5.5 Квантование и кодирование сигнала изображения

Под квантованием понимают замену непрерывного интервала значений тона, которые могут принимать отдельные элементы изображения, тем или иным рядом дискретных значений - шкалой квантования.
Непрерывный диапазон напряжения видеосигнала, полученного в ФЭП и являющегося, например, аналогом коэффициента отражения, усредненного по площади считывающего пятна, в процессе аналого-цифрового преобразования разбивают на дискретные уровни. Число дискрет определяется размерностью шкалы квантования или разрядностью цифрового кода. Например, в АЦП аппаратуры Магнаскен 640 аналоговый сигнал преобразовывался в 12-ти разрядный двоичный код по шкале квантования имеющей 4096 уровней. На выходе логарифмирующего блока формировали 8-ми разрядный (равноконтрастный) сигнал, имеющий 256 возможных значений, пропорциональных оптическим плотностям оригинала. Такой запас по числу уровней на выходе логарифматора необходим для того, чтобы на самых крутых (с большим градиентом) участках характеристики передачи амплитуды каждому из выходных значений логарифматора соответствовало хотя бы одно входное значение (см. Рис. 5.13). Тогда все выходные значения оказываются информационно значимыми. Многократный запас по шкале квантования по отношению к 256-ти уровням восьмиразрядного сигнала, поступающего в компьютер, предусматривается и в современных сканерах. АЦП каждого из цветоделительных каналов может обеспечивать «глубину цвета» в 10,12,14 или даже 16 разрядов двоичного кода адекватную интервалу оптических плотностей считываемых оригиналов и динамическому диапазону используемого фотоэлектрического преобразователя.

Рис. 5.13 К вопросу о «достаточности» числа разрядов входного сигнала для нелинейного преобразования

Восьмиразрядная равноконтрастная шкала считается достаточной как для телевизионных, так и для типографских систем. Заметные для наблюдателя т.н. шумы квантования отсутствуют. В ином случае (см. Рис. 5.14, б-г) они проявляются на протяженных участках изображения в виде ложных контуров, проходящих перпендикулярно направлениюплавного изменения тона на оригинале.

Рис. 5.14 Ошибки квантования непрерывной тоновой шкалы-оригинала становятся заметнее по мере снижения разрядности ее цифрового представления в иллюстрационном файле (а-г), а также в результате нелинейного преобразования (д)

Для подавления шумов квантования, сопутствовавших шестиразрядному кодированию (64 уровня) в первых цифровых репросистемах, использовалась т. н. межуровневая вобуляция, или диффузия ошибки квантования [5,10, 5.11]. Фоновые участки оригинала с плавным переходом с одного уровня квантования на другой изображались смесью растровых точек двух соседних уровней. Сглаживая скачки тона на участках его плавного изменения, этот метод, с другой стороны, препятствовал передаче рисунка, локальный контраст деталей которого был близок к шагу квантования.
Принцип диффузии ошибки был положен позднее в основу целой категории рассматриваемых далее методов цифрового растрирования изображений. Основное отличие этих методов состоит лишь в том, что диффузия распространяется в них не на 1/64, а на 1/2 часть диапазона полутонов.
Так же как и пространственная дискретизация, квантование оптического параметра по его уровню имеет место в полиграфической системе как минимум два раза. Второй раз это связано с формированием растровых точек из отдельных элементов (субэлементов, микроточек). Ниже будет показано, что шкала второго квантования существенно нелинейна в отношении как воспроизводимых коэффициентов отражения, так и оптических плотностей,
В аналоговых системах, будь то полутоновые изображения - оптические аналоги (реплики) зрительно воспринимаемого окружающего мира или электрические непрерывные(аналоговые) сигналы, представляющие эти изображения, информация ограничена присутствием шумов [5.12]. Отвлекаясь от наличия шумов в этих сигналах, пришлось бы бесконечно малому приращению аргумента сопоставлять бесконечно малое изменение функции и иметь дело как бы с бесконечным объемом информации, что, конечно, не имеет технического смысла.
Поэтому, в самом общем виде, задача пространственной дискретизации и квантованияизображений по уровню тона сводится к ограничению объема информации оригинала,приведения ее к технически приемлемому уровню. Этот уровень определяется, в своюочередь, требованиями достижения заданного качества копий, воспроизводимых врепродукционном процессе, при передаче изображений по электрическим каналам связии т. п.
на Рис. 5.15 процесс аналого-цифрового преобразования видеосигнала условно представлен схемой, заимствованной из Л. 5.13. Он наглядно иллюстрирует ошибки дискретизациии квантования, неизбежно сопутствующие такому процессу и являющиеся источникомпомех, в конечном итоге ограничивающих объем сообщения. Для упрощения чертежа число уровней квантования равно лишь восьми и соответствует трем разрядам двоичного кода.
В результате пространственной дискретизации исходное непрерывное изменение сигнала на Рис. 5.15 (а) заменяется ступенчатым (см. Рис. 5.15, б). Уровень ступени определяется здесь значением исходного сигнала на момент выборки, т. е. на соответствующий такт АЦП. При сканировании же этот уровень, как было показано в предыдущем разделе, определяется средней яркостью в периоде дискретизации (зоне отсчета). Ошибка дискретизации может быть представлена, как показано на Рис. 5.15 (а, б), различием между выбранным или усредненным в ее периоде значением и другими истинными значениями исходного сигнала в этом периоде.
Отметим, что уровни, полученные на данном этапе, могут принимать любые возможные значения во всем диапазоне исходного сигнала. Характер такого сигнала имеет, в частности, изображение, полученное способом описанного выше проекционного или контактного растрирования. Дискретное по обеим пространственным координатам оно состоит из растровых точек и пробелов любых размеров в их установленном эффективном интервале.
Число возможных уровней ограничивается квантованием (см. Рис. 5.15, в). В каждом из поддиапазонов исходного сигнала, соответствующем определенному шагу выбранной шкалы, все значения приписываются номеру этого шага. Неопределенность в представлении исходного сигнала дополняется здесь, как показывает

Рис. 5.15 (б и в), ошибкой квантования, лежащей в пределах плюс - минус половины шага шкалы.
После пространственной дискретизации и квантования по уровню сигнал изображения может быть представлен тем или иным цифровым кодом (см. Рис. 5.15, г).

Рис. 5.15 Ошибки дискретизации и квантования в АЦП

При восстановлении (декодировании) сигнала на выходе системы, помехи обусловливаются аналогичными ошибками цифро-аналогового преобразования, если разрядность сигнала превышает разрядность ЦАП.

5.6 Иллюстрационные файлы

Основной задачей цифрового кодирования в репродукционном процессе является такое представление цветовых значений, которое обеспечивает обработку, хранение, отображение и обмен изображениями между различными системами и их компонентами. Открытая (многовходовая/многовыходовая) система цветного репродуцирования должна отличаться следующими важными свойствами:

• предусматривать ввод изображений от множества разнообразных источников;
• обладать возможностями и средствами стандартизованного кодирования для хранения и эффективного обмена этой информацией;
• преобразование сигнала на выходе, учитывающее свойства средства отображения, не должно зависеть от специфики исходного источника;
• позволять дополнительно обрабатывать сигнал на выходе для получения оптимального результата.

Эти свойства обеспечивают тщательно продуманным представлением параметров изображения и соответствующими схемами преобразования его сигналов.
Иллюстрационный файл заключает в себе выраженное цифровыми кодами множество значений некоторого свойства изображения. В отношении цифрового представления изображений в современной информационной среде наиболее обсуждаются вопросы, связанные с цветовыми системами и форматами иллюстрационных файлов.
Часто исходят из того предположения, что проблема однозначной трактовки кодированной иллюстративной информации разнообразными системами ее обработки и отображения может быть решена путем стандартизации форматов и принятия некоторого единого «аппаратно-независимого» цветового пространства. Однако эти два условия недостаточны хотя бы потому, что отображение в разных средах с использованием различных технологий не только отличается своими техническими параметрами, оно должно иметь разные колориметрические характеристики.
Применение единой цветовой системы позволяет оценить лишь цветовые различия в ее единицах применительно к разным схемам преобразования цветовых значений. Сами же эти схемы, являясь вполне пригодными для одних репродукционных задач, оказываются неприемлемыми для других.
Для того чтобы информация файла могла быть однозначно истолкована при воспроизведении, кодирование осуществляют в соответствии с определенным регламентом, который устанавливает:

• способ представления изображения;
• метрику этого представления;
• вспомогательную информацию, помещаемую в т. н. теги.

Способ представления определяет, что собственно или какое свойство изображения подлежит кодированию. В этом качестве могут быть, например, выбраны, в одном случае, цвета всех точек изображения, а в другом - информация о геометрии и относительном расположении его графических элементов.
К первому варианту относится т. н. растровая графика, в которой каждая точка, например, штрихового, двухуровневого изображения описывается одним битом (есть краска - нет краски, светлое - темное), а вся совокупность бинарных значений образует так называемую битовую карту. На точку тонового, многоуровневого изображения приходится один байт - восьмиразрядная двоичная комбинация, способная обозначить одну из 256-ти его возможных градаций, а для цветного - кодовое слово, включающее три i/ши большее число байт.
Во втором варианте (векторная графика) кодовые комбинации заключают в себе математическое описание геометрических элементов, составляющих изображение. Такое представление, особенно для штрихового изображения, оказывается более экономным по используемому объему двоичных комбинаций, чем растровое. Другое преимущество заключается в свободной интерпретации размера графического элемента применительно к заданным для копии размерам при разной разрешающей способности вывода. Подобное компактное описание знаков шрифта позволяет, например, выводить эти знаки различным размером (кеглем) и стой или иной плотностью линий развертки в разных устройствах отображения. Тем не менее, в большинстве случаев конечным результатом преобразования сигнала изображения остается битовая карта, управляющая печатью в режиме да/нет, тогда как для систем полутонового отображения, например на экране ЭЛТ или при записи на цветной фотоматериал, используется многоуровневая, «байтовая карта». Поэтому относительный недостаток аналитического способа представления заключается в необходимости последующего преобразования массива данных к приемлемому для того или иного метода синтеза изображения виду. Это преобразование является главной функцией растрового процессора - РИПа.
Возвращаясь к первому варианту, следует далее отметить, что если кодированию подлежит такое свойство изображения, как его цвет, то наиболее принципиальным остается выбор способа представления цветовых значений. Он может быть денситометрическим или колориметрическим. В последнем случае может использоваться аандартная колориметрия, принятая МКО, или же одна из многочисленных т. н. развитых колориметрии, учитывающих те или иные специфические свойства зрительного восприятия, игнорируемые цветовым стандартом МКО.
При кодировании параметров геометрических элементов, составляющих изображение, способ представления последнего, в свою очередь, может далее подразделяться на векторно-контурный, использующий кривые Безье или другие аналитические аппроксимации линий.
Различие между способом представления и его метрикой весьма важно. Если первый определяет существо (смысл и характер) кодируемой информации, то второй - систему единиц, которой оно выражается. Выбор способа более принципиален, поскольку при несоответствующем выборе система оказывается неработоспособной независимо от принятой в ней метрики.
Способ задания определяет, что будет представлено, тогда как его метрика характеризует лишь то, как представленное будет выражено числовыми значениями. В качестве аналогии можно говорить о выборе того, что будет оцениваться: скорость, время движения или пройденный путь. Когда способ выбран, то можно, не меняя сути измеренного, обсуждать далее метрику, которая может быть различной. Если, например, способ заключается в оценке пройденного пути, то единицами, без искажения смысла представляемого ими, могут служить метр, километр, световой год и т. п.
Когда в качестве способа представления используют МКО колориметрию, то сами значения могут быть выражены, например, в единицах таких цветовых систем, как LAB или LUV. Эти единицы, в свою очередь, могут быть подвергнуты различным видам цифрового кодирования также без искажения их смысла. Например, LAB значения после нормирования и квантования по линейной или нелинейной шкале могут быть представлены восьмиразрядными двоичными числами. Выбор метрики важен в отношении возможностей сжатия информации.
Помимо способа и метрики регламент представления изображения включает и вспомогательную информацию, указывающую на формат файла или используемый метод кодирования. Такие признаки должны быть указаны точно, чтобы обеспечить обмен информацией об изображении, представленном данным способом и метрикой, между различными системами и программными приложениями. Для указанной цели служат, в частности, теги -подзаголовки иллюстрационных файлов. В них указывается на размер, пространственное разрешение изображения или способ сжатия информации, что позволяет надлежащим образом интерпретировать цифровые коды.
Подобная идентификация лежит в основе таких стандартных форматов файлов, как ТIFF (Tagged Image File Format), имеющих существенные преимущества перед теми, в которых никак не указывается, что по существу представляют собою числа в массиве. Формат TIFF предназначен для представления изображений исключительно в растровой форме. Он существует в нескольких различных версиях и, в частности, LW — для штриховых (Line Work) и СТ — для полутоновых (Continuous Tone) изображений, что указывает соответственно на битовое или байтовое описание отдельно взятого элемента изображения.
Формат EPS (Encapsulated PostScript) - закрытая структура данных, создаваемая программами верстки для вывода фотоформ, печатных пластин или для цифровой печати. Этот формат предусматривает как векторную, так и растровую графику.
Кроме указанных универсальных форматов в различных программах допечатной подготовки встречаются и множество других специфических форматов цифрового представления изображений.