Количество информации в картине

Критерии оценки степени совершенства и количества информации в картине.

Николай Колтовой.

Красота – понятие субъективное. Нет вещей, которые нравятся все. Но есть вещи, которые нравятся многим. В качестве одного из критериев красоты можно ввести количество людей, которым нравится данный объект.
Степень красоты – насколько нравится данный объект данному человеку. Один из способов оценки – человек проставляет баллы – насколько понравился данный объект.
Красота – понятие универсальное, и применимо к различным объектам – музыке, вещам, фигуре, картине. Синоним понятия красоты – понятие совершенства. Каждый совершенный объект – красив. Рассмотрим понятие красоты и совершенства применительно к визуальным образам, а точнее к визуальным образам, запечатленным на фотографии фотографиям минералов. Если фотография представлена не в напечатанном виде а в электронной форме (в компьютере), то используется термин изображение, а не фотография.
Один из критериев совершенства визуальных объектов – совершенство формы. Одним из проявлений совершенства формы являются кристаллы.
Рассмотрим три компонента совершенства при оценке степени совершенства фотографии минералов.
1-Совершенство минерала (определяется минералом). Совершенный образец – один из главных компонентов совершенной фотографии, но не обязательный. Из совершенного образца проще сделать совершенную фотографию. Однако из обычного образца можно сделать совершенную фотографию за счет выбора удачной композиции. Чтобы сделать хороший снимок какого-то минерала, можно сделать много снимков различных образцов данного минерала, и выбрать из них самый хороший.

2-Совершенство композиции (определяется мастерством). Чтобы выявить и подчеркнуть красоту минерала необходимо создать совершенную композицию. В понятие композиции включаются следующие понятия: выбрать правильный ракурс и точку съемки, правильная компоновка кадра, в кадре не должно быть ничего лишнего, не перегружать кадр, выбрать правильное увеличение, выбрать правильное освещение. Чтобы получить хорошую композицию, можно создать много композиций для данного образца, и выбрать из них самую удачную.
Построение композиции осуществляется следующими средствами: план, колорит, освещение, точка съемки, ракурс. Законы композиции:
-правило третей, разбивать кадр не на две, а на три части,
-правильное заполнение кадра, объект должен занимать весь кадр,
-правило диагоналей, взгляд должен двигаться в определенном направлении,
-выделение объекта: фоном, фокусом (фокус на объекте, а фон размывать), контрастом, светом.
Если один и тот же минерал фотографируют два специалиста одним и тем же фотоаппаратом, то получатся совершенно разные фотографии. Хотя они будут отличаться только композицией (объект съемки один и тот же). Фотография мастера будет производить более сильное впечатление.

3-Совершенство исполнения (определяется техническими средствами). Совершенная фотография должна удовлетворять определенным техническим характеристикам: фотография должна быть достаточно четкая, иметь высокое разрешение, иметь правильный баланс цветов, должна быть правильная цветопередача, яркость изображения должна быть в норме (нет пересвета и нет затемнения), должен быть достаточно широкий динамический диапазон яркости и цветов. Чтобы сделать хороший снимок, можно сделать много снимков с различными режимами съемки (фокус, выдержка, диафрагма), и выбрать из них самый удачный.
Чем больше опыт – тем меньшее количество снимков необходимо сделать для получения хорошего снимка. При наличии большого опыта, в идеале, хороший снимок можно получать с первого раза. Опыт позволяет сразу отобрать совершенный образец минерала, сразу выбрать удачный ракурс, и сразу выбрать оптимальный режим съемки.
4-Однако существует еще один компонент совершенства фотографии, который не передать словами, и который позволяет из многих хороших фотографий выбрать самую совершенную. Это наличие у фотографии какой то мысли, изюминки, аллегории, юмора, настроения, чувства, идеи. Фотография получается очень хорошей, если автору есть что сказать, и если ему удается передать свою мысли и чувства с помощью фотографии.

Количество информации на фотографии (форма и содержание).

Можно выделить две стороны восприятия изображения: иррациональную и рациональную.
Иррациональное восприятие – это восприятие подсознанием, чувственное восприятие. Происходит восприятие формы. Результат восприятия – нравится или не нравится. Бытовая фотография рассчитана на иррациональное, чувственное восприятие.
Рациональное восприятие – это восприятие сознанием, восприятие той информации, которая содержится на изображении. Происходит восприятие содержания. Результат восприятия – информация об объектах на изображении. Этот режим восприятия называется анализом изображения. При анализе изображения выделяются объекты на изображении,  и их взаимосвязи. Научная фотография рассчитана на рациональное восприятие.
Одна и та же фотография минерала может ничего не говорить обыкновенному человеку. В то же время она может о многом рассказать специалисту. Количество информации зависит от того, кто анализирует эту фотографии. Количество информации в фотографии минерала зависит от объема знаний об этом минерале у того, кто анализирует фотографию. Можно выделить две компоненты информации:
1-Информация, зависящая от того, кто ее изучает.
2-Информация, зависящая только от изображения, и не зависящая от того, кто его изучает.

1-Информация, зависящая от того, кто ее изучает, и с какой целью изучает.

Количество информации, получаемой специалистом при анализе изображения пропорционально объему знаний об изображенном объекте. Чем больше знаний об объекте, тем больше информации получает специалист при анализе изображения. Тем большее количество объектов и их взаимосвязей он выявляет на изображении. Тем более подробное описание он может дать в текстовом описании изображения, в текстовом комментарии.
Когда специалист делает фотографию, он ставит целью зафиксировать какой-то объект, явление, зафиксировать какую-то информацию. Если это ему удалось, то изображение содержит ту информацию, которую хотели зафиксировать. Например – задача – зафиксировать НЛО. Но после то, как изображение получено, оно начинает жить самостоятельной жизнью. Другой человек, который видит полученное изображение, не знает той цели, которая была заложена автором. Он начинает анализировать изображение на основе своих знаний и опыта.
Информация, содержащаяся в изображении, зависит от знания и опыты того, кто создавал изображение, и того, кто анализирует изображение.
Например, сросток кристаллов, прорастание одного кристалла в другом.
Неспециалисту такое изображение ни о чем не говорит. Если изображение создавал не специалист, и ему это тоже ни о чем не говорит. В этом случае он зафиксировал на изображении информацию, о которой сам не знал. Такое происходит редко. Если изображение создавал специалист, то он специально выберет такой ракурс снимка, который позволит наиболее полно передать строение и взаимное расположение кристаллов. В этом случае имеется целенаправленная фиксация информации. Но эту информацию сможет воспринять только специалист, который понимает эту информацию.
Одним из способов является текстовый комментарий к фотоснимку. Автор описывает, что изображено на фотоснимке, и какие особенности он хотел передать. Это упрощает анализ фотоснимка.

Важным аспектом анализа изображений является цель. С какой целью создается и анализируется изображение. Например, если анализируется аэрофотоснимок, то целью может быть выявление на изображении самолетов. В этом случае цель может быть достигнута (самолеты выявлены) или не достигнута (самолеты не выявлены). Если интересующие объекты выявлены – то изображение содержит необходимую информацию, если объекты не выявлены – то изображение не содержит необходимую информацию.

2-Информация, зависящая только от изображения, и не зависящая от того, кто его изучает.

Количество информации на изображении пропорционально количеству мелких деталей, различимых на изображении. Чем больше объем файла при фиксированном коэффициенте сжатия – тем больше информации на изображении.
Шумы. На изображении всегда присутствует шум. Появление шума может быть вызвано разными причинами. Шум на объекте, шум, вызванный бликами или пылинками на объекте. Шум в оптическом тракте (пылинки на объективе и светофильтрах). Шум ПЗС матрицы при фиксации изображения. Шумы на объекте и в оптическом тракте можно устранить. Шум ПЗС матрицы устранить нельзя, и необходимо использовать специальные меры для подавления этого шума на изображении. Основной способ подавления шума – фильтрация. В зависимости от характеристик шума выбирается фильтр, которые максимально подавляет шум и минимально искажает изображение объекта.
Основной вид шума, создаваемого ПЗС матрицей – высокочастотный шум. На ПЗС матрице имеется два типа дефектных элементов – горячие пикселы – которые всегда выдают максимальное значение сигнала, и выбитые пикселы – которые всегда выдают минимальное значение сигнала. На изображении эти пикселы видны в виде белых и черных точек соответственно. Эти шумы устраняются с помощью медианного фильтра радиуса 3. При этом четкость границ объектов не уменьшается, не происходит размывания границ.
Для каждого изображения можно определить минимальный размер объекта, который является информативным, характерный размер. Все что имеет меньший размер – является шумом, и необходимо убрать с помощью фильтра (медианного или сглаживания. В этом случае при сжатии существенно уменьшится размер изображения без потери информации.
Фильтрацию изображения можно производить в частотной области. Делается преобразование Фурье исходного изображения, обнуляются высокочастотные коэффициенты, и делается обратное преобразование Фурье. В полученном изображении будет отсутствовать высокочастотная составляющая, которая, как правило, является шумом.
Если из исходного изображения вычесть сглаженное изображение, то останутся только шумы. Таким образом можно оценить величину шума.
Всегда перед анализом изображения необходимо удалять шумы. Если сжимать изображение с шумами, то сжатое изображение будет иметь большой объем. Если сжимать изображение после удаления шумов (после фильтрации), то изображение будет иметь гораздо меньший объем. Количество информации на изображении пропорционально объему изображения при сжатии после фильтрации.

Изменение количества информации при обработке изображений.

При повышении резкости (четкости) количество информации возрастает.
При увеличении поля зрения количество информации практически не изменяется. При увеличении поля зрения на изображении появляются новые объекты (информация возрастает), но при этом ухудшается резкость мелких объектов (информация уменьшается). Суммарную информацию на изображении можно представить как сумму (по всем объектам на изображении) информации о каждом объекте I=(I1+I2+…+IN), где IJ-количество информации об объекте с номером J, N-количество объектов на изображении. При добавлении новых объектов на изображении количество информации возрастает. При удалении некоторых объектов на изображении количество информации уменьшается.

Свойства информации:

-Если на изображении нет объектов – то количество информации равно нулю.
-Информация, содержащаяся в двух изображениях равна сумме информаций, содержащихся в каждом изображении.
-Если изображение содержит однородный фон, то он не содержит информации.
-Если увеличить или уменьшить изображение за счет фона, то количество информации не изменится. При изменении площади фона количество информации не изменяется. Структура фона (цвет, яркость, текстура) влияет только на восприятие, но не изменяет количество информации.
-Если изображение увеличить в два раза (растянуть) за счет дублирования строк и столбцов – то количество информации не изменится. Вне зависимости от размера изображения можно определить истинный информационный размер изображения. Он соответствует наибольшей пространственной частоте в Фурье спектре изображения. Например, если максимальная частота равняется одной четвертой от размера изображении, то изображение можно сжать в четыре раза без потери информации.
-Операции над яркостью (преобразование гистограммы) не изменяют количество информации.

Каждое изображение характеризуется следующими параметрами:
-размер изображения в пикселях, число строк и столбцов,
-число точек на дюйм, dpi,
-размер изображения в сантиметрах.
Исходным параметром является размер изображения в пикселах. Задавая различное значение dpi получим различный размер изображения при печати.
Количество информации зависит только от размера изображения в пикселах, и не зависит от размера изображения в сантиметрах. Если распечатать изображение на большом листе, то от этого количество информации на нем не изменится. Чем больше размер изображения в пикселах – тем больше информации в нем содержится.
Размер изображения в пикселах определяется возможностями цифрового аппарата. Чем более современный и дорогой цифровой фотоаппарат – тем больше светочувствительных элементов в матрице ПЗС, с помощью которой он фиксирует изображение. При фотографировании необходимо выставлять максимальный размер изображения, который реализуется данным фотоаппаратом. Стандартная ошибка – современным цифровым фотоаппаратом производят фотографирование, а размер изображения выставлен на среднее, а не на максимальное, значение.
Другой параметр, который выставляется в цифровом фотоаппарате – степень сжатия изображения. Чем сильнее сжатие – тем ниже качество получаемого изображения, и тем меньше информации остается на изображении. Однако зависимость качества сжатого изображения от степени сжатия нелинейная. Можно достаточно сильно сжимать изображение без видимого ухудшения качества. Дело в том, что если изображение имеет большой размер, большое число строк и столбцов, то глаз не может оценить тонкую структуру изображения. И если при сжатии эта тонкая структура пропадет, то глаз этого не заметит.
Сжимать изображение возможно двумя способами – в фотоаппарате при съемке, и программно при обработке. Теоретически необходимо снимать с максимальным качеством и минимальным сжатием, а при обработке определять допустимый предел сжатия. Но на самом деле достаточно снимать с максимальным качеством с средней степенью сжатия, та как при этом практически не происходит потери информации.
Можно построить кривую – количество информации в зависимости от степени сжатия. Эта зависимость не является линейной. Вначале при сжатии количество информации уменьшается слабо, затем, при некотором коэффициенте сжатия происходит сильная потеря информации. При степени сжатия от 0 до 5 количество информации практически не уменьшается. Резкое падение количества информации происходит при степени сжатия около 7.

Динамика в статике.
Статическое изображение на самом деле является моментом в каком-то динамическом процессе. Статическое изображение кристалла является одним из моментов в динамике роста кристалла. Если в статике удается показать динамику – это высший пилотаж.

Методы улучшения восприятия.

Изображение содержит много информации, и путем различных преобразований изображения можно выделить ту информацию, те объекты, которые в данный момент представляют интерес.
Основное метод улучшения восприятия изображение – преобразование гистограммы (изменение яркости и контрастности изображения). На различных устройствах отображения изображения (телевизор, дисплей компьютера) регулировки яркости и контрастности являются основными регулировками при настройке изображения. Метод преобразования гистограммы основан на согласовании динамического диапазона яркостей отображаемого изображения с динамическим диапазоном восприятия глазом. Если изображение слишком темное (гистограмма сдвинута влево) или слишком яркое (гистограмма сдвинута вправо), то это не является оптимальным для восприятия. Оптимальным для восприятия является случай, когда гистограмма расположено по центру. Это общее правило, однако бывают исключения. Например, если необходимо подчеркнуть (выделить) светлые объекты на светлом фоне, то гистограмма сдвигается влево, и изображение принудительно делается более темным. Если необходимо подчеркнуть (выделить) темные объекты на темном фоне, то гистограмма сдвигается вправо, и изображение принудительно делается более светлым. Более общее правило состоит в том, что на гистограмме выделяется диапазон яркостей, в котором находится объект, и данный диапазон растягивается на весь отображаемый диапазон.
Второй метод улучшения восприятия – регулировка цветового баланса. При автоматической балансировке цветов гистограммы всех три компонент (красный, синий, зеленый) центрируются (гистограммы преобразуются так, что среднее значение находится в центре). Но это правило применимо не всегда, иногда приходится корректировать цвета в ручном режиме.
Третий метод – повышение резкости с помощью специальных фильтров. Данный метод необратимо искажает изображение, но визуально восприятие изображения улучшается, если изображение боле резкое.