Исследование передачи изображений при сканировании и получении копий фотоснимков

Трушин, Николай Геннадьевич

Исследование передачи изображений при сканировании и получении копий фотоснимков тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

Трушин, Николай Геннадьевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Кемерово МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Исследование передачи изображений при сканировании и получении копий фотоснимков»

Автореферат диссертации на тему "Исследование передачи изображений при сканировании и получении копий фотоснимков"

На правах рукописи

Трушин Николай Геннадьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕДАЧИ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПРИ СКАНИРОВАНИИ И ПОЛУЧЕНИИ КОПИЙ ФОТОСНИМКОВ

Специальность 02.00.04 - физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 2006

А/Г

Работа выполнена на кафедре экспериментальной физики ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»'

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Москинов Виталий Алексеевич

Официальные

оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук Баблюк Евгений Борисович; доктор химических наук Утехин Александр Николаевич Военно-воздушная инженерная академия им. проф. Н. Е. Жуковского

Защита диссертации состоится «О-» 2006 г., в 4О часов

на заседании диссертационного совета Д 212.088.03 при ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет».

Автореферат разослан «72 » '1 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор химических наук, профессор

Б. А. Сечкарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. 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 меясцу характеристиками фотоматериалов, условиями съемки и распознаванием на получаемых фотоснимках наблюдаемых объектов.

могут привести к существенному уменьшению их информативности. Сведения о полноте передачи информации ГФРС 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.

Цели работы - исследование передачи оптических плотностей и деталей изображений при их сканировании и печати и установление путей совершенствования ГФРС для детального фотонаблюдения земной поверхности с борта летательных аппаратов.

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 позволяют получить для гибридной фоторегистрирующей системы большую величину светочувствительности, чем достигаемая на фотоматериале, и приводят 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 101,6хЯ рр1.

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 Иф линий/мм, необходимо, чтобы разрешение сканера было не меньше 101,6x1*,}, ррь

5. Наименьшие детали отсканированного изображения различаются на твердой копии, если ее печать производится с увеличением, не меньшим чем 2Ь/Ы, где Ь — линиатура полиграфического растра, с которым будет производиться дальнейшая печать (1р0; И. — 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 работах, 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цели, задачи, объект исследования, указаны положения, выносимые на защиту. Определена научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе сделан обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных изучению состава и строения светочувствительных слоев, процессов,

протекающих при проявлении, структурометрических и сенситометрических характеристик фотографического изображения. Рассмотрены основные типы сканирующих устройств, приемными элементами которых являются прибор с зарядовой связью (ПЗС) и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), физические основы их работы и характеристики, влияющие на потерю информации в фоторегистрирую-щей системе. Обсуждены способы печати и основные параметры, влияющие на качество получаемого изображения.

Фотопленка в процессе преобразования изображения в цифровую форму служит прозрачным оригиналом. Черно-белое фотографическое изображение состоит из отложений серебра, воспроизводящих картину распределения экспонирующего сигнала. Фотографические и структурометрические свойства светочувствительных материалов в основном определяются размерами и формой микрокристаллов гало-генидов серебра, их концентрацией в светочувствительном слое, толщиной слоя и условиями проявления. Рассеяние света в слое обусловлено его дифракцией и отражением на эмульсионных микрокристаллах. Преобладание того или иного процесса зависит от размеров микрокристаллов. Количество рассеянного света в единице объема изменяется с глубиной слоя. Следствием рассеяния в слое являются ухудшение распознавания деталей изображения с уменьшением их контраста и потеря разрешающей способности.

Процесс сканирования изображения заключается в поэлементном считывании двумерного изображения сфокусированным световым лучом. Прошедший через изображение световой поток приобретает амплитудную модуляцию и в фотоприемнике преобразовывается в электрический сигнал, который кодируется в аналого-цифровом преобразователе. Изображение, таким образом, передается последовательностью сигналов, величина каждого из которых представляется в двоичном коде. Основным элементом сканера является фотоприемник. В современных сканерах применяются в основном фотоприемники двух типов: фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и приборы с зарядовой связью (ПЗС, рис. 1).

их<и2

Фз-Ф2 ■ «V

Обедненная зона

Ячейка 1 Ячейка 2 Ячейка ^

I II II I

щщщщщ

Выходное

51 1 устройство

х Сигнал изображения

Рис. 1. Схема ПЗС: а - МОП (металл-оксид-полупроводник) конденсатор; б - схема переноса заряда; в - линейная однострочная структура преобразователя

В ПЗС процессы накопления зарядов и их считывание разделены во времени. Развертка изображения производится в промежуток времени, соответствующий обратному ходу. При этом одновременное перемещение зарядов вдоль линейки происходит от первой ячейки слева направо, а сигнал изображения на выходе получается в обратном порядке, начиная с последней ячейки строки. Таким образом, осуществляется самосканирование - передача информации за счет зарядовой связи путем изменения «глубины» потенциальных ям под электродами МОП-конденсаторов.

Твердые копии аэрофотоснимков могут быть получены на бумажной и пленочной прозрачной подложке нанесением красящих веществ. Последние подразделяются на пигменты (органические и неорганические цветные, белые или черные субстанции, которые не растворимы в системах носителей) и красители (растворимые органические вещества). Пигменты в виде твердых частиц или агломератов молекул распределены в жидком носителе — связующем во взвешенном состоянии. При получении копии цифровое изображение растрируется. Растрирование может быть амплитудно-модулированным и частотно-модулированным. Каж-

дал растровая точка составляется из отдельных пикселей, а количество уровней градации оптических плотностей определяется размером растровой ячейки, внутри которой воспроизводятся уровни градации оригинала. Основные характеристики растровой печати - линиатура растра L (в линиях на сантиметр или линиях на дюйм) и разрешение А (в dpi, т.е. точках на дюйм), с которым можно позиционировать отдельные элементы.

Как видно из рис. 2, количество элементов N в казвдой растровой ячейке, определяющие число уровней серого, определяется линиатурой растра L и адресностью А. При этом N = (A/L)2 (например, N = 64 для L = 150 dpi и А = 1200 dpi).

Лиматур* L Dpi] (L [Ipcr]) (частота растра)

Растровая гякка

11 (пример с 17уровнями градации) к

■

1 - —

1 _

Период "a"""mwl растра

градации

43 .

пример:

S лютей градации

назпбмект

(g.S)

1200

1800

Ддрсмст» A (dpi) (разрешающая способность)

Рис. 2. Связь между линиатурой, адресностью и числом градаций при цифровом растрировании и построении изображения (65 уровней градации соответствуют 64 градациям серого)

Анализ канала передачи информации «фотопленка - сканер — печатающее устройство» позволил выявить источники её потерь, из которых основными будут рассеяние в эмульсионном слое, несущем изображение, аберрации в оптической системе, физические ограничения регистрации сигналов в ПЗС, искажения сигнала в АЦП при его дискретизации и квантовании, особенности растрирования изображения в печатающем устройстве. Сложность рассматриваемого канала передачи информации не позволяет расчетным путем определить величину потерь

информации при передаче по нему изображений - следствием этого является необходимость исследований передачи изображений мелкомасштабных аэрофотоснимков больших форматов в ГФРС как при проведении отдельных операций, так и ГФРС в целом.

Во второй главе описаны используемые в работе оборудование и материалы. Основные характеристики применявшихся сканеров приведены в табл. 1. Печать цифровых изображений производилась на принтерах, отличающихся способом печати: термическая и пьезоэлектрическая струйная печать, лазерная монохроматическая печать и фотопечать.

Таблица 1

Наименование сканера Hewlett Packard 4470 С Epson 3200 Photo Danagraf Scan Mate 5200 Noritsu QSS-2901

Тип сканера Планшетный однопроходный сканер Планшетный однопроходный сканер Сканер барабанного типа Матричный слайд-сканер

Тип преобразователя Линейная ПЗС-матрица Линейная ПЗС-матрица ФЭУ ГОС-магрица

Оптическое разрешение, рр1 1200 3200 5200 7058

Динамический диапазон, О 2,8 3,4 4,0 4,0

В качестве фотоматериалов использовались аэрофотолленки тип 68К, Т-30, Т-42Л, Т-38, РТ-бФ, фотопленка ФН-100, а также специально изготовленные образцы пленок, различающиеся содержанием серебра и толщиной светочувствительного слоя. Фотопечать цифровых изображений проводилась на пленки ФТ-21М и Kodak GEN 5 GRD. При определении сенситометрических и структурных характеристик материалов использовались сенситометры ФСР-41, УКЭП-1М, резольвометр РП-2М и денситометр ДП-1М.

В третьей главе описаны методики экспериментальных исследований передачи фотографических изображений по каналу передачи информации ГФРС.

Общая схема исследования передачи информации при сканировании фотографических изображений представлена на рис. 3.

Рис. 3. Обща схема исследования

В качестве тест-обьекта при исследовании передачи оптических плотностей использовалось фотографическое изображение сенситометрического клина. Сенситометрические испытания фотоматериалов проводились в соответствии с ГОСТ 10691-084. При изучении передачи деталей изображения - ГОСТ 2819-68.

Компьютерная обработка цифровых копий изображений тест-объектов осуществлялась в растровом графическом редакторе Adobe Photoshop 7. Изменение контраста изображений достигалось с помощью инструментов тоновой и цветовой коррекции. Для удобства сравнения по контрасту цифровых изображений сенситометрического клина строились зависимости уровня яркости от экспозиции. Уровень яркости определялся величиной средней градации серого (медианы) для каждого поля сенситометрического клина. Копии обработанных в графическом редакторе цифровых изображений тест-объектов печатались на бумажные и пленочные носители (фотобумагу, бумагу для струйной и лазерной печати, фотопленку).

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования передачи оптических плотностей при сканировании. Разноконтрастные изображения сенситометрического клина были получены на аэрофотопленках и образцах фотопленок с различным содержанием серебра в светочувствительных слоях путем изменения продолжительности проявления.

Увеличению контраста цифровых изображений с помощью компьютерной обработки предшествовало изучение действия на гистограмму различных преобразований. Было установлено, что на сигналы каждого пикселя действуют в отдельности, независимо от тона или от разности тонов с соседними пикселями,

операторы яркости, контраста, гамма-коррекции, преобразования тонов. Эти опе-

раторы не смешивают тона и не искажают гистограмму и пригодны для преобразования тонов.

Построение кривых уровня яркости изображений сенситометрических клиньев позволяет проводить сравнение фотоматериалов, поскольку получаемые кривые подобны характеристической кривой (рис. 4). В некоторых случаях такое подобие нарушалось из-за более низкого, чем у обычных фотографических систем, динамического диапазона сканеров, для расширения которого производителями используется аппаратная гамма-коррекция, вызывающая искажения сигналов в средней части зависимости.

& ^ „л* ^ ^ ^ ^ ^

у С>- О- О- О- О- О- й- О- О- О- К* v V

Экспозиция (лк х сек)

Рис. 4. Результат сопоставления ХК (сверху) и кривой уровня яркости образца № 2 с временем проявления 2 мин

Экспериментально было проверено предположение о возможности увеличить светочувствительность путем увеличения контраста в области недодержек характеристической кривой. В качестве эталона использовались цифровые копии изображений сенситометрического клина, проявленные до наибольшего значения коэффициента контрастности. Печать цифровых изображений сенситограмм после увеличения контраста производилась на фотонаборном автомате Dolev 450 на фототехническую пленку Kodak GEM 5 GRD. По результатам измерений оптических

плотностей на полученных копиях строились характеристические кривые, по которым определялись сенситометрические характеристики. В качестве примера в табл. 2 и на рис. 5 приведены результаты для операции по увеличению контраста образца фотопленки с наносом серебра 1,5 г/м2.

Исследования привели к заключению о возможности достижения в ГФРС большей светочувствительности, чем на исходном фотоматериале в результате компьютерной обработки цифрового изображения. Таким образом, в гибридных системах для фотонаблюдения земной поверхности возможно использование аэрофотоматериалов с меньшими содержанием серебра и толщиной эмульсионного слоя. Так как эти же параметры влияют и на рассеяние в фотографических слоях можно ожидать, что использование специальных фотоматериалов приведет к регистрации при аэрофотосъемке более мелких объектов.

Экспозиция (л к х сек)

Рис. 5. Характеристические кривые оригинала и копии образца № 1 при времени проявления 2 мин

. Таблица2

Результаты сканирования и получения копий сенситограмм на образце № 1, проявленном в течение 2 мин

№ поля клина Экспозиция, лкхс Значение оптических плотностей на полях сенситограмм

оригинал копия

1 3,750 0,3 1,07

2 2,500 0,29 0,97

3 1,750 0,25 0,9

4 1,250 0,22 0,79

5 0,875 0,2 0,73

6 0,630 0,18 0,61

7 0,438 0,16 0,5

8 0,310 0,15 0,39

9 0,219 0,12 0,31

10 0,160 0,1 0,25

11 0,109 0,08 0,2

12 0,078 0,07 0,17

13 0,055 0,06 0,13

14 0,039 0,04 0,1

15 0,027 0,03 0,07

16 0,020 0,06

Во 0,03 0,05

У 0,2 0,7

§0.2 0,7 6,5

Зависимость получаемой на копии характеристической кривой от условий обработки цифрового изображения требует внесения изменений в методику проведения сенситометрических испытаний и определения светочувствительности для экспонометрических расчетов.

Общая схема методики определения светочувствительности фотоматериала в составе ГФРС включает установление ее значения по копии при регламентированных условиях проявления, сканирование, компьютерную обработку цифрового изображения и печать твердой копии.

Для изучения передачи деталей фотографического изображения при сканировании была использована методология фотографической резольвометрии. В каче-

стве тест-объектов использовались разноконтрастные фотографические изображения миры Ащеулова. Экспонирование мир производилось на резольвометре РП-2М за разными нейтральными светофильтрами, благодаря использованию которых изображение попадало на различные участки характеристической кривой. В качестве примера в табл. 3 представлены результаты определения разрешающей способности аэрофотопленки изопанхром тип 68, проявленной до разных значений коэффициента контрастности.

Таблица 3

Разрешающая способность фотопленки тип 68 (Я лин/мм), проявленной до разнога контраста

Контраст миры Разреш ром с п ающая способность (лин/мм) за нейтральным светофильт-ропусканием (%) Коэф. контрастности у

0,8 1,6 3,2 6,3 12,5 25 50 100

Я Я Я Я Я Я Я Л

Абсолютный 46 82 82 1,6

32 42 82 82 2,7

52 75 68 2,9

Малый (0,20) 41 55 55 1,6

55 45 2,7

55 55 2,9

Абсолютный 46 90 110 145 110 68 38 32 1,0

52 75 90 1,2

68 100 82 1,3

Малый (0,20) 37 50 45 1,0

37 45 41 1,2

26 41 37 1,3

Цифровое изображение миры получалось сканированием ее фотографического изображения на сканерах с различным оптическим разрешением, характеристики которых приведены выше. В табл. 4 приведены результаты сканирования раз-ноконтрастных изображений мир на планшетном и барабанном сканерах.

Коэффициент контраста, до которого проявлено изображение миры Тип миры Разрешение по монитору (лин/мм)

Планшетный сканер Epson 3200 Photo

1,0 Абсолютного контраста 24

1,2 24

1,6 24

2,7 17

2,9 15

1,0 Малого контраста 12

1,2 12

1,6 12

2,7 6

Барабанный сканер Danagraf Scan Mate 5200

1,0 Абсолютного контраста 50

1,0 Малого контраста 55

ЧКХ сканеров обычно не известны, а поэтому расчет минимальных размеров передаваемых изображений на основании приводимых характеристик сканера и задаваемых условий сканирования без дополнительных исследований не осуществим. Как оказалось, их ориентировочная оценка может быть сделана по приборному разрешению сканера на основании теоремы Котельникова - Найквиста. Из этой теоремы следует, что для передачи одной линии и одного промежутка ре-зольвометрической миры требуется около 4 линий фотоприемников (пикселей) в матрице ПЗС. Это заключение подтверждается приведенными в табл. 5 результатами сопоставления приборного разрешения сканера, рассчитанного разрешения и результатов сканирования резольвометрических мир, полученных на аэрофого-пленке изопанхром тип 68 при рассмотрении изображений мир на экране монитора при оптимальных условиях наблюдения.

Наименование сканера Epson 3200 Danagraf5200 Noritsu QSS-2901

Тип сканера Планшетный однопроходный сканер Сканер барабанного типа Матричный слайд-сканер

Тип преобразователя Линейная ПЗС -матрица ФЭУ ПЗС-матрица

Приборное оптическое разрешение, РР1 3200 5200 7058

Рассчитанное разрешение линий/мм 32 51 70

Разрешение на экране, линий/мм 38 46 68

Таким образом, экспериментально обосновывается возможность улучшения передачи деталей изображения в области малых плотностей (слабых сигналов) при повышении их контрастности в результате обработки цифровых файлов.

Изучение передачи деталей при печати цифровых изображений резольвомет-рических мир включало их предварительную компьютерную обработку в программе Photoshop 7, при которой с помощью инструментов масштабирования и манипуляции с размерами полного изображения, предлагаемыми редактором, увеличивался размер изображений с учетом требований последующей печати и условий визуального восприятия линейных структур. Для определения разрешаемой группы штрихов отпечатки рассматривались группой из трех человек с помощью различных оптических приборов (увеличительного стекла и микроскопа). Определение распознаваемой группы штрихов проводилось по процедуре, предусмотренной ГОСТ 2819-84. Некоторые результаты представлены в табл. 6 и 7.

Таблица б

Результаты сканирования и печати цифровых изображений резольвометрических мир на фотопленке ФН-100 (увеличение при печати х64)

Сканер, использованный при сканировании изображения миры Разрешение цифрового изображения миры на экране, линий/мм Разрешение по копии изображения миры, линий/мм

Danagraf Scan Mate 5200 46 46

Epson 3200 38 38

Noritsu QSS-2901 68 68

Таблица 7

Результаты сканирования на Epson 3200 Photo и печати на лазерных и струйных принтерах изображений резольвометрических мир на фотопленке ФН-100

Наименование принтера Разрешение в линиях/мм на отпечатке при кратности увеличения изображения миры в х N раз

Х8 Х16 Х32 Х64

HP Laser Jet 1320 35 42 46 46

HP Laser Jet 5si 35 42 46 46

HP 4050 ps 35 42 46 46

HP 500 24 38 46 46 46

Canon ip 2000 42 46 46 46

Epson stylus c42ux - 35 42 42

Lexmark z35 35 46 46 46

Величина увеличения при печати определяется разрешением цифрового изображения и размером растрового элемента. Из приведенных данных следует, что в передаче минимальной по размеру детали изображения должно участвовать не менее двух растровых элементов.

В пятой главе проводится обсуждение процесса преобразования аналогового изображения, содержащегося на фотоснимке, в цифровую форму с точки зрения получаемого объёма информации и производительности сканера. Производительность современных систем оцифровывания изображения типа «сканер — коыпыо-

тер» имеет достаточно высокие показатели по скорости обработки потока аналогового сигнала и объему преобразуемой информации. Средний объем данных, генерируемых сканирующими устройствами, составляет десятки мегабайт в секунду. При сканировании одного негативного черно-белого аэрофотоснимка формата 18x18 см, полученного с помощью аэрофотоаппарата (ТЭА-10) с разрешающей способностью 33 лин/мм, получается объем информации, равный около 490 МЬ. Оцифровка аэрофильма полностью (около 300 снимков) в режиме градации серого (8 бит) даст объем информации примерно 144 вЬ.

По этой причине, во-первых, для сканирования аэрофильмов с приемлемым временем ожидания должны применятся высокоскоростные сканеры и пишущие устройства хранения. Во-вторых, поскольку разные участки аэрофотофильма имеют различную информационную ценность, рекомендована следующая последовательность операций при оцифровке изображений с фотоматериала больших форматов:

1. Проведение предварительного дешифрирования аэрофильма или его сканирования с малым разрешением и выделение участков изображения, содержащих нужную информацию.

2. Сканирование выделенных участков изображения с максимальным и достаточным для распознавания самых мелких деталей изображения разрешением. Используемый для этого сканер должен иметь оптическое разрешение И» (в ррО, большее разрешающей способности фотографического изображения Яф:

>101,6 Ифррь

3. Проведение компьютерной обработки цифровых изображений выделенных фрагментов аэрофильма, которая может быть выполнена с использованием описанного в работе метода.

4. Печать копий с увеличением не меньшим 2Ь/Е?СК) где Ь — линиатура полиграфического растра, с которым будет производиться дальнейшая печать (1р1); Яск — разрешающая способность сканера (ррО-

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 изображения 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 фо-торегистрирующей системы.

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 па 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.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Трушин Н. Г., Кагакин Е. И., Дмитриева К. А. Передача информации в гибридных фоторегистрирующих системах // Физико-химические процессы в неорганических материалах: доклады Девятой международной конференции, посвященной 30-летию Кемеровского государственного университета, 22-25 сентября 2004 г.: в 2 т. / КемГУ. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2004. - Т. 1. - С. 192-195.

2. Трушин Н. Г., Кагакин Е. И., Миронова Н. В., Носкова М. В. Сравнительное исследование результатов фотосъемки по фотоотпечаткам, получаемым с негативов, и их цифровых копий // Физико-химические процессы в неорганических материалах: доклады Девятой международной конференции, посвященной 30-летию Кемеровского государственного университета, 22-25 сентября 2004 г.: в 2 т. / КемГУ. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2004. — Т. 1. - С. 503-504.

3. Трушин Н. Г. Исследование передачи изображений при сканировании и получении копий фотоснимков // Отчета о НИР. Раздел 11. Исследования по разработке новых технологий создания специальных фотопленок с повышенными фотографическими характеристиками / КемГУ. - Кемерово, 2004.

4. Москинов В. А., Трушин Н. Г. Передача мелких деталей при сканировании и получении копий фотографических изображений // Техника Кино и Телевидения. - 2004. - № 9. - С. 32-34.

5. Трушин Н. Г., Мещерякова Е. А., Гаврилова Н. В. Получение тест-объектов для исследования передачи разноконтрастных малых деталей при сканировании изображений // Сборник трудов молодых ученых Кемеровского государственного университета, посвященный 30-летию Кемеровского государственного университета / КемГУ. - Кемерово: Полиграф, 2004. - Вып. 4. - С. 202-204.

6. Москинов В. А., Трушин Н. Г. Сканирование кинодокументов: новые возможности в их реставрации и передаче // Техника Кино и Телевидения. — 2003. — №10.

Подписано в печать 1.11.2006. Формат 60х84'Лб. Бумага офсетная № 1. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,27. Тираж 100 экз. Заказ № 170/804

Издательство «Кузбассвузиздат». 650043, г. Кемерово, ул. Ермака, 7. Тел. 58-34-48

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Трушин, Николай Геннадьевич

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Влияние фотоматериала и условий проявления на характеристики 8 изображений.

1.2. Параметры характеризующие фотографическое изображение.

- сенситометрические характеристики.

- структурометрические характеристики.

1.3. Сканирование изображений.

1.4. Физико-химические основы печати, способы печати и характеристики печатающих устройств.

Глава 2. Используемые материалы, приборы и оборудование.

Глава 3. Методики экспериментов.

- изготовление тест-объектов для исследования передачи полутонов ФИ.

- изготовление тест-объектов для исследований передачи деталей ФИ.

- химико-фотографическая обработка фотопленок.

- сканирование.

- обработка цифровых изображений.

- печать цифровых изображений.

Глава 4. Результаты и обсуждение.

4.1. Исследование передачи полутонов при сканировании ФИ.

4.2. Исследование передачи деталей изображения при сканировании фотоснимков.уз

4.3. Исследование влияния условий печати на передачу деталей ФИ.

Глава 5. Оценка объемов информации передаваемой каналом ФРС.

Основные результаты работы и выводы.

Введение диссертация по химии, на тему "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:

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 101,6x11 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

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

4. Для передачи деталей фотографического изображения, имеющего разрешающую способность Л,], линий/мм, необходимо, чтобы разрешение сканера было не меньше 101,6х11ф 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.

Заключение диссертации по теме "Физическая химия"

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.

- 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.

Список источников диссертации и автореферата по химии, кандидата технических наук, Трушин, Николай Геннадьевич, Кемерово

1. Т.Х. Джеймс. Теория фотографического процесса //Под ред. А.JI. Карту-жанского. Ленинград: Химия.- 1980.-672с.

2. Картужанский А.Л., Красный-Адмони Л.В. Химия и физика фотографических процессов.// Л.: Химия, 1983.

3. Журба Ю.И. "Лабораторная обработка фотоматериалов"//М.: Искусство, 1984г.

4. Редько A.B. «Основы черно-белых и цветных фотоматериалов» //М.: Искусство, 1990г., 268с.5. http://www.fomos.ru/aerofoto/aerofilmrus.htm

5. Евсеев-Сидоров А. И., Зиман Я. Л., Аэрофотосъемка, М., 1956

6. Шершень А. И., Аэрофотосъемка, М., 19588. "Основы технологии светочувствительных материалов" Под общ. ред. В.И. Шеберстова.//М.: Искусство, 1977г.

7. Зернов В.А. "Фотографическая сенситометрия" //М.: Искусство, 1980г. Ю.ГОСТ 2653-80. Фотографическая сенситометрия. Термины, определения и буквенные обозначения величин.

8. Гороховский Ю. Н., Левенберг Т. М., Общая сенситометрия. Теория и практика, М., 1963.

9. Э. Митчел "Фотография" //М.: Мир, 1988.-420с.

10. Мейкляр П.В. Физические процессы при образовании скрытого фотографического изображения.//М.: Наука, 1972.

11. Гороховский Ю. Н., Спектральные исследования фотографического процесса, М., 1960

12. Кириллов Н.И. "Основы процессов обработки кинофотоматериалов" //М.: Искусство, 1977г.

13. Редько A.B. "Специальные процессы обработки кинофотоматериа-лов"//М.: Искусство, 1987г.

14. ГОСТ 10691,4-84. Материалы фотографические черно-белые на прозрачной подложке. Метод общесенситометрического испытания.

15. Вендровски К. В., Айнгорн М. А., Минкевич И. Г., «Успехи научной фотографии», 1966, т. II, с. 171—221

16. Вендровский К.В., Вейцман А.И. Фотографическая структурометрия // М.: Искусство, 1982.-270с.

17. Чибисов К. В., Основные проблемы химии фотографических эмульсий, М., 1962

18. Гороховский Ю.Н., Кузнецова A.JI. "Частотно-контрастные функции системы "фотографический материал проявитель", определенные по штриховой мире"//ЖНиПФК, 1970,15,196

19. Вейцман А.И., Вендровский К.В. "К вопросу о причинах влияния условий проявления на ЧКХ фотоматериалов"// ЖНиПФК,1973,18,455.

20. Михайлов В .Я., Масленников Я.П., Беляева Н.М. "О влиянии условий проявления на передаточную функцию аэропленок"// ЖНиПФК,1971Д6,214.

21. Аверьянова М.А., Фаерман Г.П. "Влияние некоторых свойств фотоматериалов на величину микроэффектов проявления"// ЖНиПФК,1978,23,166.

22. Перрен Ф., Методы оценки фотографических систем, «Успехи физических наук», 1962, т.

23. Комар В.Г. О резкости изображения в кинематографе. //ТКТ.1962. №10.с.-11.

24. Блатнер Д., Слейшман Г., Род С. Сканирование и растрирование изображений. //М.: Эком, 1999.-400с.

25. Ф. Самойлов «Эволюция формирователей изображения на приборах с зарядовой связью» // Техника кино и телевидения. №1.-1994.

26. Бехтер X., Эпперлейн И., Ельцов A.B. "Современные системы регистрации информации", учебн. пособие для ВУЗов, пер.с нем./ Под ред. A.B. Ель-цова.//С.-Пб.: Синтез, 1992г.

27. Стефан Б. «Системы формирования изображений с ФПМ ПЗС», http://www.ssga.ru

28. Н. Чернышев, «Сенсор сенсору рознь», http ://www.photodome.ru/MainPage .html

29. П. Йесперс. Полупроводниковые формирователи сигналов изображения // Под ред. Р.А.Суриса., М.: Мир, 1979.-573с.

30. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. // М.: Радио и связь, 1991.-264с.

31. К. Секен., М.Томпсет. Приборы с переносом заряда. // Под ред В.В. Поспелова, P.A. Суриса. М.: Мир, 1978.-322с.

32. Берковский А. Г., Гаванин В. А., Зайдель И. Н., Вакуумные фотоэлектронные приборы, М., 1976.

33. Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973.

34. Калитеевский Н. И., Волновая оптика, М., 1971.

35. А.Н. Матвеев. Оптика. // М.: Высшая школа, 1985.-351с.

36. Бахтиаров Г.Д., Малинин В.В., Школкин В.П. Аналого-цифровые преобразователи. // Под ред Г.Д Бахтиарова.-М.: Советское радио, 1980.-280с.

37. Гельмут Киппхан. Энциклопедия по печатным средствам информации. Технологии и способы производства / Гельмут Киппхан; Пер. с нем. М.: МГУП, 2003. - 1280с.

38. Nilsson, J.: Application of Micro Drops. Report 6/1993, Department of Electrical Measurements, Lund Institute of Technology, Lund, Schweden 1993.

39. Осе (ed.): Das Druckerbuch, Technik und Technologien der OPS-Hoehieistungsdrucker, Drucktechnologien. Ausg. 4b. Осе Printing Systems, Poing 1999.

40. Осе (ed.): The World of Printers. Edition ЗА. Осе Printing Systems, Poing 1998.

41. Ю.Петров Все о фотопринтерах // Потребитель, 2003, №6, 116

42. С.Дубилько Что умеют делать цифровые лаборатории // Потребитель, 2003, №6, 116

43. Фототехника и видеокамеры. Потребитель, 2000/01, № 23, С. 108-114, 116130.

44. Афанасенков М.А. Разумно о фото, http://www.afanas.ru

45. С. Митилино. Технологии цветной печати,http ://itc-ua.com/article.phtml?ID=l 774&IDw=21 &pid=41

46. НюбергН. Д., Теоретические основы цветной репродукции, М, 1947.

47. Dainty J. С., Shaw R., Image science. Principles, analysis and evaluation of photographic-type imaging processes, L.—N. Y.—S. F., 1974.

48. Frieser H., «Photographic information recording»//L. а. о., 1975.

49. Тайц A.M., Тайц A.A. Самоучитель Adobe Photoshop 7.- СПб.: БХВ-Петербург, 2004.-688с.

50. Adobe Photoshop 7.0. Официальный учебный курс. Учебное пособ.-М.: Издательство ТРИУМФ, 2003-496с.

51. Photoshop 7. Библия пользователя. : Пер. с англ. -М.: Издательский дом "Вильяме", 2003. -928с.

52. Красильников H.H. Цифровая обработка изображений //М.: Вузовская книга, 2001.

53. Претт У. Цифровая обработка изображений// М.: Мир, 1982.

54. Красильников H.H. Теория передачи и восприятия изображения // М.: Радио и связь, 1986.

55. Редько A.B. «Тенденции и перспективы развития цифровой фотографии» // Международный симпозиум "Фотография в XXI веке: Традиционные и цифровые процессы" г. Санкт-Петербург,2006г.

56. Артюшин JI. Ф., «Основы воспроизведения цвета в фотографии, кино, полиграфии»^., 1970.

57. Понаморенко С.И. Adobe Photoshop 7.//СП6.: БХВ-Петербург, 2003.-864с.

58. Ли Фрост "Современная фотография" //М.:АРТ-РОДНИК,2003г. 160с.

59. Маргулис Дэн "Photoshop 6 для профессионалов: классическое руководство по цветокоррекции // М.:ОООмРТВ-Медиа", 2001.-400с.

60. Буш, Дэвид «Цифровая фотография и работа с изображением» //М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2004г.,334с.

61. Бокштейн И.М., Кронрод М.А., Чочиа П.А. Методика составления радиолокационной карты Венеры по данным автоматических межпланетных станций "Венера- 15" и "Венера- 16". -В кн.: Иконика: Цифровая обработка видеоинформации.-М.:Наука, 1989.

62. Безрук A.A. Нелинейная фильтрация строк изображения. В кн.: Иконика: Теория и методы обработки изображений. - М.: Наука, 1983.

63. Карташов В.Я. Непрерывные дроби (определения и свойства)/ Учебное пособие. Кемерово: Изд-во КемГУ, 1999. - 88 с.

64. Кронрод М.А, Чочиа П.А. Математическое обеспечение диалоговой системы обработки изображений. В кн.: Иконика: Теория и методы обработки изображений. -М.: Наука, 1983.

65. Кронрод М.А, Чочиа П.А. Фильтрация помех на изображении с использованием медианы распределения. В кн.: Иконика: Теория и методы обработки изображений. -М.: Наука, 1983.

66. Лебедев Д.С. Об одном алгоритме нелинейной фильтрации флуктуацион-ных помех на изображении. В кн.: Иконика: Пространственная фильтрация изображений. Фотографические системы. -М.: Наука, 1970.

67. Лебедев Д.С., Милюкова О.П. Восстановление изображения на основе Марковской вероятностной модели. В кн.: Иконика: Теория и методы обработки изображений. -М.: Наука, 1983.

68. Толстунов В.А. Робастный сглаживающий фильтр метода максимального правдоподобия// Материалы седьмой Всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин". -Н.Новгород, 2003.

69. Компьютеры в оптических исследованиях/ Под ред. Б. Фридена. М.: Мир, 1983.

70. Храмов А.Г. Рекуррентный алгоритм восстановления для класса изображений. В кн.: Иконика: Теория и методы обработки изображений. - М.: Наука, 1983.

71. Ярославский Л.П. Введение в цифровую обработку изображений. М.: Сов. радио, 1979.

72. Ф.И. Перегудов, Ф.П. Тарасенко. Введение в системный анализ.- М: Высшая школа, 1989.

73. Москинов В.А., Рыков С.П., Якимец H.H. Метод экспертной оценки качества кинопленок. // ТКТ, № 8, 1975.

74. Москинов В.А., Трушин Н.Г. Передача мелких деталей при сканировании и получении копий фотографических изображений. // ТКТ, 2004, №9.

75. Москинов В.А., Кагакин Е.И., Трушин Н.Г. Сканирование кинодокументов: новые возможности в их реставрации и передаче. // ТКТ, 2003, №10.

76. Комар В.Г. Информационная оценка качества изображения кинематографических систем.//ТКТ. 1971 .№ 10.С.9-22.

77. Константинова Е.В. Качество изображения в фотографических системах с цифровым преобразованием изображения. // Международный симпозиум "Фотография в XXI веке: Традиционные и цифровые процессы" г. Санкт-Петербург,2006г.