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
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
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 оператору обработки получить максимальный 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 чаще 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
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).
Просмотр изображений
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
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 улучшения спутниковых изображений , преобразования стандартов проводной фотосъемки, медицинской визуализации , технологии видеофонов , распознавания символов и улучшения 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 микропроцессорной технологии 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
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 встраиваться 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
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 был в значительной степени ответствен за широкое распространение цифровых изображений и цифровых фотографий , [29] с несколькими миллиардов изображений в формате JPEG производятся каждый день по состоянию на 2015 год [30]
Мозаика
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 .
Смотрите также
- Компьютерный принтер
- DICOM
- Цифровая геометрия
- Корреляция цифрового изображения
- Редактирование цифровых изображений
- Цифровая обработка изображений
- Цифровая фотография
- Геокодированное фото
- Оптическое распознавание символов
- Обработка сигналов
Рекомендации
- ^ Гонсалес, Рафаэль (2018). Цифровая обработка изображений . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Пирсон. ISBN 978-0-13-335672-4. OCLC 966609831 .
- ^ Спецификация Digital Negative (DNG) . Сан-Хосе: Adobe, 2005. Верс. 1.1.0.0. п. 9. Доступ 10 октября 2007 г.
- ^ Универсальные правила фотографической цифровой обработки изображений (UPDIG): форматы файлов - проблема с необработанными файлами
- ^ Служба археологических данных / Цифровая древность: руководства по передовой практике - Раздел 3 Архивирование растровых изображений - Форматы файлов
- ^ Университет Коннектикута: «Необработанный как архивный формат неподвижного изображения: рассмотрение» Майкла Дж. Беннета и Ф. Барри Уиллера
- ^ Межуниверситетский консорциум политических и социальных исследований: устаревание - форматы файлов и программное обеспечение
- ^ JISC Digital Media - Неподвижные изображения: Выбор формата файла для цифровых неподвижных изображений - Форматы файлов для главного архива
- ↑ Музей Дж. Пола Гетти - Отдел фотографий: проект Rapid Capture Backlog - Презентация, заархивированная 10 июня 2012 г. на Wayback Machine
- ^ наиболее важное изображение в Интернете - Electronic Media Group: форматы файлов цифровых изображений
- ^ Архивная ассоциация Британской Колумбии: стратегии приобретения и сохранения (Розалин Хилл) [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ «Эта 46-гигапиксельная фотография Млечного Пути поразит вас» . Проверено 5 июля 2018 .
- ^ Пятидесятая годовщина первого цифрового изображения .
- ↑ Азриэль Розенфельд, Обработка изображений компьютером , Нью-Йорк: Academic Press, 1969.
- ^ Гонсалес, Рафаэль, К; Вудс, Ричард Э (2008). Цифровая обработка изображений, 3-е издание . Пирсон Прентис Холл. п. 577. ISBN. 978-0-13-168728-8.
- ^ Яне, Бернд (1993). Пространственно-временная обработка изображений, теория и научные приложения . Springer Verlag. п. 208. ISBN 3-540-57418-2.
- ^ а б в Уильямс, JB (2017). Революция в электронике: изобретение будущего . Springer. С. 245–8. ISBN 9783319490885.
- ^ «1960: Показан металлооксидно-полупроводниковый (МОП) транзистор» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Проверено 31 августа 2019 года .
- ^ Джеймс Р. Джейнсик (2001). Научные приборы с зарядовой связью . SPIE Press. С. 3–4. ISBN 978-0-8194-3698-6.
- ^ Бойл, Уильям S; Смит, Джордж Э. (1970). «Полупроводниковые приборы с зарядовой связью». Bell Syst. Tech. Дж . 49 (4): 587–593. DOI : 10.1002 / j.1538-7305.1970.tb01790.x .
- ^ а б в г д Фоссум, Эрик Р .; Хондонгва, ДБ (2014). "Обзор закрепленного фотодиода для датчиков изображения CCD и CMOS" . Журнал IEEE Общества электронных устройств . 2 (3): 33–43. DOI : 10,1109 / JEDS.2014.2306412 .
- ^ Патент США 4484210: Твердотельное устройство формирования изображения , имеющая большое запаздывание уменьшенного изображения
- ^ Фоссум, Эрик Р. (12 июля 1993 г.). Блуке, Морли М. (ред.). «Активные пиксельные сенсоры: динозавры ли ПЗС?». Труды SPIE, том. 1900: Устройства с зарядовой связью и твердотельные оптические датчики. III . Международное общество оптики и фотоники. 1900 : 2–14. Bibcode : 1993SPIE.1900 .... 2F . CiteSeerX 10.1.1.408.6558 . DOI : 10.1117 / 12.148585 . S2CID 10556755 .
- ^ Фоссум, Эрик Р. (2007). «Активные пиксельные датчики». S2CID 18831792 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Мацумото, Казуя; и другие. (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 .
- ^ «Продажи CMOS-сенсоров остаются рекордными темпами» . IC Insights . 8 мая 2018 . Дата обращения 6 октября 2019 .
- ^ Ахмед, Насир (январь 1991 г.). «Как я пришел к дискретному косинусному преобразованию» . Цифровая обработка сигналов . 1 (1): 4–5. DOI : 10.1016 / 1051-2004 (91) 90086-Z .
- ^ «T.81 - Цифровое сжатие и кодирование неподвижных изображений с непрерывным тоном - Требования и рекомендации» (PDF) . CCITT . Сентябрь 1992 . Проверено 12 июля 2019 .
- ^ «Объяснение формата изображения JPEG» . BT.com . BT Group . 31 мая 2018 . Дата обращения 5 августа 2019 .
- ^ «Что такое JPEG? Невидимый объект, который вы видите каждый день» . Атлантика . 24 сентября 2013 . Проверено 13 сентября 2019 .
- ^ Баранюк, Крис (15 октября 2015 г.). «Защита от копирования может приходить на файлы JPEG» . BBC News . BBC . Проверено 13 сентября 2019 .