עיבוד אלקטרוני דיגיטלי

ניתן להתגבר על חלק ניכר מן המגבלות של שיטות העיבוד הקודמות ע"י המרת התמונה לתחום הדיגיטלי
(A/D), עיבודה ע"י מערכת דיגיטלית מתאימה והמרתה בחזרה לתחום האנלוגי (A/D), כדי לאפשר צפייה בה. תהליך זה מתואר באיור הבא:

לאחר המרת התמונה לתחום הדיגיטלי, אפשר לבצע בה, באופן אלקטרוני כמעט על פעולה רצויה: אפשר לזכור את התמונה לזמן בלתי מוגבל , לבצע בה עיבודים מתמטים כלשהם, להעביר אותה למקום כלשהו, להשוותה לתמונות אחרות הנצפות באותו רגע במקומות אחרים וכיו"ב. יתרה מזו, אפשר לבצע את העיבוד בשילוב רצוי כלשהו של חומרה ותוכנה ולכן מידת הגמישות שלו רבה מאד: שינוי העיבוד מצריך במקרים רבים, רק שינוי של תוכנית המחשב המופעלת. עיקר המאמצים בשטח זה הושקעו ומושקעים בפיתוח אלגוריתמים לעיבוד יעיל של תמונות. מאמץ רב מושקע גם בפיתוח חומרה שתאפשר מימוש האלגוריתמים השונים במהירות סבירה: עניין המהירות היווה תמיד צוואר בקבוק בתחום העיבוד הדיגיטלי של תמונות, בגלל הכמות הגדולה של מידע שיש בתמונה, מידע שצריך לעבדו בזמן קצר יחסית (לרוב בתוך כמה עשרות של אלפיות השניה).

ספרור

פילוג הבהירות של עצם ושל הדמות הנוצרת על-פני התקן החישה של מערכת ההדמיה (כלומר, במוצא העדשה), הוא רציף במרחב ובתחום ערכי הבהירות. התמונה שבמוצא החיישן כבר אינה רציפה אלא עוברת דגימה מרחבית. למשל, סרט הצילום מבצע דגימה כזו פשוט בשל העובדה שהוא מורכב ממספר סופי של גרגירים רגישים לאור. עם זאת, מדובר בצפיפות גבוהה מאוד של גרגירים, והתמונה היא למעשה רציפה. כדיי לבצע עיבוד של תמונה במחשב, יש להופכה תחילה למערך של מספרים שאותו ניתן לעבד. כלומר יש לבצע ספרור. הספרור מבוצע בשני שלבים: דגימה וכימוי.
ספרור התמונה כרוך באיבוד מידע מן התמונה המקורית, האנלוגית. לכן, כאשר מבצעים שיחזור של התמונה המסופררת, והופכים אותה חזרה לתמונה האנלוגית, מתקבלת תמונה פחות טובה מן התמונה המקורית. לפיכך, השאיפה היא למצוא לתהליך הספרור מאפיינים אופטימליים שיאפשרו בהמשך שיחזור מדויק ככל האפשר של התמונה, אך תוך שמירה על נפח סביר של התמונה הדיגיטלית.

דגימה

הדגימה מאופיינת ע"י מיקום נקודות הדגימה. אוסף נקודות הדגימה מרכיב את סריג הדגימה של התמונה. התמונה נדגמת בנקודות הסריג. עקרונית, נקודות הדגימה הם בעלות רוחב אפסי. אולם התמונה הדגומה המשוחזרת מורכבת מריבועים קטנים. לכל ריבוע יש בהירות אחידה ששווה לזו של התמונה בנקודת הדגימה המתאימה, הנמצאת במרכזו. סריג דגימה שנקודותיו מרוחקות מרחקים שווים זו מזו, נקרא סריג דגימה אחיד.
קיימים גם סריגים לא אחידים מסוגים שונים, ולעתים אף עדיף להשתמש בהם. למשל, כאשר ידוע שבאזור מסוים של התמונה יש ריכוז גבוה של פריטים עדינים, הגיוני לצופף את סריג הדגימה באותו אזור. עם זאת, בדרך כלל משתמשים בדגימה אחידה. מאפיין חשוב של הדגימה הוא קצב (תדר) fs (שמוגדר לגבי סריג אחיד) כמספר נקודות הדגימה לאורך התמונה בכל כיוון.
קצב הדגימה הדרוש נקבע על-פי תכולת התמונה הנדגמת: ככל שזו כוללת פרטים עדינים יותר, דרוש קצב דגימה גבוה יותר. קצב דגימה נמוך מדי, יוצר בתמונה שני סוגי בעיות: מצד אחד, אובדן פריטים, ומצד שני, עיוותים והוספת פרטים מלאכותיים, שאינם בתמונה המקורית.

כימוי

לאחר דגימת התמונה מתבצע כימוי של כל אחת מהדגימות. במקור, הבהירות בכל נקודת דגימה היא בעלת ערך אנלוגי כלשהו, הנמצא בתחום הדינמי של התמונה. זהו תחום רציף, ולכן ישנם אינסוף ערכים אפשריים. כדי לאפשר עיבוד דיגיטלי של התמונה, יש לתת לדגימות ערכים דיגיטליים. מספר הערכים הללו הוא סופי ונקבע ע"י מספר הסיביות של המעבד הדיגיטלי.
תהליך הכימוי מעתיק את התחום הרציף של הבהירות לתחום דיגיטלי בדיד המורכב מאוסף סופי של ערכים. ערך הבהירות בנקודת הדגימה מקבל לאחר הכימוי, את הערך הקרוב לו ביותר מתוך האוסף הסופי של ערכי הכימוי. לשם כך, התחום הרציף של הבהירות מחולק לקטעים, הקרויים מרווחי כימוי. ניתן לייצג את האוסף הסופי של ערכי הכימוי בעזרת קוד בינארי. אם החלוקה היא ל-n רמות כימוי, דרושות log2n סיביות לייצוג הקוד. לאחר הכימוי, התמונה המתקבלת היא מערך דו ממדי של מספרים, כאשר במיקום ה-(i,j) במערך, נמצא הקוד הבינארי של הדגימה במקום ה-(i,j) בתמונה. בקביעת מספר רמות האפור הנדרשות (ומספר הסיביות הנדרשות לייצוגן), יש להתחשב גם בתגובת העין לבהירות. העין רגישה יותר לשינוי בהירות באזורים כהים יותר מאשר באזורים בהירים. אזורים כהים בתמונה מיוצגים ע"י מספר רב יותר של רמות אפור מאשר אזורים בהירים, ומתאפשרת הבחנה בהבדלי בהירות קטנים יותר, בתחום שבו העין מסוגלת להבחין בהם. ניתן להבחין בין שני סוגי כימוי: כימוי אחיד וכימוי לוגריתמי.
בכימוי אחיד, המרווחים בין רמות כימוי שכנות זהים, אך לעיתים מעדיפים להשתמש בכימוי לא אחיד, לוגריתמי. בגלל תכונות העין שתוארו לעיל, הכימוי הלוגריתמי עדיף על הכימוי האחיד. בכימוי לוגריתמי קיים קשר לוגריתמי בין בהירות המקור לבהירות לאחר הכימוי. כימוי לא אחיד משמש לעיתים בדחיסת תמונה. לאופן הכימוי - מספר הרמות ואופן הפילוג שלהן - השפעה מכרעת על איכות התמונה.