stringtranslate.com

Цифровое изображение

Цифровое изображение — это изображение , состоящее из элементов изображения , также известных как пиксели , каждый из которых имеет конечные дискретные количества числового представления своей интенсивности или уровня серого , что является результатом его двумерных функций, подаваемых в качестве входных данных по его пространственным координатам, обозначаемым x , y по оси x и y соответственно. [1] В зависимости от того, фиксировано ли разрешение изображения , 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 ). [ нужна 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, представляющие яркость данного 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 сохраняются 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, бортовой радар и многое другое. Их также можно синтезировать из произвольных данных, не являющихся изображениями, таких как математические функции или трехмерные геометрические модели; последняя является основной областью компьютерной графики . Область цифровой обработки изображений — исследование алгоритмов их преобразования.

Форматы растровых файлов

Большинство пользователей знакомятся с растровыми изображениями через цифровые камеры, которые используют любой из нескольких форматов файлов изображений .

Некоторые цифровые камеры предоставляют доступ практически ко всем данным, снятым камерой, используя формат необработанного изображения . Универсальные рекомендации по обработке фотографий (UPDIG) рекомендуют использовать эти форматы, когда это возможно, поскольку файлы RAW позволяют получить изображения наилучшего качества. Эти форматы файлов обеспечивают фотографу и оператору обработки максимальный уровень контроля и точности вывода. Их использование сдерживается преобладанием служебной информации ( коммерческой тайны ) у некоторых производителей фотоаппаратов, но были такие инициативы, как OpenRAW , с целью повлиять на производителей и заставить их публиковать эти записи публично. Альтернативой может быть Digital Negative (DNG) , собственный продукт Adobe, описываемый как «общедоступный архивный формат для необработанных данных цифровой камеры». [2] Хотя этот формат еще не получил всеобщего признания, поддержка этого продукта растет, и все больше профессиональных архивистов и защитников природы, работающих в уважаемых организациях, по-разному предлагают или рекомендуют DNG для архивных целей. [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10]

Вектор

Векторные изображения , полученные в результате математической геометрии ( вектор ). С математической точки зрения вектор состоит из величины (длины) и направления.

Часто в одном изображении сочетаются как растровые, так и векторные элементы; например, в случае рекламного щита с текстом (векторным) и фотографиями (растровым).

Примерами типов векторных файлов являются EPS , PDF и AI .

Просмотр изображений

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 все еще работал медленно, было принято предоставлять изображения для «предварительного просмотра», которые загружались и появлялись на веб-сайте, прежде чем быть заменены основным изображением (чтобы создать предварительное впечатление). Сейчас Интернет достаточно быстрый, и это изображение для предварительного просмотра используется редко.

Некоторые научные изображения могут быть очень большими (например, изображение Млечного Пути размером 46 гигапикселей , размером около 194 Гб). [11] Такие изображения сложно загрузить, и их обычно просматривают в Интернете через более сложные веб-интерфейсы.

Некоторые программы просмотра предлагают утилиту слайд-шоу для отображения последовательности изображений.

История

Первое сканирование, проведенное SEAC в 1957 году.
Сканер SEAC

Первые цифровые факсимильные аппараты, такие как система передачи изображений по кабелю Bartlane, на десятилетия предшествовали цифровым камерам и компьютерам. Первое изображение, которое было отсканировано, сохранено и воссоздано в цифровых пикселях, было отображено на Восточном автоматическом компьютере стандартов ( SEAC ) в NIST . [12] Развитие цифровых изображений продолжалось в начале 1960-х годов одновременно с развитием космической программы и медицинскими исследованиями. В проектах Лаборатории реактивного движения , Массачусетского технологического института , Bell Labs и Университета Мэриленда , среди прочих, цифровые изображения использовались для продвижения спутниковых изображений , преобразования стандартов проводной фотографии, медицинской визуализации , технологии видеотелефонов , распознавания символов и улучшения фотографий. [13]

Быстрый прогресс в области цифровых изображений начался с появления интегральных схем МОП в 1960-х годах и микропроцессоров в начале 1970-х годов, наряду с прогрессом в соответствующей компьютерной памяти , технологиях отображения и алгоритмах сжатия данных .

Изобретение компьютерной аксиальной томографии ( КТ-сканирования ), использующей рентгеновские лучи для создания цифрового изображения «среза» трехмерного объекта, имело большое значение для медицинской диагностики. Помимо создания цифровых изображений, оцифровка аналоговых изображений позволила улучшить и восстановить археологические артефакты и начала использоваться в таких разнообразных областях, как ядерная медицина , астрономия , правоохранительные органы , оборона и промышленность . [14]

Достижения в области микропроцессорной технологии проложили путь к разработке и маркетингу устройств 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-х годов. век. Вычислительная мощность, необходимая для обработки цифровых изображений, также позволила сгенерированным компьютером цифровым изображениям достичь уровня детализации, близкого к фотореализму . [15]

Цифровые датчики изображения

Первым полупроводниковым датчиком изображения была ПЗС-матрица, разработанная Уиллардом С. Бойлом и Джорджем Э. Смитом в Bell Labs в 1969 году. [16] Исследуя технологию МОП, они поняли, что электрический заряд является аналогией магнитного пузыря и что он может храниться на крошечном МОП-конденсаторе . Поскольку изготовить серию МОП-конденсаторов подряд было довольно просто, к ним подавали подходящее напряжение, чтобы можно было поэтапно перемещать заряд от одного к другому. [17] ПЗС — это полупроводниковая схема, которая позже использовалась в первых цифровых видеокамерах для телевизионного вещания . [18]

Ранние датчики CCD страдали от задержки срабатывания затвора . Эта проблема была во многом решена с изобретением закрепленного фотодиода (PPD). [19] Его изобрели Нобуказу Тераниши , Хиромицу Сираки и Ясуо Исихара 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 начал использоваться в большинстве устройств CCD, став неотъемлемой частью бытовых электронных видеокамер , а затем и цифровых фотоаппаратов . С тех пор PPD использовался почти во всех датчиках CCD, а затем и в датчиках CMOS. [19]

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. [21] [22] NMOS APS был изготовлен командой Цутому Накамура в Олимпе в 1985 году. [23] Датчик CMOS с активными пикселями (CMOS-сенсор) был позже разработан командой Эрика Фоссума в Лаборатории реактивного движения НАСА в 1993 году. [19] К 2007 году продажи датчиков CMOS превысили продажи датчиков CCD . [24]

Сжатие цифрового изображения

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 формате JPEG , который был представлен Объединенной группой экспертов по фотографии в 1992 году. [26] JPEG сжимает изображения до файлов гораздо меньшего размера и стал наиболее широко используемым форматом файлов изображений в Интернете . [27]

Мозаика

В цифровых изображениях мозаика представляет собой комбинацию непересекающихся изображений, расположенных в некоторой мозаике . Гигапиксельные изображения являются примером такой мозаики цифровых изображений. Спутниковые изображения часто представляют собой мозаику, охватывающую регионы Земли.

Интерактивный просмотр обеспечивается фотографией виртуальной реальности .

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Гонсалес, Рафаэль (2018). Цифровая обработка изображений . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Пирсон. ISBN 978-0-13-335672-4. ОКЛК  966609831.
  2. ^ Спецификация Digital Negative (DNG). Архивировано 20 апреля 2011 г. в Wayback Machine . Сан-Хосе: Adobe, 2005. Верс. 1.1.0.0. п. 9. Доступ: 10 октября 2007 г.
  3. ^ Универсальные рекомендации по цифровой фотографии (UPDIG): Форматы файлов - проблема с необработанными файлами. Архивировано 20 октября 2011 г. на Wayback Machine.
  4. ^ Служба археологических данных / Цифровая древность: Руководства по передовой практике - Раздел 3. Архивирование растровых изображений - Форматы файлов. Архивировано 14 декабря 2011 г. на Wayback Machine.
  5. ↑ Университет Коннектикута: «Raw как формат архивных фотографий: соображения» Майкла Дж. Беннета и Ф. Барри Уиллера. Архивировано 14 сентября 2011 г. в Wayback Machine.
  6. ^ Межуниверситетский консорциум политических и социальных исследований: устаревание - форматы файлов и программное обеспечение. Архивировано 2 ноября 2011 г. в Wayback Machine.
  7. ^ JISC Digital Media — Фотографии: выбор формата файла для цифровых фотографий — Форматы файлов для главного архива. Архивировано 16 ноября 2011 г. на Wayback Machine.
  8. ^ Музей Дж. Пола Гетти - Отдел фотографий: проект журнала Rapid Capture - презентация, заархивированная 10 июня 2012 г. в Wayback Machine.
  9. ^ самое важное изображение в Интернете - Electronic Media Group: Форматы файлов цифровых изображений, заархивировано 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 поразит вас» . 23 октября 2015 г. Архивировано из оригинала 5 июля 2018 г. Проверено 5 июля 2018 г.
  12. ^ Пятидесятилетие первого цифрового изображения. Архивировано 14 октября 2010 г. в 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. Пирсон Прентис Холл. п. 577. ИСБН 978-0-13-168728-8.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  15. ^ Яне, Бернд (1993). Пространственно-временная обработка изображений, Теория и научные приложения. Спрингер Верлаг. п. 208. ИСБН 3-540-57418-2.
  16. ^ Джеймс Р. Джейнесик (2001). Научные устройства с зарядовой связью. СПАЙ Пресс. стр. 3–4. ISBN 978-0-8194-3698-6. Архивировано из оригинала 15 ноября 2020 г. Проверено 6 июня 2020 г.
  17. ^ Уильямс, JB (2017). Электронная революция: изобретая будущее. Спрингер. стр. 245–8. ISBN 978-3-319-49088-5. Архивировано из оригинала 15 ноября 2020 г. Проверено 10 октября 2019 г.
  18. ^ Бойл, Уильям С; Смит, Джордж Э. (1970). «Полупроводниковые приборы с зарядовой связью». Белл Сист. Тех. Дж . 49 (4): 587–593. doi :10.1002/j.1538-7305.1970.tb01790.x.
  19. ^ abcde Fossum, Эрик Р .; Хондонгва, Д.Б. (2014). «Обзор закрепленного фотодиода для датчиков изображения CCD и CMOS». Журнал IEEE Общества электронных устройств . 2 (3): 33–43. дои : 10.1109/JEDS.2014.2306412 .
  20. ^ Патент США 4484210: Твердотельное устройство формирования изображения с уменьшенной задержкой изображения.
  21. ↑ Фоссум, Эрик Р. (12 июля 1993 г.). Блук, Морли М. (ред.). «Активные пиксельные датчики: ПЗС-матрицы — динозавры?». Труды SPIE Vol. 1900: Устройства с зарядовой связью и твердотельные оптические датчики III . Приборы с зарядовой связью и твердотельные оптические датчики III. Международное общество оптики и фотоники. 1900 : 2–14. Бибкод : 1993SPIE.1900....2F. CiteSeerX 10.1.1.408.6558 . дои : 10.1117/12.148585. S2CID  10556755. 
  22. ^ Фоссум, Эрик Р. (2007). «Активные пиксельные датчики» (PDF) . Эрик Фоссум . S2CID  18831792.
  23. ^ Мацумото, Казуя; и другие. (1985). «Новый МОП-фототранзистор, работающий в режиме неразрушающего считывания». Японский журнал прикладной физики . 24 (5А): Л323. Бибкод : 1985JaJAP..24L.323M. дои :10.1143/JJAP.24.L323. S2CID  108450116.
  24. ^ «Продажи датчиков изображения CMOS остаются рекордными темпами» . IC-инсайты . 8 мая 2018 года. Архивировано из оригинала 21 июня 2019 года . Проверено 6 октября 2019 г.
  25. ^ Ахмед, Насир (январь 1991 г.). «Как я придумал дискретное косинусное преобразование». Цифровая обработка сигналов . 1 (1): 4–5. дои : 10.1016/1051-2004(91)90086-Z. Архивировано из оригинала 10 июня 2016 г. Проверено 14 сентября 2019 г.
  26. ^ «T.81 – Цифровое сжатие и кодирование непрерывных неподвижных изображений – Требования и рекомендации» (PDF) . ССИТТ . Сентябрь 1992 г. Архивировано (PDF) из оригинала 30 декабря 2019 г. Проверено 12 июля 2019 г.
  27. ^ «Объяснение формата изображения JPEG» . BT.com . Группа БТ . 31 мая 2018 года. Архивировано из оригинала 5 августа 2019 года . Проверено 5 августа 2019 г.