Українська академія друкарства

Писанчин

Надія Степанівна

УДК 655.218:778.182.4.01

удосконалення технології

цифрового растрування зображень

з модульованою частотою

05.05.01 – машини і процеси поліграфічного виробництва

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українській академії друкарства

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

Доктор фізико-математичних наук,

провідний науковий співробітник

Інституту фізики конденсованих систем НАН України,

в.о. професора кафедри технології додрукарських процесів

Української академії друкарства

Шовгенюк Михайло Васильович.

Офіційні опоненти:

Заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

Лазаренко Едуард Тимофійович,

Українська академія друкарства, кафедра технології друкованих видань і паковань.

Кандидат технічних наук, доцент,

Мартинюк Володимир Трохимович,

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, кафедра репрографії видавничо-поліграфічного інституту.

Провідна установа:

Національний університет “Львівська політехніка”.

Захист відбудеться “ 21 ” червня 2005 р. о 15 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.101.01. в Українській академії друкарства.

79020, м. Львів, вул. Підголоско, 19.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Української академії друкарства. 79006, м. Львів, вул. Підвальна, 17.

Автореферат розісланий “20 ” травня 2005 р

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради Жидецький В. Ц.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Поліпшення якості друкованих видань та підвищення ефективності технології їх виготовлення у великій мірі залежить від можливостей та досконалості растрового процесу. У вітчизняній та зарубіжній практиці накопичено великий досвід роботи з растрами. В наукових працях Ю.С.Андрєєва, І.В.Барановського, С.М.Гунька, К.Зайделя, В.Т.Мартинюка, І.О.Медовщикова, С.П.Міклашевського, Є.С.Позняк, Ю.П.Селіванова, М.В.Шовгенюка, М.І.Ференца, Дж.Юла, Ю.П.Яхимовича та ін. детально досліджені теоретичні та практичні питання формування растрового поля як основи технології виготовлення та застосування растрів в аналогових фоторепродукційних процесах.

Сучасні цифрові технології докорінно змінили всю поліграфічну галузь. Суттєвих змін зазнав і додрукарський процес опрацювання графічної інформації. За останні 10 років в області цифрового растрування, в т.ч. для поліграфічної технології, досягнуто значного прогресу. Удосконалення технології цифрового растрування зображень шляхом розробки нових способів, алґоритмів та програмного забезпечення для одержання бінарних структур з амплітудно-частотною модульованою структурою растрових елементів є одним із перспективних напрямів сучасних технологій комп’ютерної обробки зображень для поліграфії у світовій практиці та в Україні. Зокрема, тема роботи відповідає сучасному перспективному напряму наукових досліджень “Інформаційні технології” згідно Закону України про інноваційну діяльність.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в рамках держбюджетної теми № ДБ-300-2002 “Розробка наукових основ нової технології виготовлення ілюстративних фотоформ з амплітудно-частотною модульованою структурою” (№ держреєстрації 0102U003324) (автору належить участь в аналізі, систематизації та класи-фікації інформації про способи генерування частотно-модульованих растро-вих структур, експериментальні дослідження з визначення характеристик бінарних структур, участь у розробці нових методів досліджень частотно-модульованих растрових структур, участь у розробці нової технології растру-вання та експериментальні дослідження фотоформ растрових зображень з частотно-модульованою структурою), № ДБ-300-2005 “Розробка програм-ного забезпечення для нових технологічних процесів виготовлення ілюстративних форм з частотно-модульованою структурою” згідно програми

МОН України (автору належить участь у розробці програмного забезпечен-ня), договору № 167 від 1 липня 2004 р. “Розробити нові технологічні про-цеси та спеціалізоване програмне забезпечення для захисту цінних паперів” з державним підприємством Поліграфічний комбінат “Україна” (автору належать дослідження фотоформ кодованих зображень), науково-технічної роботи “Розроблення голографічних кореляційних систем автоматичного захисту та ідентифікації цінних паперів” відповідно до Розпорядження Кабінету міністрів України № 529р від 07.06.1999 р. (автору належить застосування способів цифро-вого растрування зображень у технологіях захисту цінних паперів).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є удосконалення технології цифрового растрування зображень з модульованою частотою друкарських елементів на основі розробки нових способів, алґоритмів та програмного забезпечення для даної технології, а також розробка методів дослідження властивостей растрових зображень з частотно-модульованою структурою.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

ь провести аналіз сучасного стану технології растрування зображень та відомих способів цифрового растрування зображень з модульованою частотою;

ь розробити методи кількісної оцінки для дослідження властивостей частотно-модульованих растрових структур;

ь визначити критерії оптимальних умов та шляхи вдосконалення способів генерування частотно-модульованих структур;

ь розробити нову технологію цифрового растрування зображень з поліпшеними градаційними характеристиками;

ь розробити програмне забезпечення для реалізації технології цифрового растрування та подати рекомендації щодо практичного використання;

ь отримати фотоформи та друкарські форми частотно-модульованих растрових зображень за відомими способами та провести технічну апробацію нової технології.

Об’єктом дослідження є технологічний процес цифрового растрування зображень з модульованою частотою друкарських елементів .

Предметом дослідження є вдосконалення технології цифрового растрування зображень з модульованою частотою, методи, способи, алгоритми, технологічні параметри та умови процесу, які забезпечують отримання растрового зображення з поліпшеними градаційними характеристиками.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети використано цифрові методи обробки зображень, теоретичні та математичні моделі на основі методів спектрального та статистичного аналізу. Експериментальні дослідження проведені за допомогою програми “Растр ЧМ-1” та спеціальних програм для обчислень.

Наукова новизна одержаних результатів. Розроблено метод кількісної оцінки растрового зображення з модульованою частотою на основі розрахунку статистичних розподілів характерних відстаней між сусідніми растровими елементами по рядках та стовпцях зображення, що дозволяє виявити та оцінити характерні неоднорідності формування растрових структур по всій градаційній шкалі зображення.

Вперше обґрунтовано та запропоновано метод побудови частотно-градаційної характеристики растрового зображення з модульованою часто-тою, в основу якого покладений статистичний підхід до визначення середньої величини просторової частоти растрового зображення за статистичними розподілами характерних відстаней кожного поля градаційної шкали. Дано теоретичне обґрунтування та підтверджено чисельними розрахунками, що ідеальна частотно-градаційна характеристика випадкових растрових структур має лінійну залежність просторової частоти від площі растрових елементів. Використання методу побудови частотно-градаційних характе-ристик дозволило дати порівняльну кількісну оцінку відомих алгоритмів цифрового растрування за принципом поширення похибки та проводити пошук нових алгоритмів з поліпшеними градаційними властивостями.

Запропоновано новий спосіб цифрового растрування зображень з модульованою частотою за алгоритмом блокового поширення похибки, який забезпечує стабільність відтворення растрового зображення і робить вибір фільтра менш критичним у порівнянні з поелементним опрацюванням зображення.

Практична цінність роботи полягає в розробці нової технології цифрового растрування, основу якої складає перша українська програма растрування з модульованою частотою “Растр ЧМ-1”. Головна функція програми – бінаризація півтонового зображення за відомими алгоритмами поелементного поширення похибки, розробленим алгоритмом блокового по-ширення похибки та алгоритмом, який може задати користувач. “Растр ЧМ-1” забезпечує необхідні можливості для додрукарської підготовки графічної інформації: коректування сканованого зображення, кольороподіл та підготовку зображень до виведення на фотоплівку чи прямого запису на формні основи будь-яким цифровим вивідним пристроєм.

Проведена технологічна апробація програми та одержано зразки фотоформ, офсетних форм, друкарських відбитків растрованих зображень з модульованою частотою.

Розроблений тест-об’єкт для дослідження відтворювальних властивостей (роздільної здатності) алгоритмів цифрового растрування з модульованою частотою.

Особистий внесок здобувача – основні ідеї та наукові дослідження, які виносяться на захист розроблені й отримані автором самостійно. У роботах [1, 9] автору належить участь у пошуку інформації про способи генерування частотно-модульованих растрових структур та їх класифікації, у роботі [2] здобувачеві належать експериментальні дослідження з визначення характеристик бінарної структури шляхом побудови вінерівських спектрів, у роботах [3, 6, 7] – участь у розробці методу досліджень частотно-модульова-них структур за частотно-градаційною характеристикою та експериментальні дослідження, у роботі [8] – участь у розробці нового способу растрування та експериментальні дослідження бінарних структур, одержаних за розробленим способом, у роботі [4] – формулювання основних вимог до технологічних можливостей програми “Растр ЧМ-1” та участь у її створенні.

Апробація результатів роботи. Матеріали дисертаційної роботи представлено автором на IV Міжнародній науково-практичній конференції “Безпека інформації в інформаційно-телекомунікаційних системах”, м. Київ, 22 – 25 травня 2001 р., звітній науково-технічній конференції УАД за 2001 р., м. Львів, 22-25 січня 2002 р., 2-ій Міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “Оптоелектронні інформаційно-енергетичні технології”, м. Вінниця, 23-25 квітня 2002 р., звітній науково-технічній конференції УАД за 2004 р., м. Львів, 1 – 4 лютого 2005 р.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 7 статей у фахових виданнях (з них 1 одноосібно), отримано патент України, тези однієї доповіді.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 4 розділів, висновків, має загальний обсяг 176 сторінок. Містить 111 рисунків, 13 таблиць, 137 найменувань у списку використаних літературних джерел.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано її мету та завдання, наведено дані про наукову новизну і практичну цінність, узагальнено результати апробації роботи.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан технології растрування зображень. Зокрема, на основі аналізу науково-технічної та патентної літератури досліджені характеристики відомих амплітудно-частотних впорядкованих та квазівипадкових бінарних структур, які використовують у сучасних технологіях цифрового растрування.

У другому розділі описано відомі та запропоновано нові методи аналізу та кількісної оцінки растрових зображень з частотно-модульованою структурою, одержаних за відомими алгоритмами цифрового растрування зарубіжних авторів із використанням різних фільтрів за принципом поши-рення похибки, фрактальних структур та базових матриць; розраховані вінерівські спектри растрових зображень з частотно-модульованою структурою; розроблено та перевірено методику розрахунку дискретного розподілу p(l) характерних відстаней l між сусідніми елементами aij за вибраними напрямами матриці-зображення. Дана методика дозволяє визначити усереднені значення для досліджуваної растрової структури і застосувати їх для вивчення частотних характеристик градаційної шкали:

(1)

де – середньостатистична віддаль між сусідніми елементами і відповідна їм середньостатистична частота растрових елементів.

На основі величин середньостатистичної частоти та відносної площі растрових елементів отримано залежність, яка є частотно-градаційною характеристикою (ЧГХ). Відносна площа елемента з частотно-модульованою структурою в даному у випадку розрахована за формулою:

, (2)

де Sвідн. – відносна площа растрових елементів aij, зі значенням інтенсивності Iij= 0, або Iij= 1, NЧM– розмірність матриці поля.

Розрахунком дискретних розподілів характерних відстаней (3) (рис. 1) доведено, що частотно-градаційна характеристика випадкової структури є лінійною залежністю (4).

, (3)

де р – імовірність знайти у випадковому нескінченному рядку “d-елемент” (друкарський елемент).

Рис. 1. Статистичні розподіли довжин ланцюжків “d-елементів” випадкових растрових структур:точки – чисельні результати, крива 1 – S=1/4, крива 2 – S=3/4

(4)

Для досліджуваних структур різних розмірностей рівність (4) виконується з високою точністю. Лінійність частотно-градаційної характеристики обрано за критерій оцінювання природи растрової структури. “Ідеальна” (ЧГХ) має дві симетричні вітки: перша з них характеризує перехід від півтонів до світлих ділянок, друга – від півтонів до тем-них ділянок растрового зображення, а точка максимуму має координати [Sвідн.=50%, <н>=0,5]. Таким чином, за виглядом (ЧГХ) будь-якого алгоритму растрування можна робити висновок про те, чи є генерована структура випадковою, і, якщо ні, то за характером відхилення від лінійної залежності – де і які саме регулярні утворення виникають.

Для дослідження бінарного растрового зображення використано метод розрахунку вінерівського спектра просторових частот для фазових голографічних оптичних елементів з довільним розподілом фаз. В даному випадку вінерівський спектр растрового поля в одиницях лінійних частот (мм-1) має вигляд:

(5)

Тут – модулююча функція має вигляд дискретного фур’є-розкладу

, (6)

де – кореляційні коефіцієнти розраховуються за формулою:

(7)

Набір кореляційних коефіцієнтів описує взаємне розташування растрових елементів. При чому для будь-якого елемента аналізуються всі оточуючі “сусіди” за будь-яким напрямом. На основі отриманих значень

кореляційних коефіцієнтів розраховуються по рядках та по стовпцях частотно-модулюючі функції:

(8)

Дані функції однозначно і повно характеризують частотні властивості растрового зображення з довільним розподілом растрових елементів.

Розроблено радіальний тест-об’єкт для дослідження роздільної здатності (R) растрового зображення, який поряд з ЧГХ забезпечує детальне вивчення впливу алгоритму растрування на відтворення зображення.

Таблиця 1.

У третьому розділі досліджено способи цифрового растрування, а саме – проведена порівняльна характеристика властивостей растрових структур, отриманих за різними алгоритмами поширення похибки.

За результатами досліджень встановлено, що растрові структури, отримані за відомими алгоритмами (Табл. 1), псевдовипадкові. Більшість з них мають тенденцію до утворення регулярних візерунків різного виду. Візуально це демонструють растровані градаційні шкали, сюжетні зображення та аналітично підтверджують ха-рактерні для кожної конкретної бінарної структури частоти, які виявляються при розрахунку вінерівських спектрів, дискретних розподілів характерних відстаней, а також аномалії частотно-градаційних характеристик. Суттєвим недоліком алгоритмів 1 – 5 (табл. 1) є утворення шахоподібної структури, для якої у вінерівському спектрі чи дискретному розподілі виділяється лише одна частота: 1. Часто зустрічається утворення вертикальних смуг в ділянці середніх тонів, особливо в межах поля =50%, про що свідчить спад значення частоти до нуля при побудові частотно-градаційних характеристик по стовпцях растрового зображення (рис. 2а).

Складніші алгоритми, з трирядковими фільтрами для поширення похибки, генерують структури більш наближені до хаотичних, але схильні до формування діагоналей (рис. 2б), однак, такий недолік менш помітний при відтворенні растрового зображення порівняно з вертикальним чи горизонтальним напрямом утворень.

Рис. 2. Частотно-градаційна характеристика растрового зображення за алгоритмами:

а – 1, б – 7 (табл. 1). 1 – по рядках, 2 – по стовпцях,3 –“ідеальна” ЧГХ.

Для поліпшення якості растрового зображення розроблений і програмно реалізований новий алгоритм цифрового растрування із використанням блокового принципу опрацювання зображення на основі матриць 2х2, який суттєво вдосконалює найбільш відомий в зарубіжній практиці цифрового растрування алгоритм Флойда-Стейнберга.

Основна особливість і перевага алгоритму блокового поширення похибки (алгоритм БПП) – розширення градації відтворюваних тонів та уникнення регулярних структур в межах растрованого зображення. Даного ефекту досягнуто завдяки тому, що запропонований спосіб визначення максимально можливої кількості зафіксованих елементів в межах кожного блоку дає можливість один і той самий рівень градації сірого імітувати кількома різними комбінаціями растрової структури. Наприклад, для ділянки 50% тону існує шість комбінацій розташування растрових елементів. При полементному опрацюванні такі комбінації відсутні, оскільки один елемент з інтенсивністю сірого 50 % імітується білим або чорним елементом, що зумовлює утворення шахової структури. Ще одна перевага розробленого алгоритму у збільшені швидкості процесу растрування. Завдяки тому, що елементи для фіксування визначають за пріоритетом початкових значень їх інтенсивності відпадає потреба зберігати в пам’яті масив критичних значень іпостійно до нього звертатися при обчисленнях.

Таблиця 2.

Результати досліджень показали, що найбільш вдалим для растрування за алгоримом БПП є фільтр 1 (табл.2), оскільки він забезпечує відсутність регулярних утворень в межах градації. Для даного алгоритму частотно-градаційна характери-стика має дві симетричні вітки, перша з них характеризує перехід від півтонів до світлих ділянок і, відповідно, друга – від півтонів до темних ділянок растрового зображення. По обох вітках зменшується майже за лінійним законом величина середньостатистичної частоти. Форма частотно-градаційної ха-рактеристики 1 така ж, як характеристики 2 (рис. 3). Те, що криві співпадають свідчить про однаковий розподіл елементів у рядках та стовпцях зображення, тобто структура однорідна. На відсутність регулярних візерунків вказує максимальне значення середньостатистичної частоти, яке в обох випадках рівне 0,75, що свідчить про неможливість утворення шахової чи смугастої структури. Отже, алгоритм БПП генерує растрові структури псевдовипадкові, але найбільш наближені до хаотичної, що і підтверджує візуально градаційна шкала.

У четвертому розділі описано практичну реалізацію нової технології цифрового растрування. Її основу складає комп’ютерна програма „Растр ЧМ-1” Реєстраційне свідоцтво № 10657 Державного департаменту інтелектуальної власності Міністерства освіти і науки України від 4 серпня 2004 р..

Основна функція „Растр ЧМ-1” – растрування за принципом поширен-ня похибки за будь-яким з відомих алгоритмів цього класу (рис. 4а), а також за алгоритмом БПП (рис. 4б). Крім того, матрицю пріоритетів поширення похибки можна змінювати довільно, задаючи власний алгоритм.

Рис. 4. Вигляд вікна <Раструвати> програми “Растр ЧМ-1”:

а – <Стандартні алгоритми>, б – <Новий алгоритм>

Технологічні можливості програми Растр ЧМ-1: переведення скано-ваного зображення з режиму RGB у CMYK, кольороподіл за стандартним алгоритмом, передбачена операція градаційної корекції зображень, яка дозво-ляє оператору змінювати на екрані форму градаційної кривої із наперед заданою кількістю (мінімум 5) вузлових точок. У програмі передбачена зміна розмірів зображення із заданою R, а також при постійних розмірах зображення можливість встановлення необхідної R – параметра, який визначає базову максимальну просторову частоту растрового зображення.

Програма дозволяє кількісно оцінити результат растрування, синтезувати кольорове растрове зображення для одержання цифрової кольоропроби. “Растр ЧМ-1” забезпечує монтаж сторінок будь-якого розміру, на кожній сторінці виводяться кольороподілені зображення з нанесеними мітками для суміщення та необхідними текстовими позначеннями, а також запис змонтованих сторінок з кольороподіленими зображеннями у форматі PostScript для виводу на фотоформу, чи прямого запису на формний матеріал.

В рамках даної роботи досліджено фотоформи (діапозитиви) зобра-жень градаційних шкал растрованих за різними алгоритмами поширення похибки, включеними в програму “Растр ЧМ-1”, а також за алгоритмом БПП з різною роздільною здатністю: 635 dpi, 1270 dpi, 2540 dpi. Обрані значення кратні розміру світлової плями записуючого лазера ФНА та визначають розміри растрових елементів генерованих структур. Для досліджень було використано 24-рипольну шкалу модельного оригіналу Kodak ІТ8.7/2.

Встановлено, що для всіх досліджуваних алгоритмів характерна особливість: чим вище значення роздільної здатності півтонового зображен-ня, тим більший інтервал оптичних щільностей, але тим гірше відтворюється градація, особливо в ділянці середніх тонів. За умови використання роздільної здатності півтонового зображення 1270 dpi залежність між значен-нями оптичної щільності та відносної площі растрового елемента для градації, одержаної за будь-яким алгоритмом поширення похибки з по-елементним опрацюванням зображення, за формою близька до теоретичної кривої, розрахованої за формулою Шеберстова-Мюррея-Девіса (5а). При формуванні градаційної шкали за блоковим алгоритмом досягнуто більшого інтервалу оптичних щільностей порівняно з усіма досліджуваними алгоритм-мами поелементного опрацювання.

Рис. 5. Градаційна передача при відтворенні растрованої шкали:

а – за алгоритмами 2 – 4 (табл.1), 1 (табл.2) з роздільною здатністю 1270 dpi,

б – за алгоритмом БПП (табл.2) з роздільною здатністю 635 dpi. 5 – теоретична крива.

Експериментальні дослідження показують, що для растрування зображення у програмі “Растр ЧМ-1” достатньо використовувати роздільну здатність півтонового оцифрованого оригіналу в межах 635–1270 dpi (еквіваленти лініатур растра 160 та 250 відповідно), оскільки за таких умов градація відтворюється досить плавно, і при цьому зберігаються дрібні деталі. За умов використання 635 dpi градаційна характеристика растрованої шкали максимально наближається до теоретичної кривої, розра-хованої за формулою Шеберстова-Мюррея-Девіса, що свідчить про оптимальне відтворення градації. При 1270 dpi зображення контрастніше, але потребує попередньої тонової корекції в діапазоні 45% – 65% тону.

Отже, відтворення градації шляхом частотно-модульованого растрування головним чином залежить від алгоритму генерування структури, розмірів растрових елементів та частоти їх розташування в межах кожного поля градаційної шкали.

У Додатках наведено маршрутно-технологічну карту процесу відтворення кольорових півтонових зображень з використанням програми “Растр ЧМ-1”, розрахунок техніко-економічних показників, акти виробничих випробувань.

висновки

1. У результаті аналітичного огляду сучасного стану технології растрування зображень та відомих способів цифрового растрування зображень з модульованою частотою встановлено, що дана технологія має широку сферу застосування поряд з традиційними способами. За кордоном в області цифрового растрування, в т.ч. для поліграфічної технології, досягнуто значного прогресу. В Україні програмне забезпечення для реалізації технології частотно-модульованого растрування використовується недостатньо. Виходячи з цього сформульовано наукову задачу, яка полягає у розробці способів, алгоритмів та програмного забезпечення для технології цифрового растрування зображень з модульованою частотою друкарських елементів.

2. Для кількісної оцінки частотно-модульованої структури в роботі вперше запропоновано метод оцінювання за частотно-градаційною характеристикою, який базується на використанні середньостатистичних показників частоти розташування елементів. За типом частотно-градаційної характе-ристики можна проаналізувати наявність чи ймовірність виникнення регулярних утворень у межах кожного з досліджуваних полів градаційної шкали, правильність тоновідтворення.

3. Як критерій “ідеальної” градаційно-частотної характеристики використана лінійна залежність середньостатистичної частоти випад-кової растрової структури від відносної площі S растрових елементів. На основі проведених досліджень встановлено, що для класу матриць випадкових растрових структур розмірності 256256 і вище значення серед-ньостатистичної частоти строго пропорційне відносній площі S растрових елементів і, відповідно, в півтонах растрового зображення досягається максимальне значення просторової частоти .

4. Проведено дослідження властивостей відомих алгоритмів поши-рення похибки за методами побудови середньостатистичних розподілів характерних відстаней, побудови частотно-градаційної характеристики та розраховано вінерівські спектри бінарних зображень. Застосування кількох методів дозволило детально вивчити природу досліджуваних растрових структур. Встановлено, що за алгоритмами поширення похибки можна отримати чисто випадкову, регулярну і псевдовипадкову структури в межах однієї градаційної шкали. При чому одна і та ж сіра ділянка може бути відтворена періодичним чи випадковим візерунком, залежно від обраного алгоритму. В більшості випадків регулярні утворення спостерігаються в ділянці середніх тонів, особливо при відтворенні 50 %-го тону. В цілому одержання растрової структури більш чи менш наближеної до хаотичної залежить від складності фільтра, за яким визначаються пріоритети поширення похибки.

5. У роботі вперше розроблено нову технологію растрування, в основу якої закладена ідея цифрової обробки зображення за блоками матриці 22 сусідніх елементів. Це дозволяє проводити обробку зображення за критеріями 5-ти рівнів, що суттєво розширює можливості генерування різноманітних растрових структур. Результати досліджень показали, що використання блокового принципу поширення похибки дозволяє поліпшити градаційну характеристику растрового зображення і забезпечити її стабільність, особливо у півтонах. Разом з тим, вибір матриці поширення похибки стає менш критичним для зміни форми градаційної характеристики растрового зображення, а впливає, в основному, лише на структуру растрових елементів.

6. Для практичної реалізації частотно-модульованого растрування зображень розроблено комп’ютерну програму “Растр ЧМ-1”, основу якої складають алгоритми цифрового растрування зображення за принципом по-ширення похибки, найбільш поширениv в сучасних технологіях цифрової обробки зображень для задач формування бінарного зображення з модульо-ваною частотою.

Для технологічних потреб у програмі передбачено можливість переведення сканованого зображення з режиму RGB у CMYK, кольороподілу за стандартним алгоритмом, градаційної корекції, зміни розмірів зображення та встановлення необхідної R для визначення базової максимальної просторової частоти та розмірів друкарських елементів растрового зображення.

7. В результаті випробувань програми “Растр ЧМ-1” в умовах виробництва одержано фотоформи та друкарські відбитки растрованих зображень. Дослідження градаційної передачі на фотоформі за методом побудови залежності Sвідн.=f(D) показали, що для частотно-модульованих структур зв’язок між інтегральними та растровим величинами (як і у випадку амплітудно-модульованого растрування) виражається формулою Шеберстова-Мюррея-Девіса. Відтворення градації шляхом частотно-модульованого растрування головним чином залежить від алгоритму генерування структури, розмірів растрових елементів та частоти їх розташування в межах кожного поля градаційної шкали. Оптимального відтворення градації досягнуто за умови растрування зображення за алгоритмом БПП з роздільною здатністю в межах 635 – 1270 dpi.

8. Розраховано техніко-економічні показники проекту. За результатами розрахунків рекомендовано доступну для вітчизняного виробника ціну програми “Растр ЧМ-1”: 300 – 400 грн.

Основні положення дисертаційної роботи викладено в роботах:

1. Стефанишина Н., Шовгенюк М. Сучасні технології цифрового растрування зображень // Комп’ютерні технології друкарства.– 2001.– № 6. – С. 9 – 16.

2. Шовгенюк М.В., Стефанишина Н.С. Особливості вінерівських спектрів растрового зображення з частотно-модульованою структурою // Поліграфія і видавнича справа.– 2002.– № 38.– С. 103 – 112.

3. Стефанишина Н.С., Шовгенюк М.В., Дудяк В.О. Частотно-градаційні характеристики цифрового растрування за принципом поширення похибки // Наукові записки УАД.– 2002.– № 5.– С. 96 – 103.

4. Шовгенюк М.В., Ковальський Б. М., Писанчин Н. С., Глушак С. П. Нова комп’ютерна програма цифрового растрування з модульованою частотою // Друкарство.– 2004.– № 2.– С. 42 – 45.

5. Надія Писанчин. Дослідження роздільної здатності растрових зображень з модульованою частотою // Друкарство.– 2004.– № 4. – С. 44 – 45.

6. Н. С. Писанчин, М. В. Шовгенюк, Б. М. Ковальський. Порівняльний аналіз частотно-градаційних характеристик різних алгоритмів цифрового растрування // Наукові записки УАД.– 2004.– № 7.– С. 35 – 39.

7. Шовгенюк М.В., Крохмальський Т. Є., Ковальський Б. М., Писанчин Н.С. Лінійність, як критерій частотно-градаційних властивостей випадкових растрових структур // Технологія і техніка друкарства.– 2004.– № 2–3.– С. 55 – 59.

8. Патент України № 62093А. Спосіб цифрового растрування зображень з модульованою частотою // Автори: Шовгенюк М.В., Писанчин Н.С. – Заявл. 17.10.2002. Опубл. 15.12.2003. Бюл. № 12.– 5 с., іл.

9. Стефанишина Н.С., Шовгенюк М.В. Алгоритми бінаризації зображень з модульованою частотою // Teзи доповідей 2-ої Міжнародної науково-технічної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених. – Вінниця: “УНІВЕРСУМ - Вінниця ”, 2002. – С. 11.

Анотація

Писанчин Н.С. Удосконалення технології цифрового растрування зображень з модульованою частотою. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.01– машини і процеси поліграфічного виробництва.– Українська академія друкарства. Львів, 2005.

Дисертація присвячена проблемі удосконалення технології цифрового растрування зображень з модульованою частотою для покращення якості відтворення графічної інформації.

На основі аналізу науково-технічної та патентної літератури досліджені характеристики відомих амплітудно-частотних впорядкованих та квазівипадкових бінарних структур, які використовуються в сучасних технологіях цифрового растрування.

Для поліпшення якості растрового зображення розроблена і програмно реалізована нова технологія цифрового растрування із використанням блокового принципу опрацювання зображення на основі матриць 2х2, який суттєво вдосконалює найбільш відомий в зарубіжній практиці алгоритм Флойда-Стейнберга.

Запропоновано нові методи аналізу та кількісної оцінки растрових зображень з частотно-модульованою структурою.

Створено комп’ютерну програму „Растр ЧМ-1”, призначену для цифрового растрування зображень з модульованою частотою і підготовки інформації до виве-дення на фотоплівку чи прямого запису на формні основи на будь-якому цифровому вивідному пристрої.

Ключові слова: цифрове растрування, частотно-модульована структура, частотно-градаційна характеристика, поширення похибки, блоковий спосіб опрацю-вання зображення.

Аннотация

Пысанчин Н.С. Усовершенствование технологии цифрового растрирования изображений с модулированной частотой. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.01– машины и процессы полиграфического производства.– Украинская академия печати. Львов, 2005.

Диссертация посвящена проблеме усовершенствования технологии цифрового растрирования изображений с модулированной частотой для улучшения качества воспроизведения графической информации.

На основе анализа научно-технической и патентной литературы исследованы характеристики известных амплитудно-частотных упорядоченных и квазислучайных бинарных структур, которые используются в современных технологиях цифрового растрирования.

Предложены новые методы анализа и количественной оценки растровых изображений с частотно-модулированной структурой.

Для количественной оценки частотно-модулируемой структуры в работе впервые предложен метод оценивания по частотно-градационной характеристике, который базируется на использовании среднестатистических показателей частоты расположения элементов. Согласно типу частотно-градационной характеристики можно проанализировать наличие или вероятность возникновения регулярных образований в пределах каждого из исследуемых полей градационной шкалы, правильность тоновоспроизведения.

Разработан радиальный тест-объект для исследования разрешающей способ-ности растрового изображения, который при дополнительном использовании совместно с частотно-градационной характеристикой обеспечивает всестороннее изучение влияния алгоритма растрирования на воспроизведение изображения.

Проведены исследования свойств известных алгоритмов распространения погрешности по методам построения среднестатистических распределений характерных расстояний, построения частотно-градационной характеристики и рассчитаны винеровские спектры бинарных изображений. Установлено, что по алгоритмам распространения погрешности можно получить чисто случайную, регу-лярную и псевдослучайную структуры в границах одной градационной шкалы. При чем один и тот же серый участок может быть воспроизведен периодическим или случайным узором, в зависимости от избранного алгоритма. В большинстве случаев регулярные образования наблюдаются в участке средних тонов, в особенности при воспроизведении 50 %-го тона. В целом получение растровой структуры более или менее приближенной к хаотичной зависит от сложности фильтра, по которому определяются приоритеты распространения погрешности.

Для улучшения качества растрового изображения разработана и програмно реализована новая технология цифрового растрирования с использованием блочного метода обработки изображения на основе матриц 2х2, который существенно совершенствует наиболее известный в зарубежной практике алгоритм Флойда-Стейнберга. Блочный метод позволяет проводить обработку изображения по крите-риям 5-ти уровней, что существенно увеличивает возможности генерирования разнообразных растровых структур. Результаты исследований показали, что использование блочного принципа распространения погрешности позволяет улучшить градационную характеристику растрового изображения, особенно в полутонах. Одновременно, выбор матрицы коэффициентов для распространения погрешности

становится менее критическим для изменения формы градационной характеристики растрового изображения, а влияет, в основном, только на структуру .

Разработана компьютерная программа „Растр ЧМ-1”, предназначенная для цифрового растрирования изображений с модулированной частотой и подготовки

информации к выводу на фотопленку или прямой записи на формные основы на любом цифровом выводном устройстве.

Ключевые слова: цифровое растрирование, частотно-модулированная структура, частотно-градационная характеристика, распространение погрешности, блоковый способ обработки изображения.

Summary

N. Pysanchyn. Improvement of Technology of Digital Frequency Modulation Screening Images . – Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.05.01 - Machine and processes of polygraphic effecting. – Ukrainian academy of printing. Lviv, 2005.

Dissertation is devoted to the problem of improvement of technology of digital screening images with the modulated frequency for the improvement of quality of recreation of graphic information.

On the basis of analysis of scientific and technical and patent literature the explored descriptions of the known amplitude well-organized and casual binary structures which are used in modern technologies of digital screening.

For the improvement of quality of bitmapped image the developed and programmatic realized new algorithm of digital screening with the use of sectional method of working of image on the basis of matrices 2х2, which substantially perfects the Floyd-Steinberg algorithm most known in foreign practice.

New methods of analysis and quantitative estimation of bitmapped images are offered with the frequency-modulated structure

The computer program is created „The Screen FM-1”, intended for digital screening images with the modulated frequency and preparation of information to destroying on a film or direct record on plates on some digital conclusion device.

Keywords: digital screening, frequency-modulated structure, frequency-gradation description, distribution of error, block method of treatment of image.