Технология обработки изобразительной информации

«Технология обработки  изобразительной информации»

1. Общая схема и задача репродукционного процесса. Основные подходы к обработке и преобразованию изображений на допечатной стадии.

Основные стадии полиграфического производства:

Допечатная стадия разделилась  на два параллельных звена: репродукционное  и наборное. Причиной разделения допечатной технологии послужил разный характер текстовой и иллюстративной информации.

Наиболее широко фоторепродукционные  процессы начали применяться в полиграфии лишь через полвека со времени  изобретения фотографии. Этому способствовало изобретение проекционного фотомеханического  растра и, вместе с ним, так называемого  автотипного способа передачи полутонов  бинарными, т. е. по существу двухуровневыми (есть краска - нет краски) средствами преобладавших в тот период способов высокой и плоской (литографской) печати. С применением автотипии резко увеличился объем тоновых иллюстраций в печатных изданиях.

В фоторепродукционных технологиях  развивался метод  цветоделительного  и цветокорректирующего маскирования, в применении контактного растрирования, в совершенствовании используемых фотоматериалов и расширении их номенклатуры. Последние фоторепродукционные аппараты представляли собой высокоавтоматизированные устройства, оснащенные средствами микропроцессорного расчета режима растровой и цветоделительной съемки.

В электрическом репродуцировании взамен фоторепродукционных аппаратов  использовались так называемые электронные цветоделители-цвето-корректоры (ЭЦК). Полиграфический изобразительный оригинал получил несвойственное предыдущему периоду дополнительное промежуточное представление в виде электрического сигнала.

Принципиальные издержки этапа электрического репродуцирования обусловлены, в основном, одномерной пространственной дискретизацией (расчленением изображений на отдельные фрагменты). Построчное сканирование оригинала считывающим пятном конечного размера и сопутствующие ему апертурные искажения ухудшал и качество воспроизведения штриховых изображений. Современным компьютерным системам присуще числовое представление иллюстраций, предполагающее двухмерную (и по горизонтали, и по вертикали) дискретизацию. Это, в свою очередь, создало проблемы корректного пересчета громоздких числовых массивов для плавного изменения масштаба или поворота изображения. В фоторепродукционных камерах подобные проблемы отсутствовали.

Системы первого этапа  компьютерного репродуцирования принято  характеризовать как замкнутые (на одном предприятии) или закрытые (для внешних пользователей или  компьютерных сред).

С переходом в начале 1990-х гг. к «открытым» допечатным системам в мировой полиграфической практике было отмечено снижение качества многокрасочной иллюстрационной печати. Основной причиной явилась неоднозначная трактовка цвета изображений применительно к различным средствам их отображения, компьютерным платформам и программным приложениям. Для решения этой проблемы в последнем десятилетии были разработаны так называемые Системы управления цветом (Color Management Systems - CMS).

Обработка изображений  в допечатных процессах

Рассмотрим три подхода  к обработке изображений:

• распознавание образов;
• машинная графика;
• электрическое репродуцирование.

1. Распознавание образов

Для задач этого типа характерна необязательность представления выходной информации (результата обработки) в  виде собственно изображения. Это могут  быть таблицы, графики, текст, числа, используемые затем для принятия решений в  управлении, или электрические сигналы, формирующие те или иные воздействия  в автоматике.  В пределе результат  может быть представлен лишь одним  битом.  Например, при анализе  изображения в устройстве счета  банкнот для включения электромеханического устройства, извлекающего фальшивку  из пересчитываемой пачки.

2)  Машинная графика

Для художественного оформления изданий на авторской, издательской, репродукционной стадиях и в  рекламных бюро широко применяется  машинная (компьютерная) графика. Ее средства и принципы используются:

• для синтеза изображений и элементов графического оформления в отсутствие изобразительных оригиналов как таковых;
• для изменения содержания иллюстрационных оригиналов, введенных в компьютер путем сканирования, и, в частности, для их редактирования или так называемой сложной электронной ретуши;
• с технологическими целями, например для создания приводочных меток, по которым совмещают цветоделенные изображения в много красочной печати, ступенчатых тоновых шкал, шкал цветового охвата и микроштриховых тестов, служащих для контроля режимов формного и печатного процессов.

3)  Репродуцирование

Преобразование иллюстрационных  оригиналов в такие промежуточные  образы (числовые массивы, фотоформы, печатные формы и т. п.), параметры которых  обеспечивают наилучшее качество иллюстраций  в тираже. Это направление созвучно задачам оптимального кодирования  или устранения избыточности информации, обеспечивающих ее передачу с наименьшими  потерями по каналу связи с заданной пропускной способностью и уровнем  шумов.

Пропускная способность  формного и печатного процессов  ограничена в отношении информации, заключенной в оригинале, по интервалу  оптических плотностей, цветовому охвату и спектру пространственных частот. Оптимальное приведение информации оригинала к объему, вмещаемому оттиском, происходит именно на репродукционной  стадии, тогда как формный и  печатный процессы строго нормализуют  по их собственным критериям. Эта  стадия служит тем гибким звеном, которое  регулирует характер передачи оттиску  тона, цвета и других параметров оригинала. Современная технология данной стадии позволяет объективно управлять ими с дискретой эквивалентной количеству краски, занимающему на оттиске площадь 25-100 мкм².

Даже самые современные  системы допечатной обработки изображений, как и полиграфический процесс  в целом, не обеспечивают до конца  оптимальной передачи, в которой  до оттиска доводилась бы именно та информация оригинала и именно в  том ее объеме, который может воспринять получатель. В основе оптимальной  организации репродукционного процесса, как и любого другого процесса переработки или передачи информации, лежит принцип учета и согласования свойств трех основных компонентов информационной системы. Ими являются источник информации (изобразительный полиграфический оригинал), сама система или канал связи (полиграфический процесс), получатель информации (зрительный анализатор человека). Такая система организована оптимально, если ее входные характеристики согласованы со свойствами источника информации (в данном случае изобразительного оригинала), а ее выходные характеристики (параметры оттиска) согласуются со свойствами получателя информации (зрения).

2. Полиграфические оригиналы. Локальные параметры изображений.

Изобразительный оригинал и задача репродукционного процесса

Изобразительные оригиналы, подлежащие репродуцированию полиграфическими средствами различаются:

• по виду подложки (прозрачные, непрозрачные; гибкие, жесткие);
• по цвету (черно-белые - монохромные, цветные);
• по структуре изображения (штриховые, полутоновые, растровые - вторичные);
• по способу получения (фотографические, рисованые, живописные, печатные).

По форме представления  это могут быть собственно иллюстрации, а также выклейные (сверстанные) монтажи полос.

Новой разновидностью являются изобразительные оригиналы или  их целые библиотеки, представленные в электронной форме для компьютерных дизайн-студий и рекламных бюро. Сюда же можно отнести и оригиналы, полученные с использованием цифровой фотографии. Технология репродуцирования оригиналов такого типа исключает этапы электрооптического анализа (цветоделения) и исходного кодирования сигналов, но в остальном не отличается от используемой для оригиналов, представленных в традиционной форме.

Фотопленки и фотобумаги изначально разрабатывались для  других потребительских целей и, следовательно, условий восприятия запечатленных на них изображений. Например, цветные фотопленки слайдов - для диапроекции с использованием лампы накаливания в затемненном помещении. Негативные — для печати на цветных фотобумагах, а сами фотоотпечатки - с учетом условий их рассматривания в бытовых условиях. Характеристики сигналов видеокамер или цветовых значений файлов цифровых фотоаппаратов прежде всего ориентированы на воспроизведение на экранах телевизоров и мониторов компьютеров. Различные цветовые характеристики имеют красители и пигменты отпечатков, полученных средствами фотографии, в термопереводных, термосублимационных, струй-но-капельных, электрофотографических и других цифровых принтерах. Поэтому различные виды отображения уже включают в себя искажения цвета исходного объекта (сцены), необходимые, как будет показано в последующем изложении, для наилучшего восприятия в конкретных условиях рассматривания. Следовательно, далеко неодинаково и представление цвета одной и той же сцены сигналами, полученными видеокамерой или цифровым фотоаппаратом, считанными различными типами сканеров с отснятых с этой сцены фотографий на прозрачной и непрозрачной подложке или с отпечатков перечисленных выше цифровых принтеров.

Все это создает проблему однозначного толкования цвета в  репродукционной системе со множеством типов промежуточного отображения исходного объекта.

Репродукционная задача рассматривается  не в отношении исходного зрительного  объекта или сцены, а применительно  к вторичному их отображению, в качестве которого принимается изобразительный  оригинал того или иного типа, сигнал цифровой камеры или ТВ канала. 
С другой стороны, как неотъемлемую часть допечатной технологии следует рассматривать проблему совместимости по выходу, т. е. однозначного (визуально тождественного) отображения изобразительного оригинала во всем многообразии используемых способов печати и получения цветопробы. 
Изобразительную задачу полиграфического производства можно определить в целом как получение копий, которые с заданной точностью соответствуют некоторому оригиналу. Степень этого соответствия в конечном итоге определяет качество репродукции. Для его объективной оценки необходимо располагать количественными критериями - показателями качества.

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 точки в пространстве;
• В - ее 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 характеризует интенсивность излучения некоторой точки рассматриваемого объекта. Воздействуя на зрительный анализатор, она вызывает определенное ощущение, называмое светлотой. Светлота служит как бы мерой зрительного ощущения яркости. Именно со светлотой как с субъективной яркостью приходится иметь дело на практике, 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, время адаптации (привыкания) к яркости этого фона и другие причины.

для оценки светлоты L в колориметрической  системе Lab наряду с яркостной компонентой Y исходной цветовой системы XYZ учитывается так называемая яркость опорного «белого» Y_n, светлота которого согласно этому выражению равна 100 единицам.

Яркость - количественная характеристика цвета. Качество последнего определяют цветностью. Она, в свою очередь, совокупно выражается такими параметрами, как цветовой тон, чистота цвета и его насыщенность. Цветовой тон однозначно характеризуют длиной волны в видимом диапазоне электромагнитных колебаний (380-700 нм).

Если энергетическая яркость  оценивается безотносительно к  спектральному составу мощностью  излучения в микроваттах энергии, поступающей с единичной площади  объекта в единичном телесном угле, то единицы световой яркости  учитывают так называемую кривую видности - спектральную характеристику чувствительности глаза.

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 полиграфических  оттисках и оригиналах. Они воспринимаются в отраженном или проходящем свете  внешних источников и поэтому  светлота каждой точки определяется не только свойствами самого изображения, но и его освещенностью.

Участки изображения, одинаково  отличающиеся по величине отражения  или пропускания, неодинаково отличаются по светлоте.

Оптической плотности - отрицательного десятичного логарифма коэффициента отражения (пропускания):

3. Четкость, резкость, контраст и интервал плотностей изображения.

Интервал плотностей и контраст. Одним из важных исходных параметров, на основе которых устанавливается оптимальный режим репродуцирования, служит разность оптических плотностей

характеризующая их перепад (интервал) на оригинале, в печатном процессе или на растровом оттиске.

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. на участке, непосредственно прилегающем к данной детали. Поэтому, если общий контраст изображения оценивается как

то встречаются и такие  интерпретации этого параметра, как локальный контраст:

или детальный контраст:

когда коэффициенты отражения  данной точки ρ_{х, у} или детали ρ_дет относят к отражению прилегающего участка ρ_{x+Δх, y+Δу} или его минимальному для данного изображения значению ρ_min. Очевидно, что интервал плотностей всего изображения может быть определен и через логарифм общего его контраста:

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.

Четкость, резкость, объем данных. Важным параметром изображения является четкость, характеризующая качество воспроизведения на нем мелких деталей и контуров.

где k - коэффициент формата кадра, a z - число строк в данном стандарте разложения.

где М — число возможных состояний оптического параметра для каждого элемента. Объем видеосигнала растет с увеличением числа N элементов разложения и числа М уровней квантования значений тона этих элементов.

Четкость растрового оттиска  можно оценить как

где а и b - размеры иллюстрации по горизонтали и вертикали, a L - линиатура тоновой иллюстрации, определяемая количеством запечатанных элементов на линейном сантиметре.

Чем выше четкость, тем более  резким является изображение.

В фотографии резкость определяется главным образом разрешающей  способностью объективов и эмульсий, рассеянием света в фотослое и  другими подобными факторами  и оценивается обратной величиной  зоны размытости контура:

В системах со сканированием  изображений, например в телевидении и фототелеграфии, резкость оценивают безразмерным отношением величин элемента разложения (апертуры) и зоны размытости:

с учетом того, что данный параметр ограничивается здесь, прежде всего, конечным размером сканирующего пятна.

4. Связь между параметрами изображений и репродукционных систем.

Приведенные выше параметры – параметры изображений  первого рода. Параметрами второго рода служат характеристики технической системы, технологического процесса или их отдельных звеньев.

Яркости или коэффициенту отражения оригинала соответствует амплитуда видеосигнала на выходе фотопреобразователя в устройстве электрооптического анализа или уровень квантования этого сигнала в цифровой системе переработки изображений. 
Оптической плотности соответствует значение видеосигнала, прошедшего через 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 - градационная (амплитудная) характеристика. 
Подобное разграничение помогает грамотно применять термины. Некорректно звучат, например, словосочетания «разрешающая способность изображения» или «градационная характеристика изображения», если только под «изображением» не подразумевается некий процесс.

5. Управление качеством иллюстрационной печати: проблемы, задачи. Основные компоненты Системы управления качеством.

Оценка изображений, средств и результатов репродуцирования

Для количественной оценки параметров оригиналов, промежуточных  изображений и тиражных оттисков используют самые различные измерительные  приборы.

Так, для оценки тона изображения  применяют денситометры, дающие показания  на цифровом индикаторе не только в  единицах оптической плотности, но и  в относительных площадях растровых  точек. Показания прибора могут  быть непосредственно выражены также  и в единицах, позволяющих судить об интервале оптических плотностей, контрасте печати, захвате (восприятии) краски, ее спектральной чистоте (ахроматичности) и т. д. 
В оценке копировальных свойств фотоформ эффективны микрофотометры, регистрирующие распределения плотности в изображениях печатных элементов с шагом в несколько микрон.

Цветовые координаты той  или иной точки изображения, а  также цветовые различия могут быть оценены портативным цифровым колориметром в значениях различных цветовых систем, принятых МКО, и применительно  к разным условиям наблюдения. Аналогичными параметрами оперируют современные  устройства электронного репродуцирования и компьютерные системы подготовки изображений к печати.

Визуальное сравнение  цветных изображений ведется  в оговоренных условиях наблюдения. Для этих целей используют, в частности, просмотровые кабины, оснащенные стандартными источниками света нескольких типов. Чтобы контролировать корректность сравнения, оригиналы отражения, цве-топробы, подписные и тиражные оттиски снабжают самоклеящимися мета-мерными метками - индикаторами типа освещения. 
Для оценки характеристик иллюстрационного процесса или упомянутых выше параметров второго рода широко используют испытательные изображения - тесты. О частотно-пространственных характеристиках судят, например, по воспроизведению штриховой миры, элементы которой могут отличаться по ориентации, геометрии, пространственной частоте и контрасту. Способность к передаче изменений тона и цвета определяют с помощью ступенчатых шкал, тогда как непрерывные тоновые шкалы удобны в отношении оценки плавности тоно- и цветопередачи. Универсальные испытательные изображения с тест-объектами различного типа удобны для сквозной интегральной оценки репродукционного процесса по всей совокупности его параметров. Непосредственно в производстве применяют, как правило, менее габаритные тесты, размещаемые на полях необрезанного листа и позволяющие оперативно контролировать те параметры, которые наиболее критичны для данного технического средства или технологического этапа. 
Множество важных параметров контролируется в полиграфии и такими средствами непосредственной оценки, как линейка, лупа, измерительный микроскоп и т. п.

Проблемы согласования параметров и стандартизации в иллюстрационной  печати

В информативном и эстетическом отношении печатная иллюстрация  обращена к психовизуальному восприятию. Ее и по сей день получают, отчасти используя интуитивные, эмпирические подходы и субъективные оценки. Природные или приобретенные художественные способности и навыки многие годы служили признаком профессиональной пригодности к полиграфическому цеху.

Радикальные изменения последних  десятилетий в управляющей, допе-чатной стадии сместили акценты научных представлений и актуальности подлежащих исследованию задач. Еще четверть века назад ряд научно обоснованных положений в направлении повышения качества печатных изображений не мог быть практически реализован за недостаточными возможностями средств управления количеством краски на оттиске. Нынешние же цифровые и компьютерные допечатные технологии, гибко оперируя этим количеством с дискретой, эквивалентной 25-100 мкм² площади красочного слоя, напротив, делают актуальным вопрос о том, в каком направлении и на сколько это количество нужно изменить для достижения наилучшего результата.

Насущны в этой связи не только нормализация и стабилизация оптимальных режимов иллюстрационной  печати, но и сами методики отыскания  таких режимов. Эти методики должны учитывать как особенности изобразительных  оригиналов, формного или печатного  процессов, так и упомянутые выше возможности управления параметрами  изображений до печати. Нахождение оптимальных режимов, как будет  показано далее, зачастую происходит в  компромиссных условиях противоречивого  удовлетворения показателям качества, не уступающим друг другу по важности, но весьма различным по своей природе и метрике.

Проблемы стандартизации в полиграфии стали особенно актуальны  в начале 90-х гг. в связи с переходом от «закрытых» к «открытым» издательским системам. До того времени подготовительные допечатные операции вплоть до вывода фотоформ производились как единое целое внутри типографии или репроцентра с ориентацией на более или менее известную по своим характеристикам конкретную технологию печати. Параметры настроек и различных функциональных преобразований могли по опыту уточняться от заказа к заказу. Была также возможна поэтапная или сквозная периодическая калибровка процесса. Она позволяла, например, связать величины выходных сигналов устройства записи фотоформ и получаемых на их основе цветов печати с цветоделенными сигналами сканера, входящего в единую систему. 
С появлением персонального компьютера и на его основе разомкнутых (открытых) допечатных систем еще более остро встали вопросы однозначной трактовки и отображения информации о цвете изобразительного оригинала для различных программных приложений, компьютерных платформ и периферийных устройств (сканеров, мониторов, цветопробы, печати и т. д.).

Однако все усилия Международного консорциума по цвету (ICC) по созданию нормативных, измерительных и программных  средств Систем управления цветом (CMS) через связующее цветовое пространство Lab MKO были бы малоэффективны в отсутствие документально оговоренных характеристик «вещественной» части полиграфической технологии, включающей цветопробу, изготовление фотоформ, печатных пластин и самих оттисков, а также используемых для этих целей материалов и технических средств. Поэтому особенно активно в последние годы разрабатывались новые и обновлялись устаревшие отраслевые, государственные и международные стандарты в этой области с целью объективно, количественно сформулировать характеристики в указанных аспектах полиграфической технологии. 
Таким стандартом является, например, один из упоминаемых в последующем изложении и принятый в 1996 г. ISO 12647 (Технология полиграфии - Контроль процесса изготовления растровых цветоделенных фотоформ, проб и тиражных оттисков).

6.  Автотипия. «Различимость» и «заметность» растровой структуры. Эффективный интервал плотностей.

Автотипия

В отличие от полутонового изображения, например фотографии, картины, выполненной акварелью или маслом и т. п., растровым называют изображение (репродукцию) тонового оригинала, составленное из дискретных элементов. Значение тона в пределах каждого элемента такого изображения усреднено и имеет постоянное значение, а если и изменяется, то не в связи с изменением тона в пределах соответствующего элемента оригинала.

Воспроизведение гаммы полутонов  оригинала бинарными средствами полиграфической печати обеспечивает так называемая автотипия - способ передачи полутонов изменением относительных площадей печатных и пробельных элементов. Этот способ, обеспечиваемый автоматически путем фотографирования тонового оригинала через оптический прибор - растр, пришел в полиграфическую практику более ста лет назад и позволил резко увеличить количество иллюстраций в изданиях.

Принцип автотипии широко используется ныне для получения  квазиполутоновых изображений также в множительной технике, матричных, лазерных, светодиодных, струйно-капельных принтерах и т. п. Как и в технике ручной гравюры, иллюзия полутоновых градаций создается здесь за счет изменения относительных площадей темных и светлых элементов.

Печатные элементы могут  представлять собою на оттиске линии  переменной толщины или точки различного размера. Центры точек могут образовывать ортогональную, гексагональную, ромбическую или другую регулярную решетку. В этом случае частота расположения печатных элементов и, соответственно, расстояние между их центрами постоянны по всему полю изображения. В соответствии с изменением тона отдельных участков оригинала изменяется лишь площадь печатных элементов. Поэтому используя аналогию из техники передачи электрических сигналов, подобные структуры оттисков автотипной печати называют иногда амплитудо-модулированными или AM структурами.