Масштабирование изображения

Масштаби́рование изображения — изменение размера изображения с сохранением пропорций. Под масштабированием подразумевается как увеличение («апскейлинг» от англ. upscaling), так и уменьшение («даунскейлинг», англ. downscaling) разрешения изображения. Широко применяется в компьютерной графике, обработке видео, в частности, реализуется на аппаратном уровне в телевизорах и видеопроигрывателях.

При этом, в зависимости от типа графики (растровая, векторная), масштабирование производится разными алгоритмами. Масштабирование векторных изображений происходит без потерь качества изображения, при увеличении растровых может происходить потеря качества изображения: возможны существенные искажения геометрии мелких деталей и появление ложных узоров на текстурах. Поэтому при масштабировании растровых изображений используются специализированные алгоритмы, сглаживающие нежелательные эффекты.

Методы масштабирования

Размер изображения может быть изменён несколькими способами. Простейшим способом удвоения разрешения является метод копирования ближайшего пиксела, заменяющий каждый пиксель четырьмя пикселями того же цвета, при этом изображение, сохраняя детали оригинала, приобретает нежелательный «лестничный эффект». Этот же способ может быть применён для более тонких изменений разрешения, например, для масштаба 99 % или 101 % соответственно убирают или дублируют каждую сотую точку.

Метод билинейной интерполяции обеспечивает некоторое сохранение гладкости контуров рисунка, но иногда вызывает нежелательные эффекты сглаживания деталей и всё равно порождает довольно заметный «эффект лестницы». Более совершенным методом является использование бикубической интерполяции.

Для увеличения малоцветных изображений в малом разрешении лучше всего подходят специальные алгоритмы, разработанные для растровой графики, позволяющие при незначительных искажениях точности прорисовки форм сохранить и подчеркнуть чёткие контуры и мелкие детали. Также существуют сглаживающие алгоритмы, подходящие для обработки фотографий и многоцветных растровых изображений с эффектом лесенки, объединяемые под наименованием «методов сверхмасштаба» (англ. supersampling).

Сравнение

В таблице приведено сравнение алгоритмов масштабирования, выполненных с помощью свободно распространяемой программы [code.google.com/p/2dimagefilter/ 2dimagefilter].

Алгоритм	Изображение
(Исходные изображения)
Super-xBR 4x
Eagle 3x
hq3x
Scale 3x
XBR 3x
SuperEagle
SuperSaI
SaI 2x
Scale 2x

Использование в эмуляторах игровых консолей

Благодаря мощной аппаратной составляющей современных компьютеров возможно использование алгоритмов масштабирования изображений в реальном времени для видеоигр. Высокооптимизированные алгоритмы дают чёткую и детальную картинку при минимальном эффекте размытия, при этом не требуют значительных ресурсов системы. Они используются во многих эмуляторах игровых приставок, таких как HqMAME, DOSBox и ScummVM.

Алгоритмы масштабирования изображений применяются в коммерческих эмуляторах Xbox Live, Virtual Console и PlayStation Network и позволяют геймерам, поклонникам игр 80-х и 90-х годов, созданных в низком разрешении, получать новый игровой опыт на HD-экранах. Такие алгоритмы используются в Sonic's Ultimate Genesis Collection, Castlevania: The Dracula X Chronicles, Castlevania: Symphony of the Night и Akumajō Dracula X Chi no Rondo.

Проблемы масштабирования изображений

При апскейлинге изображений наиболее частой проблемой становится эффект «зубчатости», для устранения которого используются алгоритмы сглаживания. В этом случае пиксели, соседние с граничным пикселем изображения, принимают промежуточное значение между цветом изображения и цветом фона, создавая градиент и размывая границу.

См. также

• Алгоритмы масштабирования пиксельной графики
• Изображение
• Компьютерная графика
• Растровая графика
• Мультимедиа
• Обработка изображений
• Цифровое видео
• Разрешение
• Соотношение сторон экрана
• Сегментация (обработка изображений)
• Сглаживание
• Хинтинг
• Реконструкционный фильтр

Литература

• Маркелов К. С. [engbul.bmstu.ru/file/out/607613 Модель повышения информативности цифровых изображений на базе метода суперразрешения] // Инженерный вестник. — МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2013. — № 03.
• Freedman, Gilad and Fattal, Raanan [www.cs.huji.ac.il/~raananf/projects/lss_upscale/paper.pdf Image and Video Upscaling from Local Self-examples] (англ.) // ACM Trans. Graph.. — 2011. — Vol. 30, no. 2. — P. 12:1--12:11. — DOI:10.1145/1944846.1944852.
• Kopf, Johannes and Lischinski, Dani [research.microsoft.com/en-us/um/people/kopf/pixelart/paper/pixel.pdf Depixelizing Pixel Art] (англ.) // ACM Trans. Graph.. — 2011. — Vol. 30, no. 4. — P. 99:1--99:8. — DOI:10.1145/2010324.1964994.
• Giachetti, Andrea and Asuni, Nicola [dx.doi.org/ Real-Time Artifact-Free Image Upscaling] (англ.) // Trans. Img. Proc.. — 2011. — Vol. 20, no. 10. — P. 2760--2768. — DOI:10.1109/TIP.2011.2136352.

Ссылки

• [code.google.com/p/2dimagefilter/ 2D-Image and Texture Filter] Бесплатная программа на code.google.com, включающая подборку фильтров изображения для увеличения масштаба A collection of image filters, some especially suited to scale-up low res computer graphics.

including Hqnx-family, SaI, Eagle, EPX, XBR, XBRz, Lanczos, etc.

• Sebastian Anthony. [extremetech.com/gaming/84040-depixelizing-pixel-art-upscaling-retro-8bit-games Depixelizing Pixel Art: Upscaling Retro 8-bit Games], ExtremeTech, May 24, 2011
• [hqmame.sourceforge.net/ScalerTest.zip xBRZ Scaler Comparison and Testing Tool] на SourceForge
• [github.com/Treeki/libxbr-standalone C Library implementing the xBR pixel art scaling algorithm] на GitHub
• [github.com/avaneev/avir AVIR image resizing algorithm] на GitHub

Отрывок, характеризующий Масштабирование изображения

Если допустить, как то делают историки, что великие люди ведут человечество к достижению известных целей, состоящих или в величии России или Франции, или в равновесии Европы, или в разнесении идей революции, или в общем прогрессе, или в чем бы то ни было, то невозможно объяснить явлений истории без понятий о случае и о гении.
Если цель европейских войн начала нынешнего столетия состояла в величии России, то эта цель могла быть достигнута без всех предшествовавших войн и без нашествия. Если цель – величие Франции, то эта цель могла быть достигнута и без революции, и без империи. Если цель – распространение идей, то книгопечатание исполнило бы это гораздо лучше, чем солдаты. Если цель – прогресс цивилизации, то весьма легко предположить, что, кроме истребления людей и их богатств, есть другие более целесообразные пути для распространения цивилизации.
Почему же это случилось так, а не иначе?
Потому что это так случилось. «Случай сделал положение; гений воспользовался им», – говорит история.
Но что такое случай? Что такое гений?
Слова случай и гений не обозначают ничего действительно существующего и потому не могут быть определены. Слова эти только обозначают известную степень понимания явлений. Я не знаю, почему происходит такое то явление; думаю, что не могу знать; потому не хочу знать и говорю: случай. Я вижу силу, производящую несоразмерное с общечеловеческими свойствами действие; не понимаю, почему это происходит, и говорю: гений.
Для стада баранов тот баран, который каждый вечер отгоняется овчаром в особый денник к корму и становится вдвое толще других, должен казаться гением. И то обстоятельство, что каждый вечер именно этот самый баран попадает не в общую овчарню, а в особый денник к овсу, и что этот, именно этот самый баран, облитый жиром, убивается на мясо, должно представляться поразительным соединением гениальности с целым рядом необычайных случайностей.
Но баранам стоит только перестать думать, что все, что делается с ними, происходит только для достижения их бараньих целей; стоит допустить, что происходящие с ними события могут иметь и непонятные для них цели, – и они тотчас же увидят единство, последовательность в том, что происходит с откармливаемым бараном. Ежели они и не будут знать, для какой цели он откармливался, то, по крайней мере, они будут знать, что все случившееся с бараном случилось не нечаянно, и им уже не будет нужды в понятии ни о случае, ни о гении.
Только отрешившись от знаний близкой, понятной цели и признав, что конечная цель нам недоступна, мы увидим последовательность и целесообразность в жизни исторических лиц; нам откроется причина того несоразмерного с общечеловеческими свойствами действия, которое они производят, и не нужны будут нам слова случай и гений.
Стоит только признать, что цель волнений европейских народов нам неизвестна, а известны только факты, состоящие в убийствах, сначала во Франции, потом в Италии, в Африке, в Пруссии, в Австрии, в Испании, в России, и что движения с запада на восток и с востока на запад составляют сущность и цель этих событий, и нам не только не нужно будет видеть исключительность и гениальность в характерах Наполеона и Александра, но нельзя будет представить себе эти лица иначе, как такими же людьми, как и все остальные; и не только не нужно будет объяснять случайностию тех мелких событий, которые сделали этих людей тем, чем они были, но будет ясно, что все эти мелкие события были необходимы.
Отрешившись от знания конечной цели, мы ясно поймем, что точно так же, как ни к одному растению нельзя придумать других, более соответственных ему, цвета и семени, чем те, которые оно производит, точно так же невозможно придумать других двух людей, со всем их прошедшим, которое соответствовало бы до такой степени, до таких мельчайших подробностей тому назначению, которое им предлежало исполнить.


Основной, существенный смысл европейских событий начала нынешнего столетия есть воинственное движение масс европейских народов с запада на восток и потом с востока на запад. Первым зачинщиком этого движения было движение с запада на восток. Для того чтобы народы запада могли совершить то воинственное движение до Москвы, которое они совершили, необходимо было: 1) чтобы они сложились в воинственную группу такой величины, которая была бы в состоянии вынести столкновение с воинственной группой востока; 2) чтобы они отрешились от всех установившихся преданий и привычек и 3) чтобы, совершая свое воинственное движение, они имели во главе своей человека, который, и для себя и для них, мог бы оправдывать имеющие совершиться обманы, грабежи и убийства, которые сопутствовали этому движению.
И начиная с французской революции разрушается старая, недостаточно великая группа; уничтожаются старые привычки и предания; вырабатываются, шаг за шагом, группа новых размеров, новые привычки и предания, и приготовляется тот человек, который должен стоять во главе будущего движения и нести на себе всю ответственность имеющего совершиться.
Человек без убеждений, без привычек, без преданий, без имени, даже не француз, самыми, кажется, странными случайностями продвигается между всеми волнующими Францию партиями и, не приставая ни к одной из них, выносится на заметное место.
Невежество сотоварищей, слабость и ничтожество противников, искренность лжи и блестящая и самоуверенная ограниченность этого человека выдвигают его во главу армии. Блестящий состав солдат итальянской армии, нежелание драться противников, ребяческая дерзость и самоуверенность приобретают ему военную славу. Бесчисленное количество так называемых случайностей сопутствует ему везде. Немилость, в которую он впадает у правителей Франции, служит ему в пользу. Попытки его изменить предназначенный ему путь не удаются: его не принимают на службу в Россию, и не удается ему определение в Турцию. Во время войн в Италии он несколько раз находится на краю гибели и всякий раз спасается неожиданным образом. Русские войска, те самые, которые могут разрушить его славу, по разным дипломатическим соображениям, не вступают в Европу до тех пор, пока он там.
По возвращении из Италии он находит правительство в Париже в том процессе разложения, в котором люди, попадающие в это правительство, неизбежно стираются и уничтожаются. И сам собой для него является выход из этого опасного положения, состоящий в бессмысленной, беспричинной экспедиции в Африку. Опять те же так называемые случайности сопутствуют ему. Неприступная Мальта сдается без выстрела; самые неосторожные распоряжения увенчиваются успехом. Неприятельский флот, который не пропустит после ни одной лодки, пропускает целую армию. В Африке над безоружными почти жителями совершается целый ряд злодеяний. И люди, совершающие злодеяния эти, и в особенности их руководитель, уверяют себя, что это прекрасно, что это слава, что это похоже на Кесаря и Александра Македонского и что это хорошо.