Визуализация изображений

Лекция 6

Визуализация изображений. Основные понятия

Наиболее известны два способа визуализации: растровый и векторный. Первый используется в таких графических устройствах, как дисплей, телевизор, принтер, второй – в векторных дисплеях, плоттерах.

Оптимально, если способ описания графического изображения соответствует способу визуализации. В противном случае требуется конвертация: при выводе растрового изображения на векторном устройстве используется векторизация; при выводе  векторного изображения на растровом устройстве – растеризация (растрирование).

Растровая визуализация основывается на представлении изображения на экране или бумаге в виде совокупности отдельных точек или пикселов. Вместе все эти пикселы образуют растр.

Векторная визуализация основывается на формировании изображения на экране или бумаге путем рисования линий (или векторов). Совокупность типов линий (графических примитивов), которые используются как базовые для векторной визуализации, зависит от определенного устройства. Типичная последовательность действий для плоттера или векторного дисплея такова: переместить перо в начальную точку (для дисплея - отклонить пучок электронов); переместить перо в конечную точку; поднять перо (уменьшить яркость луча).

Качество векторной визуализации для векторных устройств обуславливается точностью вывода и набором базовых графических  примитивов - линий, дуг, кругов, эллипсов и других.

В настоящее время наиболее распространен растровый способ визуализации, что связано с преобладанием растровых дисплеев и принтеров. Главный недостаток растровых устройств – дискретность изображения. Недостатки векторных устройств – проблемы при сплошном заполнении фигур, меньшее по сравнению с растровыми устройствами  количество цветов, меньшая скорость визуализации.

Растр – это матрица ячеек (пикселов). Каждый пиксел может иметь свой цвет. Совокупность пикселов различного цвета образует изображение.

Рекомендуемые материалы

В зависимости от расположения пикселов в пространстве различают квадратный, прямоугольный, гексагональный или иные типы растра.

Для описания расположения пикселов используют различные системы координат. Общим для всех таких систем является то, что координаты пикселов образуют дискретный ряд значений (необязательно целые числа). В компьютерных графических системах наиболее широкое распространение получила система
целых координат – номеров пикселов с (0, 0) в левом верхнем
углу.

Основные геометрические характеристики растра

Разрешающая способность растра характеризует расстояние между соседними пикселами. Измеряется разрешающая способность растра количеством пикселов на единицу длины, обычно используется единица измерения ppi (pixel per inch) – количество пикселов в дюйме (1 дюйм ≈ 2,54 см).

Размер растра определяется количеством пикселов по горизонтали и вертикали. Для компьютерных графических систем наиболее удобным является растр с одинаковым размером по горизонтали и вертикали: ppiX = ppiY. В противном случае возникают проблемы при выводе изображений. Например, если растр прямоугольный (как в устаревших мониторах EGA), окружность на экране может выглядеть как эллипс.

Форма пикселов растра определяется особенностями устройства графического вывода и может быть прямоугольной, квадратной (дисплей) или круглой (принтеры).

Количество цветов (глубина цвета) – одна из важнейших характеристик растра. По количеству цветов различают следующие виды изображений:

● двухцветные (бинарные) – 1 бит на пиксел (чаще всего это черно-белые изображения);

● полутоновые. Используют градации серого или какого-то другого цвета, например 256 градаций – 1 байт на пиксел;

● цветные изображения. Используют от 2 бит на пиксел и выше.

Глубина цвета 16 бит на пиксел (65 536 цветов) соответствует палитре High Color;  24 бит на пиксел (16б7 млн цветов) – True Color. В современных компьютерных графических системах используется и большая глубина цвета – 32, 48 и более бит на пиксел.

Методы улучшения растровых изображений: антиэлайзинг
и дизеринг

Как уже отмечалось выше, основным недостатком растровой визуализации является эффект пикселизации.

Рассмотрим некоторые из существующих методов, позволяющих визуально улучшать качество растровых изображений. При одних и тех же значениях технических параметров устройства графического вывода может быть создана иллюзия увеличения разрешающей способности или количества цветов. Однако следует иметь в виду, что улучшение одной характеристики может происходить за счет ухудшения другой.

Антиэлайзинг. В растровых системах при невысокой разрешающей способности (меньше 300 dpi) существует проблема ступенчатого эффекта (aliasing). Этот эффект особенно заметен на изображении наклонных линий – при большом шаге сетки растра пикселы образуют как бы ступени лестницы.

Рассмотрим это на примере отрезка прямой линии. Растровое изображение объекта определяется алгоритмом закрашивания пикселов, соответствующих площади изображаемого объекта. Различные алгоритмы могут дать разные варианты растрового изображения одного и того же объекта.

Можно сформулировать условие корректного закрашивания следующим образом: если в контур изображаемого объекта попадает больше половины площади ячейки растра, то соответствующий пиксел закрашивается цветом объекта (С), иначе пиксел сохраняет цвет фона (С_ф).

Устранение ступенчатого эффекта называется по-английски antialiasing. Для того чтобы растровое изображение линии выглядело более гладким, можно цвет угловых пикселов "ступенек лестницы" заменить на некоторый оттенок, промежуточный между цветом объекта и цветом фона.

Вычислим цвет пропорционально части площади ячейки растра, покрываемой идеальным контуром объекта. Если площадь всей ячейки обозначить как S, а часть площади, покрываемой контуром, – S_x, то искомый цвет равен:

Методы сглаживания растровых изображений можно разделить на две группы:

● алгоритмы генерации сглаженных изображений отдельных простейших объектов (линий, фигур);

● методы обработки уже существующего изображения.

Для сглаживания растровых изображений часто используют алгоритмы цифровой фильтрации. Один из таких алгоритмов - локальная фильтрация. Она осуществляется путем взвешенного суммирования яркости пикселов, расположенных в некоторой окрестности текущего обрабатываемого пиксела. Можно представить себе, что в ходе обработки по растру скользит прямоугольное окно, которое выхватывает пикселы, используемые для вычисления цвета некоторого текущего пиксела. Если окрестность симметрична, то текущий пиксел находится в центре окна.

Базовая операция такого фильтра может быть представлена в виде следующей зависимости:

где P – значение цвета текущего пиксела; F – новое значение цвета пиксела; K –- нормирующий коэффициент; M – двумерный массив коэффициентов, который определяет свойства фильтра (такой массив называется маской).

Размеры окна фильтра: по горизонтали  jmax - jmin + 1, по вертикали  imax - imin + 1. На практике наиболее часто используется фильтр с окном 3х3, который получается при  imin, jmin = -1  и  imax, jmax = +1.

При обработке всего растра указанные вычисления производятся для каждого пиксела. Если в ходе обработки новые значения цвета пикселов записываются в исходный растр и вовлекаются в вычисления для очередных пикселов, то такую фильтрацию называют рекурсивной. При нерекурсивной фильтрации в вычисления вовлекаются только прежние значения цвета пикселов.

При сглаживании цветных изображений можно использовать модель RGB и производить фильтрацию по каждой компоненте.

Локальная цифровая фильтрация применяется не только для сглаживания контуров, но и в процессе других видов обработки изображений: повышения резкости, выделения контуров и др.

Дизеринг. Современные растровые дисплеи позволяют достаточно качественно отображать миллионы цветов, но для растровых печатающих устройств дело обстоит иначе. Устройства печати обычно имеют высокую разрешающую способность, зачастую на порядок выше, чем дисплеи, но в то же время не позволяют воссоздать даже сотню градаций серого, не говоря уже о миллионах цветов. Оттенки цветов (для цветных изображений) или полутоновые градации (для черно-белых) имитируются комбинированием, смесью точек. Чем качественнее полиграфическое оборудование, тем меньше отдельные точки и расстояние между ними.

Для устройств печати на бумаге особенно важна проблема качества красок. В полиграфии для получения цветных  изображений обычно используют три цветных краски и одну черную, что в смеси дает восемь цветов (включая черную краску и белый цвет бумаги). Иногда встречаются системы с шестью и восемью базовыми цветами, однако такая технология печати намного сложнее.

Лекция "1. Этапы развития эргономики" также может быть Вам полезна.

Если графическое устройство не способно воссоздавать достаточное количество цветов, тогда используют растрирование - независимо от того, растровое это устройство или не растровое. Эти способы основываются на свойстве человеческого зрения - пространственной интеграции. Если достаточно близко расположить маленькие точки различных цветов, то они будут восприниматься как одна точка с некоторым усредненным цветом. Если на плоскости густо расположить много маленьких разноцветных точек, то будет создана визуальная иллюзия закрашивания плоскости некоторым усредненным цветом.

Эти методы часто используются в графических системах. Они позволяют увеличить количество оттенков цвета за счет снижения пространственного разрешения растрового изображения. Такие методы получили название  дизеринг  (от англ.
dithering – дрожание, разрежение).

Простейшим вариантом дизеринга можно считать создание оттенка цвета парами соседних пикселов.

Если в ячейке размерами n x n пикселов использованы два цвета, то с помощью такой ячейки можно получить n²+1 различных цветовых градаций. Возможны две предельные комбинации: все пикселы ячейки имеют цвет C₁ – вся ячейка имеет, соответственно, цвет C1, все пикселы ячейки имеют цвет C₂ – вся ячейка имеет цвет C₂. Все иные комбинации дают цвета, промежуточные между C₁ и C₂. Таким образом получается растр с разрешающей способностью в n раз меньшей, чем у исходного растра, а глубина цвета возрастает пропорционально n².

Для характеристики изображений, получаемых методом дизеринга, используется термин линиатура растра. Линиатура вычисляется как количество линий (ячеек) на единицу длины и измеряется обычно в единицах lpi (lines per inch).

Один из способов создания достаточно качественных изображений – диффузный дизеринг (diffused dithering). Он заключается в том, что ячейки создаются случайно (или псевдослучайно), поэтому даже для фрагмента растра пикселов с постоянным цветом не  образуются регулярные структуры и изображение не выглядит созданным из ячеек.