Интерполяция или повторная выборка изображения

Введение

В отличие от обычной фотографии, которая существует уже около 135 лет, цифровая фотография только делает первые шаги в своем становлении. Как и в любой другой новой, быстро развивающейся технологии, здесь имеет место применение сомнительных терминов и акронимов, не используемых непосредственно при ее разработке. Чтобы исключить возможность пользования неточной и недостоверной информацией, потребуется затратить много времени и усилий на поиск их истинного значения по материалам журнальных статей, независимых отчетов и рыночного жаргона, просмотр различных других источников. Цифровая фотография представляет особый интерес как для фотографов, так и для пользователей ПК. Для того, чтобы добиться наилучшего результата при фотографировании цифровым аппаратом, требуются базовые знания как в области традиционной фотографии, так и компьютерной графики. С учетом этих двух положений данная работа является введением и в ту, и в другую область. Несмотря на то, что базовые принципы могут быть знакомы представителю одной или другой профессии, мы приводим здесь объяснение того, как они связаны с цифровой фотографией.

Подготовка сцены съемки

В цифровой фотографии (ЦФ), как правило, используются оптика и механизмы традиционных фотоаппаратов, однако черно-белая или цветная фотопленка заменена электронным светочувствительным элементом. Эти чувствительные элементы либо встроены в съемную заднюю крышку камеры для использования в существующих среднеформатных камерах с наводкой по матовому стеклу, либо установлены в специальные цифровые камеры, либо в 35-мм камеры с модифицированным корпусом. Пригодность каждой цифровой камеры для съемки статических или подвижных объектов, в условиях студии или в любой другой обстановке определяется технологией изготовления чувствительных элементов, режимом работы и способом хранения данных. Виды цифровых фотоаппаратов и возможности их применения приведены в разделе под заголовком «Выбор вашей камеры». Несмотря на то, что цифровой способ получения изображений находится еще на начальном этапе развития, он уже имеет целый ряд преимуществ перед обычной фотографией, не последним из которых является возможность немедленного получения фотографий. Рассмотрим различие между двумя приводимыми на рисунке технологическими процессами, которые требуются для регистрации изображений и превращения их в формат, пригодный для печати, публикации в Интернете, мультимедийных представлений, получения вторых оригиналов изображений и различных других вариантов использования.

Цифровые камеры

Самые дешевые компактные камеры специального назначения обеспечивают получение снимков ограниченного качества для использования в мультимедийных презентациях, предложениях вариантов компоновки, страховочных записях или памятках в визуальном виде. Они портативны и просты в применении. Их одноматричный ПЗС дает возможность съемки с использованием вспышки, которая чаще всего встроена в камеру. Модифицированные 35-мм фотоаппараты дают изображения более высокого качества и снабжены достаточно сложными устройствами, например автоматической фокусировкой и программой отработки экспозиции с учетом характера объекта съемки. В них применяются ПЗС с одной или тремя матрицами; камеры портативны, дают возможность съемки с помощью вспышки, что позволяет применять их в журналистике. Для этих камер выпускается большое количество обычных объективов и дополнительных принадлежностей. Для получения снимков высокого качества нужна либо специальная студийная цифровая камера, либо съемная задняя крышка для регистрации в цифровом виде, устанавливаемая на профессиональную среднеформатную или форматную камеру. Задняя крышка для регистрации в цифровом виде снабжается либо линейным, либо матричным массивом и ею просто заменяют заднюю крышку традиционной пленочной камеры. В то же время может понадобиться дополнительная модификация, например, применение объектива с более высоким разрешением. Полная стоимость такой камеры может быть больше, чем стоимость специальной студийной цифровой камеры, которая может обеспечить более высокое качество изображений, благодаря менее жестким требованиям к конструкции. Преимущества каждого типа камеры нужно хорошо взвесить. Форматные камеры позволяют корректировать перспективу и качество фокусировки путем перемещения или изменения угла наклона плоскости объектива или пленки (см. «Изменение перспективы»). Использование специальных перемещаемых объективов в мало- и среднеформатных фотоаппаратах также позволяет корректировать перспективу. Некоторые цифровые видеокамеры, имеющие ПЗС с одной или тремя матрицами, позволяют регистрировать отдельные кадры с более высоким качеством изображения по сравнению с кадрами, полученными при съемке движущихся объектов.

Разрешение цифрового файла

Различное толкование термина "разрешение" может привести к довольно большой путанице. Когда изображение получено в цифровом формате с помощью сканера или цифрового фотоаппарата, файл содержит определенной количество пикселей в горизонтальном и вертикальном направлении. Описание одного пикселя не дает представления о том, насколько большим он будет при распечатке или выводе на дисплей с помощью мультимедийных средств или макета страницы. (Исключением являются средства для редактирования изображений; с их помощью зачастую отображаются пиксели фиксированного размера). Разрешение изображения в рамках файла кодируется с мощью единственного утверждения, например: "300 пикселей на дюйм". Всего лишь изменив это утверждение на "150 пикселей на дюйм", мы удвоим горизонтальные или вертикальные размеры каждого выведенного на дисплей или распечатанного пикселя, увеличив площадь изображения в четыре раза. В то же время, к добавлению в файл новых пикселей это не приведет. Размер файла данных, хранящегося в вашем компьютере, не увеличится. Если размеры пикселя увеличить слишком сильно, они будут видны с искажениями. Разрешение изображения должно соответствовать качеству выхода. Разрешение 72 пикселя на дюйм обычно используется при выводе на дисплей или крупнозернистой газетной распечатке, однако для высококачественного воспроизведения может потребоваться разрешение 300 пикселей на дюйм.

Предварительная обработка изображений

Процесс обработки изображений состоит из ряда этапов, среди которых одним из наиболее важных является предварительная обработка изображений, которая представляет самостоятельный интерес. Предварительная обработка и выделение контуров на цифровых изображениях имеют широкий спектр применения в различных областях, начиная от подготовки изображения к распознаванию, улучшению изображения во всевозможных записывающих устройствах путем низкочастотной фильтрации и эквализации гистограмм яркостей - фото и видео камерах, сканерах, эхолокаторах, изображений, полученных при помощи ультразвука, рентгена, радио локации, астрономических фотографий, электронной микроскопии и т.п.

Общая схема предварительной обработки цифрового изображения

В первую очередь в ходе предварительной обработки производится анализ изображения, определяющий различные статистические характеристики изображения, такие как математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение яркостей, контрастность, построение гистограммы яркостей и контрастов, подбор наиболее подходящей модели и параметров цифрового шума. Затем на следующем этапе предварительной обработки производится низкочастотная фильтрация, которая производит удаление цифрового шума на изображении.

После низкочастотной фильтрации контрастность изображения снижается и требуется ее скорректировать. Для коррекции контрастности производится вычисление контуров изображения. В результате суммирования яркостей пикселей изображения с яркостями вычисленных контуров осуществляется коррекция контрастности изображения.

Существует общая блок-схема предварительной обработки изображения. В качестве входных данных принимается исходное необработанное изображение, для которого вычисляется гистограмма яркостей, определяются такие статистические характеристики яркостей пикселей изображения, как математическое ожидание, среднеквадратичное отклонение а и медиана, а также вычисляются математическое ожидание  и среднеквадратическое отклонение цифрового шума.

Затем изображение  обрабатывается низкочастотными фильтрами для удаления цифрового шума и усиления контуров. Результатом низкочастотной фильтрации является изображение, на котором производится вычисление контуров В. Итогом предварительной обработки является изображение В со сбалансированным контрастом и подавленным низкочастотным шумом.

Таким образом, для предварительной обработки изображения выполняется вычисление статистических характеристик, степени контрастности и шума на изначальном изображении. После чего производится низкочастотная фильтрация шума, удаляющая шумовую составляющую изображения. На завершающем этапе выполняется поиск контуров изображения и коррекция контраста с помощью вычисленных контуров.

Введение

В отличие от обычной фотографии, которая существует уже около 135 лет, цифровая фотография только делает первые шаги в своем становлении. Как и в любой другой новой, быстро развивающейся технологии, здесь имеет место применение сомнительных терминов и акронимов, не используемых непосредственно при ее разработке. Чтобы исключить возможность пользования неточной и недостоверной информацией, потребуется затратить много времени и усилий на поиск их истинного значения по материалам журнальных статей, независимых отчетов и рыночного жаргона, просмотр различных других источников. Цифровая фотография представляет особый интерес как для фотографов, так и для пользователей ПК. Для того, чтобы добиться наилучшего результата при фотографировании цифровым аппаратом, требуются базовые знания как в области традиционной фотографии, так и компьютерной графики. С учетом этих двух положений данная работа является введением и в ту, и в другую область. Несмотря на то, что базовые принципы могут быть знакомы представителю одной или другой профессии, мы приводим здесь объяснение того, как они связаны с цифровой фотографией.

Подготовка сцены съемки

В цифровой фотографии (ЦФ), как правило, используются оптика и механизмы традиционных фотоаппаратов, однако черно-белая или цветная фотопленка заменена электронным светочувствительным элементом. Эти чувствительные элементы либо встроены в съемную заднюю крышку камеры для использования в существующих среднеформатных камерах с наводкой по матовому стеклу, либо установлены в специальные цифровые камеры, либо в 35-мм камеры с модифицированным корпусом. Пригодность каждой цифровой камеры для съемки статических или подвижных объектов, в условиях студии или в любой другой обстановке определяется технологией изготовления чувствительных элементов, режимом работы и способом хранения данных. Виды цифровых фотоаппаратов и возможности их применения приведены в разделе под заголовком «Выбор вашей камеры». Несмотря на то, что цифровой способ получения изображений находится еще на начальном этапе развития, он уже имеет целый ряд преимуществ перед обычной фотографией, не последним из которых является возможность немедленного получения фотографий. Рассмотрим различие между двумя приводимыми на рисунке технологическими процессами, которые требуются для регистрации изображений и превращения их в формат, пригодный для печати, публикации в Интернете, мультимедийных представлений, получения вторых оригиналов изображений и различных других вариантов использования.

Цифровые камеры

Самые дешевые компактные камеры специального назначения обеспечивают получение снимков ограниченного качества для использования в мультимедийных презентациях, предложениях вариантов компоновки, страховочных записях или памятках в визуальном виде. Они портативны и просты в применении. Их одноматричный ПЗС дает возможность съемки с использованием вспышки, которая чаще всего встроена в камеру. Модифицированные 35-мм фотоаппараты дают изображения более высокого качества и снабжены достаточно сложными устройствами, например автоматической фокусировкой и программой отработки экспозиции с учетом характера объекта съемки. В них применяются ПЗС с одной или тремя матрицами; камеры портативны, дают возможность съемки с помощью вспышки, что позволяет применять их в журналистике. Для этих камер выпускается большое количество обычных объективов и дополнительных принадлежностей. Для получения снимков высокого качества нужна либо специальная студийная цифровая камера, либо съемная задняя крышка для регистрации в цифровом виде, устанавливаемая на профессиональную среднеформатную или форматную камеру. Задняя крышка для регистрации в цифровом виде снабжается либо линейным, либо матричным массивом и ею просто заменяют заднюю крышку традиционной пленочной камеры. В то же время может понадобиться дополнительная модификация, например, применение объектива с более высоким разрешением. Полная стоимость такой камеры может быть больше, чем стоимость специальной студийной цифровой камеры, которая может обеспечить более высокое качество изображений, благодаря менее жестким требованиям к конструкции. Преимущества каждого типа камеры нужно хорошо взвесить. Форматные камеры позволяют корректировать перспективу и качество фокусировки путем перемещения или изменения угла наклона плоскости объектива или пленки (см. «Изменение перспективы»). Использование специальных перемещаемых объективов в мало- и среднеформатных фотоаппаратах также позволяет корректировать перспективу. Некоторые цифровые видеокамеры, имеющие ПЗС с одной или тремя матрицами, позволяют регистрировать отдельные кадры с более высоким качеством изображения по сравнению с кадрами, полученными при съемке движущихся объектов.

Разрешение цифрового файла

Различное толкование термина "разрешение" может привести к довольно большой путанице. Когда изображение получено в цифровом формате с помощью сканера или цифрового фотоаппарата, файл содержит определенной количество пикселей в горизонтальном и вертикальном направлении. Описание одного пикселя не дает представления о том, насколько большим он будет при распечатке или выводе на дисплей с помощью мультимедийных средств или макета страницы. (Исключением являются средства для редактирования изображений; с их помощью зачастую отображаются пиксели фиксированного размера). Разрешение изображения в рамках файла кодируется с мощью единственного утверждения, например: "300 пикселей на дюйм". Всего лишь изменив это утверждение на "150 пикселей на дюйм", мы удвоим горизонтальные или вертикальные размеры каждого выведенного на дисплей или распечатанного пикселя, увеличив площадь изображения в четыре раза. В то же время, к добавлению в файл новых пикселей это не приведет. Размер файла данных, хранящегося в вашем компьютере, не увеличится. Если размеры пикселя увеличить слишком сильно, они будут видны с искажениями. Разрешение изображения должно соответствовать качеству выхода. Разрешение 72 пикселя на дюйм обычно используется при выводе на дисплей или крупнозернистой газетной распечатке, однако для высококачественного воспроизведения может потребоваться разрешение 300 пикселей на дюйм.

Интерполяция или повторная выборка изображения

Как же произвести распечатку или вывод на дисплей изображения с увеличением, не изменив его разрешения? Для этого нужно добавить по всему файлу новые пиксели через определенные промежутки таким образом, чтобы увеличенное изображение все-таки содержало прежнее количество пикселей на дюйм. Чтобы удвоить ширину изображения, нужно между двумя первоначальными пикселями установить по одному новому пикселю. Тональные значения для каждого нового пикселя формируются путем усреднения значений соседних пикселей. Такая интерполяция или повторная выборка изображения (interpolation èëè resampling) исключит возможность того, что будут различимы отдельные пиксели или ступенчатые кромки, однако каких-либо новых деталей изображение не получит. На самом деле, резкие детали станут нечеткими из-за процесса усреднения, поскольку его действие распространяется еще на несколько пикселей. Также уменьшается резкость высококонтрастных кромок. Удвоение ширины и высоты изображения при его повторной выборке ведет к созданию файла, который займет в четыре раза больший объем памяти.