Определение влияния помех на изображения разных цветов посредством ПО

Автор: Мясников Д.Л., Ложкин Л.Д., Соколова Ю.В.

Журнал: Физика волновых процессов и радиотехнические системы @journal-pwp

Статья в выпуске: 1 т.26, 2023 года.

Бесплатный доступ

В данной работе производится исследование влияния помехи на изображения различных цветов и определение разницы в уровне этих влияний. Получены значения, характеризующие отношение сигнала к шуму в децибелах. Произведено сравнение значений, полученных в результате моделирования, со значениями математических расчетов. В результатах работы представлены подученные опытным путем данные. Благодаря использованию ПО, уникальной структуры, которой удалось добиться в результате собственного его написания, был проведен ряд моделирований и получено несколько групп значений. Компьютерную колориметрию по праву можно назвать цифровой колориметрией. Эта статья рассчитана для студентов старших курсов вузов, аспирантов и специалистов, работающих в области цветовоспроизведения, обработки изображений, цветовых измерений и других областях, связанных с цветовосприятием.

Еще

Влияние помех на изображения, основные цвета экрана, колориметрическая система мко, телевизионное изображение, колориметрическое воспроизведение, компьютерная колориметрия, цветовой локус, цветовые искажения

Короткий адрес: https://sciup.org/140297305

IDR: 140297305   |   DOI: 10.18469/1810-3189.2023.26.1.116-122

Текст научной статьи Определение влияния помех на изображения разных цветов посредством ПО

В ходе практической исследовательской работы, опираясь на статьи схожей тематики, представленные в журнале «Физика волновых процессов и радиотехнические системы», было определено влияние помех на изображения разных цветов по модели RGB [1]. Получены числовые значения сиг-нал/шум (дБ) при изменении уровня этой помехи по формуле:

S = 20 Lg( U CZ U ш).                                     (1)

Пример расчета по формуле: если взять красный цвет со значением основных компонент (R, G, B), равным 246, 0, 0, то по формуле выше получаем S = 20 Lg(246 /1), при значении помехи, равном единице. Отсюда S = 47,82 дБ для чисто красного цвета.

Для анализа было выбрано несколько основных и несколько второстепенных цветов. На каждом этапе работы увеличивался уровень помехи, вплоть до максимального, равного 246, и производился анализ отношения сигнал/шум, а также фактическое сравнение изображения, подверженного помехе, с оригиналом.

1.    Функционал программы

Программа позволяет добавить до 10 линий цветов (рис. 1) для дальнейшего изучения влияния помех на них. Происходит это путем указания координат основных цветов в системе RGB.

Функционал данного ПО позволяет путем изменения уровня влияния помех на изображения добиться наглядного представления о нем (рис. 2), а также получить числовые значения отношения сигнал/шум (дБ).

2.    Влияния помех на изображения разных цветов

Для получения точных данных о степени влияния помехи на изображение в программе предусмотрено поле с данными отношения сигнал/шум в дБ. Благодаря этим значениям можно получить представление об уровне искажения оригинала изображения каждого конкретного цвета, что, в свою очередь, дает более полную картину о степени влияния помехи.

В качестве основных цветов для анализа были выбраны следующие: красный, зеленый, синий, белый, черный и желтый, а также несколько вспомогательных [2].

Из рис. 3 видно, что при минимальном уровне помехи изображения разных цветов практически не подвержены искажениям, кроме двух последних. Значение сигнал/шум у основных компонент (R, G, B) для каждой цветовой линии имеет около 50 % от первоначального (при наличии самой минимальной помехи).

Рис. 1. Добавление линии цвета путем выставления его координат по модели RGB Fig. 1. Adding a color line by setting its coordinates according to the RGB model

Рис. 2. Процесс отрисовки изображения, подверженного среднему уровню помехи, для наглядного сравнения с оригиналом

Fig. 2. The process of rendering an image subject to an average level of interference, for visual comparison with the original

Оригинальное изображение

Влияние помех на изображение

Отношение сигнал/шум в Дб

Индекс RGB Индекс RGB

0

24.30

23 52 23.52       0

246 || 0 11 0

1 1

-23.52

24,30 | -23.52       1

0 11 246 11 0

2

-23.52

-23.521 24,30       2

0 II 0 || 246

3

24.30

24,30 | 24,30       3

246   246   246

4

-23.52

-23,521 -23.52       4

0 II ° II 0

5

24.30

24.30 -23.52      5

246 | 246 | 0

6

24.30

-23.521 24.30       6

246 | 0 11 246

| 7

-23.52

24,30 | 24,30       ?

0    246   246

8

18.28

18,281 18,28 |       8

123   123   123

9

04.08

04.081 04.08    | 9

24    24 || 24

Рис. 3. Влияние помехи на изображение с уровнем, равным 15

Fig. 3. E^ect of interference on the image with a level, equal to 15

Оригинальное изображение

Влияние помех на изображение

Отношение сигнап/шум в Дб

Индекс RGB Индекс RGB

1 0 1

16.94 |

-30.88

-30.88

0

246 I

0

I °

1 1 1

-30.88

| 16.94

-30.88

1

I 0 I

246

I °

1 2 1

-30.88

-30.88

1Ы4]

2

I 0 I

0

II 246

1 3 1

16.94

| 16,94

16.94]

3

II 246 I

246

II 246

1 4 1

-30.88

-30.88

-30.88

4

I 0 I

0

I 0

1 5 1

16.94

16.94

-30.88

5

11 246 I

246

I 0

1 6 1

16.94

-30.88

1Ы4]

6

II 246 I

0

II 246

1 7 1

-30.88

16.94

16-941

7

I 0 I

246

II 246

1 8 1

10.92

| 10.92

10.92

8

II 123 I

123

II 123

9

-03.28

|-03.28

-03.28

9

II 24 1

24

II 24

б

Рис. 4. Увеличение уровня помехи до 35 и влияние на изображения ( а ); детальное сравнение изображений с оригиналом ( б )

Fig. 4. Increasing the noise level up to 35 and the e^ect on the images ( a ); detailed comparison of images with the original ( b )

Рис. 5. Влияние помехи с уровнем, равным 65

Fig. 5. In^uence of interference with level, equal to 65

Рис. 6. Подверженное влиянию помехи изображение на уровне 105

Fig. 6. Interference-a^ected image at level 105

На рис. 4, б можно видеть различимое влияние помехи на изображения сразу двух основных цветов – синего и черного. Воздействие помехи нельзя назвать критическим, но оно вполне различимо для обычного наблюдателя. Значение сигнал/шум у основных компонент (R, G, B) для каждой цветовой линии имеет около 35 % от первоначального (при наличии самой минимальной помехи).

На рис. 5 можно видеть закономерное ухудшение качества изображений, описанных ранее, вследствие увеличения воздействия помехи. Здесь также можно отметить начало пагубных влияний

а

б

Рис. 7. Подверженное влиянию помехи изображение: а – на уровне 155; б – на уровне 195

Fig. 7. Image a^ected by noise: a – at level 155; b – at level 195

Рис. 8. Подверженное влиянию помехи изображение на максимальном уровне, равном 246, в сравнении с исходным

Fig. 8. Interference-a^ected image at maximum level of 246 compared to original

на изображение красного цвета. Значение сигнал/ шум у основных компонент (R, G, B) для каждой цветовой линии имеет около 25 % от первоначального (при наличии самой минимальной помехи).

Как видно на рис. 6, изображение красного цвета изменилось в значительной мере, а также влияние помехи теперь можно наблюдать и на зеленом цвете. Белый и желтый цвета в большей степени не искажаются, а все остальные цвета – наоборот, изменяются все больше и больше. Значение сиг-нал/шум у основных компонент (R, G, B) для каждой цветовой линии имеет 15 % от первоначального (при наличии самой минимальной помехи).

Исходя из рис. 7, б , можно сделать вывод о начале заметного влияния помехи на изображение желтого цвета, ну и, конечно, серьезному ухудшению качества всех остальных цветов. Основные составляющие (R, G, B) для каждой цветовой линии имеют менее 5 % от первоначального (при наличии самой минимальной помехи) значения сигнал/шум.

На рис. 8 отчетливо видна разница между исходным изображением и оригиналом, все цвета подверглись значительной деформации и не могут в

Таблица 1. Соотношения уровня помехи и значения сигнал/шум (%)

Table 1. Interference level and signal-to-noise ratios (%)

Величина помехи

Уровень сигнал/шум (%)

1

99

2

85

3

80

4

73

5

69

7

62

10

56

15

50

35

35

65

25

105

15

155

9

195

4

245

0,1

Рис. 9. График зависимости отношения сигнал/шум (дБ) трех основных цветов от уровня помех Fig. 9. Graph of the signal-to-noise ratio (dB) of the three primary colors on the level of interference

Таблица 2. Соотношения уровня помехи визуального отличия цветов на экране (%)

Table 2. Ratios of the interference level of the visual di^erence of colors on the screen (%)

Величина помехи

Red

Green

Blue

White

Black

1

100

100

100

100

100

2

100

100

100

100

100

3

100

100

100

100

100

4

100

100

100

100

100

5

100

100

100

100

100

7

100

100

100

100

100

10

100

100

100

100

95

15

100

100

95

100

90

35

95

100

90

100

85

65

80

95

75

100

70

105

70

90

60

100

58

155

60

80

50

100

45

195

40

50

30

100

25

245

10

15

5

100

5

Рис. 10. График зависимости различимости цвета на экране (для стандартного наблюдателя) от уровня помех

Fig. 10. Graph of the dependence of color visibility on the screen (for a standard observer) on the level of interference должной мере способствовать передаче информации. Для всех представленных цветов шум превышает или равен значению сигнала.

Заключение

Применяя указанную во введении, формулу ( S = 20Lg( U c / иш)), для каждого уровня помехи и каждой линии цвета были получены точные данные об отношении сигнал/шум (дБ). На основании этих данных построены графики зависимостей отношения сигнал/шум (дБ) трех основных цветов от уровня помех и различимости цвета на экране (для стандартного наблюдателя) от уровня помех [3].

Пользуясь данными, занесенными в таблицу 1, получен график зависимости для наглядного представления (на рис. 9).

В результате работы была определена степень влияния помех на изображения разных цветов по модели RGB. Полученные числовые значения сиг-нал/шум (дБ) при изменении уровня этой помехи, а также непосредственный анализ стандартного наблюдателя дают понять, что для каждого цвета существует свое критическое значение уровня помехи [4].

При использовании данных, занесенных в таблицу 2, получен график зависимости на рис. 10.

Список литературы Определение влияния помех на изображения разных цветов посредством ПО

  • Ложкин Л.Д., Солдатов А.А., Вороной А.А. Определение цветовых различий между двумя цветами // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2017. Т. 20, № 4. С. 55-62. URL: https://journals.ssau.ru/pwp/article/view/7075.
  • Lozhkin L.D., Soldatov A.A., Voronoy A.A. Determining color differences between two colors. Physics of Wave Processes and Radio Systems, 2017, vol. 20, no. 4, pp. 55-62. URL: https://journals.ssau.ru/pwp/article/view/7075 (In Russ.).
  • Вычисление цветовых различий между двумя цветами / Л.Д. Ложкин [и др.] // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2017. Т. 20, № 3-1. С. 100-109. URL: https://journals.ssau.ru/pwp/article/view/7091.
  • Lozhkin L.D. et al. Computing color differences between two colors. Physics of Wave Processes and Radio Systems, 2017, vol. 20, no. 3-1, pp. 100-109. URL: https://journals.ssau.ru/pwp/article/view/7091 (In Russ.).
  • Ложкин Л.Д. Цвет, его измерение и восприятие // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2012. Т. 15, № 3. С. 110-122.
  • Lozhkin L.D. Color, its measurement and perception. Physics of Wave Processes and Radio Systems, 2012, vol. 15, no. 3, pp. 110-122. (In Russ.).
  • Джадд Д., Выщецки Г. Цвет в науке и технике / пер. с англ. под ред. Л.Ф. Артюшина. М.: Мир, 1978. 428 с.
  • Dzhadd D., Vyshchetski G. Color in Science and Technology / trans. from English. Ed. by L.F. Artyushin. Moscow: Mir, 1978, 428 p. (In Russ.).
Еще
Статья научная