Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Цифровое изображение представляет собой изображение , состоящее из элементов изображения , также известные как пиксели , каждый из которых имеет конечный , дискретные величины числового представления для его интенсивности или уровня серого , который является выходом из своих двумерный функций , подаваемых в качестве входных данных его пространственных координатами , обозначенных с x , y по оси x и оси 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 ). [ необходима цитата ]

Растр [ править ]

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 устаревшие значения, которые представляют яркость данного цвета в любой конкретной точке.

Обычно пиксели хранятся в памяти компьютера как растровое изображение или растровая карта, двумерный массив небольших целых чисел. Эти значения часто передаются или хранятся в сжатом виде.

Растровые изображения могут быть созданы с помощью различных устройств и методов ввода, таких как цифровые камеры , сканеры , координатно-измерительные машины, сейсмографическое профилирование, бортовой радар и т. Д. Их также можно синтезировать из произвольных данных, не относящихся к изображению, таких как математические функции или трехмерные геометрические модели; последняя является основной областью компьютерной графики . Область цифровой обработки изображений - это изучение алгоритмов их преобразования.

Форматы растровых файлов [ править ]

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

Некоторые цифровые камеры предоставляют доступ почти ко всем данным, захваченным камерой, с использованием формата необработанного изображения . Руководство по универсальной фотографической обработке изображений (UPDIG) предлагает использовать эти форматы, когда это возможно, поскольку необработанные файлы позволяют получать изображения наилучшего качества. Эти форматы файлов позволяют фотографу и агенту обработки получить высочайший уровень контроля и точности вывода. Их использование сдерживается преобладанием служебной информации ( коммерческой тайны ) для некоторых производителей камер, но были инициативы, такие как OpenRAW, чтобы повлиять на производителей, чтобы они опубликовали эти записи публично. Альтернативой может быть Digital Negative (DNG)., проприетарный продукт Adobe, описываемый как «общедоступный 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 защитники окружающей среды, работающие в уважаемых организациях, по-разному предлагают или рекомендуют DNG для архивных целей. [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10]

Вектор [ править ]

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

Часто и растровые, и векторные элементы объединяются в одном изображении; например, в случае рекламного щита с текстом (вектор) и фотографиями (растр).

Примеры векторных типов файлов: EPS , PDF и AI .

Просмотр изображений [ править ]

Программа просмотра изображений отображает изображения. Веб-браузеры могут отображать стандартные форматы изображений в Интернете, включая JPEG , GIF и PNG . Некоторые могут отображать формат SVG , который является стандартным форматом W3C . В прошлом, когда Интернет был еще медленным, было обычным делом предоставлять изображение для предварительного просмотра, которое загружалось и появлялось на веб-сайте перед заменой основным изображением (чтобы произвести предварительное впечатление). Сейчас Интернет работает достаточно быстро, 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 трудно загружать, и их обычно можно просматривать в Интернете через более сложные веб-интерфейсы.

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

История [ править ]

Первое сканирование, проведенное SEAC в 1957 году.
Сканер SEAC

Ранние цифровые факсимильные аппараты, такие как кабельная система передачи изображений Bartlane, на десятилетия предшествовали цифровым камерам и компьютерам. Первое изображение, которое нужно отсканировать, сохранить и воссоздать в цифровых пикселях, было отображено на стандартном восточном автоматическом компьютере ( SEAC ) в NIST . [12] Развитие цифровых изображений продолжалось в начале 1960-х годов наряду с разработкой космической программы и медицинских исследований. В проектах Лаборатории реактивного движения , Массачусетского технологического института , Bell Labs и Университета Мэриленда , среди прочего, использовались цифровые изображения для продвиженияспутниковые изображения , преобразование стандартов проводной фотосъемки, медицинская визуализация , технология видеофона , распознавание символов и улучшение фотографий. [13]

Быстрый прогресс в области создания цифровых изображений начался с появления МОП-интегральных схем в 1960-х и микропроцессоров в начале 1970-х, наряду с прогрессом в области хранения компьютерной памяти , технологий отображения и алгоритмов сжатия данных .

Изобретение компьютерной аксиальной томографии ( CAT сканирование ), используя рентгеновские лучи для получения цифрового изображения «среза» через трехмерный объект, имело большое значение для медицинской диагностики. Помимо создания цифровых изображений, оцифровка аналоговых изображений позволила улучшить и восстановить археологические артефакты и начала использоваться в столь разных областях, как ядерная медицина , астрономия , правоохранительные органы , оборона и промышленность . [14]

Достижения в области микропроцессорных технологий проложили путь для разработки и маркетинга устройств с зарядовой связью (ПЗС) для использования в широком спектре устройств захвата изображений и постепенно вытеснили использование аналоговой пленки и ленты в фотографии и видео к концу 20-го века. век. Вычислительная мощность, необходимая для обработки цифрового захвата изображения, также позволила компьютерным цифровым изображениям достичь уровня детализации, близкого к фотореализму . [15]

Цифровые датчики изображения [ править ]

В основе цифровых датчиков изображения лежит технология металл-оксид-полупроводник (MOS), [16] которая берет свое начало в результате изобретения MOSFET ( полевого МОП-транзистора) Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом из Bell Labs в 1959 г. [ 17]. Это привело к разработке цифровых полупроводниковых датчиков изображения, включая устройство с зарядовой связью (ПЗС), а затем и датчик КМОП . [16]

Первым полупроводниковым датчиком изображения была ПЗС-матрица, разработанная Уиллардом С. Бойлом и Джорджем Смитом в Bell Labs в 1969 году. [18] 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 серию МОП-конденсаторов в ряд, они подключали к ним подходящее напряжение, чтобы заряд мог переходить от одного к другому. [16] ПЗС - это полупроводниковая схема, которая позже использовалась в первых цифровых видеокамерах для телевизионного вещания . [19]

Ранние датчики CCD страдали от задержки срабатывания затвора . Это было в значительной степени решено с изобретением закрепленного фотодиода (PPD). [20] Он был изобретен Нобуказу Тераниши , Хиромицу Шираки и Ясуо Исихара в NEC в 1980 году. [20] [21] Это была структура фотодетектора с низкой задержкой, низким уровнем шума , высокой квантовой эффективностью и низким темновым током . [20] В 1987 году PPD начали включать в большинство 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 в датчиках CMOS. [20]

NMOS датчика активного пикселя (APS) , был изобретен Olympus в Японии в середине 1980-х годов. Это стало возможным благодаря достижениям в производстве полупроводниковых МОП- устройств , когда масштабирование МОП-транзисторов достигало более мелких микронных, а затем и субмикронных уровней. [22] [23] NMOS APS был изготовлен командой Цутому Накамура на Olympus в 1985 году [24] КМОП - датчика активного пикселя (КМОП - датчик) впоследствии был разработан Эрик фоссум команды «ы в НАСА Лаборатории реактивного движения в 1993 году . [20] К 2007 году объем продаж датчиков CMOS превзошли ПЗС - датчики.[25]

Сжатие цифровых изображений [ править ]

Важным достижением в технологии сжатия цифровых изображений стало дискретное косинусное преобразование (DCT), метод сжатия с потерями , впервые предложенный Насиром Ахмедом в 1972 году. [26] DCT-сжатие стало основой для JPEG , который был представлен Объединенной группой экспертов по фотографии в 1992. [27] JPEG сжимает изображения до файлов гораздо меньшего размера и стал наиболее широко используемым форматом файлов изображений в Интернете . [28] Его высокоэффективный алгоритм сжатия DCT во многом стал причиной широкого распространения цифровых изображений.и цифровые фотографии , [29] с несколькими миллиардами изображений JPEG, производимых каждый день по состоянию на 2015 год [30].

Мозаика [ править ]

В цифровых изображениях мозаика представляет собой комбинацию неперекрывающихся изображений, расположенных в виде мозаики . Гигапиксельные изображения являются примером такой мозаики цифровых изображений. Спутниковые изображения часто собираются в мозаику, чтобы охватить регионы Земли.

Интерактивный просмотр обеспечивается фотографией в виртуальной реальности .

См. Также [ править ]

  • Компьютерный принтер
  • DICOM
  • Цифровая геометрия
  • Корреляция цифрового изображения
  • Редактирование цифровых изображений
  • Цифровая обработка изображений
  • Цифровая фотография
  • Геокодированное фото
  • Оптическое распознавание символов
  • Обработка сигналов

Ссылки [ править ]

  1. ^ Гонсалес, Рафаэль (2018). Цифровая обработка изображений . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Пирсон. ISBN 978-0-13-335672-4. OCLC  966609831 .
  2. ^ Спецификация Digital Negative (DNG) . Сан-Хосе: Adobe, 2005. Верс. 1.1.0.0. п. 9. Доступ 10 октября 2007 г.
  3. ^ Универсальные правила фотографической цифровой обработки изображений (UPDIG): форматы файлов - проблема с необработанными файлами
  4. ^ Служба археологических данных / Цифровая древность: руководства по передовой практике - Раздел 3 Архивирование растровых изображений - Форматы файлов
  5. ^ Университет Коннектикута: «Необработанный как архивный формат неподвижного изображения: рассмотрение» Майкла Дж. Беннета и Ф. Барри Уиллера
  6. ^ Межуниверситетский консорциум политических и социальных исследований: устаревание - форматы файлов и программное обеспечение
  7. ^ JISC Digital Media - Неподвижные изображения: Выбор формата файла для цифровых неподвижных изображений - Форматы файлов для главного архива
  8. Музей Дж. Пола Гетти - Отдел фотографий: проект Rapid Capture Backlog - Презентация, заархивированная 10 июня 2012 г. на Wayback Machine
  9. ^ most important image on the internet - Electronic Media Group: Digital Image File Formats
  10. ^ Archives Association of British Columbia: Acquisition and Preservation Strategies (Rosaleen Hill)[permanent dead link]
  11. ^ "This 46-Gigapixel photo of the Milky Way will blow your mind". Retrieved 5 July 2018.
  12. ^ Fiftieth Anniversary of First Digital Image.
  13. ^ Azriel Rosenfeld, Picture Processing by Computer, New York: Academic Press, 1969
  14. ^ Gonzalez, Rafael, C; Woods, Richard E (2008). Digital Image Processing, 3rd Edition. Pearson Prentice Hall. p. 577. ISBN 978-0-13-168728-8.
  15. ^ Jähne, Bernd (1993). Spatio-temporal image processing, Theory and Scientific Applications. Springer Verlag. p. 208. ISBN 3-540-57418-2.
  16. ^ a b c Williams, J. B. (2017). The Electronics Revolution: Inventing the Future. Springer. pp. 245–8. ISBN 9783319490885.
  17. ^ "1960: Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated". The Silicon Engine. Computer History Museum. Retrieved August 31, 2019.
  18. ^ James R. Janesick (2001). Scientific charge-coupled devices. SPIE Press. pp. 3–4. ISBN 978-0-8194-3698-6.
  19. ^ Boyle, William S; Smith, George E. (1970). "Charge Coupled Semiconductor Devices". Bell Syst. Tech. J. 49 (4): 587–593. doi:10.1002/j.1538-7305.1970.tb01790.x.
  20. ^ a b c d e Fossum, Eric R.; Hondongwa, D. B. (2014). "A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors". IEEE Journal of the Electron Devices Society. 2 (3): 33–43. doi:10.1109/JEDS.2014.2306412.
  21. ^ U.S. Patent 4,484,210: Solid-state imaging device having a reduced image lag
  22. ^ Fossum, Eric R. (12 July 1993). Blouke, Morley M. (ed.). "Active pixel sensors: are CCDs dinosaurs?". SPIE Proceedings Vol. 1900: Charge-Coupled Devices and Solid State Optical Sensors III. International Society for Optics and Photonics. 1900: 2–14. Bibcode:1993SPIE.1900....2F. CiteSeerX 10.1.1.408.6558. doi:10.1117/12.148585. S2CID 10556755.
  23. ^ Fossum, Eric R. (2007). "Active Pixel Sensors". S2CID 18831792. Cite journal requires |journal= (help)
  24. ^ Matsumoto, Kazuya; et al. (1985). "A new MOS phototransistor operating in a non-destructive readout mode". Japanese Journal of Applied Physics. 24 (5A): L323. Bibcode:1985JaJAP..24L.323M. doi:10.1143/JJAP.24.L323.
  25. ^ "CMOS Image Sensor Sales Stay on Record-Breaking Pace". IC Insights. May 8, 2018. Retrieved 6 October 2019.
  26. ^ Ahmed, Nasir (January 1991). "How I Came Up With the Discrete Cosine Transform". Digital Signal Processing. 1 (1): 4–5. doi:10.1016/1051-2004(91)90086-Z.
  27. ^ "T.81 – Digital Compression and Coding of Continuous-Tone Still Images – Requirements and Guidelines" (PDF). CCITT. September 1992. Retrieved 12 July 2019.
  28. ^ "The JPEG image format explained". BT.com. BT Group. 31 May 2018. Retrieved 5 August 2019.
  29. ^ "What Is a JPEG? The Invisible Object You See Every Day". The Atlantic. 24 September 2013. Retrieved 13 September 2019.
  30. ^ Baraniuk, Chris (15 October 2015). "Copy protections could come to JPEGs". BBC News. BBC. Retrieved 13 September 2019.