Digitale beelden

Dataverwerving

Digitale beelden

Een beeld is een vlakke weergave van een reëel voorwerp. Beelden komen overal in onze maatschappij voor (tekeningen, schilderijen, fotografie, enz.).

Sedert enkele jaren beleven we een invasie van digitale beelden (van het Engelse digit= cijfer). Deze beelden zijn opgebouwd uit een zeer groot aantal uiterst kleine puntjes waarvan de kleur (of de intensiteit) vastgelegd wordt in cijfers. Deze punten worden "pixels" genoemd, uit het Engels "picture elements".

Codering van digitale waarden

Een cijfer per pixel

In een digitaal zwart-wit beeld heeft elke pixel een conventionele waarde van bijvoorbeeld 1 tot 10. De gegevens kunnen voorgesteld worden als een raster van waarden (voorbeeld links), maar als men een grijswaarde toekent aan de getallen (1 = zwart, 10 = wit), verandert het raster met cijfers in een beeld.

Computers dienen bij uitstek voor de verwerking van de digitale gegevens gecodeerd in 8 bits. Deze kunnen waarden aannemen van 0 tot 255. Daarom worden digitale beelden vaak gecodeerd in 256 lichtsterkten, van zwart (0) tot wit (255). Gemiddeld grijs komt dus overeen met een waarde van 127. Eigenlijk is het menselijk oog enkel in staat enkele tientallen verschillende grijswaarden te onderscheiden. De waarnemer ziet dus geen enkele discontinuïteit in een beeld gecodeerd op 256 grijswaarden.

Grootte van de pixels

Pixels: hoe meer, hoe beter

Een zelfde beeld kan met meer of minder pixels weergegeven worden. 
In dit voorbeeld worden voor het eerste 230x176 pixels gebruikt, voor het tweede 80x61, en voor het derde slechts 32x24 pixels. Merk op dat in het onderste sommige details, zoals de wimpers, verdwenen zijn.

Door het aantal pixels in een beeld te verhogen, verkleint men uiteraard elke pixel. Dit houdt verband met de resolutie. De resolutie van het digitale beeld wordt meestal uitgedrukt in aantal pixels per duim of inch (1 inch = 2,54 cm). De resolutie van de beelden van boven naar onder is respectievelijk 72, 25 en 10 pixels per inch. Over het algemeen heeft een beeld van goede kwaliteit op een computerscherm een resolutie van ongeveer 75 pixels per duim, dus ongeveer 3 pixels per millimeter. Als de pixels kleiner zijn, ziet het oog de individuele pixels niet meer maar ziet het beeld als één continu geheel. Eigenlijk bestaan foto's ook uit een zeer groot aantal kleine punten, die overeenkomen met de gevoelige korrel van de fotofilm.

Een digitaal beeld in grijswaarden zou men kunnen bekomen door een zeer groot aantal kleine radiometers naast elkaar te zetten die elk (in het zichtbare deel van het spectrum) de intensiteit registreren van de elektromagnetische straling op elke pixel. Zo werken eigenlijk de meeste toestellen die digitale beelden maken (digitale fototoestellen, scanners, enz.).

Het geheim van de kleuren

In de voorgaande voorbeelden komen de digitale waarden van 0 tot 255 overeen met grijswaarden. De resulterende digitale beelden zijn dus "zwart-wit" beelden zoals in het begin van de fotografie, de film en televisie. Dergelijke beelden worden "panchromatische" (= "alle kleuren") beelden genoemd. Ze leveren alleen informatie over de globale intensiteit van de zichtbare straling, zonder frequenties (dus kleuren) te onderscheiden. Om kleurenbeelden te produceren, moet men rekening houden met de spectrale inhoud van het teruggekaatste licht.

Natuurkundig kan men aantonen dat elke kleur overeenkomt met een bepaalde frequentie (en golflengte). Zo is de golflengte van blauw korter dan die van rood. Om kleurenbeelden te maken neemt men zijn toevlucht tot een kunstgreep, gebaseerd op de manier waarop het oog kleuren ziet. De impressionistische schilders hebben aangetoond dat men de subtielste kleurenschakeringen kon aangeven door kleine puntjes met felle kleuren naast elkaar te zetten. Volgens de natuurkunde kan men om het even welke kleur van het spectrum verkrijgen door de drie basiskleuren (rood, groen, blauw) te combineren.

Een digitaal kleurenbeeld zal dus gemaakt worden door het beeld op te delen in rood, groen en blauw (basiskleuren). Men vormt dus 3 digitale beelden, en door deze als transparanten op elkaar te leggen (pixel per pixel) kan men een kleurenbeeld maken. Als elk van de 3 "basisbeelden” gecodeerd wordt in 256 waarden, is het theoretisch mogelijk om meer dan 16 miljoen kleuren (256³) te maken.

Op het scherm van een computer worden deze 3 "basisbeelden" niet op elkaar geplaatst, maar gebruikt men juist het feit dat het oog zeer kleine pixels niet kan onderscheiden. Een kleurenscherm bestaat eigenlijk uit een zeer groot aantal groepen van 3 lichtpunten of fotosites (één rood, één groen en één blauw), die elk overeenkomen met een pixel van het beeld. Als bijvoorbeeld voor een pixel de fotosites rood en blauw maximaal verlicht zijn en de fotosite groen uit is, ziet de pixel er paars uit. Dit beginsel heet additieve synthese (RGB) van kleuren en wordt toegepast op alle kleuren videosystemen

Bij het kleurendrukken daarentegen mengt men verschillende inkten die elk een bepaald segment van het lichtspectrum absorberen. Men kan nagenoeg alle kleuren verkrijgen door cyaan, magenta en gele inkt te mengen. Dit zijn de complementaire (tegengestelde) kleuren van rood, groen en blauw. Hieraan voegt men zwarte inkt toe om donkerdere tinten te verkrijgen. Dit procédé noemt subtractieve synthese (CMYZ) van kleuren.