Введение к работе
Актуальность работы. С момента возникновения цифровой типографии существует проблема растрирования контурных шрифтов на выводных устройствах с низким разрешением. В настоящее время широко распространены технологии, в основе которых лежит принцип чтения с экрана. К примерам реализации подобных технологий относятся: электронные книги, web-страницы, системы электронного документооборота, планшетные и карманные компьютеры, web-шрифты и т.п. Сюда же можно отнести различные светодиодные экраны, используемые для наружной рекламы.
Разрешение большинства экранов выводных устройств находится в диапазоне от 72 до 144 ppi (pixel per inch). Это накладывает определенные ограничения на использование контурных шрифтов при небольших размерах кегля, поскольку становятся визуально заметными искажения, возникающие при растрировании.
Вследствие растущей популярности указанных технологий и устройств в области современной цифровой типографии появилась проблема корректировки контурных шрифтов.
Растровые шрифты представляют собой набор пикселей, формирующих символы. Преимуществом растровых шрифтов является возможность адаптировать их под конкретное устройство вывода, а также меньшее потребление вычислительных ресурсов компьютера, т.к. отсутствует необходимость преобразования контура в растр. Недостатками является невозможность масштабирования, а также тот факт, что для каждого разрешения и кегля необходим свой файл растрового шрифта. На текущий момент данный тип цифровых шрифтов применяется довольно редко.
В контурных шрифтах символы описываются набором прямых и кривых линий, формирующих контур каждого шрифтового знака. Контурные шрифты можно использовать при различных разрешениях выводных устройств. Добавление инструкций разметки к контурным шрифтам формата TrueType – сложный процесс, требующий большого количества времени и высокой квалификации шрифтового дизайнера, т.к. к каждой части шрифтового знака (засечки, основной и соединительный штрихи, полуовалы и т.п.), имеющей искажения в низком разрешении, необходимо добавлять корректирующие инструкции вручную.
Исходя из изложенного можно констатировать, что развитие методов автоматизированной разметки знаков контурных шрифтов с целью получения приемлемых для практического применения результатов растрирования в условиях низкого разрешения выводного устройства является важной и актуальной задачей.
Степень разработанности проблемы. Развитие и стандартизация технологий шрифтового обеспечения цифровой печати берёт своё начало с 1980-х годов, когда компания Adobe адаптировала свой язык описания символов Postscript для лазерного принтера компании Apple. За это время было создано большое количество контурных шрифтов, однако, лишь некоторые из них были оптимизированы для растрирования в условиях низкого разрешения (порядка 72-144 ppi).
Растрирование в высоких разрешениях (выше 600 dpi) сохраняет первоначальный дизайн штрихов шрифта. Однако, при уменьшении разрешающей способности экрана происходит увеличение шага битовой карты относительно размеров очка гарнитуры. Пиксель на битовой карте заполняется, если его центр попадает в границы контура, и, соответственно, если центр пикселя находится вне контура – он остается пустым. Вследствие этого, в процессе растрирования могут возникать типичные проблемы для низких разрешений: нарушение симметрии шрифтовых знаков, разная толщина основных штрихов, слияние элементов знака, пропуск тонких штрихов и засечек и т.п.
Методике и алгоритмам борьбы с указанными искажениями посвящены работы Л.М. Местецкого, Р.Д. Герша и К. Бетрисе, П. Биляка, Б. Стамма. Математические основы алгоритмов компьютерной графики изложены в работах С.В. Чирикова, Д. Роджерса и др. Описание процессов растрирования контурных шрифтов приведено в работах Б. Стамма, Я. Гончаровски. Попытки автоматизировать процесс разметки контурных шрифтов для низких разрешений проводились С. Андлером9, П.Дж. Шнайдером10.
Целью диссертационной работы является разработка метода корректировки контурного описания, позволяющего добиться приемлемого изображения знаков при растрировании с низким уровнем разрешения, основа которого состоит в выявлении связей между особенностями начертания шрифтового знака и искажениями, возникающими при получении его растрового изображения в выводных устройствах с низким разрешением.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
– выполнить анализ проблем, возникающих при использовании различных шрифтовых гарнитур в выводных устройствах;
– разработать методику моделирования процесса растрирования контурного знака при различных уровнях разрешения;
– разработать программные средства моделирования процесса растрирования;
– провести анализ результатов, полученных в процессе моделирования, с целью выявления связей между особенностями начертания шрифтового знака и возникающими в процессе растрирования искажениями;
– разработать метод корректировки контурного описания знака, позволяющий минимизировать искажения в растровом изображения знака;
– разработать программные средства, реализующие предложенный выше метод.
Объектом исследования диссертационной работы являются программные и аппаратные средства и методы растрирования векторных изображений в выводных устройствах низкого разрешения.
Предметом исследования являются способы устранения искажения формы знаков шрифтовой гарнитуры, возникающие при растрировании векторных шрифтов в устройствах с низким разрешением.
Область исследования. Шрифтовое обеспечение выводных устройств полиграфических средств информации. Указанная область соответствует специальности 05.13.06 «Автоматизация и управление технологическими процессами (полиграфические средства информации и информационные системы)», в частности, п.9 – «Методы эффективной организации и ведения специализированного информационного и программного обеспечения АСУТП, АСУП, АСТПП и др., включая базы и банки данных и методы их оптимизации».
Методы исследования. Для достижения поставленной цели и для решения указанных выше задач используются следующие научные методы: математический анализ, статистический анализ, метод экспертных оценок.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующих положениях:
-
Разработана модель процесса растрирования контура шрифтового знака, позволяющая подобрать параметры растровой сетки, обеспечивающие минимум искажений.
-
Разработан метод корректировки координат опорных точек контура шрифтового знака по результатам моделирования процесса растрирования.
-
Разработана программная реализация метода моделирования процесса растрирования контурных шрифтов.
Достоверность и обоснованность научных положений определяется корректным использованием базовых методов исследования и математического аппарата. Достоверность результатов подтверждается непротиворечивостью применяемых математических методов расчетов, практической реализацией разработанных моделей, а также результатами экспериментальных исследований.
Теоретическая значимость результатов заключается в решении теоретической задачи корректировки контуров шрифтовых знаков при растрировании в низком разрешении.
Практическая значимость работы состоит в возможности значительно расширить диапазон контурных кириллических шрифтов, которые можно применить в цифровой типографии, в частности, при разработке web-сайтов, различных версий электронных документов и рекламных баннеров. Разработанные программные средства могут найти применение в практической деятельности шрифтовых и web-дизайнеров, а также использоваться для решения широкого круга задач компьютерной графики.
Положения выносимые на защиту:
-
Модель процесса растрирования контура шрифтового знака, позволяющая подобрать параметры растровой сетки, обеспечивающие минимум искажений.
-
Метод корректировки координат опорных точек контура шрифтового знака по результатам моделирования процесса растрирования.
-
Программная реализация метода моделирования процесса растрирования контурных шрифтов.
Реализация результатов работы. Теоретические положения внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО МГУП имени Ивана Федорова и в настоящее время используются при подготовке магистрантов по магистерской программе 220200.68 «Автоматизация и управление». Материалы диссертационной работы использованы в качестве методологической основы при разработке общеуниверситетских курсов лекций и практических занятий по дисциплинам «Автоматизированные информационно-управляющие системы», «Информационное обеспечение систем управления», «Программирование и основы алгоритмизации». Также теоретические положения внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «МАТИ – Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского» и в настоящее время используются при подготовке бакалавров по магистерской программе 230100.62 «Информатика и вычислительная техника». Материалы диссертационной работы использованы в качестве методологической основы при разработке общеинститутских курсов лекций и практических занятий по дисциплинам «Теория автоматического управления», «Спецглавы математики», «Моделирование систем».
Кроме того, определена целесообразность применения разработанной методики при выборе кириллических шрифтов для создания пиксельных баннеров в рекламно-производственной компании ООО «Системные решения» (г. Ступино).
Результаты работы подтверждены актами внедрения и справками об использовании, имеющимися в приложении к диссертации.
Апробация работы. Материал, изложенный в диссертационной работе, был доложен на трех научных конференциях: Научно-практическая конференция МАТИ в 2009г., Международная конференция НТММК в МГУП имени И. Фёдорова в 2011г., Всероссийская научно-техническая конференция «Исследования в области полиграфии и защиты информации» в ТулГУ в 2013г.
Публикации. Результаты работы опубликованы в 8 научных статьях, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения, библиографического списка использованных источников и приложений. Она содержит 112 страниц, 9 таблиц, 59 рисунков.
