Ввод изображений

Как уже было сказано выше, оптическое изображение с точки зрения теории сигналов является двумерным непрерывным сигналом. В таком виде оно не пригодно для обработки в компьютерных системах, и, следовательно, должно быть преобразовано. Для этого выполняются операции дискретизации (по пространственным координатам) и квантования (по интенсивности). Получившееся цифровое изображение представляет собой массив дискретных отсчетов (последовательность цифровых значений). Устройство, выполняющее операции дискретизации и квантования, в теории сигналов называют АЦП (аналого-цифровой преобразователь), а выполняющее обратное преобразование – ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь).

Все компьютерные изображения, форматы их представления и программы создания и редактирования делят на два больших класса – векторные и растровые.

Векторные изображения представляют собой набор математически описанных объектов. Такой подход применяется при создании и хранении чертежной документации, планов, схем, диаграмм и т.п. Понятно, что векторная графика не применима для представления и обработки фотографических и тому подобных изображений. В рамках данного курса она рассматриваться не будет.

Изображение, представленное в цифровом виде, имеет вид прямоугольной матрицы (растра, растровой или битовой карты, bitmap), состоящей из набора дискретных элементов. Каждый такой элемент растра носит название пиксел (от английского pixel – picture element). Графические изображения, представленные в таком виде, получили название растровых.

Количество элементов (пикселей) на единицу длины называется – разрешением. Оно измеряется в большинстве случаев в точках на дюйм (dpi, сокращенное от dot per inch) или пиксел на дюйм (ppi, сокращенное от pixel per inch). По сути оба эти понятия обозначают одно и тоже. Разница лишь в том, что в первом случае единичный элемент изображения назван точкой (dot), а во втором – пикселем (pixel). Разрешение цифровых изображений – понятие неоднозначное, поскольку каждая стадия процесса воспроизведения накладывает свои требования и ограничения. Рассмотрим этапы последовательно.

Одним из наиболее распространенных устройств предназначенных для оцифровки изображений является сканер. Сканер – это устройства ввода текстовой или графической информации в компьютер путем преобразования ее в цифровой вид для последующего использования, обработки, хранения или вывода. Таким образом, на этапе сканирования осуществляется перевод изображение из аналоговой формы в цифровую. Разрешение, задаваемое на этом этапе, определяет какое количесвто пикселей будет получено на один дюйм исходного изображения. Разрешение – один из важнейших параметров сканера. Оно бывает физическое и интерполяционное. Первое зависит от конструкции устройства и в ряде случаев может быть переменным. Практически во всех моделях сканеров (особенно недорогих) существует и второй тип разрешения – интерполяционное. Дополнительное количество точек на дюйм в этом случае получается методом интерполяции. Суть его в том, что на некотором участке по имеющимся цифровым данным полиномом необходимой степени воспроизводится функция, в приближении отражающая существовавший аналоговый сигнал. Затем по этой функции производится перевыборка (изменение шага дискретизации). Таким образом, можно искусственно повысить реальное разрешение сканера.

На этапе выполнений преобразований цифрового изображения в компьютере понятие разрешающей способности в достаточной мере условно. Фактически оно определяет, какого размера будет изображение в случае его вывода ( например, на печать или экран). Ни на какие цифровые преобразования разрешение не влияет. Все цифровые преобразования производятся над пикселями, поэтому на этапе компьютерной обработки, разрешения не играет никакой роли.

На этапе вывода может применяться большое количество разнообразных устройств. Здесь под разрешением понимают количество точек, которое может вывести то или иное устройство на единицу длины. Понятно, что при этом один пиксел изображения в цифровом виде может быть не равен одному пикселю устройства вывода.

Для того чтобы определить, какое разрешение устройство ввода должно быть выбрано для сохранения структуры исходного изображения воспользуемся теоремой Котельникова. Согласно ей, для передачи определенной пространственной частоты (например, 100 лин/мм) потребуется сканирование с вдвое большей частотой (200 лин/мм). И действительно, если при сканировании миры, имеющей шаг 100 лин/мм, используется разрешение так же в 100 линий на мм, то ее структура будет передана полностью в том случае, если каждая линия миры попадет на каждую линию сканирующего устройства. Если же линии миры окажутся между сканирующими линиями, то получим серое поле. Пространственная частота сканера в 200 лин/мм означает, что имеется 400 переходов черное/белое или 400 считывающих элементов на мм. Таким образом получаем, что при сканировании миры с частотой 100 лин/мм необходимо иметь разрешение сканирующего устройства как минимум 400 точек на мм (ppm).