Исследование передачи изображений при сканировании и получении копий фотоснимков

Созданные на стыке физики, химии, технологии и техники фотографические способы регистрации изображений светочувствительными слоями с микрокристаллами галогенидов серебра нашли широкое применение практически во всех областях человеческой деятельности. Изображения земной поверхности на черно-белых фотопленках, получаемые при аэрофотосъемке и фотосъемке из космоса необходимы и используются для решения важных прикладных задач в картографии, геодезии, сельском и лесном хозяйстве, геологии, природоохранной деятельности, военном деле, при исследовании природных ресурсов и т. д. Существенное достоинство использования фотопленок для аэрофотосъемок — возможность получать детальные снимки больших площадей земной поверхности. Оно способствовало успешному развитию как методов и техники аэрофотографии, так и созданию специального класса фотоматериалов — аэрофотопленок для получения изображений земной поверхности в самых разных условиях освещенностей. В процессе выполнения работ в этой области большое внимание уделялось установлению взаимосвязей между характеристиками фотоматериалов, условиями съемки и распознаванием на получаемых фотоснимках наблюдаемых объектов.

Дальнейшее развитие аэрофотографии связано с более широким использованием современных информационных технологий для обработки фотографических изображений, их передачи и хранения, что требует преобразования содержащейся в фотоснимках информации в цифровую форму и последующей печати цифровых изображений. Системы фотографической регистрации, канал передачи информации которых, включает фотосъемку на фотоматериал, преобразование получаемого аналогового фотографического изображения в цифровую форму при сканировании, компьютерную обработку и печать цифрового изображения, получили название гибридных. Такие системы уже успешно используются в любительской фотографии, полиграфии и для обработки результатов аэрофотосъемок. Известно, что передача информации по любому каналу сопровождается ее искажениями и потерями, которые при передаче изображений могут привести к существенному уменьшению их информативности. Сведения о полноте передачи информации гибридными фоторегистрируюгцими системами ограничены, что затрудняет установление путей их совершенствования для новых систем аэрокосмического мониторинга земной поверхности. В частности нет полной ясности в вопросе об изменениях характеристической кривой фотоматериала при ее сканировании и в результате компьютерной обработки и, следовательно, в определении значений светочувствительности для расчетов условий фотосъемки, тем более что для считывания фотоснимков используются фотоприемники, по характеристикам отличающиеся от характеристик органов зрения человека. Из-за ограниченности экспериментальных данных не имеют достаточных обоснований требования к разрешению сканера для передачи деталей, разрешаемых системой фотоаппарат — фотопленка. Кроме того, малые размеры элементов изображений на высокоразрешающих снимках и, как правило, малые их контрасты требуют установления условий печати их цифровых копий, тем более что печать изображений производится с растрированием.

Достижение целей работы потребовало:

1. Рассмотрения характеристик фотографического изображения, процессов и оборудования, применяемого при сканировании и печати цифровых копий, способов обработки цифровых изображений и установления причин потерь информации при ее передаче по каналу «фотоснимок — копия».

2. Проведения экспериментальных исследований по установлению влияния характеристик фотографического изображения, условий сканирования и печати на передачу оптических плотностей и деталей изображений их копиями.

3. Разработки на основании результатов экспериментальных исследований рекомендаций по условиям сканирования, способам обработки цифровых изображений и их печати, включающим определение требований к используемому оборудованию.

Научная новизна работы.

1. Экспериментально установлено, что сканирование фотоснимков и компьютерная обработка получаемых цифровых изображений позволяет получить для гибридной фоторегистрирующей системы большую величину светочувствительности, чем достигаемая на фотоматериале, и приводит к лучшему распознаванию малоконтрастных деталей на участках фотопленки, получивших малые экспозиции.

2. Экспериментально показано, что соотношение между приборным разрешением сканера и разрешаемой на копии, полученной после компьютерной обработки и печати цифрового изображения, группой штрихов резольвометрической миры, сохраняется для существенно больших интервалов оптических плотностей и контрастов, а для передачи изображений с разрешением Я линий/мм оптическое разрешение сканера должно быть не меньше 101,6×11 ррь.

3. Для сохранения распознаваемости деталей цифрового изображения на копии ее печать должна производиться с увеличением, зависящим от размера элементов растра и для линейных растров равным или большим отношению линиатуры растра к разрешению цифрового изображения.

Практическая значимость работы.

1. Показана возможность увеличения светочувствительности гибридной фоторегистрирующей системы по сравнению со светочувствительностью фотоматериала за счет увеличения контраста в области недодержек характеристической кривой путем компьютерной обработки цифрового изображения и предложен способ контроля этой операции.

2. Обоснована целесообразность разработки тонкослойных фотопленок с уменьшенным содержанием серебра для ГФРС.

3. Предложена методика определения светочувствительности ГФРС.

4. Определены требования к разрешению сканера для передачи изображений с заданной разрешающей способностью.

5. Определено увеличение необходимое для распознавания объектов заданного размера при печати цифровых изображений.

На защиту выносятся положения.

1. Светочувствительность ГФРС может быть увеличена по сравнению с фотопленкой путем повышения контраста в результате компьютерной обработки цифрового изображения.

2. Характеристики ГФРС могут быть улучшены за счет использования для фотосъемки специальных тонкослойных фотопленок с уменьшенным содержанием серебра.

3. Методика определения светочувствительности ГФРС должна предусматривать оценку передачи оптических плотностей по всему каналу.

4. Для передачи деталей фотографического изображения, имеющего разрешающую способность Л,], линий/мм, необходимо, чтобы разрешение сканера было не меньше 101,6×11ф ррь.

5. Наименьшие детали отсканированного изображения различаются на твердой копии, если ее печать производится с увеличением, не меньшим чем 2Ь/Я, где Ь — линиатура полиграфического растра, с которым будет производиться дальнейшая печать (1р1) — Я — разрешающая способность сканера (РРО.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на девятой международной конференции, посвященной 30-летию Кемеровского государственного университета, 22−25 сентября 2004 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.

Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 95 страниц машинописного текста, 29 рисунков, 29 таблиц и состоит из пяти глав, введения, заключения и списка цитируемой литературы содержащего 84 наименования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Рассмотрение способов получения фотографических изображений и их структуры, способов и характеристик оборудования, используемого при сканировании фотоснимков и получения их твердых копий, позволило выявить источники и причины потерь информации при ее передаче от исходного негатива к его копии. Показано, что эти потери связаны с природой фотографического изображение и его структурными характеристиками, аберрациями в используемой оптике, характеристиками фотоприемников сканера и условиями сканирования, искажениями видеосигнала при его дискретизации и квантовании, способом и условиями печати твердых копий.

2. В результате исследования сканирования фотографических изображений, проявленных до различных значений коэффициента контрастности:

— установлено, что повышением контраста их цифровых копий с помощью компьютерной обработки можно достичь существенного увеличения светочувствительности,.

— показано, что степень повышения контраста можно контролировать по приборной зависимости интегральных сигналов фотоприемников сканера (пикселей) от экспозиции, соответствующей считываемым оптическим плотностям,.

— предложена методика определения общей чувствительности гибридной фоторегистрирующей.

3. Экспериментально установлена связь между разрешающей способностью фотоснимка и оптическим разрешением сканера. Сканирование фотографических изображений резольвометрических мир показало, что мелкие малоконтрастные детали распознаются как на экране, так и на копии, в более широком, чем на фотопленке, и в более широком интервале оптических плотностей штрихов и промежутков, чем на исходном изображении.

4. Для лучшего визуального восприятия копий рекомендовано печать цифровых изображений проводить с увеличением, при котором минимальные детали изображения передавались бы не менее чем 2 линиями растра печатающего устройства.

5. Для гибридных систем детального фотонаблюдения земной поверхности целесообразна разработка тонкослойных пленок с уменьшенным содержанием серебра и включение в канал передачи информации предварительного дешифрирования аэронегативов с целью выделения информационно значимых участков изображения для последующего их сканирования с разрешением, при котором для передачи элемента изображения использовались бы не менее двух пикселей.