Цифровое изображение - Digital imaging

Для более широкого освещения этой темы см. Imaging .
Информацию о процессе цифровой криминалистической экспертизы см. В разделе « Приобретение (судебная экспертиза)» .

Цифровое изображение или получение цифрового изображения - это создание представления визуальных характеристик объекта, таких как физическая сцена или внутренняя структура объекта. Часто предполагается, что этот термин подразумевает или включает обработку , сжатие , хранение , печать и отображение таких изображений. Ключевым преимуществом цифрового изображения по сравнению с аналоговым изображением, таким как фотография с пленки , является возможность бесконечно делать цифровые копии и копии копий без потери качества изображения.

Цифровое изображение можно классифицировать по типу электромагнитного излучения или других волн , переменное затухание которых при прохождении через объекты или отражении от них передает информацию , составляющую изображение . Во всех классах цифровых изображений информация преобразуется датчиками изображения в цифровые сигналы , которые обрабатываются компьютером и выводятся в виде изображения в видимом свете. Например, среда видимого света позволяет производить цифровую фотографию (включая цифровую видеосъемку ) с помощью различных типов цифровых фотоаппаратов (включая цифровые видеокамеры ). Рентгеновские лучи позволяют получать цифровые рентгеновские изображения ( цифровая рентгенография , рентгеноскопия и КТ ), а гамма-лучи позволяют получать цифровые гамма-изображения (цифровая сцинтиграфия , ОФЭКТ и ПЭТ ). Звук позволяет ультрасонографию (например, медицинской УЗИ ) и гидролокатор , и радиоволны позволяют радар . Цифровая обработка изображений хорошо подходит для анализа изображений с помощью программного обеспечения , а также для редактирования изображений (включая манипуляции с изображениями).

История

До создания цифровых изображений первая фотография « Вид из окна в Ле Гра» была сделана в 1826 году французом Жозефом Нисефором Ньепсом . Когда Джозефу было 28 лет, он обсуждал со своим братом Клодом возможность воспроизведения изображений с помощью света. Его внимание к его новым инновациям началось в 1816 году. На самом деле он был больше заинтересован в создании двигателя для лодки. Джозеф и его брат в течение некоторого времени уделяли этому внимание, и Клод успешно продвигал свое новаторство, перемещая его в Англию. Джозеф смог сфокусироваться на фотографии и, наконец, в 1826 году он смог сделать свою первую фотографию вида из окна. На это потребовалось 8 часов и более воздействия света.

Первое цифровое изображение было получено в 1920 году системой передачи изображений по кабелю Bartlane . Британские изобретатели Гарри Дж. Бартоломью и Мейнард Д. Макфарлейн разработали этот метод. Процесс состоял из «серии негативов на цинковых пластинах, которые экспонировались в течение разного времени, таким образом создавая разную плотность». Система передачи изображения по кабелю Bartlane генерировала как на передатчике, так и на приемнике перфокарту с данными или ленту, которая была воссоздана как изображение.

В 1957 году Рассел А. Кирш создал устройство, генерирующее цифровые данные, которые можно было сохранить в компьютере; для этого использовались барабанный сканер и фотоэлектронный умножитель .

Цифровое изображение было разработано в 1960-х и 1970-х годах, в основном для того, чтобы избежать эксплуатационных недостатков пленочных фотоаппаратов для научных и военных миссий, включая программу KH-11 . Поскольку в последующие десятилетия цифровая технология стала дешевле, она заменила старые кинематографические методы для многих целей.

В начале 1960-х годов, разрабатывая компактное, легкое и портативное оборудование для неразрушающего контроля бортовых самолетов, Фредерик Г. Вейхарт и Джеймс Ф. Макналти (радиоинженер из США) в Automation Industries, Inc., затем в Эль-Сегундо, Калифорния. соавтором первого устройства для создания цифрового изображения в реальном времени, которое представляло собой рентгеноскопическую цифровую рентгенограмму . Прямоугольные сигналы регистрировались на флуоресцентном экране флюороскопа для создания изображения.

Цифровые датчики изображения

Основная статья: Датчик изображения

Основой для цифровых датчиков изображения является технология металл-оксид-полупроводник (MOS), которая берет свое начало с изобретения MOSFET ( полевого МОП-транзистора) Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом из Bell Labs в 1959 году. Это привело к созданию полевого МОП-транзистора. разработка цифровых полупроводниковых датчиков изображения, включая устройство с зарядовой связью (ПЗС), а затем и КМОП-датчик .

Устройство с зарядовой связью было изобретено Уиллардом С. Бойлом и Джорджем Смитом в Bell Labs в 1969 году. Изучая технологию МОП, они поняли, что электрический заряд аналогичен магнитному пузырю и что его можно хранить на крошечном носителе. МОП-конденсатор . Поскольку было довольно просто изготовить серию МОП-конденсаторов в ряд, они подключали к ним подходящее напряжение, чтобы заряд мог переходить от одного к другому. ПЗС - это полупроводниковая схема, которая позже использовалась в первых цифровых видеокамерах для телевещания .

Ранние датчики CCD страдали от задержки срабатывания затвора . Это было в значительной степени решено с изобретением закрепленного фотодиода (PPD). Он был изобретен Нобуказу Тераниши , Хиромицу Сираки и Ясуо Исихара в NEC в 1980 году. Это была структура фотодетектора с низкой задержкой, низким уровнем шума , высокой квантовой эффективностью и низким темновым током . 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.

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. NMOS APS был изготовлен командой Цутому Накамуры в Olympus в 1985 году. CMOS -датчик с активными пикселями (CMOS-датчик) был позже разработан командой Эрика Фоссума в Лаборатории реактивного движения НАСА в 1993 году. К 2007 году продажи CMOS-датчиков снизились. превзошли датчики CCD.

Сжатие цифровых изображений

Основная статья: Сжатие изображений

Важным развитием технологии сжатия цифровых изображений стало дискретное косинусное преобразование (DCT), метод сжатия с потерями , впервые предложенный Насиром Ахмедом в 1972 году. DCT-сжатие стало основой для JPEG , который был представлен Объединенной группой экспертов по фотографии в 1992 году. JPEG сжимает изображения до файлов гораздо меньшего размера и стал наиболее широко используемым форматом файлов изображений в Интернете . Его высокоэффективный алгоритм сжатия DCT был в значительной степени ответственен за широкое распространение цифровых изображений и цифровых фотографий , при этом по состоянию на 2015 год ежедневно создавалось несколько миллиардов изображений JPEG.

Цифровые фотоаппараты

Основная статья: Цифровая камера

Эти различные идеи сканирования легли в основу первых разработок цифровых фотоаппаратов. Ранние камеры требовали много времени для захвата изображения и плохо подходили для потребительских целей. Цифровые фотоаппараты стали действительно популярными только после того, как были приняты ПЗС-матрицы ( устройства с зарядовой связью ). ПЗС-матрица стала частью систем формирования изображений, используемых в телескопах, первых черно-белых цифровых камерах 1980-х годов. В конечном итоге к ПЗС-матрице был добавлен цвет, и сегодня это обычная функция камер.

Меняющаяся среда

Большие успехи были достигнуты в области создания цифровых изображений. Негативы и открытость для многих являются чуждыми понятиями, и первое цифровое изображение в 1920 году в конечном итоге привело к более дешевому оборудованию, все более мощному, но простому программному обеспечению и развитию Интернета.

Постоянное совершенствование и производство физического оборудования и оборудования, связанного с цифровой визуализацией, оказали влияние на окружающую среду на месторождении. От фотоаппаратов и веб-камер до принтеров и сканеров - оборудование становится изящнее, тоньше, быстрее и дешевле. По мере снижения стоимости оборудования рынок для новых энтузиастов расширяется, позволяя большему количеству потребителей испытать острые ощущения от создания своих собственных изображений.

Обычные персональные ноутбуки, семейные настольные компьютеры и корпоративные компьютеры могут работать с программным обеспечением для фотографий. Наши компьютеры - это более мощные машины с увеличивающейся способностью запускать программы любого типа, особенно программное обеспечение для обработки цифровых изображений. И это программное обеспечение быстро становится умнее и проще. Хотя функции современных программ достигают уровня точного редактирования и даже рендеринга трехмерных изображений, пользовательские интерфейсы спроектированы так, чтобы быть удобными как для опытных пользователей, так и для новичков.

Интернет позволяет редактировать, просматривать и обмениваться цифровыми фотографиями и графикой. Быстрый просмотр веб-страниц позволяет легко найти графические изображения начинающих художников, фотографии из новостей со всего мира, корпоративные изображения новых продуктов и услуг и многое другое. Интернет явно зарекомендовал себя как катализатор роста цифровых изображений.

Интернет обмен фотографиями образов изменяет способ , которым мы понимаем фотографии и фотографы. Такие онлайн-сайты, как Flickr , Shutterfly и Instagram, дают миллиардам людей возможность делиться своими фотографиями, будь то любители или профессионалы. Фотография превратилась из роскошного средства общения и обмена в мимолетный момент времени. Сюжеты тоже изменились. Раньше в основном снимались люди и семья. Теперь мы берем их из чего угодно. Мы можем задокументировать наш день и поделиться им со всеми одним прикосновением пальцев.

В 1826 году Ньепс был первым, кто разработал фотографию, в которой для воспроизведения изображений использовался свет. С годами прогресс фотографии резко возрос. Сейчас каждый фотограф по-своему, тогда как в начале 1800-х и 1900-х годов потребители и производители высоко ценили и ценили расходы на долговечные фотографии. Согласно статье журнала о пяти способах, которыми цифровая камера изменила нас, говорится следующее: «Воздействие на профессиональных фотографов было огромным. Когда-то давно фотограф не осмелился бы тратить впустую снимок, если бы не был практически уверен, что это сработает ». Использование цифровых изображений (фотография) изменило способ нашего взаимодействия с окружающей средой за эти годы. Часть мира воспринимается по-другому благодаря визуальному представлению длительных воспоминаний, это стало новой формой общения с друзьями, семьей и близкими по всему миру без личного взаимодействия. С помощью фотографии легко увидеть тех, кого вы никогда раньше не видели, и почувствовать их присутствие без их присутствия, например, Instagram - это форма социальных сетей, где каждому разрешено снимать, редактировать и делиться фотографиями чего угодно с друзьями. и семья. Facebook, снимок, вайн и твиттер - это также способы, с помощью которых люди выражают свои мысли практически без слов и могут запечатлеть каждый важный момент. Надежные воспоминания, которые было трудно запечатлеть, теперь легко, потому что теперь каждый может делать снимки и редактировать их на своих телефонах или ноутбуках. Фотография стала новым способом общения, и с течением времени она быстро растет, что повлияло на мир вокруг нас.

Исследование, проведенное Бэйси, Мэном, Фрэнсисом и Мельбурном, показало, что рисунки, используемые в классе, оказывают значительное негативное влияние на содержание более низкого порядка в лабораторных отчетах учащихся, перспективы лабораторных работ, волнение и экономию времени на обучение. Обучение в стиле документации не оказывает значительного влияния на студентов в этих областях. Он также обнаружил, что студенты были более мотивированы и заинтересованы в обучении при использовании цифровых изображений.

Полевые достижения

В сфере образования.

  • По мере того как цифровые проекторы, экраны и графика попадают в классную комнату, учителя и ученики в одинаковой мере получают выгоду от повышенного удобства и общения, которые они обеспечивают, хотя их кража может быть обычной проблемой в школах. Кроме того, получение базового образования в области цифровых изображений становится все более важным для молодых специалистов. Рид, специалист по дизайну и производству из Университета Западного Вашингтона , подчеркнул важность использования «цифровых концепций для ознакомления студентов с захватывающими и полезными технологиями, которые можно найти в одной из основных отраслей 21 века».

Область медицинской визуализации

  • Отрасль цифровой визуализации, которая помогает в диагностике и лечении заболеваний, быстро растет. Недавнее исследование Американской академии педиатрии предполагает, что правильная визуализация детей, у которых может быть аппендицит, может уменьшить количество необходимых аппендэктомий. Дальнейшие достижения включают в себя удивительно подробные и точные изображения мозга, легких, сухожилий и других частей тела - изображения, которые могут использоваться медицинскими работниками для лучшего обслуживания пациентов.
  • По словам Видара, по мере того, как все больше стран используют этот новый способ получения изображений, было обнаружено, что оцифровка изображений в медицине становится все более выгодной как для пациентов, так и для медицинского персонала. Положительные последствия отказа от бумаги и перехода к оцифровке включают в себя общее снижение затрат на медицинское обслуживание, а также повышение глобальной доступности этих изображений в режиме реального времени. ( http://www.vidar.com/film/images/stories/PDFs/newsroom/Digital%20Transition%20White%20Paper%20hi-res%20GFIN.pdf )
  • Существует программа под названием Digital Imaging in Communications and Medicine (DICOM), которая меняет медицинский мир в том виде, в каком мы его знаем. DICOM - это не только система для получения высококачественных изображений вышеупомянутых внутренних органов, но и полезная при обработке этих изображений. Это универсальная система, которая включает в себя обработку изображений, совместное использование и анализ для удобства пациента и понимания. Эта услуга является всеобъемлющей и становится необходимостью.

В области технологий цифровая обработка изображений стала более полезной, чем аналоговая обработка изображений, если принять во внимание современные технологические достижения.

  • Повышение резкости и восстановление изображения -
    • Повышение резкости и восстановление изображения - это процедура изображений, которые захватываются современной камерой, делая их улучшенными, или манипулируя изображениями таким образом, чтобы получить выбранный продукт. Это включает в себя процесс масштабирования, процесс размытия, процесс повышения резкости, процесс преобразования серой шкалы в цвет, процесс восстановления изображения и процесс идентификации изображения.
  • Распознавание лиц -
    • Распознавание лиц - это инновация для ПК, которая определяет положение и размер человеческих лиц на самонадеянных цифровых изображениях. Он различает лицевые компоненты и просматривает все, например, структуры, деревья и тела.
  • Удаленное обнаружение -
    • Дистанционное обнаружение - это сбор данных о предмете или происшествии в небольшом или значительном масштабе с использованием записывающего или постоянного устройства обнаружения, которое не находится в существенном или тесном контакте с предметом. На практике удаленное обнаружение - это одновременное накопление с использованием набора гаджетов для сбора данных о конкретном предмете или местоположении.
  • Обнаружение паттернов -
    • Обнаружение паттернов - это исследование или исследование обработки изображений. При обнаружении рисунка обработка изображения используется для распознавания элементов в изображениях, и после этого машинное изучение используется для указания структуры для изменения рисунка. Обнаружение паттернов используется для компьютерного анализа, обнаружения каллиграфии, идентификации изображений и многого другого.
  • Обработка цвета -
    • Обработка цвета включает обработку цветных изображений и различных цветовых местоположений, которые используются. Кроме того, это включает изучение передачи, хранения и кодирования цветных изображений.

Теоретическое применение

Хотя теории быстро становятся реальностью в современном технологическом обществе, диапазон возможностей для создания цифровых изображений широко открыт. Одно из основных приложений, которое все еще находится в разработке, - это безопасность и защита детей. Как мы можем использовать цифровые изображения, чтобы лучше защитить наших детей? Программа Kodak , Детское цифровое программное обеспечение для идентификации (KIDS), может дать ответ на этот вопрос. В начале есть комплект цифровых изображений, который будет использоваться для составления идентификационных фотографий учащихся, которые могут быть полезны во время неотложной медицинской помощи и преступлений. Более мощные и продвинутые версии приложений, подобные этим, все еще разрабатываются, а расширенные функции постоянно тестируются и добавляются.

Но не только родители и школа видят преимущества в таких базах данных. Офисы уголовных расследований, такие как полицейские участки, криминалистические лаборатории штатов и даже федеральные бюро, осознали важность цифровых изображений для анализа отпечатков пальцев и улик, проведения арестов и поддержания безопасности в сообществах. По мере развития области цифровых изображений растут и наши возможности по защите населения.

Цифровая обработка изображений может быть тесно связана с теорией социального присутствия, особенно когда речь идет об аспектах социальных сетей, связанных с изображениями, снятыми нашими телефонами. Существует множество различных определений теории социального присутствия, но два из них четко определяют, что это такое: «степень, в которой люди воспринимаются как настоящие» (Gunawardena, 1995), и «способность социально и эмоционально проецировать себя как реальных людей. "(Гарнизон, 2000). Цифровые изображения позволяют проявлять свою социальную жизнь через изображения, чтобы передать ощущение своего присутствия в виртуальном мире. Присутствие этих изображений действует как расширение вас самих для других, давая цифровое представление о том, что они делают и с кем. Цифровые изображения в виде камер на телефонах помогают облегчить этот эффект присутствия с друзьями в социальных сетях. Александр (2012) утверждает: «присутствие и репрезентация глубоко запечатлены в наших размышлениях об изображениях ... это, конечно, измененное присутствие ... никто не путает образ с реальностью репрезентации. Но мы позволяем себе погрузиться в себя. этим представлением, и только это «представление» может правдоподобно показать живость отсутствующего ". Таким образом, цифровые изображения позволяют нам быть представлены таким образом, чтобы отразить наше социальное присутствие.

Фотография - это средство, используемое для визуальной фиксации определенных моментов. Благодаря фотографии наша культура получила возможность передавать информацию (например, внешний вид) с минимальными искажениями или без них. Теория богатства медиа обеспечивает основу для описания способности среды передавать информацию без потерь или искажений. Эта теория дала возможность понять поведение человека в коммуникационных технологиях. В статье, написанной Дафтом и Ленгелем (1984, 1986), говорится следующее:

Коммуникационные средства массовой информации характеризуются разнообразием разнообразия. Богатство среды включает четыре аспекта: доступность мгновенной обратной связи, которая позволяет задавать вопросы и отвечать на них; использование нескольких сигналов, таких как физическое присутствие, интонация голоса, жесты тела, слова, числа и графические символы; использование естественного языка, который можно использовать для передачи понимания широкого набора концепций и идей; и личный фокус средства массовой информации (стр. 83).

Чем больше медиум способен передать точный внешний вид, социальные сигналы и другие подобные характеристики, тем более богатым он становится. Фотография стала естественной частью нашего общения. Например, на большинстве телефонов есть возможность отправлять изображения в текстовых сообщениях. Приложения Snapchat и Vine становятся все более популярными для общения. Такие сайты, как Instagram и Facebook, также позволили пользователям достичь более глубокого уровня богатства благодаря их способности воспроизводить информацию. Sheer, VC (январь – март 2011 г.). Использование подростками функций MSN, тем для обсуждения и развития онлайн-дружбы: влияние медиа-богатства и коммуникационного контроля. Communication Quarterly, 59 (1).

Методы

Цифровая фотография может быть создана непосредственно с физической сцены с помощью камеры или аналогичного устройства. В качестве альтернативы цифровое изображение может быть получено из другого изображения на аналоговом носителе, таком как фотографии , фотопленка или печатная бумага, с помощью сканера изображений или аналогичного устройства. Многие технические изображения - например, полученные с помощью томографического оборудования , гидролокатора бокового обзора или радиотелескопов - фактически получены путем комплексной обработки данных, не являющихся изображениями. Карты с метеорологическим радаром, показанные в телевизионных новостях, являются обычным примером. Оцифровка аналоговых реальных данных известна как оцифровка и включает в себя дискретизацию (дискретизацию) и квантование . Проекционное изображение цифровой рентгенографии может быть выполнено с помощью детекторов рентгеновского излучения, которые напрямую преобразуют изображение в цифровой формат. В качестве альтернативы рентгенография с люминофорной пластиной - это когда изображение сначала делается на пластине с фотостимулируемым люминофором (PSP), которая затем сканируется с помощью механизма, называемого фотостимулируемой люминесценцией .

Наконец, цифровое изображение также может быть вычислено на основе геометрической модели или математической формулы. В этом случае более уместно название « синтез изображения» , которое чаще известно как рендеринг .

Аутентификация цифрового изображения является проблемой для поставщиков и производителей цифровых изображений, таких как медицинские организации, правоохранительные органы и страховые компании. В судебной фотографии появляются методы анализа цифрового изображения и определения того, было ли оно изменено .

Раньше создание цифровых изображений зависело от химических и механических процессов, теперь все эти процессы преобразованы в электронные. Для создания цифровых изображений необходимо выполнить несколько действий: энергия света преобразуется в электрическую - представьте себе сеть с миллионами маленьких солнечных элементов. Каждое состояние генерирует определенный электрический заряд. Заряды для каждого из этих «солнечных элементов» транспортируются и передаются прошивке для интерпретации. Прошивка - это то, что понимает и передает цвет и другие световые качества. Пиксели - это то, что мы замечаем дальше, разной интенсивности они создают и вызывают разные цвета, создавая картинку или изображение. Наконец, микропрограмма записывает информацию на будущее и для воспроизведения.

Преимущества

Цифровое изображение дает несколько преимуществ. Во-первых, процесс обеспечивает легкий доступ к фотографиям и текстовым документам. Google находится в авангарде этой «революции», выполняя свою миссию по оцифровке мировых книг. Такая оцифровка сделает книги доступными для поиска, что сделает участвующие библиотеки, такие как Стэнфордский университет и Калифорнийский университет в Беркли, доступными во всем мире. Цифровая визуализация также приносит пользу миру медицины, потому что она «позволяет передавать изображения в электронном виде сторонним поставщикам, стоматологам, консультантам и страховым компаниям через модем». Этот процесс «экологически безопасен, так как не требует химической обработки». Цифровые изображения также часто используются для документирования и записи исторических, научных и личных жизненных событий.

Преимущества также существуют в отношении фотографий . Цифровая обработка изображений снизит потребность в физическом контакте с исходными изображениями. Кроме того, цифровое изображение создает возможность восстановления визуального содержания частично поврежденных фотографий, тем самым устраняя вероятность того, что оригинал будет изменен или уничтожен. Кроме того, фотографы будут «освобождены от« приковывания »к темной комнате», у них будет больше времени для съемки и они смогут более эффективно выполнять задания. Цифровая обработка изображений «означает», что «фотографам больше не нужно спешить с пленкой в ​​офис, чтобы они могли оставаться на месте дольше, соблюдая при этом сроки».

Еще одним преимуществом цифровой фотографии является то, что она была распространена на телефоны с камерой. Мы можем брать фотоаппараты с собой куда угодно, а также мгновенно отправлять фотографии другим. Нам это легко людям, а также помогает в процессе самоидентификации подрастающему поколению.

Критика

Критики цифровых изображений называют несколько негативных последствий. Повышенная «гибкость в предоставлении читателям более качественных изображений» соблазнит редакторов, фотографов и журналистов манипулировать фотографиями. Кроме того, «штатные фотографы больше не будут фотожурналистами, а будут операторами ... поскольку редакторы имеют право решать, что они хотят« снимать »». Правовые ограничения, в том числе авторское право , вызывают еще одну озабоченность: произойдет ли нарушение авторских прав, когда документы будут оцифрованы и копирование станет проще?

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки