Cyfrowe techniki pomiaru dla potrzeb filatelistycznych

Dzisiaj pragniemy przedstawić tekst przesłany nam do publikacji w ramach konkursu na najciekawsze publikacje filatelistyczne. Tekst ten dotyczy zastosowania technik komputerowych w badaniach filatelistycznych i jest jednocześnie pierwszym tego typu opublikowanym na naszej stronie.

Zachęcamy do zapoznania się z nim. Zapraszamy pt. Czytelników do podzielenia się z nami Waszymi doświadczeniami ze stosowania cyfrowych technik w badaniach filatelistycznych. To ważne zagadnienia, bowiem dotyczą warsztatu filatelistycznego, który co raz częściej będzie bazował na najnowszych technologiach.

Filatelistyka jako przedmiot zainteresowań związanych z kolekcjonowaniem znaków pocztowych czerpie również rozwiązania stosowane na co dzień w innych dziedzinach nie związanych z kolekcjonerstwem. Niejedna z osób zajmujących się filatelistyką, spotkała się z potrzebą dokładnego wykonania pomiarów pewnych cech znaku pocztowego, czy to w celu ustalenia faktycznego rozmiaru rysunku na tymże znaku, cech charakterystycznych nadruku (dla niektórych wydań czynność niezbędna przy ustalaniu pozycji w arkuszu), bądź też nawet ustalenia dokładnej miary ząbkowania (szczególnie gdy jego miara waha się na granicy pomiędzy sąsiadującymi zakresami). Dziedziną, w której już od dłuższego czasu stosuje się oprogramowanie pozwalające na przeprowadzeniu cyfrowych pomiarów treści zawartych na obrazach rastrowych, potocznie nazywanych „skanami”, jest geodezja. Niniejszy artykuł ma na celu przybliżenie tego zagadnienia oraz pokazać praktycznie przyjęcie gotowych rozwiązań dla potrzeb filatelistyki.

Klasyczne pomiary dokonuje się za pomocą wszelakich precyzyjnych przyrządów pomiarowych: przymiarów liniowych, lup optycznych z podziałką, suwmiarek itp. Wszystkie te metody pomiaru są obarczone błędem wykonania (precyzji) przymiaru, przyłożenia przymiaru, błędem odczytu, a także własnym indywidualnym sposobem spostrzegania (ostrość widzenia).
Zastosowanie cyfrowej metody pomiaru pozwala wyeliminować dużą część tych nakładających się błędów, choć powstają nowe, które jednak możemy starać się skorygować poprzez zastosowanie odpowiednich technik.
Do wykonania pomiarów za pomocą oprogramowania komputerowego będziemy potrzebować :

• dobrej jakości cyfrowego obrazu obiektu filatelistycznego, na którym mamy dokonać pomiaru (w dalszej części Autor będzie używał potocznie przyjętego słowa "skanu"),
• odpowiedniego oprogramowania do przeprowadzenia kalibracji skanu, a następnie wykonania pomiarów.

Dobrej jakości skan  powinien posiadać min. rozdzielczość rzeczywistą (optyczną) min. 400 dpi, podczas jego wykonywania za pomocą urządzenia skanującego powinniśmy dążyć do takiego ustawienia parametrów skanowania, aby uzyskać czytelność treści przybliżoną do oryginału. Parametry te dobieramy indywidualnie dla każdego skanera, nie ma możliwości ustalenia dokładnych uniwersalnych wartości : balansu bieli, wyostrzenia itp.,  gdyż każdy z nich ma inną czułość skanowania. Obraz tego samego waloru zeskanowany na różnych skanerach będzie wyglądał inaczej. Takie cechy jak : barwa, jej odcień w przypadku wykonywania pomiarów są pomijalne. Skan musi być wyraźny i w miarę możliwości zachowywać właściwe proporcje oryginału.
Oprogramowanie do kalibracji skanu, czyli mówiąc w dużym skrócie - „dostosowanie metodą matematycznej transformacji cyfrowego obrazu do układu współrzędnych prostokątnych płaskich”, wykorzystywane jest m.in. w geodezji. Do takich programów należą np. C-Geo, AutoCadMap, Geodeska oraz wiele innych. Pozwalają one na takie wpasowanie skanu w układ współrzędnych, aby przeprowadzane przy ich pomocy pomiary odzwierciedlały faktyczną odległość pomiędzy elementami mierzonymi. W geodezji przeprowadzenie procesu kalibracji jest trochę bardziej skomplikowaną czynnością, gdyż mamy tam do czynienia z różnego rodzaju układami współrzędnych opartych na różnych odwzorowaniach. Płaski obraz mapy w dużym uproszczeniu można nazwać matematycznym obrazem części powierzchni bryły przestrzennej zwanej geoidą. Jednak w przypadku pomiarów dla potrzeb filatelistycznych te wszystkie zawiłości można pominąć, gdyż interesuje nas dwuwymiarowy obraz obiektu filatelistycznego.  Z tego samego względu przy kalibracji skanu nie będę opisywał różnych metod transformacji matematycznych, dla wyżej wymienionych celów wystarczy w zupełności najprostsza metoda, która ogólnikowo mówiąc pozwala nam na nadaniu kartometryczności badanego skanu, czyli usunięcia jego zniekształceń geometrycznych.    
Każdy obraz  dysponuje własnym układem współrzędnym złożonym z pikseli, wynikającym z jego cyfrowej organizacji zapisu w wiersze i kolumny.
W celu prawidłowego przeprowadzeniu kalibracji obrazu cyfrowego należy dysponować punktami charakterystycznymi dalej zwanymi punktami wpasowania, których wzajemne położenie pomiędzy nimi jest nam znane i jest ono stałe. Stanowią one bazę do prawidłowego wpasowania skanu.
Proces kalibracji polega na takim przetworzeniu skanu, aby osie układu pikselowego stały się równoległe do osi układu współrzędnych prostokątnych płaskich określonego przez punkty wpasowania.
W przypadku gdy rozmiar rysunku znaczka jest nam znany, a jego krawędzie są wyraźne, mogą one  stanowić punkty wpasowania. Należy pamiętać, że papier, niezależnie od  jego gatunku i grubości, kurczy się i rozszerza pod wpływem wahań temperatury i wilgotności. Na skutek tych zmian występują deformacje wydrukowanego na nim obrazu. W tym przypadku (pod warunkiem, że jesteśmy pewni rozmiarów rysunku znaczka) eliminuje się automatycznie błąd skurczu papieru przy przetwarzanym obrazie.
Jeżeli nie dysponujemy żadnymi punktami mogącymi pełnić taką rolę, ich funkcję może przejąć zeskanowana razem z obrazem wcześniej wydrukowana siatka krzyży, których rozłożenie pomiędzy sobą jest stałe i wynosi pewną, określoną wartość np. co 10 cm w pionie i poziomie. Wówczas punktami dostosowania staną się miejsca określone przez przecinające się linie krzyży.

Rys.1 – Skan z zastosowaną siatką krzyży

Poniżej zaprezentuję przykład pomiaru cech charakterystycznych rozmieszczenia elementów nadruku na znaczku Fi 388,  z wykorzystaniem jego znanych wymiarów rysunku znaczka.
Wymiary określające jego długość i szerokość rysunku zaczerpnięto z artykułu zamieszczonego w czasopiśmie „Filatelistyka” nr 6 z 1999 roku p.t. „Fałszerstwa nadruków na znaczkach serii ‘Warszawa Wolna’ z  1946 roku, nr kat. 388-393” którego autorami są : Mariusz Kalinowski, Lesław Schmutz, str.317.
Z powyższego artykułu zaczerpnięto również sposób pomiaru pozwalający określić na podstawie charakterystycznych przesunięć względem siebie poszczególnych wierszy nadruku, pozycję znaczka w arkuszu. Do wykonania wszystkich poniższych czynności wykorzystam oprogramowanie Autodesk Map 3D.

Pierwszą czynnością jest narysowania prostokąta o wymiarach równych rysunkowi znaczka, a więc 44,6 mm na 27,8 mm, przyjmujemy, że stosowaną przez nas jednostką podstawową będzie 1 mm.

 Rys.2 – Prostokąt  o wymiarach równych rysunkowi znaczka Fi 388

Następnym krokiem jest wczytanie skanu znaczka na którym mamy przeprowadzić pomiary oraz za pomocą dostępnego w tym oprogramowaniu narzędzia - Naciąganie wykonać prostą kalibrację. Za pomocą tej funkcji, poprzez wskazanie programowi które punkty skanu (w naszym przypadku będą to narożniki rysunku znaczka) ma dostosować do zadanych parametrów (tutaj naroża wcześniej narysowanego prostokąta).

 Rys.3 – Graficzne przedstawienie czynności jaką wykona program przy wykorzystaniu funkcji – Naciąganie

  Rys.4 – Widok skalibrowanego skanu znaczka

Po przeprowadzeniu powyższych czynności dysponujemy już skalibrowanym obrazem, na którym można dokonywać bezpośrednich pomiarów z wykorzystaniem funkcji jakie oferuje nam oprogramowanie. Programy geodezyjne oferują nam cały wachlarz dodatkowych ułatwień stosowanych podczas prac związanych z wektoryzacją, czyli krótko mówiąc rysowaniem obiektów punktowych, wektorowych (linie) i poligonów (powierzchnie zamknięte). Akurat na tym przykładzie będzie potrzeba włączenia funkcji przyciągania prostopadłego. Rysujemy prostą linię wyznaczoną przez dolne krawędzie czwartego wiersza nadruku (zgodnie z wcześniej opisanym przeprowadzeniem sposobu pomiaru), a następnie przy wykorzystaniu włączonej w/w funkcji rysujemy pięć prostych prostopadłych do niej. W tym przypadku wystarczy tylko zaczepić każdą z nich do punktu który chcemy zrzutować na prostą i przeciągnąć do tej prostej, program automatycznie rysuje te dodatkowe linie prostopadle do zadanej prostej wyjściowej.   

Rys.5 – Obraz po narysowaniu prostych pozwalających dokonać pomiarów

Teraz tylko za pomocą narzędzia - Odległość wystarczy pomierzyć otrzymane wartości pomiędzy końcówkami narysowanych prostych. Wykorzystujemy funkcję przyciągania do końca linii i odczytujemy wyniki. Program automatycznie przyciąga nam wskaźnik dokładnie na koniec linii, w tym przypadku otrzymane wartości to : a = 3,73 mm, b= 12,82mm, c=0,72 mm, d=4,41 mm.

Niewątpliwą zaletą stosowania tego rodzaju technik pomiarowych jest szybkość z jaką wykonuje się pomiary oraz ich dokładność. Dysponując odpowiednim oprogramowaniem, przy małej wprawie w jego obsłudze cały proces (z wyłączeniem skanowania) trwa około 4-5 minut. Wykonane pomiary cechuje duża dokładność, nie skażona błędami wymienionymi na początku tego artykułu. Do wad należy zaliczyć dość wysoki koszt oprogramowania, choć w internecie korzystając np. z oprogramowania QGIS (udostępniany jest na zasadach licencji GNU GPL) można dokonać kalibracji rastra, a następnie choćby za pomocą programu C-Geo w wersji demo można dokonać wczytania skalibrowanego rastra i dokonania pomiarów. Oczywiście wymienione w tym artykule oprogramowanie jest tylko jednym z wielu, które może służyć dla potrzeb filatelistyki. Programy te różnią się też sposobami przeprowadzania poszczególnych czynności, jednak zawsze w pierwszej kolejności należy dokonać kalibracji rastra, a następnie można prowadzić na nim pomiary.