Формирование цветов с помощью дизеринга

Цель работы: изучение технологии формирования цветов с помощью дизеринга.

Хорошо, когда растровое устройство отображения может прямо воссоздавать тысячи цветов для каждого пикселя. Не так давно это было проблемой даже для компьютерных дисплеев (а точнее – для видеоадаптеров). Современные растровые дисплеи достаточно качественно отображают миллионы цветов, благодаря чему без проблем можно отображать цветные фотографии. Но для растровых устройств, которые печатают на бумаге, положение совсем другое. Устройства печати обычно имеют высокую разрешающую способность (dpi), часто на порядок большую, чем дисплеи. Однако нельзя непосредственно воссоздать даже сотню градаций серого для пикселей черно-белых фотографий, не говоря уже о миллионах цветов. В большинстве случаев можно увидеть, что оттенки цветов (для цветных изображений) или полутоновые градации (для черно-белых) имитируются комбинированием, смесью точек. Чем качественнее полиграфическое оборудование, тем меньше отдельные точки и расстояние между ними.

Для устройств печати на бумаге проблема количества красок достаточно важна. В полиграфии для цветных изображений обычно используют три цветных краски и одну черную, что в смеси дает восемь цветов (включая черный и белый цвет бумаги). Встречаются образцы печати большим количеством красок – например, карты, напечатанные с использованием восьми красок, однако такая технология печати намного сложнее. Состояние дел с цветной печатью можно оценить на примере относительно простых офисных принтеров, цветные картриджи которых содержат четыре цвета в системе CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, BlacK). Существуют струйные принтеры с шестью и семью цветными красками вместо четырех. В семицветных принтерах в палитру обычных красок добавлены бледно-голубая, бледно-пурпурная и бледно-желтая краски. В шестицветных принтерах бледно-желтая краска отсутствует. Увеличение количества красок значительно улучшило качество печати, однако, и этого пока явно недостаточно для полноценной цветопередачи.

Если графическое устройство не способно воссоздавать достаточное количество цветов, тогда используют растрирование – независимо от того, растровое это устройство или не растровое. В полиграфии растрирование известно давно. Оно использовалось несколько столетий тому назад для печати гравюр. В гравюрах изображение создается многими штрихами, причем полутоновые градации реализованы или штрихами различной толщины на одинаковом расстоянии, или штрихами одинаковой толщины с переменной густотой расположения. Такие способы используют особенности человеческого зрения и в первую очередь – пространственную интеграцию. Если достаточно близко расположить маленькие точки различных цветов, то они будут восприниматься как одна точка с некоторым усредненным цветом. Если на плоскости густо расположить много маленьких разноцветных точек, то будет создана визуальная иллюзия закрашивания плоскости некоторым усредненным цветом. Однако если увеличивать размеры точек и (или) расстояние между ними, то иллюзия сплошного закрашивания исчезает – включается другая система человеческого зрения, обеспечивающая нашу способность различать отдельные объекты, подчеркивать контуры.

В компьютерных графических системах часто используют эти методы. Они позволяют увеличить количество оттенков цветов за счет снижения пространственного разрешения растрового изображения. Иначе говоря – это обмен разрешающей способности на количество цветов. В литературе по компьютерной графике такие методы растрирования получили название dithering (дрожание, разрежение).

Простейшим вариантом дизеринга можно считать создание оттенка цвета парами соседних пикселей.

Если рассмотреть ячейки из двух пикселей, то ячейка номер 1 дает оттенок цвета:

,                                          (3.1)

где C₁ и С₂ – цвета, которые графическое устройство способно непосредственно воспроизвести для каждого пикселя. Числовые значения С, C₁ и С₂ можно рассчитать в полутоновых градациях или в модели RGB – отдельно для каждой компоненты. Чаще используют квадратные ячейки больших размеров. Дадим пример ячеек размером 2 × 2. Такие ячейки дают 5 градаций, из них три комбинации (1, 2, 3) образуют новые оттенки.

Расчет цвета, соответствующего одной из комбинаций пикселей в ячейке, можно выполнить следующим образом. Если пиксели ячейки могут быть только двух цветов (С₁ и С₂), то необходимо подсчитать часть площади ячейки для пикселей каждого цвета. Цвет ячейки С можно оценить соотношением

                             (3.2)

где S – общая площадь ячейки;

S₁ u S₂ – площади, занятые пикселями цветов C₁ и С₂, причем S₁ + S₂ = S.

Проще всего, когда пиксели квадратные, а их размер равен шагу размещения пикселей. Примем площадь одного пикселя за единицу. В этом случае площадь, занимаемая пикселями в ячейке, равна их количеству.

Для ячейки 5 × 5, дадим расчет цвета С для некоторых цветов С₁ и С₂. Пусть С₁ – белый цвет (RGB) = (255, 255, 255), а С₂ – черный (RGB) = (0, 0, 0), тогда мы получим светло-серый цвет.

Если С₁ – желтый (RGB) = (255, 255, 0), а С₂ – красный (RGB) = (255, 0, 0), то цветовые координаты итогового цвета в системе RGB будут иметь следующие значения С = (255, 204, 0). Это оттенок оранжевого цвета.

Следовательно, если в ячейке размерами n × n использованы два цвета, то с помощью этой ячейки можно получить n² + 1 различных цветовых градаций. Две комбинации пикселей – когда все пиксели ячейки имеют цвет С₁ или С₂ – дают цвет ячейки соответственно С₁ или С₂. Все иные комбинации дают оттенки, промежуточные между С₁ и С₂.

Можно считать, что ячейки размером n×n образуют растр с разрешающей способностью в n раз меньшей, чем у исходного растра, а глубина цвета возрастает пропорционально n².

Для характеристики изображений, которые создаются методом дизеринга, используют термин линиатура растра. Линиатура вычисляется как количество линий (ячеек) растра на единицу длины – сантиметр, миллиметр, дюйм. В последнем случае единицей измерения для линиатуры является Lpi (по аналогии с dpi).

Практическое задание

Разработать программу закраски объекта № 1 цветом с помощью дизеринга в растре 5 × 5.

Содержание отчета: блок-схема данной программы; краткие ответы на вопросы, приведенные в таблице 3.1; распечатка листа Excel с результатами.

Таблица 3.1 – Вопросы для защиты