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디지털 이미지

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목차

1. 개요

디지털 이미지는 픽셀로 구성된 유한한 디지털 데이터 집합으로, 래스터와 벡터 이미지로 분류된다. 래스터 이미지는 픽셀의 행과 열로 구성되며, 디지털 카메라, 스캐너 등 다양한 장치로 생성된다. 벡터 이미지는 수학적 기하학을 기반으로 하며, 드로잉 소프트웨어로 제작하거나 래스터 이미지를 변환하여 만들 수 있다. 디지털 이미지는 이미지 뷰어 소프트웨어를 통해 표시하고 관리할 수 있으며, 디지털 이미지 기술은 1960년대부터 우주 프로그램, 의학 연구 등 다양한 분야에서 발전해왔다. 디지털 이미지 센서의 개발과 디지털 이미지 압축 기술의 발전은 디지털 이미지 기술 발전에 크게 기여했다. 모자이크는 겹치지 않는 이미지들을 배열한 조합을 의미하며, 기가픽셀 이미지나 위성 사진에 활용된다.

2. 래스터 이미지

래스터 이미지는 픽셀이라고 하는 유한한 디지털 데이터 집합으로 구성되며, 이미지에서 가장 작은 개별 요소이다. 픽셀은 특정 지점의 밝기나 색상 값을 나타내며, 고정된 수의 행과 열로 배열된다.

일반적으로 픽셀은 컴퓨터 메모리에 래스터 그래픽스 또는 래스터 맵, 즉 작은 정수의 2차원 배열로 저장된다. 이러한 값은 종종 이미지 압축 형태로 전송되거나 저장된다.

단층 촬영에서, 단층 촬영한 이미지도 래스터 이미지이다. 다수의 단층 이미지로부터 입체를 재현하는 경우, 픽셀이 복셀이 된다.[1]

2. 1. 래스터 이미지의 생성

래스터 이미지는 디지털 카메라, 이미지 스캐너, 좌표 측정기, 지진 프로파일링, 항공 레이더 등 다양한 입력 장치와 기술로 생성될 수 있다.[1] 또한, 페인트 소프트웨어를 사용하여 사람이 직접 생성하기도 한다.[1] 수학적 함수나 3차원 기하학적 모델과 같은 임의의 비 이미지 데이터로부터 합성할 수도 있는데,[1] 후자는 컴퓨터 그래픽스의 주요 하위 영역이다.[1] 디지털 이미지 처리 분야는 이러한 변환을 위한 알고리즘 연구이다.[1]

2. 2. 래스터 이미지 파일 형식

대부분의 사용자는 여러 가지 이미지 파일 형식을 사용하는 디지털 카메라를 통해 래스터 이미지에 접한다.

일부 디지털 카메라는 RAW 파일 포맷을 사용하여 카메라가 포착한 거의 모든 데이터에 접근할 수 있게 한다. 범용 사진 영상 가이드라인(UPDIG)은 RAW 파일이 최고 화질의 이미지를 만들어 내므로 가능하다면 RAW 파일 포맷을 사용할 것을 권장한다. RAW 파일 포맷은 최고 수준의 출력 제어와 정확도를 제공한다. 하지만 RAW 파일 포맷은 제조사마다 고유한 것이 다수 존재하며, 제조사에 상세 정보를 공개하도록 요구하는 움직임도 있다. 또한, 어도비 시스템즈의 Digital Negative(DNG)는 "디지털 카메라의 RAW 데이터를 저장하는 표준 포맷"으로 제안되었다[28]。이 포맷은 아직 널리 채택되지는 않았지만 점차 확산되고 있다[29]。

2. 3. 래스터 이미지의 종류

래스터 이미지는 픽셀 값의 종류와 특성에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.[1]

  • 이진 이미지: 픽셀이 두 종류의 값(예: 흰색과 검은색)만 갖는 이미지이다.
  • 그레이스케일: 휘도 정보만 갖는 이미지이다.
  • 컬러 이미지: 색상 정보를 갖는 이미지이다.
  • 의사 컬러 이미지: 인간의 눈으로는 원래 볼 수 없거나 구별하기 어려운 정보를 색으로 표시하는 이미지이다.
  • 멀티스펙트럼 이미지: 인간의 눈에 보이지 않는 적외선이나 자외선 등을 색으로 표시하는 이미지이다.
  • 세만틱 이미지: 원격 감지 등에서, 멀티스펙트럼 지상 위성 영상을 토지 상황(숲, 시가지, 사막 등)을 알 수 있도록 색을 구분하여 표시하는 이미지이다.


단층 촬영에서, 단층 촬영한 이미지도 래스터 이미지이다. 다수의 단층 이미지로부터 입체를 재현하는 경우, 픽셀이 복셀이 된다.[1]

3. 벡터 이미지

벡터 이미지는 수학적 기하학(벡터)에서 파생된다. 수학적으로 벡터는 크기와 방향을 모두 포함한다. EPS, PDF, AI 파일 등이 벡터 파일 형식의 예시이다.

3. 1. 벡터 이미지의 생성

벡터 이미지는 드로잉 소프트웨어 등의 그래픽 소프트웨어로 제작하거나, 래스터 이미지를 변환하여 제작할 수 있다.

3. 2. 래스터 이미지와 벡터 이미지의 결합

텍스트(벡터 이미지)와 사진(래스터 이미지)을 결합한 광고판과 같이, 래스터 및 벡터 요소가 하나의 이미지로 결합되는 경우가 많다. 예를 들어, 디지털 사진을 기반으로 한 래스터 이미지 위에 문자열 등의 벡터 이미지를 부여하여 포스터를 만들 수 있다.[1]

4. 이미지 뷰어

이미지 뷰어는 디지털 이미지를 표시하고 관리하는 소프트웨어이다. 웹 브라우저는 JPEG, GIF, PNG 등 표준 인터넷 이미지 형식을 표시할 수 있으며, 일부는 W3C 표준 형식인 SVG도 지원한다.[11] 과거에는 인터넷 속도가 느려 웹사이트에서 메인 이미지를 대체하기 전 "미리 보기" 이미지를 제공했지만, 현재는 인터넷 속도가 빨라져 거의 사용되지 않는다.

일부 과학 이미지는 매우 크다. 예를 들어 은하수의 46기가픽셀 이미지는 약 194GB이다.[11] 이러한 이미지는 다운로드하기 어려워, 보통 더 복잡한 웹 인터페이스를 통해 온라인으로 탐색한다.

GIF, JPEG, PNG 같은 래스터 이미지는 월드 와이드 웹에서 자주 사용되므로 웹 브라우저에서도 열람할 수 있다. W3C 표준 포맷인 SVG 벡터 이미지 포맷도 웹상에서 널리 사용된다. 이미지 뷰어는 슬라이드 쇼 기능을 가진 경우가 많으며, 지정한 디렉터리(폴더) 안의 이미지를 자동으로 차례로 표시할 수 있다.

5. 디지털 이미지의 역사

1957년 SEAC에 의해 수행된 최초의 스캔


SEAC 스캐너


초기 팩스는 Bartlane 케이블 사진 전송 시스템과 같은 방식으로 디지털 카메라와 컴퓨터보다 수십 년 앞서 등장했다. 디지털 픽셀로 스캔, 저장 및 재구성된 최초의 사진은 NIST의 SEAC에서 표시되었다.[12] 1960년대 초 우주 프로그램 개발과 의학 연구와 함께 제트 추진 연구소, MIT, 벨 연구소 및 메릴랜드 대학교 등에서 디지털 이미지를 사용하여 위성 이미지, 와이어 사진 표준 변환, 의료 영상, 비디오폰 기술, 문자 인식, 사진 향상을 발전시켰다.[13]

1960년대 MOS 집적 회로와 1970년대 초 마이크로프로세서의 도입과 함께 관련 컴퓨터 메모리 저장, 디스플레이 기술, 데이터 압축 알고리즘의 발전은 디지털 이미지 기술 발전을 가속화했다.

X선을 사용하는 전산 단층 촬영술(CAT 스캔)의 발명은 의료 진단에 매우 중요했다. 디지털 이미지의 생성뿐만 아니라 아날로그 이미지의 디지털화를 통해 고고학 유물의 향상 및 복원이 가능해졌고 핵의학, 천문학, 법 집행 기관, 국방 및 산업 등 다양한 분야에서 사용되기 시작했다.[14]

마이크로프로세서 기술의 발전은 전하 결합 소자(CCD) 개발과 마케팅을 가능하게 했고, 20세기 말 사진 및 비디오 제작에서 아날로그 필름과 테이프를 대체했다. 디지털 이미지 캡처를 처리하는 데 필요한 컴퓨팅 성능은 컴퓨터 생성 디지털 이미지가 포토리얼리즘에 가까운 수준의 정교함을 달성할 수 있게 했다.[15]

5. 1. 디지털 이미지 센서

최초의 반도체 이미지 센서는 1969년 벨 연구소에서 윌라드 S. 보일과 조지 E. 스미스가 개발한 전하 결합 소자(CCD)였다.[16] 이들은 MOS 커패시터에 전하를 저장하고 이동시키는 방식으로 작동하는 CCD를 개발했다.[17] CCD는 이후 텔레비전 방송용 최초의 디지털 비디오 카메라에 사용되었다.[18]

초기 CCD 센서는 셔터 랙 현상을 겪었으나, 1980년 NEC의 테라니시 노부카즈 등이 핀 포토다이오드(PPD)를 발명하여 이 문제를 해결했다.[19][23] PPD는 낮은 랙, 낮은 노이즈, 높은 양자 효율 및 낮은 암전류를 제공하는 광 검출기 구조였다. 1987년부터 PPD는 대부분의 CCD 및 CMOS 센서에 통합되어 소비자 전자제품 비디오 카메라와 디지털 카메라의 핵심 부품이 되었다.[23]

NMOS 액티브 픽셀 센서(APS)는 1980년대 중반 일본 올림푸스에서 MOS 반도체 소자 제조 기술의 발전으로 개발되었다.[20][21] 1985년 올림푸스의 나카무라 츠토무 팀이 NMOS APS를 제조했다.[22] CMOS 액티브 픽셀 센서 (CMOS 센서)는 1993년 NASA 제트 추진 연구소의 에릭 포섬 팀에 의해 개발되었다.[23] 2007년에는 CMOS 센서 판매량이 CCD 센서를 넘어섰다.[24]

5. 2. 디지털 이미지 압축

디지털 영상 압축의 중요한 발전은 1972년 나시르 아흐메드가 처음 제안한 손실 압축 기술인 이산 코사인 변환(DCT)이었다.[25] DCT 압축은 1992년 JPEG에서 도입된 JPEG에 사용되었다.[26] JPEG는 영상을 훨씬 더 작은 파일 크기로 압축하며, 인터넷에서 가장 널리 사용되는 영상 파일 형식이다.[27]

6. 모자이크

디지털 이미지에서 '''모자이크'''는 겹치지 않는 이미지들을 어떤 테셀레이션으로 배열한 조합을 말한다.[1] 기가픽셀 이미지는 이러한 디지털 이미지 모자이크의 한 예시이다.[1] 위성 사진은 종종 지구의 지역을 커버하기 위해 모자이크 처리된다.[1]

참조

[1] 서적 Digital image processing Pearson
[2] 웹사이트 Digital Negative (DNG) Specification https://www.adobe.co[...] Adobe 2011-04-20
[3] 웹사이트 File formats - the raw file issue https://www.updig.or[...] 2011-10-20
[4] 웹사이트 Guides to Good Practice - Section 3 Archiving Raster Images - File Formats https://guides.archa[...] 2011-12-14
[5] 웹사이트 Raw as Archival Still Image Format: A Consideration https://digitalcommo[...] 2011-09-14
[6] 웹사이트 Obsolescence - File Formats and Software https://www.icpsr.um[...] 2011-11-02
[7] 웹사이트 Choosing a File Format for Digital Still Images - File formats for master archive https://www.jiscdigi[...] 2011-11-16
[8] 웹사이트 Rapid Capture Backlog Project - Presentation https://www.yale.edu[...] 2012-06-10
[9] 웹사이트 Digital Image File Formats https://cool.conserv[...] 2010-12-14
[10] 웹사이트 Acquisition and Preservation Strategies https://786news.com/[...]
[11] 웹사이트 This 46-Gigapixel photo of the Milky Way will blow your mind https://www.techrada[...] 2015-10-23
[12] 웹사이트 Fiftieth Anniversary of First Digital Image https://www.sciencec[...] 2010-10-14
[13] 서적 Picture Processing by Computer Academic Press
[14] 서적 Digital Image Processing, 3rd Edition https://books.google[...] Pearson Prentice Hall
[15] 서적 Spatio-temporal image processing, Theory and Scientific Applications https://books.google[...] Springer Verlag
[16] 서적 Scientific charge-coupled devices https://books.google[...] SPIE Press
[17] 서적 The Electronics Revolution: Inventing the Future https://books.google[...] Springer 2017
[18] 학술지 Charge Coupled Semiconductor Devices 1970
[19] 특허 Solid-state imaging device having a reduced image lag
[20] 학술지 Charge-Coupled Devices and Solid State Optical Sensors III International Society for Optics and Photonics 1993-07-12
[21] 웹사이트 Active Pixel Sensors https://ericfossum.c[...] 2007
[22] 학술지 A new MOS phototransistor operating in a non-destructive readout mode 1985
[23] 학술지 A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors 2014
[24] 뉴스 CMOS Image Sensor Sales Stay on Record-Breaking Pace https://www.icinsigh[...] 2018-05-08
[25] 학술지 How I Came Up With the Discrete Cosine Transform https://www.scribd.c[...] 1991-01
[26] 웹사이트 T.81 – Digital Compression and Coding of Continuous-Tone Still Images – Requirements and Guidelines https://www.w3.org/G[...] CCITT 1992-09
[27] 웹사이트 The JPEG image format explained https://home.bt.com/[...] BT Group 2018-05-31
[28] 웹사이트 Digital Negative (DNG) Specification http://www.adobe.com[...] Adobe
[29] 웹사이트 The Universal Photographic Digital Imaging Guidelines
[30] 웹사이트 http://dblab.ewha.ac[...]

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