СПОСОБ ЧЕРНОВОЙ ПЕЧАТИ ПОСРЕДСТВОМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ РАСТРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ЭСКИЗЫ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF DRAFT PRINTING BY CONVERSION OF BIT IMAGES INTO DRAFTS (VERSIONS)

Изобретение относится к области цифровой печати, в частности относится к способам черновой печати (draft printing) и экономии краски (toner saving) за счет преобразования печатаемых растровых изображений в цветной или черно-белый эскиз и, таким образом, уменьшения количества напечатанных краской точек. В описании изобретения в качестве синонима краски мы будем употреблять термин тонер (красящий порошок) и расходный материал, но надо понимать, что этот термин не является исчерпывающим, так как изобретение направлено на экономию любых типов печатающих красок, например жидких чернил.
Экономия расходных материалов, в частности тонера, является важной функцией современных устройств печати и влияет на экологию.
Известно значительное число патентов и публикаций, посвященных черновой печати и экономии тонера в устройствах печати посредством специальной обработки растеризованного изображения печатаемой страницы. Общей практикой при печати в черновом режиме является уменьшение оптической плотности всего изображения при его растеризации. Для электрофотографических и струйных устройств печати уменьшение оптической плотности достигается путем увеличения яркости пикселов растеризуемых графических объектов до их растеризации, при которой используется полутонирование (halftoning), или путем изменения порогов полутонирования. Например, патент США 5646670 [1] предлагает устройство и способ для уменьшения расхода чернил путем уменьшения оптической плотности для всего печатаемого цветного изображения. Патент США 5946450 [2] описывает способ уменьшения расхода тонера или чернил в растеризуемом изображении путем изменения функции передачи уровней, которая осветляет изображение в целом. Патент США 6476836 [3] описывает устройство формирования изображения, в котором пикселы изображения, имеющие значения больше порога, конвертируются в предопределенный шаблон, полученный в результате широтно-импульсной модуляции, а пикселы изображения, имеющие значения меньше порога, не печатаются. Уменьшение оптической плотности для всей страницы значительно ухудшает качество печати: текстовые символы приобретают рваные края, текст выглядит заметно хуже напечатанного в нормальном режиме, глаза устают читать подобный текст, иногда такой текст не распознается программами оптического распознавания символов, заметно искажаются печатаемые фотографии. Для того чтобы обеспечить значительную экономию тонера, например 50% или более, визуальное качество всей печатаемой страницы должно быть заметно ухудшено.
В настоящее время большинство печатаемых документов содержат рисунки, которые хранятся и передаются в виде цветных и полутоновых растровых изображений. Например, Web-страницы, как правило, содержат много растровых изображений. Печать этих растровых изображений ведет к значительному расходу тонера. Известны некоторые технические решения, предусматривающие возможность исключения из задания на печать растровых изображений. Например, выложенная заявка на патент США 2009/0195811 [4] описывает способ печати только текста из PDF файлов.
Патенты США 5751433 [5] и 5751434 [6] описывают систему и способ черновой печати путем изменения функции преобразования уровней в зависимости от типа печатаемого объекта. Это позволяет при черновой печати ухудшить качество только растровых изображений, но предохранить качество текста. Данные патенты могут рассматриваться в качестве прототипа настоящего изобретения.
Патент США 6972857 [7] описывает способ управления расходом тонера/краски на устройстве печати. Для каждой страницы устанавливается стоимость печати, стоимость печати зависит от количества печатаемых точек. Если для какой-то страницы стоимость печати превышает установленный порог, то применяется один из известных способов экономии тонера/краски.
Следует отметить, что известные из уровня техники способы черновой печати либо ухудшают качество всей печатаемой страницы, либо отключают печать растровых изображений, что может привести к потере важной информации. С другой стороны, иногда качество черновой печати является достаточно высоким, однако экономия тонера при этом оказывается очень незначительной.
Также большинство известных способов черновой печати не обеспечивают достаточно достоверную оценку величины экономии тонера.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать способ черновой печати с приемлемым качеством воспроизводимого текста и с уменьшенным, по сравнению с прототипом, числом печатаемых точек изображения, которое, тем не менее, должно быть легко узнаваемым.
Поставленная задача решена путем разработки двух вариантов способа черновой печати, предусматривающих модификацию растровых изображений из задания на печать или потока данных на языке описания страниц. В частности, предлагается преобразовывать цветные и полутоновые растровые изображения в цветные или полутоновые эскизы, т.е. в изображения, похожие на карандашный набросок, состоящий из небольшого количества линий на белом или прозрачном фоне. При этом текст печатается без ухудшения качества. Подобные эскизы позволяют распознать информацию на изображении и содержат значительно меньше печатаемых точек, чем исходные растровые изображения.
Несмотря на то, что в компьютерной графике существует довольно много способов для генерации различного вида эскизов для художественных эффектов, авторам изобретения не удалось найти информацию о том, что в каких-либо опубликованных решениях эскизы используются для экономии тонера при черновой печати. Заявляемое изобретение предусматривает генерацию такого эскиза, который содержит минимальное число печатаемых точек, оставляя при этом изображение легко узнаваемым. Предлагается оригинальный способ, основанный на использовании карты важности для генерации эскизов такого типа.
Кроме того, заявляемое изобретение предлагает достоверную процедуру оценки величины экономии тонера. Подобная процедура важна для пользователя, чтобы он отчетливо понимал пользу от черновой печати для бизнеса и экологии, а также точнее планировал замену расходных материалов в устройстве печати. Проведенные авторами исследования показали, что процент экономии тонера для типичных растровых изображений за счет их преобразования в эскизы по заявляемому способу составляет 75-90%. Для печатаемой страницы с несколькими растровыми изображениями процент экономии тонера может достигать 50-60%.
Технический результат достигается за счет разработки усовершенствованного способа (в двух вариантах) черновой печати посредством преобразования растровых изображений в эскизы, при этом заявляемый способ черновой печати посредством преобразования растровых изображений в эскизы предусматривает выполнение следующих операций.
(Вариант 1):
- извлекают цветное или полутоновое растровое изображение из задания на печать или из потока данных на языке описания страниц;
- преобразуют растровое изображение в цветной или полутоновый эскиз;
- модифицируют задание на печать или поток данных на языке описания страниц путем замены растрового изображения на соответствующий ему эскиз;
- печатают модифицированное задание на печать или поток данных на языке описания страниц.
(Вариант 2):
- извлекают цветное или полутоновое растровое изображение из задания на печать или из потока данных на языке описания страниц;
- преобразуют растровое изображение в цветной или полутоновый эскиз;
- модифицируют задание на печать или поток данных на языке описания страниц путем замены растрового изображения на соответствующий ему эскиз;
- оценивают процент экономии расходного материала;
- печатают модифицированное задание на печать или поток данных на языке описания страниц;
- предоставляют пользователю информацию о проценте экономии расходного материала.
Довольно часто эскизы (особенно цветные эскизы) выглядят необычно и привлекают внимание пользователя. Известны несколько подходов для создания бинарных черно-белых эскизов, например описанный в статье "Coherent Line Drawing" (Henry Kang, Seungyong Lee, Charles K. Chui, Proc. of the 5th International symposium on Non-photorealistic animation and rendering, pp. 43-50, 2007) [8]. В противоположность бинарным эскизам, предлагаемый способ позволяет создавать цветные эскизы, которые удовлетворительно передают цветовые тона и оттенки исходного растрового изображения, что во многих случаях повышает различимость/распознаваемость исходного изображения.
Вышеупомянутые особенности делают заявляемый способ черновой печати объективно привлекательным для пользователя.
Поток печатаемых данных на языке описания страниц (Page Description Languages, PDL), таких как PCL, Postscript, PDF и XPS, содержит растровые изображения, текст и векторную графику. Как правило, еще до конвертирования задания на печать в PDL это задание на печать является метафайлом, который также содержит растровые изображения, текст и векторную графику. В режиме черновой печати имеется возможность извлечь цветные и полутоновые растровые изображения из потока данных на языке описания страниц или из задания на печать; преобразовать изображения в эскизы, т.е. изображения похожие на карандашный набросок, состоящий из небольшого количества линий на белом или прозрачном фоне; и поместить эскизы обратно в поток данных или задание на печать вместо соответствующих изображений. Далее выполняют функцию печати. Так как эскизы содержат значительно меньше печатаемых точек, то таким образом обеспечивается экономия тонера. Кроме того, можно достаточно точно оценить величину экономии расходного материала (краски или тонера) как для отдельных печатаемых растровых изображений, так и для всего задания на печать в целом.
Фиг.1 демонстрирует пример преобразования исходного цветного растрового изображения (1.1) в цветной эскиз (1.3). В этом примере обеспечивается около 83% экономии тонера. На Фиг.1.2 показан результат уменьшения количества печатаемых точек за счет осветления путем гамма-коррекции, который обеспечивает такую же степень экономии тонера. Осветленное изображение выглядит блеклым и непривлекательным. Эскиз, напротив, привлекает внимание.
Фиг.2 - блок-схема основных этапов заявляемого способа.
Фиг.3 - блок-схема быстрого преобразования растрового изображения в эскиз по известной из уровня техники методике.
Фиг.4 - блок-схема усовершенствованного преобразования растрового изображения в эскиз согласно изобретению.
Фиг.5 - пример гистограммы изображения с указанием пороговых значений, используемых для повышения контраста изображения.
Фиг.6 - схема генерации карты важности.
Фиг.7 - пример зависимости процента печатаемых точек от яркости пикселя.
В предпочтительном варианте заявляемое изобретение реализуют в растровом процессоре изображений (Raster Image Processor, аббревиатура - RIP) устройства печати, например в RIP для Postscript (PS). Язык описания страниц Postscript имеет фиксированные команды для печати растровых изображений, текста, кривых и прямых. Основные этапы метода показаны на Фиг.2. На шаге 201 извлекают цветное или полутоновое (в градациях серого) растровое изображение из задания на печать или из потока данных на языке описания страниц. Извлеченное изображение преобразуют в цветной или полутоновый эскиз на шаге 202. Существует несколько подходов для преобразования извлеченного изображения в эскиз. Ниже рассматриваются два возможных подхода. На шаге 203 модифицируют задание на печать или поток данных на языке описания страниц путем замены растрового изображения на соответствующий ему эскиз.
Полезной, но необязательной, является функция оценки процента экономии тонера. Каждый пиксел изображения соответствует нескольким печатаемым точкам. Посредством предварительной калибровки устройства печати получают функцию зависимости процента печатаемых точек от яркости пикселя или интенсивности цветовых компонентов пикселя. Для черно-белых устройств печати эта функция от одного аргумента - яркости пикселя. Фиг.7 демонстрирует пример подобной функции.
Для цветных устройств печати аргументом данной функции является вектор со значениями интенсивностей цветовых компонент, например r, g, b. При этом на основе функции зависимости процента печатаемых точек от яркости пикселя или интенсивности цветовых компонентов оценивают количество печатаемых точек для всего растрового изображения. Оценку процента экономии тонера для растрового изображения, преобразованного в эскиз, выполняют по формуле:
Eb=100%×(Nb-Ns)/Nb,
где Nb(i) - количество печатаемых точек для i-го растрового изображения, Ns(i) количество печатаемых точек для i-го эскиза, Nb(i) и Ns(i) вычисляют с помощью функций зависимости процента печатаемых точек от яркости пикселя или интенсивности цветовых компонентов пикселя.
При цветной печати процент экономии расходного материала оценивают отдельно для каждой краски.
С помощью анализа команд языка описания страниц и соответствующих им последовательностей печатаемых примитивов (Display Lists) в RIP можно оценить количество печатаемых точек для всей страницы P, содержащей эскизы, и для эскизов Ns(i). Оценку процента экономии расходного материала для всего задания на печать из n страниц выполняют на шаге 204 в соответствии с выражением:
где P(n) - количество печатаемых точек для целой n-й страницы, Ns(i) количество печатаемых точек для i-го эскиза, Eb(i) - оценка процента экономии для i-го растрового изображения, преобразованного в эскиз.
На шаге 205 печатают модифицированное задание на печать или поток данных на языке описания страниц. Далее с помощью интерфейса пользователя информацию о проценте экономии расходного материала предоставляют пользователю (шаг 206).
Блок-схема быстрого способа для преобразования растрового изображения в эскиз показана на Фиг.3. Каждое растровое изображение имеет r, g, b каналы (составляющие). Для цветного изображения эти каналы одинаковые. На шаге 301 выполняют повышение контраста изображения для того, чтобы эскиз был четким и распознаваемым даже для слабоконтрастных растровых изображений. Сначала вычисляют глобальную гистограмму яркости Н изображения. Известны из уровня техники несколько подходов к получению полутонового изображения (изображения в оттенках серого) из составляющих цветного изображения. К наиболее распространенным подходам относятся следующие:
I=0.3r+0.6g+0.1b;
I=(r+g+b)/3;
I=max(r, g, b).
Любой из этих подходов может быть применен в данном случае, однако последний из упомянутых представляется предпочтительным. Нижнюю границу диапазона контрастирования вычисляют в соответствии с выражением:
0
0
где H, C и T - пороговые значения соответственно по уровню гистограммы, по площади гистограммы и по яркости. Порог T вводят, чтобы избежать излишнего затемнения изображения.
Верхнюю границу диапазона контрастирования вычисляют в соответствии с выражением:
1
1
где H и C - пороговые значения соответственно по уровню и по площади гистограммы. Фиг.5 иллюстрирует эти пороги на гистограмме яркостей.
Далее выполняют повышение глобального контраста:
r'=255×(r-low)/(high-low);
g'=255×(g-low)/(high-low);
b'=255×(b-low)/(high-low).
На шаге 302 изображение с повышенным контрастом конвертируют в полутоновое изображение. Любой из вышеописанных подходов может использоваться для конвертирования.
На шаге 303 путем детектирования контурных перепадов (перепадов яркости или границ) на полутоновом изображении генерируют маску М. При этом могут быть использованы различные известные способы детектирования контурных перепадов, но в заявляемом изобретении предпочтительным является использование фильтра "разница Гауссианов" (Difference-of-Gaussians, DoG) с последующим пороговым ограничением:
; ;
,
1
2
где I - полутоновое растровое изображение, T - порог, * обозначает операцию свертки. Параметры фильтра DoG σ, σ и порог T зависят от разрешения печати, размера печатаемого изображения на бумаге в физических единицах длины.
Эскиз на шаге 304 получают путем умножения пикселов каждого цветного канала изображения с повышенным контрастом на соответствующие им пиксели маски M:
;
;
.
Описанный выше способ получения эскиза для большинства изображений позволяет получать достаточно четкие и распознаваемые эскизы. Однако эскизы для некоторых изображений с контрастным и текстурированным фоном могут содержать слишком много контуров, относящихся к фону. Это приводит к меньшей степени экономии тонера и затрудняет узнавание изображения. Для того чтобы преодолеть данный недостаток, предлагается улучшенный способ преобразования растрового изображения в эскиз. Данный способ основан на использовании "карты важности" (Importance Map) или "карты выпуклости"/"карты особенностей" (Saliency Map). Строго говоря, в теории компьютерного зрения Importance и Saliency Map различают по способам построения и задачам, для которых они применяются. Однако на русский язык оба этих термина, как правило, переводят как "карта важности". Кроме того, в данном изобретении могут использоваться как Importance Map, так и Saliency Map.
Блок-схема улучшенного способа преобразования изображения в эскиз показана на Фиг.4. На шаге 401 выполняют автоматическое повышение контраста изображения аналогично шагу 301. Фильтр Гаусса для размывания изображения с повышенным контрастом применяют на шаге 402:
,
b
σ
r=r'*G,
b
σ
g=g'*G,
b
σ
b=b'*G.
-
Карту важности для изображения с повышенным контрастом генерируют на шаге 403. Известны многочисленные публикации, посвященные различным аспектам и способам построения карты важности (см., например, www.scholarpedia.org/.../Saliencymap) [9]. Классическая схема генерации карты важности (Saliency Map) восходящим (bottom-up) способом показана на Фиг.6. Карта интенсивности совпадает с полутоновым изображением I. Четыре цветовых канала R, G, B, Y вычисляют из цветовых каналов контрастированного изображения r', g', b':
, , , .
Для I, R, G, Y строят 8-уровневую пирамиду Гаусса. Из карты интенсивности строят 8-уровневую пирамиду Габора для четырех ориентаций . Операция центральной разности двух карт, одна из которых называется центральной (хорошей) картой, масштаб которой обозначается через c, а вторая называется окружающей (грубой) картой, масштаб которой обозначается через s, направлена на получение 42 (сорока двух) характеристических карт:
;
,
,
где  и .
Результат операции определяется как карта, полученная в результате вычитания из центральной карты окружающей карты, приведенной к масштабу центральной карты.
Все характеристические карты нормализуются и комбинируются в карты видимости посредством операции центрального сложения, которая состоит в приведении каждой карты к заданному масштабу и поточечному сложению:
,
,
,
где N() - нормализующий оператор.
Нормализующий оператор состоит из двух частей: сначала применяют фильтр Гаусса для того, чтобы подавить шумы и случайные пики, затем вычисляют среднее значение локальных максимумов ALM. После вычисления среднего значения локальных максимумов всю карту глобально умножают на значение (255-ALM). Применение данного способа нормализации позволяет не учитывать в карте важности излишне яркий фон, а оставляет только действительно важные участки, не замаскированные повышенной яркостью.
Карты  видимости для интенсивности (яркости), карты  для цвета и карты  для ориентации суммируют с весами в финальное изображение, которое и называют картой S важности:
.
В предпочтительном варианте изобретения информация о яркости и ориентации более важна, чем информация о цвете, поэтому wI=wO=2, wC=1. Далее S нормализуют в диапазон от 0 до 1.
Известны (и могут быть применены) и другие подходы для генерации карты важности, например, статья "Efficient Construction of Saliency Map" (Wen-Fu Lee, Tai-Hsiang Huang, Yi-Hsin Huang, Mei-Lan Chu, и Homer H. Chen, SPIE-IS&T / Vol.7240, 2009) [10] описывает вычислительно-эффективный способ вычисления карты важности.
На шаге 404 изображение с повышенным контрастом и размытое изображение подвергают альфа-смешиванию, причем карта важности является альфа-каналом в смысле прозрачности:
1
b
r=S×r'+(l-S)×r,
1
b
g=S×g'+(l-S)×g,
1
b
b=S×b'+(1-S)×b.
Такой подход позволяет размыть фон и препятствовать возникновению лишних линий на эскизе.
На шаге 405 изображение, являющееся результатом смешивания, конвертируют в полутоновое изображение. На шаге 406 путем детектирования контурных перепадов на полутоновом изображении генерируют маску M. Подход к детектированию контурных перепадов описан выше. Далее маску обрабатывают морфологическим фильтром наращения (дилатации) (шаг 407). Данный шаг является необязательным. Структурный элемент (апертура) морфологического фильтра зависит от типа устройства печати и разрешения. Финальным шагом (408) является умножение пикселей каждого цветного канала изображения с повышенным контрастом на соответствующие им пиксели маски M:
;
;
.
Конвертирование цветного растрового изображения в полутоновое, а также конвертирование цветного эскиза в полутоновый выполняют с помощью одного из следующих преобразований:
;
,
где r, g, b - цветовые каналы изображения-эскиза.
Предлагаемый способ (варианты) предназначен для использования, в первую очередь, в цветных и черно-белых электрофотографических и струйных принтерах и многофункциональных устройствах. Языки описания страниц (page description language, PDL), такие как PCL, PS, PDF и XPS, передают на принтер в виде отдельных объектов растровые изображения, текст и векторную графику. Растровые изображения в устройствах печати могут конвертироваться в цветные или черно-белые эскизы для экономии тонера. Также заявляемый способ может быть реализован в драйвере печати. Как правило, в операционной системе задание на печать является метафайлом, из которого растровые изображения могут быть извлечены и преобразованы в эскизы.
Следует иметь ввиду, что описанные выше варианты выполнения изобретения были приведены лишь с целью иллюстрации, поэтому специалистам должно быть ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.