Imagen Digital: Conceptos básicos.

Imágenes monocromas

Desde el punto de vista físico, una imagen monocroma (p. ej. una imagen de tonalidades de grises o fotografía en blanco y negro) es una función continua f(x,y), que expresa la variación en el espacio de la cantidad de luz emitida o reflejada por la imagen. Esta cantidad de luz o energía procedente de la imagen es lo que comúnmente denominamos brillo, intensidad  o nivel de gris de los distintos objetos o detalles contenidos en la imagen.

Lo que se conoce como formación de una imagen digital o digitalización de una imagen, no es más que la conversión en una serie de valores discretos (generalmente valores enteros) de la función continua  f(x,y) por muestreo tanto del plano espacial como  de la intensidad. Así, una imagen digital se representa como una tabla de valores o  matriz bidimensional (conjunto de valores numéricos ordenados en filas y columnas), en la que cada elemento corresponde al valor de intensidad de cada punto de muestreo de la imagen. Es lo que denominamos un  elemento mínimo de la imagen o píxel. Un píxel se designa con el nombre de la matriz y los subíndices que indican su pertenencia a una fila y columna determinadas. Así, A(i,j) = 127 indica que el píxel que ocupa la fila i y columna j en la imagen A tiene un valor de intensidad (o nivel de gris) igual a 127.

Generalmente las imágenes monocromas con niveles de gris se codifican de tal forma que cada píxel ocupa un byte de memoria: 8 bits. (Ver  Byte). Esto quiere decir que cada píxel puede tener un valor entero entre 0 y 255. Sin embargo algunos sistemas actuales utilizan otro tipo de codificaciones más comprimidas (1, 2 o 4 bits por píxel) o de mayor resolución (10 o 12 bits por píxel).

Las dimensiones virtuales de la imagen (número de píxeles) dependerán del número de filas y columnas que tenga la matriz, que la define. Así una imagen de 600 por 500 píxeles, corresponderá una matriz de 600 columnas y 500 filas, con un tamaño total de 300.000 píxeles (aprox.  0.286 Mbytes si cada píxel tiene una resolución de un byte). .

Sin embargo, el tamaño físico de la imagen (en centímetros o pulgadas) impresa sobre papel o visualizada en un monitor, dependerá además del tamaño real con que se visualice cada píxel (p. ej. 300 píxeles por pulgada en muchas impresoras o un tamaño de 0.25 mm por píxel en monitores de alta resolución).

Imagen monocroma codificada en 256 niveles de gris (1 byte por píxel)

 

Pseudo color

Es frecuente. que imágenes de un solo plano o monocromas se representen en color, atribuyendo arbitrariamente un color fijo a cada valor de intensidad, mediante una paleta de colores o look up table. En estos casos se habla de pseudo color, ya que la información sobre el color de cada píxel sólo puede restablecerse a partir de la paleta de colores pero nunca a partir de los propios valores de intensidad de la imagen.

Las paletas de colores suelen utilizarse  para simular el color real de una imagen pero codificado en 8 o menos bits, como en el ejemplo siguiente.

imagen pseudo color codificada en 32 colores (color codificado con 5 bits)

Sin embargo, las paletas de color también pueden utilizarse para realzar ciertos aspectos en imágenes monocromas en procesos de segmentación múltiple. P. ej. asignando colores distintos a las distintas fases de una aleación o las distintos rangos de temperatura en una imagen térmica o a los distintos niveles de absorción en una imagen de una muestra tratada con un bio-marcador  específico.

Imágenes en color real

En general se habla de imágenes en color real, cuando la codificación de la imagen contiene información sobre tres o más componentes de color. Ya sea las componentes RGB (Rojo, Verde y Azul), HSI (Croma o Tono, Saturación e Intensidad),CMY (Cyan, Magenta, Amarillo), CMYK (Cyan, Magenta, Amarillo y Negro) u otras. 

La expresión matemática de la imagen en color, en el espacio RGB,  es la combinación de tres funciones bidimensionales, cada una de ellas correspondientes a cada uno de los componentes principales del color (Rojo, Verde y Azul):

F(x,y) = fR(x,y)·fG(x,y)·fB(x,y)

La representación discreta o digitalizada, de una imagen en color real, corresponde a una matriz tridimensional en que cada elemento representa un píxel en una fila y columna con los valores de cada plano de la imagen o componente RGB del color. (RGB: acrónimo formado por las iniciales en inglés de los nombres de los tres colores principales Red, Green, Blue).

El sistema de representación del color en los monitores de los ordenadores es siempre del tipo RGB, o sea, un sistema con componentes separadas para el Rojo, Verde y Azul. En los sistemas de impresión en color, por el contrario, se utiliza básicamente el sistema CMY, aunque cada vez son más frecuentes los sistemas que utilizan CMYK.

Imagen en color real (3 bytes por píxel) con 256 niveles de intensidad en cada una de las componentes RGB, lo que representa un total de 16.777.216 colores posibles.

Falso color

Se habla de imágenes en falso color cuando en uno o más de uno  de los componentes normales del color se visualizan longitudes de onda del espectro electromagnético, que están fuera del espectro visible. P. ej. es frecuente, en los estudios de vegetación mediante sensores ópticos remotos (fotografía aérea, imagen digital desde satélite), mezclar en una imagen falso color las bandas espectrales correspondientes al verde, rojo e infrarrojo próximo para poder resaltar algunas de las propiedades de la absorción de la energía solar por la vegetación, más acusadas en el infrarrojo que en el espectro visible. 

Conjunto de dos imágenes del aeropuerto de Barcelona, captadas por el sensor ETM del satélite LANDAST 5. En la imagen de la izquierda se visualizan los tres canales visibles del sensor (azul, verde y rojo) por lo que la composición puede considerarse que corresponde al color real, después de restar una gran parte del efecto de difusión atmosférica. En la imagen de la derecha se combinan los canales rojo, infrarrojo próximo e infrarrojo medio del sensor a los que se les atribuye las componentes de color azul, verde y rojo respectivamente. Esta imagen debe considerarse como un falso color, ya que combina canales visibles y canales no visibles al ojo humano.

   Resolución y escala en imágenes digitales