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.
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.).