Управление яркостью в компьютерной графике: нелинейный аспект

Аннотация: 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.

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 , — это направление мы собираемся развивать и здесь. Памятуя о том, что номенклатура нелинейных инструментов превалирует, оставим прочий (т.е. кроме) 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) Y'=Y₀+ДY;
• — для пропорционального изменения яркости Y'=Y₀ЧM;
• — для нелинейного изменения яркости Y'=Y₀ЧF (Y₀), (1)

где Y' - результирующая яркость, Y₀ — исходная яркость, ДY — изменение яркости, M — коэффициент изменения яркости, F — 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 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 — физиологический, то есть очень слабый и к существенному изменению яркостного контраста (и яркостной изобразительной информации) не приводящий. Значит, в [2,3] для яркостного контрастирования утилитарен в другой ипостаси. Вторая, неявная, роль инструмента , — это установка опорной точки для инструмента. Таким образом, осуществляется широко представленная в графическом ПО связка инструментов /.

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

Исследованные пакеты программ.

Отметим сразу, что эксперимент проводился на том же тест-объекте, что и в [3] - у левой половины квадратного поля яркость Y=111,47 (NTSC) 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: ломаные (GIMP, IrfanView, PhotoFiltre Studio), s-образные (ArcSoft PhotoStudio, PhotoShop CS5), экспоненциальные (HDR PhotoStudio) и комбинированные (ACDSee Pro). Типичные яркостные характеристики нелинейных инструментов демонстрируются графиками рис. 2.

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. Повторимся, — ситуация модельная и ни к каким реальным правонарушениям отношения не имеет.

Как видим, незначительный, судя по рис. 4, сдвиг насыщенности, присущий инструменту, 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 с инструментом 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 пользователь может просто не догадываться.

Таким образом, резюмируя изложенное с позиций информационного (что было постулировано во введении) контрастирования исследованные нелинейные инструменты 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.

• 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/2016/08/70 870.
• 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. 65941I.1−65941I.8.
• 5. Rinkeviиius 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. Inћenernyj 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. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, № 3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2016/3707.
• 11. Carvey H. Windows Forensic Analysis. Elsevier, 2007. 348 p.