Хант Р.В.Г. Цветовоспроизведение
Подождите немного. Документ загружается.
шенных световых потоков, либо за счет однократного прохода линейки с последую
щим делением светового потока, отраженного от оригинала, дихроичными зеркала
ми, либо же за счет однократного прохода строго параллельных линеек, покрытых со
ответственно красным, зеленым и синим фильтрами. Последнее — самый распростра
ненный вариант.
ПРЕДМЕТНЫЕ ССЫЛКИ
Allen, G.S., J. Phot. Sci., 6, 125 (1958a).
Allen, G.S., Penrose Annual, 52, 123 (1958b).
Bishop, N., Penrose Annual, 45, 9 (1951).
Clapper, F.R., and Yule, J.A.C., J. Opt. Soc. Amer., 43, 600 (1953).
Cox, H.W., Penrose Annual, 53, 88 (1959).
Craig, D.R., and Street, J.N., Tech. Assoc. Graphic. Arts, 12, 175 (1960).
Hall, V.C., and Yule, J.A.C., U.S. Patent 2,744,950 (1956).
Hall, V.C., and Yule, J.A.C., U.S. Patent 3,153,698 (1964).
Hardy, A.C., and Wurzburg, F.L., J. Opt. Soc. Amer., 38, 300 (1948).
Haynes, H.E., Penrose Annual, 46, 83 (1952).
Hell, R., Penrose Annual, 48, 101 (1954).
Hell, R., Penrose Annual, 51, 117 (1957).
Holladay, T.M., Proc. S.I.D., 21, No. 2, 185 (1980).
Kilminster, R., Penrose Annual, 50, 111 (1956).
Murray, A., and Morse, R.S., U.S. Patent 2,253,086 (1941).
Nash, C.F., Litho Printer, 8, 33 (August, 1965).
Ohler, A.E., Penrose Annual, 49, 80 (1955).
Pugsley, P.C., I.E.E.E. Transactions and Communications, Com. 29, 1891 (1981).
Roetling, P.G., IS&T and SID’s Color Imaging Conference: Transforms & Transportability
of Color, page 92,
IS&T, Springfield, Va, USA (1993).
Rydz, J.S., and Marquart, V.L., Tech. Assoc. Graphic Arts, 6, 139 (1954).
Rydz, J.S., and Marquart, V.L., Tech. Assoc. Graphic Arts, 7, 15 (1955).
Sigler, H., Tech. Assoc. Graphic Arts, 16, 192 (1964).
Smith, F.H., Penrose Annual, 48, 131 (1954).
Wilby, W.P.L., and Pugsley, P.C., Printing Technology, 14, 142 (1970).
ЛИТЕРАТУРА
Allen, G.S., J. Phot. Sci., 6, 125 (1958).
Crosfield, J.F., Recollections of Crosfield Electronics 1947–1975, Crosfield, Hemel
Hempstead (1991).
Field, G.G., J. Phot. Sci., 34, 33 (1986).
Nash, C.F., Litho Printer, 8, 33 (August, 1965).
Nash, C.F., Litho Printer, 8, 43 (September, 1965).
Yule, J.A.C., Principles of Color Reproduction, Chapter 12, Wiley, New York (1967).
711
ГЛАВА 29 СЕПАРИРУЮЩЕЕ СКАНИРОВАНИЕ
Часть пятая
ЦИФРОВОЕ
ЦВЕТОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ
30 КОДИРОВАНИЕ
ВИЗУАЛЬНОЙ
ИНФОРМАЦИИ
30.1 ВВЕДЕНИЕ
В
традиционных системах цветовоспроизведения сигналы, несущие визуаль
ную информацию, представлены в аналоговой форме: в фотографических —
количеством cyan, magenta и yellowкрасителей; в телевизионных — напряжением
в трихроматических каналах (либо в яркостном и цветоразностных); в полиграфиче
ских — размером растровых CMYкрасочных точек. Развитие надежных и более или
менее недорогих технологий получения и приложения цифровых сигналов (а также
управления ими) привело к массовому применению этих технологий в деле цветовос
произведения, оттеснив далеко на второй план технологии аналоговые.
Если в аналоговых системах уровень сигнала меняется без прерываний, то уровни
сигнала цифрового всегда дискретны и их количество предопределено заранее. На
первый взгляд, последнее суть большой недостаток, однако же, если обеспечено такое
количество уровней цифрового сигнала на диапазон, что переход между соседними
уровнями ведет к незаметным (т.е., лежащим ниже порога визуального отличия) фи
зическим изменениям в конечном изображении, то дискретность сигнала никак не
сказывается на качестве этого изображения. При этом визуальная информация пере
дается с этапа на этап с несоизмеримо большей надежностью. Таким образом, огром
ное преимущество цифрового представления визуальной информации еще и в том, что
информация эта идет по всем этапам цветорепродукционного процесса без какихлибо
искажений (чего нельзя сказать об информации, закодированной аналоговым сигна
лом). Отметим также, что цифровой сигнал достигает своего оптимума сразу над поро
гом детекции, тогда как достижение оптимума сигналом аналоговым требует значе
ний намного бо-льших порогового.
Цифровые сигналы активно используются в закрытых системах телестудий (т.е. до
передачи программ в эфир), в качестве дополнительных сигналов широковещательно
го телевидения, а также телевидения высокой четкости (см. раздел 19.16); в полигра
фии сигналы, получаемые со сканеров, чаще всего цифровые и сохраняются в виде
файла цифровых данных; в фотографии файл изображения часто получают от цифро
вых камер и хранят на Photo CD (см. раздел 24.8); компьютеры, как известно, манипу
лируют числами, и информация об изображении поступает в компьютер тоже в цифро
вой форме.
Простота манипулирования цифровыми данными, простота их визуализации на
экране монитора и разных поверхностях, привели в конце 80х годов прошлого века
к появлению т.н. настольных издательских систем, в частности, настольных печа
тающих устройств (см. гл. 33).
Наконец отметим, что цифровые сигналы всегда двоичны: простейший цифровой
сигнал имеет лишь два значения (два уровня) — 0 или 1. Сие обозначают как 1 бит
715
(одна двоичная единица). Два бита информации указывают на пару двух возможных
уровней — 2
2
. Аналогично 3 бита дают 8 уровней (2
3
), 4 бита — 16 уровней (2
4
), 5 бит —
32 уровня (2
5
), 6 бит — 64 (2
6
), 7 бит — 128 (2
7
), 8 бит — 256 уровней (2
8
) и т.д.
Аналоговые сигналы плавно переходят с уровня на уровень, следовательно, раз!
ность между двумя аналоговыми сигналами, поступившими от двух пространственно
разделенных точек изображения, может иметь любое значение. Однако же поскольку
значения цифровых сигналов строго дискретны, то сигналы эти могут относиться
только к пространственно дискретным точкам изображения. То есть, мы говорим, что
цифровое изображение дискретизировано не только тонально, но и пространственно.
30.2 ТОНАЛЬНОЕ КОДИРОВАНИЕ
Чтобы сохранить плавность тональных переходов при кодировании изображения в
цифровой форме, необходимо обеспечить должное количество уровней сигнала на ка!
ждый аппаратный канал (либо RGB!трихроматический, либо яркостный и цветораз!
ностные, либо CMY, либо CMYK). Когда этих уровней недостаточно, то в градиентах
становится весьма и весьма заметным их паразитное оконтуривание (паразитное ви
зуальное дробление). Однако в свое время было показано, что для обеспечения перцеп!
ционной равномерности тональных переходов в рамках динамического диапазона сис!
темы достаточно всего лишь 90 уровней яркости и, следовательно, 90 уровней дискре!
тизации яркостной информации (6.5 бит).
Цифровые системы чаще всего оперируют 8!ю битами на каждый трихроматиче!
ский канал, давая в сумме 24 бит, и, следовательно, в целом 2
24
= 16777216 вариантов
трихроматического сигнала. Вместе с тем вопрос о том, каково количество стимулов,
которые способно распознать зрение человека при фотопической адаптации, по сей
день остается открытым. По ряду данных число это примерно равно 10 миллионам
(Judd и Wyszecki, 1975; Pointer и Attridge, 1998; McCamy, 1998; Pointer, 1998).
Чтобы 24!битовая система могла воспроизводить такое количество стимулов, ее ко!
лориметрическое пространство должно быть полностью перцепционно!равномерным.
Мы знаем, что более или менее перцепционно!равномерную серую шкалу дает
L
*
!функция цветовых пространств CIELAB и CIELUV (см. раздел 8.8). Количество ра!
бочих L
*
!значений определяемо свойствами носителя изображений и условиями про!
смотра, однако максимальный диапазон обычно равен примерно 90 единицам: от при!
мерно 10 (или чуть ниже) по черной точке (в идеальных условиях) до 100 по белой.
Если едва заметное тональное отличие между двумя стимулами принять за единицу
L
*
, то минимальное количество тональных уровней, позволяющих уйти от паразитного
дробления градиентов, будет равным
100 10 90-=
, т.е.
»65.
бит. Однако когда при коди!
ровании тональной информации используются линейные сигналы, представляющие
коэффициент яркости, то, согласно корнекубическому закону Стивенса (определяюще!
му взаимоотношения между фотометрической яркостью стимула и ощущением его
светлоты), шагу в 1 единицу по L
*
(к примеру, между 10 и 11) будет соответствовать шаг
яркости 0.135 (модуль разности между коэффициентом яркости 1.126 и 1.261). Иными
словами, диапазон коэффициентов яркости от 1.126 до 100 (то есть 98.874) следует пред!
ставлять дискретными значениями с шагом 0.135. Следовательно, количество яркост!
ных ступеней на диапазон в этом случае должно быть равным 98.874/0.135, то есть 733,
что требует разрядности кодирования минимум в 9.6 бит (
»10
бит). То есть, для того что!
бы система могла воспроизвести все различимые стимулы в рамках своего охвата, необ
!
716
ГЛАВА 30 КОДИРОВАНИЕ ВИЗУАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ
ходимо 10!битное линейное кодирование на каждый трихроматический канал (в сумме
30 бит).
Если интегральная оптическая плотность оригиналов в данном издании не посто!
янна, то линейному кодированию потребуется еще боHльшая разрядность, к примеру:
оптическая плотность вуали слайдов (т.е. оптическая плотность их белой точки) мо!
жет варьировать в пределах до 4!х крат, а у негативов до 16 крат и выше. Следователь!
но, для кодирования дополнительного шестнадцатикратного диапазона оптических
плотностей потребуется еще 4 бита информации на каждый трихроматический канал,
что в целом составит
()10 4 3 42+´=
бит.
30.3 ПРОСТРАНСТВЕННОЕ КОДИРОВАНИЕ
Теперь мы должны обсудить вопросы пространственного кодирования визуальной
информации, для чего будем рассматривать изображение как массив плотно соседст!
вующих микроэлементов квадратной формы, именуемых пикселами и упакованных
в ряды и колонки (хотя в ряде случаев используются иные конфигурации).
Общее количество пикселов, необходимое полноценному изображению, зависит от
ряда факторов, в частности от разрешения, задаваемого пространственным размером
будущей репродукции и предполагаемым расстоянием ее просмотра. В целом принято
считать, что стандартная 35!мм фотографическая система обеспечивает должный уро!
вень пространственного разрешения воспроизводимого ею изображения (24´36 мм),
что эквивалентно матрице пикселов 2350´3530, то есть примерно 8´10
6
. Данная циф!
ра выведена из того допущения, что среднее разрешение 35!мм слайда равно примерно
49 циклам (парам линий) на мм (98 пикселов/мм).
30.4 ТОНАЛЬНОПРОСТРАНСТВЕННОЕ КОДИРОВАНИЕ
Теперь, исходя из известных нам требований, предъявляемых к тональному и про!
странственному кодированию визуальной информации, получаем следующее выра!
жение:
14 3 8 336 10
6
´´ = ×
бит или 336 Мбит. Заметим, что группа из 8 бит именуется
байтом, следовательно 336 Мбит = 42 Мбайт.
Издательские системы легко управляются с таким объемом информации, но в про!
чих секторах индустрии изображений, в частности в любительской фотографии и цвет!
ном телевидении, обработка такого количества данных уже затруднительна, а в послед!
нем случае едва ли возможна, и поэтому из изображения стараются удалить всю визу!
ально не значимую информацию. Однако даже в издательском процессе, оперирую!
щим, как уже было сказано, огромными массивами данных, от излишка информации
все же стараются избавляться, дабы сократить время обработки материала.
30.5 УЧЕТ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ
ИЗОБРАЖЕНИЙ
Одним из простейших путей допустимого снижения разрядности кодирования изо!
бражений разной интегральной оптической плотности является регулировка интен!
сивности светового потока при сканировании. Было показано, что если интенсивность
эта обратно пропорциональна интегральному коэффициенту пропускания оригинала,
717
ГЛАВА 30 КОДИРОВАНИЕ ВИЗУАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ
то можно сэкономить 4 бита на каждый трихроматический канал, то есть общее число
бит снизится до
10 3 8 240´´ =
Мбит (30 Мбайт).
Альтернативным и наиболее популярным способом достижения того же результата
является кодирование только в том диапазоне, что задан черной и белой точками ори
гинала (динамический диапазон оригинала), т.е. его минимальной и максимальной
оптическими плотностями.
30.6 НЕЛИНЕЙНОЕ ТОНАЛЬНОЕ КОДИРОВАНИЕ
Разрядность кодирования визуальной информации (и, следовательно, размер фай
ла изображения) можно существенно понизить, если найти способы дискретизации
с большей визуальной равномерностью, чем при кодировании линейном. К таким спо
собам относятся логарифмическая и гаммапредыскаженная дискретизация.
30.6.1 Логарифмическое кодирование
Мы знаем, что логарифмические шкалы визуально равномернее шкал линейных
и одну из логарифмических шкал можно записать как 50Lg(100R), где R — это коэф
фициент фотометрической яркости стимула. Данная запись (которая, заметим, экви
валентна разности между стократной и пятидесятикратной оптическими плотностя
ми) выбрана исходя из того, что при R = 1.0 (100% яркости стимула) уровень сигнала
равен 100.
Логарифмическая шкала перцепционно равномерна по крайней мере в светах,
и шаг приращения яркости на единицу приращения L
*
, скажем от 99 до 100, опреде
лится разностью между R = 100 и R = 99.436, то есть 0.564. Следовательно, шаг дис
кретизации диапазона яркостей от R = 2.577 (значение на логарифмической шкале,
соответствующее L
*
= 10) до R = 100 должен быть равен 0.564. Таким образом, требуе
мое количество уровней дискретизации окажется равным
(.)/.100 2 577 0 564 173-»
,то
есть порядка 8 бит, что радикально меньше, чем при линейном 10битном кодирова
нии (см. табл. 30.1 и рис. 30.1).
Наконец, отметим, что для реализации идеи логарифмического кодирования необ
ходим логарифмический усилитель сигнала.
30.6.2 Гаммапредыскаженное кодирование
Альтернативным логарифмическому является использование сигнала, эквива
лентного гаммапредыскаженному яркостному сигналу
¢
E
Y
, применяемому в широко
вещательном телевидении. Яркостную шкалу в этом случае можно выразить как
12 33100 12 33
122
.( ) .
.
RE=
¢
Y
. Коль скоро
¢
E
Y
не является истинным яркостным сигналом
(см. раздел 19.13), данное выражение полностью адекватно диапазону лишь ахрома
тичных стимулов и более или менее соответствует диапазону околонейтральных. При
веденное выражение также предполагает, что если R = 100 (уровень яркости стимула
100%), то величина сигнала тоже равна 100.
¢
E
Y
сигнал обеспечивает перцепционную равномерность тоновой шкалы, как мини
мум, в ее тенях, и шаг приращения яркости на единицу приращения L
*
, скажем от 10
до 11, определится модулем разности между R = 13.013 и R = 13.701, то есть 0.688.
Иными словами, шаг дискретизации диапазона яркостей от R = 13.013 (значение на
¢
E
Y
шкале, соответствующее L
*
= 10) до R = 100 должен быть равен 0.688. Таким обра
718
ГЛАВА 30 КОДИРОВАНИЕ ВИЗУАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ
зом, требуемое количество уровней дискретизации окажется равным
(.)/.100 13 013 0 688 126-»
, то есть порядка 7 бит.
Однако стоит сказать, что 128 уровней сигнала при 7битном кодировании дают
очень маленький запас на разного рода погрешности, поэтому и в случае логарифмиче
ского кодирования, и в случае кодирования гаммапредыскаженного показана
8битная дискретизация сигнала (см. табл. 30.1 и рис. 30.1).
***
При использовании одного из описанных вариантов нелинейного кодирования
и при условии, что разрядность этого кодирования на каждый канал равна требуемой
разрядности визуально равномерной серой шкалы, общий объем информации (по кад
ру 24´36 мм) снижается до
83819210
6
´´ = ×
бит (24 Мб).
30.7 КОДИРОВАНИЕ С УЧЕТОМ РАЗМЕРА ЦВЕТОВОГО ОХВАТА
Разрядность кодирования зависима также и от размеров цветового охвата стиму
лов, воспроизводимых той или иной системой. Мы знаем, что цветовой охват отра
жающих контонных отпечатков понижен против расчетного изза многократных про
ходов света через слои краски, а полутоновых отражающих — еще и изза их точечной
структуры. Развернем сей тезис в двух следующих подразделах.
30.7.1 Контонные изображения
Если показатель преломления краски ощутимо выше, чем таковой у воздуха (к
примеру, 1.5 — как у желатина), и если имеет место оптический контакт этой краски с
рассеивающей подложкой (к примеру, бумагой), то назад к наблюдателю из слоя крас
719
ГЛАВА 30 КОДИРОВАНИЕ ВИЗУАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ
ТАБЛИЦА 30.1 Требуемое количество уровней дискретизации при разных вариантах нелинейного
кодирования яркостной информации
L
*
100R 50lg(100R)
12 33.
¢
E
Y
Белая точка 100 100 100 100
Суббелая точка 99 97.4 99.436 98.8
DL
*
1 2.6 0.564 1.2
Предчерная точка 11 1.261 5 13.701
Черная точка 10 1.126 2.577 13.013
DL
*
1 0.135 2.423 0.688
Диапазон от белого до
черного
100 – 10 = 90 100 – 1.126
= 98.874
100 – 2,577
= 97.4
100 – 13,013
= 86.987
Диапазон/Отличие
= требуемое количество
уровней
90/1 = 90 98.874/0.135
= 733
97.4/0.564
= 173
6.987/0.688
= 126
Двоичное
представление
2
7
= 128 2
10
= 1024 2
8
= 256 2
7
= 128
Рязрядность (бит) 7 10 8 7
ки фотоны возвращаются лишь в рамках т.н. предельного угла (см. раздел 13.9). За пре
делами этого угла свет подвергается полному внутреннему отражению (см. рис. 13.1),
после чего вновь пытается прорваться наружу (и так несколько раз). То есть, мы ви
дим, что свет многократно проходит сквозь слой колоранта.
Чем больше таких проходов, тем менее они значимы, когда поглощательная способ
ность слоя краски велика. Но когда коэффициент поглощения краски мал, факт множе
ственных проходов света сквозь красочный слой имеет первостепенное значение.
Если предположить, что 50% света, упавшего на отпечаток, остается внутри слоя
краски после каждого двойного прохода сквозь этот слой, то на разных оптических
плотностях на пропускание D
T
(то есть, соответственно, при разных коэффициентах
пропускания краски — Т) часть упавшего на отпечаток света будет возвращаться на
зад в количествах, показанных в табл. 30.2 (некоторым ростом оптической плотности,
вызванным увеличением длины пути светового потока, можно пренебречь). Сумма
сих величин даст коэффициент отражения R, сопряженный с величиной оптической
плотности на отражение D
R
. Отношение D
R
/D
T
можно назвать коэффициентом роста
оптической плотности на отражение, и очевидно, что коэффициент этот растет по
мере снижения D
T
.
При показателе преломления слоя краски равном 1.53 (как уже было сказано, ти
пичное значение по желатину) только 38.6%упавшего света остается внутри этого
слоя, а рост оптической плотности на отражение приходится в основном на увеличе
ние длины пути хода светового потока. Сие ведет к тому, что величина D
R
/D
T
оказыва
ется чуть больше, чем в табл. 30.2. Множественные проходы больше усиливают погло
щение на малых оптических плотностях, чем на высоких, повышая тем самым вели
чину отношения паразитных поглощений к полезным (см. рис. 13.3).
Если концентрация красителя (или краски), имеющего два не равных друг другу
паразитных поглощения, растет, то более выраженное паразитное поглощение будет
иметь больший эффект, чем менее выраженное, к примеру: cyanкраситель синеет на
высоких концентрациях, поскольку его большее паразитное поглощение в средневол
720
ГЛАВА 30 КОДИРОВАНИЕ ВИЗУАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ
Рис. 30.1 Распределение L
*
значений (ось ординат) при линейном, логарифмическом и
гаммапредыскаженном кодированиях яркостной информации о стимулах сцены или ее пер
вичного изображения (ось абсцисс). Хорошо видно, что распределение L
*
значений наименее
равномерно при линейном кодировании и наиболее равномерно — при гаммапредыс
каженном.