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, składająca się z matrycy punktów zwanych pikselami, które mogą mieć różne wymiary ( przestrzenne, czasowe itp. ) i różne poziomy kodowania ( kolory, poziomy szarości itp. ).

Obrazowanie obliczeniowe ma wiele zastosowań w różnych dziedzinach, takich jak synteza obrazu, rzeczywistość wirtualna, rzeczywistość rozszerzona, modelowanie 3D przetwarzanie obrazu przetwarzanie wideo , edycja wideo , kompresja , wizja komputerowa obrazów według treści , a nawet gry wideo .

W tym artykule przybliżymy Państwu podstawowe zasady obrazowania komputerowego, rodzaje obrazów cyfrowych, metody przetwarzania i analizy obrazów, a także główne obszary zastosowań tej technologii .

Jakie są rodzaje obrazów cyfrowych?

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

Pozyskiwanie obrazów cyfrowych

Pozyskiwanie obrazu cyfrowego polega na konwersji obrazu analogowego (na przykład fotografii lub rzeczywistej sceny) na obraz cyfrowy. Aby tego dokonać, musimy zastosować urządzenia zdolne do wychwytywania światła i przekształcania go na sygnały elektryczne, a następnie na dane binarne. Urządzenia te nazywane są czujnikami lub przetwornikami analogowo-cyfrowymi. Istnieją różne typy czujników, w zależności od rodzaju rejestrowanego obrazu (obraz nieruchomy lub ruchomy, obraz kolorowy lub czarno-biały itp.) oraz w zależności od obszaru zastosowania (fotografia, wideo, skaner, kamera termowizyjna itp.) .).

Transformacja obrazów cyfrowych

Transformacja obrazów cyfrowych polega na modyfikacji danych binarnych reprezentujących obraz, w celu poprawy jego jakości, wydobycia odpowiednich informacji lub stworzenia nowych. Aby to zrobić, należy użyć programów komputerowych, które stosują określone algorytmy do obrazów cyfrowych. Programy te nazywane są oprogramowaniem do przetwarzania obrazu lub narzędziami graficznymi. Istnieją różne typy oprogramowania do przetwarzania obrazu, w zależności od rodzaju przeprowadzanej transformacji (korekta, filtrowanie, segmentacja, wykrywanie krawędzi, rozpoznawanie kształtu itp.) oraz w zależności od zakresu zastosowania (edycja zdjęć, edycja wideo, synteza) . obraz itp.).

Oglądanie obrazów cyfrowych

Oglądanie obrazów cyfrowych polega na wyświetlaniu obrazu cyfrowego na odpowiednim nośniku, takim jak ekran komputera, drukarka lub projektor. W tym celu należy zastosować urządzenia zdolne do zamiany danych binarnych na sygnały elektryczne lub optyczne, które pobudzą elementy podłoża. Urządzenia te nazywane są przetwornikami cyfrowo-analogowymi. Istnieją różne typy przetworników cyfrowo-analogowych , w zależności od rodzaju użytego nośnika (ekran LCD, ekran OLED, drukarka atramentowa, drukarka laserowa itp.) oraz w zależności od pożądanego trybu oglądania (obraz 2D lub 3D, obraz stereoskopowy lub holograficzne itp.)

Jakie są rodzaje obrazów cyfrowych?

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

Obrazy rastrowe

Obrazy rastrowe to obrazy składające się z siatki pikseli, z których każdy piksel ma wartość reprezentującą jego kolor lub poziom szarości. Obrazy rastrowe nadają się do przedstawiania realistycznych obrazów z drobnymi szczegółami i niuansami kolorów. Można je również łatwo manipulować za pomocą oprogramowania do przetwarzania obrazu , które może stosować transformacje piksel po pikselu. Obrazy rastrowe mają jednak również wady: zajmują dużo miejsca w pamięci, są podatne na szumy i artefakty kompresji oraz tracą jakość po powiększeniu lub zmniejszeniu.

Istnieją różne formaty plików do przechowywania obrazów rastrowych, takie jak J PEG, PNG, GIF, BMP, TIFF itp Formaty te można klasyfikować według tego, czy są skompresowane czy nieskompresowane oraz czy są stratne czy bezstratne. Skompresowany format zmniejsza rozmiar pliku , eliminując pewne zbędne lub ledwo zauważalne informacje. Format stratny usuwa informacje, które mogą zmienić jakość obrazu, natomiast format bezstratny zachowuje wszystkie informacje.

Obrazy wektorowe

Obrazy wektorowe to obrazy składające się z obiektów geometrycznych, takich jak punkty, linie, krzywe, wielokąty itp., Z których każdy obiekt ma atrybuty określające jego położenie, kształt, kolor, wypełnienie itp. Obrazy wektorowe nadają się do przedstawiania prostych obrazów o regularnych kształtach i jednolitych kolorach. Można je również łatwo modyfikować za pomocą oprogramowania do rysowania wektorów , które może stosować przekształcenia geometryczne obiektów. Ponadto obrazy wektorowe mają tę zaletę, że zajmują mało miejsca w pamięci, są niewrażliwe na szum i kompresję oraz zachowują swoją jakość niezależnie od poziomu powiększenia .

Istnieją różne formaty plików do przechowywania obrazów wektorowych , takie jak SVG, EPS, PDF, WMF itp. Formaty te można sklasyfikować według tego, czy są standardowe, czy zastrzeżone i czy są kompatybilne z przeglądarkami internetowymi. Format standardowy to format zgodny z otwartym standardem, który można odczytać za pomocą innego oprogramowania. Zastrzeżony format to taki, który jest własnością firmy lub organizacji i może wymagać specjalnego oprogramowania do odtwarzania. Format zgodny z przeglądarką internetową to taki, który można wyświetlić bezpośrednio na stronie internetowej, bez potrzeby stosowania wtyczki lub aplikacji zewnętrznej .

Jakie są metody przetwarzania i analizy obrazów cyfrowych?

Przetwarzanie i analiza obrazów cyfrowych polega na wykonywaniu na obrazach cyfrowych operacji mających na celu poprawę ich jakości, wydobycie przydatnych informacji lub utworzenie nowych . Istnieją różne metody przetwarzania i analizy obrazów cyfrowych, w zależności od rodzaju obrazu (matrycowy lub wektorowy), domeny (przestrzennej lub częstotliwościowej), przeznaczenia (korekta, filtrowanie, segmentacja, wykrywanie krawędzi, rozpoznawanie kształtu itp. ) oraz poziom (niski poziom, średni poziom lub wysoki poziom).

Przetwarzanie i analiza obrazów rastrowych

Przetwarzanie i analiza obrazów rastrowych może odbywać się w dwóch różnych dziedzinach: dziedzinie przestrzennej i dziedzinie częstotliwości.

Domena kosmiczna

Dziedzina przestrzenna odpowiada domenie, w której rozmieszczone są piksele zgodnie z ich położeniem na obrazie . Przetwarzanie i analiza obrazów rastrowych w dziedzinie przestrzeni polega na wykonywaniu operacji bezpośrednio na wartościach pikseli, bez konieczności poddawania ich wcześniejszej transformacji . Operacje te mogą być różnego rodzaju, np.:

• Korekcja , która ma na celu poprawę jakości obrazu poprzez zmianę parametrów takich jak jasność, kontrast, balans kolorów itp
• Filtrowanie , którego celem jest redukcja szumów lub uwypuklenie pewnych szczegółów obrazu poprzez zastosowanie masek lub filtrów modyfikujących wartości pikseli na podstawie ich sąsiadów.
• Segmentacja lub znaczące obszary według kryteriów takich jak kolor, tekstura, intensywność itp.
• Wykrywanie krawędzi , którego celem jest identyfikacja granic między obszarami obrazu za pomocą operatorów obliczających gradient lub zmianę intensywności pikseli.
• Rozpoznawanie wzorców , które ma na celu identyfikację i klasyfikację obiektów obecnych na obrazie za pomocą technik takich jak porównanie wzorców, opis cech, uczenie maszynowe itp.

Dziedzina częstotliwości

Dziedzina częstotliwości odpowiada domenie, w której piksele są rozmieszczone na obrazie zgodnie z ich częstotliwością lub okresowością. Przetwarzanie i analiza obrazów rastrowych w dziedzinie częstotliwości polega na zastosowaniu operacji po przekształceniu obrazu z dziedziny przestrzennej do dziedziny częstotliwości. Transformacja ta umożliwia 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, np.:

• Kompresja , która ma na celu zmniejszenie rozmiaru pliku poprzez wyeliminowanie funkcji sinusoidalnych, które mają niewielki wpływ na wizualną percepcję obrazu .
• Filtrowanie , którego celem jest redukcja szumów lub uwypuklenie pewnych szczegółów obrazu poprzez zastosowanie filtrów modyfikujących amplitudy funkcji sinusoidalnych w zależności od ich częstotliwości.
• Renowacja , która ma na celu poprawę jakości obrazu poprzez korekcję zniekształceń spowodowanych przez matrycę lub przetwornik cyfrowo-analogowy .
• Rozpoznawanie wzorców , którego celem jest identyfikacja i klasyfikacja obiektów obecnych na obrazie z wykorzystaniem technik takich jak korelacja krzyżowa, transformata Hougha, transformata falkowa itp.

Przetwarzanie i analiza obrazów wektorowych

Przetwarzanie i analiza obrazów wektorowych polega na wykonywaniu operacji na obiektach geometrycznych tworzących obraz. Operacje te mogą być różnego rodzaju, np.:

• Transformacja geometryczna , która ma na celu zmianę położenia, rozmiaru, orientacji lub kształtu obiektów geometrycznych za pomocą macierzy lub funkcji matematycznych.
• Kolorowanie , którego celem jest zmiana koloru lub wypełnienia obiektów geometrycznych za pomocą atrybutów lub gradientów.
• Tworzenie obiektów złożonych , które ma na celu połączenie kilku prostych obiektów geometrycznych za pomocą operacji boolowskich (suma, przecięcie, różnica itp.) lub operacji deformacji (krzywizna, skręcenie itp.).

• Rasteryzacja , która ma na celu konwersję obrazu wektorowego na obraz rastrowy poprzez obliczenie wartości pikseli odpowiadających obiektom geometrycznym.
• Wektoryzacja , która ma na celu konwersję obrazu rastrowego na obraz wektorowy poprzez wykrycie konturów i obszarów obrazu oraz przybliżenie ich obiektami geometrycznymi.

Jakie są główne obszary zastosowań obrazowania obliczeniowego?

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

Tworzenie obrazów cyfrowych

Tworzenie obrazu cyfrowego polega na wytwarzaniu oryginalnych obrazów lub modyfikowaniu istniejących obrazów do celów artystycznych, rekreacyjnych lub edukacyjnych. Obszary zastosowań cyfrowego tworzenia obrazów obejmują:

• Synteza obrazu , która polega 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 immersyjnego i interaktywnego środowiska, w którym użytkownik może się poruszać i działać, korzystając z takich urządzeń jak gogle wirtualnej rzeczywistości, rękawica danych, bieżnia itp.
• Rzeczywistość rozszerzona , która polega na nałożeniu wirtualnych elementów na rzeczywisty obraz, przy wykorzystaniu urządzeń takich jak smartfony, tablety, podłączone okulary itp.
• Modelowanie 3D , które polega na tworzeniu i manipulowaniu trójwymiarowymi obiektami z prymitywów geometrycznych lub chmur punktów, przy użyciu oprogramowania typu Blender, Maya, SketchUp itp.
• Edycja wideo , która polega na składaniu, wycinaniu, modyfikowaniu lub dodawaniu efektów do sekwencji wideo przy użyciu oprogramowania takiego jak Adobe Premiere Pro, Final Cut Pro, iMovie itp.
• Gry wideo , które polegają na tworzeniu i rozgrywaniu interaktywnych i zabawnych scenariuszy, w których gracz kontroluje jedną lub więcej postaci lub obiektów, korzystając z platform takich jak konsola do gier, komputer, smartfon itp.

Cyfrowa komunikacja obrazu

Cyfrowe przesyłanie obrazu 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 przechowywania lub przesyłania.
• Kryptografia , która polega na ochronie obrazów przed nieuprawnionym dostępem lub złośliwą modyfikacją, przy użyciu technik takich jak szyfrowanie, cyfrowy znak wodny, podpisywanie cyfrowe itp
• Wyszukiwanie obrazów w oparciu o treść , które polega na wyszukiwaniu obrazów podobnych lub istotnych w odniesieniu do zapytania tekstowego lub wizualnego, przy użyciu technik takich jak wyodrębnianie cech wizualnych , indeksowanie słów kluczowych, wizualizacja podobieństwa, ranking według trafności itp.

• Rozpoznawanie twarzy , które polega na identyfikacji lub weryfikacji tożsamości osoby na podstawie jej twarzy, przy użyciu technik takich jak wykrywanie punktów charakterystycznych, porównywanie wzorców, głębokie uczenie się itp.
• Sieci społecznościowe , które polegają na udostępnianiu lub komentowaniu zdjęć innym użytkownikom, z wykorzystaniem platform takich jak Facebook, Instagram, Snapchat itp.

Zrozumienie obrazów cyfrowych

Rozumienie obejmuje analizę lub interpretację obrazów do celów naukowych, medycznych lub przemysłowych. Obszary zastosowań do zrozumienia obrazów cyfrowych obejmują:

• Widzenie komputerowe , które polega na symulowaniu ludzkiej percepcji wzrokowej i wydobywaniu informacji semantycznych lub geometrycznych z obrazów przy użyciu technik takich jak segmentacja semantyczna, wykrywanie obiektów, śledzenie ruchu, rekonstrukcja 3D itp.
• Obrazowanie medyczne , które polega na wytwarzaniu lub analizowaniu obrazów ciała ludzkiego do celów diagnostycznych lub leczniczych, z wykorzystaniem technik takich jak radiografia, ultradźwięki, MRI, tomografia itp .
• Obrazowanie naukowe , które polega na wytwarzaniu lub analizowaniu obrazów zjawisk naturalnych lub sztucznych do celów badawczych lub eksploracyjnych, z wykorzystaniem technik takich jak mikroskopia, spektroskopia, teledetekcja, astrofotografia itp.
• Obrazowanie przemysłowe , polega na wytwarzaniu lub analizowaniu obrazów produktów lub procesów przemysłowych do celów kontroli jakości lub bezpieczeństwa, z wykorzystaniem technik takich jak widzenie maszynowe, badania nieniszczące, termografia w podczerwieni itp .

Wniosek

Obrazowanie komputerowe to ekscytująca i rozwijająca się dziedzina , która oferuje wiele możliwości tworzenia, komunikowania i rozumienia obrazów cyfrowych. Niezależnie od tego, czy chodzi o rozrywkę, informację czy naukę, obrazowanie komputerowe umożliwia tworzenie i manipulowanie obrazami o niezrównanej jakości i bogactwie. Jednak obrazowanie komputerowe stwarza również wyzwania i problemy etyczne, takie jak poszanowanie prywatności, prawa autorskie czy prawdziwość obrazów. Dlatego ważne jest , aby szkolić się w zakresie zasad i technik obrazowania komputerowego, ale także rozwijać krytyczne i odpowiedzialne podejście do pracy z obrazami cyfrowymi. analiza biznesowa to jedna z dyscyplin, która opiera się na obrazowaniu obliczeniowym w celu analizy i wizualizacji złożonych i dużych danych, aby pomóc w podejmowaniu decyzji w różnych obszarach zastosowań.