CC BY
29
УДК 004.915
B.В. Котов, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-02-19, vkotov@list.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
C.Н. Клещарь, (4872) 35-02-19, vkotov@list.ru (Россия, Тула, ФГУП «НИИ репрографии»)
О ПОВЫШЕНИИ ТОЧНОСТИ ТОНОПЕРЕДАЧИ В ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ГИБРИДНОГО МИКРОФИЛЬМИРОВАНИЯ
Предложен метод повышения точности передачи тонов и цветовых оттенков при создании микрофильмов гибридными системами. Приведены результаты экспериментальных исследований.
Ключевые слова: информационно-измерительная система, гибридное микрофильмирование, цветопередача.
Использование микрографических носителей, в сочетании с аналого-цифровыми технологиями микрофильмирования, представляет эффективное средство для долговременного хранения документации. Одним из подходов к сохранению цветной документации является разделение цветного изображения на отдельные цветовые каналы и вывод их в виде набора монохромных изображений на чёрно-белый микрофильм [1]. Использование чёрно-белых плёнок имеет ряд преимуществ по сравнению с цветными, начиная от большего срока гарантированного хранения и заканчивая меньшей стоимостью материалов и химико-фотографической обработки. Вместе с тем, при практической реализации метода требуются дополнительные меры по обеспечению точности цветопередачи.
Исходная (для задачи микрофильмирования) цифровая модель изображения документа получается путём сканирования его сканером документов. При этом особенностью рассматриваемой системы является то, что именно на этом этапе происходит разделение изображения на цветовые каналы. В дальнейшем каждый из каналов обрабатывается отдельно, как монохромное изображение, что позволяет свести задачу обеспечения точности цветопередачи к задаче обеспечения точности тонопередачи в пределах отдельного канала.
В рамках данной работы будем считать искажения цветопередачи, вносимые сканером с документов, пренебрежимо малыми. Это позволит рассматривать формируемую этим сканером исходную цифровую модель изображения как количественный эталон, к цветам которого необходимо стараться приблизить восстанавливаемое изображение. Аналогично исключаются из рассмотрения средства воспроизведения цифровых изображений на бумаге (принтеры/плоттеры и т.п.). В этом случае можно предложить формальный критерий качества восстанавливаемого изображения, формулируемый как функционал меры близости исходного и восстанов-
216
ленного с микрофильма цифровых изображений.
CIM-система (Computer Input Microfilm, сканер микрофильма). Будем считать, что светосигнальная характеристика CIM-системы является достаточно линейной и её ширина покрывает интервал яркостей, формируемых сканируемым микрофильмом. Это позволяет использовать CIM-сканер как эталонное измерительное средство, а все возникающие систематические искажения отнести к искажениям микрофильма.
COM-система (Computer Output Microfilm) и информационный слой микрофильма. В качестве основных искажений можно выделить:
— искажения тона, связанные с нелинейным характером светосигнальной характеристики плёнки. Основной вид искажений, коррекция которого, собственно и является предметом исследования данной работы;
— аддитивный шум, связанный с «зернистой» структурой изображения на микрофильме и, возможно, неравномерностями параметров информационного слоя по полю кадра микрофильма;
— неравномерность передачи тонов по пространству кадра.
Приведённые выше соображения позволяют сформулировать предложения по структуре тест-объекта для исследования методов коррекции цветового тона (уровня серого тона) (рис. 1).
Рис. 1. Вариант структуры тест-объекта
Тест-объект представляет собой белое поле с нанесённой контрастной сеткой из вертикальных и горизонтальных линий. Поскольку координаты линий априори известны, после вывода изображения тест-объекта на микрофильм и последующего сканирования можно сделать вывод о величинах геометрических искажений. Также с использованием подобной сетки можно оценить эффективность применения различных способов коррекции геометрических искажений. По периметру тест-объекта нанесена разметка из прямоугольников различной яркости (от максимально чёрного
до светло-серого). В качестве опорных уровней яркости предложены: 0, 64, 128, 192. Максимальный уровень яркости 255 используется при заполнении фона в центральной части тест-объекта.
Изменение уровня серого тона этих прямоугольников по периметру кадра при прохождении изображения по цепочке «COM-микрофильм-CIM» позволит оценить степень искажений серого тона, а также даст исходные данные для разработки методики коррекции неравномерности передачи тонов по пространству кадра.
Для анализа нелинейности светосигнальной характеристики полученное изображение было выведено на микрофильм COM-системой POLYCOM MICROBOX в виде набора последовательно расположенных кадров, после чего отсканировано с помощью рулонного сканера Eclipce. Анализ усреднённой яркости пикселей, соответствующих полям одинаковой яркости в исходном изображении тест-объекта позволил вычислить зависимость яркость на выходе цепочки «СОМ-микрофильм-CIM» от уровня яркости, подаваемого на вход. Усреднение проводилось по группам пикселей, относящимся к отдельной строке сетки, изображённой в центре тест-объекта; таким образом, по высоте кадра было вычислено 22 группы, приведённых в табл. 1.
Таблица 1
Усредненные значения уровней яркости
Ур-ни яркости исх. изобр-я 0 64 128 192 255
№ строки Уровни яркости на плёнке
1 22,2 116,4 161,8 179,3 187,0
2 20,1 110,7 158,2 176,0 185,0
3 19,7 107,3 156,3 174,5 184,0
4 19,6 107,5 156,6 175,1 185,0
5 19,7 104,9 156,3 175,5 186,0
6 19,9 105,7 157,6 178,1 188,0
7 20,0 106,6 158,2 179,3 190,0
8 20,1 106,4 160,0 181,0 192,0
9 20,0 106,0 157,5 179,9 191,0
10 20,1 106,6 159,0 180,4 192,0
11 20,1 107,1 158,2 180,5 192,0
12 20,0 106,8 158,5 179,6 191,0
13 20,0 105,3 155,7 176,6 187,0
14 20,2 107,7 158,5 179,1 189,0
15 20,2 111,2 161,6 181,3 192,0
Окончание табл. 1
Ур-ни ярко-
сти исх. 0 64 128 192 255
изобр-я
№ строки Уровни я ркости на плёнке
16 20,5 111,3 161,3 181,5 192,0
17 20,4 112,2 161,1 180,1 191,0
18 20,7 114,0 161,2 180,2 191,0
19 20,2 111,1 157,6 174,5 186,0
20 20,4 112,0 158,1 174,9 184,0
21 21,3 112,8 158,2 174,3 184,0
22 24,7 113,3 157,3 173,7 183,0
Ср. уровни яркости 20,5 109,2 158,6 178,0 188,3
Анализ внешнего вида зависимости, а также соображения относительно физической природы нелинейности позволяют предложить следующую структуру функции, описывающей связь яркости соответствующих пикселей входного и выходного изображений:
Р'(х,у)= с — аехр(- Ь ■ Р(х,у)), (1)
где а, Ь и с — некоторые коэффициенты, которые могут быть определены методом наименьших квадратов по фактически измеренным значениям яркости Р и Р'.
Функция (1) после вычисления значений коэффициентов может использоваться для моделирования искажений, вносимых цепочкой «СОМ-микрофильм-С1М». Для решения практической задачи коррекции искажений, вносимых оборудованием, необходимо использование обратной функции, позволяющей восстановить истинное значение яркости Р(х, у) по измеренному С1М-системой значению Р '(х, у):
с л
Р (х, у ):
Ь
а
— Р '(х, у )
(2)
Для вычисления коэффициентов а, Ь и с обозначим уровни яркости, используемые в тест-объекте для рисования служебного поля, как Рг, а соответствующие усреднённые уровни яркости, вычисленные по отсканированному с микрофильма изображению, — Р\ (табл. 2).
Таблица 2
Значения Р
г 1 2 3 4 5
Рг 0 64 128 192 255
Рг 20,5 109,2 158,6 178,0 188,3
с
Критерий качества аппроксимации данной таблицы, при использовании метода наименьших квадратов, определяющий оптимальные значения коэффициентов a, b и c, будет иметь вид
N 2
arg min ф(а, b, c) = £ (c - a exp(- b • Pj) - P/) . (3)
a, b, c j=i
Для аналитического вычисления искомых значений коэффициентов необходимо построить и решить систему уравнений из частных производных критерия Ф по a, b и c:
NN N
c £ exp(- bPj)- a £ exp(- 2bPr) - £ P/exp(- bPr) = 0;
j=1 i=1 i=1 N N N
< ac £ Pj exp(- bPj)- a2 £ Pr exp(- bPr)- a £ P{P, exp(- bPr) = 0; (4)
i=1 i=1 i=1
N N
cN - a £ exp(- bPi)- £ P/ = 0. i=1 i=1
На практике существенно проще выполнить оценку коэффициентов a, b и c численными методами, например, методом координатного спуска, минимизируя критерий (3):
1) выберем нулевое приближение (ao, bo, co );
2) найдем минимум функции одной переменной Ф^,bo,co), используя любой из способов поиска минимума функции от одного аргумента, включая полный перебор; пусть этот минимум оказался в точке
(ab % co);
3) аналогично найдём минимум функции одной переменной Ф^, b, co ); пусть этот минимум окажется в точке (a1, b1, co );
4) аналогично найдём минимум функции одной переменной ф(al, ¿1, c), который окажется в точке (a1, b1, c1).
5) будем повторять шаги 2-4, постепенно приближаясь к искомому минимуму, пока не окажется, что после очередной итерации перемещения по всем координатам не превышают некоторого порогового значения, т.е. |ai - ai-1 < £, \bi - bi-1 < £ и |ci - ci-1 < £.
Учитывая, что применяемые при реализации гибридного микрофильмирования, форматы графических файлов хранят значения яркостей по каждому цветовому каналу, используя диапазон o..255, можно с достаточной уверенностью прогнозировать, что искомый минимум критерия (3) лежит внутри области пространства значений коэффициентов a, b, c, ограниченной плоскостями:
o < a < 255; o,oo1 < b < o,1; 1oo < c < 255. (5)
Начальное приближение (а0,Ьо'со) может быть выбрано произвольно в пределах области (5).
Пользуясь приведённым выше методом для рассматриваемого случая были найдены оптимальные коэффициенты а - -179,3907, Ъ = -0,011111 и с = 199,4039 . Для указанных значений на рис. 2 показан результат аппроксимации (1) фактической светосигнальной характеристики, а также построена обратная функция (2), обеспечивающая коррекцию яркостей на отсканированном с микрофильма изображении.
Рис. 2. Результат аппроксимации светосигнальной характеристики
График показывает незначительное отклонение обратной функции (2) от идеальной прямой линии. Однако, по сравнению с исходной светосигнальной характеристикой линейность передачи яркостей в цепочке «СОМ-микрофильм-С1М» существенно улучшилась.
Описанные выше модели и методы позволяют окончательно сформулировать методику восстановления цветоделённых
микрофильмированных изображений, обеспечивающую улучшенную цветопередачу.
1. Подготовить изображение тест-объекта в соответствии со структурой, показанной на рис. 2.
2. Вывести изображение на микрофильм, выполнить его химико-
фотографическую обработку, отсканировать получившийся кадр.
3. Вычислить среднюю яркость каждой группы пикселей тест-объекта, соответствующих отдельному опорному уровню яркости (0, 64, 128, 192).
4. Рассчитать методом координатного спуска значения коэффициентов а,Ь, с, обеспечивающих минимум критерия (3).
5. Для выбранного изображения выполнить поэлементный расчёт скорректированного значения яркости, используя выражение (2) с найденными на шаге 4 значениями коэффициентов а, Ь, с.
На рис. 3 показано изображение тест-объекта до (рис. 3, а) и после (рис. 3, б) коррекции.
а б
Рис. 3. Пример обработки изображения тест-объекта
Изображение после коррекции имеет почти линейную шкалу яркостей плашек на служебном поле, и практически полностью использует диапазон возможных значений яркости.
Предложенная методика восстановления цветоделённой документации с улучшенной цветопередачей обеспечивает инструментальную точность при передаче цвета по технологической цепочке «СОМ-микрофильм-С1М». На основании этой методики разработано специальное программное обеспечение, реализующее синтез изображение тест-объекта для вывода через СОМ-систему на микрофильм, оценку неравномерность передачи яркости по пространству кадра тест-объекта и пост-коррекцию изображения.
Список литературы
1. Гаврилин А.П., Котов В.В. Технология гибридного аналого-
цифрового цветного микрофильмирования // Современные информационные технологии, методы и средства создания и использования Российского страхового фонда документации: материалы III Общероссийской научно-практической конференции. 14-15 ноября 2006 г. М.: Изд-во «Академия Естествознания», 2007. С. 129-141.
V.V. Kotov, S.N. Kleschar
IMPROVING THE ACCURACY OF TONE REPRODUCTION IN INFORMATION MEASURING SYSTEMS OF HYBRID MICROFILMING
A method of improving the accuracy of tone and color reproduction of microfilms formed by hybrid systems is offered. The results of experiments is described.
Key words: information-measuring system, hybrid microfilming, color reproduction.
Получено 07.03.12
УДК 621.833
В.В. Кулешов, канд. техн. наук., доц., (4872) 35-05-52, parents @tula. net (Россия, Тула, ТулГУ)
АЛГОРИТМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АНАЛОГОВОЙ ИНФОРМАЦИИ В ЦИФРОВОЙ КОД В ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ
Рассмотрены вопросы разработки алгоритма преобразования аналоговой информации в цифровой код. Получены зависимости позволяющие уменьшить величину апертурной ошибки.
Ключевые слова: апертурная ошибка, компаратор, управляющее устройство, цифровой код, уровень разряда, микро и макроуровни.
Точность работы измерительных систем механических величин (акселерометров, датчиков угловой скорости) определяется точностью работы интегрирующих аналоговых усилителей и порогового элемента. Кроме того, точность измерения механических величин зависит от параметров схемы электронного ключа, осуществляющего выборку информации. Основная погрешность измерения связана с конечностью времени заряда конденсатора интегрирующего усилителя, которая приводит к апертурной ошибке, свойственной схеме выборки и обработки информации [1,2].
Целью данной работы является разработка алгоритма преобразова-
