Научная статья на тему 'Управление яркостью в компьютерной графике: нелинейный аспект'

Управление яркостью в компьютерной графике: нелинейный аспект Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
296
21
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
NONLINEAR BRIGHTNESS CONTROL / BRIGHTNESS CONTRAST / COLOUR HUE AND SATURATION / GRAPHIC INFORMATION INTEGRITY / ARTIFACTS / НЕЛИНЕЙНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЯРКОСТЬЮ / КОНТРАСТ ЯРКОСТЕЙ / ОТТЕНОК И НАСЫЩЕННОСТЬ ЦВЕТА / ЦЕЛОСТНОСТЬ ИЗОБРАЗИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ / АРТЕФАКТЫ

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Рвачёва О. В., Чмутин А. М.

В работе изучается способность инструмента ряда графических пакетов изменять яркостный контраст изображений. Параллельно исследуются воздействие этого инструмента на оттенок и насыщенность формирующих изображение пикселей. Показано, что для целей информативного управления яркостным контрастом инструмент в целом малопригоден, поскольку в ряде пакетов он не может обеспечить прирост яркостного контраста, в других не сохраняет оттенок и во всех искажает насыщенность, что чревато потерей переносимой контрастами насыщенности изобразительной информации. Рассматриваются и обсуждаются соответствующие артефакты.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Brightness control in computer graphics: nonlinear aspect

The ability to change brightness contrast of images with the help of some graphic packages’ tool is studied. In parallel the influence of this tool on hue and saturation of forming the image pixels is investigated. It is shown that tool as a whole is of little use for brightness contrast informative control, because in a number of packages it cannot provide brightness contrast gain, in others does not keep hue and in all deforms a saturation that threatens with loss of the graphic information transferred by saturation contrasts. Corresponding artifacts are considered and discussed.

Текст научной работы на тему «Управление яркостью в компьютерной графике: нелинейный аспект»

Управление яркостью в компьютерной графике: нелинейный аспект

1 2 О.В. Рвачёва , А.М. Чмутин

1 Волгоградский государственный медицинский университет, 2Волгоградский государственный университет

2

Аннотация: В работе изучается способность инструмента <Brightness> ряда графических пакетов изменять яркостный контраст изображений. Параллельно исследуются воздействие этого инструмента на оттенок и насыщенность формирующих изображение пикселей. Показано, что для целей информативного управления яркостным контрастом инструмент <Brightness> в целом малопригоден, поскольку в ряде пакетов он не может обеспечить прирост яркостного контраста, в других - не сохраняет оттенок и во всех -искажает насыщенность, что чревато потерей переносимой контрастами насыщенности изобразительной информации. Рассматриваются и обсуждаются соответствующие артефакты.

Ключевые слова: нелинейное управление яркостью, контраст яркостей, оттенок и насыщенность цвета, целостность изобразительной информации, артефакты.

Настоящее сообщение - это попытка завершить обзор программных средств управления яркостью цифровых изображений, начатый (в контексте яркостного контрастирования) работой [1] и продолженный работами [2] и [3]. В работе [1] был исследован наиболее востребованный программистами случай, когда яркости пикселей изображения меняются пропорционально своим исходным значениям. В работах [2] и [3] изучались механизмы яркостного сдвига, когда яркости всех пикселей меняются на одну и ту же величину. Теперь нам остаётся рассмотреть нелинейный случай, когда изменение яркости пикселей происходит непропорционально исходным значениям - нелинейно. Но, если в теоретической работе [1] рассматривался некий абстрактный инструмент управления яркостью, то [2,3] были посвящены уже конкретному инструменту <Brightness>, - это направление мы собираемся развивать и здесь. Памятуя о том, что номенклатура нелинейных инструментов превалирует, оставим прочий (т.е. кроме <Brightness>) инструментарий за пределами настоящего обзора в силу ограниченного объёма публикации. Оговоримся, что точно так же не имеет

отношения к нынешней теме ни явление соляризации, принцип преобразования яркости в котором совершенно другой [4], ни иные яркостные эффекты.

В аналитических задачах компьютерной графики, когда предполагается визуальное исследование полученного изображения, конечной целью его яркостного преобразования является вариация яркостного контраста [5] (этой статьей мы попытаемся обобщить рассмотрение одной лишь яркостной составляющей изобразительного контраста, - контрасты цветовые имеет смысл обсуждать отдельно). Ниже мы разберемся с вопросами, как соотносится нелинейное управление яркостью изображений с достижением требуемого яркостного контраста; как реализуются эти системы управления в современном программном обеспечении (ПО); каковы пути ее развития, имея в виду экспертные приложения, в которых, кстати, визуальный анализ изображения только и правомерен.

Начнём с того, что очертим место нелинейных методов в кластере управления яркостью изображений. Отталкиваясь от энциклопедичности [6], упомянутые выше три пути управления яркостью можно формализовать следующими выражениями:

- для одинакового изменения яркости (сдвига) У'=У0+ЛУ;

- для пропорционального изменения яркости У'=У0хМ;

- для нелинейного изменения яркости У=У0хр(У0), (1)

где У' - результирующая яркость, У0 - исходная яркость, ЛУ - изменение яркости, М - коэффициент изменения яркости, Б - функция изменения яркости, в рамках этой работы - нелинейная. При сдвиге работает сугубо физиологический механизм изменения яркостного контраста, в остальных случаях физический механизм, безусловно, преобладает.

Затем обозначим роли <Brightness> в номенклатуре программных инструментов графического пакета. Первая, вполне очевидная, - это

собственно вариация яркости. Однако, в [2,3] было показано, что механизм яркостного контрастирования при использовании инструмента <Brightness> -физиологический, то есть очень слабый и к существенному изменению яркостного контраста (и яркостной изобразительной информации) не приводящий. Значит, в [2,3] <Brightness> для яркостного контрастирования утилитарен в другой ипостаси. Вторая, неявная, роль инструмента <Brightness>, - это установка опорной точки для инструмента <Contrast>. Таким образом, осуществляется широко представленная в графическом ПО связка инструментов <Brightness>/<Contrast>.

Нелинейные алгоритмы преобразования яркости практикуются в следующем программном продукте. В таблице сразу же приведена и сводка числовых результатов проведённого исследования.

Исследованные пакеты программ

Разработчик - название пакета, Приращение контраста яркости

версия, год выпуска /

приращение контраста насыщенности

в минимуме в середине в максимуме

шкалы шкалы шкалы

<Brightness> <Brightness> <Brightness>

ACD Systems - ACDSee Pro v. 5.0.110, 2013 -24% / +13% 0% / 0% -35% / -31%

ArcSoft - ArcSoft PhotoStudio v. 6.0.9.151, 2008 -29% / 0% 0% / 0% +29% / -6%

GNU - GIMP v. 2.8.0, 2012 -51% / 0% 0% / 0% -51% / -63%

Irfan Skiljan - IrfanView v.4.35, 2012 -100% / 0% 0% / 0% -100% / -100%

Antonio Da Cruz - PhotoFiltre Studio v. 10.4.1, 2010 -80% / 0% 0% / 0% -80% / -94%

Adobe Systems - PhotoShop CS5 v. 12.0, 2010 -57% / 0% 0% / 0% +2% / -44%

Unified Color - HDR PhotoStudio v. 2.12.27.2521, 2009 -53% / 31% 0% / 0% +89% / -31%

Отметим сразу, что эксперимент проводился на том же тест-объекте, что и в [3] - у левой половины квадратного поля яркость У=111,47 (КТБС) или

Y=111,63 (FCC), оттенок H=(R=63,75 G=255 B=0), насыщенность S=0,32; у правой половины - яркость Y=117,31 (NTSC) или Y=117,37 (FCC) , оттенок H=(R=0 G=255 B=63,75), насыщенность S=0,16 - см. рис. 1.

Рис. 1. Исходное изображение.

Можно выделить четыре типа нелинейностей инструмента <Brightness>: ломаные (GIMP, IrfanView, PhotoFiltre Studio), s-образные (ArcSoft PhotoStudio, PhotoShop CS5), экспоненциальные (HDR PhotoStudio) и комбинированные (ACDSee Pro). Типичные яркостные характеристики нелинейных инструментов <Brightness> демонстрируются графиками рис. 2.

IrfanView Photoshop CS5

HDR PhotoStudio ACDSte Pro

Рис. 2. Типы зависимостей яркости от <Brightness>: по оси абсцисс отложены показания в окне инструмента <Brightness>, по оси ординат - результирующие яркости полей тест-объекта.

Для наглядности на все 4 графика добавлены кривые, полученные от иных тест-объектов: одного - заметно светлее исходного изображения (рис. 1), другого - настолько же темнее. Результирующие значения вычислялись по яркостному уравнению NTSC (0,299; 0,587; 0,114) - для IrfanView, HDR PhotoStudio, ACDSee PRO и FCC (0,299; 0,591; 0,110) - для PhotoShop CS5, в котором по умолчанию используются чуть-чуть отличающиеся яркостные коэффициенты [7]. Проанализируем нелинейные инструменты <Brightness>, исходя из развёрток на рис. 2, и структурируем результаты эксперимента с точки зрения их способности воздействовать на яркостный контраст:

- программы, характеризующиеся ломаными графиками (GIMP, IrfanView, PhotoFiltre Studio) или комбинированными кривыми (ACDSee Pro), не увеличивают, а только уменьшают значение яркостного контраста исходного изображения, что серьёзно ограничивает функциональные возможности этих программ;

- программы, дающие s-образные зависимости (ArcSoft PhotoStudio и PhotoShop CS5), обладают некоторым контрастирующим действием, но эффект несистематичен (в одном и том же ходе <Brightness> яркостный контраст одной пары пикселей может сначала расти, потом - падать), и эта неприятность эргодична (в одном и том же ходе <Brightness> яркостный контраст одной пары пикселей может расти, другой - падать), - такая непредсказуемость, конечно, затрудняет использование этих программ;

- программа, которая реализует экспоненциальные характеристики (HDR PhotoStudio), способна как повышать, так и понижать яркостный контраст изображения, а, самое главное, - она делает это систематически. Для тест-объекта на рис. 1 диапазон яркостного контрастирования её инструмента <Brightness> простирается от -53% до +89%. HDR PhotoStudio по своей эффективности яркостного контрастирования позитивно выбивается из всех семи программных пакетов с нелинейными инструментами <Brightness>, в

общем-то, слабо воздействующих на информативность изображения. Внесём уточнение. На рис. 2 показаны экспоненты, но в [2,3] говорилось о степенной функции. Противоречия в этом нет: зависимость результирующей яркости пикселя от исходной описывается степенной функцией, а зависимость результирующей яркости от установки <Brightness> - экспоненциальной.

Наконец посмотрим, как влияет программный инструмент <Brightness> на цветовые характеристики изображения - оттенок и насыщенность. Здесь уместно пояснить, что употреблявшаяся в ранних работах [2,3] цветность, описываемая трёхчастным выражением R/G, G/B, B/R, однозначно связана с использующимися ныне переменными H и S. Соответствующие зависимости приведены на рис. 3 и 4. При этом оттенок определялся не стандартными средствами графического ПО, а оригинальной программой по алгоритму [8] в единицах RGB. Насыщенность определялась в процентах по формуле:

S=[Max(RGB)-Min(RGB)]/Max(RGB), (2)

где Min(RGB) и Max(RGB) - наименьшее и наибольшее значения RGB-координат обрабатываемого пикселя.

IrfanView

1530 _

1020 -

ГЛ

0

1020 -

0

-250 -200 -150 -100 -50

50 100 15Ü 2ÜÜ 25Ü

-150 -125 -100 -75 -50 -25 G 25 50 75 1ÜO 125 150

HDR Photo Studio

ACDSee Pro

0

0

-3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

-100 -75 -50

Рис. 3. Зависимость оттенка от <Brightness>.

Как видно из графиков рис. 3, оттенок при действии программного инструмента <Brightness> практически не меняется. Только у PhotoShop CS5 еле заметна непараллельность графиков на протяжении шкалы <Brightness>. Но столь малая непараллельность характерна для тест-объекта (рис. 1), -имеет смысл оценивать её по наибольшему возможному значению. Анализируя динамику RGB-координат теоретически, мы констатируем: предельный сдвиг, вносимый в оттенок инструментом <Brightness>, не может превышать 1/6 длины шкалы оттенков. В первом приближении даже эту, предельную, величину можно положить ничтожной (поэтому, собственно, в сводную таблицу паразитные оттеночные контрасты и не попали; да и не все программные пакеты ими отягощены) и перейти к рассмотрению много более изменчивой насыщенности. Тот же анализ динамики RGB-координат даст нам потенциальный сдвиг насыщенности уже в 100%. Подобными величинами безнаказанно пренебречь не получится, как следствие, обсудим ниже проблему операционного сдвига насыщенности самым подробным образом. Визуализируется этот сдвиг графиками на рис. 4.

bfail View Photoshop CS5

-3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 □ 0.5 1 1.5 2 2.5 3 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100

Рис. 4. Зависимость насыщенности от <Brightness>.

Если не обращать внимания на некоторый разброс в левом конце первого графика, обусловленный целочисленным представлением исходных для расчёта по (2) RGB-координат, то легко заметить, что с увеличением яркости насыщенность сдвигается вниз, причем неодинаково. Таким образом, можно заключить, что сопутствующая вариации яркости погрешность цветности, обсуждавшаяся ранее [1,2,3], также обусловлена по существу одним лишь сдвигом насыщенности. Принято полагать этот сдвиг явлением негативным, и это вполне естественно. К примеру, авторы алгоритмов [9] даже целью своей разработки декларировали всяческое отсутствие такового. Однако и при испытании получившегося программного продукта (HDR PhotoStudio), мы получили сдвиг контраста насыщенностей двух полей ±1/3 от исходного на рис. 1.

Сдвиг насыщенности может быть и заметно меньше, и заметно больше - всё зависит от её исходных значений. Сдвиг насыщенности ведет себя в каждом программном пакете по-своему (соответственно, и причины, порождающие этот сдвиг, в каждом пакете свои собственные). Но, так или иначе, уже само по себе наличие такого сдвига искажает изобразительную информацию. Чаще всего это искажение сколько-нибудь важным для наблюдателя не станет. Хотя нельзя исключать случаи, когда неправомерный сдвиг насыщенности окажется носителем значимой (а, подчас, ещё и криминалистически значимой) изобразительной информации. Такое искажение может стать критичным для интерпретации изображённой на снимке ситуации - в этих случаях допустимо говорить об артефакте. Пример тому - следующий.

Рассмотрим вариацию контраста инструментом <Brightness> - рис. 5. Смоделируем ситуацию. В качестве исходного возьмём изображение, подсвеченное искусственно (пересъёмкой оригинального кадра с большей выдержкой). На снимке рис. 5 ни один светофор не работает - это очевидно.

В наиболее популярном из исследованных программном пакете PhotoShop (v. 12.0) исходное изображение с целью прочитать номерной знак грузовой «Газели» было обработано при <Brightness>=-150. В результате вся картина потемнела, и номерной знак стал вполне различим. Одновременно все детали картины получили паразитный сдвиг насыщенности (особенно заметны необычное по цвету небо, капот автобуса, штакетник ограждения, здание за деревьями, да и сами насаждения, ...). Но только цвет фонарей светофора в данной ситуации информативен для сотрудника ГАИ, а верхний фонарь светофора от действия <Brightness> покраснел. В определённом случае такое

Рис. 5. Артефакт. Слева исходное фото, справа - результат обработки в PhotoShop.

изображение может стать ложным аргументом при установлении виновника ДТП, хотя демонстрируемый артефакт возникает исключительно благодаря дефекту инструмента <Brightness>. Повторимся, - ситуация модельная и ни к каким реальным правонарушениям отношения не имеет.

Как видим, незначительный, судя по рис. 4, сдвиг насыщенности, присущий инструменту <Brightness>, в процессе непосредственной вариации яркости может привести к очень существенному искажению изобразительной информации, поэтому его вообще нежелательно использовать в задачах анализа изображений [10,11]. Этот вывод касается программных средств не только PhotoShop, но и всех остальных разобранных в статье «нелинейных» пакетов. Более того, этим же выводом целесообразно обобщить и результаты, полученные в предыдущих частях обзора.

Связка же инструмента <Brightness> с инструментом <Contrast> может для части обрабатываемого изображения еще и усугубить рассмотренный тип искажений, поскольку контрастирование в этом случае будет проводиться уже относительно опорной точки с дефектным набором RGB-координат. Подчас о таком отягощении инструмента <Contrast> пользователь может просто не догадываться.

Таким образом, резюмируя изложенное с позиций информационного (что было постулировано во введении) контрастирования исследованные нелинейные инструменты <Brightness> для анализа изображений не подходят в силу выявленных и перечисленных выше причин. Пока же наиболее адекватным информативно остаётся пропорциональный алгоритм управления яркостью, теоретически описанный в [1]. Разумеется, в перспективе ничто не мешает попыткам сделать этот алгоритм ещё более эффективным (с точки зрения яркостного контрастирования) путём преобразования в нелинейный по формуле (1): структура её записи введению дополнительных опций явно способствует.

Литература

1. Боровкова А.О., Рвачева О.В., Чмутин А.М. Управление яркостным контрастом: от телевидения к компьютерной графике. // Журнал радиоэлектроники. 2012. №2. 10 с. URL: jre.cplire.ru/jre/feb12/7/text.pdf.

2. Боровкова А.О., Чмутин А.М. Управление яркостью изображений в фотографии, в телевидении, в компьютерной графике. Часть 1. // Интернет-вестник ВолгГАСУ. 2013. Вып. 3(28). 6 с. URL: vestnik.vgasu.ru/?source=4&articleno=1392.

3. Боровкова А.О., Чмутин А.М. Управление яркостью изображений в фотографии, в телевидении, в компьютерной графике. Часть 2. // Интернет-вестник ВолгГАСУ. 2013. Вып. 3(28). 7 с. URL: vestnik.vgasu.ru/?source=4&articleno=1393.

4. Chmutin A.M., Rvacheva O.V. Virtual-optic technology for manuscript expertise. // Proc. SPIE. 2007. Vol. 6594. pp. 65941I.1-65941I.8.

5. Ринкевичюс Б.С. и др. Информационная оптика. / Под ред. Н.Н. Евтихиева. - М.: Изд-во МЭИ, 2000. 612 с.

6. Методы компьютерной обработки изображений. / Под ред. В.А. Сойфера - М.: Физматлит, 2003. 784 с.

7. Гребенюк П.Е., Чмутин А.М. Оттеночный сдвиг и яркостный контраст: парадоксы Photoshop. // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 8. 9 с. URL: web.snauka.ru/issues/2016/08/70870.

8. Андронова Н.Е., Гребенюк П.Е., Чмутин А.М. Алгоритм и программная реализация управления оттеночным контрастом цифровых изображений. // Инженерный вестник Дона. 2016. № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3783.

9. Безрядин С.Н., Буров П.А., Ильиных Д.Ю. Преобразование яркости в программном обеспечении. v. 1.0. - San Francisco: KWE International Inc., 2006. 15 p. URL: kweii.com/site/color_theory/color_theory_content_ru.html.

10. Венцов Н.Н., Долгов В.В., Подколзина Л.А. Обзор алгоритмов кластеризации, используемых в задачах поиска изображений по содержанию. // Инженерный вестник Дона. 2016. № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2016/3707.

11. Carvey H. Windows Forensic Analysis. - Elsevier, 2007. 348 p.

References

1. Borovkova A.O., Rvacheva O.V., Chmutin A.M. Zhurnal radioelektroniki (Rus). 2012. № 2. URL: jre.cplire.ru/jre/feb12/7.

2. Borovkova A.O., Chmutin A.M. Internet-vestnik VolgGASU (Rus). 2013. №3 (28). URL: vestnik.vgasu.ru/?source=4&articleno=1392.

3. Borovkova A.O., Chmutin A.M. Internet-vestnik VolgGASU (Rus). 2013. №3 (28). URL: vestnik.vgasu.ru/?source=4&articleno=1393.

4. Chmutin A.M., Rvacheva O.V. Proc. SPIE. 2007. Vol. 6594. PP. 659411.1-659411.8.

5. Rinkevicius B.S. i dr. Informatsionnaya optika [Informational Optics]. Pod red. N.N. Evtikhieva. Moscow: MPEI Publ., 2000. 612 p.

6. Metody komp'juternoi obrabotki izobrazhenii [Computer Image Processing Methods]. Pod red. V.A. Soifera. Moscow: Fizmatlit, 2003. 784 p.

7. Grebenyuk P.E., Chmutin A.M. Sovremennye nauchnye issledovaniya i innovatsii (Rus). 2016. № 8. URL: web.snauka.ru/issues/2016/08.

8. Andronova N.E., Grebenyuk P.E., Chmutin A.M. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, № 3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3783.

9. Bezryadin S.N., Bourov P.A., Ilinikh D.U. Preobrazovanije yarkosti v programmnom obespechenii. v. 1.0. (Rus). San Francisco: KWE International Inc., 2006. 15 p. URL: kweii.com/site/color_theory/color_theory_content_ru.html.

10. Ventsov N.N., Dolgov V.V., Podkolzina L.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, № 3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2016/3707.

11. Carvey H. Windows Forensic Analysis. Elsevier, 2007. 348 p.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.