Computer Imaging ist ein Bereich der Informatik , der verschiedene Techniken im Zusammenhang mit der Produktion, Verarbeitung, Indizierung und Komprimierung digitaler Bilder vereint. Ein digitales Bild ist eine binäre Darstellung eines Bildes, bestehend aus einer Matrix von Punkten, sogenannten Pixeln, die unterschiedliche Dimensionen ( räumlich, zeitlich usw. ) und unterschiedliche Codierungsebenen ( Farben, Graustufen usw. ) haben können.
Computational Imaging hat viele Anwendungen in verschiedenen Bereichen, wie zum Beispiel Bildsynthese, virtuelle Realität, erweiterte Realität, 3D - Modellierung Bildverarbeitung Videoverarbeitung , Videobearbeitung , Komprimierung , Computer Vision Bildsuche nach Inhalt oder sogar Videospiele .
In diesem Artikel stellen wir Ihnen die Grundprinzipien der Computerbildgebung, Arten digitaler Bilder, Methoden der Bildverarbeitung und -analyse sowie die Hauptanwendungsgebiete dieser Technologie .
Welche Arten von digitalen Bildern gibt es?
Die Computerbildgebung basiert auf drei Hauptphasen: Erfassung , Transformation und Visualisierung digitaler Bilder .
Erfassung digitaler Bilder
Bei der digitalen Bilderfassung wird ein analoges Bild (z. B. ein Foto oder eine reale Szene) in ein digitales Bild umgewandelt. Dazu müssen wir Geräte verwenden, die in der Lage sind, Licht einzufangen und es in elektrische Signale und dann in binäre Daten umzuwandeln. Diese Geräte werden Sensoren oder Analog-Digital-Wandler genannt. Abhängig von der Art des aufzunehmenden Bildes ( Stand- oder Bewegtbild, Farb- oder Schwarzweißbild usw.) und je nach Anwendungsbereich (Fotografie, Video, Scanner, Wärmebildkamera usw.) .).
Transformation digitaler Bilder
Die Transformation digitaler Bilder besteht darin, die Binärdaten, die das Bild darstellen, zu modifizieren, um seine Qualität zu verbessern, relevante Informationen zu extrahieren oder neue zu erstellen. Dazu müssen Sie Computerprogramme verwenden, die bestimmte Algorithmen auf digitale Bilder anwenden. Diese Programme werden Bildbearbeitungssoftware oder Grafiktools genannt. Abhängig von der Art der durchzuführenden Transformation (Korrektur, Filterung, Segmentierung, Kantenerkennung, Formerkennung usw.) und je nach Anwendungsbereich (Fotobearbeitung, Videobearbeitung, Synthese) gibt es unterschiedliche Arten von Bildbearbeitungssoftware . Bild usw.).
Digitale Bilder ansehen
Beim Betrachten digitaler Bilder wird das digitale Bild auf einem geeigneten Medium wie einem Computerbildschirm, einem Drucker oder einem Projektor angezeigt. Dazu ist es notwendig, Geräte zu verwenden, die binäre Daten in elektrische oder optische Signale umwandeln können, die die Elemente des Trägers stimulieren. Diese Geräte werden Digital-Analog-Wandler genannt. Es gibt verschiedene Arten von Digital-Analog-Wandlern , abhängig von der Art des verwendeten Mediums (LCD-Bildschirm, OLED-Bildschirm, Tintenstrahldrucker, Laserdrucker usw.) und je nach gewünschtem Anzeigemodus (2D- oder 3D-Bild, stereoskopisches Bild). oder holografisch usw.)
Welche Arten von digitalen Bildern gibt es?
Es gibt verschiedene Arten digitaler Bilder, je nachdem, wie die Pixel kodiert und organisiert sind. Wir können zwei Hauptkategorien unterscheiden: Rasterbilder und Vektorbilder.
Rasterbilder
Rasterbilder sind Bilder, die aus einem Pixelraster bestehen, wobei jedes Pixel einen Wert hat, der seine Farbe oder Graustufe darstellt. Rasterbilder eignen sich zur Darstellung realistischer Bilder mit feinen Details und Farbnuancen. Sie lassen sich auch leicht mit einer Bildbearbeitungssoftware manipulieren , die Pixel-für-Pixel-Transformationen durchführen kann. Allerdings haben Rasterbilder auch Nachteile: Sie beanspruchen viel Speicherplatz, sind anfällig für Rauschen und Komprimierungsartefakte und verlieren bei Vergrößerung oder Verkleinerung an Qualität.
Es gibt verschiedene Dateiformate zum Speichern von Rasterbildern, z. B. J PEG, PNG, GIF, BMP, TIFF usw. Diese Formate können danach klassifiziert werden, ob sie komprimiert oder unkomprimiert sind und ob sie verlustbehaftet oder verlustfrei sind. Ein komprimiertes Format reduziert die Dateigröße , indem bestimmte redundante oder kaum wahrnehmbare Informationen entfernt werden. Bei einem verlustbehafteten Format werden Informationen entfernt, die die Bildqualität beeinträchtigen könnten, während bei einem verlustfreien Format alle Informationen erhalten bleiben.
Vektorbilder
Vektorbilder sind Bilder, die aus geometrischen Objekten wie Punkten, Linien, Kurven, Polygonen usw. bestehen, wobei jedes Objekt über Attribute verfügt, die seine Position, Form, Farbe, Füllung usw. definieren. Vektorbilder eignen sich zur Darstellung einfacher Bilder mit regelmäßigen Formen und einheitlichen Farben. Sie lassen sich auch leicht mit einer Vektorzeichnungssoftware ändern , die geometrische Transformationen auf Objekte anwenden kann. Darüber hinaus haben Vektorbilder den Vorteil, dass sie wenig Speicherplatz beanspruchen, unempfindlich gegenüber Rauschen und Komprimierung sind und ihre Qualität unabhängig von der Zoomstufe .
Es gibt verschiedene Dateiformate zum Speichern von Vektorbildern , wie SVG, EPS, PDF, WMF usw. Diese Formate können danach klassifiziert werden, ob es sich um Standardformate oder proprietäre Formate handelt und ob sie mit Webbrowsern kompatibel sind oder nicht. Ein Standardformat ist ein Format, das einem offenen Standard folgt und von unterschiedlicher Software gelesen werden kann. Ein proprietäres Format gehört einem Unternehmen oder einer Organisation und erfordert zum Abspielen möglicherweise spezielle Software. Plugin oder eine externe Anwendung erforderlich ist .
Welche Methoden gibt es, digitale Bilder zu verarbeiten und zu analysieren?
Die Verarbeitung und Analyse digitaler Bilder besteht darin, Operationen auf digitale Bilder anzuwenden, um deren Qualität zu verbessern, nützliche Informationen zu extrahieren oder neue zu erstellen . Es gibt unterschiedliche Methoden zur Verarbeitung und Analyse digitaler Bilder, abhängig von der Art des Bildes (Matrix oder Vektor), der Domäne (räumlich oder Frequenz), dem Zweck (Korrektur, Filterung, Segmentierung, Kantenerkennung, Formerkennung usw. ) und den Pegel (niedriger Pegel, mittlerer Pegel oder hoher Pegel).
Verarbeitung und Analyse von Rasterbildern
Die Verarbeitung und Analyse von Rasterbildern kann in zwei verschiedenen Bereichen erfolgen: dem räumlichen Bereich und dem Frequenzbereich.
Die Weltraumdomäne
Der räumliche Bereich entspricht dem Bereich, in dem die Pixel entsprechend ihrer Position im Bild angeordnet sind . vorherige Transformation durchzuführen . Diese Operationen können unterschiedlicher Art sein, wie zum Beispiel:
- Korrektur , die darauf abzielt, die Bildqualität durch Änderung von Parametern wie Helligkeit, Kontrast, Farbbalance usw.
- Filterung , Rauschen zu reduzieren oder bestimmte Details im Bild hervorzuheben, indem Masken oder Filter verwendet werden, die Pixelwerte basierend auf ihren Nachbarn ändern.
- Segmentierung nach Kriterien wie Farbe, Textur, Intensität usw. oder
- Kantenerkennung , die darauf abzielt, Grenzen zwischen Bildregionen mithilfe von Operatoren zu identifizieren, die den Gradienten oder die Variation der Pixelintensität berechnen.
- Mustererkennung , die darauf abzielt, im Bild vorhandene Objekte mithilfe von Techniken wie Mustervergleich, Merkmalsbeschreibung, maschinellem Lernen usw. zu identifizieren und zu klassifizieren.
Der Frequenzbereich
Der Frequenzbereich entspricht dem Bereich, in dem die Pixel entsprechend ihrer Frequenz bzw. ihrer Periodizität im Bild angeordnet sind. Die Verarbeitung und Analyse von Rasterbildern im Frequenzbereich umfasst die Anwendung von Operationen nach der Transformation des Bildes vom räumlichen Bereich in den Frequenzbereich. Diese Transformation ermöglicht es, das Bild als Summe sinusförmiger Funktionen unterschiedlicher Frequenz und Amplitude darzustellen. Niederfrequente Sinusfunktionen entsprechen Gesamtvariationen im Bild, während hochfrequente Sinusfunktionen feinen Bilddetails entsprechen. Operationen im Frequenzbereich können unterschiedlicher Art sein, wie zum Beispiel:
- Komprimierung zielt darauf ab, die Dateigröße zu reduzieren, indem Sinusfunktionen eliminiert werden, die nur geringe Auswirkungen auf die visuelle Wahrnehmung des Bildes haben .
- Filterung , Rauschen zu reduzieren oder bestimmte Bilddetails hervorzuheben, indem Filter verwendet werden, die die Amplituden der Sinusfunktionen entsprechend ihrer Frequenz ändern.
- Restaurierung , die darauf abzielt, die Bildqualität durch die Korrektur von durch den Sensor oder den Digital-Analog-Wandler verursachten Verzerrungen zu verbessern .
- Mustererkennung , die darauf abzielt, im Bild vorhandene Objekte mithilfe von Techniken wie Kreuzkorrelation, Hough-Transformation, Wavelet-Transformation usw. zu identifizieren und zu klassifizieren.
Verarbeitung und Analyse von Vektorbildern
Die Verarbeitung und Analyse von Vektorbildern besteht aus der Anwendung von Operationen auf die geometrischen Objekte, aus denen das Bild besteht. Diese Operationen können unterschiedlicher Art sein, wie zum Beispiel:
- Geometrische Transformation , die darauf abzielt, die Position, Größe, Ausrichtung oder Form geometrischer Objekte mithilfe von Matrizen oder mathematischen Funktionen zu ändern.
- Färbung , die darauf abzielt, die Farbe oder Füllung geometrischer Objekte mithilfe von Attributen oder Farbverläufen zu ändern.
- Die Erstellung komplexer Objekte , die darauf abzielt, mehrere einfache geometrische Objekte mithilfe boolescher Operationen (Vereinigung, Schnittmenge, Differenz usw.) oder Verformungsoperationen (Krümmung, Drehung usw.) zu kombinieren.
- Rasterisierung , die darauf abzielt, ein Vektorbild in ein Rasterbild umzuwandeln, indem die Pixelwerte berechnet werden, die geometrischen Objekten entsprechen.
- Vektorisierung , ein Rasterbild in ein Vektorbild umzuwandeln, indem die Konturen und Bereiche des Bildes erkannt und mit geometrischen Objekten angenähert werden.
Was sind die Hauptanwendungsgebiete der computergestützten Bildgebung?
Computerbildgebung hat viele Anwendungen in verschiedenen Bereichen, die in drei große Kategorien eingeteilt werden können: die Erstellung, Kommunikation und das Verständnis digitaler Bilder .
Digitale Bilder erstellen
Bei der Erstellung digitaler Bilder handelt es sich um die Erstellung von Originalbildern oder die Modifizierung bestehender Bilder für künstlerische, Freizeit- oder Bildungszwecke. Zu den Einsatzgebieten der digitalen Bildgestaltung gehören:
- Bildsynthese , bei der Bilder aus mathematischen Modellen oder digitalen Daten generiert werden, wobei Techniken wie Raytracing, nicht-fotorealistisches Rendering, prozedurale Generierung usw. zum Einsatz kommen.
- Virtuelle Realität , die darin besteht, eine immersive und interaktive Umgebung zu schaffen und zu simulieren, in der sich der Benutzer bewegen und handeln kann, indem er Geräte wie das Virtual-Reality-Headset, den Datenhandschuh, das Laufband usw. verwendet.
- Augmented Reality , das darin besteht, mithilfe von Geräten wie Smartphones, Tablets, vernetzten Brillen usw. virtuelle Elemente über ein reales Bild zu legen.
- 3D-Modellierung , bei der dreidimensionale Objekte aus geometrischen Grundelementen oder Punktwolken mithilfe von Software wie Blender, Maya, SketchUp usw. erstellt und bearbeitet werden.
- Videobearbeitung , bei der Videosequenzen mithilfe von Software wie Adobe Premiere Pro, Final Cut Pro, iMovie usw. zusammengestellt, geschnitten, geändert oder mit Effekten versehen werden.
- Videospiele bestehen aus dem Erstellen und Spielen interaktiver und unterhaltsamer Szenarien, in denen der Spieler einen oder mehrere Charaktere oder Objekte über Plattformen wie die Spielekonsole, den Computer, das Smartphone usw. steuert .
Digitale Bildkommunikation
Bei der digitalen Bildkommunikation handelt es sich um die Übertragung oder Verbreitung von Bildern über verschiedene Medien oder Netzwerke zu Informations-, Werbe- oder sozialen Zwecken. Zu den Einsatzgebieten der digitalen Bildkommunikation gehören:
- Komprimierung Speicherung oder Übertragung zu erleichtern.
- Kryptographie , bei der es darum geht, Bilder vor unbefugtem Zugriff oder böswilliger Veränderung zu schützen, indem Techniken wie Verschlüsselung, digitales Wasserzeichen, digitale Signatur usw.
- Inhaltsbasierte Bildsuche , die darin besteht, Bilder zu finden, die einer Text- oder visuellen Abfrage ähneln oder für diese relevant sind, mithilfe von Techniken wie der Extraktion visueller Merkmale , der Indexierung von Schlüsselwörtern, der visuellen Ähnlichkeit, dem Ranking nach Relevanz usw.
- Gesichtserkennung , bei der die Identität einer Person anhand ihres Gesichts identifiziert oder überprüft wird, wobei Techniken wie Merkmalspunkterkennung, Mustervergleich, Deep Learning usw. zum Einsatz kommen.
- Soziale Netzwerke , die darin bestehen, Bilder mit anderen Benutzern zu teilen oder zu kommentieren, indem Plattformen wie Facebook, Instagram, Snapchat usw. genutzt werden.
Digitale Bilder verstehen
Bildverständnis geht es um die Analyse oder Interpretation von Bildern für wissenschaftliche, medizinische oder industrielle Zwecke. Zu den Anwendungsgebieten zum Verständnis digitaler Bilder gehören:
- Computer Vision , bei der die visuelle Wahrnehmung des Menschen simuliert und semantische oder geometrische Informationen aus Bildern extrahiert werden, wobei Techniken wie semantische Segmentierung, Objekterkennung, Bewegungsverfolgung, 3D-Rekonstruktion usw. zum Einsatz kommen.
- Medizinische Bildgebung , bei der Bilder des menschlichen Körpers zu Diagnose- oder Behandlungszwecken erstellt oder analysiert werden, wobei Techniken wie Radiographie, Ultraschall, MRT, Tomographie usw. zum
- Wissenschaftliche Bildgebung , bei der Bilder natürlicher oder künstlicher Phänomene zu Forschungs- oder Erkundungszwecken erstellt oder analysiert werden, wobei Techniken wie Mikroskopie, Spektroskopie, Fernerkundung, Astrofotografie usw. zum Einsatz kommen.
- Industrielle Bildgebung , bei der Bilder von Industrieprodukten oder -prozessen zu Qualitätskontroll- oder Sicherheitszwecken erstellt oder analysiert werden, wobei Techniken wie maschinelles Sehen, zerstörungsfreie Prüfung, Infrarot-Thermografie usw. zum Einsatz kommen .
Abschluss
Computational Imaging ist ein spannendes und sich entwickelndes Feld , das viele Möglichkeiten zum Erstellen, Kommunizieren und Verstehen digitaler Bilder bietet. Ob für Unterhaltungs-, Informations- oder Wissenschaftszwecke: Computerbildgebung ermöglicht es, Bilder von beispielloser Qualität und Fülle zu erzeugen und zu bearbeiten. Allerdings bringt die Computerbildgebung auch Herausforderungen und ethische Fragen mit sich, etwa die Wahrung der Privatsphäre, des Urheberrechts oder der Richtigkeit der Bilder. Daher ist es der Computerbildgebung zu schulen Business Intelligence beispielsweise ist eine der Disziplinen, die auf Computational Imaging zur Analyse und Visualisierung komplexer und großer Datenmengen setzt, um die Entscheidungsfindung in verschiedenen Anwendungsbereichen zu unterstützen.
