Общие положения. Классификация типов изображений.

Цифровое изображение представляет собой прямоугольную таблицу точек, или элементов изображения, расположенных в “m” строках и “n” столбцах. Выражение mxn называется разрешением изображения. Точки изображения называются пикселями.

Для целей сжатия графических образов удобно выделить следующие типы изображений.

1.1 Двухуровневое (или монохроматическое) изображение. В этом случае все пиксели могут иметь только два значения (черное и белое). Каждый пиксель такого изображения представлен одним битом. Это самый простой тип изображения.

1.2 Полутоновое изображение. Каждый пиксель такого изображения может иметь значений от 0 до , обозначающих одну из градаций серого (или иного) цвета. Число “n” обычно сравнимо с размером байта, т.е. оно равно 4, 8, 16, 24 или другое кратное 4 или 8. Множество самых значимых битов всех пикселей образуют самую значимую битовую плоскость или слой изображения.

Итак, полутоновое изображение со шкалой из уровней составлено из n битовых слоев.

1.3 Цветное изображение. В задании цвета участвуют три параметра. Следовательно, цветной пиксель состоит из трех частей. Обычно цветной пиксель состоит из трех байтов. Типичной цветовой моделью является модель RGB.

1.4 Изображение с непрерывным тоном.Этот тип изображений может иметь много похожих цветов (или полутонов). Когда соседние пиксели отличаются всего на единицу, глазу практически невозможно различать их цвета. В результате такие изображения могут содержать области, в которых цвет кажется глазу непрерывно меняющимся. В этом случае пиксель представляется или большим числом (в полутоновом случае) или тремя компонентами (в случае цветного образа).

1.5 Дискретно-тоновое изображение (синтетическое).Обычно, это изображение получается искусственным путем. В нем может быть всего несколько цветов или много цветов, но в нем нет шумов и пятен естественного изображения. Примером таких изображений могут служить фотографии искусственных объектов, машин или механизмов, страницы текста, карты, рисунки или изображения на дисплее компьютера.

Не каждое искусственное изображение будет обязательно дискретно-тоновым. Компьютерное изображение, которое должно выглядеть натуральным, будет иметь непрерывные тона, несмотря на свое искусственное происхождение.

Искусственные объекты, тексты, нарисованные линии имеют форму, хорошо определяемые границы. Они сильно контрастируют на фоне остальной части изображений (фона). Прилегающие пиксели дискретно-тонового образа часто бывают одиночными или сильно меняют свои значения. Такие изображения плохо сжимаются методами с потерей данных, поскольку искажение всего нескольких пикселей буквы делают ее неразборчивой, преобразует привычное начертание в совершенно неразлиимое. Дискретно-тоновые изображения несут в себе большую избыточность. Многие ее фрагменты повторяются много раз в разных местах изображения.

1.6 Изображения, подобные мультфильмам. Это цветные изображения, в которых присутствуют большие области одного цвета. При этом соприкасающиеся области могут весьма различаться по своему цвету. Это свойство можно использовать для достижения лучшей компрессии.

Ясно, что каждому типу изображения присуща определенная избыточность, но все они избыточны по-разному. Поэтому трудно создать один метод, который одинаково хорошо сжимает любые типы изображения.

Порядок выполнения работы

2.1 Открыть файлы черно-белых и цветных изображений в пакете “Heurisko”. Выбрать и проанализировать 1 – 2 изображения по каждому стандартному типу.

2.2 Открыть файлы изображений в пакете “Colorimetrie”. Выбрать и проанализировать 1 – 2 изображения по каждому стандартному типу.

Содержание отчета.

Изображения по пунктам 2.1 и 2.2 с описанием основных отличительных признаков.

Источники:

1. Ж. Годен «Колориметрия при видеообработке». М, Техносфера, 2008. -328с.

2. Б. Яне «Цифровая обработка изображений». М, Техносфера, 2007. – 584с.

Лабораторная работа № 3

Тема: исследование влияния спектральных характеристик зрительной системы и тракта передачи на качество изображений.

Цель: дать качественную и количественную оценку качества изображений различных объектов при изменении ширины спектра его изображения.

Оборудование: ПК, программный пакет Heurisko.

Общие положения

Процесс получения и формирования изображения объекта в зрительной системе человека сопровождается этапами:

- формирования изображения объекта путем получения отраженного светового потока излучения;

- выделения при приеме светового потока полос спектров (красный, зеленый, голубой) с помощью рецепторов;

- обработка их с целью получения изображения в зрительной системе (рис 1).

рис.1. – структура этапов формирования образа объекта в зрительной системе

О – источник освещения со световым потоком Ф’е и его энергией W;

Фе – отраженный энергетический световой поток объекта;

Р – рецепторы глаза, выделяющие цвета R, G, B;

Ф – световой поток в зрительной системе ( физиологический аспект);

СР – среда распространения светового потока.

Поскольку любой материальный объект характеризуется определенным набором параметров (габаритами, вещественным и структурным составом, механическими характеристиками, цветом и др.), то изображение этого объекта определяется взаимодействием потоков излучения с веществом объекта, характеризуемого набором оптических параметров (излучающей, отражающей и поглощающей способностью материалов).

В зависимости от вида объекта и его свойств, изображения объектов могут быть динамическими и статическими, объемными и плоскими, цветными, ахроматическими и монохроматическими, непрерывными и дискретными. Изображение образует пространственное распределение энергетической освещенности на плоскости сетчатки глаза, экрана и т.д.

Оптическое излучение объекта – это электромагнитное излучение с длинами волн от 1нм до 1 мм.

Излучение объекта характеризуется спектральной световой эффективностью (видностью излучения) , равной отношению светового потока A к потоку энергии излучений Фе, создающему этот световой поток, т.е.

 [Лм/Вт] – поток энергии монохроматических излучений 1 Вт создает световой поток 1 Лм. 

В этой формуле поток энергии Фе характеризует свет как физическое явление, а световой поток A – как физиологическое явление. Величина Фе показывает, какое количество энергии проходит через некоторую поверхность в единицу времени, а A определяет ощущение, которое вызывает эта энергия в органе зрения человека.

Световая энергия Ф, излучаемая объектом, равна произведению энергии излучения W на спектральную световую эффективность.

имеет размерность [Лм*с] и является функцией длины волны света.

Таким образом, объект характеризуется излучением набора электромагнитных волн и амплитуд, т.е. спектром.

Зрительная система человека реагирует только на электромагнитные излучения, имеющие длины волн в диапазоне 360-800 нм.

Кривая видности зрения представлена в таблице 1.

Табл.1 со значениями от МКО 1980г. спектральной световой эффективности  для                                                                              фотопического зрения.

[нм]		[нм]		[нм]		[нм]		[нм]		[нм]
380	0,00004	450	0,038	520	0,71	590	0,757	660	0,061	730	0,00052
390	0,00012	460	0,060	530	0,862	600	0,631	670	0,032	740	0,00025
400	0,0004	470	0,091	540	0,954	610	0,503	680	0,017	750	0,00012
410	0,0012	480	0,139	550	0,995	620	0,381	690	0,0082	760	0,00006
420	0,0040	490	0,208	560	0,995	630	0,265	700	0,0041	770	0,00003
430	0,0116	500	0,323	570	0,992	640	0,175	710	0,0021	780	0,000015
440	0,023	510	0,503	580	0,87	650	0,107	720	0,00105

Вычисление параметров с учетом кривой видимости  осуществляется по зависимости:

Так как излучение определяется спектральной характеристикой, то оценка параметра излучения – яркости – может быть определена по суммарной мощности излучений спектральных составляющих по вышеприведенной формуле.

Три различных типа фотопигментов в колбочках сетчатки глаз делают их чувствительными к различным спектральным диапазонам и таким образом обеспечивают цветовое зрение.

Исходя из спектрального представления, цветовое зрение человека может рассматриваться как смесь сигналов по полосам с максимальными значениями чувствительности при 455,535 и 575 нм соответственно.

Исходя из совместимости полос спектров изображения объекта и зрительной системы человека, ширина спектра изображения ограничивается полосой 360-800 нм с выделением отдельных полос для передачи цвета.

Если излучение каждого элемента объекта воспроизводимого изображения как по спектральному составу, так и по энергии одинаково с исходным с точностью, определяемой флуктуациями излучения, воспроизведение называют физически точным.

В условиях наблюдения изображения глазом стремятся к физиологически точному воспроизведению, когда визуально не обнаруживаются различия между изображением и оригиналом.

Реальные отличия изображения и оригинала могут находиться в пределах пороговых характеристик глаза по яркости, цветности и другим параметрам.

                      2. Описание структуры файла обработки спектра изображения.

      Структура регулирующей программы представлена на рис. 2.

  Рис 2 . Структура программы регулирования спектральных характеристик изображения

Фе – световой поток излучения;

Qk – спектральная составляющая излучения изображения;

ИШ – измерительная шкала.

Вызов объекта изображения производится из главного меню путем обращения к опции вызова папок с видами изображений и последующего выбора файла с изображением. По меню «инспектора» , вызывается «спектр изображения» и «регулятор» изменения волнового числа (частоты) верхней Кв и нижней Кн границы диапазона. Значения Кв и Кн контролируются по соответствующим шкалам. Для черно-белых изображений спектр представляется в красном цвете, для цветных – в виде трех основных цветов (красного, зеленого, синего). Так как спектры основных цветов накладываются друг на друга, то появляется дополнительные цвета в результате суммирования основных цветов:

Синий + зеленый = голубой;

Зеленый +красный = желтый;

Зеленый +красный + синий = белый;

Синий + красный = малиновый.

Данные цвета располагаются в диапазонах кривой видности (табл.2)

Табл 2 – расположение цветов по спектру.

Дл. волны , нм	Цвет	Дл. волны , нм	Цвет
780 - 605	Красный	500 - 470	Голубой
605 - 590	Оранжевый	470 - 430	Синий
590 - 560	Желтый	430 - 380	Фиолетовый
560 - 500	Зеленый

Изменение границ волновых чисел Кн и Кв приводит к изменению яркости изображения.

Порядок выполнения работы

3.1. По указанию преподавателя выбрать типы изображений для исследования.

в3.2. Вызвать из программы изображение, его начальный спектр.

о3.3. Определить мощность излучения изображения по спектральной характеристике Qmax

и3.4. Изменяя величину Кв в сторону уменьшения определять соответствующие значения текущих мощностей излучения Qт:

а также качественное изменение изображения.

3.5. Повторить операции пункта 3.4, но с изменением величины Кн.

3.6. Повторить п. 3.2-3.5 для всех изображений.

Примечание: для цветных изображений считать:

Содержание отчета.

4.1. Исследуемые изображения.

4.2. Зависимости для каждого из изображений значения Qmax, относительные зависимости

4.3. качественные характеристики изображений при изменении волнового числа.

4.4. выводы

В выводах дать оценку спектров различных изображений, диапазоны допустимых значений волновых чисел по принятому критерию качества.

Литература:

Б. Яне «Цифровая обработка изображений» - Техносфера, М.:2007.-584с.

Лабораторная работа №4