Введение к работе
Актуальность проблемы. Методы обработки цифровых изображений представляют интерес для большого числа задач из разных областей, в число которых входит современная полиграфия. Для полиграфической продукции определяющим свойством является ее качество, которое определяется многими факторами. Отсутствие универсального критерия качества является источником постоянного поиска новых адекватных решений.
Для вывода на печать цифровое изображение преобразует Raster Image Processor (RIP), представляющий собой профаммно-аппаратный комплекс, который осуществляет процедуру цифрового растрирования. Термин растрирование имеет много значений. В полифафии под ним понимают (Ю.В. Кузнецов, 2002) преобразование иллюстративной информации в битовую карту из нулей и единиц, управляющих устройством печати. В настоящей работе рассматривается цифровой вариант растрирования, представляющий собой преобразование полутонового изображения, представленного в цифровом виде, в бинарное. В литературе по цифровой обработке такое преобразование называют бинаризация.
Значительные результаты в исследовании методов растрирования представлены в классических работах Шсберстова В.И., Шашлова Б.А., и др., в работах современных авторов, в частности Андреева Ю.С., Дроздова В.Н., Кузнецова Ю.В., Самарина Ю.Н., в работах зарубежных авторов, таких как Аллебах Я.П., Арче Г.Р. Большое число методов бинаризации рассмотрено в монофафии отечественных специалистов Фурмана Я.А., Юрьева А.Н. и Яншина В.В., в работах по цифровой обработке изображений Сойфера В.А., Потапова А.А. и многих других. Вопросы повышения качества методом цифровой обработки обсуждались рядом зарубежных авторов, таких как Прэтт У., Форсайт Д., Понс Ж., Стейнберг М.В., Лоу Д.Л., Флойд Р.В., Сэломон Д.
Вопросами применения информационных технологий допечатных процессов в
полифафии занимались Гасов В.М. и Цыганенко A.M. -:-
В результате выработано большое число алгоритмов бинаризации,-, которые используются для процессов растрирования, и современные RIP могут решать задачу для разнообразного набора изображений и средств печати. Поскольку RIP разрабатывается для коммерческих целей и практически каждая цифровая печатная машина или принтер имеет свой собственный RIP, то используемые алгоритмы являются узкоспециализированными. Следовательно, пользователь лишен возможности их модифицировать, например, перестроить параметры в целях заказчика или для устранения артефактов, возникающих при печати из-за шумов. Хотя недостатка в алгоритмах бинаризации нет, однако защищенность их кода, не позволяет проследить методы, положенные в их основу и определить их возможности. Более того, высокая степень защищенности, характерная для алгоритмов RIP профессионального уровня, затрудняет их сравнение при выборе того или иного разработчика. В связи с этим задача разработки и исследования новых алгоритмов бинаризации сохраняет актуальность.
Диссертационная работа посвящена решению данной задачи.
Объект исследования. В настоящей работе объектом исследования являются растровые полутоновые изображения в градациях серого и цветные изображения, представленные в цифровом виде.
Предмет исследования. Предметом исследования является процесс бинаризации полутоновых и цветных изображений, представленных в цифровом виде. Целью работы является разработка помехоустойчивого алгоритма бинаризации для задачи растрирования изображений при допечатной подготовке изданий. Далее этот алгоритм будет называться Д-алгоритм, основанный на условии сохранения яркости.
В процессе работы решались следующие научные задачи:
-
Анализ основных методов цифрового преобразования изображений в процессе допечатной подготовки изданий.
-
Обзор методов бинаризации и выбор объективных мер искажения для оценки работы алгоритмов бинаризации.
-
Алгоритмизация и реализация помехоустойчивого алгоритма бинаризации цифровых изображений (Д-алгоритм).
-
Исследование работы Д-алгоритма бинаризации и сравнение с другими алгоритмами бинаризации.
-
Разработка теоретико-информационной модели бинарного канала для описания ошибок процесса печати.
-
Применение условных операций для описания шумов процесса печати.
-
На основе объективных мер искажения изучение свойств . Д-алгоритма при воздействии бинарного шума и сравнение с другими алгоритмами.
-
Модифицирование. Д-алгоритмасцелью улучшения качества па основе метода рандомизации.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы теории информации, математической статистики, цифровой обработки сигналов и обработки изображений.
Научная новизна заключается в том, что:
-
Предложен оригинальный Д-алгоритм бинаризации, который отличается от известных тем, что позволяет усилить контраст, выделить слабоконтрастные детали в полутоновых изображениях, и за счет дополнительно разработанного метода рандомизации улучшить визуальное качество бинарного изображения.
-
Предложена модель бинарного канала со стирающим шумом в целях изучения ошибок, возникающих в процессе печати. Для описания действия бинарного стирающего шума на изображение введены условные многобитные операции, позволяющие моделировать различные ошибки процесса печати.
-
На основе моделирования воздействия бинарного шума, описывающего ошибки процесса печати, и оценке искажений по относительной энтропии и евклидову расстоянию, показано, что предложенный Д-алгоритм бинаризации по сравнению с рассмотренными алгоритмами, основанными на стохастических методах, оказывается более помехоустойчивым.
Практическая ценность результатов работы. Ценность состоит в том, что разработан помехоустойчивый алгоритм бинаризации цифровых изображений, и предложена модель бинарного канала со стирающим шумом, в которой введены условные многобитные операции, позволяющие моделировать различные ошибки
/
процесса печати с целью анализа помехоустойчивости алгоритмов бинаризации цифровых изображений.
Реализация результатов. С 2008 года комплекс по бинаризации цифровых изображений, содержащий два учебных видеофрагмента с иллюстрацией методов бинаризации, внедрен в учебный процесс СЗИП СПГУТД в специальном курсе «Компьютерная обработка изображений» для специальностей 230203.65 «Информационные технологии в дизайне» и 230204.65 «Информационные технологии в медиаиндустрии». Теоретические положения диссертации и практические эксперименты используются в учебном процессе НИУ ИТМО и включены в курс лекций и практических занятий по дисциплинам: «Инженерная и компьютерная графика» для дипломированных специалистов, обучающихся по специальности 220201.65 и магистерского курса обучения «Методы цифровой обработки информации» направления 220200.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на научных конференциях и семинарах:
-
На международной конференции «Optoinformatics - 2008» (Санкт-Петербург, 2008 г.);
-
На семинаре кафедры Автоматизированного полиграфического оборудования Северо-Западного института печати СПГУТД (Санкт-Петербург, 2008 г.);
-
На XI Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика - 2008» (Санкт-Петербург, 2008 г.); ^
-
На международной конференции студентов и молодых ученых «Print - 2009». (Санкт-Петербург, 2009 г.);
-
На семинарах кафедр Автоматизации полиграфического производства и Прикладной математики и моделирования систем Московского государственного университета печати (Москва, 2009, 2010 гг.);
-
На семинаре кафедры Обработка сигналов мультимедиа университета г. Констанца, (Германия, 2009 г., 2010 г., 2011 г.);
-
На семинаре Российско-Германских программ «Михаил Ломоносов / Иммануил Кант» (Бонн, Германия, 2009 г.);
-
На международной конференции студентов и молодых ученых «Printing Future Days 2011» (Хемниц, Германия, 2011 г.).
Работа поддержана грантом Министерства Рособразования и Германской службы академических обменов DAAD для выполнения НИР по проекту «Разработка и исследование методов компьютерной обработки изображений (полиграфия)» в 2009 г., грантом правительства г. Санкт-Петербурга, комитетом по науке и высшей школе для молодых ученых в 2009 г., для выполнения НИР по проекту «Использование методов квантовой теории информации в задачах обработки и анализа изображений», а также грантом Германской службы академических обменов DAAD для выполнения НИР по проекту «Алгоритмическое обеспечение растровых процессоров изображений» в 2010 г. В 2009-2011 гг. соискатель дважды проходила многомесячную стажировку в университете, г. Констанца (Германия), на кафедре Обработка сигналов мультимедиа под руководством профессора Дитмара Заупе, всемирно известного ученого в области обработки изображений, занимаясь изучением свойств Д-алгоритма, его сравнением по отношению к современным алгоритмам бинаризации,
профаммированием в Matlab, работой с иностранной литературой и выступлением на семинарах кафедры.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 13 работах, из них 6 - в журналах, включенных в Перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из списка используемых сокращений, введения, четырех глав, заключения, одного приложения и списка цитируемой литературы (92 позиции). Работа изложена на 174 страницах, включая 62 рисунка.
