Параметры изображений и параметры средств отображения
Лекция 2
Параметры и качество изображений
Из множества известных параметров рассмотрим для начала некоторый минимум, пригодный для оценок в репродукционном процессе. Условно разделим их на локальные, характеризующие отдельно взятую точку изображения, и общие, или «глобальные», т. е. относящиеся к нему в целом.
Локальные параметры
Большей частью изображения являются репликами зрительно воспринимаемого окружающего реального мира, трехмерного и полихромного. Каждая его точка характеризуется шестью параметрами:
- х, у, z - координаты в пространстве;
- В - яркость;
- λ - цветовой тон;
- р — чистота цвета.
Плоскому цветному изображению соответствуют пять из этих параметров - х, у, В, λ , р, а черно-белому лишь три - х, у, В.
Яркость - интенсивность излучения (отражения) некоторой точки рассматриваемого объекта. Воздействуя на зрение, она вызывает ощущение светлоты, которая служит как бы мерой зрительного ощущения яркости. Именно со светлотой как с относительной, субъективной яркостью приходится иметь дело наблюдателю, поскольку одна и та же яркость с учетом тех или иных побочных факторов может ощущаться по-разному. На это влияют яркость фона, на котором рассматривается объект (Рис. 2.1), время адаптации (привыкания) к яркости этого фона и другие причины. Например, не возбуждаемые сигналом участки экрана включенного монитора вызывают ощущение черного. Когда же он выключен, те же участки, как и весь экран, находясь в том же физическом состоянии, т. е. имея ту же яркость, выглядят светлее. Благодаря относительному характеру восприятия яркости цветок оказывается белым не только в саду, но и в помещении, где его яркость в тысячи раз меньше, но в поле зрения отсутствуют какие-либо другие более светлые предметы. Поэтому в выражении, принятом Международной комиссией по освещению ( МКО),
|
|
|
| 2 .1 |
для оценки светлоты L в колориметрической системе Lab МКО наряду с яркостной компонентой Y исходной цветовой системы XYZ учитывается так называемая яркость опорного «белого» Yn, светлота которого согласно тому же выражению равна 100 единицам.
Рис. 2.1 Серое пятно одной и той же яркости (Y1 = Y2) выглядит заметно темнее на светлом фоне (Yоп2), чем на темном (Yоп1), отличаясь по своей светлоте (L1 › L2)
Яркость - количественная характеристика цвета. Его «качество» определяет цветность, совокупно выражаемая такими параметрами, как цветовой тон, чистота цвета и его насыщенность. Цветовой тон однозначно характеризуют длиной волны в видимом диапазоне электромагнитных колебаний (380-720 нм). В отличие от других атрибутов цвета эта величина абсолютная, т. е. оцениваемая безотносительно к какому-либо опорному значению. Однако цветовой тон может быть в большей или меньшей степени выраженным: от едва заметного цветового оттенка в нейтральном, сером цвете до полного отсутствия серой (ахроматической) составляющей, когда цвет считается спектрально чистым.
Чистота цвета описывает выраженность цветового тона по отношению к яркости образца. Для объемного ровно окрашенного предмета цветовой тон выражен, например, сильнее на его более освещенных участках. Насыщенность характеризует выраженность цвета по отношению к белому образцу той же светлоты. Для образца заданного цветового тона и яркости понятия чистоты цвета и насыщенности эквивалентны.
Энергетическая яркость оценивается безотносительно к спектральному составу мощностью излучения в микроваттах энергии, поступающей с единичной площади объекта в единичном телесном угле. Световая яркость нормируется по так называемой кривой видности - спектральной характеристике чувствительности глаза, представленной на рис. 2.2. Она показывает, что равные по энергии излучения видимых электромагнитных колебаний разных длин волн вызывают весьма неодинаковые ощущения яркости. Наименьшая мощность или максимум спектральной чувствительности, как видно из графика, приходится на средневолновую, зеленую область.
|
|
|
|
| Рис. 2.2 Характеристика относительной спектральной чувствительности зрения (кривая видности), используемая для перевода энергетических фотометрических единиц в световые |
Световую яркость удобно использовать для описания самосветящихся объектов, например телевизионных изображений, поскольку она характеризует их, хотя и субъективно, но вполне однозначно. Этого нельзя сказать, однако, о копиях, выполненных на подложке и воспринимаемых в отраженном или проходящем свете внешних источников, где светлота каждой точки определяется не только ее свойствами, но и его освещенностью. Однозначно, т. е. вне зависимости от интенсивности освещения, точки несамосветящихся непрозрачных изображений характеризуют коэффициентами отражения ρху, а для изображений, рассматриваемых в проходящем свете, - слайдов (диапозитивов или негативов) применяют коэффициенты пропускания τху. И, тем не менее, прямое использование этих показателей неудобно из-за того, что они не согласуются с визуальной оценкой. Ступенчатая тоновая шкала (см. рис. 2.3 а), в которой соседние поля одинаково отличаются по отражению (Δρ = ρк+1 - ρк = const), выглядит очень неравномерной (неравноконтрастной), поскольку в относительно широком диапазоне раздражений (в нашем случае яркостей) ощущение (в данном случае светлота) пропорционально не абсолютной, а относительной величине раздражения. В указанной связи для оценки физических параметров, так или иначе воздействующих на органы чувств человека, используют логарифмические или другие единицы, получаемые в результате существенно нелинейного преобразования типа 2.1. С примерно одинаковыми различиями, выглядит в более широком диапазоне тоновая шкала (см. рис. 2.3 б), поля которой отличаются на одну и ту же величину оптической плотности - отрицательного десятичного логарифма коэффициента отражения (пропускания):
|
|
|
|
|
|
| 2 .2 |
Такой, равноконтрастной шкале соответствует условие ΔD = D к+1 - D к = const.
Рис. 2.3 Неравномерная (а) и более равноконтрастная (б) ступенчатые тоновые шкалы
Оптическая плотность равна 0, 1, 2 или 3 и т. д., если отражается (проходит) соответственно весь свет, его десятая, сотая или тысячная часть.
В разном контексте для описания точки даже однокрасочного (монохромного) изображения приходится, в итоге, использовать некоторую совокупность параметров, имеющих различные свойства. Эти различия для четырех рассмотренных выше параметров по двум таким свойствам сведены в табл. 2.1.
Табл. 2.1 Некоторые свойства параметров, описывающих тон элемента монохромного несамосветящегося изображения
| Свойство Параметр | однозначно характеризует? (не зависит от освещения?) | увязан с восприятием? |
| яркость, Y | нет | нет |
| светлота, L = 116 (Y/Yоп)1/3 –16 | нет | да |
| коэффициент отражения, ρ | да | нет |
| оптическая плотность, D = – lg ρ | да | да |
Для цветного изображения число таких параметров практически утраивается с добавлением еще двух атрибутов цвета – цветового тона и чистоты цвета. Стандартные определения этим параметрам можно найти в многоязычном светотехническом словаре МКО.
Общие характеристики
Одним из важных исходных параметров, на основе которых устанавливается режим репродуцирования, служит интервал (разность) оптических плотностей
| 2 .3 |
на оригинале или на копии.
Соотношение светлот на изображении в целом или на его отдельных участках характеризуют также контрастом - отношением коэффициентов отражения. Светлота отдельной детали может быть большей или меньшей в зависимости от средней яркости изображения, его предельных яркостей или яркости локального фона, т. е. участка, непосредственно прилегающего к данной детали. Поэтому, если общий контраст изображения оценивают как
| 2 .4 |
то встречаются и такие интерпретации этого параметра, как локальный контраст:
| 2 .5 |
или детальный контраст:
| 2 .6 |
когда коэффициенты отражения данной точки ρх, у или детали ρдет относят к отражению прилегающего участка ρx+Δх, y+Δу или к его минимальному для данного изображения значению ρmin.
С учетом (2.2) интервал плотностей равен логарифму общего контраста:
Δ D = lg K 2 .7
Тем не менее, все эти формальные количественные характеристики далеко не достаточны для однозначной оценки так называемого кажущегося, или визуального контраста как впечатления, возникающего у наблюдателя при рассматривании изображения. Известно, например, что репродукция кажется более контрастной, а цвета ее более насыщенными, если повышен такой описываемый ниже параметр, как резкость. Кроме того, при одном и том же значении контраста К или интервала ΔD репродукция, в зависимости от ее градационного содержания, может выглядеть контрастной или, наоборот, блеклой. В первом случае гистограмма встречаемости значений тона укажет в компьютерной программе на большое количество элементов, имеющих в изображении значения, близкие к экстремальным. Во втором варианте предельных значений в гистограмме меньше, а преобладают некоторые средние.
Изменить кажущийся контраст, не затрагивая предельных значений тона, но перераспределяя другие внутри интервала, позволяют рассматриваемые далее процедуры градационной коррекции.
Следующим важным параметром является четкость изображения, характеризующая качество воспроизведения на нем мелких деталей и контуров. В телевидении ее однозначно оценивают числом элементов разложения или числом темных и светлых деталей минимального размера, которые могут быть размещены в кадре в шахматном порядке. В этой трактовке четкость определяют как
 ,
| 2 .8 |
где k - коэффициент формата кадра, a z - число строк в данном стандарте разложения. При этом предполагается, что размер элемента изображения в направлении строки равен ее ширине. При k = 4/3, a z = 625 строкам, соответствующим отечественному вещательному стандарту, четкость близка половине миллиона элементов.
Как информационная характеристика она определяет, например, объем накопителя, необходимый для хранения массива видеоданных без их сжатия
| 2 .9 |
где М — число возможных яркостей отдельного элемента.
Объем сигнала растет с увеличением числа N элементов разложения и числа М уровней квантования диапазона яркостей. В цифровых телевизионных и репродукционных системах это число принято равным 256. Поскольку оно может быть выражено комбинацией восьми нулей и единиц, объем сигнала в кадре оказывается равен N байтам.
Оцениваемый таким образом объем определяется стандартом ТВ разложения на строки и элементы, а также разрядностью кодирования и не зависит от размера экрана. В отличие от телевидения информационная емкость печатной копии, а в изложенной трактовке и четкость изображения, зависят еще и от его размеров. Четкость растровой репродукции можно оценить как
| 2 .10 |
где а и b – ее размеры по горизонтали и вертикали, a L - линиатура растра -количество запечатанных элементов на линейном сантиметре. Оценивая для сравнения с ТВ-кадром однокрасочный оттиск формата A3 (а = 30 см, b = 40 см) с линиатурой 60 лин/см, получим на порядок большую четкость - 4,3 млн. элементов и объем файла, порядка 4,3 Мб. Свойство параметра четкость в отношении информативности печатной копии подтверждается на практике еще и тем, что рекламные площади в изданиях продаются в у.е. за см2.
Если четкость характеризует размеры минимальных воспроизводимых деталей, то резкость определяет качество передачи границ деталей независимо от их размера. Однако четкость и резкость - взаимосвязанные параметры. Чем выше четкость, тем более резко изображение.
В фотографии резкость определяется главным образом разрешающей способностью объективов, эмульсий, структурой чувствительных матриц, рассеянием света в различных оптических компонентах и другими подобными факторами. Ее оценивают здесь обратной величиной зоны размытости (Рис. 2.5) контура, края:
| 2.11 |
Рис. 2.5 Изменение тона на реальном контуре
В системах со сканированием изображений, например в телевидении и цифровой фотографии, резкость можно оценивать и безразмерным отношением величин элемента разложения (апертуры) и зоны размытости:
| 2 .12 |
с учетом того, что данный параметр ограничивается здесь, прежде всего, конечным размером этого считывающего пятна. Подобную оценку можно распространить и на автотипные (растровые) изображения, приняв в качестве элемента разложения растровую ячейку, а в системах электронного репродуцирования - считывающее пятно.
параметры изображений и параметры средств отображения
Поскольку рассмотренные выше величины характеризуют само изображение, их иногда условно относят к так называемым параметрам первого рода. Параметрами же второго рода служат те характеристики технической системы, технологического процесса или их отдельных звеньев, которые обеспечивают тот или иной параметр первого рода - показатель качества изображения.
Так, яркости или коэффициенту отражения оригинала соответствует амплитуда сигнала на выходе фотоэлектрического преобразователя в считывающем устройстве или уровень квантования этого сигнала в цифровой системе.
Оптической плотности соответствует значение сигнала, прошедшего нелинейный преобразователь - логарифматор.
Интервал плотностей и контраст изображения определяются динамическим диапазоном видеосигнала или разрядностью его цифрового кодирования.
За четкость изображения отвечает разрешающая способность системы, за резкость - ее переходная характеристика, а за тонопередачу и градационное содержание - градационная (амплитудная) характеристика процесса (устройства).
Подобное разграничение помогает грамотно применять термины. Некорректно звучат, например, такие словосочетания, как «разрешающая способность изображения» или «градационная характеристика изображения», если только под «изображением» не подразумевается некий процесс или канал.
Дата добавления: 2020-11-23; просмотров: 298; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!