1.3. ВВОД ИЗОБРАЖЕНИЙ

Изображение, представленное в аналоговой форме, необходимо преобразовать в некоторую числовую матрицу, прежде чем приступать к его обработке на ЭВМ. Процесс такого преобразования называется дискретизацией и состоит из двух процессов: выборки и квантования. Первый из них заключается в выборе на поле наблюдения некоторого множества точек. В каждой выбранной точке измеряются характеристики изображения, которые используются на

всех последующих этапах обработки изображения. Поскольку все ЭВМ располагают ограниченной памятью, результаты полученных измерений необходимо описать конечным числом символов — соответствующая процедура называется процессом квантования. Характеризуя плотность размещения выборочных точек, часто говорят о пространственном разрешении, а характеризуя точность представления результатов указанных измерений — о тоновом (или цветовом) разрешении. Выбор необходимых значений разрешения рассматривается в гл. 2, здесь же мы ограничимся кратким обзором применяемой аппаратуры и основных программных средств. Во многих устройствах дискретизации изображений используются телевизионные камеры, так как именно они обеспечивают преобразование светового сигнала в электрический. К последнему затем можно применять процедуры выборки и квантования, используя для этого аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Единственная, возникающая при этом проблема — это колоссальная скорость воспроизведения данных на выходе стандартной телевизионной камеры. Системы телевизионного вещания передают 30 кадров в секунду, причем каждый кадр содержит около 500 строк растра. Если мы хотим обеспечить аналогичное разрешение по вертикали и горизонтали, то нам придется иметь дело с частотой выборки порядка 30X500x500 отсчет/с. Поскольку существуют аналого-цифровые преобразователи производительностью 10 млн. отсчет/с, то эта проблема имеет не столько технический, сколько финансовый характер. Кроме того, огромный поток данных может «переполнить» вычислительную систему, осуществляющую обработку изображений. Если вести обработку в реальном масштабе времени не обязательно, то можно перестроить телекамеру так, что она будет работать с меньшей скоростью, либо воспользоваться каким-либо устройством, осуществляющим сжатие полосы частот. Простейшим способом реализации такого сжатия является выборка по вертикали: переход к следующей вертикали осуществляется лишь после полного прохода по растру (или еще позже). Положение такой вертикали определяется вычислительной машиной, которая задает новое положение вертикали после того, как содержимое буферного запоминающего устройства полностью передано в постоянное запоминающее устройство. Этот прием позволяет уменьшить скорость поступления данных приблизительно в 500 раз.

В специализированных устройствах дискретизации изображений просмотр изображения в соответствующем порядке осуществляется при помощи прецизионного управления световыми пучками. В барабанных сканирующих устройствах изображение закрепляется на вращающемся барабане, а световой пучок перемещается параллельно оси барабана. Устройства дискретизации этого типа обычно работают медленнее тех, в которых используются телевизионные камеры, однако они обеспечивают получение результатов много лучшего качества. Устройства обоих типов воспроизводят изображения класса 1, хотя иногда применение грубого квантования

позволяет получать изображения класса 2. Другой тип устройств дискретизации изображений — развертывающие устройства с бегущим лучом, обеспечивающие построчный просмотр изображения. Кроме того, их можно запрограммировать так, чтобы они отслеживали границу между двумя областями изображения, отличающимися яркостью или цветом, и воспроизводили на выходе изображения класса 3. И наконец, планшетные устройства дискретизации изображений позволяют «проходить» по изображению линии и получать в результате дискретизированную последовательность координат пройденных точек линии. Этот способ дискретизации заключается в том, что исходное изображение налагается на намагниченную поверхность, а соответствующие точки указываются при помощи электрического пера или курсора. Изображение, получаемое в результате дискретизации, также относится к классу 3.

В некоторых прикладных задачах машинной графики необходимо осуществлять дискретизацию собственно объектов. Для этого обычно используются специализированные устройства, снабженные щупом, который в процессе дискретизации скользит по поверхности объекта; одновременно осуществляется выборка значений его координат. Другой метод дискретизации объекта предусматривает использование двух проекций объекта, которые одновременно обрабатываются на планшетном устройстве дискретизации изображений. Впоследствии описание трехмерного объекта можно восстановить по двум изображениям на плоскости, поскольку всякая точка некоторого пространства полностью определяется своими проекциями на две плоскости. Автоматизация выполнения таких процедур открывает многообещающие перспективы для взаимодействия распознавания образов, обработки изображений и машинной графики. Телевизионная камера позволяет получать различные виды объекта, а дальнейшая обработка этих изображений может привести к построению описания объекта. Этот процесс можно упростить, если вместо оптических изображений применить данные о расстояниях (до объекта). Для получения последних на объект направляется лазерный, радио- или ультразвуковой луч и отраженные сигналы, зарегистрированные в различных точках, используются для формирования изображения. Можно воспользоваться также методами восстановления изображений, рассмотренными в гл. 5.

Программное обеспечение (ПО), применяемое при дискретизации изображений, сравнительно несложно и не особенно отличается от ПО, применяемого при дискретизации данных любого другого вида. Обычно команда считывания (управления внешним устройством, буферизации) обеспечивает передачу данных от устройства дискретизации в буферный массив. В программе дискретизации по этой команде организован цикл, и выборка прекращается либо по специальному сигналу прерывания, либо после того, как получено заданное число отсчетов (см. задачу 1.1).

С другой стороны, часто оказывается удобным встраивать систему

ввода в программу-редактор, которая, как известно, позволяет пользователю изменять введенные данные. Например может возникнуть необходимость выделения подызображения вводимого изображения или изменения положения какой-то точки дискретизованной кривой. Для использования редактора необходимо иметь интерактивную графическую систему, причем сложность редакторов меняется довольно существенно в зависимости от того, какие возможности он должен предоставлять пользователю. Хотя простую программу-редактор можно написать за пару дней, для разработки более сложных программных комплексов требуется значительное число человеко-лет. Различные аспекты программ-редакторов будут рассмотрены в соответствующих разделах, а впервые мы займемся этой темой в разд. 1.9.