Архивировано 14 октября 2010 г. на Wayback Machine .
  13. ^ Азриэль Розенфельд, Обработка изображений с помощью компьютера , Нью-Йорк: Academic Press, 1969
  14. ^ Гонсалес, Рафаэль, С; Вудс, Ричард Э. (2008). Цифровая обработка изображений, 3-е издание. Pearson Prentice Hall. стр. 577. ISBN 978-0-13-168728-8.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  15. ^ Jähne, Bernd (1993). Пространственно-временная обработка изображений, теория и научные приложения. Springer Verlag. стр. 208. ISBN 3-540-57418-2.
  16. ^ Джеймс Р. Джейнсик (2001). Научные приборы с зарядовой связью. SPIE Press. С. 3–4. ISBN 978-0-8194-3698-6. Архивировано из оригинала 2020-11-15 . Получено 2020-06-06 .
  17. ^ Уильямс, Дж. Б. (2017). Революция в электронике: изобретение будущего. Springer. С. 245–248. ISBN 978-3-319-49088-5. Архивировано из оригинала 2020-11-15 . Получено 2019-10-10 .
  18. ^ Бойл, Уильям С.; Смит, Джордж Э. (1970). «Полупроводниковые приборы с зарядовой связью». Bell Syst. Tech. J . 49 (4): 587–593. doi :10.1002/j.1538-7305.1970.tb01790.x.
  19. ^ abcde Fossum, Eric R. ; Hondongwa, DB (2014). «Обзор закрепленного фотодиода для датчиков изображения CCD и CMOS». IEEE Journal of the Electron Devices Society . 2 (3): 33–43. doi : 10.1109/JEDS.2014.2306412 .
  20. ^ Патент США 4,484,210: Твердотельное устройство формирования изображения с уменьшенной задержкой изображения.
  21. ^ Fossum, Eric R. (12 июля 1993 г.). Blouke, Morley M. (ред.). "Активные пиксельные датчики: являются ли ПЗС-матрицы динозаврами?". SPIE Proceedings Vol. 1900: Charge-Coupled Devices and Solid State Optical Sensors III . Charge-Coupled Devices and Solid State Optical Sensors III. 1900. Международное общество оптики и фотоники: 2–14. Bibcode : 1993SPIE.1900....2F. CiteSeerX 10.1.1.408.6558 . doi : 10.1117/12.148585. S2CID  10556755. 
  22. ^ Фоссум, Эрик Р. (2007). «Активные пиксельные датчики» (PDF) . Эрик Фоссум . S2CID  18831792.
  23. ^ Мацумото, Казуя и др. (1985). «Новый МОП-фототранзистор, работающий в режиме неразрушающего считывания». Японский журнал прикладной физики . 24 (5A): L323. Bibcode : 1985JaJAP..24L.323M. doi : 10.1143/JJAP.24.L323. S2CID  108450116.
  24. ^ "Продажи датчиков изображения CMOS продолжают расти рекордными темпами". IC Insights . 8 мая 2018 г. Архивировано из оригинала 21 июня 2019 г. Получено 6 октября 2019 г.
  25. ^ Ахмед, Насир (январь 1991 г.). «Как я придумал дискретное косинусное преобразование». Цифровая обработка сигналов . 1 (1): 4–5. doi :10.1016/1051-2004(91)90086-Z. Архивировано из оригинала 2016-06-10 . Получено 2019-09-14 .
  26. ^ "T.81 – Цифровое сжатие и кодирование неподвижных изображений с непрерывным тоном – Требования и рекомендации" (PDF) . CCITT . Сентябрь 1992 г. Архивировано (PDF) из оригинала 30 декабря 2019 г. . Получено 12 июля 2019 г. .
  27. ^ "Объяснение формата изображения JPEG". BT.com . BT Group . 31 мая 2018 г. Архивировано из оригинала 5 августа 2019 г. Получено 5 августа 2019 г.