Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 8
1.1. Влияние фотоматериала и условий проявления на характеристики 8 изображений...,
1.2. Параметры характеризующие фотографическое изображение 12
- сенситометрические характеристики 12
- структурометрические характеристики 16
1.3. Сканирование изображений 21
1.4. Физико-химические основы печати, способы печати и характеристики печатающих устройств 23
Глава 2. Используемые материалы, приборы и оборудование 48
Глава 3. Методики экспериментов 52
- изготовление тест-объектов для исследования передачи полутонов ФИ.. 52 ~ изготовление тест-объектов для исследований передачи деталей ФИ 53
- химико-фотографическая обработка фотопленок 54
- сканирование 55
- обработка цифровых изображений 56
- печать цифровых изображений 57
Глава 4. Результаты и обсуждение 58
4.1. Исследование передачи полутонов при сканировании ФИ 58
4.2. Исследование передачи деталей изображения при сканировании фотоснимков
4.3. Исследование влияния условий печати на передачу деталей ФИ 79
Глава 5. Оценка объемов информации передаваемой каналом ФРС... 82
Основные результаты работы и выводы 88
Список литературы
- Параметры характеризующие фотографическое изображение
- Физико-химические основы печати, способы печати и характеристики печатающих устройств
- химико-фотографическая обработка фотопленок
- Исследование передачи деталей изображения при сканировании фотоснимков
Введение к работе
з
Актуальность работы. Созданные на стыке физики, химии, технологии и
техники фотографические способы регистрации изображений
светочувствительными слоями с микрокристаллами галогенидов серебра нашли широкое применение практически во всех областях человеческой деятельности. Изображения земной поверхности на черно-белых фотопленках, получаемые при аэрофотосъемке и фотосъемке из космоса необходимы и используются для решения важных прикладных задач в картографии, геодезии, сельском и лесном хозяйстве, геологии, природоохранной деятельности, военном деле, при исследовании природных ресурсов и т.д. Существенное достоинство использования фотопленок для аэрофотосъемок - возможность получать детальные снимки больших площадей земной поверхности. Оно способствовало успешному развитию как методов и техники аэрофотографии, так и созданию специального класса фотоматериалов -аэрофотопленок для получения изображений земной поверхности в самых разных условиях освещенностей. В процессе выполнения работ в этой области большое внимание уделялось установлению взаимосвязей между характеристиками фотоматериалов, условиями съемки и распознаванием на получаемых фотоснимках наблюдаемых объектов.
Дальнейшее развитие аэрофотографии связано с более широким использованием современных информационных технологий для обработки фотографических изображений, их передачи и хранения, что требует преобразования содержащейся в фотоснимках информации в цифровую форму и последующей печати цифровых изображений. Системы фотографической регистрации, канал передачи информации которых, включает фотосъемку на фотоматериал, преобразование получаемого аналогового фотографического изображения в цифровую форму при сканировании, компьютерную обработку и печать цифрового изображения, получили название гибридных. Гибридные фоторегистрирующие системы (ГФРС) уже успешно используются в любительской фотографии, полиграфии и для обработки результатов аэрофотосъемок. Известно, что передача информации по любому каналу сопровождается ее искажениями и
4 потерями, которые при передаче изображений могут привести к существенному уменьшению их информативности. Сведения о полноте передачи информации ГФРС ограничены, что затрудняет установление путей их совершенствования для новых систем аэрокосмического мониторинга земной поверхности. В частности нет полной ясности в вопросе об изменениях характеристической кривой фотоматериала при ее сканировании и в результате компьютерной обработки и, следовательно, в определении значений светочувствительности для расчетов условий фотосъемки, тем более что для считывания фотоснимков используются фотоприемники, по характеристикам отличающиеся от характеристик органов зрения человека. Из-за ограниченности экспериментальных данных не имеют достаточных обоснований требования к разрешению сканера для передачи деталей, разрешаемых системой фотоаппарат - фотопленка. Кроме того, малые размеры элементов изображений на высокоразрешающих снимках и, как правило, малые их контрасты требуют установления условий печати их цифровых копий, тем более что печать изображений производится с растрированием.
Цели работы - исследование передачи оптических плотностей и деталей изображений при их сканировании и печати и установление путей совершенствования ГФРС для детального фотонаблюдения земной поверхности с борта летательных аппаратов.
Достижение целей работы потребовало:
Рассмотрения характеристик фотографического изображения, процессов и оборудования, применяемого при сканировании и печати цифровых копий, способов обработки цифровых изображений и установления причин потерь информации при ее передаче по каналу «фотоснимок - копия».
Проведения экспериментальных исследований по установлению влияния характеристик фотографического изображения, условий сканирования и печати на передачу оптических плотностей и деталей изображений их копиями.
Разработки на основании результатов экспериментальных исследований рекомендаций по условиям сканирования, способам обработки цифровых
5 изображений и их печати, включающим определение требований к используемому оборудованию.
Научная новизна работы
Экспериментально установлено, что сканирование фотоснимков и компьютерная обработка получаемых цифровых изображений позволяет получить для гибридной фоторегистрирующей системы большую величину светочувствительности, чем достигаемая на фотоматериале, и приводит к лучшему распознаванию малоконтрастных деталей на участках фотопленки, получивших малые экспозиции.
Экспериментально показано, что соотношение между приборным разрешением сканера и разрешаемой на копии, полученной после компьютерной обработки и печати цифрового изображения, группой штрихов резольвометрической миры, сохраняется для существенно больших интервалов оптических плотностей и контрастов, а для передачи изображений с разрешением R линий/мм оптическое разрешение сканера должно быть не меньше 101,6xR ppi.
Для сохранения распознаваемости деталей цифрового изображения на копии ее печать должна производиться с увеличением, зависящим от размера элементов растра и для линейных растров равным или большим отношению линиатуры растра к разрешению цифрового изображения.
Практическая значимость работы
Показана возможность увеличения светочувствительности гибридной фоторегистрирующей системы по сравнению со светочувствительностью фотоматериала за счет увеличения контраста в области недодержек характеристической кривой путем компьютерной обработки цифрового изображения и предложен способ контроля этой операции.
Обоснована целесообразность разработки тонкослойных фотопленок с уменьшенным содержанием серебра для ГФРС.
Предложена методика определения светочувствительности ГФРС.
Определены требования к разрешению сканера для передачи изображений с заданной разрешающей способностью.
6 5. Определено увеличение необходимое для распознавания объектов заданного размера при печати цифровых изображений. На защиту выносятся положения
Светочувствительность ГФРС может быть увеличена по сравнению с фотопленкой путем повышения контраста в результате компьютерной обработки цифрового изображения.
Характеристики ГФРС могут быть улучшены за счет использования для фотосъемки специальных тонкослойных фотопленок с уменьшенным содержанием серебра.
Методика определения светочувствительности ГФРС должна предусматривать оценку передачи оптических плотностей по всему каналу.
Для передачи деталей фотографического изображения, имеющего разрешающую способность Яф линий/мм, необходимо, чтобы разрешение сканера было не меньше 101,6хЯф ppi.
Наименьшие детали отсканированного изображения различаются на твердой копии, если ее печать производится с увеличением, не меньшим чем 2L/R, где L — линиатура полиграфического растра, с которым будет производиться дальнейшая печать (lpi); R - разрешающая способность сканера (ppi).
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на девятой международной конференции, посвященной 30-летию Кемеровского государственного университета, 22-25 сентября 2004 г.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 95 страниц машинописного текста, 29 рисунков, 29 таблиц и состоит из пяти глав, введения, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 84 наименования.
Параметры характеризующие фотографическое изображение
При сенситометрических испытаниях образцы пленки экспонируют на сенситометре через сенситометрический клин (шкалу известным образом изменяющихся оптических плотностей) источником света с установленной цветовой температурой и мощностью излучения в течение определенного времени. Экспонированные образцы проявляют в строго нормированных условиях. Оптические плотности полей сенситограмм измеряют на денсито метре и по результатам измерений строят ХК, из которой в соответствии с ГОСТ определяют сенситометрические характеристики: светочувствительность (S), оптическую плотность вуали (Do), максимальную оптическую плотность (Dm), коэффициент контрастности (у) и фотографическую широту [9,10,11].
Обычно при проявлении часть МК восстанавливается и на неэкспонированных участках. Этот эффект создает некоторое почернение— вуаль или химическую вуаль, зависящую как от проявителя, так и от эмульсии. Иногда плотность вуали Do вычитается из измеренных значений общей D экспонированных участков на том основании, что чистая D определяет ответ на излучение. Строго говоря, это вычитание — только поправка первого порядка, поскольку химическая вуаль не всюду одинакова (она выше на неэкспонированных участках). Для поправки на вуаль имеются специальные формулы, однако обычно достаточно простого вычитания. Часто нужно знать вуаль конкретного сочетания эмульсии и проявителя, поэтому принято наносить на график значения общей D, включая D0. В величину вуали вносит вклад и оптическая плотность подложки Dn, причем для окрашенной подложки он может быть существенным. С позиции оценки передачи информации при фотосъемке вуаль может рассматриваться как шум.
Градиент ХК- изменение D с \%Н - важная характеристика фотографического изображения, определяющая возможности визуального распознавания деталей изображения. Коэффициент контрастности у дает информацию только относительно линейного участка ХК. Между тем, нередко значительная часть информации регистрируется при экспозициях, соответствующих начальному и конечному участкам ХК. Но если ответом фотоматериала считать изменение D, производимое любым изменением Н, то обобщенная величина g как раз характеризует это изменение для всей ХК. Рис. 1.2 показывает, что область в которой g 0, распространяется от точки А до точки Е. Эта область называется полным интервалом экспозиций материала и она может быть выражена либо разностью значений IgH, либо отношением значе ний Н. Точки А и Е на рис. 1.2 соответствуют также максимуму и минимуму D при данном сочетании фотоматериала и условий химико-фотографической обработки. Разность этих двух значений D называется интервалом плотностей. Более узкая область, ограниченная перпендикулярами из точек В и С, т. е. проекциями концов линейного участка называется фотографической широтой. Она не постоянна для данного материала и зависит от проявителя, степени проявления, а также от конкретных условий экспонирования, например спектрального состава экспонирующего излучения. Поскольку разность D для данной разности lgН максимальна на линейном участке ХК, то желательно использовать именно его, однако часто важные участки изображения лежат в области малых экспозиций. В этом случае мерой контрастности может быть средний градиент на участке ХК, включающем ее начало. Эта величина, называемая показателем контрастности, определяется как наклон прямой, связывающей три точки С, L и М на ХК, которые задаются двумя дугами из общего центра, лежащего на уровне D0 + Dn (рис. 1.3).
Точка L есть пересечение ХК с дугой радиусом 0,2 единицы lgtf, точка М — пересечение ХК с дугой радиусом 2,2 единицы \gH. Наклон прямой, соединяющей эти точки с центром С, принимается за показатель контрастности, а по смыслу это средний градиент g части ХК, включающей начальный участок.
Отсюда видно, что у меняется быстрее в начальной стадии проявления или при больших к. Фотографическая чувствительность S обратно пропорциональна величине экспозиции Н затраченной для получения заданного ответа. Значения S могут выражаться как в энергетических, так и в светотехнических единицах. Критерии S, соответствующие фотографическому отклику определяются назначением фотоматериала [15,16,17].
Физико-химические основы печати, способы печати и характеристики печатающих устройств
Порог чувствительности. При полутоновом сканировании яркость каждой точки может принимать одно из множества возможных значений (градаций яркости), а при бинарном — только одно из двух. В бинарном режиме сканер преобразует данные путем сравнения их с определенным порогом (уровнем черного). Поскольку сканер способен различать оттенки серого, следует установить порог чувствительности таким образом, чтобы сканер мог произвести классификацию элементов изображения на черные и белые. Яркость каждой точки полутонового 8 битового изображения выражается числом от 0 до 255 (0 — белый, 255 — черный). Чтобы преобразовать полутоновое изображение в бинарное, сканер должен «знать» уровень (число), выше которого точка считается белого цвета (0), а ниже — черного (1). Этот уровень и называется порогом чувствительности.
Динамический диапазон (диапазон оптической плотности) сканера характеризует его способность различать переходы между смежными тонами на изображении. Из-за несовершенства оптической системы сканера и нелинейности спектральной характеристики фотоприемника, значения параметров реальных устройств сканирования всегда ниже теоретически возможных. На практике динамический диапазон сканера определяется как разность между оптической плотностью самых темных Dmax и самых светлых Dmin тонов, которые он может реально различать. Максимальная оптическая плотность оригинала характеризует наиболее темную область оригинала, распознаваемую сканером, более темные области воспринимаются сканером как абсолютно черные. Соответственно минимальная оптическая плотность оригинала характеризует наиболее светлую область оригинала, распознаваемую сканером, — более светлые области воспринимаются сканером как абсолютно белые. Чем шире динамический диапазон сканера, тем больше градаций яркости он сможет распознать и соответственно тем больше зафиксировать деталей изображения. Область сканирования определяет максимальный размер оригинала в дюймах или в миллиметрах, который может быть сканирован устройством. Иногда используется также термин максимальный формат.
Коэффициент увеличения показывает (обычно в процентах), во сколько раз можно увеличить изображение оригинала в процессе сканирования. В зависимости от типа и класса сканера требуемый коэффициент увеличения либо определяется автоматически, либо устанавливается пользователем вручную перед сканированием. В автоматическом режиме драйвер сканера вычисляет требуемое входное разрешение, учитывая размер оригинала и выбранный коэффициент увеличения [27,28,29].
Технология сканирования определяется количеством, типом и параметрами используемых фотоприемников (фотоэлектрических преобразователей). В современных сканерах применяются в основном фотоприемники двух типов: фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и приборы с зарядовой связью (ПЗС). Фотоэлектронные умножители в качестве светочувствительных приборов используются в барабанных сканерах (рис. 1.8.). ФЭУ усиливают свет ксеноновой или вольфрамовогалогенной лампы, промодулированный изображением, который с помощью конденсорных линз или волоконной оптики фокусируется на чрезвычайно малой области оригинала. Фототок, возникающий в фотоэлементе под воздействием света, прямо пропорционален ин тенсивности падающего на него светового потока. Особенность ФЭУ как фотоприемника заключается в том, что благодаря системе динодов коэффициент пропорциональности удается увеличить в миллионы раз (до восьми порядков). Спектральный диапазон ФЭУ для полиграфических целей также безупречен, поскольку он полностью перекрывает видимый спектр световых волн.
Датчик на основе ПЗС состоит из множества крошечных светочувствительных элементов, которые формируют электрический заряд, пропорциональный интенсивности падающего на них света. В основу работы ПЗС положена зависимость проводимости р-n перехода полупроводникового диода от степени его освещенности [30]. В одной линейке ПЗС может быть от нескольких сотен до нескольких тысяч фоточувствительных ячеек. Размер элементарной ячейки ПЗС является критичным параметром, так как от него зависит не только разрешающая способность сканера, но и максимальная величина удерживаемого заряда, а следовательно, и динамический диапазон устройства. Увеличение разрешающей способности сканера приводит к сужению его динамического диапазона. Хотя и считается, что спектральный диапазон ПЗС может перекрывать весь видимый спектр, но, как и у большинства полупроводниковых фотоприемников, синяя область спектра для них труднодоступна, а наибольшая чувствительность наблюдается ближе к красной области. ПЗС используют в основном в планшетных (рис. 1.9) и проекционных сканерах, а также в цифровых фотоаппаратах [31].
Наиболее распространенный тип сканеров— планшетный. Почти все модели имеют съемную крышку, что позволяет сканировать толстые оригиналы (журналы, книги). Планшетные сканеры для сканирования прозрачных оригиналов могут комплектоваться слайдмодулем. Слайдмодуль имеет собственный источник света и устанавливается на сканер вместо крышки. Основное отличие барабанных сканеров состоит в том, что оригинал закрепляется на прозрачном барабане, который вращается с большой частотой. Считывающий элемент располагается максимально близко от оригинала. Данная структура обеспечивает высокое качество сканирования. Обычно в барабанные сканеры устанавливают три фотоумножителя, и сканирование осуществляется за один проход. Некоторые барабанные сканеры в качестве считывающего элемента вместо фотоумножителя используют фотодиод. Барабанные сканеры способны сканировать как непрозрачные, так и прозрачные оригиналы [32].
химико-фотографическая обработка фотопленок
Поскольку растровая ячейка может содержать максимально N пикселей, а также с учетом значения тона «пробела» (незапечатанной ячейки), можно считать, что всего в диапазоне от 0 до 100% возможно сформировать N + 1 уровень градации (т.е. при N = 64 интервал оптических плотностей составляет 1,56). При этом предполагается, что отдельные элементы растровой ячейки полностью пропечатываются и имеют только два состояния - запечатанное и незапечатанное, т.е. черное или белое.
Пример, в котором отдельные растровые точки можно передавать разной оптической плотностью, в частности не двумя, а пятью ее уровнями (g = 5), показан на рис. 1.16. Таким образом, значительно увеличивается число градаций, передаваемых элементарной растровой площадкой. Растрирование с линиатурой 150 lpi (линий на дюйм) и разрешением вывода 1200 dpi при бинарной записи (g=2) обеспечивает передачу 65 градаций (g=65). Однако, в случае записи каждого элемента пятью уровнями градаций (g=5), общее число, приходящееся на растровую ячейку, становится равным 257, что значительно улучшает воспроизведение тонового диапазона. Если в структуре изображения нет слишком мелких деталей, то возможно выполнять обработку изображения при меньших разрешениях. При работе с пятью уровнями (g = 5) возможно при разрешении лишь 600 dpi получить такое же число уровней градации на растровую ячейку (64), как и при разрешении 1200 dpi и использовании только двух уровней (g = 2) на элемент [14]. В процедуре доминирующего в полиграфии языка описания страниц PostScript для амшштуд-но-модулированного растрирования указываются три рассмотренных выше параметра: линиатура, поворот растровой структуры и форма растровой точки. Форма растровой точки описывается «функцией точки» и исходно принимается круглой. Теоретически при частотно-модулированном растрировании площадь изображения не разделяется на элементарные растровые площадки. Из практических же соображений при ЧМ-растрировании элементарные площадки часто определяются в самой компьютерной системе, при этом распределение отдельных точек в отдельных ячейках является случайным.
Важнейшей качественной особенностью способа ЧМ-растрирования, возможно, является наличие в растровом изображении более естественных, плавных градационных переходов. При случайном расположении элементов отдельных точек не возникают нежелательные скопления точек (конгломераты), которые могут восприниматься глазом наблюдателя как помехи. Действительно, отдельные элементарные точки при нормальном расстоянии рассматривания являются достаточно мелкими и для большинства наблюдателей невидимыми. И наоборот, отдельные конгломераты точек в большинстве случаев немедленно детектируются глазом и выглядят как ложные узоры. Из-за малых размеров растровых точек ЧМ-структура более чувствительна к влиянию помех. ЧМ-структура изображения обычно приводит к улучшению плавности передачи полутонов, однако из-за использования отдельных точек уменьшенных размеров эти изменения могут оказывать отрицательное влияние на стабильность кривых градационной передачи. Преимущество ЧМ-растрирования заключается в том, что колебания приводки красок, в особенности на равномерных многокрасочных участках, предотвращают цветовые отклонения или делают их пренебрежимо малыми.
Для получения копий изображений с цифровых файлов возможно использование фотопринтеров различного типа, например, использующих технологии пузырьково-струйной и струйно-пьезоэлектричеекой печати, а так же использование лазерной печати. Для печати применяют и принтер-процессоры минилабораторий, а копии получают на фотопленке или фотобумаге, экспонирование которых производится с помощью набора лазеров, лкнейки оптических микрозатворов (MLVA), электронно-лучевой трубкой с волоконной оптикой (Fiber Optic CRT) или DLP (Digital Light Processing Technology) с отражающей панелью подвижных микрозеркал (DMD - Digital Micromirror Device) и т.д.[47,48].
Струйная печать (Inc Jet) является наиболее распространенным бесконтактным способом цифровых печатных систем. Способ струйной печати является технологией, при которой краска подается из сопел. Способ не требует носителя изображения, оно формируется прямо на запечатываемом материале. Функциональными составляющими устройств являются: система формирования изображения, носитель изображения и красочный аппарат, объединенные в один узел. Капельно-струйный способ печати подразделяет-ся по способу образования отдельных капель. При термической струйной печати это происходит посредством нагревания жидкой краски до её испарения. Под давлением пузырька пара из сопла выбрасывается капля краски -отсюда название "пузырьковая струйная печать". В пьезоструйных системах образование капли происходит за счет изменения объема в красочной камере по средством пьезоэлектрического эффекта. Капля краски благодаря этому выталкивается из сопельной системы [49].
Исследование передачи деталей изображения при сканировании фотоснимков
Выше отмечалось, что фотографическое изображение точечного объекта не является точкой из-за дифракции света, аберраций объектива и рассеяния света в эмульсионном слое. К потерям информации при фотосъемке, обусловленных этими причинами, добавляются её потери при сканировании, причинами которых являются дискретность фотоприемников сканера, характеристики ПЗС - элементов, процессы, используемые при кодировании сигналов. Для изучения переі ачи деталей фотографического изображения при сканировании была использована методология фотографической резольво-метрии. В качестве тест-объектов использовались разноконтрастные фотографические изображения миры Ащеулова. Экспонирование мир производилось на резольвометре РП-2М за разными нейтральными светофильтрами, благодаря использованию которых изображение попадало на различные участки характеристической кривой. Результаты определения разрешающей способности аэрофотопленки изопанхром тип 68, проявленной до разных значений коэффициента контрастности, приведены в табл. 4.11.
Для получения разного контраста изменялись состав проявителя, в качестве которого использовались проявители УП-2, Д-76 и разбавленный водой в отношении проявитель/вода 1:2 и 1:3 проявитель Д-76, и время проявления (от 2 до 20 мин). Как показали сенситометрические испытания, таким способом можно изменить коэффициент контрастности в широком диапазоне. Например, для аэрофотопленки изопанхром тип 68 изменением условий проявления достигалось уменьшение коэффициента контрастности с 2,9 до 0,8. Некоторые из полученных результатов приведены в табл.4.12, а характеристическая кривая полученная для проявления разбавленным водой в 3 раза проявителем Д-76 в течении 15 мин - нарис. 4.8.
Цифровое изображение миры получалось сканированием ее фотографического изображения на сканерах с различным оптическим разрешением, характеристики которых приведены выше. Для сохранения цифровых изображений использовался универсальный формат для изображений TIFF (Tagged Image File Format), который используется во всех программах настольных издательских систем и допускает работу с ним в любом графическом редакторе. При сканировании на планшетном сканере оригиналы на прозрачной подложке, предварительно закрепленные в специальных направляющих, помещались эмульсией вниз (к стеклу) и накрывались слайд модулем. При сканировании на барабанном сканере оригинал покрывался раствором, пре дотвращающим возникновение "ньютоновых колец" (антидифракционный гидрозоль), затем равномерно накладывался на поверхность барабана и в заключение покрывался прозрачной пленкой. После установки образцов в сканер на персональном компьютере запускалась программное обеспечение сканера. После доступа к программному обеспечению сканера до этапа предварительного сканирования производились следующие настройки: - установка типа оригинала - прозрачный (только после этой установки активировался слайд-модуль планшетного сканера); - установка режима сканирования - полутоновый серый (8-битный); - установка разрешения - для мир, экспонированных на резольвометре, устанавливалось оптическое разрешение сканера.
После предварительного сканирования производилось выделение нужного участка изображения и активировалась автоматическая корректировка тонов и контраста средствами программного обеспечения сканера, что позволяло достигнуть лучших результатов при сканировании низкоконтрастных изображений. Получаемое в результате сканирования оригинала цифровое изображение предавались в пакет графической обработки Photoshop 7. В табл. 4.13 приведены результаты сканирования разноконтрастных изображений мир на планшетном и барабанном сканерах.
Малого контраста 55 Копии цифровых изображений резольвометрических мир получались на цифровом принтер-процессоре Noritsu QSS-2901, на котором в ряде опытов производилось и сканирование фотографических изображений резольвометрических мир. Для печати копий также использовались принтеры различного типа. В табл. 4.14 и 4.15 приведены результаты сканирования изображений мир на фотопленке ФН-100. О зависимости качества передачи деталей от разрешения сканера можно судить по рис. 4.9 и 4.10.
Похожие диссертации на Исследование передачи изображений при сканировании и получении копий фотоснимков
