Различимость деталей изображения

Различимость деталей изображения — это свойство аппарата зрения, включая мозг человека, зрительно выделять детали из общего изображения. Это свойство, обобщающее две характеристики — остроту зрения и контраст.

Острота зрения — способность зрительного аппарата различать мелкие детали изображения. Эта характеристика — многофакторная, зависит от расстояния, с которого ведется наблюдение, освещенности изображения в целом и т. п. Каждому человеку и даже каждому глазу присуща своя острота зрения.

Другой характеристикой является контраст^[1]. По цветности различают ахроматический и хроматический контраст.

Ахроматический контраст — субъективная количественная сравнительная характеристика различий в яркости двух объектов выше визуально воспринимаемого порогового значения, связанная с реакцией аппарата зрения на изменение уровней яркости этих объектов.

Хроматический (цветовой) контраст — субъективная количественная сравнительная характеристика различий в цветовом тоне (оттенке цветового тона) двух объектов при одинаковой яркости их выше визуально воспринимаемого порогового значения, связанная со спектральной чувствительностью аппарата зрения.

По последовательности демонстрации (восприятия) изображений различают одновременный и последовательный контраст. Одновременный контраст может быть разделенным и пограничным (приграничным).

Комбинируя элементы классификационных групп между собой получим обобщенную классификацию видов контраста:

1. Одновременный яркостный контраст. На рис. 5.16 слово «контраст» (на обоих рисунках) имеет одинаковую оптическую плотность, однако текст на светлом фоне воспринимается более темным, чем текст на темном фоне.

Рис. 5.16. Демонстрация одновременного яркостного контраста

• 2. Одновременный цветовой контраст возникает при сочетании цветов и реализуется в гармонирующих или негармонирующих парах, например, в одежде, архитектуре.
• 3. Пограничный яркостный контраст. При существенной разнице оптических плотностей (рис. 5.17) вблизи границы раздела полей участок с меньшей оптической плотностью кажется более светлым (левый участок), правый участок кажется более темным, чем на самом деле.

Рис. 5.17. Демонстрация пограничного яркостного контраста

При малой разнице оптических плотностей (рис. 5.18) (в случае более широкого диапазона плотностей) данный эффект не наблюдается.^[2][3]

Рис. 5.18. Демонстрация подавления эффекта пограничного яркостного контраста

В литературе встречается иная формула для определения контраста. Так, Г. Б. Штрейс и В. Н. Смирнов¹, ведя речь о «контрастности» в диазотипии, со ссылкой на работу М. С. Динабург^[4][5], представляют контраст изображения как разность оптических плотностей изображения и фона светокопии:

Верно ли это? Рассмотрим предельные случаи. Первый случай: оптическая плотность изображения Б_и равна оптической плотности фона Бф. Тогда к = Б_и — Бф = 0. Второй случай: оптическая плотность фона равна нулю Бф = 0, т. е. имеет место идеальное отражение света от фона. Тогда к = Б_и. Но в этом случае контраст совпадает с оптической плотностью изображения, что является абсурдом, поскольку реально определяемая оптическая плотность в зависимости от чувствительности денситометра может принимать значения до 3 денс, а коэффициент к может изменяться от нуля до единицы. Если нет резко выраженной противоположности, то не может быть и контраста, поскольку оптическую плотность изображения не с чем сравнивать. Кроме того, оптическая плотность не может быть коэффициентом. Таким образом, формула (5.2) неверна.

Как следует из уравнения (5.1), контраст показывает только разницу между экстремальными значениями яркости и ничего не говорит о числе градаций между экстремальными значениями яркости. Действительно, можно представить два изображения, имеющих одинаковое значение к, т. е. одинаковые значения L_v max и L_v min. Но одно изображение будет иметь большее число градаций яркости, чем другое, и это первое изображение будет выглядеть более мягким, а может быть даже вялым по сравнению со вторым, более контрастным. Таким образом, только на основании величины к нельзя судить о градационных свойствах изображения.

В фотографии для характеристики градационных свойств фотослоев используется параметр, называемый коэффициентом контрастности и обозначаемый греческой буквой у. Он представляет собой тангенс угла наклона прямолинейного участка характеристической кривой к оси абсцисс (lg Н) (рис. 5.19). Чем больше угол а, иначе, чем больше коэффициент контрастности у фотослоя, тем контрастнее фотослой и тем меньший диапазон градаций оптических плотностей приобретает фотослой.

Параметр «гамма» с успехом применяется для характеристики не только фотослоев, но и электронных визуализаторов изображения: телевизоров, мониторов, дисплеев. Чем выше гамма, тем более контрастное изображение можно получить, например, на экране монитора персонального компьютера.

Рис. 5.19. Характеристическая кривая фотослоя

С контрастом тесно связан параметр, характеризующий качество оптической системы — разрешение. Этот параметр показывает, какое число однотипных мелких деталей без искажений может воспринять приемник оптического сигнала (например, ПЗСи КМОП-матрица¹) или передать оптическая система.

Разрешение оптических систем принято характеризовать числом линий, заключенных в одном линейном миллиметре: чем больше это число, тем выше разрешение. Для определения разрешения оптических систем в качестве тест-объектов^[6][7] используют миры, представляющие собой шкалы, образованные чередованием черных и белых линий на белой непрозрачной основе (либо черных непрозрачных и прозрачных линий на прозрачной основе). При этом число линий на мм на соседних полях шкалы увеличивается, а сами линии становятся уже (рис. 5.20).

Рис. 5.20. Тест-объекты для определения разрешающей способности — миры:

а — Бурмистрова; б — радиальная; в — Ащеулова Производители цифровой техники, в том числе ПЗСи КМОПматриц, разрешение характеризуют числом пикселей^[8]. Этот параметр неоднозначно характеризует разрешение технических средств, поскольку не отражает размер матрицы и, как следствие, не является прямым аналогом разрешения в лин/мм.

Обычно размеры матриц обозначают в дюймах (1 дюйм = 25,4 мм). В табл. 5.1 приведены наиболее употребительные размеры матриц, применяемых в технических средствах.

Для перехода от разрешения в пикселях к разрешению в лин/мм и обратно М. Ю. Арсентьев предлагает приведенную ниже методику.

Разрешение матрицы? в пикселях (без учета коэффициента Келла) определяется по формуле.

где, а — ширина матрицы, мм; b — длина матрицы, мм; Л' — разрешение матрицы, лин/мм.

Таблица 5.7.

Размерные характеристики ПЗС-матриц.

Коэффициент Келла (называемый также Келл-фактор) показывает степень заполнения линии пикселями.

Пример 5.1.

Оптическая система (объектив), имеющий разрешение А' = 100 лин/мм, рассчитан на работу с ПЗС-матрицей форматом 1 дюйм. В этом случае i; = 4 х х 12,8 — 9,6−100² = 4915 200 = 4,9 Мп.

Определение разрешения в лин/мм по заданному значению разрешения в мегапикселях проводится по следующей формуле:

Разрешение аппарата зрения называется остротой зрения и определяется при помощи офтальмологической таблицы.

Острота зрения — характеристика субъективная, зависящая от многих факторов: свойства аппарата зрения, освещенности объекта наблюдения, удаленности объекта от наблюдателя и т. д.

Острота зрения играет важную роль в восприятии полиграфической продукции, в первую очередь, растровых изображений.

Прежде чем рассматривать процесс воспроизведения печатной продукции, обратимся к классификации изображений (преимущественно речь идет об изобразительных оригиналах) по их монохроматической тональности. Различают изображения штриховые, полутоновые и растровые. В основу классификации таких изображений положено число градаций оптических плотностей у них.

Штриховые изображения не имеют градаций^[9]. Налицо единственное значение оптической плотности изображения относительно подложки (бумаги, прозрачной пленки и пр.): площадь элементарного штрихового изображения во многом превышает значение разрешающей способности человеческого зрения.

Полутоновые изображения образованы элементами, площадь которых лежит за пределами разрешающей способности человеческого глаза при наблюдении с расстояния нормального зрения и образующими градации оптических плотностей от D_max до D_min. Чем меньше число градаций, тем более контрастное изображение. При исследовании твердых копий (распечаток на принтере, многофункциональном устройстве или копировально-множительном устройстве) либо полиграфических оттисков D_min есть оптическая плотность незапечатанного белого поля бумаги^[10].

В полиграфии печать изображений (текста и иллюстраций) осуществляется печатными формами, представляющими собой пластины, плиты или листы фольги. На печатных формах имеются печатающие и пробельные элементы. Печатающие элементы воспринимают краску и передают ее на бумагу. Пробельные элементы краску не воспринимают, но вместе с печатающими образуют изображение.

За исключением нескольких способов печати в полиграфии нельзя получить полутоновые изображения, образованные плавными переходами полутонов от светов к теням, поскольку, как отмечено выше на печатной форме есть только печатающие и пробельные элементы, которые, соответственно, либо воспринимают одинаковый по толщине слой краски, либо — нет.

При воспроизведении полутоновых иллюстраций (фотографий, акварельных рисунков и пр.) полиграфисты прибегают к помощи автотипного растра — мелкой сетки, образованной черными непрозрачными линиями и прозрачными ячейками между ними.

Полутоновое изображение, подлежащее воспроизведению, фотографируют через растр, обеспечивая специальные условия фотосъемки. В результате полутоновое изображение оригинала на негативе получается разбитым на мелкие точки, а благодаря специальным условиям фотосъемки точки имеют меньший диаметр в светах и больший в тонах. Таким образом, непрерывному полутоновому изображению оригинала на негативе будет соответствовать микроштриховое. В этом нетрудно убедиться, изучив под лупой с увеличением до 10^х печатное изображение — иллюстрацию.

Полиграфические растры характеризуются линеатурой^[11] — числом линий, приходящихся на один линейный сантиметр. Типажный ряд образуют растры 24, 30, 36, 40, 48, 54 и 60 лин/см. С помощью низколинеатурного растра в 24 лин/см образуется изображение, на котором наблюдателю с острым зрением видны растровые точки с расстояния нормального зрения в 25—30 см невооруженным глазом. На печатных изображениях, полученных с применением растров больших линеатур, растровые точки непосредственно неразличимы и изображение в целом воспринимается как полутоновое, поскольку растровые точки лежат за пределами разрешающей способности аппарата зрения. В последние десятилетия линеатуру обозначают Lpi (line per inch) и обозначают в линиях на дюйм.

Применение компьютеризированных технологий (персональных ЭВМ — компьютеров, оснащенных программными продуктами — графическими редакторами Adobe Photoshop, CorelDraw и др.), позволило записывать на фотопленку, а использование в качестве периферийного выводного устройства — принтеров, получать на бумаге или прозрачной основе растровые изображения с заданной линеатурой.

Каждая растровая точка на фотовыводных устройствах либо принтерах, в свою очередь, воспроизводится с помощью более мелких точек (некоторого аналога пикселей), в отличие от линеатуры называемых разрешением и характеризуемых величиной dpi (dot per inch — точек на дюйм). Таким образом, растровая точка, характеризуемая линеатурой, состоит из мелких точек, характеризуемых параметром dpi.

При dpi = 300 наблюдатель с острым зрением и с расстояния нормального зрения различает у растровой точки (или у штриха) неприятные зубчатые края. Чем выше dpi, тем более сглаженными представляются края точек и штрихов. Становится ясно, что Lpi и dpi суть разные характеристики аппаратно-программных комплексов, независимо устанавливаемые при выводе изображения на бумажный или пленочный носитель.

• [1] От фр. contraste — резко выраженная противоположность.
• [2] Пограничный цветовой контраст возникает, например, при рассматривании серого кружка на красном фоне. Замечено, что при длительном созерцании красного фона серый кружок с течением временивоспринимается зеленым.
• [3] Последовательный цветовой контраст — установлено, что придлительном сосредоточении взгляда на красном фоне и последующемперенесении его на желтый кружок цвет кружка воспринимается в первый момент как зеленый. Известны более сложные комбинации последовательных цветовых контрастов. Изложенное, целесообразно проиллюстрировать древнеримскойсентенцией: «не слишком доверяй цвету». Контраст в общем случае определяется по формуле Рассмотрим крайние случаи: 1) при одинаковой яркости объектов, т. е. при отсутствии контраста Lv> max = L min = Ц" к = 0; 2) при Ly min = 0 к = 1. Таким образом, 0 < Lv < Lv max, а 0 < k < 1.
• [4] Штрейс Г. Б., Смирнов В. Н. Исследование влияния подслоирования светоосновына оптические свойства диазобумаги // Исследование процессов технологии бумаги: Сб. тр. ЦНИИБ. М.: Лесная промышленность, 1974. Вып. 9. С. 78—84.
• [5] Динабург М. С. Светочувствительные диазосоединения и их применение. М. —Л., 1964.
• [6] ПЗС-матрицы (приборы с постоянной зарядовой связью) и КМОП-матрицы (приборы композитные — «металл — оксид — полупроводник») — плоскостные приемникиизображения, используемые в цифровой технике.
• [7] Тест-объекты — унифицированные либо стандартные объекты, предназначенныедля тестирования (поверки либо настройки) технических средств.
• [8] Обычно используется кратная величина — мегапиксель, равная одному миллиону пикселей.
• [9] Градация (лат. gradatio — постепенное возвышение, усиление) — постепенностьперехода от одного к другому, размеренный, последовательный переход от низшей ступени к высшей и наоборот [Краткий словарь иностранных слов / под ред. И. В. Лёхина, Ф. Н. Петрова. М.: Гос. изд-во ин. и нац. словарей, 1950].
• [10] Ответ на комментарий Сергея Мельникова к статье А. П. Андреева «К вопросуоб идентификации струйного печатающего устройства по расположению дискретныхэлементов (микрокапель чернил) на отпечатанном изображении» // Энциклопедиясудебной экспертизы: Научно-практический журнал. 2016. № 4 (11). URL: http://www.proexpertizu.ru/letters_to_the_editor/706/.
• [11] От лат. linearis — линейный.