Введение

Изображения, закодированные в виде двоичных данных.

Цифровое изображение – это изображение, состоящее из элементов изображения, также известных как пиксели, каждый из которых характеризуется конечным, дискретным числовым значением, представляющим его интенсивность или уровень серого, являющимся результатом двухмерной функции, на вход которой подаются пространственные координаты, обозначаемые x и y на осях X и Y соответственно. В зависимости от фиксированности разрешения изображение может быть векторным или растровым.

Растр

Растровые изображения состоят из конечного набора цифровых значений, называемых элементами изображения или пикселями. Цифровое изображение содержит фиксированное количество строк и столбцов пикселей. Пиксели — это наименьший индивидуальный элемент изображения, содержащий квантованные значения, представляющие яркость определенного цвета в конкретной точке. Обычно пиксели хранятся в компьютерной памяти как растровое изображение или растровый рисунок — двухмерный массив небольших целых чисел. Эти значения часто передаются или хранятся в сжатом виде. Растровые изображения могут быть созданы с помощью различных устройств ввода и методов, таких как цифровые камеры, сканеры, координатно-измерительные машины, сейсмографическое профилирование, аэрорадары и другие. Они также могут быть синтезированы из произвольных не-изобразительных данных, например, математических функций или трехмерных геометрических моделей; последнее является важной областью компьютерной графики. Область цифровой обработки изображений изучает алгоритмы для их преобразования.

Форматы растровых файлов

Большинство пользователей сталкиваются с растровыми изображениями через цифровые камеры, использующие различные форматы файлов изображений. Некоторые цифровые камеры предоставляют доступ почти ко всем данным, зафиксированным камерой, используя формат RAW-изображения. Универсальные рекомендации по цифровой фотографии (UPDIG) предлагают использовать эти форматы, когда это возможно, поскольку файлы RAW обеспечивают наилучшее качество изображения. Эти форматы позволяют фотографу и программному обеспечению для обработки иметь максимальный контроль и точность при выводе. Их распространению препятствует наличие проприетарной информации (коммерческой тайны) у некоторых производителей камер, однако существуют инициативы, такие как OpenRAW, направленные на то, чтобы побудить производителей публиковать эти данные. Альтернативой может служить Digital Negative (DNG) – запатентованный продукт Adobe, описываемый как "открытый, архивный формат для RAW-данных цифровых камер". Хотя этот формат пока не получил повсеместного признания, поддержка растет, и все больше профессиональных архивистов и реставраторов, работающих в уважаемых организациях, предлагают или рекомендуют DNG для целей архивирования.

Вектор

Векторные изображения создаются на основе математической геометрии (вектора). В математике вектор характеризуется величиной (или длиной) и направлением. Часто в одном изображении сочетаются растровые и векторные элементы, например, на рекламном щите, где текст представлен в векторном формате, а фотографии – в растровом. Примеры векторных форматов файлов: EPS, PDF и AI.

Просмотр изображения

Программное обеспечение для просмотра изображений отображает изображения. Веб-браузеры могут отображать стандартные форматы интернет-изображений, включая JPEG, GIF и PNG. Некоторые поддерживают формат SVG, являющийся стандартным форматом W3C. В прошлом, когда интернет был медленным, часто использовали "предварительные" изображения, которые загружались и отображались на сайте перед заменой основным изображением (для создания первого впечатления). Сейчас интернет достаточно быстрый, и предварительные изображения используются редко. Некоторые научные изображения могут быть очень большими (например, изображение Млечного Пути размером 46 гигапикселей и объемом около 194 Гб). Скачивать такие изображения сложно, поэтому их обычно просматривают онлайн через более сложные веб-интерфейсы. Некоторые программы просмотра предлагают функцию слайд-шоу для отображения последовательности изображений.

Датчики цифрового изображения

Первым полупроводниковым датчиком изображения был ПЗС (CCD), разработанный Уиллардом С. Бойлом и Джорджем Э. Смитом в Bell Labs в 1969 году. В ходе исследований технологии МОП они поняли, что электрический заряд является аналогом магнитной ячейки и его можно накапливать на крошечном МОП-конденсаторе. Поскольку изготовить последовательность МОП-конденсаторов было относительно просто, они подключили к ним соответствующее напряжение, чтобы заряд можно было последовательно переносить от одного к другому. ПЗС – это полупроводниковая схема, которая впоследствии использовалась в первых цифровых видеокамерах для телевизионного вещания. Ранние ПЗС-датчики страдали от эффекта отставания затвора. Эта проблема была в значительной степени решена с изобретением закрепленного фотодиода (PPD) – фотодетекторной структуры с низким уровнем отставания, низким уровнем шума, высокой квантовой эффективностью и низким темным током. NMOS APS был создан командой Цутому Накамуры в Olympus в 1985 году. CMOS активный пиксельный датчик (CMOS-сенсор) был разработан позже командой Эрика Фоссума в Лаборатории реактивного движения НАСА в 1993 году. К 2007 году объемы продаж CMOS-сенсоров превысили объемы продаж ПЗС-сенсоров.

Сжатие цифрового изображения

Важным достижением в технологии сжатия цифровых изображений стала дискретная косинусная трансформация (DCT) – метод сжатия с потерями, впервые предложенный Насиром Ахмедом в 1972 году. Сжатие DCT используется в JPEG, разработанном Объединенной группой экспертов по фотографии в 1992 году. JPEG позволяет значительно уменьшить размер файлов изображений и стал самым распространенным форматом файлов изображений в Интернете.