A new image printing approach

Abstract

Günümüzde hızla gelişen ve gittikçe genişleyen uygulama alanıyla görüntü işleme, bilgisayar teknoloji sine paralel ilerlemektedir. Daha detaylı görüntü işleme, daha büyük miktarda bellek ve daha yoğun işlem gerektirdiğinden, bilgisayar teknolojisindeki hız ve kapasite artışı otomatik olarak bu alana ivme kazandırmaktadır. Amaca uygun işlenmiş bir görüntünün başka bir uygulama ortamına aktarılması veya sözkonusu ortam tarafından kullanılması ile, yeni, ortama özgü teknolojik sınırlamalar ortaya çıkar. Buna belirgin bir örnek olarak işlenmiş bir görüntünün kağıda basma aşamasında yazıcı teknolojisinin getirdiği sınırlamalar verilebilir. Bir görüntüyü günümüz monitor teknolojisiyle, 8-bit örnekleyip gözlemek mümkün iken, çok yaygın olarak kullanılan yazıcılarla aynı duyarlılıkta basmak mümkün değildir. Son zamanlarda lazer yazıcılardaki gelişmeler bu konuda oldukça umut verici durumdadır. Bu çalışma ile, sayısallaştırılmış ve işlenmiş bir görüntünün kağıda aktarılması aşamasında katkıda bulunmak amacıyla, sadece kağıda basma tekniği üzerinde yoğunlaşılmıştır. Bu amaçla yeni bir görüntü basma algoritması geliştirilmiş ve denenmiştir. Basılacak görüntü siyah-beyaz olup, nxm boyutlarında bir matris ile temsil edilmektedir. Genelde 512x512, 256x256 ve 128x128 gibi matris boyutları çok sık kullanılmakla birlikte, istenilen herhangi bir matris boyutu da kullanılabilir. Her bir matris elemanı 8-bitlik bir sayıdan oluşmaktadır. Bunun anlamı ise herhangi bir matris elemanı için 0 ile 255 gri seviyeleri arasında yanlızca bir gri seviyesi olasıdır. Böylece herhangi bir görüntü için, maksimum 256 tane gri seviyesi olasıdır. Görüntü matrisini yazıcıya aktarmada yine çok kullanılan yarıtonlama tekniği kullanılmıştır. Negatif görüntü için, bu tekniğe göre, görüntüdeki her bir gri seviyesi, yazıcıda belirli ve sabit bir fiziksel alanda aynı sayıda nokta yoğunluğu ile temsil edilmektedir. Pozitif görüntü basmak için ise, sözkonusu gri seviyesini 255 den çıkardıktan sonra, karşı düşen nokta yoğunluğu ile temsil edilir. Yada, negatif görüntüde sözkonusu gri seviye sine karşı düşen nokta yerleşiminin tersi alınarak basılabilir. Yazıcıda 256 tane farklı gri seviyesi basabilmek için birim fiziksel alan 16x16 kare nokta matris seçilmiştir. Matrisin tümden boş olması en düşük gri seviyesi olan, sıfır gri seviyesine karşı gelmektedir. Matrisin bir nokta hariç tüm noktalarının dolu olması ise, en koyu gri seviyesi olan 255 'e karşı gelmektedir. Burada kağıt üzerindeki birim 16x16 nokta matrisin fiziksel alanı, basılan görüntünün kalitesini direkt belirleyen en önemli faktördür. Bir yazıcı ne kadar küçük bir alna birim matrisi sığdırabiliyorsa, o oranda kaliteli görüntü basacak demektir. Diğer bir deyimle bir yazıcının nokta çözünürlüğü ne kadar büyükse o oranda iyi görüntü basacak demektir. Yaygın olarak kullanılan nokta matris yazıcıların çözünürlüğü, inç başına en fazla 240 nokta civarındadır. Son yıllarda gelişmeye başlıyan lazer yazıcıların çözünürlüğü inç başına 300 noktayla başlayıp bugün 1200 nokta yoğunluğuna ulaşmıştır. Hatta, renkli yazıcılarda çözünürlük inç başına 2400 nokta yoğunluğuna ulaşmıştır. Bütün bu gelişmeler bize yakın gelecekte fotoğraf kalitesinde görüntü basabileceğimizi işaret etmektedir. Basılacak görüntü için, kabul edilebilir birim fiziksel alan belirli olsun. Bu alana, çözünürlüğü yüksek olan bir yazıcının çok daha fazla nokta yerleştirebileceği açıktır. Bu da direkt, olarak çözünürlüğü yüksek olan bir yazıcıyla, çok daha fazla sayıda gri tonlamanın yapılabileceğine, dolayısıyla çok daha iyi kalitede görüntü basılabilineceği sonucuna götürür. Buna belirgin bir örnek olarak, 512x512 boyutlarındaki bir görüntü 8 inçlik standart A4 kağıdına basmak istiyelim. Eğer görüntü 256 tane farklı tonlamayla basılacaksa, bu durumda kulanılacak yazıcının çözünürlüğünün inç başına 1024 nokta olması gerektiği kolayca hesaplanabilir. Yine aynı görüntüyü, aynı alana, inç başına 300 nokta çözünürlüğe sahip bir yazıcıyla basmak istersek, bu durumda 4x4 nokta birim yerleşim matrisleriyle, ancak 16 gri seviyesiyle basabiliriz. Yani 256 gri seviyesine sahip bir görüntüyü, kağıtta 16 gri seviyesiyle temsil edebilmekteyiz. Buda basılan görüntüde önemli bilgi kayıbına neden olmaktadır. Yine basılan görüntünün kalitesi gözönüne alınmadan, 512x512 boyutlarındaki bir görüntü 256 gri seviyesi ile basılmak istenirse, yine aynı yazıcıyla, 27"x27" (69cm x 69cm) boyutlarında bir alana yerleşebilmektedir. Sonuç olarak herhangi bir yazıcı teknolojisi seçildiğinde, basılan görüntünün kalitesi gözönüne alınmadığında, gri seviye sayısı ile fiziksel alan, ters orantılıdır. Birini artırmak istediğimizde, diğerini küçültmemiz gerekir. Diğer taraftan, basılan görüntü seçilen yazıcı teknolojisine göre büyüyebilmekte. Ya buna göz yumulur, yada bire-bir dönüşüm için gerekeli olan gri seviyesi saptanıp buna göre görüntü basılır. ikincinin seçilmesi durumunda basılan görüntüdeki ayrıntılar kaybolur. Kabul edilebilir bir görüntü basmak istendiğinde, bunun en az bire-bir boyutları sağlıyacak minimum çözünürlüğe sahip bir yazıcı teknolojisi ile basılmasıyla amaca ulaşılmış olacaktır. Bu çalışmada, basılacak görüntü boyutları pok fazla önemsenmeden daha çok basılacak birim matrislerin içinde ki noktaların yerleşiminin nasıl olması gerektiği soru suna cevap aranmış ve yerleşim mekanizması kurulmaya çalışılmıştır. Bu amaçla yeni bir yerleşim algoritması geliştirilmiştir. Yarıtonlarda tekniği ilk kullanılmaya başlandığında, her bir gri seviyesine karşılık daha önce oluşturulmuş hazır yerleşim fontları kullanılarak görüntü basılırdı. Bunun, basılan görüntü üzerinde yapay desenler oluşturmasından dolayı yeni yöntemlere yönelindi. Buna bir çözüm olarak, yarıtonlama yapılmış görüntüye gürültü katıldı. Bu da basılan görüntü üzerinde billurlaşan gürültüye neden oldu. Diğer bir yöntemde matris için deki noktaların rasgele konumlandırılmasıyla yapay desenlerin oluşumu ortadan kaldırılmaya çalışıldı. Yine, buda, görüntü üzerinde billurlaşan gürültüye neden oldu. Halen pratikte kullanılmakta olan yöntemler temelde yarıtonlama tekniğine dayanmakta ve değişik eşikleme teknikleri kullanılmaktalar. Bunlara, Floyd-Steinberg, Knuth ve nokta difüzyonu gibi algoritmalar örnek verilebilir. Yeni geliştirilen algoritma, diğer algoritmalar gibi yarı tonlama tekniğine dayanmaktadır. Algoritma, ne gürültü ilavesi, ne de eşikleme tekniklerini kullanmamaktadır. Algoritma görüntü üzerinde hiç bir ilave işlem yapmadan tüm doğal yapısını olduğu gibi korumaktadır. Bu nedenle basılan görüntünün de doğal yapısına çok daha yakın olması beklenmektedir. Algoritma basılacak görüntüye ait birim matristeki noktaların yerleşimini yapmaktadır. Bunu yaparken doğu, batı, kuzey ve güney komşularına bakarak çok yoğun komşulara yakın bölgelerde, daha çok nokta yığılmasını sağlıyacak şekilde bir mekanizma ile yerleşimi yönetmektedir. Zaten, bir resim gözönüne alındığın da, resmin noktaları arasında bütünleştirici bir özilişki vardır. Yani noktalar yalnız başına pek bir anlam oluş turmazlar. Fakat noktalar, aralarındaki özilişki ile bir araya getirildiğinde bir anlam oluştururlar. Yönetmi yapacak algoritma statik elektrik etkileşim analojisine dayanmaktadır. Kurulan analojiye göre yerleşimi yapılacak görüntü noktasının doğu, batı, kuzey ve güney komşularının gri seviyelerine aynı sayıda statik pozitif elektrik yükü karşı getirilmektedir. Yerleştirilecek noktanın gri seviyesi de, aynı sayıda negatif yükle temsil edilmektedir. Komşuların yük eşdeğeri yerleşim matrisinin kenarlarının ortasına konulmakta, yerleşimi yapılacak gri seviyesinin tek bir negatif yük karşılığı olan nokta, matrisin ortasına konur. Statik elektrik etkileşiminden bilindiği gibi, negatif yük bileşke kuvvet doğrultusunda hareket edecektir. Böylece birinci noktanın yerleşim yeri kabaca belirlenmiş olur. Kaba yerleşimi yapılan nokta, yerleştiği bölgenin komşularıyla nötürleşir. Bu da, herbir nokta yerleştikten sonra bileşke kuvvetin yön değiştirmesini sağlamaktadır. Bu işlem söz- konusu birim matrisin gri seviyesinin bütün noktaları yerleştirilinceye kadar devam edilir. Aynı işlemler bütün bir görüntüyü basmak için tekrarlanır. Yerleşimi yapılmış bir gri seviyesi 16x16 boyutlarında bir matris olup, gri seviyesi kadar 1, gerikalan elemanları sıfır olan bir görünüm sunar. Sözkonusu birim matris 32-bayt bir data ile temsil edilmektedir. Her bir bayt- ta, eğer bir bit 1 ise yazıcıda ilgili pozisyonuna bir nokta konur. Eğer sözkonusu bit sıfır ise, yazıcıda ilgili pozisyon boş bırakılır. Yerleşimi yapılmış birim matristeki noktalar daha çok gri seviyesi yüksek olan kenarlarda toplanmaktadır. Eğer yerleşimi yapılan noktanın gri seviyesi komşularına göre daha yüksek ise, birim matris içindeki noktalar matris merkezine doğru yoğunlaşır. Yok eğer, komşuları daha yoğun bir seviyede ise, noktaların yoğunluğu kenarlara doğru artacaktır. Bu da zaten bir görüntüdeki sürekliliğin bir sonucudur. Sonuçta bir görüntünün her bir gri seviyesi için 32 baytlık data oluşturulur. 128x123 boyutlarındaki bir görüntü için 524,288 baytlık bir data oluşur. Bu datanın yazıcıya aktarılması, ortalama 15 dakika zaman gerektirmektedir. Algoritmanın en büyük dezavantajı zaman alıcı olmasıdır. Ancak bilgisayar teknolojisindeki hız ve kapasite artışı bunu problem olmaktan çıkaracaktır. Hatta algoritmanın yazıcıya yerleştirilmesi bu problemi büyük ölçüde ortadan kaldıracaktır. Burada asıl üzerinde durulması gereken durum yazıcının nokta çözünürlüğüdür. Yazıcı çözünürlüğünün düşük olması, yapay desenlerin oluşmasına neden olmaktadır. Bu nedenle 256 gri seviyesiyle basılacak bir görüntü için, inç başına 1024 nokta çözünürlük, kabul edilebilir bir görüntü basabilir. inç başına 1200 nokta basan lazer yazıcılar henüz yeni piyasaya sunulduklarından, algoritma bu tür yazıcılarda denenmemiştir. Ayrıca algoritmanın, şu an yaygın olarak kullanılan görüntü basma algoritmalarıyla karşılaştırması, yapılamamıştır. Henüz gelişme aşamasında olan algoritma nokta yerleştirme sırasında zaman zaman zorlanmaktadır. Bu durumları düzeltecek yeni çözümler üreterek, tam performansı gözlenebilir. Şu an algoritma kabaca çalışmaktadır. Geçici çözüm getirilmiş bazı yerleşim durumları mevcuttur. Ayrıca görüntü işlemede uygulanan bir çok yöntem, (kenar yakalama, bölgesel işlemler... gibi) algoritmaya kılavuzluk ederek, görüntünün bazı özelikleri ön plana çıkarılabilir. Yine bazı özelikleri de bastırılarak kağıda aktarılablir. Ayrıca bütün bu teknikler basma kalitesini de iyileştirebilirler. Algoritmanın diğer bir özelliği de komşu gri seviyeleri arasında yumuşak geçişi sağlamasıdır. Bu durum çok keskin kenarların önemli olduğu bir görüntü için istenmez. Ancak böyle durumlarda kenar yakalama tekniği algoritmaya kılavuzluk ederek, yumuşak geçişler, bölgesel olarak ortadan kaldırılabilir. Algoritma kolaylıkla renkli görüntü basabilecek şekilde yeniden düzenlenebilir. Ancak bu durumda görüntü yerleştirme ve yazıcıda basma zamanının üç katma çıkacağı unutulmamalıdır. Sayısallaştırılmış bir resmin kağıt üstüne aktarılması, özellikle masa-üstü yayıncılıkta yoğun olarak kullanılmaktadır. Burada ulaşılan kalite yazıcı teknoloji sinin sunduğu olanaklarla sınırlıdır. Görüntü basmanın, yakın gelecekte yoğun ilgi bulacağı diğer bir uygulama alanı da, yaygınlaşması beklenilen elektronik gazeteciliktir. Herhangi bir belgenin veya haberin anında kopya sının tutulması ipin kağıt ortamı son derece pratik ve ucuz olacağından, çok yaygınlaşması beklenmektedir. Ayrıca çıplak gözle ulaşma imkanı sağlamasıyla da diğer görüntü saklama yöntemlerine oranla önemli avantajlar sağlamaktadır. Yine yakın gelecekte görüntü işlemenin yoğun olarak uygulandığı tıp alanında, görüntünün negatif film yerine kağıda aktarılması çok daha pratik ve ucuz olacaktır. Fotoğraf makinalarından alman görüntünün, kimyasal bir işlem gerektirmeden, fotoğraf kalitesinde, anında kağıda aktarılması yakın zamanda gerçekleşmesi beklenmektedir. Bu çalışmanın sonunda yerleşim algoritmasını içeren bir görüntü basma programı yazılmıştır. Program herhangi bir dosya formatındaki görüntüyü, verilen bir pencereyle ekranda kaba hatlarıyla göstermektedir. Bu pencereyi, verilen bir dosya ismiyle saklayabilmektedir. Pencere boyutları dikkate alınarak, yeni algoritma ile yerleşim yapıldıktan sonra, PLACE.DAT isimli dosyada yerleşim bilgisi tutulur. Daha sonra seçilen bir yazıcı tipi ile yazıcıya aktarılır. Program EPSON LX 400, HP LASER JET III ve JET IV yazıcılarını desteklemektedir. Program ayrıca bazı görüntü işleme tekniklerini opsiyon olarak içermektedir. Bu tekniklere ilişkin alt programlar yazılmamıştır.

This thesis is intended to improve the printing quality of a digitized image. Input information source is a digitized and processed (if required) image file. Destination device is a dot matrix or laser printer. The image is represented by on nxm dimensional matrix. Each element of the matrix corresponds to 8-bit pixel intensity. This means that one of 256 different intensity values is possible for the elements of the ma trix. Each image pixel is presented by a 16x16 dot ma trix on the paper. Different pixel intensities corre spond to a different number of dots in the 16xl6-dot ma trices. This means that 256 different pixel levels are presented by 256 grey levels on the paper. So, 256 dif ferent grey tones are possible for any image printout. The problem which this work mainly deals with is how these different grey levels can be represented on a paper by the known dot matrix or laser printer. The more precise the printer, the better is the hardcopy. In this thesis a new image printing algorithm has been developed. The algorithm is applied to base Halftone printing technique to determine the place of dots. The algorithm manages the placement in relation to intensity of neighbors dots. With that result, soft crossing between the different grey levels can be achieved. The algorithm is based on the static electri cal charge interaction analogy. In addition to the new algorithm, some known image processing techniques which are segmentation, regional approach, edge detection and so on.. can be applied to improve the image printing quality.