Методы оценки эффективности технологии адаптивного растрирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Костюк, Инна Викторовна

• Костюк, Инна Викторовна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Костюк, Инна Викторовна

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ основных проблем растрового преобразования в полиграфическом репродуцировании изображений

1.1. Преобразование информации оригинала в процессе его репродуцирования

1.1.1. Информационное содержание изобразительного оригинала

1.1.2. Репродукционные возможности и ограничения печатного синтеза

1.2. Растровое преобразование изображений

1.2.1 Репродукционные и технологические возможности традиционных растровых систем

1.2.2. Адаптивное растровое преобразование

1.3. Выводы по первой главе

Глава 2. Растровые искажения и их коррекция

2.1. Анализ причин возникновения растровых искажений

2.2. Анализ эффективности некоторых методов коррекции растровых искажений

2.3. Количественная оценка частотно-контрастных свойств изображений

2.3.1. Четкость и резкость фотографических (полутоновых) и видеоизображений

2.3.2. Оценка частотно-контрастных свойств полиграфических растровых изображений

2.4. Выводы по второй главе

Глава 3. Анализ особенностей технологии Растровой печати высокой четкости

3.1. Принцип адаптивного растрирования по технологии НБНР

3.2. Алгоритм адаптивного растрового преобразования

3.3. Основная и дополнительные растровые функции. Коэффициент детальности

3.4. Перспективы развития и проблемы внедрения

3.5. Выводы по третьей главе

Глава 4. Исследование эффективности Технологии печати высокой четкости (НБНР)

4.1. Методика проведения экспериментальных исследований

4.2. Обоснование выбора тест-объектов и тестовых изображений

4.3. Исследование влияния адаптивного растрирования на частотно-контрастные свойства растровой репродукции

4.4. Исследование достаточности и эффективности набора дополнительных функций растрового алфавита

4.5. Исследование эффективности адаптивного растрирования для решения различных репродукционных задач

4.6. Исследование влияния адаптивного растрирования на цветовые показатели репродукции

4.7. Исследование влияния параметров базового преобразования изображения оригинала на показатели качества репродукции при адаптивном растрировании

4.8. Исследование печатной способности адаптивной растровой структуры

4.9. Выводы по четвертой главе 92 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 94 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы оценки эффективности технологии адаптивного растрирования»

Информационное содержание полутонового изобразительного оригинала заключается, как в плавных переходах тона;, формирующих его т.н. «фоновую» часть, так и в контурах (участках с резким изменением оптического параметра), определяющих распознаваемость содержащихся в изображении объектов. Есть мнение, что для среднестатистического полутонового изобразительного оригинала и та и другая информация равноценна. Хотя авторы многих научных работ, посвященных процессу репродуцирования изображений и связанным с этим проблемам, отмечают, что наиболее важна для зрения информация, заключенная в контурах, определяющих узнаваемость изображения [1], [2]. Тем не менее, для различных видов иллюстрационной печати (линиатуры растра от 20 до 80 л/см) преобладающим является требование контраста и плавной тонопередачи в пределах интервала воспроизводимых плотностей. При' этом разрешающая способность и геометрическая точность приносятся в жертву удержанию значений тона в пределах интервала 3 ^ 5 - 95 -г 97%, оговариваемых стандартом 180' 12647-2. Таким образом, в этом требовании заключается дилемма современной иллюстрационной печати, т.к. воспринимаемый наблюдателем контраст репродукции определяется не только эффективным интервалом оптических плотностей печати, но и ее частотно-контрастными свойствами, которые, в свою очередь, ограничены репродукционными возможностями современных растровых систем, реализующих принцип автотипии.

В репродукционном процессе изображение оригинала многократно подвергается пространственной дискретизации с различными частотами, каждая из которых вносит свои искажения в передачу на оттиске этих контуров оригинала [3]. В наибольшей же степени четкость и резкость репродукции ограничивает частота формируемой растровой структуры оттиска (при традиционном растрировании), поэтому искажения границ деталей и контуров в битовой карте и далее на оттиске относят к т.н. растровым искажениям.

Существуют различные подходы к их коррекции. Однако в силу разных причин реализуемые в них методы получили весьма ограниченное практическое применение. Примером здесь может служить способ, основанный на увеличении объема исходного многоуровневого сигнала с диффузией ошибки его последующего двухуровневого квантования [4], недостатком которого является то, что получаемая растровая структура обладает низкой печатной способностью, т.е. избыточно чувствительна к отклонениям режимов заключительных технологических стадий репродукционного процесса (формной и печатной).

Объектом исследования данной работы является отечественная локально-адаптивная Технология растровой печати высокой четкости. В ней, как и в цветном вещательном телевидении, учитывается резкое снижение способности зрения различать тон и цвет деталей изображения с уменьшением их угловых размеров [5]. Данная технология сочетает в себе альтернативные преимущества репродуцирования штриховых и тоновых изображений: алгоритм растрирования изменяется согласно информационному содержанию (градиенту тона) локальных участков изображения и их непосредственной окрестности с учетом особенностей зрительного восприятия [6]. Многочисленные экспериментальные апробации и, в том числе, тиражные [6], [7], а также визуальные сравнительные оценки, свидетельствуют о высокой эффективности этой технологии в отношении повышения частотно-контрастных свойств печатных копий изображения полутонового оригинала. На сегодня не существует технических ограничений тому, чтобы данный метод растрирования стал нормой печати. Для его интеграции в полиграфический процесс остается-преодолеть инерцию в цепи: конечный потребитель печатной продукции - издатель - препресс - производитель допечатного оборудования -типография. Тем не менее, весьма актуальным в указанной связи является системное исследование возможностей и ограничений метода, а также параметров, используемых в нем алгоритмов, определение критериев и

6 • разработка количественных методов оценки: характера и степени влияния адаптивной технологии на показатели качества тоновой репродукции.

Основной задачей диссертационной работы является комплексное исследование эффективности технологии адаптивного растрирования и методов ее повышения на- основе объективной оценки репродукционных и технологических возможностей растровой системы; отыскания оптимальных значений ряда важных в этом отношении параметров используемого алгоритма; выявления и обоснования возможных оперативных (редакционных) настроек; решения вопросов интеграции этого нового метода кодирования изображений в информационный рабочий поток допечатной стадии и др.

Согласно Теории решения изобретательских задач, под эффективностью системы следует, понимать «отношение оценок позитивных факторов от реализации главной полезной функции к оценкам негативных факторов, связанных с затратами на создание (внедрение), эксплуатацию, утилизацию системы.» [8]. Поэтому с учетом специфики полиграфической технологии, роли растровой стадии в репродукционном процессе,и назначения исследуемой технологии, были определены следующие частные:задачи/исследований:

- определение количественногокритерия оценки растровых искажений и разработка методики их оценки для проведенияшсследований;

- оценка характера и степени* влияния адаптивного растрирования на частотно-контрастные свойства растровой репродукции;

- анализ алгоритма метода в. части оценки достаточности (эффективности) набора дополнительных растровых функций;

- выявление эффективности использования адаптивного растрирования для решения различных репродукцйонных задач;

- установление связи параметров базового преобразования допечатной стадии (в частности метода генерации черной краски) с цветовыми, показателями и визуально воспринимаемым контрастом «адаптивных» репродукций.

Методология и средства исследований. Исследование проведено:

- в свете современных представлений о передаче изображений по полиграфическому " каналу с присущими ему ограничениями пропускной способности;

- с использованием принципов оптимального кодирования изобразительной информации по критериям, учитывающим специфику ее зрительного восприятия;

- путем имитационного моделирования процесса автотипного преобразования в полиграфическом процессе;

- с применением средств объективной (колориметрической и фотометрической) оценки параметров исходных и конечных (тиражных) изображений и тест-объектов;

- а также средствами визуальной сравнительной оценки результатов преобразования структуры изображения при растрировании.

На защиту выносятся:

1. Критерии и методика количественной оценки степени разрушения границ деталей и одиночных штрихов изображения растровой структурой, как одно из средств оценки репродукционных возможностей растровых технологий.

2. Методика оценки информационного содержания изображения оригинала по критерию эффективности применения к нему данной технологии.

3. Обоснование эффективности использования адаптивного растрирования в разном масштабе репродуцирования оригинала.

4. Выявление и обоснование зависимости показателей качества «адаптивной» растровой репродукции от параметров процедуры замены ахроматической составляющей триадного синтеза черной краской.

Научную новизну работы составляют: классификация контуров в свете постановки репродукционной задачи; критерий и методика оценки информационного содержания воспроизводимого полутонового изображения; критерий и подход к оценке растровых искажений; выявление и обоснование возможности увеличения эффективности адаптивной растровой системы путем управления параметрами базового преобразования допечатной стадии.

Практическая значимость результатов работы. Результаты исследований использованы в НИР кафедры Технологии полиграфического производства СЗИП СПГУТД по гранту Американского фонда гражданских исследований и развития - АФГИР (СЬШР) ЫЕ1-556-8Т-03, применяются в учебном процессе, а также для усовершенствования алгоритма и создания новых программных версий, нацеленных на эффективную практическую реализацию технологии. Разработанные методики также могут быть использованы для проведения различных исследований, связанных с кодированием, обработкой и воспроизведением изображений.

Апробация работы. Основные результаты исследований представлены в виде опубликованных докладов и тезисов на международных научных конференциях и семинарах.

- Ежегодная международная конференция по цифровым способам печати 18&Т'з №Р20, США, Солт Лейк Сити, 5.11.2004.

- Ежегодная международная конференция Технической ассоциации полиграфистов (ТАОА), Канада, Торонто, 2005.

- IX ежегодная международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Украина, Киев, 2009;

- Международная конференция молодых ученых Р11ШТ-2009, Россия, Санкт-Петербург, СЗИП СПГУТД;

- Научный семинар факультета Полиграфической технологии и оборудования СЗИП СПГУТД, 2 декабря 2009.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Костюк, Инна Викторовна

4.9 Выводы по четвертой главе

В целом, результаты проведенных экспериментальных исследований доказывают, что технологии адаптивного растрирования НБНР эффективно выполняет задачу сохранения четкости и резкости деталей изображения в широком спектре репродукционных задач. Также полученные результаты создают основу и предоставляют инструментарий для проведения дальнейших исследований данного метода, например для оценки его эффективности в различных технологиях воспроизведения (например, при различных способах печати, при использовании различных запечатываемых материалов и т.д.), для тестирования и усовершенствования реализующего метод алгоритма (например, при исследовании закона взаимозамещения основной и дополнительных растровых функций, при изменении базовых и регулируемых параметров адаптивного растрового процесса и т.д.).

В качестве основных результатов экспериментальной части работы можно выделить следующее.

Предложены критерий и методика объективной (количественной) оценки качества передачи контуров и одиночных штрихов оригинала на растровом оттиске. Методика использована для оценки эффективности адаптивного растрирования в отношении сохранения частотно-контрастных свойств изображения оригинала на репродукции. В работе показано, что данный подход к оценке величины растровых искажений может быть использован для любых растровых систем. Методика успешно использована для тестирования реализующего метод алгоритма в части оценки достаточности (эффективности) набора дополнительных функций.

Дано определение понятия «репродукционная задача». Определено направление исследования эффективности применения адаптивной технологии для решения задачи воспроизведения изображений с изменением их размера по отношению к оригиналу. Произведена оценка качества выполнения данной задачи, которая позволила определить область применения адаптивного метода, где его репродукционные возможности окажутся востребованными.

Выявлена возможность повышения адаптивной технологии изменением алгоритма введения черной краски на этапе базового преобразования оригинала и сформулированы рекомендации по их выбору.

Предложен объективный критерий оценки субъективного показателя качества растровых изображений - визуально воспринимаемого контраста, который может быть использован для разработки полноценной методики оценки данного показателя качества репродукции.

Даны рекомендации по изменению некоторых параметров адаптивного растрового процесса (в частности алгоритма формирования штриховых масок для цветного изображения).

94

Заключение

Репродукционные возможности печатной системы ограничивают не только возможности печатного синтеза, но и особенности формирования растровой структуры репродукции. Использовать в полной мере разрешающую способность печатного процесса, а, следовательно, его потенциал в отношении точности воспроизведения деталей и геометрии контуров изобразительных оригиналов не позволяют современные способы реализации принципа автотипии растровыми системами, т.к. они не учитывают локальный характер информации воспроизводимого изображения. Эффективно решить проблему обеспечения высоких частотно-контрастных свойств репродукции и одновременно качества тонопередачи способны растровые системы «адаптивные к локальному градиенту», которые, на основе анализа информационного содержания оригинала (соотношения уровней тона воспроизводимого и прилежащих к нему участков), изменяют режим растрирования в соответствии с репродукционными задачами для фоновой и контурной части изображения. В работе проведено комплексное исследование эффективности Технологии растровой печати высокой четкости (одного из наиболее перспективных представителей этой категории растровых систем) и получены следующие основные результаты.

1. Разработан комплексный подход к оценке репродукционных и технологических возможностей адаптивного метода растрирования, который также может быть применен для других растровых технологий, направленных на улучшение частотно-контрастных свойств печатных изображений.

2. Предложен критерий и методика количественной оценки информационно-частотного содержания полутонового оригинала по его «детальности». Методика использована в оценке эффективности и целесообразности применения адаптивного растрирования для решении различных репродукционных задач.

3. Предложены критерий и методика объективной (количественной) оценки качества передачи контуров и одиночных штрихов оригинала на растровом оттиске. В работе показано, что данный подход к оценке растровых искажений может быть использован для любых растровых систем. Методика успешно использована для тестирования реализующего метод алгоритма в части оценки эффективности и достаточности набора дополнительных функций.

4. Проведена оценка эффективности применения адаптивной технологии при разном масштабе репродуцирования изображения.

5. Выявлена зависимость показателей качества «адаптивной» растровой репродукции от параметров процедуры замены трехкрасочного ахроматического черной краской и сформулированы рекомендации по их выбору.

6. Даны рекомендации по изменению некоторых параметров адаптивного растрового процесса.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Костюк, Инна Викторовна, 2010 год

1. Овчинников Ю.М. Объективные и визуальные методы программирования градационного преобразования изображений. / Ю.М. Овчинников // Труды ВНИИ Полиграфии. М.: 1980. - т.29, вып.2. - С. 49 - 57.

2. Рабинович А.Д. Задачи оптимизации и преобразования изображения в полиграфических электронных машинах. / А.Д. Рабинович // Труды ВНИИОПИТ «Электронные системы преобразования информации». М.: 1976. С. 13 - 35.

3. Кузнецов Ю.В. Технология обработки изобразительной информации / Ю.В. Кузнецов. СПб: «Петербургский институт печати», 2002.

4. Кпох К. Т. Analysis of threshold modulation in Error Diffusion. / R. Eschbach, К. T. Knox, // Сб. «Recent Progress in Digital Halftoning». -IS&T, 1994.-C. 156- 159.

5. Новаковский C.B. Цвет в цветном телевидении. / C.B. Новаковский. -М.: «Радио и связь», 1988.

6. Костюк И.В. Техника иллюстрационной печати, сохраняющая детали. // ж. «Принт менеджер». Спб.: - №8, 2004. - С. 8-10.

7. Орлов М.А. Основы классической ТРИЗ. Практическое руководство для изобретательского мышления. / М.А. Орлов 2-е изд., испр. и доп. - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2006.

8. Huang Т. S. Обработка изображений. / Tomas S. Huang, William F. Schreiber, О.Ю. Третьяк // Сб. «Обработка изображений при помощи цифровых вычислительных машин». М.: «Мир», 1973. -С. 17-47.

9. Щаденко А. А. Адаптивное растровое преобразование изображений в автотипной полиграфической технологии. Сб. «Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела». М.: Изд-во МГУП - №1, 2009. - С. 59 - 68.

10. Патент США фирмы Hell US 4484232. Method and circuit arrangement for correcting contrast intensification. / U. Cast. 1981.

11. Lau D. L. Modern digital halftoning. / Gonzalo R. Arce, Daniel L. Lau. -New York: «Marcel Dekker», 2001.

12. Международный стандарт отрасли «ISO 12647 2. Технология и оборудование допечатных процессов в полиграфии. Термины и определения».

13. Киппхан Г. Энциклопедия по печатным средствам информации. Технологии и способы производства. / Г. Киппхан. Пер. с нем. М.: МГУП, 2003.

14. New Edge-Enhanced Error Diffusion algorithm based on the error sum criterion. / Jae Ho Kim, Тае И Chung, Hyung Soon Kim, Kyung Sik Son, Yoon Soo Kim // Сб. «Recent Progress in Digital Halftoning II». -IS&T, 1999.-C. 105-111.

15. Патент компании Agfa Corp. EP1435728. Halftone method and system using hybrid AM/FM screening for highlight/shadow tonal regions. -Crounse Kenneth (US). 2003.

16. Патент РФ RU 2126598, МКИ H04N 1/40. Способ и устройство для адаптивного растрирования полутоновых оригиналов / Кузнецов Ю.В. 1999. - Иностранные патенты-аналоги: PCT/RU94/00256, 1995; DE 4498946, 1996; GB 2300328, 1996; US 5822086, 1998.

17. Узшевский В. А. Электроника, телевидение и связь в полиграфии. / В.А. Узилевский JL: «Лениздат», 1981.

18. Кузнецов Ю.В. Halftoning methods: Background of classification, printability, print quality / Ю.В. Кузнецов, А.А. Щаденко // сб. «Printing technology SPb-06». СПб.: 2006. - С. 194-198.

19. Авторское свидетельство № 832771 СССР / Ю.В. Кузнецов, Е.З.Коган, Г.А. Нишнианидзе, А.А. Щаденко. Устройство для растрового воспроизведения полиграфических оригиналов. 1978.

20. Патент США US 5229867. Method of and apparatus for making a halftone reproduction of an image. Г.С. Ершов, Ю.В. Кузнецов, В.М. Соболев, А.А. Щаденко. 1993.

21. Ъ2.Наттегт М. Adaptive Screening. / М. Hammerin, В. Kruse // Сб. «Recent Progress in Digital Halftoning». IS&T, 1994. - C. 91- 94.

22. Болыиой энциклопедический словарь. Под ред. Прохорова В.М. -М.: «Советская энциклопедия», 1994.

23. Андреев Ю.С. Исследование растровых методов оценки фотографических материалов для штриховой репродукции. / И.Н. Алексеева, Ю.С. Андреев, Г.Ф. Немых. // Сб. научн. тр. ГНИИХФП. -М.: 1975.- С. 70-84.

24. Андреев Ю.С. Резкостные свойства растровых структур. / Ю.С. Андреев, Т.А. Макеева. //Сб. «Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела». М.: -№1, 2006.-С. 3-13.

25. Ъб.Кривошеев М. И. «Основы телевизионных измерений». / М.И. Кривошеев-М.: «Связь», 1976.

26. Ткаченко А. П. Техника телевизионных измерений. / В.И. Кириллов, А.П. Ткаченко. Минск: «Высшая школа», 1976 г.

27. Restoration of out of focus images based on circle of confusion estimate. / Vivirito P., Battiato S., Curti S., La Cascia M., Pirrone R. // Сб. «Proceedings of SPIE 47th Annual Meeting». Seattle WA, USA, 2002.

28. Zucker S. Scale space localization, blur, and contour-based image coding. / Elder J., S. Zucker // Сб. «CVPR Proc.», 1996. C. 27-34.

29. Кузнецов Ю.В. Метод объективной оценки искажений мелких деталей в процессе растрирования. / Д.Е. Желудев, Ю.В. Кузнецов // Сб. «Proceedings of the 35th international research conference of IARIGAI», 2008. C. 347-353.

30. Овчинников Ю. M. Экспериментальная проверка автокорреляционного метода сравнительной оценки изображений в процессе их преобразования. / Ю.М. Овчинников, О.М. Свешникова // Труды ВНИИ полиграфии. М.: - т. 25 - вып. 3, 1977.-С. 33-41.

31. Schreiber W.F. Кодирование изображений. / W. F. Schreiber. // Труды института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. М.: «Мир» - №3, 1967. - С. 84-96.

32. Ремизов А.Н. Курс физики, электроники и кибернетики для медицинских институтов. / А.Н. Ремизов. М.: «Высшая школа», 1982. С.329-332.

33. Вalasubramanian R. Design of UCR and GCR Strategies to Reduce Moiré in Color Printing. R. Balasubramanian, R. Eschbach. -http ://www.imaging.org.