Введение
Графическая техника полутонов – это репрографическая техника, имитирующая непрерывные тоновые изображения посредством использования точек, различающихся по размеру или расстоянию между ними, что создает эффект, подобный градиенту. Термин "полутон" также может относиться к изображению, полученному этим способом. Полупрозрачность красок позволяет полутоновым точкам разных цветов создавать дополнительный оптический эффект – полноцветные изображения. Уильяму Фоксу Талботу приписывают идею полутонной печати. В патенте 1852 года он предложил использовать "фотографические экраны или вуали" в сочетании с фотографическим процессом интальо. В последующие десятилетия было предложено несколько различных типов экранов. Одной из первых попыток был leggotype Уильяма Легго, разработанный им во время работы в Canadian Illustrated News. Первая напечатанная полутоновая фотография – изображение принца Артура, опубликованное 30 октября 1869 года. Газета New York Daily Graphic позже опубликовала "первое воспроизведение фотографии с полным тональным диапазоном в газете" 4 марта 1880 года (под названием «Сцена в лачугах») с использованием грубого полутонового растра. Первый действительно успешный коммерческий метод был запатентован Фредериком Айвсом из Филадельфии в 1881 году. Его изобретение основывалось на более ранних идеях Берхтольда и Свана. Он использовал однолинейные растры, которые вращались во время экспозиции для создания эффекта перекрестных линий. Он был первым, кто добился коммерческого успеха с рельефными полутонами. К 1880-м годам Хоэн работал над полутоновыми методами, которые можно было использовать как с ручной доработкой, так и с фотолитографическими камнями.
the graphic technique
Halftone is the reprographic technique that simulates continuous tone imagery through the use of dots, varying either in size or in spacing, thus generating a gradient like effect. "Halftone" can also be used to refer specifically to the image that is produced by this process. The semi opaque property of ink allows halftone dots of different colors to create another optical effect: full color imagery. William Fox Talbot is credited with the idea of halftone printing. In an 1852 patent he suggested using "photographic screens or veils" in connection with a photographic intaglio process. Several different kinds of screens were proposed during the following decades. One of the first attempts was by William Leggo with his leggotype while working for the Canadian Illustrated News. The first printed halftone photograph was an image of Prince Arthur published on October 30, 1869. The New York Daily Graphic would later publish "the first reproduction of a photograph with a full tonal range in a newspaper" on March 4, 1880 (entitled "A Scene in Shantytown") with a crude halftone screen. The first truly successful commercial method was patented by Frederic Ives of Philadelphia in 1881. His invention was based on the previous ideas of Berchtold and Swan. He used single lined screens which were turned during exposure to produce cross lined effects. He was the first to achieve any commercial success with relief halftones. By the 1880s, Hoen was working on halftone methods that could be used in conjunction with either hand worked or photolithographic stones.
Фотографическая прокатка полутонного тона
До оцифровки изображений были разработаны специальные фотографические методы для разложения изображений в оттенках серого на дискретные точки. Самым ранним из них было "растрирование", при котором перед светочувствительной пластиной камеры помещали грубую тканевую сетку, рассеивающую входящий свет и создающую точечный рисунок за счет комбинации эффектов прерывания и дифракции. Затем фотопластину проявляли с использованием фототравления для создания печатной формы. Другие методы использовали "растр", состоящий из параллельных штрихов (правило Рончи), который затем комбинировали со второй экспозицией тем же растром, повернутым под другим углом. Еще один способ заключался в экспонировании через растрную пластину с пересекающимися линиями, нанесенными на поверхность. Позже стали использовать либо контактные растры, либо вовсе отказались от растра, экспонируя непосредственно на литографическую (обладающую очень высокой контрастностью) пленку с предварительно нанесенным растровым рисунком.
Многоэкранные и цветовые полутонировки
Когда объединяются различные экраны, могут возникать различные отвлекающие визуальные эффекты, включая чрезмерное выделение границ, а также эффект муара. Эту проблему можно уменьшить, поворачивая экраны относительно друг друга. Этот угол наклона экрана – еще одно распространенное измерение, используемое в полиграфии, измеряемое в градусах по часовой стрелке от линии, направленной влево (9 часов – это ноль градусов). Эти углы оптимизированы для предотвращения появления узоров и уменьшения перекрытия, что может привести к тому, что цвета будут казаться более тусклыми. Растрирование также широко используется для печати цветных изображений. Основной принцип тот же: путем изменения плотности четырех основных печатных цветов – голубого, пурпурного, желтого и черного (CMYK) – можно воспроизвести любой оттенок. В этом случае может возникнуть дополнительная проблема. В простейшем случае можно создать растр, используя те же методы, что и для печати оттенков серого, но в данном случае различные печатные цвета должны оставаться физически близко друг к другу, чтобы обмануть глаз и заставить его воспринимать их как единый цвет. Для этого в отрасли стандартизирован набор известных углов, в результате чего точки формируются в небольшие круги или розетки.
Формы точек
Хотя круглые точки используются наиболее часто, существует множество типов точек, каждая из которых обладает своими характеристиками. Их можно использовать одновременно для предотвращения эффекта муара. Как правило, предпочтительная форма точки также зависит от способа печати или печатной формы. Круглые точки: наиболее распространены, подходят для светлых изображений, особенно для оттенков кожи. Они смыкаются при тональном значении 70%. Эллиптические точки: подходят для изображений с множеством объектов. Эллиптические точки смыкаются при тональных значениях 40% (заостренными концами) и 60% (длинной стороной), поэтому существует риск появления видимого рисунка. Квадратные точки: лучше всего подходят для детализированных изображений, не рекомендуются для оттенков кожи. Углы смыкаются при тональном значении 50%. Переход между квадратными точками иногда может быть заметен человеческому глазу.
Цифровая полутонировка
Цифровое растрирование заменило фотографическое растрирование с 1970-х годов, когда были разработаны "электронные генераторы точек" для пленочных записывающих устройств, связанных с цветными барабанными сканерами, производимыми такими компаниями, как Crosfield Electronics, Hell и Linotype Paul. В 1980-х годах растрирование стало доступно в новом поколении пленочных и бумажных рекордеров, разработанных на базе более ранних "лазерных наборных машин". В отличие от чисто сканирующих или чисто наборных устройств, рекордеры могли генерировать все элементы страницы, включая текст, фотографии и другие графические объекты. Ранними примерами были широко используемые Linotype Linotronic 300 и 100, представленные в 1984 году, которые также первыми предложили PostScript RIP в 1985 году. Ранние лазерные принтеры с конца 1970-х годов также могли генерировать растры, но их исходное разрешение 300 dpi ограничивало частоту штриховки примерно до 65 lpi. Это было улучшено с введением более высоких разрешений 600 dpi и выше, а также методов дитеринга. В растрировании используется дихотомия высокой/низкой частоты. В фотографическом растрировании атрибут низкой частоты представляет собой локальную область выходного изображения, определяемую как растровый элемент. Каждый элемент одинакового размера соответствует соответствующей области (размеру и местоположению) непрерывного тонального входного изображения. Внутри каждого элемента атрибут высокой частоты представляет собой центрированную растровую точку переменного размера, состоящую из краски или тонера. Отношение площади, покрытой краской, к площади, не покрытой краской, соответствует яркости или уровню серого входного элемента. С подходящего расстояния человеческий глаз усредняет как высокочастотный кажущийся уровень серого, приближенный соотношением внутри элемента, так и низкочастотные кажущиеся изменения уровня серого между соседними равноудаленными элементами и центрированными точками. Цифровое растрирование использует растровое изображение или битовую карту, в которой каждый монохромный элемент изображения или пиксель может быть включен или выключен, то есть содержать краску или не содержать. Следовательно, для эмуляции фотографического растрового элемента, цифровой растровый элемент должен содержать группы монохромных пикселей в пределах той же площади элемента. Фиксированное расположение и размер этих монохромных пикселей нарушают дихотомию высокой/низкой частоты фотографического метода растрирования. Кластерные многопиксельные точки не могут "расти" постепенно, а изменяются скачками в один целый пиксель. Кроме того, положение пикселя немного смещено от центра. Чтобы минимизировать этот компромисс, цифровые растровые монохромные пиксели должны быть достаточно маленькими, их количество должно составлять от 600 до 2540 или более пикселей на дюйм. Однако цифровая обработка изображений также позволила использовать более сложные алгоритмы дитеринга для определения того, какие пиксели сделать черными или белыми, некоторые из которых дают лучшие результаты, чем цифровое растрирование. Недавно было предложено цифровое растрирование на основе некоторых современных инструментов обработки изображений, таких как нелинейная диффузия и стохастическое переключение.
Модуляция
Наиболее распространенный метод создания растровых экранов, амплитудная модуляция, формирует регулярную сетку точек, изменяющихся в размере. Другой метод создания растровых экранов, частотная модуляция, используется в процессе, также известном как стохастический растр. Оба метода модуляции получили свои названия по аналогии с применением этих же терминов в телекоммуникациях.
Обратное полутонирование
Обратное полутонирование или дескреининг – это процесс восстановления высококачественных изображений с непрерывной тональностью из полутонового изображения. Обратное полутонирование – некорректно поставленная задача, поскольку различные исходные изображения могут создавать одно и то же полутоновое изображение. Следовательно, для одного полутонового изображения существует множество правдоподобных реконструкций. Кроме того, информация, такая как тона и детали, отбрасывается при полутонировании и, таким образом, безвозвратно теряется. Из-за разнообразия различных полутоновых растров не всегда очевидно, какой алгоритм следует использовать для достижения наилучшего качества. Существует множество ситуаций, когда требуется реконструкция. Для художников редактирование полутоновых изображений является сложной задачей. Даже простые изменения, такие как регулировка яркости, обычно выполняются путем изменения цветовых тонов. В полутоновых изображениях это дополнительно требует сохранения регулярного рисунка. То же самое относится и к более сложным инструментам, таким как ретушь. Многие другие методы обработки изображений предназначены для работы с изображениями с непрерывной тональностью. Например, алгоритмы сжатия изображений более эффективны для таких изображений. Другая причина заключается в визуальном аспекте, поскольку полутонирование ухудшает качество изображения. Резкие переходы тона в исходном изображении сглаживаются из-за ограниченного диапазона тонов в полутоновых изображениях. Это также может приводить к искажениям и визуальным эффектам, таким как муар. Особенно при печати на газете полутоновый растр становится более заметным из-за свойств бумаги. Сканирование и повторная печать этих изображений усиливают эффект муара. Поэтому восстановление изображений перед повторной печатью важно для обеспечения приемлемого качества.
Пространственная и частотная фильтрация
Основными этапами процедуры являются удаление полутоновых растров и реконструкция тоновых переходов. В конечном итоге может потребоваться восстановить детали для повышения качества изображения. Существует множество алгоритмов полутонового растрирования, которые в основном можно классифицировать на упорядоченный дитеринг, диффузию ошибок и методы, основанные на оптимизации. Важно выбрать подходящую стратегию удаления растра, поскольку они генерируют различные паттерны, и большинство алгоритмов обратного полутонового растрирования разработаны для конкретного типа паттерна. Время также является важным критерием выбора, поскольку многие алгоритмы итеративны и, следовательно, достаточно медленны. Наиболее простой способ удаления полутоновых растров – применение фильтра нижних частот либо в пространственной, либо в частотной области. Простым примером является гауссовский фильтр. Он отбрасывает высокочастотную информацию, что приводит к размытию изображения и одновременному уменьшению полутонового растра. Это аналогично эффекту размытия, наблюдаемому человеческим глазом при просмотре полутонового изображения. В любом случае, важно правильно подобрать ширину полосы пропускания. Слишком узкая полоса пропускания размывает границы, а слишком широкая создает шумное изображение, поскольку не удаляет растр полностью. Из-за этого компромисса невозможно восстановить адекватную информацию о границах. Дальнейшее улучшение можно достичь с помощью повышения резкости границ. Разложение полутонового изображения на волновое представление позволяет извлекать информацию из различных частотных диапазонов. Границы обычно содержат высокочастотную энергию. Используя извлеченную высокочастотную информацию, можно по-разному обрабатывать области вокруг границ, чтобы подчеркнуть их, сохраняя при этом низкочастотную информацию в гладких областях.
Фильтрация на основе оптимизации
Другая возможность для обратного полутонирования — использование алгоритмов машинного обучения, основанных на искусственных нейронных сетях. Эти подходы, основанные на обучении, способны находить метод удаления растра, максимально приближенный к идеальному. Идея заключается в применении различных стратегий в зависимости от конкретного полутонового изображения. Более того, стратегия должна варьироваться даже для различного содержимого внутри одного и того же изображения. Свёрточные нейронные сети хорошо подходят для задач, таких как обнаружение объектов, что позволяет осуществлять удаление растра на основе категорий. Кроме того, они могут выполнять обнаружение границ для повышения детализации в области границ. Результаты можно дополнительно улучшить с помощью генеративно-состязательных сетей. Этот тип сети способен искусственно генерировать контент и восстанавливать утраченные детали. Однако эти методы ограничены качеством и полнотой используемых обучающих данных. Неизвестные ранее паттерны растра, не представленные в обучающих данных, довольно сложно удалить. Кроме того, процесс обучения может занимать значительное время. В отличие от этого, вычисление изображения после обратного полутонирования происходит быстро по сравнению с другими итеративными методами, поскольку требует всего одного вычислительного шага.
Таблица поиска
В отличие от других подходов, метод таблицы поиска не предполагает никакой фильтрации. Он работает путем вычисления распределения окрестности для каждого пикселя в полутоновом изображении. Таблица поиска предоставляет значение непрерывного тона для заданного пикселя и его распределения. Соответствующая таблица поиска получается заранее, на основе гистограмм полутоновых изображений и их исходных изображений. Гистограммы отображают распределение до и после полутонирования, что позволяет аппроксимировать значение непрерывного тона для конкретного распределения в полутоновом изображении. Для данного подхода стратегия полутонирования должна быть известна заранее для выбора подходящей таблицы поиска. Кроме того, таблицу необходимо пересчитывать для каждого нового шаблона полутонирования. Генерация изображения, очищенного от растра, происходит быстро по сравнению с итеративными методами, поскольку требует выполнения поиска для каждого пикселя.