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    技术文摘
彩色图象信息处理的基本算法(2007-5-25)
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众所周知彩色图象不论采用何种方式,概括地讲都具有色彩、层次及清晰度三大要素。彩色图象信息处理实际上是对此三个要素综合进行的某些变换,作为彩色图象复制关键设备的电子分色机采用的是计算机图象处理的方法对彩色图象根据复制工艺要求进行的一系列变换。这些变换在技术上可采用二种类型的方式来实现,第一是模拟处理方式,它采用计算机控制的摸拟处理器或不用计算机的模拟数字电路来完成对图象的处理,但应注意这种模拟处理方式不同于传统的光学处理、摄影处理和视频信号处理等模拟方式。其区别在于传统模拟处理方式是对连续量进行的,而电子分色机中的模拟处理方式是时离散量进行。第二是数字处理方式,它采用计算机对其存贮器中将图象离散量化后的/字编码进行各种变换,而且这些变换是由编制的程序和软件来完成的。

一、彩色图象的模拟处理方式

1、模拟处理的基本原理

彩色复制是以原稿为基础,复制出大批量印刷品为目的,由制版和印刷两部分构成。电子分色机则是利用现代技术对传统工艺的模拟和改造。其原理和方法源于照相制版工艺,是用电子方法对照相制版工艺过程的模拟。

照相制版是应用光学和化学原理,利用制版照相机来制作印刷版的工艺。照相制版法能应用于各种类型的印刷,在此仅以平印为例,剖析其工艺流程。

纵览照相制版工艺从原稿到四色印刷的"一条龙"工序可知,照相制版是以照相技术为主要手段。通过分色、加网来基本再现原稿色调和层次,进而辅之以手工修正使其完善。照相制版工艺技术的复杂性在于其工序多,且由于各工序设备,原材料的不标准,而产生复制的非线性传递,使人们难于准确把握其变化规律,并准确地予以修正,而且局部修正需由人工逐点、逐面地改变图象点或面的密度值来满足后工序的要求,从而要求修正人员具备高超的技艺。

从上述照相制版工艺及有关理论可知,照相制版是采用照相方法进行图象颜色、层次及清晰度校正的技术,其基本思想是通过原稿及其分色片来制作各种类型的蒙片(如校色蒙片,虚光蒙片等)使需校正区域的密度D′=D0+Dm(D0指原稿密度,Dm蒙版密度,D′校正后分色片密度),即将二者蒙合选加,通过照相拷贝来获取满足要求的密度D′,由此来完成正确的彩色图象复制。而采用模拟处理方式的电子分色机就是用电子方法对照相制版过程模拟,即将图象信息转换为模拟电信号V0,并由V0及复制工艺条件与要求产生校正信号△V,然后V0与△V以某种形式相迭加,就能实现对原稿图象的修正,获得高品质的图象再现,不难看出此方法中,校正信号是关键,它必须同时满足彩色复制理论、复制工艺和人们艺术期望等特殊要求。

2、模拟处理方式的数理基础

现代科学技术的进步无不归功于数学科学的发展。当一门学科由定性描述转变为定量描述时,必产生一个质的飞跃,进入一个新的阶段。长期以来印刷行业根据自身发展的需要提出了"数据化,规范化,标准化"的目标,其目的就是通过印刷过程的解析及数据积累,采用适宜的数学方法,寻找出其本质住和规律性,建立相应的数学模式来指导生产实践。所以对电子分色机图象模拟处理方式数学模式的解析,可以推动电子分色/版技术的深入发展。

(1)模拟处理方式的数理模型

从前述可知电子分色机是利用现代电子技术对传统照相制版工艺的模拟,而模拟一个工艺,则必须详尽解析照相制版工艺的关键和实质,建立最初的物理型和数学模式,即:

传统照相制版工艺

模拟传统照相制版工艺的物理模型

在所建立的物理模型的基础上,经过进一步的研究和抽象,进而可建立其相应的数学模式,亦就能够利用现有各种先进的电子技术和计算机技术来完成模型中的各种任务,即完成对图象信息的各种处理,获取满足社会需要且合乎印刷条件的分色片。

数学模式:

从上式的数学模式可知,任何印刷复制的图象总是由其平面位置和相应密度信息构成的象素组成,对其实施的各种处理就是对其平面位置和密度信息的变换。

(2)模拟处理方式图象处理的数学描述

电子分色机图象信息的各种模拟处理是按照图上3.1所示的信号流程进行的。从其流程可知,从图象输入系统传送给图象处理系统的Y、M、C主信号同原稿密度成线性关系,是原槁密度的模拟电压信号。这个模拟电压信号通过各种校正电路产生的校正信号对原稿彩色密度的模拟电压进行一系列线性和非线性变换,最终输出图象模拟电压信号同各种校正信号相迭加后的图象信号。即完成了对图象信息的彩色校正、层次校正、黑版计算、底色去除和细微层次强调,由于尺寸变换由专用单元完成因此根据公式(3-1)则可推导并归纳出各个模拟处理过程的数学方程。

其中:K--比例系数。

图象输入系统输出的主信号

黑版信号

彩色校正后的主信号

层次校正后的主信号

图象处理系统输出主信号

上式中各函数项的含义(以Y版为例)是:

第一项:由图象输入系统输出的主信号。

第二项:Y版各种彩色校正信号的代数和,它们是以为自变量的函数

第三项:Y版的底色去除信号,它是以为自变量的函数。

第四项:版层次校正信号,由极高光、高光、中间调和暗调校正四部分组成。它是以为自变量的函数。

第五项:电学方法的细微层次强调,它是以增量和时间增量为自变量的函数。

第六项:光学方法的细微层次强调,又称虚蒙校正信号,它是以之差值为自变量的函数。

综上所述,模拟方式图象处理系统的主要作用是完成各种图象修正功能。由于它采用模拟方法来处理图象信息,因而其关键是各种校正信号发生器的准确性、有效性及可调性。

为了能从本质上解析图象信息处理中备种校正函数的处理方法及意义,在此先阐述各自的内在含义。

彩色校正函数,它完成对图象颜色的校正,分为基本校正(基本色校正和相反色校工)和选择性校正两类。校正信号由三通道主信号产生,其实质是一个颜色的校正需要由Y、M、C三个颜色信号按一定规律组合来实现,即采用模拟照相蒙版的电蒙版法。彩色校正仅限于原稿彩色区域,对中性灰无作用,即

例如在Dc-300型电子分色机中,其彩色校正方程为:

基本色校正信号:

相反色校正信号:

其中:N[ ]为括号中负值取,正值舍。

P[ ]为括号中正值取,负值舍。

底色去除函数,底色去除信号是中最大值与最小值的函数,可表示为其中L()指括号中取最大值,S()指括号中取最小位。由此可知,底色去除只作用于原稿底色即暗调所含的中性灰成分。

层次校正函数。如图3.2所示,是对原稿密度范围内的模拟电压信号分段进行非线性变换,并在该范围内产生最大校正信号,且保持其端点值为雾,简言之,层次校正的实质是把原稿整个层次分段进行非线性变换。

电子细微层次强调,其含义是该信号仅限于动态扫描过程,即原稿密度发生变化时,其值不为零,若处于静止或原椅密度无变化时,其值为零,它是电子分色机动态逐点扫描图象所特有的功能。

虚光蒙版强调函数,如图3.3所示,其取决于虚光通道信号产生,当,若,则即该校正信号产主于密度阶跃处,与扫描过程无关。

(3)图象处理系统输入图象信息的解析

从前述可知,电子分色机对原稿信息的处理是分别对所分解的每一个象素的图象信息的处理来实现,即串行处理方式。因此对原稿的解析可归结于每一个象素的解析,而在图象信息处理系统中每一个象素的信息由其对应的模拟电压的信号来表示。并由此构成电子分色机图象信息处理的基础。因而正确解析这些图象信息的数据特点及内在含义,就能够准确地实现对原稿信息的再现,这就象物理学中将一个物体的解析变换为一个质点的解析一样。

当从印刷技术专业角度解析一个彩色图象时,常常会引用诸多术语,如色彩饱和、层次丰富、清晰度高……;但对这些术语进行深入的解析和研究,就能找出本质性的能代表这些术语共同内涵的并可以定量描述的名词--密度。

从彩色复制理论可知,人们的眼睛时颜色的识别是依据三色和四色基制的混合实现的。而其基础就是密度,即人眼如同一个彩色密度计,通过感受不同的信号并反馈于人的视觉中枢处理后获得色彩结论。而如图3.4所示的彩色图象信息处理流程中,从光源到图象处理系统亦构成了一个类似人眼的彩色密度计,所获得的与原稿密度呈线性关系的模拟电压信号即为该彩色密度计的测量值,图象处理系统则为其中枢神经。只要采用合理的算法就能象人眼一样识别不同颜色并加以正确处理。

彩色密度计既可测量中性灰密度又能测量彩色密度。它通过民R、G、B三种滤色片依据减色原理,分别用R、G、B三种色光恻量某区域的三原色分色密度值,若D=D=D则其为中性灰色。若不全部相等,则其为彩色。因此通过彩色密度计测得的三个密度值则能识别其颜色的性质。

电子分色机就是采用类似于彩色密度计的装置来测出目标物的,并转换为与之对应的,并由其g间的比们关系来判别目标颜色性质,如图3.5所示。并以此作为产生各种校正信号的基础。

 

在图3.5(A)中,由于则该色主色相为Y,并偏M;

若值愈大,则黄色饱和度愈大,反之其饱和度愈小;

若值愈大,则红色饱和度愈大,反之其饱和度愈小;

在图3.5(B)中,由于则该色主色相为M并偏C;

若值愈大,则品红饱和度愈大,反之其饱和度愈小;

若值愈大,则蓝紫饱和度愈大,反之其饱和度愈小;

在图3.5(C)中,由则该色主色相为C,并偏Y;

若值愈大,则青色饱和度愈大,反之其饱和度愈小;

若值愈大,则绿色饱和度愈大,反之其饱和度愈小;

而且的绝对值经变换后,还能反映其在各种色版中所处的灰度梯级,它是反映层次的重要指标。

由此解析可知,任何一种函色的性质能够由彩色密度计测出的三原色密度来表示,并能反映出Y、M、C、R、G、B六种纯色中两种纯色的性质。其一是测量中色光密度值中的最大值采用滤色片的补色,其饱和度正比于二个较大的色光密度之差;其二是测量中色光窑度最小值所用滤色片的颜色,其饱和度正比于二个最小值之差,而且最小色光密度值还反映了颜色中中性灰(亮度)的大小,即"底色大小"。

对于中性灰色,由于即值愈大,则其高度愈低,反之其亮度愈高。

因为与其模拟电压信号之间成线性关系,因此我们可以得出如下结论:任何一个原稿采样象素的信号能正确构成该象素二种纯色的性质及中性灰度,是电子分色机识别颜色,并进行各种校正的基础,总之模拟图象处理系统的实质是把一组模拟信号根据彩色复制的要求处理变换成符合工艺要求的信号。

二、彩色图象的数字处理方式

随着计算机技术的飞跃发展,计算机图象处理理论和手段不断完善。电子分色机在吸收各种先进技术的基础上,将图象的模拟处理方式逐步变换为图象的数字处理方式,创造出能完全满足彩色图象复制与人们艺术期望的全数字武电子分色机。

数字式电子分色机采用日臻完善的数字图象处理技术,使得印刷领域的范围不断扩大和概念的不断更新,并与其它领域相融合使图象复制能通过印刷技术而得以充分再现,并且从过去三原色忠实地再现变换为具有创造性。抽象性和个性,印刷领域之面貌更加焕然一新,范围亦不断地扩展。

1.彩色图象数字处理方式的基本算法

(1)图象处理算法的基本形式

在数字图象处理中,不论其目的如何,都是按照图3.6所示对输入图象P(I,J)进行若干变换处理,从而求出输出图象P′(I,J)的各个象素P′(I,J)的值,且P′(I,J)的值满足给定的条件,这就是图象处理的基本形式。从图象处理运算方式来看,求得输出图象p′(I,J)的值,通常有下列算法。

(i)局部处理和大局部处理

局部处埋(Local Operation)亦称邻域处理(Neighborhood Operation)是指为计算输出图象g(I,J)的值,仅采用位于(I,J)象素附近极小范围中的象责值来进行运算的一种算法。若采用位于(I,J)象素大范围内的象素值(或全部图象象素值〕来计算则称为大局部处理(Global Operation)。

点处理

点处理是邻域处理的一种极限方式,如图3.7所示,即对输入象素P(I,J)进行f[ ]处理,则得到输出图象P′(I,J)的值,即:

点处理既可以满足根据需要使输入值按照一定规则置换成目标值的操作,又可以便利地人为去除孤立噪声。

邻域处理

邻域处理是指对输入图象P(I,J)的邻域N(P(I,J))内的象素进行某种处理f[ ],获取满足某种要求的输出象素P′(I,J)值的操作,如图3.8所示,即:

采用邻域处理时,邻域的大小、形状,可根据输出图象的要求来选择与变化。通常采用以I,J)为模笮∥猭xL象素的一个矩形窗口。邻域愈大,计算量愈大。实际处理中多采用3×3象素或5×5象素的邻域为处理的基本单位。而且邻域处理常用于微分处理和平滑处理中。

并行处理

并行处理(Parallel Operation)是指对图象内的各象素同时进行相同运算的处理,如图3.9(a)所示。它是一种类似人的视觉处理的运算方式,具有如下特征:

1)输出图象P′(I,J)的值,只用输入图象的第(I,J)象素的邻域象素值进行计算。

2)相对于不同(I,J)的输出图象P′(I,J)的值,可以互相独立地进行计算。

串行处理

串行处理(Sequential Operation)是指象素的操作顺序会影响处理结果的一种处理形式,如图3.9(b)所示,其具有如下特点:

1)采用输入图象P(I,J)和第(I,J)象素的邻域象素值以及在求出输出图象P′(I,J)之前的处理结果值来共同计算出输出图象P′(I,J)的值。

2)采用相应的处理算法,按一定顺序依次进行计算。常采用对画面从上至下(或从左至右)进行栅格扫描的方法。

因而,它不能同时并行计算相对于不同(I,J)的输出象素值P′(I,J)且输出图象P′(I,J)的值取决于扫描方式。

为了获取计算输出图象第(I,J)的值,则要有邻域象素,邻域象素既要涉及输入图象中P(I,J)邻域里包括P(I,J)在内的未扫描部分的象素,又要涉及输出图象中P′(I,J)邻域里除掉P′(I,J)且已形成处理结果的那部分象素。

(ii)迭代处理

迭代处理(Iterative Operation)是指重复运用一种运算来获取设定条件的输出图象的处理方式。即如图3.10所示首先对输入图象P进行运算,再对其结果P进行运算,……,将这一运算重复n次直至满足设定条件或者直至指定的迭代次数,亦可同时满足迭代次数和设定条件。

(iii)跟踪处理

跟踪处理(Tracking Operation)亦称顺序跟踪处理是指如图3.11所示,满足条件①首先选择满足适当条件的象素作为起始点象素;②检查输入图鸵训玫降慕峁⑶蟪鱿乱徊接Ω么淼南笏兀⒔泄娑ù恚虎劬龆绦硐旅嫦笏兀故侵罩勾淼脑怂惴绞健?/P>

跟踪处理具有以下特点,(1)对某象素的处理取决于该象素前的处理结果,即取决于起始象素的位置。因而跟踪处理的结果随起始象素位置的变化而改变。(2)能够根据前面处埋结果来限定处理范围,从而避免无效的处理,且由于处理范围的限制,能提高处理精度。(3)能有效地应用于边界、等值线等的线跟踪处理中。

(ⅳ)位置下变和位置可变处理

位置不变处理(Position Invariant Opration)亦称位移不变处理(Shift Invariant Operation)是指获取输出图象P′(I,J)的值的计算方法与图象内的位置无关的固定处理。如彩色校正、层次校正算法等。位置可变处理(Position Variant Operation)亦称位移可变处理(Shift Variant Operation)是指随位置不同计算方法也不相同的图象处理。如图象的变形算法。

 
资料来源:印刷中国
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