Разрешение по уровням серого

Наряду с качеством оптики и светочувствительного датчика на разрешение по уровням серого первоочередное влияние оказывает измерительная электроника, и особенно аналого-цифровой преобразователь. Получили распространение преобразователи с разрешением 4, 5, 6 и 8 бит.

Оцифровыватель с разрешением 4 бит способен преобразовывать значения аналогового напряжения, полученного от светочувствительного датчика, в 16 дискретных значений. Таким образом, он может различать 16 уровней серого. Разрешение по уровням серого оцифровывателя напрямую зависит от качества АЦП. Чем выше разрешение АЦП, тем больше уровней серого он способен различать.

Сколько же уровней серого должен различать оцифровыватель, чтобы обеспечить преобразование полутонового изображения в пригодную для компьютера форму без заметной потери качества? Если изображение не предназначено для научного исследования, а будет только рассматриваться наблюдателем или печататься, то все определяется разрешением по уровням серого, характерным для зрения человека. Как показали исследования, это разрешение составляет около 2% по уровню серого. Следовательно, человеческий глаз способен различать приблизительно 64 уровня серого. Разрешение по уровням серого зависит от ряда факторов, и в особенности от абсолютной яркости распознаваемых уровней серого и яркости уровней серого, расположенных по соседству. Однако для практики это не так уж важно. Фактически никто не в состоянии уверенно судить о том, отпечатано ли полутоновое изображение с 64 или с 256 уровнями серого. Поэтому для высококачественной оцифровки в принципе достаточно 6 бит.

Несмотря на это, изображение должно оцифровываться с более высоким разрешением, чем безусловно необходимо. Во-первых, следует учитывать, что оцифровка всегда происходит с определенной ошибкой. Как правило, самый малозначащий бит измеряемого значения из-за ограниченной точности устройства оказывается ненадежным. Это означает, что при оцифровке с 6 бит только 5 бит надежны, и, следовательно, можно различать не 64, а только 32 уровня серого.

Здесь имеется в виду статистическая неопределенность. Правильные в среднем, замеры значений серого для отдельной точки колеблются относительно действительного значения. Поэтому участок изображения с единым уровнем серого становится неоднородным. В этой связи говорят также о видеошуме, который возникает в оцифрованном изображении из-за статистического разброса измеряемого значения. Чем темнее участок изображения и чем ниже разрешение по уровню серого, тем сильнее видеошум. Это порождает определенные трудности при создании недорогих сканеров и оцифровывателей. Нам придется заниматься ими еще не раз.

Во-вторых, существует важное различие между электронным и биологическим зрением. Чтобы разобраться в этом, рассмотрим серый клин (или шкалу серого) на рис.18.

Рис.18. Калибровочный серый клин

Серый клин устроен так, что воспринимаемый нами диапазон яркостей от 100% до 0% разделен на 11 равномерных ступеней. В следующей таблице приводятся проценты отражения света отдельными полями серого клина.

Как видно из таблицы, от поля 3 серого клина отражается лишь 50% падающего света. Это означает, что различие по интенсивности света между полями 12 и 3 точно такое же, как между полями 3 и 1. В нижней половине диапазона яркостей лежит 80% воспринимаемых уровней серого, тогда как в верх ней половине — только 20%. Это обуславливается логарифмической чувствительностью глаза человека, благодаря которой оказывается возможным различать много оттенков в нижней части диапазона яркостей.

Теперь перейдем к следующей таблице, в которую введены еще измеренные значения, полученные при оцифровке серого клина сканером ScanJet lie фирмы Hewlett Packard с разрешением 8 бит, соответствующим 256 уровням серого. Здесь указаны реально полученные, а не идеализированные значения.

Как видно из таблицы, сканер воспринимает уровни серого линейно, а не логарифмически, как зрительная система человека. Это означает, что на нижнюю часть диапазона уровней серого, столь важную для биологического зрения, приходится примерно столько же уровней, что и на верхнюю часть диапазона. Из-за этого значительно сокращается число полезных уровней серого, которые могут различаться с помощью указанного сканера. Многие операции обработки изображений, особенно такие, как изменение яркости и контрастности, а также постоянно требующаяся гамма-коррекция, вызывают дальнейшее «поджатие» отдельных уровней серого, так что происходит быстрое приближение к нижней границе точности оцифровки в 64 уровня серого. Поэтому для профессиональных нужд выпускают сканеры с разрешением 10 бит и выше.

Где лежит нижняя граница точности измерений при оцифровке цветных изображений? Как уже говорилось ранее, глаз человека имеет разную чувствительность к различным цветам. Желто-зеленые цветовые тона мы можем различать почти так же хорошо, как полутона серого; красные и синие тона различаются гораздо хуже. Следовательно, в принципе было бы разумно вводить отдельные цветовые составляющие, используя в соответствии с их весомостью разную точность. Однако это имеет смысл только в исключительных случаях, например при сокращении объема данных, получаемых при оцифровке. Поэтому при оцифровке цветных изображений также следует обеспечивать точность измерений не менее 8 бит для каждой из цветовых составляющих.

Когда интенсивности красной, зеленой и синей составляющих измеряются с точностью 8 бит, говорят об оцифровке «с глубиной 24 бит по цвету». Поскольку в этом случае значения красного, зеленого и синего для точки изображения находятся в пределах между 0 и 255, оцифрованное изображение может содержать максимум 256´256´256= около 16,8 млн. цветов.

Это гораздо больше, чем может воспринимать человеческий глаз. Большинство людей способно различить приблизительно 128 различных цветовых тонов при примерно 30 значениях насыщенности и 50 уровнях яркости. Это соответствует максимум 128´30´50=192 000 цветам. Поэтому само по себе 24-битовое цветное изображение обладает бесполезно высоким качеством. С учетом объема данных, который приходится «перемалывать» при обработке таких изображений, возникает вопрос, требуются ли такие затраты на самом деле. В связи с этим можно заметить, что уже при разрешении 5 бит на цветовую составляющую, чему соответствует максимум 32768 цветов, возможно достижение хорошего цветного воспроизведения, если только в изображении нет слишком тонких цветовых переходов. Это обстоятельство используется в компьютерных графических платах «Hi-Color», которые при весьма невысокой цене обеспечивают качество изображения от хорошего до очень хорошего. Относительно низкая чувствительность зрения к тонким цветовым переходам служит также отправной точкой для запоминания сжатых цветных изображений.