Determination of the effect of noise on the image using software

Full Text

Введение

В ходе практической исследовательской работы, опираясь на статьи схожей тематики, представленные в журнале «Физика волновых процессов и радиотехнические системы», было определено влияние помех на изображения разных цветов по модели RGB [1]. Получены числовые значения сигнал/шум (дБ) при изменении уровня этой помехи по формуле:

$S=20\text{\hspace{0.17em}Lg}(U_{\text{с}}/U_{\text{ш}}).$ (1)

Пример расчета по формуле: если взять красный цвет со значением основных компонент (R, G, B), равным 246, 0, 0, то по формуле выше получаем $S=20\text{\hspace{0.17em}Lg}(246/1),$ при значении помехи, равном единице. Отсюда $S=\mathrm{47,82}$ дБ для чисто красного цвета.

Для анализа было выбрано несколько основных и несколько второстепенных цветов. На каждом этапе работы увеличивался уровень помехи, вплоть до максимального, равного 246, и производился анализ отношения сигнал/шум, а также фактическое сравнение изображения, подверженного помехе, с оригиналом.

1. Функционал программы

Программа позволяет добавить до 10 линий цветов (рис. 1) для дальнейшего изучения влияния помех на них. Происходит это путем указания координат основных цветов в системе RGB.

 

Рис. 1. Добавление линии цвета путем выставления его координат по модели RGB / Fig. 1. Adding a color line by setting its coordinates according to the RGB model

 

Функционал данного ПО позволяет путем изменения уровня влияния помех на изображения добиться наглядного представления о нем (рис. 2), а также получить числовые значения отношения сигнал/шум (дБ).

 

Рис. 2. Процесс отрисовки изображения, подверженного среднему уровню помехи, для наглядного сравнения с оригиналом / Fig. 2. The process of rendering an image subject to an average level of interference, for visual comparison with the original

 

2. Влияния помех на изображения разных цветов

Для получения точных данных о степени влияния помехи на изображение в программе предусмотрено поле с данными отношения сигнал/шум в дБ. Благодаря этим значениям можно получить представление об уровне искажения оригинала изображения каждого конкретного цвета, что, в свою очередь, дает более полную картину о степени влияния помехи.

В качестве основных цветов для анализа были выбраны следующие: красный, зеленый, синий, белый, черный и желтый, а также несколько вспомогательных [2].

Из рис. 3 видно, что при минимальном уровне помехи изображения разных цветов практически не подвержены искажениям, кроме двух последних. Значение сигнал/шум у основных компонент (R, G, B) для каждой цветовой линии имеет около 50 % от первоначального (при наличии самой минимальной помехи).

 

Рис. 3. Влияние помехи на изображение с уровнем, равным 15 / Fig. 3. Effect of interference on the image with a level, equal to 15

 

На рис. 4, б можно видеть различимое влияние помехи на изображения сразу двух основных цветов – синего и черного. Воздействие помехи нельзя назвать критическим, но оно вполне различимо для обычного наблюдателя. Значение сигнал/шум у основных компонент (R, G, B) для каждой цветовой линии имеет около 35 % от первоначального (при наличии самой минимальной помехи).

 

Рис. 4. Увеличение уровня помехи до 35 и влияние на изображения (а); детальное сравнение изображений с оригиналом (б) / Fig. 4. Increasing the noise level up to 35 and the effect on the images (a); detailed comparison of images with the original (b)

 

На рис. 5 можно видеть закономерное ухудшение качества изображений, описанных ранее, вследствие увеличения воздействия помехи. Здесь также можно отметить начало пагубных влияний на изображение красного цвета. Значение сигнал/шум у основных компонент (R, G, B) для каждой цветовой линии имеет около 25 % от первоначального (при наличии самой минимальной помехи).

 

Рис. 5. Влияние помехи с уровнем, равным 65 / Fig. 5. Influence of interference with level, equal to 65

 

Как видно на рис. 6, изображение красного цвета изменилось в значительной мере, а также влияние помехи теперь можно наблюдать и на зеленом цвете. Белый и желтый цвета в большей степени не искажаются, а все остальные цвета – наоборот, изменяются все больше и больше. Значение сигнал/шум у основных компонент (R, G, B) для каждой цветовой линии имеет 15 % от первоначального (при наличии самой минимальной помехи).

 

Рис. 6. Подверженное влиянию помехи изображение на уровне 105 / Fig. 6. Interference-affected image at level 105

 

Исходя из рис. 7, б, можно сделать вывод о начале заметного влияния помехи на изображение желтого цвета, ну и, конечно, серьезному ухудшению качества всех остальных цветов. Основные составляющие (R, G, B) для каждой цветовой линии имеют менее 5 % от первоначального (при наличии самой минимальной помехи) значения сигнал/шум.

 

Рис. 7. Подверженное влиянию помехи изображение: а – на уровне 155; б – на уровне 195 / Fig. 7. Image affected by noise: a – at level 155; b – at level 195

 

На рис. 8 отчетливо видна разница между исходным изображением и оригиналом, все цвета подверглись значительной деформации и не могут в должной мере способствовать передаче информации. Для всех представленных цветов шум превышает или равен значению сигнала.

 

Рис. 8. Подверженное влиянию помехи изображение на максимальном уровне, равном 246, в сравнении с исходным / Fig. 8. Interference-affected image at maximum level of 246 compared to original

 

Заключение

Применяя указанную во введении, формулу $(S=20\text{\hspace{0.17em}Lg}(U_{\text{с}}/U_{\text{ш}}\left)\right)$ для каждого уровня помехи и каждой линии цвета были получены точные данные об отношении сигнал/шум (дБ). На основании этих данных построены графики зависимостей отношения сигнал/шум (дБ) трех основных цветов от уровня помех и различимости цвета на экране (для стандартного наблюдателя) от уровня помех [3].

Пользуясь данными, занесенными в таблицу 1, получен график зависимости для наглядного представления (на рис. 9).

 

Таблица 1. Соотношения уровня помехи и значения сигнал/шум (%) / Table 1. Interference level and signal-to-noise ratios (%)

Величина помехи	Уровень сигнал/шум (%)
1	99
2	85
3	80
4	73
5	69
7	62
10	56
15	50
35	35
65	25
105	15
155	9
195	4
245	0,1

 

Рис. 9. График зависимости отношения сигнал/шум (дБ) трех основных цветов от уровня помех / Fig. 9. Graph of the signal-to-noise ratio (dB) of the three primary colors on the level of interference

 

В результате работы была определена степень влияния помех на изображения разных цветов по модели RGB. Полученные числовые значения сигнал/шум (дБ) при изменении уровня этой помехи, а также непосредственный анализ стандартного наблюдателя дают понять, что для каждого цвета существует свое критическое значение уровня помехи [4].

При использовании данных, занесенных в таблицу 2, получен график зависимости на рис. 10.

 

Таблица 2. Соотношения уровня помехи визуального отличия цветов на экране (%) / Table 2. Ratios of the interference level of the visual difference of colors on the screen (%)

Величина помехи	Red	Green	Blue	White	Black
1	100	100	100	100	100
2	100	100	100	100	100
3	100	100	100	100	100
4	100	100	100	100	100
5	100	100	100	100	100
7	100	100	100	100	100
10	100	100	100	100	95
15	100	100	95	100	90
35	95	100	90	100	85
65	80	95	75	100	70
105	70	90	60	100	58
155	60	80	50	100	45
195	40	50	30	100	25
245	10	15	5	100	5

 

Рис. 10. График зависимости различимости цвета на экране (для стандартного наблюдателя) от уровня помех / Fig. 10. Graph of the dependence of color visibility on the screen (for a standard observer) on the level of interference

About the authors

Danil L. Myasnikov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: danil1232011@mail.ru

master student

Russian Federation, 23, L. Tolstoy Street, Samara, 443010

Leonid D. Lozhkin

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: leon.lozhkin@yandex.ru

Doctor of Technical Sciences, professor of the Department of Radio Electronic Systems

Russian Federation, 23, L. Tolstoy Street, Samara, 443010

Yulia V. Sokolova

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Author for correspondence.
Email: ula.81.81@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2873-8675

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, associate professor of the Department of Radio Electronic Systems

Russian Federation, 23, L. Tolstoy Street, Samara, 443010

References

Supplementary files