На правах рукописи

Соломыков Василий Сергеевич

МЕТОД КОРРЕКЦИИ КОНТУРА ШРИФТОВОГО ЗНАКА

ДЛЯ ВЫВОДНЫХ УСТРОЙСТВ С НИЗКИМ РАЗРЕШЕНИЕМ

Специальность 05.13.06. – «Автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами

(полиграфические средства информации и информационные системы)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2013 2

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова» на кафедре «Автоматизация полиграфического производства».

Научный руководитель: Агеев Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Никульчев Евгений Витальевич, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник МГУП имени Ивана Федорова Филиппович Анна Юрьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Системы обработки информации и управления» МГТУ им Н.Э. Баумана

Ведущая организация: ОАО «ВНИИ Полиграфии»

Защита состоится 20 июня 2013 г. в 1230 на заседании диссертационного совета Д 212.147.03 при Московском государственном университете печати имени Ивана Федорова по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д.2а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова»

Автореферат разослан 17 мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.147. д.т.н., профессор Агеев В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. С момента возникновения цифровой типографии существует проблема растрирования контурных шрифтов на выводных устройствах с низким разрешением. В настоящее время широко распространены технологии, в основе которых лежит принцип чтения с экрана. К примерам реализации подобных технологий относятся: электронные книги, web-страницы, системы электронного документооборота, планшетные и карманные компьютеры, webшрифты. Сюда же можно отнести различные светодиодные экраны, используемые для наружной рекламы.

Разрешение большинства экранов выводных устройств находится в диапазоне от 72 до 144 ppi (pixel per inch). Это накладывает определенные ограничения на использование контурных шрифтов при небольших размерах кегля, поскольку становятся визуально заметными искажения, возникающие при растрировании.

Вследствие растущей популярности указанных технологий и устройств в области современной цифровой типографии появилась проблема корректировки контурных шрифтов.

Растровые шрифты представляют собой набор пикселей, формирующих символы. Преимуществом растровых шрифтов является возможность адаптировать их под конкретное устройство вывода, а также меньшее потребление вычислительных ресурсов компьютера из-за отсутствия необходимости преобразования контура в растр. Недостатками является невозможность масштабирования, а также тот факт, что для каждого разрешения и кегля необходим свой файл растрового шрифта. На текущий момент данный тип цифровых шрифтов применяется довольно редко.

В контурных шрифтах символы описываются набором прямых и кривых линий, формирующих контур каждого шрифтового знака. Контурные шрифты можно использовать при различных разрешениях выводных устройств. Добавление инструкций разметки к контурным шрифтам формата TrueType – сложный процесс, требующий большого количества времени и высокой квалификации шрифтового дизайнера, т.к. к каждой части шрифтового знака (засечки, основной и соединительный штрихи, полуовалы и т.п.), имеющей искажения в низком разрешении, необходимо добавлять корректирующие инструкции вручную.

Исходя из изложенного можно констатировать, что развитие методов автоматизированной разметки знаков контурных шрифтов с целью получения приемлемых для практического применения результатов растрирования в условиях низкого разрешения выводного устройства является важной и актуальной задачей.

Степень разработанности проблемы. Развитие и стандартизация технологий шрифтового обеспечения цифровой печати берт сво начало с 1980-х годов, когда компания Adobe адаптировала свой язык описания символов Postscript для лазерного принтера компании Apple. За это время было создано большое количество контурных шрифтов, однако, лишь некоторые из них были оптимизированы для растрирования в условиях низкого разрешения (порядка 72-144 ppi).

Растрирование в высоких разрешениях (выше 600 dpi) сохраняет первоначальный дизайн штрихов шрифта. Однако, при уменьшении разрешающей способности экрана происходит увеличение шага битовой карты относительно размеров очка гарнитуры. Пиксель на битовой карте заполняется, если его центр попадает в границы контура, и, соответственно, если центр пикселя находится вне контура – он остается пустым. Вследствие этого, в процессе растрирования могут возникать типичные проблемы для низких разрешений: нарушение симметрии шрифтовых знаков, разная толщина основных штрихов, слияние элементов знака, пропуск тонких штрихов и засечек и т.п.

Методам и алгоритмам борьбы с указанными искажениями посвящены работы Л.М. Местецкого1, Р.Д. Герша, К. Бетрисе, П. Биляка, Б. Стамма2. Математические основы алгоритмов компьютерной графики изложены в работах С.В.

Чирикова3, Д. Роджерса и др. Описание процессов растрирования контурных шрифтов приведено в работах Я. Гончаровски4. Попытки автоматизировать процесс разметки контурных шрифтов для низких разрешений проводились С. Андлером5, П.Дж. Шнайдером.

Целью диссертационной работы является разработка метода корректировки контурного описания шрифтовых знаков, позволяющего минимизировать искажения при растрировании с низким уровнем разрешения, основа которого состоит в выявлении связей между особенностями начертания шрифтового знака и искажениями, возникающими при получении его растрового изображения в выводных устройствах с низким разрешением.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. выполнить анализ проблем, возникающих при использовании различных шрифтовых гарнитур в выводных устройствах;

2. разработать метод моделирования процесса растрирования контурного знака при различных уровнях разрешения;

Mestetskiy L., Yakupov E. Binary bitmap image transforms for computer font hinting // Eutipon, №10, Issues of the Democritus University of Thrace (Greece), 2003, pp.1-16.

Stamm B., A Hybrid Approach To Medium- And Low-Resolution Font-Scaling And Its OOP Style Implementation// Dr.Tech.Sc. Thesis, Swiss Federal Institute of Technology Zrich, 1994.

Чириков С.В. Алгоритмы компьютерной графики (методы растрирования кривых).

Учебное пособие – СПб : СПб ГИТМО(ТУ), 2001. – 120 с.

Gonczarowski J., Industry standard outline font formats // Visual and Technical Aspects of Types, Cambridge University Press, Cambridge, UK, 1993, pp. 110–125.

Andler S.F. Automatic generation of grid-fitting hints for rasterization of outline fonts or graphics // Proceedings of the International Conference on Electronic Publishing, Document Manipulation, and Typography, pages 221–234, New York, 1990.

3. разработать программные средства моделирования процесса растрирования;

4. провести анализ результатов, полученных в процессе моделирования, с целью выявления связей между особенностями начертания шрифтового знака и возникающими в процессе растрирования искажениями;

5. разработать метод корректировки контурного описания знака, позволяющий минимизировать искажения в растровом изображении знака;

6. разработать программные средства, реализующие предложенный выше Объектом исследования диссертационной работы являются программные и аппаратные средства и методы растрирования векторных изображений в выводных устройствах низкого разрешения.

Предметом исследования являются способы устранения искажения формы знаков шрифтовой гарнитуры, возникающие при растрировании контурных шрифтов в устройствах с низким разрешением.

Область исследования. Шрифтовое обеспечение выводных устройств полиграфических средств информации. Указанная область соответствует специальности 05.13.06 «Автоматизация и управление технологическими процессами (полиграфические средства информации и информационные системы)», в частности, п.9 – «Методы эффективной организации и ведения специализированного информационного и программного обеспечения АСУТП, АСУП, АСТПП и др., включая базы и банки данных и методы их оптимизации».

Методы исследования. Для достижения поставленной цели и для решения указанных выше задач используются следующие научные методы: математический анализ, статистический анализ, метод экспертных оценок.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующих положениях:

1. Выявлена зависимость между смещениями центров тяжести частей фигуры знака и характером искажений формы знака, возникающих при растрировании с низким разрешением.

2. Предложен способ моделирования процесса растрирования контура шрифтового знака, позволяющий подобрать параметры растровой сетки, обеспечивающие минимум искажений формы знака.

3. Разработан метод корректировки координат опорных точек контура шрифтового знака по результатам моделирования процесса растрирования.

Достоверность и обоснованность научных положений определяется корректным использованием базовых методов исследования и математического аппарата. Достоверность результатов подтверждается непротиворечивостью применяемых математических методов расчетов, практической реализацией разработанных моделей, а также результатами экспериментальных исследований.

Теоретическая значимость результатов заключается в решении теоретической задачи корректировки контуров шрифтовых знаков при растрировании в низком разрешении.

Практическая значимость работы состоит в возможности значительно расширить диапазон контурных кириллических шрифтов, которые можно применить в цифровой типографии, в частности, при разработке web-сайтов, различных версий электронных документов и рекламных баннеров. Разработанные программные средства могут найти применение в практической деятельности шрифтовых и web-дизайнеров, а также использоваться для решения широкого круга задач компьютерной графики.

Положения, выносимые на защиту:

1. Модель процесса растрирования контура шрифтового знака, позволяющая подобрать параметры растровой сетки, обеспечивающие минимум 2. Метод корректировки координат опорных точек контура шрифтового знака по результатам моделирования процесса растрирования, основанный на определении координат центра тяжести растрированной фигуры и центров тяжести четырех ее частей, расположенных в различных квадрантах координатной плоскости.

3. Программная реализация метода моделирования процесса растрирования контурных шрифтов.

Реализация результатов работы. Теоретические положения внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО МГУП имени Ивана Федорова и в настоящее время используются при подготовке магистрантов по магистерской программе 220200.68 «Автоматизация и управление». Материалы диссертационной работы использованы в качестве методологической основы при разработке общеуниверситетских курсов лекций и практических занятий по дисциплинам «Автоматизированные информационно-управляющие системы», «Информационное обеспечение систем управления», «Программирование и основы алгоритмизации». Также теоретические положения внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «МАТИ – Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского» и в настоящее время используются при подготовке бакалавров по магистерской программе 230100.62 «Информатика и вычислительная техника». Материалы диссертационной работы использованы в качестве методологической основы при разработке общеинститутских курсов лекций и практических занятий по дисциплинам «Теория автоматического управления», «Спецглавы математики», «Моделирование систем».

Кроме того, определена целесообразность применения разработанного метода при использовании кириллических шрифтов для создания пиксельных баннеров в рекламно-производственной компании ООО «Системные решения»

(г. Ступино).

Результаты работы подтверждены актами внедрения и справками об использовании, имеющимися в приложении к диссертации.

Апробация работы. Материал, изложенный в диссертационной работе, был доложен на трех научных конференциях: Научно-практическая конференция МАТИ в 2009г., Международная конференция НТММК в МГУП имени Ивана Федорова в 2011г., Всероссийская научно-техническая конференция «Исследования в области полиграфии и защиты информации» в ТулГУ в 2013г.

Публикации. Результаты работы опубликованы в 8 научных статьях, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трх глав, заключения, библиографического списка использованных источников и приложений. Она содержит 117 страниц, 8 таблиц, 60 рисунков. Список литературы включает 90 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность исследования, проведнного в рамках диссертационной работы. Сформулирована цель и детализированы задачи исследования, раскрыта научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы цель работы, объект и предмет исследования, перечислены положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлены результаты обзора современных типов различных выводных устройств и их шрифтового обеспечения. Выделен класс устройств с низким разрешением и охарактеризованы проблемы, связанные с возможностью использования на таких устройствах той или иной шрифтовой гарнитуры для вывода текста с желаемым размером знаков.

Рассмотрены отечественные и зарубежные классификации типографских шрифтов. На основании приведенных классификаций в рамках исследования решено выделить три основных класса гарнитур: рубленые шрифты, шрифты с засечками и декоративные (акцидентные) шрифты.

Для мониторов LG Flatron E1910S, NEC MultiSync EA191M, ViewSonic BenQ BL 902M с диагональю экрана 19 дюймов и разрешением 1280х1024 величина ppi составляет 86 ppi. В группе рубленых шрифтов заметные глазу искажения для данного типа выводных устройств при растрировании с инструкциями разметки могут появляться, начиная с кегля 13 pt, в группе шрифтов с засечками – с 16pt (рис. 1).

Рис. 1. Проблемы при растрировании с разрешением 86ppi, масштаб 200%.

Проведн анализ современных форматов контурных шрифтов, используемых в полиграфии. Сделан обзор существующих методов коррекции контура шрифтового знака. Приведено описание декларативного и программируемого методов разметки. В частности, рассмотрен стандартный метод программируемой разметки, при котором в описание контура шрифтового знака добавляются фрагменты кода, изменяющего отдельные фрагменты контура при переходе от большого разрешения к меньшему. Отмечается, что работа по созданию разметки шрифта весьма трудоемка и требует высокой квалификации у дизайнера.

В работе рассмотрены метод создания корректирующих инструкций разметки в файле шрифта вручную, метод построения каркасной и контурной модели шрифтового знака и последующего их сравнения для минимизации искажений (К. Бетрисе, Р.Д. Герш), метод автоматического переноса инструкций из одного шрифта в другой (Д. Салесин, Д. Уэйд, Д. Зонгкер) и метод построения автоматической разметки шрифтовых знаков на основе их скелетного представления (Л.М.

Местецкий, Э.Л. Якупов). Приведены их недостатки, одним из которых является узкая направленность, методы основаны на локальных изменениях контура знака.

Эффективность применения указанных подходов для кириллических шрифтов не исследовалась. Особо отмечен тот факт, что метод разметки применен, в основном, для знаков латинского алфавита. Кириллические шрифты, которые создавались на базе гарнитур, разработанных для латинских букв, как правило, не размечены для низких разрешений. Это приводит к тому, что при выводе на экран или на бумагу некоторых кириллических букв, таких, например, как Ш, Щ, Ы, при малых размерах кегля искажения становятся заметными на глаз.

Рассмотрены основные алгоритмы растрирования, применяемые в цифровой типографии. В частности, проанализированы алгоритмы монохромного пиксельного растрирования, монохромного сглаживания и субпиксельного сглаживания. Определены их преимущества и недостатки. Сделан вывод о необходимости корректировки контура шрифтового знака до применения сглаживающих фильтров.

В выводах первой главы обосновывается существование проблемы и актуальность тематики диссертации и формулируются задачи работы.

Во второй главе описывается метод моделирования процесса растрирования и корректировки контура шрифтового знака.

Приводится детальное описание контуров шрифтовых знаков. Кривые линии описываются параметрическим уравнением кубической кривой Безье, определяемой четырьмя вершинами:

При t = 0 точка на кривой совпадает с точкой P0, а при t = 1 – с точкой P3.

Форма кривой Безье зависит от положения опорных точек P0, P1, P2, P 3.

Известно, что аффинные преобразования кривой (перенос, масштабирование, вращение) можно осуществить путем применения соответствующих трансформаций к ее опорным точкам. Формулу (1) можно привести к виду:

где Bi (t) – многочлены Бернштейна, сумма которых по i от 0 до 3 равна 1 при любом t.

Если координаты опорных точек Xk, Yk (k = 0,1,2,3) сдвинуть по горизонтали и вертикали на x и y соответственно, а затем выполнить сжатие по соответствующим осям координат, с коэффициентами Kx и Ky, то новые значения координат окажутся равными Из формулы (3) следует, что координаты точек кривой X(t), Y(t) для t(0; 1) в этом случае будут равны то есть все точки кривой изменяются по тому же закону, что и опорные точки.

При этом условия сопряжения в граничных точках каждого фрагмента знака сохраняются и форма знака в целом сохраняется.

Таким образом, если в описании контура буквы одновременно изменить координату x всех опорных точек на величину x, то произойдет параллельный сдвиг всего контура вдоль оси Ох. Аналогично, при изменении значения y, контур сдвинется вдоль оси Oy. Сжатие по координатным осям соответствует операции масштабирования знака.

Для описания контура знака используется промежуточный формат, который может быть конвертирован в любой из используемых в настоящее время форматов контурных шрифтов. Контур знака представляется в виде последовательности сопряженных между собой отрезков прямых линий и кубических сплайнов, представленных в виде кривых Безье. Каждый фрагмент характеризуется координатами опорных точек, по две для отрезков прямых и по четыре для кубических кривых Безье.

С помощью метода экспертных оценок проводится определение допустимых величин кегля, при которых возникают визуально заметные искажения шрифтовых знаков. Проводится анализ причин возникновения искажений в различных типах гарнитур.

Обосновывается необходимость использования критерия, позволяющего количественно оценивать степень соответствия растрового изображения и оригинала, которым можно считать изображение, полученное путем растрирования с высоким уровнем разрешения. В качестве такого критерия предлагается использовать характерные точки: центр тяжести P0 самой фигуры знака и центры тяжести четырех ее частей P1 – P4, на которые данная фигура делится линиями, параллельными осям координат и проходящими через P0 (рис.2).

Указанные на рис.2 центры тяжести фигуры и ее четырех частей получены после растрирования с максимально возможным разрешением.

Рис.2. Центр тяжести фигуры знака (P0 ) и центры тяжести частей фигуры, расположенных в четырех квадрантах (P1 – P4 ) Процесс растрирования векторного изображения с заданным разрешением можно представить как наложение на контур растровой сетки с ячейкой H x H и последующим закрашиванием тех ячеек, в которые попадают точки исходной фигуры знака.

У получившейся в результате растрирования фигуры можно определить координаты центров тяжести и сравнить их с исходными. Значительные расхождения свидетельствует об искажении или нарушении пропорций в начертании знака (утолщение штрихов, их слиянии и т.п.). Для устранения этого дефекта предлагается следующий метод. Вместо того, чтобы изменять элементы контура знака, добиваясь уменьшения искажений при растрировании с заданным шагом растеризации, будем изменять параметры растровой сетки так, чтобы минимизировать отклонения положения контрольных точек от исходных значений.

Для этого, во-первых, можно сделать растровую сетку подвижной, то есть способной перемещаться вдоль координатных осей, а во-вторых, сделать ее сжимаемой или растяжимой по осям координат.

Тогда последовательность действий будет следующей. Получив растровое изображение знака, определим характер искажений: визуально – путем сравнения растрового изображения с исходным контуром и количественно – путем вычисления смещений координат контрольных точек. Затем изменим параметры растровой сетки так, чтобы искажения уменьшились. При этом, возможно, потребуется несколько итераций. После нахождения оптимальных величин изменения параметров растровой сетки необходимо вернуть их исходные значения и изменить параметры контура знака, подвергнув соответствующим преобразованиям опорные точки контура. Растрирование нового контура знака с изначально заданной растровой сеткой даст аналогичный результат.

Рассмотрим на координатной плоскости прямоугольную область F, разбитую на ячейки размером h х h вертикальными x = hi, i = 1, 2, …, n и горизонтальными y = hj, j =1, 2, …, n линиями (рис.3, а).

Поставим в соответствие этой области числовой массив A(i, j) размером n х n. Элемент массива A(k, m) соответствует ячейке, координаты внутренних точек которой удовлетворяют неравенствам h(k – 1) < x < hk и h(m – 1) < y < hm.

Равный нулю элемент соответствует ячейке белого цвета, а равный единице – черного. Другими словами, массив А является битовой картой черно-белого изображения на данной области с разрешением h.

Построим еще одну прямоугольную область G, так же разбитую на ячейки но с большим размером HxH, нижний левый угол которой сдвинут относительно начала координат по оси Ox на величину x0, и по оси Oy на величину y0 (рис. 3, б).

Рис. 3. Области для отображения черно-белого изображения Пронумеруем горизонтальные ряды ячеек области снизу вверх и вертикальные ряды слева направо числами от 1 до N. Так же, как и в первом случае, поставим в соответствие ячейкам области G числовой массив B(i, j) размером NxN так, чтобы выполнялось условие: если B(i, j) = 1, то ячейка, находящаяся на пересечении i-го столбца и j-го ряда, закрашена черным цветом, а если B(i, j) = 0, то белым. Таким образом, массив В можно трактовать как битовую карту изображения в области G, а ячейки этой области как элементы этого изображения (пиксели).

Допустим, что задано векторное описание контура знака как множества опорных точек графических примитивов (отрезков прямых и кубических кривых). Используя какой-либо алгоритм заливки контура можно отобразить этот знак в области F и получить его представление в виде битовой карты А.

Положив равными нулю смещения x0, y0 области G относительно начала координат (см. рис. 3), закрасим те ячейки области G, которые имеют общие точки (x, y) с уже закрашенными ячейками области F и заполним числовой массив В значениями 0 и 1 в соответствии с приведенным выше правилом.

Следующим шагом является вычисление координат центров тяжести получившихся изображений знака в областях F и G.

Для определения координат центра тяжести построенной в области F фигуры воспользуемся формулами для системы материальных точек:

где xi, yj – координаты ячейки, находящейся в j-ом ряду и i-ом столбце.

Аналогично для фигуры в области G:

где xi, yj – координаты ячейки, находящейся в j-ом ряду и i-ом столбце.

Вычислим разности соответствующих координат по осям Ox и Oy:

Сдвинем область G по координатным осям, положив x0=x, y0=y, после чего очистим ячейки области G и повторим процедуру закрашивания описанным выше способом.

Вычислив новые координаты центра тяжести по формуле (5) можно убедиться, что они близки к соответствующим координатам фигуры из области F.

Очевидно, что этот же результат можно получить, сдвигая по осям координат не область G, а опорные точки контура исходного знака на величины –x и –y. Как было отмечено ранее, при этом весь контур знака переместится параллельно осям координат без искажений.

Однако улучшить изображение знака одним сдвигом растровой решетки удается не всегда. В качестве примера на рис.4 приведены растровые изображения знака с тремя вертикальными линиями. Центры тяжести в обоих случаях совпадают с центром исходного знака, однако искажения есть: в первом случае более толстыми оказываются крайние линии, во втором – средняя.

Рис. 4. Случай, когда сдвигом решетки не удается устранить искажения Дальнейшие улучшения формы знака может быть достигнуто с помощью сжатия или растяжения контура знака по координатным осям.

С этой целью на этапе предварительной обработки кроме основного центра тяжести фигуры знака вычисляются координаты дополнительных точек (см. рис. 2).

По формулам, аналогичным (4) и (5) можно вычислить координаты этих характерных точек сначала при высоком разрешении (с шагом h), затем при низком (с шагом H).

Для устранения имеющихся искажений необходимо сравнить взаимное расположение характерных точек в первом и втором случаях, затем выполнить операции сжатия или растяжения координатной сетки по одной из осей или одновременно по обеим.

В частности, в табл.1 приведены результаты расчетов координат центров тяжести (ЦТ) для приведенных выше примеров растрирования буквы Ш (см.

рис.4, слева). Высота знака L=0.75, ширина S=0.8, шаг сетки Hx = Hy = 0.05.

Из таблицы видно, что средневзвешенная сумма отклонений координат центров по оси Х равна нулю. При этом расстояние между центрами в верхней части знака (точки P1 и P4) при растрировании уменьшается на 0.028 единиц, то есть x= – 0.028. Отсюда можно сделать вывод о том, что для устранения искажений необходимо увеличить шаг сетки по оси Х. Коэффициент изменения шага рассчитывается по формуле kx = 1 –x/dx, где dx – расстояние по оси Х между центрами P1 и P4. В данном случае kx = 1 + 0.028/0.429 1.07.

Повторное растрирование с новым шагом Hx = 0.05*kx =0.054 дает приемлемый результат: все штрихи буквы Ш имеют одинаковую ширину.

В соответствии со сказанным выше, этот же результат можно получить, изменяя не шаг растровой сетки, а внеся соответствующие изменения в описание контура знака. Для этого необходимо пересчитать координаты опорных точек контура по формулам:

где j – номер опорной точки с координатами Xj, Yj, j = 1,2,…, N; X0, Y0 – величина сдвига по осям координат, XС, YС – координаты центра тяжести знака, Xk, Yk – новые координаты опорных точек векторного описания, kx, ky – коэффициенты изменения шага по осям.

Таким образом, моделирование процесса растрирования состоит из следующих этапов:

1. По заданному описанию контуров знака выполняется первоначальное растрирование с шагом h и формируется массив A с битовой картой изображения.

2. Вычисляются координаты центра тяжести фигуры знака XС, YС и центров тяжести четырех участков знака, на которые последний делится прямыми, параллельными осям координат и проходящими через точку XС, YС.

3. Формируется растровая сетка с шагом HхH и формируется двумерный числовой массив В, элементам которого присваиваются значения, равные количеству пикселей изображения, попадающих в соответствующую ячейку растровой сетки.

4. Вычисляются координаты центра тяжести фигуры, получившейся в результате растрирования XP, YP и центров тяжести четырех участков знака, на которые последний делится прямыми, параллельными осям координат и проходящими через точку XP, YP.

5. Сдвигом растровой сетки HхH на величины X0 и Y0 минимизируется расстояние между центрами тяжести исходного изображения XС, YС и растрированного XP, YP.

6. Если отклонения между координатами центрами тяжести четырех частей исходного изображения и изображения после растрирования меньше заданной величины, то переход к следующему пункту, иначе по значениям отклонений вычисляются коэффициенты kx и ky, шаг растровой сетки по осям изменяется и осуществляется переход к п.4.

7. По найденным значениям X0, Y0, kx, ky, координаты опорных точек контурного описания контура знака пересчитываются по формулам (7).

Рис. 5. Блок-схема алгоритма корректировки контура шрифтового знака В третьей главе приведено описание трех алгоритмов, используемых при моделировании процесса растрирования контурных шрифтов, а также подробное описание программного модуля, позволяющего моделировать процесс растрирования контурных шрифтов и выполнять корректировку векторного описания знаков.

Первый алгоритм позволяет построить вспомогательный контур, охватывающий исходный контур знака. Он основан на определенных правилах обхода заданного контура из некоторой начальной точки по направлению движения часовой стрелки. Существенным является то, что при этом используются различия в цвете точек, принадлежащих, во-первых, заданному контуру (цвет 1), вовторых, фону (цвет 0) и вспомогательному контуру (цвет 3). Анализ цвета соседних точек позволяет определить такое направление перемещения из текущей точки вспомогательного контура, при котором гарантируется выход из так называемых «тупиковых» положений, когда текущая точка оказывается в окружении уже закрашенных точек.

Второй алгоритм является алгоритмом закрашивания многосвязной области. Предполагается, что перед закрашиванием вокруг каждого из контуров знака (с цветом 1) построен вспомогательный контур (с цветом 3). Тогда закрашивание цветом 2 области, ограниченной заданными контурами выполняется путем построчного сканирования области знака. Перед началом просмотра каждой строки специальный флаг устанавливается в состояние 0. При движении вдоль строки проверяется цвет двух соседних точек, а также состояние флага. Если это точки, принадлежащие заданному и вспомогательному контуров, и флаг имеет значение ноль, то флагу присваивается значение 1 и все встреченные в процессе движения точки фона закрашиваются цветом 2. Если встречаются соседние точки с цветом 1 и 3, но при этом флаг равен 1, значение флага заменяется на 0 и далее точки с цветом фона не закрашиваются.

Третий алгоритм – растрирование шрифтового знака, заданного описанием его контуров. Основная идея состоит в том, что параметры растровой сетки можно изменять так, чтобы искажения формы знака, связанные с дискретизацией изображения, сделать минимальными. Для этого используются, во-первых, визуализация результата растрирования, а во-вторых, вычисление числовых параметров, характеризующих степень отклонения формы растрированного знака от исходного изображения. В качестве этих параметров служат координаты центров тяжести фигуры знака и его четырех частей.

Подробно рассмотрена структура программного модуля, процесс моделирования и последующей корректировки контура шрифтового знака. Приведены наиболее показательные примеры устранения искажений при моделировании шрифтовых знаков трех тестируемых гарнитур – Arial, Korinha_CTT и Cyrillic Old.

Выполнена оценка трудоемкости предлагаемого метода. Приведено количество успешно исправленных знаков из тестовой выборки для 21 шрифтовой гарнитуры, а также процент сэкономленного времени при использовании разработанного метода по сравнению с разметкой файла шрифта вручную профессиональным шрифтовым дизайнером. Результаты экспериментов показывают высокую эффективность метода: для рубленых шрифтов, в среднем экономия времени составила 77,2% по сравнению с разметкой вручную, для шрифтов с засечками экономия времени составила в среднем 72.4%, для акцидентных шрифтов – 40,9% (рис. 6).

В приложении к диссертации приведены акты о внедрении, блок-схема алгоритма заливки контура, блок-схема алгоритма корректировки контура (рис. 5), экранная форма модуля моделирования и экранная форма модуля корректировки контура.

На рис. 7 приведены примеры устранения указанным способом трех основных видов искажений, возникающих при растрировании (нарушение симметрии, слияние штрихов, утолщение одного из штрихов).

Рис.7. Примеры устранения основных типов искажений:

а) нарушение симметрии, б) слияние штрихов, в) утолщение одного из штрихов.

Заключение диссертации содержит основные выводы, обоснования и практические рекомендации, полученные в результате исследования.

1. В работе проведен обзор и анализ известных методов корректировки контурного описания знаков.

2. Разработан метод моделирования процесса растрирования контурного знака, позволяющий выявить основные геометрические свойства изображения, получаемого в результате растрирования с различным уровнем разрешения.

3. Разработаны программные средства, реализующие основные этапы моделирования процесса растрирования.

4. Выявлены и исследованы связи между особенностями начертания шрифтового знака и возникающими в процессе растрирования искажениями.

5. Разработан метод корректировки опорных точек контура знака, обеспечивающий уменьшение искажений формы знака при его растрировании, основанный на изменении параметров растровой сетки и последующей корректировке контура знака.

6. Разработаны программные средства, реализующие указанный выше метод, на их основе получены практические результаты, подтверждающие эффективность разработанного метода.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Соломыков В.С. Способы автоматизации процесса разметки шрифтов формата TrueType при растрировании в низком разрешении. // Известия ВУЗов.

Проблемы полиграфии и издательского дела – 2012. – № 3 – c. 39-46.

2. Агеев В.Н., Соломыков В.С. Автоматизация процесса растрирования векторных шрифтов в выводных устройствах низкого разрешения. // Известия ВУЗов. Проблемы полиграфии и издательского дела – 2012. – № 6 – c. 111-116.

3. Соломыков В.С. О методике растрирования контурных шрифтов с применением корректирующих инструкций. // Полиграфист. В помощь руководителю и главному бухгалтеру. – 2012. – № 4 – c. 45-56.

4. Агеев В.Н., Соломыков В.С. Моделирование процесса растрирования векторных шрифтов в выводных устройствах низкого разрешения // Известия ТулГУ. Технические науки. – 2013 – №3 – с. 9-16.

Публикации в других изданиях:

5. Соломыков В.С., Агеев В.Н. О сложностях растрирования контурных шрифтов в низких разрешениях // Вестник МГУП. – 2011 – № 11 – с. 227Соломыков В.С., Применение алгоритмов сглаживания к шрифтам формата TrueType // Вестник МГУП. – 2012 – № 6 – с. 75-80.

7. Соломыков В.С., Современные программы для разработки и редактирования шрифтов // Сборник трудов студенческой научно-практической конференции. М.: МАТИ, 2009 – с.37-52.

8. Соломыков В.С., Анализ современных алгоритмов растеризации векторных шрифтов // Сборник тезисов научно-технической международной молоджной конференции «Системы, методы, техника и технологии обработки медиаконтента». М.: МГУП имени Ивана Федорова, 2011 – с.99.