Черно-белое двухуровневое растровое изображение

Буфер кадра с одной битовой плоскостью предоставляет весьма ограни­ченные возможности для передачи изображения, поскольку пиксель может быть только двух цветов — обычно черного или белого. При отображе­нии схематических изображений (схем, чертежей, контурных рисунков) этот недоста­ток не столь сущест­венен, как в случае, когда необходимо передать фотографическое изображение, рис. 3.8.

Рисунок 3.8 – Исходное полутоновое изображение

Простейшим способом преобразования полутонового изображения в двухуровневое является простой пороговый метод, при котором участки исходного изображения, интенсивность которых выше некоторого порогового значения, отображаются пикселями белого цвета, а участки, интенсивность которых ниже — черными пикселями, рис. 3.9. Пороговую величину обычно устанавлива­ют приблизительно равной половине максимальной интенсивности.

Рисунок 3.9 – Двухуровневое изображение (простой пороговый метод)

Такое изображение малореалис­тично и плохо воспринимается, поскольку передача полутонов полностью отсутствует. Происходит потеря большого количества неконтрастных деталей, которые теряются из-за относительно больших ошибок выводимой ин­тенсивности для каждого пикселя.

Для улучшения качества двухуровневого изображения используется аппроксимация полутонами или метод полутонов.

Метод полутонов известен довольно давно и используется в основном в типографском деле. В этом методе можно получить большое количество фотографических полутонов серого, используя чисто двухуровневую среду: черную краску на бе­лой бумаге. Изображение разлагается на точки, причем размер каждой точки зависти от интенсивности отображаемого участка изобра­же­ния.

Поскольку размер точки цифрового изображения — пикселя — фиксирован, для передачи полутонов в двухуровневом изображении используется метод конфигураций.

Участки изображения (обычно квадратной формы), содержащие несколько пикселей, объединяются в клетки — конфигурации, — которые заполняются по определенной схеме в зависимости от уровня интенсивности участка изображения. Количество передаваемых уровней или полутонов определяется количеством пикселей в конфигурации — на единицу больше числа пикселов.

На рис. 3.10 показана одна из возмож­ных групп конфигураций для двухуровневого черно-белого дисплея. Для каждой клетки используется четыре пикселя (2×2). При такой орга­низации получается пять возможных уровней или тонов серого.

Число доступных уровней интенсивности можно увеличить с помощью увеличения размера клетки. Конфигурации для клетки 3×3 пикселей приведены на рис. 3.11. Они дают десять уровней интенсивности.

Рисунок 3.10 – Двухуровневые конфигурации 2х2

Рисунок 3.11 – Двухуровневые конфигурации 3х3

Примеры изображений, аппроксимированных конфигурациями (2×2) и (3×3) приведены на рис. 3.12. и рис. 3.13. Заметно, что улучшение цветового разрешения (количества полутонов) при увеличении размера клетки сопро­вож­да­ется ухудшением пространственного разрешения, что приводит к потере мелких деталей. Кроме того, повторяющиеся конфигурации приводят к появ­лению эффекта фактуры — регулярных узоров, ухудшающих восприятие изображения.

Рисунок 3.12 – Аппроксимация полутонов конфигурациями 2х2

Рисунок 3.13 – Аппроксимация полутонов конфигурациями 4х4

Существует метод улучшения визуального разрешения для двухуров­невых изображений без уменьшения пространственного разрешения — метод диффузии ошибки (метод Флойда-Стрейнберга) . Сущность метода заключа­ется в том, что при замене пиксела с некоторой интенсивностью на черный или белый вычисляется ошибка (разность исходной и конечной яркостей), которая в некоторой пропорции распределяется по соседним пикселам до их сравнения с пороговой величиной.

В результате участок с некоторым уровнем интенсивности заполняется хаотическим набором светлых и темных точек, причем соотношение между количеством тех и других соответствует интен­сивности участка, рис. 3.14.

Рисунок 3.14 – Аппроксимация методом диффузии

Метод диффузии дает более качественное псевдо-полутоновое изображение, чем метод конфигураций, поскольку не снижает простран­ствен­ного разрешения и исключает появление эффекта фактуры, но более сложен и требует больших вычислительных затрат на преобразование изображения.