Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности формирования градационного содержания изображения в современных системах обработки 11
1.1. Градационное содержание изображения 11
1.2. Оценка качества воспроизведения изображения 12
1.3. Оценка факторов, влияющих на формирование градационного содержания изображения в цифровых репродукционных
системах 17
1.3.1. Преобразования в цифровых системах 17
1.3.2. Параметры дискретизации сигнала, необходимые для получения изображения в цифровом виде 18
1.3.3. Квантование сигнала 23
1.3.4. Совместное влияние параметров дискретизации и квантования на цифровое изображение 26
1.4. Технологические преобразования градационного содержания в зависимости от семантики, распределения информации по тоновым зонам и условий воспроизведения изображений 28
1.4.1. Градационная коррекция 28
1.4.1.1. Методы локальных градационных коррекций 33
1.4.2. Применение гистограмм при допечатной подготовке цифровых изображений 35
1.4.2.1. Анализ изображения с использованием гистограммы 35
1.4.2.2. Улучшения изображения методом изменения гистограммы 39
1.4.2.2.1. Преобразование гистограммы изображения методом задания численных значений 39
1.4.2.2.2. Изменение формы гистограммы методом задания функциональных преобразований з
1.4.2.2.2.1. Нормализация и выравнивание гистограммы 40
1.4.2.2.2.2. Приведение гистограммы 41
1.4.2.2.2.3. Методы формирования оптимальной гистограммы изображения 42
1.4.2.3. Автоматизация градационных преобразований цифрового
изображения для полиграфического воспроизведения 44
1.5. Заключение по первой главе и постановка задачи 46
2. Исследование влияния системных преобразований на градационные и структурные характеристики изображения 49
2.1. Анализ факторов, влияющих на формирование градационного содержания при цифровом преобразовании аналогового изображения 49
2.2. Анализ факторов, влияющих на формирование градационного содержания в цифровых камерах 58
2.3. Заключение по второй главе 70
3. Оценка возможностей технологических преобразований градационного содержания изображения по переходным кривым 73
3.1. Метод градационных преобразований по переходным кривым 73
3.1.1. Анализ результатов преобразований по методу переходных кривых...98
3.2. Оценка минимально допустимого числа нулевых уровней в гистограмме изображения, предназначенного для печати 100
3.3. Заключение по третьей главе 102
4. Опенка возможностей технологических преобразований градационного содержания изображения методом гистограмм 104
4.1. Постановка задачи 104
4.2. Исследование метода приведения гистограмм, с целью применения в качестве средства автоматической коррекции 102
4.2.1. Выбор объектов исследования 106
4.2.2. Результаты применения метода приведения гистограмм для коррекции изображений 118
4.2.3. Экспертная оценка результатов приведения гистограммы для различных групп изображений 125
4.3. Рекомендации по использованию метода приведения гистограмм как способа автоматизации коррекции градации изображения 134
Результаты работы 138
Список литературы
- Совместное влияние параметров дискретизации и квантования на цифровое изображение
- Анализ факторов, влияющих на формирование градационного содержания в цифровых камерах
- Исследование метода приведения гистограмм, с целью применения в качестве средства автоматической коррекции
- Рекомендации по использованию метода приведения гистограмм как способа автоматизации коррекции градации изображения
Совместное влияние параметров дискретизации и квантования на цифровое изображение
Все преобразования, осуществляемые над сигналом, можно разделить на 2 типа: системные и технологические. Системные преобразования зависят от аппаратного обеспечения, технологические осуществляются над сигналом для обеспечения желаемого результата на выходе системы.
Системные преобразования в основном учитываются при выборе оборудования и являются нерегулируемыми или сложно регулируемыми. Учет и понимание системных преобразований дает возможность оптимально использовать регулируемые факторы при формировании оригиналов в цифровой форме. К таким регулируемым факторам относятся параметры пространственной дискретизации и квантования.
Особый интерес представляют технологические преобразования, осуществляемые в процессе обработки изображений, сформированных в результате системных преобразований. Технологические преобразования могут в разной степени затрагивать информационное содержание оригинала.
Существует необходимость совместного рассмотрения системных и технологических преобразований с учетом семантики изображения.
Для ввода аналогового изображения в СПОИ необходимо провести процесс дискретизации изображения. Переход от непрерывного сигнала к множеству выборок его значений при определенных значениях х (хо, хь х2,...), и у (у0, уь уг, ...) то есть его пространственная дискретизация, является главным фактором. Она определяет пространственное разрешение цифрового изображения. Следовательно, от параметров пространственной дискретизации будет зависеть в первую очередь формирование структуры изображения, определяющей его семантику и возможность сохранения этой структуры при воспроизведении информации [4, 24]. От параметров дискретизации зависит также то, на какой площади произойдет усреднение яркости изображения. Последнее может сказаться на количестве передаваемых градаций [6].
Для того, чтобы исходный сигнал можно было воспроизвести без потерь, необходимо задать оптимальную частоту дискретизации. Выбор частоты дискретизации может быть основан на теореме отсчетов, или теореме Котельникова (1.6.)
Теорема гласит, что функция может быть полностью восстановлена по последовательности своих отсчетов, следующих с частотой в два раза большей, чем граничная частота спектра Vpp этой функции [45].
При неправильном выборе частоты дискретизации возникает наложение спектров, которое приводит к искажению дискретного изображения. Эти искажения проявляются в виде муара [26, 48]. Дискретизация в пространстве аналоговых оригиналов осуществляется на стадии сканирования. При задании параметров сканирования, основываясь на теореме Котельникова, выбирается частота дискретизации с учетом частоты записи сигнала на выходе системы. Частота дискретизации выражается через разрешение сканирования RCK, то есть количество пикселей на единицу длины, ppi. Таким образом, при обработке в дискретной системе при правильно выбранной частоте дискретизации на стадии ввода информации в систему в большинстве случаев не возникает необходимости для изменения параметров пространственной дискретизации. Рассчитать разрешение сканирования с учетом формирования изображения при выводе можно по формуле (1.7.) для штриховых изображений и формуле (1.8.), для тоновых изображений:
Формула (1.8) актуальна для случаев полиграфического воспроизведения информации в условиях растрирования с определенными размерами растрового элемента. При формировании сигнала, записывающего размер растровой точки в пределах растрового элемента, информация, соответствующая данной области изображения, усредняется, следовательно, информация с шагом дискретизации меньшим, чем период растровой структуры, будет избыточной [5, 25].
Как уже отмечалось выше, в случае использования цифровых оригиналов приходится иметь дело с цифровыми изображениями, у которых заданы такие параметры, как разрешение и размер. В силу необходимости согласования пространственной дискретизации оригинала, параметров дискретной системы и параметров вывода изображения в системах с дискретной записью, возникает необходимость в передискретизации цифрового сигнала.
Передискретизация (англ. resampling) может проводиться в двух направлениях: уменьшение числа отсчетов - децимация (англ. downsampling), и расчет новых отсчетов с целью добавления - интерполяция (англ. upsampling) [72]. При снижении разрешения происходит пропорциональное уменьшение размеров изображения в случае, если не осуществляется принудительное сохранение линейных размеров, как показано на рисунок 1.1. [26].
Если размер изображения сохраняется, то происходит пропорциональное уменьшение разрешения. При сравнении изображений, представленных на рис 1.2., в условиях сохраненного масштаба, заметна потеря качества вследствие пропорционального уменьшения разрешения. Из этого очевидно, что при выборе частоты дискретизации нужно учитывать не только необходимое число отсчетов для дальнейшего восстановления изображения, но и масштаб воспроизведения [16, 18]. а б в
Процесс передискретизации может осуществляться на разных стадиях технологического процесса, в зависимости от того, каков источник получения цифрового оригинала.
В случае использования оригинала, полученного с помощью цифровой камеры, процесс передискретизации может проходить как с использованием программного обеспечения самой камеры, так и при использовании специализированных внешних конверторов RAW-файлов. Такие файлы содержат информацию непосредственно с фотоприемника фотоаппарата. При этом необходимо учитывать, что и сам процесс интерпретации данных с матрицы проходит по определенному алгоритму интерполяции в силу особенностей формирования информации о градации и цвете с использованием матриц светочувствительных элементов (рисунок 1.3.) [12].
Анализ факторов, влияющих на формирование градационного содержания в цифровых камерах
В случае, если глубина цвета равна 8 бит/канал, наблюдается линейное увеличение количества градаций до разрешения 600 ppi, далее достигается максимальное количество градаций, которое уже не меняется при увеличении разрешения. Для 16-ти бит/канал происходит увеличение числа передаваемых градаций в зависимости от разрешения сканирования.
Зависимость количества передаваемых градаций от разрешения сканирования связано с апертурной фильтрацией. При такой фильтрации происходит усреднение освещенности изображения по площади анализирующей апертуры. Так как в тоновом оригинале бесконечное множество градаций, то часть из них пропадает в результате этого усреднения. Из приведенных данных видно, что при сканировании с разрешением, соответствующим обычно применяемому при неизменяемом масштабе, линиатуре, равной 150 Ірі, уже на стадии ввода информации число градаций полученного изображения может уменьшаться и приближаться к минимально допустимому значению для изображений на бумаге в 230 градаций [6]. В дальнейшем это может привести к потерям, которые будут заметны в изображении в зависимости от сюжета оригинала и преобразований. Зависимость при глубине цвета 16 бит/канал линейна во всем рассмотренном диапазоне разрешений. При разрешениях до 900 ppi зоны насыщения не наблюдается.
По полученным данным построен график для изображений с глубиной цвета 16 бит/канал (рисунок 2.4.), на котором представлено возможное число градаций для данного тест-объекта при различных разрешениях с учетом того, что каждый пиксель изображения может принимать индивидуальное значение светлоты (таблица 2.1.), и полученное в результате сканирования среднее число градаций.
Теоретически возможное число градаций не достигается ни при одном рассмотренном разрешении, причем чем выше разрешение, тем больше разница между реальными значениями и ожидаемыми. При разрешении 200 ppi разница составляет 24%, а при разрешении 900 ppi - 49%. Для сканированных изображений тест-объекта были рассчитаны зависимости L=f(D), где L - это значение светлотной координаты цветового пространства CIE LAB, D - оптическая плотность клина.
Зависимость светлоты от оптической плотности практически линейна. Эти данные подтверждают известную зависимость между светлотой и оптической плотностью в условиях отраженного света [65]. Данное наблюдение справедливо для всех рассмотренных разрешений и глубины цвета как 8 бит/канал, так и 16 бит/канал.
Анализ гистограмм сканированных изображений показал, что все гистограммы имеют схожую форму, информация распределена в пределах всего предложенного диапазона, существенные провалы в гистограммах отсутствуют. На рисунке 2.6. представлены гистограммы сканированного тест-объекта при разных разрешениях. 250
При малых значениях разрешения гистограммы многобитного изображения имеют выраженные пики наряду с провалами, что может быть связано с усреднением части уровней за счет апертурной фильтрации и перераспределением информации на участках гистограммы. При этом провалов до нулевых значений не наблюдается. С увеличением разрешения гистограммы сглаживаются. Гистограммы изображений с глубиной цвета 8 бит/канал более гладкие при малых разрешениях, однако также имеют слабовыраженные пики
В гистограммах восьмибитных изображений на каждый уровень светлоты приходится большее число пикселей и соответственно возникающие пики (при том, что их меньше, чем в многобитном изображении) занимают большую площадь. Можно предположить, что вероятность заметности шумовой структуры в данном случае будет выше.
Таким образом, показано, что системные искажения при сканировании сводятся к уменьшению числа градаций в зависимости от разрешения сканирования, но это мало влияет на градационные характеристики. Гистограмма изображения при сканировании остается плотной, без нулевых уровней в пределах диапазона вне зависимости от глубины цвета и разрешения. Форма гистограммы мало меняется в зависимости от разрешения сканирования и глубины цвета.
Особенностью при работе с цифровыми оригиналами, полученными с применением цифровых камер, является то, что параметры пространственной дискретизации и квантования задаются на этапе формирования файлов формата TIFF. В связи с этим возникает необходимость проследить закономерности формирования градационного содержания цифрового изображения в зависимости от установок конвертации при условии использования конверторов, отличающихся алгоритмом интерполяции данных, полученных с матрицы фотоаппарата. Следует учитывать, что важным фактором, влияющим на параметры изображения, будут также характеристики фотоаппаратов, такие, как размер и тип матрицы, глубина цвета.
Параметры дискретизации в основном будут влиять на структурные параметры изображения и выбор этих параметров в первую очередь ориентирован на максимально резкую передачу мелких деталей при минимальном шуме [42, 43].
При сканировании возможно выбирать разрешение, согласованное с линиатурой вывода. Для цифровых фотоаппаратов определяющим фактором пространственной дискретизации является размер матрицы, выраженный в пикселях.
Следует оценить, как повлияют условия формирования цифрового файла, полученного в результате применения цифровой камеры, на градационные параметры изображения, а именно на число передаваемых градаций, градационную характеристику, форму гистограммы, будут ли отличаться полученные параметры (разрешение, размер, глубина цвета) для аналогичных изображений, полученных в результате сканирования.
В качестве аппаратного обеспечения используются три зеркальных цифровых фотоаппарата, отличающихся типом матрицы, размером матрицы и глубиной цвета: Canon EOS 10D, Canon EOS 50D, Nikon D80. Основные технические характеристики фотоаппаратов приведены в таблице 2.4.
Для оценки количества передаваемых градаций используется тест-объект, описанный выше. Съемка осуществляется на просвет при размещении тест-объекта на просмотровом столе. Во всех случаях используются штатные объективы и установка чувствительности - ISO 100. Сохранение файлов проводится в формате RAW [69].
Полученные файлы первоначально открываются во внешнем конверторе Adobe Camera RAW, где последовательно задаются размеры изображений, допустимые при данном номинальном размере матрицы. В конверторе отключены все коррекции, файлы сохраняются в формате TIFF с глубиной цвета 8 и 16 бит/канал для каждого размера изображения.
Из графиков видно, что при глубине цвета 8 бит/канал при достижении номинального размера матрицы наблюдается максимальное значение количества предаваемых градаций, далее увеличение размера изображения количество градаций не изменяет. При глубине цвета 16 бит/канал число передаваемых градаций постоянно увеличивается в зависимости от размера изображения, но не достигает максимально возможного. Изменение числа пикселей в изображении и число передаваемых градаций связано степенной зависимостью.
Исследование метода приведения гистограмм, с целью применения в качестве средства автоматической коррекции
Двум последним изменениям менее подвержены изображения с глубиной цвета 16 бит/канал. На основании полученных результатов можно оценить влияние описанных явлений на параметры изображения.
Смещение гистограммы в тоновом диапазоне приводит к осветлению или затемнению изображения, в зависимости от направления смещения. Величина смещения гистограммы будет тем больше, чем меньше исходный диапазон А1 (таблица 3.7. и 3.8.). На величину смещения гистограммы влияет программа, в которой проводилась коррекция. Из рассмотренных программ к большему смещению гистограммы приводит использование программы MATLAB.
Изменение диапазона гистограммы наиболее выражено при коррекции в программе 1. Диапазон изменяется в этом случае за счет прореживания гистограммы и связанного с ним перераспределения информации. Изменение диапазона изменяет контраст изображения. Изменение формы гистограммы при коррекции происходит в том случае, когда величина смещения, обусловленная коррекцией, такова, что точка черного или белого достигают крайних значений диапазона. При этом смещение в целом характеризуется меньшей величиной, наблюдается также концентрация информации на границе диапазона. Это приводит к формированию в изображении участков с постоянной светлотой, то есть происходит постеризация в светах, образование бликов в изображении.
При восстанавливающих коррекциях, когда ожидается возвращение формы гистограммы к исходному виду, такое восстановление наблюдается только для изображений с глубиной цвета 16 бит/канал, откорректированных в программе 2. При восстановлении в программе 1 наблюдаются резкие скачки величины параметра гистограммы на участках, соответствующих области, где происходит изменение градиента кривой коррекции. Это явление проявляется в изображении повышением контраста в зоне светлот, соответствующей изменению формы гистограммы. Наиболее выражено это явление для изображений с широким первоначальным диапазоном.
Изменение формы гистограммы и изменение диапазона А1 являются следствием прореживания гистограммы в области повышенного градиента корректирующей кривой. Прореживание наблюдается совместно с появлением пиков в гистограмме в областях пониженного градиента. Прореживание гистограммы и появление пиков являются факторами, определяющим уменьшение числа уровней сигнала в изображении. Уменьшение количества уровней в гистограмме может привести к эффекту постеризации.
Прореживание гистограммы, в свою очередь, может быть равномерным и неравномерным. При коррекции в программе 1 наблюдается более равномерное прореживание, в программе 2 равномерность нарушается, что дает возможность сохранить диапазон гистограммы, когда не стоит задача его изменять. Но это может привести при повторной коррекции к значительным провалам в гистограмме, следствием которых будет заметность эффекта постеризации, как это показано на рисунке 3.2.
Наличие пиков в гистограмме также приводит к постеризации, так как резкие перепады в форме гистограммы свидетельствуют о наличии контуров (см. п. 1.4.2.1.), которые можно отнести к контурам на границах областей постеризации [38].
Изменение гистограммы при коррекции может носить разный характер. Наиболее существенно на информационное содержание изображение может повлиять смещение гистограммы в тоновом диапазоне и изменение ее формы. Оба эти явления приводят к изменению градационной характеристики и контраста изображения. Оценка минимально допустимого числа нулевых уровней в гистограмме изображения, предназначенного для печати
Как было показано выше, коррекция градационного содержания изображения может привести к прореживанию гистограммы.
В исследованиях, проведенных с изображением, формируемым в видео системах, показано, что для большинства изображений допустимы провалы в 4 уровня подряд, и малозаметные ложные контуры возникают при 8 подряд пропущенных уровнях [38, 61]. Однако для изображений, рассматриваемых в условиях отражения, то есть для печатных оттисков, такие исследования не проводились.
Для того, чтобы определить, насколько данный эффект может повлиять на визуальное восприятие и, следовательно, максимально допустимое число нулевых уровней в гистограмме изображения, необходимо провести оценку оттисков, полученных с изображений, в которых уменьшено число уровней. В качестве тестового используется изображение оттиска тест-объекта в соответствии с п. 2.1.
Обоснованием для выбора тестового изображения является наибольшая подверженность такого изображения эффекту постеризации в силу полного отсутствия в нем контуров и вследствие плавного перехода градаций. Программным методом проводится искусственное уменьшение числа градаций в тестовом изображении. Для этого используется функция Posterize программы Adobe Photoshop
Рекомендации по использованию метода приведения гистограмм как способа автоматизации коррекции градации изображения
Получено, что для всех изображений выполняется условие % %а , следовательно, коэффициент W значим и согласованность удовлетворительная.
По результатам экспертной оценки наибольший балл присвоен изображениям, откорректированным методом приведения гистограмм по нормальному закону. Близкие результаты получены для изображений, полученных в результате коррекции по треугольному закону распределения. Наименьший балл получили изображения, откорректированные методом приведения гистограммы по линейноубывающему закону распределения. Сдвиг гистограммы не привел к визуальному улучшению изображения.
Следует выделить изображение 118. Для этого изображения при соблюдении общей тенденции достаточно большой балл эксперты присвоили изображению с равномерным распределением. При этом наблюдается наименьшая согласованность. Это можно объяснить малым количеством контуров в изображении и сложной семантикой сюжета, что было отмечено экспертами. Исходя из этого, эксперты отдавали предпочтение наиболее контрастному изображению, в котором лучше определялся объект изображения.
В целом прослеживаются те же тенденции, как и для изображений первой группы. Выделяется изображение 1208 с информативной зоной в светах. Для этого изображения эксперты отдали предпочтение коррекции по треугольному распределению и по линейновозростающему при смещении точки белого. Это обусловлено сюжетом изображения, расположенным в области светов.
Для изображений четвертой группы наибольший балл также был присвоен изображениям, полученным по нормальному и треугольному законам распределения. Исключение составляет изображение 158. Для него наилучшим законом распределения стал линейновозрастающий. Это связано с наличием бликов в изображении, которые становятся очень контрастными при всех остальных законах распределения. Обычно такие изображения считаются неприемлемыми для практического воспроизведения. Но и это изображение при преобразовании по нормальному закону имеет мало отличающийся показатель.
При этом следует отметить, что изображения и гистограммы изображений после приведения по нормальному и треугольному распределению имеют большую степень схожести.
Полученные результаты практически не зависят от первоначального распределения информации в тоновом диапазоне. Можно считать, что нормальное и треугольное распределение плотностей вероятности является универсальным как функция преобразования гистограммы для большинства изображений. Поэтому для практических целей можно выбрать преобразование по нормальному закону как распределение, обеспечивающее необходимую коррекцию градационного содержания.
Рассмотренный метод гистограммной коррекции ориентирован в первую очередь на изображения, не имеющие базы сравнения, и для которых очевидным требованием является психологическая точность воспроизведения. В некоторых случаях, когда воспроизведение изображения ориентировано на физиологическую точность, но его динамический диапазон не входит в динамический диапазон печатного процесса, можно также использовать предложенный метод.
В данной работе метод рассмотрен применительно к черно-белым тоновым изображениям. В настоящее время воспроизведение таких изображений актуально при репродуцировании архивных фотографий, при переиздании полиграфической продукции с иллюстрациями, выполненных в черно-белом варианте, при печати недорогих массовых изданий, таких как, газеты, учебники. В большинстве случаев при воспроизведении таких изображений требуется коррекция, устраняющая в том числе и градационные искажения, и позволяющая добиться тоновой сбалансированности изображений в одном издания при использовании оригиналов, взятых из разных источников и имеющих различные исходные градационные искажения.
В общем виде алгоритм автоматизированной коррекции с применением метода гистограммных преобразований представлен на рисунке 4.4.
В данной схеме показано, что полная автоматизация процесса коррекции возможна для изображений с к 97%. Если относительная площадь равномерных тонов больше или равна 97%, то в этом случае необходим дополнительный контроль изображений для оценки возможности появления эффекта постеризации на оттиске.
Гистограммы цифрового цветного изображения в пространстве CIE LAB: а - исходное изображение, б - изображение с гистограммой канала L, приведенной, по нормальному закону распределения.
Использование светлотного канала L цветовой системы CIE LAB для устранения градационных искажении цветного изображения приводит к перераспределению информации в данном канале. Это дает возможность воспроизводить детали во всем тоновом диапазоне (рисунок 4.6.)
Возможны другие методы для выделения светлотной информации, например, работа в цветовых системах RGB или HSB.
Выбор наиболее подходящего варианта выделения светлотной информации, оценка необходимости использования других каналов помимо светлотного для обеспечения реализации предложенной методики в автоматизированных системах компенсации различных градационных искажений цветных изображений требуют дополнительных исследований, которые выходят за рамки данной работы.
