Image Processing

Цель про­грам­мы — уве­ли­че­ние изоб­ра­же­ний без по­яв­ле­ния пик­се­лов. При этом ин­фор­ма­ция не те­ря­ет­ся: уве­ли­чен­ное изоб­ра­же­ние, бу­дучи умень­ше­но об­рат­но, даст ис­ход­ное изоб­ра­же­ние (умень­шать нуж­но пу­тём усред­не­ния пик­се­лей).

Уста­нов­ка

1. Ска­чай­те про­грам­му се­бе на ком­пью­тер: http://iproc.ru/downloads/Enlarge.zip (1.8 Мбайта);
2. Ра­зар­хи­ви­руй­те .zip-файл в ка­кую-ни­будь пап­ку на жёст­ком дис­ке.

Ис­поль­зо­ва­ние

Про­грам­ма при­ни­ма­ет вход­ной файл в од­ном из рас­про­стра­нён­ных гра­фи­че­ских фор­ма­тов, и вы­да­ёт ре­зуль­ти­рую­щий файл в фор­ма­те PNG с име­нем, окан­чи­ваю­щим­ся на X.png.

1. Пе­ре­та­щи­те мыш­кой файл с изоб­ра­же­ни­ем на .exe-файл про­грам­мы, ли­бо ука­жи­те пол­ный путь к изоб­ра­же­нию в ка­че­стве пер­во­го ар­гу­мен­та ко­манд­ной стро­ки для про­грам­мы Enlarge.exe.
2. Про­грам­ма спро­сит вас, во сколь­ко раз нуж­но уве­ли­чи­вать изоб­ра­же­ние. На­при­мер, ес­ли вы хо­ти­те уве­ли­чить изоб­ра­же­ние в 3 ра­за, то вве­ди­те 3 и на­жми­те Enter. Про­грам­ма уве­ли­чи­ва­ет изоб­ра­же­ние в це­лое чис­ло раз.
3. Про­грам­ма по­про­сит вас вве­сти ко­эф­фи­ци­ент глад­ко­сти ли­ний. Это, гру­бо го­во­ря, ми­ни­маль­ный ра­ди­ус кри­виз­ны, ко­то­рый мо­гут иметь по­лу­чае­мые на ре­зуль­ти­рую­щей фо­то­гра­фии гра­ни­цы. Из­ме­ря­ет­ся в пик­се­лах ис­ход­но­го изоб­ра­же­ния (т.е. при уве­ли­че­нии в 3 ра­за и ко­эф­фи­ци­ен­та глад­ко­сти ли­ний 1.5, на ре­зуль­ти­рую­щем изоб­ра­же­нии ли­нии бу­дут ста­рать­ся не из­ги­бать­ся силь­нее, чем с ра­ди­у­сом 4.5 пик­се­ла ре­зуль­ти­рую­ще­го изоб­ра­же­ния). При ма­лом ра­ди­у­се слег­ка уве­ли­чи­ва­ет­ся де­та­ли­за­ция, но по­яв­ля­ет­ся риск по­лу­чить «гре­бён­ку» пик­се­лов ис­ход­но­го изоб­ра­же­ния на на­клон­ных гра­ни­цах. Ре­ко­мен­ду­е­мое зна­че­ние это­го па­ра­мет­ра: 1.5.
4. Про­грам­ма по­про­сит вас вве­сти ко­эф­фи­ци­ент чёт­ко­сти изоб­ра­же­ния. Этот ко­эф­фи­ци­ент опре­де­ля­ет, на­сколь­ко плав­ный пе­ре­ход цве­та бу­дет на гра­ни­цах ре­зуль­ти­рую­ще­го изоб­ра­же­ния. Ес­ли этот ко­эф­фи­ци­ент ра­вен ну­лю, то тол­щи­на всех пе­ре­хо­дов бу­дет рав­на од­но­му пик­се­лу ис­ход­но­го изоб­ра­же­ния; ес­ли ко­эф­фи­ци­ент ра­вен еди­ни­це, то пе­ре­хо­ды бу­дут рез­ки­ми. Зна­че­ние это­го па­ра­мет­ра боль­ше еди­ни­цы при­ве­дёт к че­рес­чур чёт­ким гра­ни­цам. Ре­ко­мен­ду­е­мое зна­че­ние это­го па­ра­мет­ра — 1.0.
5. Да­лее на­до бу­дет вве­сти зна­че­ние па­ра­мет­ра, от­ве­чаю­ще­го за раз­мер де­та­лей на ге­не­ри­ру­е­мом изоб­ра­же­нии. Этот ко­эф­фи­ци­ент мо­жет при­ни­мать зна­че­ния от 0.67 до 1.14 вклю­чи­тель­но. Чем боль­ше его зна­че­ние, тем бо­лее круп­ные де­та­ли бу­дут оста­вать­ся на ре­зуль­ти­рую­щем изоб­ра­же­нии. При зна­че­нии ко­эф­фи­ци­ен­та мень­шем, чем 0.89, есть риск воз­ник­но­ве­ния лиш­них де­та­лей и «ла­би­рин­то­об­раз­ных» тек­стур. Ре­ко­мен­ду­е­мое зна­че­ние это­го па­ра­мет­ра — 0.89.
6. По­сле то­го, как вы вве­дё­те зна­че­ния всех че­ты­рёх па­ра­мет­ров, про­грам­ма об­ра­бо­та­ет фо­то­гра­фию и за­пи­шет ре­зуль­тат в файл с тем же име­нем, но окан­чи­ваю­щим­ся на X.png. На­при­мер, ес­ли имя ис­ход­но­го фай­ла бы­ло photo.jpg, то ре­зуль­ти­рую­щий файл бу­дет иметь имя photoX.png.

Про­грам­ма ра­бо­та­ет мед­лен­но. По­это­му, ес­ли вы хо­ти­те уве­ли­чить пя­ти­ме­га­пик­сель­ную фо­то­гра­фию в 3 ра­за (пре­вра­тив её тем са­мым в 45-ме­га­пик­сель­ную), то вам при­дёт­ся оста­вить про­грам­му ра­бо­тать на час. Фи­наль­ная вер­сия бу­дет ра­бо­тать ра­за в 2 быст­рее.

Опи­са­ние

Уве­ли­че­ние изоб­ра­же­ний обыч­но про­из­во­дит­ся пу­тём ин­тер­по­ля­ции. При­чём ал­го­рит­мы ин­тер­по­ли­ро­ва­ния (сколь бы слож­ны они ни бы­ли) обыч­но ли­ней­ны от­но­си­тель­но цве­тов ис­ход­но­го изоб­ра­же­ния. Не­слож­но до­ка­зать, что ли­ней­ный ал­го­ритм ин­тер­по­ля­ции не мо­жет вос­ста­но­вить на­клон­ные ли­нии на изоб­ра­же­нии без по­яв­ле­ния эф­фек­та «сту­пен­ча­то­сти». Мно­гие жа­лу­ют­ся, что на уве­ли­чен­ном изоб­ра­же­нии «не хва­та­ет чёт­ко­сти», и пы­та­ют­ся ис­пра­вить это с по­мо­щью Unsharp Mask. К со­жа­ле­нию, фильтр Unsharp Mask то­же яв­ля­ет­ся ли­ней­ным: де­лая бо­лее рез­ки­ми пе­ре­хо­ды цве­тов он од­но­вре­мен­но уси­ли­ва­ет и «эф­фект сту­пен­ча­то­сти».

Умень­ше­ние изоб­ра­же­ния — это отоб­ра­же­ние «мно­гих к од­но­му». Про­грам­ма Enlarge ге­не­ри­ру­ет изоб­ра­же­ние, ко­то­рое впол­не мо­жет быть ис­ход­ным изоб­ра­же­ни­ем по от­но­ше­нию к умень­шен­но­му. Это озна­ча­ет, что ес­ли об­рат­но умень­шить ре­зуль­тат ра­бо­ты про­грам­мы (пу­тём усред­не­ния пик­се­лов), то мы по­лу­чим ис­ход­ное ма­лое изоб­ра­же­ние. Для срав­не­ния, би­ку­би­че­ская ин­тер­по­ля­ция не мо­жет пра­виль­но уве­ли­чить изоб­ра­же­ние, т.к. ре­зуль­тат, ко­то­рый она вы­да­ёт, не мо­жет быть ори­ги­наль­ным изоб­ра­же­ни­ем для имею­ще­го­ся изоб­ра­же­ния ма­ло­го раз­ме­ра. Что­бы убе­дить­ся в этом, уве­личь­те изоб­ра­же­ние в це­лое чис­ло раз с по­мо­щью би­ку­би­че­ской ин­тер­по­ля­ции, а по­том умень­ши­те об­рат­но: ис­ход­ное изоб­ра­же­ние вы не по­лу­чи­те.

При­ме­ры, при­ве­дён­ные да­лее, бы­ли по­лу­че­ны раз­ны­ми вер­си­я­ми про­грам­мы. За­гру­жен­ная с сай­та вер­сия не обя­за­тель­но даст те же ре­зуль­та­ты. В част­но­сти, у ме­ня име­ет­ся вер­сия про­грам­мы, ко­то­рая од­но­вре­мен­но с уве­ли­че­ни­ем изоб­ра­же­ния уда­ля­ет ар­те­фак­ты JPEG. Но она со­дер­жит раз­лич­ные ошиб­ки, по­это­му я по­ка не вы­кла­ды­ваю её в пуб­лич­ный до­ступ.

Один из са­мых хо­ро­ших ре­зуль­та­тов при­ве­дён на ри­сун­ке сни­зу (на­жми­те на ри­су­нок, что­бы уве­ли­чить). Сле­ва при­ве­де­но ис­ход­ное изоб­ра­же­ние низ­ко­го раз­ре­ше­ния. За­тем раз­ре­ше­ние по­вы­ше­но в 3 ра­за пу­тём би­ку­би­че­ской ин­тер­по­ля­ции (по цен­тру), и про­грам­мой Enlarge (спра­ва; призна́юсь, я до­пол­ни­тель­но при­ме­нил фильтр Unsharp Mask к пра­во­му изоб­ра­же­нию, что­бы уси­лить ви­ди­мость гра­ниц):

Кро­ме то­го, вы мо­же­те посмот­реть дру­гие при­ме­ры ра­бо­ты про­грам­мы:

1. «Де­вуш­ка»: ис­ход­ное изоб­ра­же­ние, уве­ли­че­но в 2 ра­за.
2. «Брок­ко­ли»: ис­ход­ное изоб­ра­же­ние, уве­ли­че­но в 2 ра­за.
3. «Ава­тар»: ис­ход­ное изоб­ра­же­ние, уве­ли­че­но в 2 ра­за.

Для из­ме­ре­ния ка­че­ства ра­бо­ты ал­го­рит­ма бы­ли взя­ты вер­сии вы­со­ко­го раз­ре­ше­ния пред­став­лен­ных вы­ше изоб­ра­же­ний. Изоб­ра­же­ния бы­ли умень­ше­ны (в 2 и 3 ра­за), а за­тем уве­ли­че­ны до ори­ги­наль­но­го раз­ме­ра с по­мо­щью раз­лич­ных ал­го­рит­мов ин­тер­по­ля­ции. Уве­ли­чен­ные ре­зуль­та­ты бы­ли срав­не­ны с ис­ход­ны­ми изоб­ра­же­ни­я­ми. Чем точ­нее ал­го­ритм «уга­ды­ва­ет» ис­ход­ное изоб­ра­же­ние вы­со­ко­го раз­ре­ше­ния, тем он луч­ше. Та­ким об­ра­зом, ме­ра раз­но­сти меж­ду из­ве­ст­ным изоб­ра­же­ни­ем вы­со­ко­го раз­ре­ше­ния и ре­зуль­та­том ра­бо­ты ал­го­рит­ма есть объ­ек­тив­ный по­ка­затель ка­че­ства это­го ал­го­рит­ма. Для срав­не­ния бы­ли взя­ты два ал­го­рит­ма ин­тер­по­ля­ции (Bicubic и Bicubic Sharper) из ком­мер­че­ской про­грам­мы Adobe Photoshop, и раз­ра­бо­тан­ный ал­го­ритм (про­грам­ма Enlarge). Осталь­ные ал­го­рит­мы (Bilinear, Nearest Neighbour) ока­за­лись ху­же.

Ре­зуль­та­ты срав­не­ния при­ве­де­ны в сле­дую­щей таб­ли­це 1 (чем мень­ше чис­ла, тем луч­ше). В ка­че­стве ме­ры по­греш­но­сти ис­поль­зо­ва­лось сред­не­квад­ра­тич­ное от­кло­не­ние ин­тер­по­ли­ро­ван­но­го изоб­ра­же­ния от из­вест­но­го изоб­ра­же­ния вы­со­ко­го раз­ре­ше­ния.

Раз­ра­бо­тан­ный ал­го­ритм ока­зал­ся луч­ше на всех те­сто­вых изоб­ра­же­ни­ях. Нуж­но от­ме­тить, что че­ло­век, смот­ря­щий на фо­то­гра­фию, в первую оче­редь оце­ни­ва­ет её ка­че­ство, гля­дя на ли­нии и кон­ту­ры, а не (на­при­мер) на рав­но­мер­но го­лу­бое не­бо, иден­тич­но пе­ре­да­ва­е­мое все­ми ал­го­рит­ма­ми. Ес­ли вы­чис­лять сред­не­квад­ра­тич­ное от­кло­не­ние толь­ко в об­ла­сти кон­ту­ров, то пре­иму­ще­ство ал­го­рит­ма бу­дет уже не на 5%, а в два и да­же в три ра­за.

Ис­то­рия из­ме­не­ний

• 1.2 Alpha (22 мар­та 2009): пер­вая пуб­лич­ная вер­сия.
• 1.3 Beta (27 мар­та 2009): из­ме­нён ал­го­ритм ра­бо­ты. Ра­бо­та­ет быст­рее, име­ет на­строй­ки глад­ко­сти ли­ний, чёт­ко­сти, и раз­ме­ра мел­ких де­та­лей.
• 1.31 Beta (29 мар­та 2009): слег­ка улуч­ше­на точ­ность рас­по­зна­ва­ния ли­ний.
• 1.32 Beta (7 ап­ре­ля 2009): од­но­род­ные об­ла­сти те­перь бо­лее од­но­род­ные.

Ли­цен­зия

Про­грам­ма бес­плат­на для не­ком­мер­че­ско­го ис­поль­зо­ва­ния. Я не не­су от­вет­ствен­но­сти за не­удо­вле­тво­ри­тель­ную ра­бо­ту про­грам­мы и ущерб, пря­мо или кос­вен­но вы­зван­ный этой про­грам­мой.

P.S.

Про­грам­ма бу­дет улуч­шать­ся и уско­рять­ся: в дан­ной вер­сии ал­го­ритм уве­ли­че­ния реа­ли­зо­ван не в пол­ном объ­ё­ме.