Устойчивость к стирающим шумам д-алгоритма бинаризации




Скачать 91.04 Kb.
НазваниеУстойчивость к стирающим шумам д-алгоритма бинаризации
Дата17.02.2013
Размер91.04 Kb.
ТипДокументы
УДК.655

Устойчивость к стирающим шумам Д-алгоритма бинаризации

В.Н. Горбачев, В.Н. Дроздов, Е.С. Яковлева

Аннотация

Для описания ошибок процесса печати введен бинарный канал со стирающим шумом. Рассмотрена устойчивость Д-алгоритма бинаризации к действию стирающего шума. Визуальные характеристики и согласующиеся с ними объективные меры искажения у Д-алгоритма оказались выше, чем у алгоритма DITHER, который использовался для сравнения.

Ключевые слова: бинарный канал, шум, алгоритм бинаризации

Введение

В реальных физических системах и сложных производственных процессах шумы играют важную роль, как правило, негативную, поскольку приводят к ошибкам, в результате чего возникают нежелательные свойства. Шумы устранить нельзя, поэтому, благодаря случайной природе шума, c некоторой вероятностью возникают ошибки. В задаче повышения качества изображений исследованию шумов уделяется пристальное внимание [1]. Большое число методов повышения качества изображений, основанных на пространственной и частотной фильтрации [2,3,4,5], в число которых входят дискретные вейвлет и другие преобразования (см. обзор [6]), приводят к положительным результатам.

В нашей работе рассматривается вопрос о шумах, которые могут возникать в процессе печати изобразительной информации в полиграфии. Изучение нестабильности печатного процесса представляет большой интерес для практики, например, для прогнозирования результата на стадии допечатной подготовки. Для решения этих задач на рынке предлагается множество продуктов, которые ведут к повышению стабильности. Однако вопрос остается открытым, в тиражах возникают бракованные экземпляры с теми или иными дефектами. Дефекты вызваны сложностью процесса печати, который можно рассматривать с разных сторон. Так, интенсивно исследуются оптимальные модели цветовоспроизведения [6,7] и технологические факторы стабильности производства [8], изучаются и классифицируются дефекты печати для создания стандартов качества и пр. Полностью дефекты устранить нельзя, однако путем правильного выбора компонент процесса печати вероятность их появления можно уменьшить.

Цель данной работы рассмотреть устойчивость к шумам алгоритмов бинаризации, которые преобразуют полутоновое изображение в бинарное и являются основой процесса печати. Эти алгоритмы входят в состав растрового процессора (raster image processor) и, как правило, являются закрытыми для пользователя. Поэтому для исследования был взят алгоритм бинаризации, предложенный в одной из наших работ [9], который назван Д-алгоритмом. Свойства Д-алгоритма рассмотрены в [10], Основное внимание мы уделяем следующим вопросам: каким образом ввести шум и как оценивать устойчивость.

Рассматривая процесс печати с точки зрения передачи информации, мы выделили бинарный канал и взяли простую модель стирающего шума. Эта модель, где два входных сигнала и с некоторой вероятностью преобразуются в один, хорошо известна в теории кодирования для канала с шумом [11]. Для случая цифрового преобразования изображений такая модель шума не рассматривалась, она может описывать, например, ошибки печатающего устройства, когда на бумаге ставится лишний печатный элемент или лишняя точка. Близкая модель с аппликативным шумом, который также воздействует на отдельные пикселы и окружающие их области, использована для задачи обнаружения объектов по их изображениям с учетом затемнения фона [12]. Как оказалось, в нашем случае стирающий шум приводит к двум визуальным эффектам, которые воспринимаются как почернение и размытие границ изображение. За счет этого возникают ''рваные края элементов изображения'', что является известным дефектом при печати флексографическими красками [13].

Сравнение исходного бинарного изображения с изображения с шумом позволяет оценить устойчивость алгоритма бинаризации. Для сравнения изображений служат субъективные критерии и различные объективные меры искажения, среди которых нет универсальных. В данной работе мы использовали меры искажения – евклидово расстояние и относительная энтропия. Эти меры мы использовали чтобы наряду с Д-алгоритмом сравнить устойчивость к шуму алгоритм пороговой бинаризации с распределением ошибки по методу Флойда-Стейнберга. Его вариант DITHER реализован в программе MATLAB. В отличие от Д-алгоритма, DITHER имеет стохастическую основу. Из полученных результатов следует, что оценка зрительное восприятия находится в соответствии с объективными мерами искажения, которые у DITHER они оказываются хуже. Это означает, что Д-алгоритм является более устойчивым к воздействию шумов, нежели DITHER. Этот результат выглядит естественны, поскольку при действии шума сильнее будет деградировать изображение, где плавность передачи тона решается за счет случайного расположения точек, чем изображение с детерминированной структурой.

Работа построена следующим образом. Вначале вводится бинарный канал, для которого используется простая модель стирающего шума. Затем рассматривается действие шума на изображения, полученные двумя алгоритмами бинаризации: Д-алгоритм и DITHER.

Бинарный канал

Влияние ошибок, которые возникают в процессе печати, будем рассматривать, используя модель бинарного канала со стирающим шумом. Этот подход основан на известной схеме Шеннона для передачи и хранения информации, которая включает источник сообщений, кодер, канал и декодер [11]. В нашем случае в качестве сообщения выступает полутоновое изображение, представленное в цифровом виде, а канал представлен устройством печати, где главными элементами являются «краска» и «бумага». Кодером служит RIP (Raster Image Processor), который преобразует полутоновое изображение в бинарное, используя процесс бинаризации. Выходом канала является «бумага», где «краской» воспроизводится бинарное изображение. Элементы «краска» и «бумага» могут иметь разную реализацию, например, можно говорить об электронной бумаге или чернилах, основанных на современных технологиях. Однако методы воспроизведения полутонового или цветного изображения не меняются. В итоге имеем бинарный канал, где

нули и единицы на входе, бинарное изображение в цифровом виде, преобразуются в нули и единицы на выходе, наличие или отсутствие печатного элемента на бумаге.

Далее будем рассматривать канал со стирающим шумом, где оба входных символа преобразуются в один: . Шум в бинарном канале, который описывает процесс печати, имеет разные источники, например, печатающая головка. Идеальная печатающая головка, или устройство печати в общем случае, ставит краской одну точку фиксированного размера в заданном месте. Пусть источником шума служит вибрация головки, тогда может возникать лишняя точка, точка может ставится в неправильную позицию, размер точки может увеличиться и пр. К подобным ошибкам будут приводить локальные дефекты бумаги не идеальность краски и многое другое. Имея в виду приведенный пример, такие шумы будем описывать с помощью условных операций [14], где есть два сигнала: управляющий и управляемый. Для наших целей управляющим сигналом будет шум, который будет воздействовать на управляемый сигнал. Будем рассматривать условную операцию , где некоторый оператор, который в общем случае может быть неунитарным. Двухбитная условная операция имеет вид :, где управляющий бит, управляемый. Будем считать, что на управляющий бит подается случайная последовательность из нулей и единиц или бинарный шум. На вход подаются значения элементов матрицы бинарного изображения. Поскольку операция может быть любой, то с помощью приведенного способа можно моделировать весьма разнообразные шумы, которые возникают в процессе печати. При численном моделировании мощность бинарного шума будем описывать параметром , принадлежащим интервалу [0,1], где значение 1 отвечает максимальной мощности.

Размытие границ


Стирающий шум в бинарном канале, который моделирует процесс печати, приводит к эффекту размытия границ изображения. Размытие проявляется по-разному в зависимости от использованных алгоритмов бинаризации.

Для описания стирающего шума введем условную операцию в виде , где управляющим сигналом служит матрица v с элементами , отвечающая бинарному шуму, управляемый сигнал – бинарная матрица с элементами , представляющая изображение. Если считать, что 1 на выходе соответствует печатному элементу, 0 – его отсутствию, то стирающий канал описывает те ошибки, когда вместо пробельного элемента на бумаге возникает черная точка. Реальных причин такой ошибки может быть много, а визуально она будет к почернению изображения и размытию границ из-за случайного увеличения числа черных точек. В качестве можно взять операцию ИЛИ, тогда для условной операции следует простое выражение: , где дизъюнкция.

Для разных алгоритмов бинаризации размытие границ будет происходить по-разному. На рис. 1 приведен пример действия стирающего шума на бинарные изображения, полученные двумя алгоритмами DITHER и Д-алгоритмом. На рис. 1а и 1b представлены бинарные изображения, полученные Д-алгоритмом и DITHER, под ними показаны, фрагменты этих изображений, которые подвергались действию стирающего шума с мощностью, отвечающей порогу . Видно, что с увеличением мощности шума границы объектов размываются. Рис. 2 иллюстрирует эффект размытия для уровней шума с . На рис. 2a и рис. 2c показаны зашумленные фрагменты, бинарного изображения полученные Д-алгоритмом, справа на рис. 2b и рис. 2d — DITHER. Выбранные уровни соответствуют максимальной энтропии бинарного шума, когда в нем корреляция практически отсутствует. Видно, что при границы практически исчезают, однако для DITHER это происходит быстрее.

Такое поведение можно связать с различием методов бинаризации, которые используют эти два алгоритма. Так, DITHER имеет стохастическую основу, что приводит к характерной структуре изображения: оно составлено из отдельных точек с хаотическим распределением. Уже на исходном бинарном изображении, рис. 1b, границы не выглядят резкими, в отличие от работы Д-алгоритма, рис. 1a. Это свойство DITHER приводит к хорошим визуальным эффектам при обработке полутоновых изображений с быстрым изменением яркости объекта, когда при бинаризации возникает сглаживание. Однако при этом устойчивость к шуму, оказывается меньше, поскольку плавные границы будут размываться быстрее. При работе Д-алгоритма границы возникают резким, поэтому он оказывается более устойчивым к шуму. Этот вывод находится в соответствии с объективными мерами искажения, которые рассчитывались для сравнения работы двух алгоритмов. Такие меры искажения, как евклидово расстояние и относительная энтропия для Д-алгоритма оказались лучше, что свидетельствует о более высокой устойчивости к шумам алгоритмов бинаризации, не использующих стохастические методы.

Рис. 1. Действие бинарного шума на изображения, полученные DITHER и Д-алгортмом. a) бинарное изображение, полученное Д-алгоритмом; b) бинарное изображение, полученное DITHER; c) Д-алгоритм, фрагмент зашумленного изображения, порог ; d) Д-алгоритм, фрагмент зашумленного изображения, порог ; e) DITHER, фрагмент зашумленного изображения, порог ; g) DITHER, фрагмент зашумленного изображения, порог .




Рис. 2. Размытие границ в зависимости от уровня шума. Слева фрагменты бинарного изображения, полученного Д-алгоритмом, справа - DITHER; a) и b) порог , c) и d) порог

Список литературы

[1] Ю.В. Кузнецов. Технология обработки изобразительной информации. Москва-СПб, Изд.-во Петербургский институт печати, 2002.

[2] Хэмминг. Цифровые фильтры. М. Советское радио, 1980.

[3] Я.А. Фурман, А.Н. Юрьев, В.В. Яншин. Цифровые методы обработки и распознавания бинарных изображений. Красноярск: Изд-во Краснояр. ун-та, 1992.

[4] У. Претт. Цифровая обработка изображений, в 2-х книгах, М., Мир, 1982.

[5] Штарк. Применение вейвлетов для ЦОС. Техносфера, М.,2007.

[6] Д. Калинкина, Д. Ватолин. Проблема подавления шума на изображении и видео и различные подходы к ее решению. Компьютерная графика и мультимедиа. Выпуск №3(2), 2005.

http://cgm.computergraphics.ru/content/view/74.1

[6] А.В. Никоноров, А.В. Попов. В.А. Фурсов. Идентификация нелинейных моделей цветовоспроизведения. Труды 11-й Всероссийской конференции «Математические методы распознавания образов» ММРО-11, Москва, ВЦ РАН, с. 381-384, 2003.

[7] А.В. Никоноров, В.А. Фурсов. Построение адаптивной системы управления цветовоспроизведением с распознавания опорных областей цветового пространства. Компьютерная оптика (РАН), 33, № 3, с. 290-295, 32, №3, 2008.

[8] А. Толстых. ТПФ без проблем. Рекламные технологии, 5/6, 2009.

[9] В.Н. Горбачев, В.Н. Дроздов, Е.С. Яковлева. Об одном алгоритме бинаризации для полутоновых цифровых изображения с выделением слабоконтрастных структур. Вестник МГУП, 3, с. 65, 2009.

[10] Е.С. Яковлева. Алгоритмическое обеспечение растрирования при допечатной подготовке оригиналов. Научно-технические ведомости СПбГПУ, серия Информатика. Телекоммуникации. Управление. 4, с. 197-200, 2009.

[11] К. Шеннон. Работы по теории информации и кибернетике. М., ИЛ, 1963.

[12] А.П. Трифонов, Р.В. Куцов. Обнаружение объекта с неизвестными параметрами движения по его изображению. Вестник ВГУ (Воронежский государственный университет). Серия: физика, математика, №1, с. 96 - 2008.

[13] Флексографические краски в печатном процессе. САПР и графика, №9, 2009.

[14] А. Китаев, А. Шень, М. Вялый. Классические и квантовые вычисления. МЦНМО, 1999.


Похожие:

Устойчивость к стирающим шумам д-алгоритма бинаризации iconДвумерная модель динамики вязкого теплопроводного газа
Якоби. Полученные системы уравнений удовлетворяют законам сохранения массы и полной энергии на дискретном уровне, обеспечивая устойчивость...
Устойчивость к стирающим шумам д-алгоритма бинаризации iconМатериалы к экзамену
Определение устойчивости по Пуассону и Лагранжу. Орбитальная устойчивость (устойчивость по Пуанкаре – самостоятельно!)
Устойчивость к стирающим шумам д-алгоритма бинаризации iconДискретность Это свойство состоит в том, что алгоритм… Определенность
Блок-схемой алгоритма называется наглядное графическое изображение структуры алгоритма, когда отдельные действия алгоритма изображаются...
Устойчивость к стирающим шумам д-алгоритма бинаризации iconПрограмма курса «Алгоритмы и алгоритмические языки»
Уточнение понятия алгоритма, алгоритм как преобразование слов. Применимость и неприменимость алгоритма к слову
Устойчивость к стирающим шумам д-алгоритма бинаризации iconУроков информатики по теме: «Программирование на языке Паскаль»
Тема: Правила тб. Этапы решения задач на ЭВМ. Алгоритм. Свойства алгоритма. Исполнитель алгоритма
Устойчивость к стирающим шумам д-алгоритма бинаризации iconТема: Алгоритм, свойства алгоритма. Исполнитель алгоритмов
Понятие алгоритма так же фундаментально для информатики, как и понятие информации
Устойчивость к стирающим шумам д-алгоритма бинаризации iconПрограмма вступительного экзамена в магистратуру по направлению 230700 «Прикладная информатика»
Этапы решения задачи на компьютере. Понятие алгоритма и его свойства. Виды алгоритмов и их реализация, способы записи алгоритма
Устойчивость к стирающим шумам д-алгоритма бинаризации iconПлан-конспект урока понятие алгоритма, свойства алгоритма, способы записи алгоритмов, виды алгоритмов
Понятие алгоритма, свойства алгоритма, способы записи алгоритмов, виды алгоритмов
Устойчивость к стирающим шумам д-алгоритма бинаризации iconПрограмма вступительных испытаний для поступающих в магистратуру Иргту направление магистерской подготовки: 270800. 68 Строительство «Проектирование, строительство и эксплуатация автомобильных дорог»
Требования к устойчивости земляного полотна. Расположение грунтов в земляном полотне. Требования к степени уплотнения грунтов земляного...
Устойчивость к стирающим шумам д-алгоритма бинаризации iconРасписание занятий Симплекс-метод в решении задач линейного программирования
Разработка алгоритма расчета размеров изображения для его пропорционального отображения и реализация алгоритма различными методами...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница