印前數(shù)字圖像質(zhì)量評(píng)測(cè)技術(shù)研究

劉元生

安徽新聞出版職業(yè)技術(shù)學(xué)院新聞傳播系，合肥，230601

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印前數(shù)字圖像質(zhì)量評(píng)測(cè)技術(shù)研究

劉元生

安徽新聞出版職業(yè)技術(shù)學(xué)院新聞傳播系，合肥，230601

為提高印刷品的質(zhì)量，建立了印前數(shù)字圖像質(zhì)量評(píng)測(cè)體系。在基于印前數(shù)字原稿圖像特征的基礎(chǔ)上，分析并提出影響印前數(shù)字原稿圖像質(zhì)量的三大關(guān)鍵因素：階調(diào)層次、清晰度和顏色。采用圖像直方圖評(píng)測(cè)圖像的階調(diào)層次，使用有參考和無參考評(píng)測(cè)圖像的清晰度，以及中性灰評(píng)測(cè)圖像的偏色情況。結(jié)果表明：此評(píng)測(cè)方法具有一定的實(shí)用價(jià)值，值得推廣。

階調(diào)；層次；色偏；清晰度；評(píng)測(cè)

圖像特征是分析數(shù)字圖像質(zhì)量的重要依據(jù)。根據(jù)人類視覺系統(tǒng)的特性，可以將數(shù)字圖像的特征劃分成自然特征和統(tǒng)計(jì)特征。圖像的自然特征表現(xiàn)為光譜特征、幾何特征和時(shí)相特征，統(tǒng)計(jì)特征一般表現(xiàn)為圖像的信息量、灰度值和灰度方差[1]。從圖像復(fù)制的角度看,影響印前數(shù)字原稿圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因素主要是圖像的階調(diào)層次、顏色、清晰度三個(gè)要素[2]。為得到較好的印制效果,原稿圖像的清晰度、色彩和層次都要達(dá)到一定的質(zhì)量要求：(1)原稿圖像階調(diào)分布均勻，層次要豐富。(2)原稿圖像的色彩還原要正確, 色偏要盡可能小。(3)原稿的清晰度要高,圖像的邊緣輪廓細(xì)節(jié)要清晰。

1 數(shù)字圖像的階調(diào)層次

圖像的階調(diào)是根據(jù)數(shù)字圖像的顏色深淺轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)色彩的明暗程度，是圖像畫面從最亮到最暗的亮度范圍，階調(diào)范圍越寬的圖像色彩明暗程度反差越大。而層次更能體現(xiàn)于圖像色彩明暗間的差異級(jí)別，層次級(jí)別越高的圖像顏色信息越豐富[3]。數(shù)字圖像的階調(diào)和層次整體表現(xiàn)為圖像的明暗視覺效果，是對(duì)圖像色調(diào)和明度的二維變化的總度量。

數(shù)字圖像信號(hào)的灰度等級(jí)常用灰度值表示。在數(shù)字印前工藝中，常以灰度值定性描述圖像的階調(diào)值。根據(jù)圖像特征，可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)圖像中各個(gè)像素的明暗等級(jí)在圖像中所占的比例，分析出圖像的階調(diào)分布情況[4],如圖1所示。

設(shè)圖像的總像素為n，灰階為rk的像素為nk，則概率密度為：

(1)

其中，rk為圖像第k級(jí)灰度值，nk是圖像中具有灰度值rk的像素個(gè)數(shù)。概率分布函數(shù)為：

(2)

圖1 圖像階調(diào)分布曲線

1.1 圖像的階調(diào)評(píng)測(cè)

用直方圖統(tǒng)計(jì)數(shù)字圖像中各灰度級(jí)像素出現(xiàn)的頻率[5]，如圖2所示。

將圖像的階調(diào)信息轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的灰度值，范圍為0～255。一幅正常原稿圖像如果不受環(huán)境影響

圖2 圖像及其直方圖

(如夜色、有色光等)，會(huì)在直方圖上較均勻地顯示圖像的階調(diào)信息，如圖3(a)所示。若圖像灰度概率信息集中在某個(gè)區(qū)間位置，則如圖3(b)所示，表明圖像在0～a和b～255間的階調(diào)信息丟失。若圖像灰度概率信息超出0～255區(qū)間位置，則如圖3(c)所示，表明圖像在低于0或高于255間的階調(diào)信息丟失。

圖3 圖像的階調(diào)信息

1.2 圖像的層次評(píng)測(cè)

直方圖上的灰度信息對(duì)應(yīng)的峰狀圖形越強(qiáng)，顯示越集中，則表明該色調(diào)處的細(xì)節(jié)越豐富, 如圖4(a)所示。若對(duì)應(yīng)位置處的像素(0～a)、(b～255)顯示較弱的峰狀圖像，表明該位置處的細(xì)節(jié)不夠詳細(xì)，如圖4(b)所示。若灰度直方圖出現(xiàn)大面積的梳子狀,則表明該圖像在很多位置缺少足夠的細(xì)節(jié)層次，如圖4(c)所示。

圖4 圖像的層次信息

2 數(shù)字圖像的顏色

印前數(shù)字原稿圖像大都通過掃描儀和數(shù)字相機(jī)獲取，由于這些數(shù)字化設(shè)備的顏色空間和顏色深度不同，因此所獲原稿偏色現(xiàn)象普遍存在。為了較為準(zhǔn)確地判斷這些圖像的偏色情況，常把圖像中最為客觀的中性灰色作為評(píng)價(jià)圖像是否偏色的依據(jù)[6]。

由于等量的三原色R、G、B混合后便會(huì)形成灰色，根據(jù)顏色混合理論：將三原色光的強(qiáng)度劃分為0～255的不同等級(jí),當(dāng)R、G、B三種光源的強(qiáng)度都為0，也即無光源時(shí)便會(huì)產(chǎn)生黑色，都為255，也即光強(qiáng)度最高時(shí)混合便會(huì)得到白色，都為其余值時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同比例的灰色。理論上，等量的油墨三基色C、M、Y疊印后也會(huì)產(chǎn)生灰色，但由于油墨存在一定的雜質(zhì)，加上C顯色力弱，M顯色力強(qiáng)，等量的三基色油墨混合并不一定得到灰色，實(shí)際上得到的是偏紅色的灰；若要得到標(biāo)準(zhǔn)的中性灰色，必須增加C油墨量，或加入一定量的K油墨才能得到灰色，這就是印刷灰平衡[7]。

2.1 RGB模式圖像評(píng)測(cè)

對(duì)于RGB顏色模式的圖像，在圖像中本應(yīng)是灰色的區(qū)域其三個(gè)分量值應(yīng)相等, 否則存在偏色情況。在圖像中本應(yīng)為灰色區(qū)域，通過直方圖觀察其R、G、B 三個(gè)分量的灰度分布情況與圖像總灰度值進(jìn)行比較，可以判斷圖像的偏色情況。

實(shí)驗(yàn)使用一幅正常原稿圖片,統(tǒng)計(jì)分析該圖像總像素的Mean(平均亮度)值LMean=129.53，提取正常原稿圖像中性灰區(qū)域的R、G、B 三個(gè)分量的Mean值分別為：RMean=133.34、GMean=128.19、BMean=126.42，分析得出：RMean≈GMean≈BMean≈LMean，再觀察圖像中性灰區(qū)域的R、G、B三個(gè)分量的直方圖形變與位移與總像素L分量彼此接近(如圖5所示)，可判斷出此圖像不偏色。

圖5 正常原稿圖片及其直方圖

實(shí)驗(yàn)再使用偏色的原稿圖片,統(tǒng)計(jì)分析該圖像總像素的平均亮度值LMean=130.30，提取正常原稿圖像中性灰區(qū)域的R、G、B 三個(gè)分量的Mean值分別為：RMean=123.17、GMean=133.64、BMean=131.76，分析得出：RMean

圖6 偏色原稿圖片及其直方圖

2.2 CMYK模式圖像評(píng)測(cè)

對(duì)于CMYK顏色模式的圖像，中性灰區(qū)域受印刷條件的灰平衡數(shù)據(jù)影響。由印刷中性灰所需三原色油墨量，根據(jù)灰平衡方程測(cè)算出數(shù)字原稿對(duì)應(yīng)區(qū)域的C、M、Y三色分量值即可判斷原稿的偏色情況。算法是根據(jù)三原色油墨主、副密度DCR、DCG、DCB,DMG、DMR、DYB、DYG、DYR列出如下灰平衡方程[1]：

(3)

式中，ΦYe、ΦMe、ΦCe為疊印中性灰密度為Dend時(shí)所需三原色油墨量。

3 數(shù)字圖像的清晰度

數(shù)字圖像的清晰度是圖像細(xì)小層次間、邊緣輪廓銳度的體現(xiàn)程度，是記錄圖像景物階調(diào)、顏色、質(zhì)感的基礎(chǔ)。數(shù)字圖像清晰度可用空間分解力和空間頻率表示[8]：設(shè)圖像水平有效像素?cái)?shù)為NH、垂直有效像素?cái)?shù)NV，則空間分解力為：

NH×NV(像素)

(4)

若圖像水平、垂直有效像素?cái)?shù)分別為NH、NV，圖像有效寬度、高度分別為W、H，則水平、垂直空間頻率FH、FV分別用等寬、等高黑白相間線組數(shù)即像素值變化的周期數(shù)(C)表示：

FH=NH/2[C/W]，F(xiàn)V=NV/2[C/H]

3.1 有參考評(píng)價(jià)

有參考評(píng)價(jià)主要是確定原稿圖像的分辨率是否滿足印刷要求。圖像分辨率的測(cè)量單位用PPI(像素/英寸)表示。一般來說，分辨率越高的原稿圖像包含的像素?cái)?shù)量越多，細(xì)節(jié)越豐富，印刷質(zhì)量也越好。

將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為模擬圖像，印刷技術(shù)上是使用半色調(diào)網(wǎng)點(diǎn)的處理方法來實(shí)現(xiàn)的。在印刷時(shí)，常采用網(wǎng)線數(shù)控制網(wǎng)點(diǎn)的大小，用網(wǎng)頻表示，度量單位通常采用線/英寸 (LPI)表示。網(wǎng)頻線越高，印刷出來的網(wǎng)點(diǎn)越小，所得圖像細(xì)節(jié)顯現(xiàn)得就越豐富，印刷出來的圖像就越清晰。有時(shí)常對(duì)數(shù)字原稿按照一定的縮放倍率進(jìn)行印刷，因此對(duì)數(shù)字原稿的分辨就有了更高的要求。在數(shù)字原稿分辨率不變的情況下，縮放倍率越大，得到印刷品的分辨率就越低。因此，在印制時(shí)，還要考慮圖像的縮放倍率這一因素。根據(jù)印刷行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)定：

PPI值=LPI值×(1.5～2)×縮放倍率

(6)

如果圖像的分辨率低于印刷網(wǎng)頻線的1.5倍，印刷的效果就不理想。

3.2 無參考評(píng)價(jià)

無參考清晰度評(píng)測(cè)主要利用評(píng)價(jià)函數(shù)評(píng)測(cè)圖像的清晰度。基于印刷原稿印制后滿足人類視覺特點(diǎn)，在眾多的評(píng)價(jià)函數(shù)中，可以利用基于焦點(diǎn)窗口的清晰度評(píng)價(jià)方法。該方法可以在圖像中檢測(cè)出不同區(qū)域的清晰度，并以此作為印刷圖像清晰度的參考值。焦點(diǎn)窗口是根據(jù)人的視覺和美學(xué)理論，將一幅圖像的中心區(qū)域視為視覺的關(guān)鍵點(diǎn)，如圖12所示。把圖像的中心點(diǎn)定為O點(diǎn)，再圍繞中心區(qū)域?qū)D像劃分成四個(gè)黃金分割點(diǎn)，分別為點(diǎn)A、B、C和D(表1)，且這些點(diǎn)到最近圖像邊界的距離為圖像高或?qū)挼?/3。

表1 焦點(diǎn)區(qū)域的劃分

以上五點(diǎn)區(qū)域正好將圖像均分為9等份，在該方法中，五個(gè)焦點(diǎn)窗口分別用SdA、SdB、SdC、SdD和SdO表示，得到能量梯度評(píng)價(jià)函數(shù):

+[I(x,y+1)-I(x,y)]2}

(7)

(8)

式中，ωi為第i區(qū)域的權(quán)重，且ω1+ω2+ω3+ω4+ω5=1。各區(qū)域權(quán)值分別用ωA、ωB、ωC、ωD和ωO表示。在考慮各區(qū)域的權(quán)重時(shí),通過不同的模型來確定區(qū)域的權(quán)重,并運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算各區(qū)域焦點(diǎn)評(píng)價(jià)值，再通過訓(xùn)練樣本得到各區(qū)域的權(quán)值，以此作為印刷圖像清晰度的參考值。

[1]李峰.數(shù)字圖像質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,2005:5-10

[2]劉全香.數(shù)字原稿質(zhì)量評(píng)價(jià)[J].印刷雜志,2003,32(2):12-13

[3]白峰.淺談?dòng)∏皥D像階調(diào)層次調(diào)整[J].印刷雜志,2014,42(6):36-38

[4]Ruye Wang.Histogram Equalization[DB/OL].[2016-09-29].http://fourier.eng.hmc.edu/e161/lectures/contrast_transform/node2.html

[5]汪啟偉.圖像直方圖特征及其應(yīng)用研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,2014:16-26

[6]劉元生.中性灰在印前數(shù)字圖像偏色評(píng)測(cè)中的應(yīng)用[J].常州工學(xué)院學(xué)報(bào),2012,25(2):21-23

[7]劉全香.圖像復(fù)制原理[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2006:12-13

[8]李桂苓.數(shù)字圖像清晰度[J].電視技術(shù),1999,202(4):19-20

(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.04.030

2017-01-15

安徽省高校省級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目“印前數(shù)字圖像質(zhì)量評(píng)測(cè)技術(shù)研究”(KJ2014A102)。

劉元生(1977-),安徽桐城人,碩士，副教授，研究方向：數(shù)字媒體技術(shù)。

TP3-05

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1673-2006(2017)04-0107-04