Obrazowanie komputerowe: co to jest?

Obrazowanie komputerowe to dziedzina informatyki , która łączy różne techniki związane z produkcją, przetwarzaniem, indeksowaniem i kompresją obrazów cyfrowych. Obraz cyfrowy to binarna reprezentacja obrazu, złożona z macierzy punktów zwanych pikselami, które mogą mieć różne wymiary ( przestrzenne, czasowe itp. ) i różne poziomy kodowania ( kolory, skala szarości itp. ).

Obrazowanie komputerowe znajduje liczne zastosowania w różnych dziedzinach, takich jak synteza obrazu, rzeczywistość wirtualna, rzeczywistość rozszerzona, modelowanie 3D, przetwarzanie obrazu , przetwarzanie wideo , edycja wideo , kompresja , widzenie komputerowe , wyszukiwanie obrazów na podstawie treści i gry wideo .

W tym artykule zapoznamy się z podstawowymi zasadami obrazowania komputerowego, rodzajami obrazów cyfrowych, metodami przetwarzania i analizy obrazów, a także głównymi obszarami zastosowań tej technologii .

Jakie są rodzaje obrazów cyfrowych?

Obrazowanie komputerowe opiera się na trzech głównych etapach: akwizycji , transformacji i wizualizacji obrazów cyfrowych .

Pozyskiwanie obrazów cyfrowych

Cyfrowe pozyskiwanie obrazu polega na konwersji obrazu analogowego (na przykład fotografii lub rzeczywistego obiektu) na obraz cyfrowy. Wymaga to urządzeń zdolnych do przechwytywania światła i przekształcania go w sygnały elektryczne, a następnie w dane binarne. Urządzenia te nazywane są czujnikami lub przetwornikami analogowo-cyfrowymi. Istnieją różne rodzaje czujników, w zależności od rodzaju pozyskiwanego obrazu ( obraz nieruchomy lub ruchomy, kolorowy lub czarno-biały itp.) oraz zastosowania (fotografia, wideo, skanowanie, obrazowanie termiczne itp.).

Transformacja obrazów cyfrowych

Transformacja obrazu cyfrowego polega na modyfikacji danych binarnych obrazu w celu poprawy jego jakości, wydobycia istotnych informacji lub utworzenia nowych. Wymaga to użycia programów komputerowych, które stosują algorytmy specyficzne dla obrazów cyfrowych. Programy te nazywane są oprogramowaniem do przetwarzania obrazu lub narzędziami graficznymi. Istnieją różne rodzaje oprogramowania do przetwarzania obrazu, w zależności od rodzaju transformacji (korekcja, filtrowanie, segmentacja, wykrywanie krawędzi, rozpoznawanie wzorców itp.) oraz obszaru zastosowania ( retusz zdjęć, edycja wideo, synteza obrazu itp.).

Wizualizacja obrazów cyfrowych

Wizualizacja obrazu cyfrowego polega na wyświetlaniu go na odpowiednim nośniku, takim jak ekran komputera, drukarka lub projektor. Wymaga to urządzeń zdolnych do konwersji danych binarnych na sygnały elektryczne lub optyczne, które stymulują elementy nośnika. Urządzenia te nazywane są przetwornikami cyfrowo-analogowymi (DAC). różne rodzaje przetworników DAC , w zależności od rodzaju użytego nośnika (ekran LCD, ekran OLED, drukarka atramentowa, drukarka laserowa itp.) oraz pożądanego trybu wyświetlania (obraz 2D lub 3D, obraz stereoskopowy lub holograficzny itp.).

Jakie są rodzaje obrazów cyfrowych?

Istnieją różne rodzaje obrazów cyfrowych, w zależności od sposobu kodowania i organizacji pikseli. Można wyróżnić dwie główne kategorie: obrazy rastrowe i obrazy wektorowe.

Obrazy matrycowe

Obrazy rastrowe to obrazy zbudowane z siatki pikseli, z których każdy ma wartość reprezentującą jego kolor lub skalę szarości. Obrazy rastrowe doskonale nadają się do tworzenia realistycznych obrazów z drobnymi szczegółami i subtelnymi niuansami kolorystycznymi. Można je również łatwo modyfikować za pomocą oprogramowania do edycji obrazów , które umożliwia transformacje piksel po pikselu. Obrazy rastrowe mają jednak również wady: zajmują dużo miejsca na dysku, są podatne na szumy i artefakty kompresji oraz tracą jakość po powiększeniu lub pomniejszeniu.

Istnieją różne formaty plików do przechowywania obrazów rastrowych, takie jak JPEG , PNG, GIF, BMP, TIFF itp. Formaty te można klasyfikować według tego, czy są skompresowane czy nieskompresowane oraz czy są stratne czy bezstratne. Format skompresowany zmniejsza rozmiar pliku poprzez eliminację zbędnych lub niewidocznych informacji. Format stratny usuwa informacje, które mogą obniżyć jakość obrazu, podczas gdy format bezstratny zachowuje wszystkie informacje.

Obrazy wektorowe

Obrazy wektorowe to obrazy złożone z obiektów geometrycznych, takich jak punkty, linie, krzywe, wielokąty itp., z których każdy posiada atrybuty definiujące jego położenie, kształt, kolor, wypełnienie itd. Obrazy wektorowe doskonale nadają się do przedstawiania prostych obrazów o regularnych kształtach i jednolitych kolorach. Można je również łatwo modyfikować za pomocą oprogramowania do grafiki wektorowej , które umożliwia stosowanie transformacji geometrycznych do obiektów. Ponadto obrazy wektorowe mają tę zaletę, że zajmują mało miejsca na dysku, są odporne na szumy i kompresję oraz zachowują jakość niezależnie od poziomu powiększenia .

Istnieją różne formaty plików do przechowywania obrazów wektorowych , takie jak SVG, EPS, PDF, WMF itp. Formaty te można sklasyfikować jako standardowe lub zastrzeżone, a także jako kompatybilne z przeglądarkami internetowymi. Format standardowy jest zgodny z otwartym standardem i może być odczytywany przez różne programy. zastrzeżony jest własnością firmy lub organizacji i może wymagać specjalnego oprogramowania do odczytania. Format kompatybilny z przeglądarką można wyświetlić bezpośrednio na stronie internetowej bez potrzeby instalowania wtyczki lub zewnętrznej aplikacji .

Jakie są metody przetwarzania i analizy obrazów cyfrowych?

Przetwarzanie i analiza polega na stosowaniu operacji na obrazach cyfrowych w celu poprawy ich jakości, wydobycia użytecznych informacji lub utworzenia nowych . Istnieją różne metody przetwarzania i analizy obrazów cyfrowych, w zależności od typu obrazu (rastrowy lub wektorowy), dziedziny (przestrzennej lub częstotliwościowej), celu ( korekcja, filtrowanie, segmentacja, wykrywanie krawędzi, rozpoznawanie wzorców itp. ) oraz poziomu (niski, średni lub wysoki).

Przetwarzanie i analiza obrazów matrycowych

Przetwarzanie i analiza obrazów matrycowych mogą być przeprowadzane w dwóch różnych domenach: przestrzennej i częstotliwościowej.

Domena kosmiczna

Domena przestrzenna odpowiada obszarowi, w którym piksele są rozmieszczone zgodnie z ich położeniem w obrazie . Przetwarzanie i analiza obrazów rastrowych w domenie przestrzennej polega na stosowaniu operacji bezpośrednio na wartościach pikseli, bez wcześniejszej transformacji . Operacje te mogą być różnego rodzaju, takie jak:

• Korekta , której celem jest poprawa jakości obrazu poprzez modyfikację parametrów takich jak jasność, kontrast, balans kolorów itp
• Filtrowanie niektórych szczegółów obrazu poprzez użycie masek lub filtrów, które modyfikują wartości pikseli na podstawie sąsiadujących z nimi pikseli.
• Segmentacja na jednorodne lub znaczące obszary według kryteriów takich jak kolor, faktura, intensywność itp.
• Wykrywanie krawędzi , którego celem jest identyfikacja granic między obszarami obrazu przy użyciu operatorów obliczających gradient lub zmianę intensywności pikseli.
• Rozpoznawanie wzorców , którego celem jest identyfikacja i klasyfikacja obiektów obecnych na obrazie przy użyciu technik takich jak porównywanie wzorców, opisywanie cech, uczenie maszynowe itp.

Domena częstotliwości

Dziedzina częstotliwości odpowiada obszarowi, w którym piksele są rozmieszczone zgodnie z ich częstotliwością lub okresowością w obrazie. Przetwarzanie i analiza obrazów rastrowych w dziedzinie częstotliwości polega na zastosowaniu operacji po transformacji obrazu z dziedziny przestrzennej do dziedziny częstotliwości. Ta transformacja pozwala na przedstawienie obrazu jako sumy funkcji sinusoidalnych o różnych częstotliwościach i amplitudach. Funkcje sinusoidalne o niskiej częstotliwości odpowiadają ogólnym zmianom obrazu, podczas gdy funkcje sinusoidalne o wysokiej częstotliwości odpowiadają drobnym szczegółom obrazu. Operacje w dziedzinie częstotliwości mogą być różnego rodzaju, takie jak:

• Kompresja , której celem jest zmniejszenie rozmiaru pliku poprzez eliminację funkcji sinusoidalnych, które mają niewielki wpływ na wizualne postrzeganie obrazu .
• Filtrowanie niektórych szczegółów obrazu poprzez użycie filtrów, które modyfikują amplitudy funkcji sinusoidalnych w zależności od ich częstotliwości.
• restauracji jest poprawa jakości obrazu poprzez korektę zniekształceń spowodowanych przez czujnik lub przetwornik cyfrowo-analogowy .
• Rozpoznawanie wzorców , którego celem jest identyfikacja i klasyfikacja obiektów obecnych na obrazie przy użyciu technik takich jak korelacja krzyżowa, transformacja Hougha, transformacja falkowa itp.

Przetwarzanie i analiza obrazów wektorowych

Przetwarzanie i analiza obrazu wektorowego polega na stosowaniu operacji na obiektach geometrycznych tworzących obraz. Operacje te mogą być różnego rodzaju, na przykład:

• Transformacja geometryczna , której celem jest modyfikacja położenia, rozmiaru, orientacji lub kształtu obiektów geometrycznych przy użyciu macierzy lub funkcji matematycznych.
• Kolorowanie wypełnienia obiektów geometrycznych przy użyciu atrybutów lub gradientów.
• Tworzenie obiektów złożonych , którego celem jest łączenie kilku prostych obiektów geometrycznych przy użyciu operacji Boole’a (suma, iloczyn, różnica itp.) lub operacji deformacji (krzywizna, skręt itp.).

• Rasteryzacja na obraz rastrowy poprzez obliczenie wartości pikseli odpowiadających obiektom geometrycznym.
• Wektoryzacja konturów i obszarów obrazu oraz przybliżanie ich za pomocą obiektów geometrycznych.

Jakie są główne obszary zastosowań obrazowania komputerowego?

Obrazowanie komputerowe ma wiele zastosowań w różnych dziedzinach, które można podzielić na trzy główne kategorie: tworzenie, komunikacja i rozumienie obrazów cyfrowych .

Tworzenie obrazów cyfrowych

Tworzenie obrazu cyfrowego obejmuje tworzenie oryginalnych obrazów lub modyfikowanie istniejących obrazów w celach artystycznych, rekreacyjnych lub edukacyjnych. Obszary zastosowań tworzenia obrazu cyfrowego obejmują:

• Synteza obrazu , polegająca na generowaniu obrazów z modeli matematycznych lub danych cyfrowych przy użyciu technik takich jak śledzenie promieni, renderowanie niefotorealistyczne, generowanie proceduralne itp.
• Rzeczywistość wirtualna , która polega na tworzeniu i symulowaniu wciągającego i interaktywnego środowiska, w którym użytkownik może się poruszać i działać przy użyciu urządzeń takich jak zestawy słuchawkowe rzeczywistości wirtualnej, rękawice danych, bieżnie itp.
• Rzeczywistość rozszerzona , polegająca na nakładaniu elementów wirtualnych na obraz rzeczywisty, przy użyciu urządzeń takich jak smartfony, tablety, inteligentne okulary itp.
• Modelowanie 3D polega na tworzeniu i manipulowaniu obiektami trójwymiarowymi z prymitywów geometrycznych lub chmur punktów za pomocą oprogramowania takiego jak Blender, Maya, SketchUp itp.
• Edycja wideo , polegająca na montażu, cięciu, modyfikowaniu lub dodawaniu efektów do sekwencji wideo przy użyciu oprogramowania, takiego jak Adobe Premiere Pro, Final Cut Pro, iMovie itp.
• Gry wideo polegające na tworzeniu i odgrywaniu interaktywnych i zabawnych scenariuszy, w których gracz steruje jedną lub większą liczbą postaci lub obiektów, przy użyciu platform takich jak konsole do gier, komputery, smartfony itp.

Cyfrowa komunikacja obrazowa

Cyfrowa komunikacja obrazowa polega na przesyłaniu lub rozpowszechnianiu obrazów za pośrednictwem różnych mediów lub sieci w celach informacyjnych, reklamowych lub społecznych. Obszary zastosowań cyfrowej komunikacji obrazowej obejmują:

• Kompresja zbędnych lub ledwo zauważalnych informacji, w celu ułatwienia ich przechowywania lub przesyłania.
• Kryptografia , która polega na zabezpieczaniu obrazów przed nieautoryzowanym dostępem lub złośliwą modyfikacją, stosując techniki takie jak szyfrowanie, cyfrowe znaki wodne, podpis cyfrowy itp.
• Wyszukiwanie obrazów na podstawie treści , które polega na znajdowaniu obrazów podobnych lub istotnych dla zapytania tekstowego lub wizualnego, przy użyciu technik takich jak ekstrakcja cech wizualnych , indeksowanie słów kluczowych, podobieństwo wizualne, ranking według trafności itp.

• Rozpoznawanie twarzy , polegające na identyfikowaniu lub weryfikowaniu tożsamości osoby na podstawie jej twarzy, z wykorzystaniem technik takich jak wykrywanie punktów charakterystycznych, porównywanie wzorców, głębokie uczenie itp.
• Sieci społecznościowe umożliwiające dzielenie się zdjęciami z innymi użytkownikami i komentowanie ich za pośrednictwem platform takich jak Facebook, Instagram, Snapchat itp.

Zrozumienie obrazów cyfrowych

Rozumienie obejmuje analizę lub interpretację obrazów do celów naukowych, medycznych lub przemysłowych. Obszary zastosowań rozumienia obrazu cyfrowego obejmują:

• Widzenie komputerowe , które polega na symulowaniu ludzkiej percepcji wzrokowej i wyodrębnianiu informacji semantycznej lub geometrycznej z obrazów, przy użyciu technik takich jak segmentacja semantyczna, wykrywanie obiektów, śledzenie ruchu, rekonstrukcja 3D itp.
• Obrazowanie medyczne , polegające na wytwarzaniu lub analizowaniu obrazów ciała ludzkiego w celach diagnostycznych lub leczniczych, przy użyciu takich technik, jak radiografia, ultrasonografia, rezonans magnetyczny, tomografia itp.
• Obrazowanie naukowe , polegające na wytwarzaniu lub analizowaniu obrazów zjawisk naturalnych lub sztucznych w celach badawczych lub eksploracyjnych, przy użyciu takich technik, jak mikroskopia, spektroskopia, teledetekcja, astrofotografia itp.
• Obrazowanie przemysłowe , polegające na wytwarzaniu lub analizowaniu obrazów produktów lub procesów przemysłowych w celu kontroli jakości lub zapewnienia bezpieczeństwa, przy użyciu takich technik, jak widzenie maszynowe, badania nieniszczące, termografia w podczerwieni itp.

Wniosek

Obrazowanie komputerowe to ekscytująca i szybko rozwijająca się dziedzina , oferująca liczne możliwości tworzenia, komunikacji i rozumienia obrazów cyfrowych. Niezależnie od tego, czy chodzi o rozrywkę, informacje, czy naukę, obrazowanie komputerowe pozwala na produkcję i przetwarzanie obrazów o niezrównanej jakości i bogactwie. Jednak obrazowanie komputerowe wiąże się również z wyzwaniami i problemami natury etycznej, takimi jak poszanowanie prywatności, praw autorskich i wiarygodności obrazów. Dlatego ważne jest, aby poznać zasady i techniki obrazowania komputerowego, a także wypracować krytyczne i odpowiedzialne podejście do obrazów cyfrowych. Business intelligence , na przykład, to jedna z dyscyplin, która wykorzystuje obrazowanie komputerowe do analizy i wizualizacji złożonych i dużych zbiorów danych, wspierając w ten sposób podejmowanie decyzji w różnych dziedzinach.