Immagini computerizzate: cos'è?

L'imaging computerizzato è un campo dell'informatica che riunisce diverse tecniche relative alla produzione, elaborazione, indicizzazione e compressione delle immagini digitali. Un'immagine digitale è una rappresentazione binaria di un'immagine, costituita da una matrice di punti detti pixel, che possono avere diverse dimensioni ( spaziali, temporali, ecc. ) e diversi livelli di codifica ( colori, livelli di grigio, ecc. ).

L'imaging computazionale ha molte applicazioni in vari campi, come sintesi di immagini, realtà virtuale, realtà aumentata, modellazione 3D elaborazione di immagini elaborazione video , editing video , compressione , visione artificiale ricerca di immagini o persino videogiochi .

In questo articolo ti presenteremo i principi di base dell'imaging computerizzato, i tipi di immagini digitali, i metodi di elaborazione e analisi delle immagini, nonché le principali aree di applicazione di questa tecnologia .

Quali sono i tipi di immagini digitali?

L'imaging computerizzato si basa su tre fasi principali: acquisizione , trasformazione e visualizzazione delle immagini digitali .

Acquisizione di immagini digitali

L'acquisizione di immagini digitali comporta la conversione di un'immagine analogica (ad esempio, una fotografia o una scena reale) in un'immagine digitale. Per fare questo dobbiamo utilizzare dispositivi in ​​grado di catturare la luce e trasformarla in segnali elettrici, quindi in dati binari. Questi dispositivi sono chiamati sensori o convertitori analogico-digitali. Esistono diverse tipologie di sensori, a seconda del tipo di immagine da acquisire ( immagine fissa o in movimento, immagine a colori o in bianco e nero, ecc.) e a seconda del campo di applicazione (fotografia, video, scanner, termocamera, ecc.) .).

Trasformazione di immagini digitali

La trasformazione delle immagini digitali consiste nel modificare i dati binari che rappresentano l'immagine, al fine di migliorarne la qualità, estrarre informazioni rilevanti o crearne di nuove. Per fare ciò, è necessario utilizzare programmi informatici che applicano algoritmi specifici alle immagini digitali. Questi programmi sono chiamati software di imaging o strumenti grafici. Esistono diversi tipi di software di imaging, a seconda del tipo di trasformazione da eseguire (correzione, filtraggio, segmentazione, rilevamento dei bordi, riconoscimento della forma, ecc.) e a seconda del campo di applicazione (fotoritocco, video editing, sintesi) . immagine , ecc.).

Visualizzazione di immagini digitali

La visualizzazione di immagini digitali implica la visualizzazione dell'immagine digitale su un supporto adatto, come lo schermo di un computer, una stampante o un proiettore. Per fare ciò è necessario utilizzare dispositivi in ​​grado di convertire i dati binari in segnali elettrici o ottici che andranno a stimolare gli elementi del supporto. Questi dispositivi sono chiamati convertitori digitale-analogico. Esistono diversi tipi di convertitori digitale-analogico , a seconda del tipo di supporto utilizzato (schermo LCD, schermo OLED, stampante a getto d'inchiostro, stampante laser, ecc.) e a seconda della modalità di visualizzazione desiderata (immagine 2D o 3D, immagine stereoscopica o olografico, ecc.)

Quali sono i tipi di immagini digitali?

Esistono diversi tipi di immagini digitali, a seconda di come i pixel sono codificati e organizzati. Possiamo distinguere due categorie principali: immagini raster e immagini vettoriali.

Immagini raster

Le immagini raster sono immagini costituite da una griglia di pixel, ciascun pixel ha un valore che ne rappresenta il colore o il livello di grigio. Le immagini raster sono adatte a rappresentare immagini realistiche, con dettagli fini e sfumature di colore. Sono anche facili da manipolare con software di imaging , che può applicare trasformazioni pixel per pixel. Tuttavia, le immagini raster presentano anche degli svantaggi: occupano molto spazio di memoria, sono sensibili al rumore e agli artefatti di compressione e perdono qualità se ingrandite o ridotte.

Esistono diversi formati di file per la memorizzazione di immagini raster, come J PEG, PNG, GIF, BMP, TIFF, ecc Questi formati possono essere classificati a seconda che siano compressi o non compressi e se siano con o senza perdita di dati. Un formato compresso riduce la dimensione del file eliminando alcune informazioni ridondanti o appena percettibili. Un formato con perdita rimuove le informazioni che potrebbero alterare la qualità dell'immagine, mentre un formato senza perdita conserva tutte le informazioni.

Immagini vettoriali

Le immagini vettoriali sono immagini costituite da oggetti geometrici, come punti, linee, curve, poligoni, ecc., ciascun oggetto ha attributi che ne definiscono la posizione, la forma, il colore, il riempimento, ecc. Le immagini vettoriali sono adatte a rappresentare immagini semplici , con forme regolari e colori uniformi. Sono anche facili da modificare con il software di disegno vettoriale , che può applicare trasformazioni geometriche agli oggetti. Inoltre, le immagini vettoriali hanno il vantaggio di occupare poco spazio di memoria, di essere insensibili al rumore e alla compressione e di mantenere la loro qualità indipendentemente dal livello di zoom .

Esistono diversi formati di file per la memorizzazione di immagini vettoriali , come SVG, EPS, PDF, WMF, ecc. Questi formati possono essere classificati a seconda che siano standard o proprietari e se siano compatibili o meno con i browser web. Un formato standard è un formato che segue uno standard aperto e può essere letto da diversi software. Un formato proprietario è quello di proprietà di un'azienda o organizzazione e potrebbe richiedere un software specifico per essere riprodotto. Un formato compatibile con il browser Web è quello che può essere visualizzato direttamente su una pagina Web senza la necessità di un plug-in o di un'applicazione esterna .

Quali sono le modalità di elaborazione e analisi delle immagini digitali?

L' elaborazione e l'analisi delle immagini digitali consiste nell'applicare operazioni alle immagini digitali al fine di migliorarne la qualità, estrarre informazioni utili o crearne di nuove . Esistono diversi metodi di elaborazione e analisi delle immagini digitali, a seconda del tipo di immagine (matrice o vettore), del dominio (spaziale o di frequenza), dello scopo (correzione, filtraggio, segmentazione, rilevamento dei bordi, riconoscimento della forma, ecc. ) e il livello (livello basso, livello medio o livello alto).

Elaborazione e analisi di immagini raster

L'elaborazione e l'analisi delle immagini raster può essere eseguita in due domini diversi: il dominio spaziale e il dominio della frequenza.

Il dominio spaziale

Il dominio spaziale corrisponde al dominio in cui i pixel sono disposti in base alla loro posizione nell'immagine . L'elaborazione e l'analisi delle immagini raster nel dominio spaziale consiste nell'applicare operazioni direttamente sui valori dei pixel, senza passare attraverso una trasformazione preventiva . Tali operazioni possono essere di diverso tipo, quali:

• Correzione , che mira a migliorare la qualità dell'immagine modificando parametri come luminosità, contrasto, bilanciamento del colore, ecc.
• Filtraggio , che mira a ridurre il rumore o accentuare alcuni dettagli nell'immagine utilizzando maschere o filtri che modificano i valori dei pixel in base ai loro vicini.
• Segmentazione o significative secondo criteri quali colore, consistenza, intensità, ecc.
• Rilevamento dei bordi , che mira a identificare i confini tra le regioni dell'immagine utilizzando operatori che calcolano il gradiente o la variazione dell'intensità dei pixel.
• Riconoscimento di modelli , che mira a identificare e classificare gli oggetti presenti nell'immagine utilizzando tecniche come confronto di modelli, descrizione di caratteristiche, apprendimento automatico, ecc.

Il dominio della frequenza

Il dominio della frequenza corrisponde al dominio in cui i pixel sono disposti in base alla loro frequenza o alla loro periodicità nell'immagine. L'elaborazione e l'analisi delle immagini raster nel dominio della frequenza comporta l'applicazione di operazioni dopo la trasformazione dell'immagine dal dominio spaziale al dominio della frequenza. Questa trasformazione permette di rappresentare l'immagine come somma di funzioni sinusoidali di diverse frequenze e ampiezze. Le funzioni sinusoidali a bassa frequenza corrispondono alle variazioni complessive dell'immagine, mentre le funzioni sinusoidali ad alta frequenza corrispondono ai dettagli più fini dell'immagine. Le operazioni nel dominio della frequenza possono essere di diverso tipo, come ad esempio:

• Compressione , che mira a ridurre le dimensioni del file eliminando le funzioni sinusoidali che hanno poco impatto sulla percezione visiva dell'immagine .
• Filtraggio , che mira a ridurre il rumore o ad accentuare alcuni dettagli dell'immagine utilizzando filtri che modificano le ampiezze delle funzioni sinusoidali in base alla loro frequenza.
• Restauro , che mira a migliorare la qualità dell'immagine correggendo le distorsioni causate dal sensore o dal convertitore digitale-analogico .
• Riconoscimento di pattern , che mira a identificare e classificare gli oggetti presenti nell'immagine utilizzando tecniche come la correlazione incrociata, la trasformata di Hough, la trasformata wavelet, ecc.

Elaborazione e analisi di immagini vettoriali

L'elaborazione e l'analisi delle immagini vettoriali consiste nell'applicare operazioni agli oggetti geometrici che compongono l'immagine. Tali operazioni possono essere di diverso tipo, quali:

• Trasformazione geometrica , che mira a modificare la posizione, la dimensione, l'orientamento o la forma degli oggetti geometrici utilizzando matrici o funzioni matematiche.
• Colorazione , che mira a modificare il colore o il riempimento di oggetti geometrici utilizzando attributi o gradienti.
• La creazione di oggetti complessi , che mira a combinare diversi oggetti geometrici semplici utilizzando operazioni booleane (unione, intersezione, differenza, ecc.) o operazioni di deformazione (curvatura, torsione, ecc.).

• Rasterizzazione , che mira a convertire un'immagine vettoriale in un'immagine raster calcolando i valori dei pixel che corrispondono agli oggetti geometrici.
• Vettorializzazione , che mira a convertire un'immagine raster in un'immagine vettoriale rilevando i contorni e le regioni dell'immagine e approssimandoli con oggetti geometrici.

Quali sono i principali ambiti di applicazione dell’imaging computazionale?

L'imaging computerizzato ha numerose applicazioni in vari campi, che possono essere raggruppati in tre grandi categorie: la creazione, la comunicazione e la comprensione delle immagini digitali .

Creazione di immagini digitali

La creazione di immagini digitali consiste nel produrre immagini originali o nel modificare immagini esistenti per scopi artistici, ricreativi o educativi. Le aree di applicazione per la creazione di immagini digitali includono:

• Sintesi di immagini , che prevede la generazione di immagini da modelli matematici o dati digitali, utilizzando tecniche come ray tracing, rendering non fotorealistico, generazione procedurale, ecc.
• Realtà virtuale , che consiste nel creare e simulare un ambiente immersivo e interattivo in cui l'utente può muoversi e agire, utilizzando dispositivi come visori per realtà virtuale, guanti dati, tapis roulant, ecc.
• La realtà aumentata , che consiste nel sovrapporre elementi virtuali ad un'immagine reale, utilizzando dispositivi come smartphone, tablet, occhiali connessi, ecc.
• Modellazione 3D , che consiste nel creare e manipolare oggetti tridimensionali da primitive geometriche o nuvole di punti, utilizzando software come Blender, Maya, SketchUp, ecc.
• Editing video , che prevede l'assemblaggio, il taglio, la modifica o l'aggiunta di effetti alle sequenze video, utilizzando software come Adobe Premiere Pro, Final Cut Pro, iMovie, ecc.
• Videogiochi , che consistono nel creare e riprodurre scenari interattivi e divertenti in cui il giocatore controlla uno o più personaggi o oggetti, utilizzando piattaforme come la console di gioco, il computer, lo smartphone, ecc.

Comunicazione digitale delle immagini

La comunicazione di immagini digitali consiste nella trasmissione o diffusione di immagini attraverso diversi media o reti, per scopi informativi, pubblicitari o sociali. I campi di applicazione della comunicazione di immagini digitali includono:

• Compressione la memorizzazione o la trasmissione.
• Crittografia , che prevede la protezione delle immagini da accessi non autorizzati o modifiche dannose, utilizzando tecniche come crittografia, filigrana digitale, firma digitale, ecc
• Ricerca di immagini basata sul contenuto , che consiste nel trovare immagini simili o pertinenti a una query testuale o visiva, utilizzando tecniche come l' estrazione di caratteristiche visive , l'indicizzazione di parole chiave, la somiglianza visiva, la classificazione per pertinenza, ecc.

• Riconoscimento facciale , che implica l'identificazione o la verifica dell'identità di una persona dal suo volto, utilizzando tecniche come il rilevamento dei punti caratteristici, il confronto dei modelli, l'apprendimento profondo, ecc.
• Social network , che consistono nel condividere o commentare immagini con altri utenti, utilizzando piattaforme come Facebook, Instagram, Snapchat, ecc.

Comprendere le immagini digitali

La comprensione implica l'analisi o l'interpretazione delle immagini per scopi scientifici, medici o industriali. I campi di applicazione per la comprensione delle immagini digitali includono:

• Visione artificiale , che prevede la simulazione della percezione visiva umana e l'estrazione di informazioni semantiche o geometriche dalle immagini, utilizzando tecniche come la segmentazione semantica, il rilevamento di oggetti, il tracciamento del movimento, la ricostruzione 3D, ecc.
• Imaging medico , che comporta la produzione o l'analisi di immagini del corpo umano a fini diagnostici o terapeutici, utilizzando tecniche come radiografia, ultrasuoni, risonanza magnetica, tomografia , ecc
• Imaging scientifico , che comporta la produzione o l'analisi di immagini di fenomeni naturali o artificiali per scopi di ricerca o esplorazione, utilizzando tecniche come la microscopia, la spettroscopia, il telerilevamento, l'astrofotografia, ecc.
• Imaging industriale , che prevede la produzione o l'analisi di immagini di prodotti o processi industriali per scopi di controllo qualità o sicurezza, utilizzando tecniche come la visione artificiale, test non distruttivi, termografia a infrarossi , ecc.

Conclusione

L'imaging computazionale è un campo entusiasmante e in evoluzione , che offre molte possibilità per creare, comunicare e comprendere le immagini digitali. Che si tratti di intrattenimento, informazione o scienza, l'imaging computerizzato consente di produrre e manipolare immagini di qualità e ricchezza senza pari. Tuttavia, l’imaging computerizzato pone anche sfide e questioni etiche, come il rispetto della privacy, del diritto d’autore o della veridicità delle immagini. È quindi importante formarsi ai principi e alle tecniche dell'immagine computerizzata, ma anche sviluppare una mentalità critica e responsabile quando si ha a che fare con le immagini digitali. La business intelligence , ad esempio, è una delle discipline che si basa sull'imaging computazionale per analizzare e visualizzare dati complessi e di grandi dimensioni, per aiutare il processo decisionale in varie aree applicative.