Жарты тонды басу өнерінің тарихы

Кіріспе

Баспа процесі – графикалық техника

Жартытон – нүктелерді қолдану арқылы үздіксіз тондық бейнелерді имитациялайтын репрографиялық техника, олардың мөлшері немесе арақашықтығы өзгеріп, осылайша градиент тәрізді эффект тудырады. "Жартытон" сөзі осы процесс арқылы алынған бейнені де білдіруі мүмкін. Сырдың жартылай мөлдір қасиеті әртүрлі түсті жартытон нүктелерінің бірлесіп жаңа оптикалық эффекттер жасауына мүмкіндік береді: толық түсті бейнелер. Уильям Фокс Талбот жартытонды басып шығару идеясын алғаш ұсынған. 1852 жылғы патентында ол фотосуреттің ішкі бейнесімен байланысты "фотографиялық экрандар немесе жамылғылар" қолдануды ұсынды. Келесі онжылдықтарда әртүрлі экран түрлері ұсынылды. Алғашқы әрекеттердің бірі – Уильям Леггоның Canadian Illustrated News үшін жұмыс істеген кездегі "leggotype" әдісі болды. Алғашқы жартытонды фотосурет – 1869 жылдың 30 қазанында жарияланған принц Артурдың суреті. "Нью-Йорк Дейли График" газеті 1880 жылдың 4 наурызында "қалың жартытондық экранмен" газетте "толық тональды диапазондағы фотосуреттің алғашқы көшірмесін" ("Шантитаундағы көрініс") жариялады. Алғашқы табысты коммерциялық әдіс 1881 жылы Филадельфиялық Фредерик Айвсқа патенттелді. Оның өнертабысы Берхтольд пен Сванның бұрынғы идеяларына негізделген. Ол қиылысқан эффекттер жасау үшін экспозиция кезінде бұрылатын бір қабатты экрандарды қолданды. Ол рельефтік жартытонмен алғашқы коммерциялық табысқа жетті. 1880 жылдары Хоэн қолмен өңделген немесе фотолитографиялық тастармен бірге қолданылатын жартытондық әдістерді жетілдірумен айналысты.

Жарты тондық фотосуретке түсіру

Цифрлық суреттерге дейін сұр түсті суреттерді дискретті нүктелерге бөлу үшін арнайы фототехникалық әдістер әзірленді. Олардың ең ертесі – "растрлеу" әдісі, онда камера пластинасының алдына дөңгелек тоқымалы матадан жасалған экран ілінетін, кіріс жарықты үзіліс және дифракция эффектілерінің қосындысы арқылы нүктелердің белгілі бір үлгісіне бөлетін еді. Содан кейін фотографиялық пластинканы фотоэфирлеу техникасын қолданып, баспаға арналған пластинка жасауға болады. Басқа әдістерде параллель сызықтардан тұратын "экран" (Рончи шкаласы) пайдаланылды, ол екінші экспозициямен біріктірілді, экран басқа бұрышқа бағытталған күйде. Тағы бір әдіс – бетінде кесілген қиылысқан сызықтары бар экранды пластина арқылы экспозиция жасау. Кейіннен фотографиялық контактілік экрандар қолданылды, немесе кейде экран мүлдем қолданылмай, алдын ала растрленген үлгісі бар литографиялық (өте жоғары контрастты) пленкаға тікелей экспозиция жасалатын.

Бірнеше экран және түстерді жартылай тонурлау

Әр түрлі экрандар біріктірілген кезде, көзді алаңдататын бірқатар визуалды эффекттер пайда болуы мүмкін, оның ішінде шеттері тым баса көрсетіліп, сондай-ақ моир үлгісі пайда болады. Бұл мәселені экрандарды бір-біріне қатысты бұру арқылы азайтуға болады. Бұл экран бұрышы – полиграфияда қолданылатын тағы бір жиі кездесетін өлшем, ол сол жаққа бағытталған сызықтан сағат тілімен градустармен өлшенеді (9 сағат – нөл градус). Бұл бұрыштар үлгілердің пайда болуын болдырмау және түстердің күңгірттеуіне себеп болатын араласуды азайту үшін оңтайландырылған. Түсті суреттерді басып шығару үшін де жартылай тон қолданылады. Негізгі принцип бірдей: төрт негізгі баспа түсінің – циан, маджента, сары және қара (қысқартылған CMYK) тығыздығын өзгерту арқылы кез келген түс көлеңкесін қайта жаратуға болады. Мұндай жағдайда қосымша мәселе туындауы мүмкін. Ең қарапайым жағдайда, сұр түстерді басып шығару үшін қолданылатын әдістерді пайдаланып жартылай тон жасауға болады, бірақ бұл жағдайда әртүрлі баспа түстері бір-біріне физикалық жақын болуы керек, сонда ғана көз оларды бір түс деп қабылдайды. Осы мақсатта өндіріс белгілі бұрыштар жиынтығын стандарттаған, нәтижесінде нүктелер кішкентай шеңберлерге немесе розеткаларға айналады.

Нүктелер пішіні

Дөңгелек нүктелер ең көп қолданылса да, көптеген түрлі нүктелер бар, олардың әрқайсысының өзіндік ерекшеліктері бар. Моар эффектісін болдырмау үшін оларды бірдей пайдалануға болады. Әдетте, қалаулы нүкте пішіні баспа әдісіне немесе баспа формасына байланысты болады. Дөңгелек нүктелер: ең көп таралған, ашық түсті суреттерге, әсіресе тері тонды суреттерге қолайлы. Олар 70% тоналдылық деңгейінде бірігеді. Эллипстік нүктелер: көптеген нысандар бар суреттерге жарамды. Эллипстік нүктелер 40% (ұштармен) және 60% (ұзын жағымен) тоналдылық деңгейінде бірігеді, сондықтан бейне пайда болуы мүмкін. Төртбұрышты нүктелер: егжей-тегжейлі суреттер үшін ең жақсы, тері тонды суреттерге ұсынылмайды. Бұрыштар 50% тоналдылық деңгейінде бірігеді. Кейде төртбұрышты нүктелер арасындағы өту адам көзімен байқалуы мүмкін.

Цифрлық жартылай тонурлау

Цифрлық жартылай кесу 1970 жылдардан бері фотографиялық жартылай кесуді ығыстырып шығарды, ол кезде Crosfield Electronics, Hell және Linotype Paul сияқты компаниялар жасаған түсті барабанды сканерлерге қосылған пленка жазғыштары үшін «электрондық нүкте генераторлары» әзірленді. 1980 жылдары жартылай кесу бұрынғы «лазерлік жинақтағыштардан» дамыған жаңа буын имидж-сеттерлерде, пленка мен қағазды жазатын құрылғыларда қолжетімді болды. Таза сканерлерден немесе таза жинақтағыштардан өзгеше, имидж-сеттерлер беттегі барлық элементтерді – мәтінді, фотосуреттерді және басқа графикалық объектілерді жасай алатын. Алғашқы мысалдардың бірі 1984 жылы кеңінен қолданылған Linotype Linotronic 300 және 100 болды, олар 1985 жылы PostScript RIP ұсынған алғашқы құрылғылар еді. 1970 жылдардың соңынан бастап ертедегі лазерлік принтерлер де жартылай кесуді жасай алатын, бірақ олардың бастапқы 300 dpi ажыратымдылығы экрандық қалыпты шамамен 65 lpi-ге дейін шектеді. Бұл 600 dpi және одан жоғары ажыратымдылықтар мен дитерлеу техникаларын енгізу арқылы жақсартылды. Барлық жартылай кесуде жоғары жиілік/төмен жиілік дихотомиясы қолданылады. Фотографиялық жартылай кесуде төмен жиілікті атрибут – жартылай кесу ұяшығы деп белгіленген шығыс кескінінің жергілікті аймағы. Әрбір бірдей өлшемді ұяшық үздіксіз тонды кіріс кескінінің сәйкес ауданына (өлшемі мен орналасуы) қатысты. Әрбір ұяшықтағы жоғары жиілікті атрибут – бояу немесе тонерден тұратын, ортасы өзгермелі өлшемді жартытондық нүкте. Шығыс ұяшығының боялған және боялмаған бөліктерінің арақатынасы кіріс ұяшығының жарықтығы немесе сұр деңгейіне сәйкес келеді. Тиісті қашықтықтан адам көзі ұяшықтағы арақатынаспен шамаланған жоғары жиілікті көрінетін сұр деңгейді және жақын орналасқан ұяшықтар мен орталық нүктелер арасындағы сұр деңгейдегі төмен жиілікті көрінетін өзгерістерді орташалайды. Цифрлық жартылай кесу растрлық кескінді немесе биттік картаны пайдаланады, онда әрбір монохромды кескін элементі немесе пиксель қосулы немесе өшірілген, боялған немесе боялмаған болуы мүмкін. Осылайша, фотографиялық жартылай кесу ұяшығын имитациялау үшін цифрлық жартылай кесу ұяшығында бірдей өлшемді ұяшық аумағындағы монохромды пиксельдердің топтары болуы керек. Осы монохромды пиксельдердің орны мен мөлшері фотографиялық жартылай кесу әдісінің жоғары жиілік/төмен жиілік дихотомиясын бұзады. Көп пикселді жиынтық нүктелер бір пикселдің секіруімен ғана «өсе» алады. Сонымен қатар, пикселдің орналасуы ортасынан сәл ауытқиды. Бұл кемшілікті азайту үшін цифрлық жартылай кесудегі монохромды пиксельдер өте кішкентай болуы керек, 600-ден 2540-қа дейін немесе одан да көп пиксель бір дюймге. Дегенмен, цифрлық кескінді өңдеу күрделі дитерлеу алгоритмдерін де пайдаланады, олар пикселдерді қара немесе ақ түске айналдыруға шешім қабылдайды, олардың кейбіреулері цифрлық жартылай кесуден жақсы нәтижелер береді. Жақында сызықты емес тарату және стохастикалық ауыстыру сияқты заманауи кескінді өңдеу құралдарына негізделген цифрлық жартылай кесу ұсынылды.

Digital halftoning has been replacing photographic halftoning since the 1970s when "electronic dot generators" were developed for the film recorder units linked to color drum scanners made by companies such as Crosfield Electronics, Hell, and Linotype Paul. In the 1980s, halftoning became available in the new generation of imagesetter film and paper recorders that had been developed from earlier "laser typesetters". Unlike pure scanners or pure typesetters, imagesetters could generate all the elements in a page including type, photographs, and other graphic objects. Early examples were the widely used Linotype Linotronic 300 and 100 introduced in 1984, which were also the first to offer PostScript RIPs in 1985. Early laser printers from the late 1970s onward could also generate halftones but their original 300 dpi resolution limited the screen ruling to about 65 lpi. This was improved as higher resolutions of 600 dpi and above, and dithering techniques, were introduced. All halftoning uses a high frequency/low frequency dichotomy. In photographic halftoning, the low frequency attribute is a local area of the output image designated a halftone cell. Each equal sized cell relates to a corresponding area (size and location) of the continuous tone input image. Within each cell, the high frequency attribute is a centered variable sized halftone dot composed of ink or toner. The ratio of the inked area to the non inked area of the output cell corresponds to the luminance or graylevel of the input cell. From a suitable distance, the human eye averages both the high frequency apparent gray level approximated by the ratio within the cell and the low frequency apparent changes in gray level between adjacent equally spaced cells and centered dots. Digital halftoning uses a raster image or bitmap within which each monochrome picture element or pixel may be on or off, ink or no ink. Consequently, to emulate the photographic halftone cell, the digital halftone cell must contain groups of monochrome pixels within the same sized cell area. The fixed location and size of these monochrome pixels compromises the high frequency/low frequency dichotomy of the photographic halftone method. Clustered multi pixel dots cannot "grow" incrementally but in jumps of one whole pixel. In addition, the placement of that pixel is slightly off center. To minimize this compromise, the digital halftone monochrome pixels must be quite small, numbering from 600 to 2,540, or more, pixels per inch. However, digital image processing has also enabled more sophisticated dithering algorithms to decide which pixels to turn black or white, some of which yield better results than digital halftoning. Digital halftoning based on some modern image processing tools such as nonlinear diffusion and stochastic flipping has also been proposed recently.

Модуляция

Экранды құрудың ең көп қолданылатын әдісі – амплитудалық модуляция, ол мөлшері өзгеріп отыратын нүктелердің реттелген торын жасайды. Экранды құрудың тағы бір әдісі – жиілік модуляциясы, ол стохастикалық скрининг деп те аталатын процесте пайдаланылады. Екі модуляция әдісі де телекоммуникацияда қолданылатын терминдермен сабақтас келеді.

Кері жарым тонустық

Кері жарымтону немесе дескрининг – жартытонулы нұсқадан жоғары сапалы үздіксіз тонулы суреттерді қайта құру процесі. Кері жарымтону – қиын мәселе, себебі әртүрлі бастапқы суреттер бірдей жартытонулы суретті тудыруы мүмкін. Осының салдарынан, бір жартытонулы суреттің бірнеше мүмкін жайылмалары болады. Сонымен қатар, тон мен егжей-тегжейлер сияқты ақпарат жарымтону кезінде жойылады және қайта қалпына келтірілмейді. Жартөнді үлгілердің көптеген түрлеріне байланысты, ең жақсы сапа үшін қандай алгоритмді қолдану керектігі әрдайым анық болмайды. Қайта құру қажет болатын көптеген жағдайлар бар. Суретшілер үшін жартытонулы суреттерді өңдеу қиын міндет. Тіпті жарықтықты өзгерту сияқты қарапайым өзгерістер де көбінесе түс тондарының өзгеруі арқылы жасалады. Жартытонулы суреттерде бұл, сонымен қатар, үлгінің сақталуын қажет етеді. Бұл ретушь сияқты күрделі құралдарға да қатысты. Көптеген басқа бейне өңдеу техникалары үздіксіз тонулы суреттермен жұмыс істеуге арналған. Мысалы, суреттерді қысу алгоритмдері осы суреттер үшін тиімдірек. Тағы бір себеп – визуальды жағы, өйткені жарымтону сурет сапасын нашарлатады. Түпкі суреттегі кенеттен болатын тон өзгерістері, жартытонулы суреттердегі шектеулі тондық вариацияларға байланысты жойылады. Бұрмалаулар мен моар үлгілері сияқты визуальды эффекттер де пайда болуы мүмкін. Әсіресе газетке басылғанда, жартытонулы үлгі қағаздың қасиеттеріне байланысты жақсы көрінеді. Мұндай суреттерді скандап, қайта басып шығару моар үлгілерін күшейтеді. Сондықтан, оларды қайта басып шығару алдында қайта құру маңызды, осылайша лайықты сапаны қамтамасыз етуге болады.

Ғарыштық және жиіліктік сүзгілеу

Процедураның негізгі қадамдары – жартылай тон үлгілерін жою және тон өзгерістерін қалпына келтіру болып табылады. Соңында, сурет сапасын жақсарту үшін кейбір бөлшектерді қалпына келтіру қажет болуы мүмкін. Көптеген жартылай тону алгоритмдері бар, оларды негізінен реттелген дитерлеу, қателік диффузиясы және оптимизацияға негізделген әдістер деп жіктеуге болады. Тиісті дескрининг стратегиясын таңдау маңызды, себебі олар әртүрлі үлгілер жасайды және кері жартылай тону алгоритмдерінің көпшілігі белгілі бір үлгі түріне арналған. Уақыт та таңдау критерийі болып табылады, өйткені көптеген алгоритмдер итеративті және демек, өте баяу. Жартылай тонды жоюдың ең қарапайым жолы – кеңістіктік немесе жиілік доменінде төмен өткізгіш сүзгіні қолдану. Мысалы, Гаусс сүзгісін келтіруге болады. Ол суретті бүлдіретін жоғары жиілікті ақпаратты жоққа шығарады және бір мезгілде жартылай тонды азайтады. Бұл жартылай тонды суретті қарағанда көзге көрінетін бүркіткіге ұқсас. Қалай болғанда да, дұрыс ені таңдау маңызды. Өте тар ені жиектерді бүлдіреді, ал кең ені үлгіні толығымен жоймағандықтан шулы сурет тудырады. Осы тепе-теңдік салдарынан, оңтайлы жиектік ақпаратты қалпына келтіру мүмкін емес. Әрі қарай жақсарту үшін жиекті күшейтуге болады. Жартылай тонды суретті толқындық түрлендіруге бөлу әртүрлі жиілік диапазондарынан ақпарат алуға мүмкіндік береді. Жиектер әдетте жоғары жиілікті энергиядан тұрады. Алынған жоғары жиілікті ақпаратты пайдалану арқылы, оларды баса көрсету үшін жиектер маңындағы аймақтарды әртүрлі өңдеуге болады, сонымен бірге тегіс аймақтардағы төмен жиілікті ақпаратты сақтайды.

Оптимизацияға негізделген сүзгілеу

Кері жарымтақтауға тағы бір мүмкіндік – жасанды нейрондық желілерге негізделген машиналық оқыту алгоритмдерін қолдану. Оқытуға негізделген бұл тәсілдер, мүмкіндігінше идеалды нәтижеге жақын дескрининг әдісін табуға мүмкіндік береді. Идея, жарты тонды суреттің нақты мазмұнына байланысты әртүрлі стратегияларды қолдану болып табылады. Тіпті бір сурет ішіндегі әртүрлі мазмұн үшін де стратегия өзгертілуі керек. Конволюциялық нейрондық желілер, нысанды анықтау сияқты, категорияға негізделген дескринингке мүмкіндік беретін тапсырмаларға өте ыңғайлы. Сонымен қатар, олар шеттерді анықтап, шеттік аймақтардағы бөлшектерді жақсарта алады. Нәтижелерді генеративтік қарсыластық желілер арқылы одан әрі жетілдіруге болады. Бұл типтегі желілер мазмұнды жасанды түрде жасап, жоғалған бөлшектерді қалпына келтіре алады. Дегенмен, бұл әдістердің тиімділігі қолданылған оқу деректерінің сапасы мен толықтығымен шектеледі. Оқу деректерінде көрсетілмеген жарты тонды үлгілерді жою қиынға соғады. Сонымен қатар, оқыту процесі уақытты қажет етеді. Керісінше, кері жарымтақтау кескінін есептеу, басқа итеративтік әдістермен салыстырғанда жылдам, себебі ол тек бір есептеу қадамын талап етеді.

Іздеу кестесі

Басқа тәсілдерден өзгеше, іздеу кестесі әдісі ешқандай сүзуді қолданбастан жұмыс істейді. Ол жарты тонды суреттегі әрбір пиксел үшін көршілес аймақтың таралуын есептейді. Іздеу кестесі берілген пиксел және оның таралуы үшін үздіксіз тондық мәнді ұсынады. Тиісті іздеу кестесі жарты тонды суреттердің гистограммалары мен олардың түпнұсқаларын қолдану арқылы алдын ала дайындалады. Гистограммалар жарты тонды өңдеуге дейін және кейін таралуды көрсетеді, сондай-ақ жарты тонды суреттегі нақты таралу үшін үздіксіз тондық мәнді жуықтауға мүмкіндік береді. Осы тәсіл үшін, дұрыс іздеу кестесін таңдау үшін жарты тонды өңдеу стратегиясы алдын ала белгілі болуы керек. Сонымен қатар, әрбір жаңа жарты тонды үлгі үшін кесте қайта есептелуі тиіс. Итеративтік әдістермен салыстырғанда, суретті құру жылдамдатылады, себебі ол әр пиксел үшін бір рет іздеуді талап етеді.