Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ параметров, влияющих на четкость в полиграфической репродукции 9
1.1 .Параметры, влияющие на четкость воспроизведения изображения 9
1.2. Параметры систем ввода информации в СПОИ, влияющие на качество воспроизведения деталей изображения 11
1.2.1. Разрешение сканирования 13
1.2.2. Коэффициент качества 16
1.2.3. Апертура сканирования 17
1.2.4. Режим сканирования 20
1.2.5. Порог бинаризации 21
1.3. Параметры систем вывода информации СПОИ, влияющие на качество воспроизведения деталей изображения 22
1.3.1. Размер записывающего пятна, разрешение и линиатура 24
1.3.2. Параметры растровой структуры 26
1.4. Муарообразование 31
1.5. Методики расчета воздействия размытия
на отображение штриховой детали изображения 33
Выводы по главе 1 37
Глава 2. Исследование формирования четкости изображения в системе поэлементной обработки 39
2.1. Исследование формирования четкости в условиях бинаризации 39
2.2. Исследование резкостных свойств регулярных растровых структур 47
2.3. Исследование резкостных свойств нерегулярной растровой структуры 58
Выводы по главе 2 62
Глава 3 Методика оценки воспроизводящих свойств системы «сканер-фотовыводное устройство » 64
3.1. Исследование ФПМ звена сканирования 64
3.2. Исследование ФПМ системы «сканер - фотовыводное устройство» и исследование ФПМ фотовыводного устройства 81
Выводы по главе 3 106
Заключение 107
Библиографический список
- Параметры систем ввода информации в СПОИ, влияющие на качество воспроизведения деталей изображения
- Параметры систем вывода информации СПОИ, влияющие на качество воспроизведения деталей изображения
- Исследование резкостных свойств регулярных растровых структур
- Исследование ФПМ системы «сканер - фотовыводное устройство» и исследование ФПМ фотовыводного устройства
Введение к работе
Актуальность темы диссертационного исследования. Для получения высококачественной репродукции актуальной является не только точность воспроизведения цвета, чему обычно уделяется основное внимание, но и требования к качеству воспроизведения деталей изображения. Под деталями изображения понимают границы объектов изображения и собственно штриховые детали. Обычно четкость изображения оценивают именно по воспроизведению штриховых деталей, которые могут быть единичными или входить в состав группы штрихов периодических решеток. Штриховые детали в репродукционном процессе могут использоваться в двух аспектах: при воспроизведении чисто штрихового изображения, например, при сканировании и воспроизведении графики, логотипов, текста: при воспроизведении деталей в составе растрированного изображения, например, волос на портрете, мелких веток деревьев и т.п. Воспроизведение штриховых деталей является сложным процессом, включающим в себя считывание штрихового изображения с широко регулируемыми параметрами считывания: разрешения считывания, размера апертуры, качества самой считывающей системы, дальнейшей обработки полученного сигнала; фотовывод, который может тоже осуществляться с различным разрешением и различными параметрами записывающего пятна, с использованием различных экспозиционных условий, времени записи и свойств фотоматериала. Результаты зависят от размеров штриха и геометрического положения штриха относительно системы записи-считывания. В настоящее время нет систематизированных данных по данной проблеме.
При оценке качества воспроизведения мелких деталей изображения следует принимать во внимание следующие факторы:
геометрическая точность. В процессе репродуцирования штриховых оригиналов основная задача воспроизведения обычно состоит в том, чтобы точно передать геометрические размеры штриховых элементов. При плохой геометрической точности возможно искажение штрихов в репродукционном процессе, особенно заметное для малых деталей.
интервал оптических плотностей между воспроизведенными прозрачными и непрозрачными участками фотоформ. Он должен быть достаточным для того, чтобы обеспечить защиту формного материала от воздействия излучения в последующем копировально-формном процессе. При уменьшении размеров детали оптическая плотность детали уменьшается. В совокупности с искажениями геометрической точности это может привести к полному исчезновению штрихов малого размера в репродукционном процессе;
резкость границ штрихового элемента. Резкость границ может теряться при воспроизведении аналогового изображения, особенно если коэффициент контрастности недостаточен. При воспроизведении штриховых деталей в системе поэлементной обработки изображения (СПОИ) на фотоформах и далее на печатных оттисках обнаруживается известный эффект воспроизведения штриховых оригиналов в СПОИ, проявляющийся в образовании ступенчатой структуры границы при дискретном формировании штриха. В каждой строке деталь изображения может иметь резкий П-образный переход на границе, но в зависимости от взаимной ориентации направления сканирования и расположения штрихового элемента при визуальной оценке в большей или меньшей степени может искажаться прямолинейная непрерывная граница контуров и линий, влияя на качество воспринимаемого изображения.
4. контраст изображения штриха в растровом поле, определяемый условиями растрового процесса, влияет на визуальное восприятие изображения для растрированных деталей.
В совокупности все эти параметры - геометрическая точность, интервал оптических плотностей, структура краев границ объектов и штриховых деталей, контраст изображения и определяют четкость [1] изображения;
На качество воспроизведения штрихового элемента влияют преобразования и искажения, специально осуществляемые или самопроизвольно возникающие в системе:
на стадии сканирования изображения,
на стадии обработки информации,
на стадии вывода фотоформ.
При воспроизведении растрированного штрихового изображения в системе электронного растрирования дополнительно большое влияние могут оказывать параметры растрирования:
- структура и метод растрирования;
- форма растровой точки;
- соотношение разрешения вывода и линиатуры растрирования. Исходя из этих положений, следует разделить исследование на два раздела:
оценка воспроизведения и факторов, влияющих на качество штрихового изображения в условиях бинаризации, и оценка воспроизведения и факторов, влияющих на качество штрихового изображения в составе растрированного.
Цели и задачи исследования. Целью работы является проведение исследования оценки степени влияния параметров ввода и вывода изображения в компьютерной издательской системе на получаемый результат, решение задачи выработки практических рекомендаций по оптимизации процесса воспроизведения штрихового изображения в системе поэлементной обработки изображения.
Научная новизна диссертационного исследования состоит в том, что в работе впервые систематизированно исследовано влияние параметров считывания-воспроизведения в их различных соотношениях на результат репродуцирования штрихового и штрихового растрированного изображения.
Практическая значимость диссертационной работы. Разработанные рекомендации могут найти применение в практической деятельности при проведении репродукционных процессов, при подготовке лекционных и лабораторных курсов для изучения дисциплин цикла «Технология обработки изобразительной информации».
Апробация исследования. По результатам исследования опубликованы следующие работы:
Об оценке качества воспроизведения штриховых деталей по отношению сигнал/шум // Технология и исследование полиграфических процессов. Меж-вед, сб. научн. тр. - М.: МГУП.- 2001. - С. 106 - 111 (0,33 п.л.).
Об исследовании воспроизведения штрихового изображения в системе поэлементной обработки // Материалы VII Междунар. конф. МАИ 24-25 декабря 2001 г. - Тезисы доклада. - М.: МГУП. - 2001. - С. 82-83 (0,06 п.л.).
Об оценке структурных параметров системы сканер-фотовыводное устройство // Полиграфия. - 2005. - №6. - С. 86-87 (0,25 п.л).
Резкостные свойства растровых структур // Проблемы полиграфии и издательского дела. Известия высших учебных заведений. - 2006. - № 1. - С. 3-13 (0,6 п.л.)
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Методика исследования и результаты исследования влияния различных параметров проведения процесса сканирования при считывании и выводе в системе поэлементной обработки изображения на возможную четкость воспроизведения штриховых деталей как в бинарной системе, так и в системе автотипного растрирования.
2. Рекомендации по практическому использованию результатов исследований по выбору с позиций формирования четкости изображения параметра «порог бинаризации», параметра «коэффициент качества», растровых структур.
Параметры систем ввода информации в СПОИ, влияющие на качество воспроизведения деталей изображения
В настоящее время при получении изображений в различных системах регистрации, при передаче изобразительной информации по каналам связи широко применяются цифровые методы. В основе этих методов лежит дискретизация и квантование изображения [2].
Вводной блок СПОИ — сканер — служит для поэлементного считывания изображения с оригинала и преобразования светового (оптического) сигнала в электрический. Этот сигнал поступает в аналого-цифровой преобразователь, и в результате сканирования и аналого-цифрового преобразования получается дискретный в пространстве и по уровню сигнал, выраженный в цифровом коде. Помимо считывания и оцифровывания сигнала в сканере, в зависимости от его устройства, в управляющем процессоре могут осуществляться операции предварительной обработки сигнала изображения, в частности, логарифмирование, частотная и градационная коррекция [3].
Наиболее характерным действием сканера является считывание сигнала с его дискретизацией, которая должна проводиться с учетом масштаба репродуцирования изображения. Важной задачей при этом является считывание изображения без потерь как пространственной, так и яркостной составляющей информации. Ответственны за считывание информации без потерь три основных параметра сканера: разрешение, динамический диапазон считывания, разрядность (число уровней квантования). Динамический диапазон определяют в единицах оптической плотности, разрядность — в числе бит/канал.
Динамический диапазон и число разрядов, как правило, величины нерегулируемые и представляют интерес как параметры сканера, характеризующие его качество и возможность выполнения на нем тех или иных работ. Параметр разрешения является регулируемым и должен быть правильно выбран, так как его выбор определяет качество — резкость воспроизведения изображения в заданном масштабе, с одной стороны, а также скорость сканирования и обработки изображения, правильное использование ресурсов компьютера — с другой [4].
Процесс сканирования при анализе изображения заключается в том, что, перемещая сфокусированный световой луч и фотоприемное устройство, можно произвести поэлементное считывание двумерного изображения. Световой поток, приобретающий при этом амплитудную модуляцию вследствие взаимодействия с изображением, можно собрать и преобразовать в электрический сигнал, пригодный для передачи, обработки и записи.
В процессе сканирования может применяться метод прямоугольного линейного растрового сканирования. При растровом сканировании одиночный сканирующий луч перемещается (разворачивается) по последовательности близко расположенных прямых линии с быстрым переходом от конца одной линии сканирования (строки) к началу следующей.
Растровая развертка образуется из двух ортогональных составляющих -строчной развертки (х-развертки) и кадровой развертки (у-развертки), создающей интервал между соседними строками для последовательного перекрытия всего изображения в целом [5]. Реально в полиграфических планшетных сканерах используется метод коммутации электрических сигналов.
В барабанных сканерах считывание информации по окружности происходит за счет вращения барабана и перемещения считывающей головки вдоль направляющей цилиндра. За один элементарный шаг сканирования считывается только одна точка изображения (в планшетных сканерах - строка), размер которой определяется параметрами оптической системы [6].
Разрешение (разрешающая способность) — величина, характеризующая количество считываемых элементов изображения на единицу длины. Разрешающую способность сканера определяют физическое (аппаратное) разрешение и интерполяционное разрешение.
Физическое разрешение характеризует конструктивные возможности планшетного (плоскостного) сканера в оцифровке изображения по горизонтали и вертикали. Оптическая (горизонтальная) разрешающая способность сканера характеризует максимальный объем дискретной информации, вводимой оптической системой устройства. Оптическое разрешение планшетных сканеров, имеющих фиксированное фокусное расстояние, определяется как отношение количества отдельных светочувствительных элементов в линейке (или линейках) фотоприемника к ширине рабочей области сканера и характеризует шаг дискретизации сканируемого изображения по горизонтали.
Высокое значение оптического разрешения достигается за счет совершенствования оптической схемы, за счет увеличения плотности регистрирующих элементов или одновременного использования нескольких фотоприемников.
Расстояние, на которое с помощью шагового механизма смещается сканирующая головка или оригинал, определяет разрешающую способность сканера по вертикали, т.е. его механическую (вертикальную) разрешающую способность. Разрешение вводимого изображения в вертикальном направлении определяется скоростью и точностью перемещения оригинала относительно фотоприемника.
Параметры систем вывода информации СПОИ, влияющие на качество воспроизведения деталей изображения
Следующее звено, влияющее на качество воспроизведения деталей изображения - фотовыводное устройство, которое состоит из растрового процессора обработки изображения (RIP — Raster Image Processor) и записывающего устройства (ЗУ). RIP может быть реализован как в виде отдельного электронного устройства, так и в виде программы и интерфейсной карты для обычного компьютера [23]. Он воспринимает записанное в формате TIFF, PostScript, EPS или PDF изображение полосы, содержащей векторную и растровую информацию, пересчитывает выраженную в этой форме информацию в битовые карты. В полиграфии в качестве стандарта на кодирование данных в файле печати является графический язык PostScript, разработанный компанией Adobe. Большинство растровых процессоров
В результате обработки в RIP битовые карты несут в себе информацию о размере и форме штриха или растровой точки, об угле поворота растровой структуры. Растровая структура формируется в соответствии с заданной матрицей преобразования, введенной в память RIP [4].
Как и любое механическое устройство, ФВУ обладает рядом конструктивных характеристик, таких как система развертки, параметры источника излучения, количество записывающих элементов, от которых во многом зависит качество конечной продукции.
В ФВУ для формирования изображения используется принцип растровой записи. При записи на плоскости лазерный луч последовательно перемещается (разворачивается) по близко расположенным прямым линиям с быстрым переходом от конца одной линии записи к началу следующей. При этом интенсивность лазерного луча модулируется электрическим сигналом [25]. От качества исполнения развертывающих элементов зависит такая характеристика ФВУ, как размер записывающего пятна [22]. При использовании при записи барабанных ФВУ с внутренним расположением регистрирующего материала развертка изображения осуществляется по одной координате за счет вращения оптической системы и по другой за счет перемещения оптической системы вдоль барабана. При размещении регистрирующего материала на поверхности барабана развертка осуществляется по вертикали за счет вращения барабана и по горизонтали за счет перемещения оптической системы вдоль образующей барабана.
Лазеры в фотовыводных устройствах служат источниками излучения, обеспечивающими возможность получения высококачественных изображений. Предпосылки к этому: малая расходимость лазерного пучка, большая интенсивность световой энергии в пучке. Эти особенности лазеров позволяют сфокусировать световой пучок в пятно очень малых размеров с высокой плотностью энергии [22]. Распределение энергии в записывающем пятне лазера также может оказывать влияние на полученный результат.
Задачей RIP является формирование пиксельной сетки, на фоне которой формируется сетка автотипной растровой структуры, размер элементов которой будет зависеть от размера и формы записывающего пятна, разрешения записи, и соответствует размеру пятна лазерного луча.
В отношении ФВУ употребляются два понятия: линейный или нелинейный. В ФВУ сгенерированное в файле значение размеров деталей изображения должно совпадать с реально получаемыми на фотоматериале.
Теоретически такое совпадение относительно легко достигается в случае, если диаметр лазерного луча четко соотносится с установленным разрешением ФВУ при выполнении условия: где R — разрешающая способность (dpi); 2,54 — переводной коэффициент из дюймов в сантиметры.
При невыполнении этого условия, фотовывод становится нелинейным, то есть для получения необходимого значения штриховых размеров деталей и растровых точек нужно учитывать предискажения. Нелинейность тем больше, чем выше несоответствие диаметра лазерного луча с разрешением вывода.
Нелинейность приводит к увеличению размера растровой точки, искажению градационной кривой, изменению размера штриховых деталей, потерям времени на линеаризацию (калибровку) ФВУ и, в конечном счете — к большой вероятности появления брака [26,27].
Одной из основных характеристик качества штрихового (микроштрихового) изображения служит резкость краев в изображении мелких деталей. Для ФВУ эта характеристика определяется передаточными свойствами системы «экспонирующий пучок-регистрирующая среда» [4, 28].
Исследование резкостных свойств регулярных растровых структур
На практике часто штриховые детали воспроизводятся в составе растриро-ванных изображений и определяют визуально воспринимаемую резкость таких изображений, как, например, волосы на портрете, мелкие ветки деревьев. По 48 этому интересно исследование резкостных свойств изображения, оцениваемых при воспроизведении штриховых деталей с применением различных параметров растрирования. При автотипном растрировании таких изображений могут быть использованы различные растровые структуры: нерегулярные, регулярные с разной формой растровых точек. Для сопоставления исследовано влияние следующих регулярных растровых систем: с круглой точкой, с эллиптической точкой, и Mega Dot и Geometric Dot с максимально вытянутой точкой.
Было необходимо использовать тест-объект, позволяющий оценить влияние параметров растрирования на воспроизведение штриховых структур при растрировании, и выбрать методику оценки качества воспроизведения. Для проведения эксперимента был изготовлен тест-объект, смонтированный на прозрачной основе из одиннадцати фрагментов - отдельно стоящих и периодически повторяющихся групп штрихов, расположенных под углами 0; 22,5; 45; 67,5; 90 к направлению сканирования. Ширина периода, состоящего из равных по величине штриха и просвета, увеличивается от 25 мкм в геометрической прогрессии с коэффициентом, равным 4Ї. Ширина отдельно стоящего штриха равна ширине штриха в группе. Комбинации углов поворота приблизительно имитируют углы поворота растровых структур (рис.2.9).
Размер штрихов и просветов был измерен на микроскопе «Биолам - С12» и представлен в таблицах 2.2 и 2.3.
Сканирование производилось на планшетном сканере Nex scan F4100. Вывод осуществлялся на фотопленку Agfa Recording HN с коэффициентом контрастности 7,0 на фотовыводном устройстве PrimeSetter 74
Была проведена оценка качества воспроизведения штриховых элементов в растрированном изображении с применением регулярных растровых структур по фотоформам, выведенным при изменении параметров ввода и вывода информации: коэффициента качества Q = 1; 1,5; 2; частоты растрирования v = 150 lpi, 300 lpi; разрешения сканирования R с для: v= 150 lpi Rc= 150 ppi; Rc = 225 ppi; Rc= 300ppi; v = 300 lpi R c = 300 ppi; R c = 450 ppi; R c = 600 ppi; разрешения вывода R B: для V= 150 lpi, RB= 2540 dpi; для V = 300 lpi, R в = 3200 dpi - максимально возможное на фотовыводном устройстве Primesetter 74; диапазон S0TH растровой точки в светах и тенях изображения: A S0 =1(0-100%), A SOT" =0,75(25-75%),А S0TH =0,65 (35-65%).
Автотипная структура, накладываемая на штриховое изображение, делает практически невозможным оценку качества воспроизведения приборными методами, так как вследствие дискретизации невозможно точно определить границы штриха, а значит и его размер. Для оценки качества изображения с точки зрения зрительного восприятия необходимо проведение исследований с привлечением экспертных оценок.
При исследовании был использован метод экспертных оценок, основанный на усреднении и ранжировании оценок, присвоенных группой независимых экспертов при сравнении полученных фотоформ. Шесть экспертов из числа технологов полиграфического производства оценивали качество воспроизведения отдельно стоящего штриха и периодической решетки по шкале относительной значимости в диапазоне 1-10, включая дробные числа [приложение 1]. Оценка проводилась при изменении ширины деталей и угла их поворота по отношению к направлению сканирования. Численный состав группы экспертов был определен с учетом большого массива обрабатываемых данных, исходя из требований норм стандарта [56]. К экспертам предъявлялись требования наличия навыков работы с автотипными растровыми структурами.
Оценка проводилась с учетом следующих параметров: воспроизведение штриха (наличие или отсутствие штриха после воспроиз ведения); сплошность, заполняемость изображения штриха; геометрическая точность воспроизведения штриха и просвета; четкость границ штриховых элементов; степень муарообразования при взаимодействии периодической решетки и автотипной структуры.
Количественные оценки усреднялись, и на основе экспертных оценок был определен дифференциальный и комплексный показатель качества воспроизведения изображения [приложение 2].
Расчет дифференциального показателя качества воспроизведения основан на оценке изображения по выбранным свойствам. Методы расчета должны удовлетворять условию Кдиф=/(Кі, 2, Кц) (2-3) где Кь Кг, , Кп - единичные показатели качества.
Исследование ФПМ системы «сканер - фотовыводное устройство» и исследование ФПМ фотовыводного устройства
В результате проведения исследований воспроизведения штрихового изображения в компьютерной издательской системе в условиях бинаризации и в составе растрированного изображения показано, что:
1. При воспроизведении в компьютерной издательской системе наибольшее влияние на точность размеров бинарного штрихового изображения оказывает параметр «порог бинаризации».
2. При сопоставлении влияния параметров сканирования и фотовывода в условиях бинаризации можно сделать вывод, что на качество воспроизведения изображения в большей мере, чем фотовывод, оказывает стадия сканирования.
3. При исследовании резкостных свойств растрированного штрихового изображения при применении различных растровых структур показано, что увеличение Q более 1,5 практически не оказывает влияния на воспроизведение растрированного периодического изображения. Для отдельно стоящих штрихов при изменении параметра Q от 1,5 до 2 качество воспроизведения слегка улучшается.
4. Эллиптическая и круглая растровые точки при одинаковой линиатуре растрирования не дают отличий по дифференциальному и комплексному показателю качества воспроизведения штриховых деталей.
5. Растровая структура Mega Dot в отношении формирования резкости не имеет преимуществ перед структурами с круглой и эллиптической формой растровых точек, кроме как при воспроизведении изображений, содержащих круп ную штриховую графику с преимущественным направлением штрихов, совпадающих с направлением растровой структуры.
6. При уменьшении диапазона SOTH в растровом изображении уменьшаются показатели качества воспроизведения.
7. Не выявлено преимуществ резкостных свойств нерегулярных структур частотно-модулированного растрирования по сравнению с регулярными растровыми структурами.
8. Использование методики расчета ФПМ системы «сканер - ФВУ» позволяет оценить качество воспроизведения. Разработанный метод дает возможность оценить влияние параметров процесса на получаемую резкость изображения
9. Сопоставление ФПМ сканирующего звена и ФПМ фотовывода дает возможность сделать вывод, что ФПМ сканирующего звена значительно ниже, чем ФПМ фотовывода.
В результате проведенного в работе исследования предложены методики и даны рекомендации:
1. Методика для оценки качества воспроизведения штрихового изображения с неровным краем по «отношению сигнал - шум». Предложенная методика рекомендована для исследования систем воспроизведения бинарного штрихового изображения в системе поэлементной обработки изображения.
2. Методика для оценки ФПМ системы «сканер - ФВУ» на основании расчета краевых функций. Предложенная методика рекомендована для оценки систем и влияния на воспроизведение отдельных звеньев систем.
3. Рекомендовано уделить особое внимание правильному выбору порога бинаризации как основному условию обеспечения точности воспроизведения бинарных штриховых изображений.
4. Рекомендовано использование коэффициента качества Q=l,5 для изображений, содержащих штриховую графику при преобладающем наличии периодического штрихового изображения и Q=2 для изображений, содержащих отдельно стоящие штрихи в растровом поле.
5. Рекомендованы структуры с вытянутой (геометрической) точкой для использования при выводе крупного штрихового изображения, не содержащего мелкие детали и ориентированного преимущественно по направлению вытяну-тости растровой структуры.
