Полутона — это репрографическая техника, которая имитирует непрерывное тоновое изображение с помощью точек, различающихся по размеру или интервалу, создавая таким образом эффект градиента. [1] «Полутона» также можно использовать для обозначения изображения, которое создается с помощью этого процесса. [1]
В случае, когда непрерывные тоновые изображения содержат бесконечный диапазон цветов или оттенков серого , процесс полутонов сводит визуальные репродукции к изображению, которое напечатано только одним цветом чернил, в точках разного размера ( широтно-импульсная модуляция ) или интервала ( частотная модуляция ) или и того, и другого. Это воспроизведение основано на базовой оптической иллюзии : когда полутоновые точки малы, человеческий глаз интерпретирует узорчатые области так, как если бы они были гладкими тонами. На микроскопическом уровне проявленная черно-белая фотопленка также состоит только из двух цветов, а не из бесконечного диапазона непрерывных тонов. Подробности см. в разделе зернистость пленки .
Подобно тому, как цветная фотография развивалась с добавлением фильтров и слоев пленки, цветная печать стала возможной благодаря повторению процесса полутонов для каждого субтрактивного цвета — чаще всего с использованием так называемой « цветовой модели CMYK ». [2] Полупрозрачное свойство чернил позволяет полутоновым точкам разных цветов создавать другой оптический эффект: полноцветное изображение. [1] Поскольку местоположение отдельных точек не может быть определено точно, точки частично перекрываются, что приводит к комбинации аддитивного и субтрактивного смешения цветов, называемого автотипичным смешиванием цветов .
.jpg/1280px-Julemotiv_tegnet_av_Jenny_Nystr%C3%B8m_(24207693358).jpg)
Хотя и существовали более ранние процессы механической печати, которые могли имитировать тон и тонкие детали фотографии, в частности, Woodburytype , дороговизна и практичность не позволяли использовать их в массовой коммерческой печати, применявшей рельефную печать.
Раньше большинство газетных иллюстраций были ксилографиями или гравюрами на дереве, сделанными из вручную вырезанных деревянных досок, которые, хотя они часто копировались с фотографий, напоминали нарисованные от руки эскизы. Коммерческие типографии хотели практичный способ реалистично воспроизводить фотографии на печатной странице, но большинство распространенных процессов механической печати могут печатать только области чернил или оставлять пустые области на бумаге, а не фотографический диапазон тонов; только черные (или цветные) чернила или ничего. Процесс полутонов преодолел эти ограничения и стал основным продуктом книжной, газетной и другой периодической промышленности. [3]
Идея полутоновой печати приписывается Уильяму Фоксу Тальботу . В патенте 1852 года он предложил использовать «фотографические экраны или вуали» в связи с фотографическим процессом глубокой печати . [4] [5]
В течение следующих десятилетий было предложено несколько различных видов экранов. Одна из первых попыток была предпринята Уильямом Легго с его легготипом во время работы в Canadian Illustrated News . Первой напечатанной полутоновой фотографией было изображение принца Артура , опубликованное 30 октября 1869 года . [6] The New York Daily Graphic позже опубликовала «первую репродукцию фотографии с полным тональным диапазоном в газете» 4 марта 1880 года (под названием «Сцена в трущобах») с грубым полутоновым экраном. [7]
Первый по-настоящему успешный коммерческий метод был запатентован Фредериком Айвсом из Филадельфии в 1881 году. [5] [7] Хотя он нашел способ разбить изображение на точки разного размера, он не использовал экран. В 1882 году немец Георг Мейзенбах запатентовал в Германии процесс полутонов, который он назвал автотипией . [8] Его изобретение было основано на предыдущих идеях Берхтольда и Свона. Он использовал однолинейные экраны, которые поворачивались во время экспозиции для создания эффекта перекрестных линий. Он был первым, кто добился коммерческого успеха с рельефными полутонами. [5]
Вскоре после этого Айвз, на этот раз в сотрудничестве с Луисом и Максом Леви, усовершенствовал процесс еще больше, изобретя и наладив коммерческое производство качественных перекрестно-линейных сит. [5]
Процесс рельефного полутонового изображения почти сразу оказался успешным. Использование полутоновых блоков в популярных журналах стало регулярным в начале 1890-х годов. [5]
Развитие методов полутоновой печати для литографии , по-видимому, шло по в значительной степени независимому пути. В 1860-х годах компания A. Hoen & Co. сосредоточилась на методах, позволяющих художникам манипулировать тонами обработанных вручную печатных камней. [9] К 1880-м годам компания Hoen работала над методами полутоновой печати, которые можно было бы использовать в сочетании как с обработанными вручную, так и с фотолитографическими камнями. [10] [11]
До появления оцифрованных изображений были разработаны специальные фотографические методы для разбиения изображений в оттенках серого на дискретные точки. Самым ранним из них был «экран», при котором груботканый тканевый экран подвешивался перед пластиной камеры для экспонирования, разбивая входящий свет на узор из точек посредством комбинации эффектов прерывания и дифракции . Затем фотографическую пластину можно было проявить с помощью методов фототравления для создания печатной формы.
Другие методы использовали «экран», состоящий из параллельных полос ( линейка Ронки ), который затем объединялся со второй экспозицией с тем же экраном, ориентированным под другим углом. Другой метод заключался в экспонировании через экранную пластину с пересекающимися линиями, вытравленными на поверхности. Позднее стали использовать либо контактные фотографические экраны, либо иногда вообще не использовать экран, экспонируя непосредственно на литографической (чрезвычайно высококонтрастной ) пленке с предварительно экспонированным полутоновым рисунком.
Разрешение полутонового экрана измеряется в линиях на дюйм (lpi). Это количество линий точек в одном дюйме, измеренное параллельно углу экрана. Известное как линиатура экрана, разрешение экрана записывается либо с суффиксом lpi, либо знаком решетки; например, «150 lpi» или «150#».
Чем выше разрешение исходного файла в пикселях, тем больше деталей можно воспроизвести. Однако такое увеличение также требует соответствующего увеличения линиатуры экрана, иначе вывод будет страдать от постеризации . Поэтому разрешение файла соответствует разрешению вывода. Точки нелегко увидеть невооруженным глазом, но их можно различить через микроскоп или увеличительное стекло.
При комбинировании различных экранов может возникнуть ряд отвлекающих визуальных эффектов, включая чрезмерное подчеркивание краев, а также муаровый узор . Эту проблему можно уменьшить, вращая экраны относительно друг друга. Этот угол экрана — еще одно распространенное измерение, используемое в печати, измеряемое в градусах по часовой стрелке от линии, идущей влево (9 часов — ноль градусов). Эти углы оптимизированы для избежания узоров и уменьшения наложения, из-за которого цвета могут выглядеть более тусклыми. [ необходима цитата ]
Полутонирование также широко используется для печати цветных изображений. Общая идея та же самая: изменяя плотность четырех вторичных цветов печати: голубого, пурпурного, желтого и черного (сокращенно CMYK ), можно воспроизвести любой конкретный оттенок. [12]
В этом случае может возникнуть дополнительная проблема. В простом случае можно создать полутон, используя те же методы, которые используются для печати оттенков серого, но в этом случае различные цвета печати должны оставаться физически близко друг к другу, чтобы обмануть глаз, заставив его думать, что они представляют собой один цвет. Для этого отрасль стандартизировала набор известных углов, в результате чего точки формируются в маленькие круги или розетки.
Хотя чаще всего используются круглые точки, доступно много типов точек, каждый из которых имеет свои собственные характеристики. Их можно использовать одновременно, чтобы избежать эффекта муара. Как правило, предпочтительная форма точки также зависит от метода печати или печатной формы.
Цифровая обработка полутонов пришла на смену фотографической обработке полутонов в 1970-х годах, когда были разработаны «электронные генераторы точек» для устройств записи на пленку, связанных с цветными барабанными сканерами, производимыми такими компаниями, как Crosfield Electronics , Hell и Linotype-Paul .
В 1980-х годах полутонирование стало доступно в новом поколении фотонаборных пленочных и бумажных регистраторов, которые были разработаны на основе более ранних «лазерных наборных машин». В отличие от чистых сканеров или чистых наборных машин, фотонаборные машины могли генерировать все элементы на странице, включая шрифт, фотографии и другие графические объекты. Ранними примерами были широко используемые Linotype Linotronic 300 и 100, представленные в 1984 году, которые также были первыми, кто предложил PostScript RIP в 1985 году. [14]
Ранние лазерные принтеры с конца 1970-х годов также могли генерировать полутона, но их первоначальное разрешение 300 точек на дюйм ограничивало линиатуру экрана примерно 65 линиями на дюйм. Это было улучшено с появлением более высоких разрешений 600 точек на дюйм и выше, а также методов сглаживания .
Все полутоновые изображения используют дихотомию высокой частоты/низкой частоты. В фотографических полутоновых изображениях низкочастотный атрибут — это локальная область выходного изображения, обозначенная как полутоновая ячейка. Каждая ячейка одинакового размера относится к соответствующей области (размеру и местоположению) входного изображения с непрерывным тоном. Внутри каждой ячейки высокочастотный атрибут — это центрированная полутоновая точка переменного размера, состоящая из чернил или тонера. Отношение закрашенной области к незакрашенной области выходной ячейки соответствует яркости или уровню серого входной ячейки. С подходящего расстояния человеческий глаз усредняет как высокочастотный видимый уровень серого, приближенный отношением внутри ячейки, так и низкочастотные видимые изменения уровня серого между соседними равноотстоящими ячейками и центрированными точками.
Цифровое полутонирование использует растровое изображение или битовую карту, в которой каждый монохромный элемент изображения или пиксель может быть включен или выключен, чернила или нет. Следовательно, для эмуляции фотографической полутоновой ячейки цифровая полутоновая ячейка должна содержать группы монохромных пикселей в области ячейки того же размера. Фиксированное расположение и размер этих монохромных пикселей ставит под угрозу высокочастотную/низкочастотную дихотомию фотографического полутонового метода. Сгруппированные многопиксельные точки не могут «расти» постепенно, а только скачками на один целый пиксель. Кроме того, размещение этого пикселя немного смещено от центра. Чтобы минимизировать этот компромисс, цифровые полутоновые монохромные пиксели должны быть довольно маленькими, насчитывая от 600 до 2540 или более пикселей на дюйм. Однако цифровая обработка изображений также позволила использовать более сложные алгоритмы сглаживания для определения того, какие пиксели сделать черными или белыми, некоторые из которых дают лучшие результаты, чем цифровое полутонирование. Недавно также было предложено цифровое полутонирование на основе некоторых современных инструментов обработки изображений, таких как нелинейная диффузия и стохастическое отражение. [15]
Наиболее распространенный метод создания экранов, амплитудная модуляция , создает регулярную сетку точек, которые различаются по размеру. Другой метод создания экранов, частотная модуляция , используется в процессе, также известном как стохастическое экранирование . Оба метода модуляции названы по аналогии с использованием терминов в телекоммуникациях. [16]
Обратное полутонирование или деэкранирование — это процесс реконструкции высококачественных изображений с непрерывным тоном из полутоновой версии. Обратное полутонирование — это некорректно поставленная задача, поскольку разные исходные изображения могут давать одно и то же полутоновое изображение. Следовательно, одно полутоновое изображение имеет несколько правдоподобных реконструкций. Кроме того, такая информация, как тона и детали, отбрасывается во время полутонирования и, таким образом, безвозвратно теряется. Из-за разнообразия различных полутоновых шаблонов не всегда очевидно, какой алгоритм использовать для наилучшего качества.
Существует много ситуаций, когда требуется реконструкция. Для художников редактирование полутоновых изображений является сложной задачей. Даже простые изменения, такие как изменение яркости, обычно работают за счет изменения цветовых тонов. В полутоновых изображениях это дополнительно требует сохранения регулярного узора. То же самое относится к более сложным инструментам, таким как ретушь. Многие другие методы обработки изображений предназначены для работы с изображениями с непрерывным тоном. Например, алгоритмы сжатия изображений более эффективны для таких изображений. [17] Другая причина — визуальный аспект, поскольку полутонирование ухудшает качество изображения. Внезапные изменения тона исходного изображения удаляются из-за ограниченных вариаций тона в полутоновых изображениях. Это также может вносить искажения и визуальные эффекты, такие как муаровые узоры . Особенно при печати на газете полутоновый узор становится более заметным из-за свойств бумаги. При сканировании и перепечатке этих изображений муаровые узоры подчеркиваются. Таким образом, их реконструкция перед перепечаткой важна для обеспечения приемлемого качества.
Основными этапами процедуры являются удаление полутоновых узоров и реконструкция изменений тонов. В конце концов, может потребоваться восстановить детали для улучшения качества изображения. Существует множество алгоритмов полутонирования, которые в основном можно классифицировать по категориям упорядоченного сглаживания , диффузии ошибок и методам, основанным на оптимизации. Важно выбрать правильную стратегию дескрининга, поскольку они генерируют различные узоры, и большинство обратных алгоритмов полутонирования предназначены для определенного типа узора. Время является еще одним критерием выбора, поскольку многие алгоритмы являются итеративными и, следовательно, довольно медленными.
Самый простой способ удалить полутоновые узоры — это применение фильтра нижних частот в пространственной или частотной области. Простым примером является фильтр Гаусса . Он отбрасывает высокочастотную информацию, которая размывает изображение, и одновременно уменьшает полутоновый узор. Это похоже на эффект размытия наших глаз при просмотре полутонового изображения. В любом случае важно выбрать правильную полосу пропускания . Слишком ограниченная полоса пропускания размывает края, в то время как высокая полоса пропускания создает шумное изображение, поскольку не удаляет узор полностью. Из-за этого компромисса он не может восстановить разумную информацию о краях.
Дальнейшие улучшения могут быть достигнуты с помощью улучшения краев. Разложение полутонового изображения на его вейвлет-представление позволяет извлекать информацию из различных частотных диапазонов. [18] Края обычно состоят из энергии верхних частот. Используя извлеченную информацию верхних частот, можно обрабатывать области вокруг краев по-разному, чтобы подчеркнуть их, сохраняя информацию нижних частот среди гладких областей.
Другая возможность для обратного полутонирования — использование алгоритмов машинного обучения на основе искусственных нейронных сетей . [19] Эти основанные на обучении подходы могут найти технику дескрининга, которая максимально близка к идеальной. Идея заключается в использовании различных стратегий в зависимости от фактического полутонового изображения. Даже для разного контента в пределах одного изображения стратегия должна быть разной. Сверточные нейронные сети хорошо подходят для таких задач, как обнаружение объектов , что позволяет выполнять дескрининг на основе категорий. Кроме того, они могут выполнять обнаружение краев для улучшения деталей вокруг краевых областей. Результаты могут быть дополнительно улучшены с помощью генеративно-состязательных сетей . [20] Этот тип сети может искусственно генерировать контент и восстанавливать утраченные детали. Однако эти методы ограничены качеством и полнотой используемых обучающих данных. Невидимые шаблоны полутонирования, которые не были представлены в обучающих данных, довольно сложно удалить. Кроме того, процесс обучения может занять некоторое время. Напротив, вычисление обратного полутонового изображения выполняется быстро по сравнению с другими итеративными методами, поскольку для этого требуется только один вычислительный шаг.
В отличие от других подходов, метод таблицы поиска не включает в себя никакой фильтрации. [21] Он работает, вычисляя распределение соседства для каждого пикселя в полутоновом изображении. Таблица поиска предоставляет значение непрерывного тона для данного пикселя и его распределение. Соответствующая таблица поиска получается до использования гистограмм полутоновых изображений и их соответствующих оригиналов. Гистограммы предоставляют распределение до и после полутонирования и позволяют аппроксимировать значение непрерывного тона для определенного распределения в полутоновом изображении. Для этого подхода стратегия полутонирования должна быть известна заранее для выбора правильной таблицы поиска. Кроме того, таблицу необходимо пересчитывать для каждого нового шаблона полутонирования. Генерация деэкранированного изображения происходит быстро по сравнению с итеративными методами, поскольку она требует поиска на пиксель.
