Понятие о цифровом изображении
В общем случае изображения могут быть представлены в различных формах, в зависимости от способа их получения, принятой модели и структуры данных.
Аналоговая форма изображения предполагает его получение каким-либо образом на физическом носителе — на бумаге, фотобумаге, фотопленке и др. и используется с незапамятных времен. Во многих случаях такая форма является основной, особенно там, где важна юридическая значимость изображения либо если оно необходимо для использования в нестационарных условиях.
Цифровая форма изображения возникла в связи с потребностью его представления в памяти электронных вычислительных машин. В настоящее время она является одной из основных и связана не только с хранением, но и получением и обработкой изображения.
Векторная форма цифрового изображения находит применение в цифровой картографии; в фотограмметрии векторная форма цифрового изображения используется при создании цифрового оригинала. Элементы цифрового векторного изображения представляются в виде набора примитивов и их комбинаций — точек, векторов, граней, ребер и т. п., причем, положение точек задано в некоторой координатной системе, выбираемой пользователем в зависимости от характера решаемых задач. Внутренние связи элементов изображения соответствуют определенной структуре, выбор которой зависит от используемого принципа формирования и описания его элементов, способа доступа к ним, характера связи с окружающими и др.
| [а | л | г* | |
| — | — | — | .._ |
| L | \± |
| h |
Растровая форма цифрового изображения предполагает представление его в виде некоторой матрицы (рис. 14.1), соответствующей плоскости исходного изображения и состоящей из квадратных ячеек одинакового размера, являющихся наименьшими адресуемыми элементами. Каждый такой элемент, называемый пикселом (пикселем), соответствует определенному участку исходного изображения и характеризуется набором оптических параметров — цветом, яркостью и т. п.
| Рис. 14.1. Система координат растрового изображения |
В фотограмметрии под цифровым изображением понимают его растровую форму, полученную непосредственно в процессе съемки с по-
мощью цифровой камеры, либо путем сканирования соответствующего аналогового изображения (аэронегатива, реже — диапозитива).
Пиксел цифрового изображения является оптически однородным, и внутри его отдельные элементы изображения не выделяются. Экспериментально установлено, что для воспроизведения на цифровом снимке компактного объекта (§ 50) его размер должен быть не менее четырех пикселов.
Растровое изображение строится из составляющих его пикселов, размещаемых построчно слева направо и сверху вниз, а доступ к какому-либо из них осуществляется по номеру соответствующего столбца (ix) и строки (£у). Эти величины и используются в качестве координат пиксела в системе opixiy (рис. 14.1) с началом в левом верхнем углу изображения и осями, совмещенными с его внешними границами.
Растровые координаты пиксела ix и iy относятся к его центру, хотя с помощью математического аппарата (например, при переносе со смежного снимка) они могут быть найдены с точностью порядка 0,1 от его размера. В этих случаях для доступа к пикселу используется целая часть его растровых координат.
При фотограмметрической обработке цифрового изображения необходимо знать физические координаты избранной точки в линейной форме (в мм или мкм). Расчет таких координат выполняется по растровым координатам и известному размеру пиксела.
Способы получения цифровых изображений
Цифровые изображения получают двумя способами, один из которых предполагает сканирование полученных в процессе аэрофотосъемки аэронегативов, а второй — непосредственно в процессе съемки, с использованием цифровых съемочных систем (сенсоров). В обоих случаях цифровое изображение формируется с помощью фотодиодов, либо приборов с зарядовой связью (ПЗС) в форме ПЗС-матрицы или ПЗС-линейки с примерно одинаковыми техническими возможностями.
При использовании ПЗС-матрицы кадр изображения формируется по схеме, аналогичной фотокамере, в фокальной плоскости которой вместо фотопленки располагается ПЗС-матрица. Применение ПЗС-линейки предполагает сканирование местности или изображения параллельными маршрутами.
Сканирование фотоснимков выполняется с помощью оптико-электронных приборов — сканеров различных конструкций, из которых в топографо-геодезическом производстве применяются только фотограмметрические сканеры планшетного или барабанного типа.
Ч JaK. 344
Фотограмметрические сканеры характеризуются высоким геометрическим разрешением и высокой геометрической точностью, определяемой величиной ошибки сканирования и повторяемостью (изменением ошибки в десяти сканированиях). С их помощью можно сканировать черно-белые (полутоновые) или цветные снимки. Технические характеристики некоторых наиболее распространенных фотограмметрических сканеров приведены в табл. 14.1; наличие 24-х уровней квантования свидетельствует о возможности получения цветного изображения (3 канала по 8 бит).
Таблица 14.1
| Наименование | Характеристика фотограмметрического сканера | |||
| характеристики | ОАО «Пеленг», РБ | «Дельта», Украина | СКФ-П. Россия | DSW500 LH System |
| Размер снимка, мм Размер пиксела, мкм Ошибка сканирования, мкм Число уровней квантования, бит | 300×400 5 ±2 3×8 =24 (цв) | 300×450 8-128 ±3 3×8 =24 (цв) | 300×300 8 ±3 3×8 =24 (цв) | 260×260 9 ±2 1×10 (ч/б) |
Некоторые фотограмметрические сканеры (например, «Дельта» и др.) предусматривают возможность сканирования аэронегативов непосредственно с аэрофильмов, как это и практикуется в фотограмметрическом производстве.
Затраты времени на сканирование характеризуются следующими данными для сканера «Дельта» (рис. 14.2): черно-белый снимок формата 23×23 см с геометрическим разрешением 8 мкм сканируется за 12 минут, а с геометрическим разрешением 30 мкм — за 4 минуты. Для получения цветного растрового изображения того же формата и с той же геометрической точностью требуется 30 и 9 минут соответственно.
Важнейшим этапом технологии формирования цифрового изображения является эталонирование сканера, особенно в случае,
 |
если он не является фотограммет
рическим. Сущность эталонирова
ния заключается в жанировании
контрольной сетки с занесенными
на нее горизонтальными и верти
кальными штрихами, расстояния
между которыми известны с точно
стью 1-2 мкм. На полученном изо
бражении измеряют растровые ко
ординаты ix, iy крестов КОИ
ТУС. 14.2. Фотограмметрический сканер трольной сетки В системе Ор1Х1у
«Дельта» (Украина) (рис. 14:1), преобразуют их в ли-
псиную меру с учетом заданного геометрического разрешения и сравнивают полученные значения с точными координатами, отсчитанными но контрольной сетке. По найденным разностям координат соответствующих точек строят поле искаясений, характеризующее все виды 1хюметрических погрешностей, вносимых сканером в той или иной точке ноля сканирования.
В последующем полученные этим сканером изображения могут быть исправлены в соответствии с параметрами поля искажений. Как свидетельствуют публикации, таким способом искажения фотограмметрического сканера можно уменьшить до 1 мкм.
Цифровые съемочные системы (сенсоры) появились только на рубеже веков. К этому времени было достигнуто сопоставимое с фотоснимками геометрическое разрешение (5-6 мкм), появились средства хранения громадных объемов информации (порядка 1 I б и более на каждый снимок), создана аппаратура стабилизации съемочной камеры в полете и высокоточного определения координат центров фотографирования.
В настоящее время успешно эксплуатируются несколько дифровых камер различных конструкций, в частности: ADS40 (фирма LH-System, Швейцария), DMC2001 (фирма Z/I Imaging (США, Германия), IIRSC (центр космических исследований Германии DLR) и др., обеспечивающие возможность получения изображений как в видимой части спектра, так и в инфракрасном диапазоне. Имеются данные о Российских цифровых съемочных комплексах ЦТК-140 и ЦТК-70. Некоторые характеристики этих камер приведены в табл. 14.2.
Таблица 14.2
| Наименование | Характе | ристика камеры | |||
| характеристики | ADS40 | DMC | HRSC | ЦТК-140 | ЦТК-70 |
| Фокусное расстояние, мм | 62,5 | 47-И 75 | |||
| Светочувствительный ПЗС-элемент | линейка | матрица | линейка | линейка | линейка |
| Число элементов в строке (кадре) | 12 000 | 7680×13824 | 12 172 | 22 000 | 10 200 |
| Размер пиксела, мкм | 6,5 | 6ч-7 | |||
| Число спектральных каналов | |||||
| Радиометрическое разрешение, бит | 8-12 | 10/8 |
С точки зрения фотограмметрической обработки цифровых изображений, получаемых с помощью цифровых съемочных систем на ПЗС-линейках, чрезвычайно важны два обстоятельства:
1. Геометрия снимков не соответствует центральной проекции, поскольку каждая их строка формируется из собственного центра. Фотограмметрическая обработка таких снимков выполняется на основе проективных или топологических преобразований, обеспечивающих определение пространственного положения, формы и размеров изображенных на них объектов.
2. Результатом съемки являются не кадровые снимки, а полосы изображений, так что стереоскопические наблюдения и измерения возможны только по полосе перекрытия со смежным маршрутом (рис. 14.3, а) или при условии отклонения направления обзора.
А) б)
Рис. 14.3. Сканирование местности с записью результатов на одну (а) и три (б) ПЗС-линейки
Отсутствие продольных перекрытий сканерных снимков существенно снижает возможности их фотограмметрической обработки, поэтому современные съемочные системы предусматривают либо одновременное применение нескольких ПЗС-линеек, каждая из которых формирует изображение по определенному направлению (рис. 14.3, б), либо съемку с отклонением направления обзора
Так, цифровая система ASD40 имеет в фокальной плоскости три ПЗС-линейки, одна из которых обеспечивает съемку полосы по направлению «вперед», вторая — полосы в направлении точки надира («вниз»), а третья — полосы «назад». Совместная обработка трех полос изображений позволяет получить продольные перекрытия и выполнить стереоскопические наблюдения.
Цифровая съемочная система HRSC (High Resolution Stereo Camera) с помощью девяти линеек ПЗС в фокальной плоскости объектива выполняет съемку одновременно девяти перекрывающихся полос, пять из которых используется для стереообработки, а остальные четыре обеспечивают получение изображения в том или ином оптическом диапазоне.
Источник
Цифровые изображения и их виды
Цифровое изображение — массив данных, полученный путем дискретизации (аналого-цифрового преобразования) оригинала. Будучи закодированным с помощью особого алгоритма и записанным на носитель, этот массив данных становится файлом. В современном процессе полиграфического производства все иллюстрации и элементы оформления представлены цифровыми изображениями различных типов. Цифровые изображения по способу дискретизации оригинала подразделяются на растровые, векторные и смешанного типа. К растровым изображениям относятся двухмерные массивы данных (матрицы пикселей), каждый элемент которых представляет участок оригинала с усредненным цветовым показателем.
Растровые изображения получают двумя способами. Первый — сканирование оригинала — производится с помощью особого устройства — сканера — в котором каждый оптический элемент ПЗС-линейки (либо ПЗС-матрицы) считывает яркостные и цветовые характеристики оригинала. Эти характеристики преобразуются в двоичный код цвета и посылаются в ячейки двухмерного массива данных (матрицы пикселей). Второй способ получения растрового изображения — проецирование оригинала на ПЗС-матрицу через систему линз (объектив). Этот способ растрового аналого-цифрового преобразования характерен для цифровых фотоаппаратов и видеокамер.
Основные характеристики растрового изображения — размер и глубина цвета. Размер изображения в пикселях — это количество строк и столбцов матрицы, использующихся для хранения изображения. Разрешение цифрового изображения можно произвольно менять, изменяя физический размер картинки при печати, при этом размер матрицы пикселей будет оставаться неизменным.
Глубина цвета — это характеристика, определяющая качество воспроизведения цвета, количество оттенков, которые могут отображать элементы матрицы пикселей.
Каждый элемент массива данных (матрицы) представляет собой число в двоичной системе счисления. Его размерность определяется в битах. Глубина цвета — это количество бит на пиксель изображения. Изображение с глубиной цвета 16 бит/пиксель может воспроизводить 65.535 цветов, а 24 бит/пиксель позволяют получить уже 16.777.215 оттенков, что вполне достаточно для полиграфического производства.
В интернет-изданиях для оформления сайтов могут использоваться изображения, глубина цвета которых составляет 4, 2, даже 1 бит, и этого бывает достаточно для воспроизведения технической графики (черно-белых схем, диаграмм и т.д.).
При аналого-цифровом преобразовании всегда происходит потеря некоторого количества информации, поскольку дискретизация всегда производится путем усреднения и обобщения потока исходной аналоговой информации. Отсюда — основной недостаток растровых цифровых изображений — невозможность их масштабирования без потери качества.
В печатных СМИ растровые изображения используются повсеместно для решения многих оформительских задач. Но основная сфера их применения — это фотографические иллюстрации. В СМИ растровые изображения получают с помощью сканеров и цифровых фотоаппаратов.
Растровые изображения используются во всех случаях, когда необходимо воспроизвести аналоговый оригинал, будь то фотография, рисунок, сложный элемент оформления, который нерационально переводить в векторы. Еще шире распространены растровые изображения в электронных СМИ. На телевидении они используются для оформления эфира, создания заставок и титров. Эфирный видеопоток также состоит из последовательности кадров, каждый из которых сам по себе является матрицей пикселей. В сфере Интернет-СМИ растровое изображение в 90% случаев является единственно возможным с технической точки зрения способом воспроизведения оригинала.
Вторым видом цифровых изображений являются векторные изображения. Наименьшими элементами векторного изображения являются вектор и кривая Безье. Вектор в компьютерной графике — это отрезок, соединяющий две точки с заданными координатами. Основным управляющим элементом кривой Безье является узел (node), также называемый контрольной точкой (CP, control point) либо контрольной вершиной (CV, control vertex). Степень кривизны линии определяются координатами узла и двух управляющих точек. Контур изображения в цифровом виде представляет собой массив данных, содержащий координаты контрольных и управляющих точек, а также характеристики кривой в целом — ее толщину, цвет, направление, а если кривая замкнута — то и цвет и тип заливки.
Примитивы представляют собой простые геометрические формы, которые в массиве данных кодируются целиком, без разделения на кривые Безье и вектора, условным кодом той или иной геометрической фигуры, а также кодами размера фигуры, ее координатами, кодами типа и цвета заливки фигуры, толщины и цвета контура и других характеристик.
Информация о тексте, составляющем часть изображения, как правило, бывает представлена в виде ASCII кодов символов, сопровождающихся цифровой информацией о визуальных характеристиках текстового блока — гарнитуре шрифта, начертанию, цвете контура и заливки, способе заливки, методе выравнивания текста в блоке и т.д.
Векторные изображения получают двумя способами — путем ручного трассирования оригинала и путем автоматического трассирования.
При ручном трассировании художник или дизайнер фактически «с нуля» создает изображение, как бы «обводя» имеющиеся контуры, при помощи графического редактора задавая вектора, кривые Безье и графические примитивы. Автоматическое трассирование оригинала производится с помощью программного обеспечения, которое с помощью интеллектуальных алгоритмов распознает контуры оригинала, представленного растровым изображением, и на основе полученной информации воссоздает линии, заливки и пр. таким образом, чтобы из них сложилось векторное изображение, максимально близкое к оригиналу.
Основное достоинство векторного изображения — это возможность масштабирования без потери качества. Еще одним плюсом векторных изображений является сравнительно небольшой размер файлов, их содержащих. Это делает удобной передачу векторных изображений по электронным каналам связи. Главный недостаток векторных изображений — это то, что они почти всегда воспроизводят оригинал в упрощенном виде. Некоторые детали оригинала бывает невозможно воспроизвести в векторном изображении.
В печатных СМИ векторные изображения, как правило, применяются для создания элементов оформления. Реже векторные изображения являются полноценными иллюстрациями. В электронных СМИ векторные изображения применяются редко. Особое распространение векторные изображения получили в рекламной продукции благодаря возможности качественного полиграфического воспроизведения четких линий, ярких цветов, ровных заливок и геометрически правильных контуров.
Цифровые изображения смешанного типа представляют собой массивы данных, содержащие информацию как в виде матрицы пикселей, так и в виде описания векторов, кривых Безье, примитивов и текстовых блоков. В основе вертикальной структуры векторно-растровых изображений лежит понятие слоя (layer). Слой — это область данных, содержащая информацию об отдельном элементе вертикальной структуры изображения.
Векторно-растровые изображения получают из исходных векторных и растровых элементов путем сведения с помощью графических редакторов. Также условно к изображениям смешанного типа следует отнести результаты работы программ компьютерной верстки, в которых в качестве основного векторного элемента выступают текстовые блоки. Изображения смешанного типа сочетают в себе достоинства и недостатки тех типов изображений, которые присутствуют в них в виде элементов (слоев). Также следует отметить, что современные графические редакторы позволяют создавать многостраничные изображения. Основным достоинством изображений смешанного типа является возможность свободного редактирования каждого слоя отдельно, а основным недостатком — большой объем массива данных и, соответственно, конечного файла.
Стандарты предпечатной подготовки макетов подразумевают использование векторных слоёв для текста и графических символов (логотипов, товарных знаков, лого-групп, линеек и т.д.), а растровых слоёв — для подложек и фотоизображений.
Источник
