Введение
Создание цифрового кодированного представления визуальных характеристик объекта – это процесс цифровой визуализации или получения цифрового изображения, заключающийся в создании цифрового представления визуальных характеристик объекта, такого как физическая сцена или внутренняя структура объекта. Часто подразумевается, что этот термин включает в себя обработку, сжатие, хранение, печать и отображение таких изображений. Ключевым преимуществом цифрового изображения по сравнению с аналоговым, например, пленочной фотографией, является возможность неограниченного цифрового копирования исходного объекта без потери качества изображения. Цифровая визуализация может быть классифицирована по типу электромагнитного излучения или других волн, ослабление которых при прохождении через объекты или отражении от них передает информацию, составляющую изображение. Во всех классах цифровой визуализации информация преобразуется датчиками изображения в цифровые сигналы, которые обрабатываются компьютером и выводятся в виде видимого изображения. Например, видимый свет позволяет осуществлять цифровую фотографию (включая цифровую видеосъемку) с использованием различных типов цифровых камер (включая цифровые видеокамеры). Рентгеновские лучи позволяют получать цифровые рентгеновские изображения (цифровая рентгенография, флюороскопия и компьютерная томография), а гамма-лучи – цифровые гамма-изображения (цифровая сцинтиграфия, ОФЭКТ и ПЭТ). Звук позволяет использовать ультразвуковую диагностику (например, медицинскую ультразвуковую диагностику) и сонар, а радиоволны – радар. Цифровая визуализация хорошо подходит для анализа изображений с помощью программного обеспечения, а также для редактирования изображений (включая манипулирование изображениями).
the digital forensic process
Digital imaging or digital image acquisition is the creation of a digital representation of the visual characteristics of an object, such as a physical scene or the interior structure of an object. The term is often assumed to imply or include the processing, compression, storage, printing and display of such images. A key advantage of a digital image, versus an analog image such as a film photograph, is the ability to digitally propagate copies of the original subject indefinitely without any loss of image quality. Digital imaging can be classified by the type of electromagnetic radiation or other waves whose variable attenuation, as they pass through or reflect off objects, conveys the information that constitutes the image. In all classes of digital imaging, the information is converted by image sensors into digital signals that are processed by a computer and made output as a visible light image. For example, the medium of visible light allows digital photography (including digital videography) with various kinds of digital cameras (including digital video cameras). X rays allow digital X ray imaging (digital radiography, fluoroscopy, and CT), and gamma rays allow digital gamma ray imaging (digital scintigraphy, SPECT, and PET). Sound allows ultrasonography (such as medical ultrasonography) and sonar, and radio waves allow radar. Digital imaging lends itself well to image analysis by software, as well as to image editing (including image manipulation).
История
До появления цифровых изображений первая фотография, "Вид из окна в Ле-Грасе", была создана в 1826 году французом Жозефом Нисефором Ньепсом. Когда Жозефу было 28 лет, он обсуждал с братом Клодом возможность воспроизведения изображений с помощью света. Его увлечение новыми разработками началось в 1816 году. Однако его больше интересовало создание двигателя для лодки. Жозеф и его брат долгое время сосредоточились на этом, и Клод успешно продвинул свою разработку, что позволило ему переехать и работать в Англии. Это дало Жозефу возможность сосредоточиться на фотографии, и в 1826 году он наконец создал свою первую фотографию вида из окна. Для этого потребовалось 8 часов и более экспозиции. Первое цифровое изображение было получено в 1920 году с помощью кабельной системы передачи изображений Bartlane. Этот метод разработали британские изобретатели Гарри Г. Бартоломеу и Мейнард Д. Макфарлейн. Процесс заключался в "серии негативов на цинковых пластинах, которые экспонировались в течение различного времени, создавая тем самым различную плотность". Система передачи изображений по кабелю Bartlane генерировала перфокарту или перфоленту как на передающем, так и на принимающем конце, которые затем воссоздавались в виде изображения. В 1957 году Рассел А. Кирш создал устройство, генерирующее цифровые данные, которые можно было хранить в компьютере, используя барабанный сканер и фотоумножитель. А Джеймс Ф. МакНалти (инженер-радиосвязист из США) в компании Automation Industries, Inc., а затем в Эль-Сегунде, Калифорния, совместно изобрел первый аппарат для создания цифрового изображения в реальном времени – флюороскопический цифровой рентгеновский снимок. Изображение создавалось путем регистрации сигналов прямоугольной формы на флуоресцентном экране флюороскопа.
Датчики цифрового изображения
Устройство с зарядовой связью (CCD) было изобретено Уиллардом С. Бойлом и Джорджем Э. Смитом в лабораториях Bell в 1969 году. В ходе исследований технологии MOS они осознали, что электрический заряд является аналогом магнитной пузыри и что его можно накапливать на крошечном MOS-конденсаторе. Поскольку создание последовательности MOS-конденсаторов было относительно простым, они подключили к ним соответствующее напряжение, чтобы заряд мог последовательно перемещаться от одного к другому. CCD – это полупроводниковая схема, которая впоследствии использовалась в первых цифровых видеокамерах для телевизионного вещания. Ранние CCD-сенсоры страдали от эффекта отставания затвора. Эта проблема была в значительной степени решена с изобретением закреплённого фотодиода (PPD) – фотодетекторной структуры с низким уровнем отставания, низким уровнем шума, высокой квантовой эффективностью и низким темным током. NMOS APS был разработан командой Цутому Накамуры в компании Olympus в 1985 году. CMOS активный пиксельный сенсор (CMOS-сенсор) был разработан позже командой Эрика Фоссума в Лаборатории реактивного движения NASA в 1993 году. К 2007 году объём продаж CMOS-сенсоров превысил объём продаж CCD-сенсоров.
Сжатие цифрового изображения
Важным достижением в технологии сжатия цифровых изображений стала дискретная косинусная трансформация (DCT). 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.
Цифровые камеры
Эти различные идеи сканирования легли в основу первых конструкций цифровых камер. Ранние камеры требовали много времени для захвата изображения и мало подходили для потребительского использования. Постоянное развитие и производство физического оборудования и аппаратного обеспечения, связанного с цифровой визуализацией, оказали влияние на окружающую среду в этой области. Камеры, веб-камеры, принтеры и сканеры становятся более изящными, тонкими, быстрыми и доступными по цене. Снижение стоимости оборудования расширяет рынок для новых энтузиастов, позволяя большему числу потребителей ощутить радость создания собственных изображений. Современные ноутбуки, домашние и рабочие компьютеры способны работать с фотографическим программным обеспечением. Наши компьютеры становятся более мощными машинами с растущими возможностями для запуска программ любого типа, особенно программного обеспечения для цифровой визуализации. И это программное обеспечение быстро становится умнее и проще в использовании. Хотя функциональность современных программ достигает уровня точной обработки и даже трехмерной визуализации, пользовательские интерфейсы разрабатываются с учетом удобства как опытных пользователей, так и новичков. Интернет позволяет редактировать, просматривать и обмениваться цифровыми фотографиями и графикой. Быстрый поиск в сети легко позволяет найти графические работы начинающих художников, новостные фотографии со всего мира, корпоративные изображения новых продуктов и услуг и многое другое. Интернет, безусловно, доказал свою роль катализатора в развитии цифровой визуализации. Онлайн-обмен фотографиями меняет наше представление о фотографии и фотографах. Онлайн-платформы, такие как Flickr, Shutterfly и Instagram, дают миллиардам людей возможность делиться своими фотографиями, независимо от того, являются ли они любителями или профессионалами. Фотография перестала быть роскошным способом общения и обмена информацией, превратившись скорее в мимолетное мгновение. Изменились и объекты съемки. Раньше в основном фотографировали людей и семьи. Теперь мы фотографируем все, что угодно. Мы можем запечатлеть свой день и поделиться им со всеми одним касанием пальца. В 1826 году Нисефор Ньепс впервые создал фотографию, использующую свет для воспроизведения изображений, и с тех пор развитие фотографии значительно ускорилось. Каждый теперь в определенной степени фотограф, в то время как в начале XIX и XX веков стоимость создания долговечных фотографий высоко ценилась как потребителями, так и производителями. Согласно статье в журнале о пяти способах, которыми цифровая камера изменила нас: влияние на профессиональных фотографов было огромным. Раньше фотограф не решался бы тратить кадр, если не был практически уверен в успехе. "Использование цифровой визуализации (фотографии) изменило наше взаимодействие с окружающей средой на протяжении многих лет. Часть мира воспринимается иначе благодаря визуальному воображению, сохраняющему воспоминания, это стало новой формой общения с друзьями, семьей и близкими по всему миру без личных встреч. С помощью фотографии легко увидеть тех, кого вы никогда не встречали, и почувствовать их присутствие, даже если их нет рядом. Например, Instagram – это социальная сеть, где каждый может снимать, редактировать и делиться фотографиями всего, что угодно, с друзьями и семьей. Facebook, Snapchat, Vine и Twitter – это также способы самовыражения, требующие минимум слов, позволяющие запечатлеть каждый важный момент. Воспоминания, которые раньше было трудно сохранить, теперь легко запечатлеть, поскольку каждый может делать фотографии и редактировать их на своем телефоне или ноутбуке. Фотография стала новым способом общения, который стремительно развивается и оказывает влияние на окружающий нас мир. Исследование, проведенное Бейзи, Мейнсом, Фрэнсисом и Мельбурном, показало, что рисунки, используемые на занятиях, оказывают значительное негативное влияние на усвоение базового материала в лабораторных отчетах студентов, их понимание лабораторных работ, энтузиазм и эффективность обучения. Обучение в стиле документации не оказывает существенного влияния на студентов в этих областях. Также было обнаружено, что студенты более мотивированы и проявляют больший интерес к обучению при использовании цифровой визуализации.
Дополненная реальность
Цифровая визуализация для дополненной реальности (DIAR) – это комплексная область в рамках более широкого контекста технологий дополненной реальности (AR). Она охватывает создание, обработку и интерпретацию цифровых изображений для использования в средах дополненной реальности. DIAR играет значительную роль в улучшении пользовательского опыта, обеспечивая реалистичное наложение цифровой информации на реальный мир и тем самым стирая границы между физическим и виртуальным пространствами. DIAR применяется в различных отраслях, включая индустрию развлечений, образование, здравоохранение, военное дело и розничную торговлю. В индустрии развлечений DIAR используется для создания захватывающих игровых впечатлений и интерактивных фильмов. В образовании она обеспечивает более вовлекающую среду обучения, а в здравоохранении – помогает при проведении сложных хирургических операций. Военные используют DIAR для обучения и визуализации боевой обстановки. В розничной торговле покупатели могут виртуально примерить одежду или представить, как мебель будет выглядеть в их доме, прежде чем совершить покупку. По мере непрерывного развития технологий, будущее DIAR, как ожидается, принесет более реалистичные наложения, усовершенствованное 3D-моделирование объектов и бесшовную интеграцию с Интернетом вещей (IoT). Внедрение тактильной обратной связи в системы DIAR может еще больше улучшить пользовательский опыт, добавляя ощущение прикосновения к визуальным наложениям. Кроме того, ожидается, что достижения в области искусственного интеллекта и машинного обучения повысят релевантность контексту и реалистичность наложенных цифровых изображений.
Методы
Цифровая фотография может быть создана непосредственно из реальной сцены с помощью камеры или аналогичного устройства. В качестве альтернативы, цифровое изображение может быть получено из другого изображения на аналоговом носителе, таком как фотографии, фотоплёнка или печатная бумага, с помощью сканера изображения или аналогичного устройства. Многие технические изображения – например, получаемые с помощью томографического оборудования, бокового сонарного сканирования или радиотелескопов – на самом деле создаются путём сложной обработки не-изображенческих данных. Карты радиолокационной информации о погоде, демонстрируемые в новостях по телевидению, являются общеупотребимым примером. Преобразование аналоговых данных реального мира в цифровой формат известно как оцифровка и включает в себя дискретизацию и квантование. Проекционное изображение в цифровой рентгенографии может быть получено с помощью рентгеновских детекторов, которые непосредственно преобразуют изображение в цифровой формат. В качестве альтернативы, рентгенография с использованием фосфорной пластины заключается в том, что изображение сначала регистрируется на фотостимулируемой фосфорной пластине (PSP), которая впоследствии сканируется механизмом, называемым фотостимулированной люминесценцией. Наконец, цифровое изображение также может быть вычислено на основе геометрической модели или математической формулы. В этом случае более уместно использовать термин "синтез изображения", который чаще называют рендерингом. Аутентификация цифровых изображений является важной задачей для поставщиков и производителей цифровых изображений, таких как медицинские учреждения, правоохранительные органы и страховые компании. В области судебной фотографии разрабатываются методы анализа цифровых изображений для определения, были ли они изменены. Если раньше для цифровой обработки изображений использовались химические и механические процессы, то теперь все они переведены в электронную форму. Для получения цифрового изображения необходимо выполнение нескольких условий: световая энергия преобразуется в электрическую – представьте себе сетку из миллионов крошечных солнечных элементов. Каждое состояние генерирует определённый электрический заряд. Заряды с этих "солнечных элементов" транспортируются и передаются в микропрограмму для интерпретации. Микропрограмма понимает и преобразует цвет и другие характеристики света. Затем проявляются пиксели, которые, благодаря различной интенсивности, создают различные цвета, формируя изображение. Наконец, микропрограмма сохраняет информацию для последующего использования и воспроизведения.
Преимущества
Есть несколько преимуществ цифровой обработки изображений. Во-первых, этот процесс обеспечивает легкий доступ к фотографиям и текстовым документам. Google находится в авангарде этой "революции" со своей миссией оцифровать книги мира. Такая оцифровка сделает книги доступными для поиска, что откроет всемирный доступ к библиотекам-участницам, таким как Стэнфордский университет и Калифорнийский университет в Беркли. Цифровая обработка изображений также приносит пользу медицине, поскольку "позволяет осуществлять электронную передачу изображений третьим сторонам – стоматологам, консультантам, страховым компаниям – через модем". Преимущества также касаются фотографий. Цифровая обработка изображений снижает необходимость физического контакта с оригинальными снимками. Более того, она создает возможность восстановления визуального содержания частично поврежденных фотографий, тем самым предотвращая изменение или уничтожение оригинала. Цифровая обработка изображений означает, что "фотографам больше не нужно спешить с пленкой в офис, что позволяет им дольше оставаться на месте съемки, соблюдая при этом сроки". Еще одно преимущество цифровой фотографии – ее распространение на камеры в мобильных телефонах. Мы можем брать камеры с собой повсюду и мгновенно отправлять фотографии другим. Она проста в использовании и помогает молодому поколению в процессе самоидентификации.
Критика
Критики цифровой визуализации указывают на несколько негативных последствий. Повышенная "гибкость в получении изображений более высокого качества для читателей" может побудить редакторов, фотографов и журналистов к манипулированию фотографиями. Кроме того, "штатные фотографы перестанут быть фотожурналистами, превратившись в операторов, поскольку редакторы получат власть решать, что именно нужно снимать".