Теоретическое обоснование.

Исследование процесса преобразования параметров полутонового оригинала в параметры растровой репродукции.

Продолжительность - 8 часа

Цель работы

Изучение процессов трансформации оптических параметров оригинала в параметры растрового оттиска на этапах электрооптического анализа, аналого–цифрового преобразования, функциональных преобразований дискретного массива отсчетов оптического параметра, растрового синтеза изображений и методов коррекции его искажений.

Теоретическое обоснование.

2.1. Пространственная дискретизация изображений

Характерной особенностью современных систем обработки полутоновых оригиналов в полиграфии является то, что пространственная дискретизация изображения оригинала и квантование его оптического параметра по уровню, осуществляются в них по крайней мере два раза.

Пространственная дискретизация — замена изображения, оптический параметр которого произвольно изменяется в координатах Х и У, изображением, составленным из отдельных участков — зон, в пределах которых оптический параметр усреднен.

Под квантованием понимают замену непрерывного диапазона значений оптического параметра отдельных зон тем или иным рядом дискретных значений — шкалой квантования.

Как минимум одномерная (по одной из координат) дискретизация изображений сопутствует процессу электрооптического анализа. В аналоговых репродукционных системах и в телевидении оптический параметр, являющийся функцией пространственных координат оригинала или передаваемой сцены, преобразуется в амплитуду электрического сигнала (видеосигнала), изменяющегося на выходе ФЭП во времени при построчном считывании (сканировании).

Спектр пространственных частот изображения в направлении, поперечном направлению строчной развертки, ограничивается частотой разложения изображения на строки. Вдоль строк этот спектр ограничен в силу конечных размеров сканирующего пятна (апертуры) частотой, обратной величине этого пятна [1]. Второй причиной ограничения спектра частот и дискрети­зации изображения в этом, втором направлении, является модуляция видеосигналом ампли­туд, фаз или частот дополнительного электромагнитного колебания — несущей частоты, для передачи сигнала, например, в телевидении или в дистанционном (с использованием электри­ческих каналов связи) репродуцировании [З].

Двухмерная (по обеим координатам) дискретизация и квантование имеют место при, так называемом, аналогово-цифровом преобразовании видеосигнала, в результате которого вся совокупность пространственных отсчетов оптического параметра может быть представлена в виде некоторого массива чисел, записанных, например, в двоичном коде. Такое представление оригинала позволяет отвлечься от времени реального сканирования и производить функциональные преобразования тона, цвета, мелких деталей, контуров и другого содержания изображения как операции над числами, представленными в этом массиве. Для выполнения таких преобразований ныне широко используют персональные ЭВМ.

Вторично пространственная дискретизация имеет место при растрировании изображения — представлении его в виде совокупности запечатанных и пробельных элементов, относительная площадь которых определяется тоном и цветом соответствующих участков оригинала. Частоту установки элементов в этом, т. н. автотипном способе, называют линиатурой (лин/см).

В общем случае пространственная частота первой дискретизации, связанной электрооптическим анализом и аналогово­‑цифровым преобразованием, должна, как минимум, в два раза превышать линиатуру растра, а точнее, частоту растровой функции, внутри периода которой формируется то или иное количество растровых точек и пробелов.

2.2. Квантование оптического параметра изображения

Динамический диапазон напряжения видеосигнала, полученного с ФЭП, и являющегося, например; аналогом коэффициента отражения, усредненного по площади считывающего ори­гинал пятна, в процессе аналогово-цифрового преобразования разбивают на дискреты. Число дискрет определяется выбранной шкалой квантования, разрядностью цифрового кода. В АЦП аппаратуры Магнаскен 640, например, аналоговый сигнал преобразуют в 12-ти разрядный двоичный код по шкале квантования, имеющий 4096 уровней. На выходе логарифмирующего блока формируют 8-ми разрядный, как бы равноконтрастный, сигнал, имеющий 256 возможных значений, пропорциональных оптическим плотностям оригинала. Такой запас по числу уровней на входе логарифматора используется для того, чтобы на самых крутых, с большим градиентом участках характеристики передачи амплитуды каждому выходному значению соответствовало хотя бы одно входное значение.

Восьмиразрядная шкала выходных значений считается на сегодняшний день достаточной как для телевизионных, так и для полиграфических систем. Заметные для наблюдателя т. н. шумы квантования отсутствуют. В ином случае они проявляются на протяженных участках изображения в виде ложных контуров, проходящих в направлении, перпендикулярном направлению плавного изменения тона на оригинале.

Так же как и пространственная дискретизация, квантование оптического параметра оригинала в полиграфической системе имеет место два раза. Второе квантование обусловлено формированием растровых точек из дискретного набора субэлементов, представлением пространственного периода растровой функции двухмерной матрицей.

В аналоговых системах, будь то полутоновые изображения — оптические аналоги (реплики) зрительно воспринимаемого окружающего мира или электрические непрерывные сигналы, представляющие эти изображения, и т. п., информация ограничена присутствием шумов. Если отвлечься от наличия шумов в этих сигналах, то можно заметить, что бесконечно малому приращению аргумента соответствует бесконечно малое изменение функции, и приходится иметь дело как бы с бесконечным объемом информации, что, конечно, не имеет технического смысла.

Поэтому, в самом общем виде задача пространственной дискретизации и квантования изображений по уровню тона сводится к ограничению объема информации оригинала, приведению ее к технически приемлемому уровню. Этот уровень определяется, в свою очередь, требованиями достижения заданного уровня качества копий, воспроизводимых в репродукционном процессе, при передаче изображений по электрическим каналам связи и т.п.

2.3. Растровая функция

Растровая функция — двухмерное периодическое распределение весовых значений субэлементов, образующих на копии растровые точки — печатные и пробельные элементы. Весовые значения субэлементов выражают в шкале квантования или размерности оптического параметра, т. е. в той же шкале, что и видеосигнал.

Размер матрицы определяет шкалу второго квантования. В силу целого ряда причин, о которых речь пойдет ниже, эта шкала, в общем случае, не оказывается линейной в отношении любого из упомянутых представлений оптического параметра.

Связь между значениями 8-ми разрядного равноконтрастного (пропорционального оптическим плотностям) сигнала и количеством субэлементов, образующих растровую точку, также нелинейна. Неравноконтрастна, в свою очередь, и ступенчатая тоновая шкала, образованная растровыми точками, отличающимися на одинаковое количество субэлементов. Эта же ступенчатая шкала оказывается нелинейной в отношении коэффициентов отражения (поглощения). Причина нелинейной этой связи усугубляется с уменьшением абсолютных размеров субэлементов при увеличении размерности матрицы. Размер матрицы или число субэлементов в ней должны существенно превышать число уровней первого квантования оптического параметра. В современных полиграфических системах размеры матриц, задающих растровую функцию, достигают 24х24 или даже 30х30 элементов при размерах самих субэлементов в несколько микрон. Поэтому при масштабе репродуцирования 100% разрешающая способ­ность выводных устройств оказывается существенно большей, чем в устройствах ввода, до­стигая нескольких сот линий на миллиметр.

По своим величинам весовые значения могут группироваться внутри матрицы различным образом, образуя один или несколько т. н. кластеров. В первом случае, весовые значения могут монотонно изменяться от центра к периферии матрицы в виде “горки” (рис. 1) или “воронки” весовых значений, обеспечивая в ее центре образование одной растровой точки или одного пробела.

а)

б)

Рисунок 1 – Растровая функция, заданная распределением весовых значений субэлементов в периоде растра (а), и ее трехмерная модель «горка» (б)

Растровая структура одной и той же геометрии может быть задана различными типами распределения весовых значений в матрице. Переход от одной структуры к другой соответствует фазовому сдвигу растровой функции на половину ее периода по обеим координатам.

В других вариантах число кластеров может быть большим, а линиатура формируемого растрового изображения, в общем случае, не обязательно оказывается равной пространственной частоте растровой функции.

Распределение весовых значений однозначно задает форму печатающих элементов и пробелов — алфавит растровых точек. При формировании алфавита в матрице ограниченного размера необходимо учитывать целый ряд технологических факторов с тем, чтобы обеспечить наибольшее количество равноконтрастных градаций. Зависимость, связывающая количество субэлементов, образующих растровую точку и значения (уровень квантования) равноконтрастного видеосигнала, отрабатывается при создании аппаратуры или программы растрового синтеза с учетом способа печати и печатного оборудования, специфики получения промежуточных копий (запись растровых фотоформ, электрографическое получение оригиналов-макетов в лазерном принтере и т.д.).

Форма растровых точек и пробелов должна обеспечивать однозначное отображение их площади на фотоформе, стабильную передачу их площади (тона и цвета будущего изображения) с фотоформы на печатную форму при копировании и с формы на бумагу в тираже с минимальными искажениями из–за растискивания краски или износа печатной формы.

Этим требованиям лучшим образом отвечают элементы, имеющие минимальный для заданной площади периметр. Перейти от круглых печатающих элементов в светах к круглым пробелам в тенях по мере плавного нарастания тона не удается. Поэтому большинство автотипных изображений в средних тонах с относительной площадью элементов близкой к 50% имеют шахматную структуру или форму эллептического растра. В последнем случае смыкание соседних печатных элементов происходит сначала (S=45%) в одном направлении, а затем (S=55%) – в другом. Скачок тона, сопутствующий смыканию точек, разбивается на два и становится менее заметным.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: