Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Тенденции современного развития технологии создания и воспроизведения книжной информации, роль электронных средств воспроизведения информации 8
1.1 Современная технологическая схема изготовления книжного издания 8
1.2 Обзор мобильных электронных устройств воспроизведения информации 10
1.3 Устройства воспроизведения на основе электронной бумаги (УЭБ), их конструктивные особенности и классификация
1.3.1 Виды электронных бумаг 12
1.3.2 Сенсорные панели и фронтальная подсветка 20
1.3.3 Конструктивные особенности устройств на основе электронной бумаги 21
1.3.4 Классификация устройств на основе электронной бумаги
1.4 Программное обеспечение УЭБ 24
1.5 Выбор объектов исследования и постановка задач
1.5.1 Выбор УЭБ 29
1.5.2 Принципиальные особенности воспроизведения информации в УЭБ и постановка задачи исследования 30
Глава 2. Градационные параметры электронной бумаги 32
2.1 Градационная характеристика 32
2.2 Условия просматривания 37
2.3 Заключение по второй главе 46
Глава 3. Структурные параметры УЭБ 47
3.1 Оценка размытия деталей изображения в УЭБ 47
3.2 Модель воспроизведения края полуплоскости на УЭБ и расчет ФПМ 51
3.3 Флуктуационные параметры УЭБ 58
3.4 Заключение по третьей главе 60
Глава 4. Воспроизведение шрифтовой информации в устройствах на основе электронной бумаги 62
4.1 Методы оценки воспроизведения шрифтовой информации 62
4.1.1 Выбор объектов исследования 62
4.1.2 Методы исследования 66
4.1.3 Сопоставление результатов и рекомендации по применению гарнитур шрифтов
4.2 Воспроизведение шрифтовой информации при повороте относительно сетки управляющих электродов 73
4.3 Заключение по четвертой главе 85
Заключение 86
Список сокращений и условных обозначений 89
Список литературы 90
Приложение А. Акт внедрения
- Устройства воспроизведения на основе электронной бумаги (УЭБ), их конструктивные особенности и классификация
- Условия просматривания
- Флуктуационные параметры УЭБ
- Сопоставление результатов и рекомендации по применению гарнитур шрифтов
Устройства воспроизведения на основе электронной бумаги (УЭБ), их конструктивные особенности и классификация
Мобильные устройства можно разделить на две большие группы по виду используемого дисплея. Именно дисплей оказывает наибольшее влияние на воспроизведение информации и внесение искажений. Группы устройств: 1. устройства, работающие в проходящем свете; 2. устройства, работающие в отраженном свете. Два наиболее распространенных типа дисплея в первой группе — это жидкокристаллический дисплей (ЖК дисплей) и дисплей на основе органических светодиодов. Жидкокристаллический дисплей использует свойства жидких кристаллов поворачиваться под действием электрического напряжения, изменяя пропускание ячейки [11].
Дисплеи на основе органических светодиодов стали активно использоваться последнее время в мобильных устройствах. Наиболее распространенными являются AMOLED-матрицы, применяющие активную адресацию ячеек, основанную на применении тонкопленочных транзисторов. Здесь каждому пикселю соответствует отдельный транзистор, как и у современных ЖК дисплеев. Управляется отдельно каждый светодиод, расположенный под светофильтром. Плюсом такого подхода является более высокий контраст получаемого изображения, низкое время отклика пикселя [12].
ЖК и AMOLED дисплеи широко используются в мобильных устройствах: телефонах, планшетных компьютерах.
Ко второй группе относится электронная бумага — вид дисплея, имитирующий печать на бумаге. В России активное развитие электронного книгоиздания началось с 2008 года. Параллельно с этим увеличивалось количество устройств чтения, в том числе и на основе электронной бумаги [13]. В виду новизны темы еще не сформировано определение понятия электронная бумага. Во избежание двусмысленности далее будет дано его определение, используемое в данной работе.
Определение понятия электронной бумаги дано в [14]. Оно переведено на русский язык следующим образом: «электронная бумага — технология отображе 11 ния информации, разработанная для имитации обычной печати на бумаге и основанная на явлении электрофореза». Но электронная бумага является не технологией, а видом дисплея. Помимо явления электрофореза, могут использоваться также электросмачивание, вращение диполя [15; 16]. В связи с этим целесообразно дать другое определение понятию электронная бумага. В данной работе под понятием «электронная бумага» будем понимать, что это — дисплей с попик-сельным управлением и устойчивыми состояниями, использующий отраженный свет для отображения визуальной информации.
В этом определении отражены наиболее характерные черты дисплеев данного типа: это наличие элемента формирования изображения в матричной управляющей системе, определяющего минимально воспроизводимый элемент изображения. Наличие устойчивых состояний показывает, что дисплею необходима энергия только для изменения изображения, после изменения оно будет сохраняться в течение продолжительного отрезка времени. Работа в отраженном свете является отличительной чертой электронной бумаги и приближает электронную бумагу к печатной.
Наравне с электронной бумагой в литературе используется понятие электронные чернила. Эти понятия являются синонимами и в данной работе будет использоваться первое.
На основе электронной бумаги созданы устройства чтения, используемые для воспроизведения на них текстовой информации (УЭБ).
Сравнение используемости групп устройств, работающих в проходящем и отраженном свете, провел ВЦИОМ в 2013 году с помощью опроса, где одной из задач было установить какие устройства используют для чтения книг. На первом месте по популярности оказались УЭБ — ими пользуются 56% из числа пользователей переносных устройств. Далее по убывающей: коммуникатор (25%), мобильный телефон (22%), планшетные устройства (13%), другое (6%). В данном вопросе опрашиваемый мог указывать несколько вариантов ответа [17].
Опираясь на данный опрос, для исследования выбираются УЭБ, так как по принципу воспроизведения информации они ближе к печатным изданиям ввиду работы в отраженном свете, и вследствие их большей распространенности для чтения электронных изданий. 1.3 Устройства воспроизведения на основе электронной бумаги (УЭБ), их конструктивные особенности и классификация
Для корректного сравнения изданий, воспроизведенных на печатной и электронной бумаге, необходимо рассмотреть строение устройств чтения и возможное влияние элементов системы на воспроизведение инфомации. В аппаратную часть устройства чтения входят: [18] – Центральный процессор; – Основная память; – Оперативная память; – Контроллер управления аккумулятором; – Контроллер управления питания дисплея; – Дисплей; – Сенсорная панель (опционально); – Подсветка спереди (опционально). Из этих элементов напрямую влияют на результат воспроизведения информации дисплей, сенсорная панель и подсветка спереди.
Электронная бумага была изобретена в семидесятых годах двадцатого века, затем получила новый этап развития в конце девяностых, а активное коммерческое использование дисплеев данного типа началось в последние семь лет.
Идея электронной бумаги обретала актуальность по мере развития компьютерной техники и интернета. С увеличением объемов текста, который приходится читать с монитора, возникла потребность в дисплее, который бы меньше утомлял глаза и затрачивал меньшее количество энергии для воспроизведения информации. Электронные трубки, газоразрядные лампы подсветки жидкокристаллических дисплеев мерцают, что в некоторых случаях влияет на утомляемость при чтении. Они постоянно расходуют энергию для воспроизведения информации [19]. В электронной бумаге изображение формируется в отраженном свете и основная энергия затрачивается только на формирование изображения, и не затрачивается на ее сохранение. Таким образом, электронная бумага позволяет решить проблемы, связанные с недостатками других современных устройств, которые используются для чтения, а именно проблему увеличения времени автономной работы, проблему утомляемости зрения.
Первая технология электронной бумаги, названная «Герикон», была создана в 70-х годах прошлого века в исследовательском центре Xerox PARC Ником Шеридоном [16]. Дисплей создали на основе двухцветных полиэтиленовых микросфер диаметром 75-105 мкм. С одной стороны каждая микросфера покрывалась полимером черного цвета с отрицательным зарядом, с другой — белого с положительным. Сферы помещались в полости, заполненные маслом в прозрачном слое силикона, где они могли свободно вращаться. Общий вид представлен на рисунке 1.2. В зависимости от полярности напряжения, подаваемого на электроды, сферы поворачивались либо черной, либо белой стороной, формируя изображение. Принципиальная схема представлена на рисунке 1.3.
Условия просматривания
На градационные характеристики могут оказывать влияние условия просматривания, такие, как угол наблюдения, условия освещения [37].
С углом наблюдения связана характеристика дисплеев «угол обзора» — угол, в границах которого определенный параметр (обычно контраст) изменяется в заданных пределах. В характеристиках мониторов и телевизоров углы обзора обозначают падение контрастности до соотношения 10:1 или даже 5:1 [38], так как производители жидкокристаллических дисплеев не имеют единого стандарта измерения углов обзора. Аналогичная ситуация складывается у производителей электронной бумаги — данная характеристика указывается [25], но без описания методики измерения. С другой стороны, угол обзора не дает представления о том, как изменяется контрастность и другие градационные свойства в границах этих углов.
В то же время требования к углам обзора электронной бумаги более критичны ввиду зависимости воспроизведения информации от внешнего источника излучения и угла падения света [39].
Существующая методика по оценке влияния угла обзора на воспроизведение информации, описанная в [39], основана на двулучевой функции отражательной способности поверхности и учитывает только изменение яркости, что не позволяет оценить влияние различных источников излучения. Поэтому является актуальным оценить влияние угла просмотра и источника освещения на искажение воспроизводимой информации. Задачей является разработка метода оценки влияния угла просматривания и источника излучения на искажение информации, а также оценка по полученной методике печатной и электронной бумаг и сравнение полученных результатов.
В качестве параметра оценки предпочтительней использовать цветовое отличие E в системе CIELab [40]. Это позволяет учитывать возможное изменение спектра отражения при отклонении угла просматривания и использовании различных источников освещения и опираться на спектральные характеристики цвета бумаги в других исследованиях [41].
Разработана методика оценки влияния угла просматривания на искажения при воспроизведении информации и методика определения предельных углов нормального просматривания — максимального угла отклонения нормали плоскости носителя информации относительно наблюдателя в одном из направлений, при превышении которого считывание информации у человека вызывает затруднение и дискомфорт.
Для исследования цветовых отличий, вносимых углом просматривания, собрана установка (рис. 2.4), позволяющая менять источники излучения и отклонять носители информации на определенный угол, сохраняя при этом положение источников света относительно носителя. Отклонения носителя информации осуществляются в направлениях, показанных на рисунке 2.5.
Для регистрации информации применяли цифровую фотокамеру Canon 500D и объектив Canon 50 mm f/1.8. В качестве источников освещения использо Рисунок 2.5 — Направления отклонения носителя информации А: +, - — поворот вокруг горизонтальной оси, +, - — поворот вокруг вертикальной оси вались лампы накаливания и люминесцентные лампы. Перед проведением эксперимента проводилось профилирование (коррекция цветовых отклонений при данном освещении) фотокамеры с помощью тест-объекта X-Rite ColorChecker Passport.
На поворотный стенд размещали носитель информации и фотографировали с изменением угла относительно камеры. В полученных файлах проводилось измерение координат цвета в пространстве CIELab, по 25 измерений на 5 полях тест-объекта. Полученные значения усреднялись, и рассчитывалось цветовое отличие относительно значений, полученных при нулевом угле отклонения.
По данной методике была получена зависимость цветового отличия от угла просматривания для трех видов бумаги (рис. 2.6). Наличие цветового отличия при изменении угла просматривания для бумаги связано со свойствами рассеяния отраженного излучения. Однако эти отклонения не различимы для зрительного восприятия человека, так как значение отличия меньше 2 единиц [42].
Аналогичные измерения были проведены для электронной бумаги. При сравнении электронных бумаг поколений Pearl и Carta видно, что разница между Рисунок 2.6 — Зависимости цветового отличия от угла поворота для 3-х видов бумаги: 1 — мелованный картон; 2 — офисная бумага Svetocopy, поверхностная плотность 80г/м2; 3 — офсетная бумага мелованная данными бумагами мала (рис. 2.7 и 2.8). Изменение источника освещения не вносит сильных искажений.
Сравнение цветовых отличий, возникающих при изменении угла просматривания для электронной бумаги и печатной, показало, что искажения для электронной бумаги существенно больше при угле просматривания более 60, но до 30 разница практически не заметна для человека.
Вычисление предельного угла нормального просматривания проводилось с помощью статистической обработки данных проведенного автором опроса среди случайно выбранных людей. В группу вошло 52 женщины и 58 мужчин. Распределение возрастов можно видеть на рисунке 2.9.
По условиям эксперимента участникам надо было расположить носитель информации формата A5 с текстом кеглем 10 пт и интерлиньяжем 12 пт перед глазами на расстоянии, которое комфортно для них (с учетом их остроты зрения на расстоянии 20-30 см). Условия просматривания должны соответство Рисунок 2.7 — Зависимости цветовых отличий от угла поворота для электронной бумаги Pearl: 1 — только встроенная подсветка; 2 — люминесцентная лампа, без подсветки; 3 — лампа накаливания, без подсветки вать требованиям свода правил [43] (освещенность горизонтальной плоскости для чтения шрифтов с высотой букв более 1,5 мм — 300 лм).
Флуктуационные параметры УЭБ
Сравнение показывает, что теоретически при условиях, соответствующих условиям экспериментального измерения ФПМ, возможно получить ФПМ, превышающую экспериментально полученную. Но этот результат учитывает только один возможный вариант размещения информации на электронном носителе. В действительности на функцию передачи модуляции электронной бумаги могут влиять и такие факторы, как угол наклона края полуплоскости и его смещение относительно управляющего электрода.
Была проведена оценка ФПМ методом моделирования и экспериментальная оценка ФПМ полуплоскости под углом поворота 0 или 90 градусов, и при смещении края полуплоскости с шагом 1/10 ширины элемента управления (рис. 3.11), а также при различных углах поворота (рис. 3.12). Они показали принципиальное соответствие результатов моделирования и экспериментальных данных, а также наличие дополнительных факторов снижения ФПМ в реальном устройстве [3].
Разработанная модель Получаемые теоретически и экспериментально функция передачи модуляции. 1 — экспериментальные данные, 2 — теоретические данные
1. Существует зависимость воспроизведения информации от угла расположения воспроизводимой детали относительно сетки управляющих электродов, а также зависимость от смещения границы воспроизводимой детали относительно центра управляющего электрода. Эта зависимость очень существенна для наклона воспроизведения детали 0 и 90, но малозначима при других углах поворота. Рисунок 3.12 — Функции передачи модуляции при изменении угла наклона края полуплоскости: a — модель, б — Kobo Aura H2O (Carta)
2. Рассчитанные по модели ФПМ и экспериментально полученные результаты хорошо коррелируют в части выявленных при моделировании вышеуказанных зависимостей. Однако существуют количественные отличия, которые показывают насколько более низкие значения экспериментально полученных ФПМ сравнительно с расчетными, потерю высокочастотного подъема ФПМ, предсказанного моделью при 0 и 90. Это отличие может быть объяснено наличием дополнительных факторов, не учитываемых в модели — рассеянием излучения на капсулах, других слоях многослойной системы отображения информации.
3. В соответствии с моделью, обычное расположение штриховых элементов шрифтовых знаков, при котором большая часть основных и соединительных штрихов расположена под углами 0 и 90, может быть причиной отклонения однородности воспроизводимых штрихов. Как перспективу в разработке УЭБ можно рекомендовать создание дисплеев с расположением управляющих электродов по углом 45. Аналогичные решения уже рассматривались для исполнения матриц цифровых фотоаппаратов [58;59]. 3.3 Флуктуационные параметры УЭБ
Другим структурным параметром, который может влиять на воспроизведение информации, являются флуктуационные параметры электронной бумаги, оцениваемые на равномерном поле — шумы. Целью является разработка метода и получение числовой характеристики шума электронной бумаги. Задачи: – предложить метод оценки параметров шума в изображении, воспроизведенном на электронной бумаге; – по выбранному методу получить данные для нескольких устройств чтения на основе электронной бумаги; – провести сравнительный анализ шумов для разных электронных бумаг; – сделать выводы о возможном влиянии шумов на воспроизводимую информацию в УЭБ. Для решения поставленных задач был создан тест-объект — страница книжного издания в формате PDF, которая содержит 3 поля размером 15 на 15 мм: черное, серое и белое. Тест-объект воспроизводился на электронной бумаге (делалось несколько повторных воспроизведений страницы, чтобы исключить влияние остаточного изображения) и каждое поле фотографировалось по три раза в условиях, аналогичных условиям при получении фотографий для оценки функции передачи модуляции (раздел 3.1). Многократная съемка одного поля необходима для исключения из получаемого изображения шумов, вносимых самим фотоаппаратом, с помощью усреднения значений.
Исходя из центральной предельной теоремы, можно предположить, что шум в реальной системе описывается нормальным распределением, которое задается — средним значением и — среднеквадратичным отклонением. Вместе с тем дискретная структура управляющих элементов может стать причиной наличия периодической составляющей в структуре шума.
Изучение гистограмм полученных изображений подтвердили гипотезу о нормальном распределении (рис. 3.13).
По полученным изображениям производился расчет значения средней светлоты, среднеквадратичного отклонения, однородности [60]. Рисунок 3.13 — Гистограмма изображения серого поля, воспроизведенного на устройстве Kobo
Итоговые значения приведены в таблице 3.1. Результаты показывают, что наименьшие отклонения по светлоте и наибольшая однородность у черного поля — это действительно для всех устройств. Для серых и белых полей среднеквадратичные отклонения выше, а однородность ниже, чем для черного поля, но при этом между собой они близки. При изучении микрофотографий было установлено, что причины ухудшения воспроизведения на сером и белом полях различны. На сером поле однородность падает из-за алгоритма воспроизведения градаций с усреднением по полю, описанного в разделе 2.1. Белое поле имеет меньшую однородность за счет дефектов микрокапсул и неоднородности их отражательной способности.
Следующим этапом изучения шумов является оценка их спектральной характеристики. При помощи дискретного Фурье- преобразования были получены спектры изображений полей. По полученным спектрам можно видеть, что шум не имеет периодической составляющей (рис. 3.14).
Таким образом, был выбран метод и получены характеристики шума, возникающего при воспроизведении изображений на электронной бумаге. Была выявлена схожесть всех исследованных устройств. Шум не обладает периодической структурой.
Сопоставление результатов и рекомендации по применению гарнитур шрифтов
Был осуществлен выбор четырех гарнитур для исследования, которые также рассматриваются в исследованиях описанных в [31]: Times New Roman, Baskerville, Futura, Helvetica. Проведена классификация шрифтовых знаков на четыре группы в соответствии с их спектрами, полученными при использовании Фурье-преобразования. Предложена методика выбора такого параметра как однородность для оценки качества воспроизведения информации в УЭБ. По экспертной и объективной оценке отмечено соответствие экспертной оценки и отклонения однородности. В результате для воспроизведения информации в УЭБ рекомендуется использовать шрифты с засечками Times New Roman и Baskerville, так как они имеют меньшие отклонения однородности. Акт внедрения от декабря 2015 года приведен в приложении А, рисунок А.1.
Разработан метод повышения качества воспроизведения знаков первой группы на электронной бумаге, а именно поворот сетки управляют электродов на 45 градусов. Это позволяет повысить контрастность воспроизводимых знаков, за счет снижения относительной светлоты штрихов, повысить однородность штрихов и снизить ее отклонения для знаков содержащих вертикальные или горизонтальные штрихи. Заключение
Основные результаты работы заключаются в следующем.
1. Уточнено понятие электронной бумаги, определены параметры устройств на основе электронной бумаги, которые должны быть оценены. На основе рассмотренной классификации устройств осуществен выбор объектов исследования.
2. Разработаны методы оценки градационных параметров устройств на основе электронной бумаги. Полученные результаты оценки показывают, что электронная бумага обладает градационной характеристикой, близкой к линейной с низким градиентом, и может воспроизводить градацию: с усреднением воспроизводимых тонов и дискретно, с воспроизведением 16 уровней тона, заданных программным обеспечением. Остаточное изображение не влияет на воспроизведение при малом контрасте, при высоком контрасте сменяемых изображений влияние остаточного изображения наиболее заметно на черном фоне. Для устранения данного явления перед воспроизведением изображения рекомендуется программно воспроизведить пустую страницу с белым фоном. Разработана методика и оценены диапазоны углов просматривания для электронной бумаги. Динамический диапазон электронной бумаги удовлетворяет требованиям книжных изданий для взрослой аудитории. При угле просматривания до 30 градусов цветовые отличия неразличимы человеком и близки к печатной бумаге. На границе предельного угла просматривания в 60 градусов цветовое отличие становится заметно. Низкий градиент тоновоспроизведения делает невозможным тождественную обработку изображений при воспроизведении на печатной и электронной бумаге.
3. Модифицирован метод получения ФПМ для электронной бумаги. Проведена сравнительная оценка ФПМ для электронной бумаги и для печатного воспроизведения, показано, что на данном этапе развития технологии электронная бумага по параметру размытия деталей изображения существенно уступает плоской офсетной печати даже на газетной бумаге. Повышение ФПМ можно определить как необходимое направление в развитии устройств на основе электронной бумаги, без решения которого невозможно применять в этих устройствах в полной мере методы подготовки информации, тождественные методам полиграфии.
4. С целью определения предельных возможностей электронной бумаги по воспроизведению изображений разработана модель воспроизведения края полуплоскости на электронной бумаге и проведена оценка функции передачи модуляции по полученному изображению, оценена зависимость ФПМ от угла поворота и сдвига воспроизводимой детали относительно управляющих электродов. Показано принципиальное соответствие модели и экспериментальных данных, а также наличие дополнительных факторов снижения ФПМ в реальном устройстве.
5. Оценен шум, возникающий на электронной бумаге. Выявлено, что он создается разными явлениями: на сером поле вследствие воспроизведения градаций с усреднением по полю, на белом поле — за счет дефектов микрокапсул и неоднородности их отражательной способности. Наименьшие отклонения по яркости и наибольшая однородность — у черного поля. Для серых и белых полей среднеквадратичные отклонения выше и близки между собой. Оценен спектр шума и определено, что шум низкочастотный и не содержит периодическую составляющую.
6. Разработан метод определения устойчивости гарнитур шрифтов, воспроизводимых на устройствах, основанных на электронной бумаге по параметру отклонение однородности в пределах контура знака, который установлен по результатам экспертной оценки порога разделения штриха и фона. Корреляция результатов экспертной оценки по читаемости шрифтов и оценка отклонения однородности говорит о пригодности использования параметра отклонения однородности.
7. Оценены параметры однородности для отобранных гарнитур шрифтов, относящихся к наиболее используемым группам гарнитур для набора книжной информации: Baskerville, Times (с засечками) и Futura, Helvetica (рубленые). Проведена классификация знаков на четыре группы по спектральной характеристике. Рубленые шрифты обладают большей однородностью, чем шрифты с засечками, но при этом однородность имеет большие отклонения. По полученным результатам оценки однородности с выявлением стабильности однородности к использованию в электронном издании, подготовленном для воспроизведения на устройстве с электронной бумагой, рекомендуется использовать гарнитуры Baskerville и Times ввиду их устойчивости и однородности при воспроизведении. 8. Исследовано влияние поворота сетки управляющих электродов на 45 градусов относительно вертикальных и горизонтальных штрихов знаков шрифта, что позволило повысить контраст исследуемых знаков вследствие снижения относительной светлоты штрихов, повысить однородность воспроизведения и снизить ее отклонения для знаков первой группы — имеющих только прямые вертикальные и горизонтальные штрихи.