Полутона — это метод репрографии , который имитирует изображения с непрерывными тонами за счет использования точек, различающихся по размеру или интервалу, создавая тем самым эффект градиента. [1] «Полутона» также можно использовать для обозначения изображения, получаемого в результате этого процесса. [1]
Если изображения с непрерывными тонами содержат бесконечный диапазон цветов или оттенков серого , процесс полутонов сводит визуальное воспроизведение к изображению, напечатанному только одним цветом чернил, в точках разного размера ( широтно-импульсная модуляция ) или интервала ( частотная модуляция ). или оба. Это воспроизведение основано на базовой оптической иллюзии : когда полутоновые точки малы, человеческий глаз интерпретирует узорчатые области, как если бы они были гладкими тонами. На микроскопическом уровне проявленная черно-белая фотопленка также состоит всего из двух цветов, а не из бесконечной гаммы непрерывных тонов. Подробную информацию 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] Полупрозрачность чернил позволяет полутоновым точкам разных цветов создавать еще один оптический эффект: полноцветное изображение. [1] Поскольку расположение отдельных точек невозможно определить точно, точки частично перекрываются, что приводит к сочетанию аддитивного и субтрактивного смешения цветов, называемому автотипическим смешением цветов.
.jpg/1280px-Julemotiv_tegnet_av_Jenny_Nystr%C3%B8m_(24207693358).jpg)
Хотя раньше существовали процессы механической печати, которые могли имитировать тон и тонкие детали фотографии, в первую очередь тип Вудбери , стоимость и практичность не позволяли использовать их в массовой коммерческой печати, в которой использовалась высокая печать.
Раньше большинство газетных изображений представляли собой гравюры на дереве или гравюры на дереве, сделанные из деревянных блоков, вырезанных вручную, которые, хотя и часто копировались с фотографий, напоминали нарисованные от руки эскизы. Коммерческим типографиям нужен был практический способ реалистичного воспроизведения фотографий на напечатанной странице, но наиболее распространенные процессы 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. Полутоновый процесс преодолел эти ограничения и стал основным продуктом книжной, газетной и других периодических изданий. [3]
Уильяму Фоксу Талботу приписывают идею полутоновой печати. В патенте 1852 года он предложил использовать «фотоэкраны или вуали» в процессе фотографической глубокой печати . [4] [5]
В последующие десятилетия было предложено несколько различных типов экранов. Одну из первых попыток сделал Уильям Легго со своим легготипом во время работы в Canadian Illustrated News . Первой напечатанной полутоновой фотографией было изображение принца Артура , опубликованное 30 октября 1869 года. [6] Газета 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 Майзенбах запатентовал в Германии полутоновый процесс, который он назвал автотипией. [8] Его изобретение было основано на предыдущих идеях Бертольда и Свона. Он использовал однострочные экраны, которые поворачивались во время экспозиции для создания эффекта перекрестных линий. Он был первым, кто добился коммерческого успеха с помощью рельефных полутонов. [5]
Вскоре после этого Айвз, на этот раз в сотрудничестве с Луи и Максом Леви, еще больше усовершенствовал процесс, изобрел и начал коммерческое производство качественных сит с поперечной подкладкой. [5]
Процесс создания рельефных полутонов 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 в значительной степени независимым путем. В 1860-х годах компания A. Hoen & Co. сосредоточилась на методах, позволяющих художникам манипулировать тонами печатных камней ручной работы. [9] К 1880-м годам Хоэн работал над методами полутонов, которые можно было использовать в сочетании с камнями ручной работы или фотолитографией. [10] [11]
До появления оцифрованных изображений были разработаны специальные фотографические методы, позволяющие разбивать изображения в оттенках серого на отдельные точки. Самым ранним из них было «экранирование», когда перед пластиной камеры подвешивался экран из грубой ткани, который разбивал падающий свет на узор из точек посредством комбинации эффектов прерывания и дифракции . Затем фотопластинку можно было бы разработать с использованием методов фототравления для создания печатной формы.
В других методах использовался «экран», состоящий из параллельных полос ( правило Рончи ), который затем комбинировался со второй экспозицией с тем же экраном, ориентированным под другим углом. Другой метод заключался в экспонировании через экранную пластину с выгравированными на поверхности пересекающимися линиями. Позже стали использовать либо фотографические контактные экраны, либо иногда вообще не использовать экран, экспонируя непосредственно на литографической (чрезвычайно контрастной ) пленке с предварительно экспонированным полутоновым рисунком.
Разрешение полутонового экрана измеряется в строках на дюйм (lpi). Это количество линий точек на один дюйм, измеренное параллельно углу экрана. Разрешение экрана, известное как «линейка экрана», обозначается либо суффиксом lpi, либо решеткой; например, «150 lpi» или «150#».
Чем выше разрешение исходного файла в пикселях, тем больше деталей можно воспроизвести. Однако такое увеличение также требует соответствующего увеличения разрешения экрана, иначе результат будет страдать от постеризации . Таким образом, разрешение файла соответствует выходному разрешению. Точки трудно увидеть невооруженным глазом, но их можно различить через микроскоп или увеличительное стекло.
При объединении разных экранов может возникнуть ряд отвлекающих визуальных эффектов, в том числе чрезмерно подчеркнутые края, а также муаровый узор . Эту проблему можно решить, поворачивая экраны относительно друг друга. Угол экрана — еще одно распространенное измерение, используемое в печати. Он измеряется в градусах по часовой стрелке от линии, идущей влево (9 часов — это ноль градусов). Эти углы оптимизированы, чтобы избежать образования узоров и уменьшить перекрытие, из-за которого цвета могут выглядеть тусклее. [ нужна цитата ]
Полутоновое изображение также широко используется для печати цветных изображений. Общая идея та же: варьируя плотность четырех вторичных цветов печати: голубого, пурпурного, желтого и черного (аббревиатура CMYK ), можно воспроизвести любой конкретный оттенок. [12]
В этом случае может возникнуть дополнительная проблема. В простом случае можно создать полутона, используя те же методы, которые используются для печати оттенков серого, но в этом случае разные цвета печати должны оставаться физически близкими друг к другу, чтобы обмануть глаз, заставив его думать, что это один цвет. Для этого в отрасли стандартизирован набор известных углов, в результате чего точки формируются в маленькие круги или розетки.
Хотя круглые точки используются чаще всего, существует множество типов точек, каждый из которых имеет свои особенности. Их можно использовать одновременно, чтобы избежать эффекта муара. Как правило, предпочтительная форма точек также зависит от метода печати или печатной формы.
Цифровое полутоновое изображение заменило фотографическое полутоновое изображение с 1970-х годов, когда были разработаны «электронные генераторы точек» для устройств записи пленки, связанных со сканерами цветных барабанов, производимых такими компаниями, как Crosfield Electronics, Hell и Linotype-Paul.
В 1980-х годах полутона стали доступны в новом поколении фотонаборных устройств для записи пленки и бумаги, которые были разработаны на основе более ранних «лазерных наборных машин». В отличие от чистых сканеров или чистых наборщиков изображений, наборщики изображений могут 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. [14]
Первые лазерные принтеры, начиная с конца 1970-х годов, также могли генерировать полутона, но их исходное разрешение 300 точек на дюйм ограничивало разрешение экрана примерно до 65 точек на дюйм. Это было улучшено за счет введения более высокого разрешения 600 точек на дюйм и выше, а также методов сглаживания .
Во всех полутонах используется дихотомия высокочастотных и низкочастотных изображений. При фотографическом полутоновом изображении низкочастотный атрибут представляет собой локальную область выходного изображения, обозначаемую ячейкой полутонов. Каждая ячейка одинакового размера относится к соответствующей области (размеру и местоположению) входного изображения с непрерывным тоном. Внутри каждой ячейки высокочастотный атрибут представляет собой центрированную полутоновую точку переменного размера, состоящую из чернил или тонера. Отношение области с чернилами к площади без чернил выходной ячейки соответствует яркости или уровню серого входной ячейки. С подходящего расстояния человеческий глаз усредняет как высокочастотный видимый уровень серого, аппроксимированный соотношением внутри ячейки, так и низкочастотные видимые изменения уровня серого между соседними одинаково расположенными ячейками и центрированными точками.
Цифровая полутоновая обработка использует растровое изображение или растровое изображение, в котором каждый элемент или пиксель монохромного изображения может быть включен или выключен, с чернилами или без чернил. Следовательно, чтобы имитировать фотографическую полутоновую ячейку, цифровая полутоновая ячейка должна содержать группы монохромных пикселей внутри области ячейки одинакового размера. Фиксированное расположение и размер этих монохромных пикселей ухудшают дихотомию высокочастотных и низкочастотных изображений метода фотографических полутонов. Сгруппированные многопиксельные точки не могут «расти» постепенно, а только скачками в один целый пиксель. Кроме того, расположение этого пикселя немного смещено от центра. Чтобы свести к минимуму этот компромисс, цифровые полутоновые монохромные пиксели должны быть довольно маленькими — от 600 до 2540 или более пикселей на дюйм. Однако цифровая обработка изображений также позволила более сложным алгоритмам сглаживания решать, какие пиксели сделать черными или белыми, некоторые из которых дают лучшие результаты, чем цифровое полутоновое изображение. Недавно также было предложено цифровое полутоновое преобразование, основанное на некоторых современных инструментах обработки изображений, таких как нелинейная диффузия и стохастическое переворачивание. [15]
Самый распространенный метод создания экранов — амплитудная модуляция — создает регулярную сетку из точек разного размера. Другой метод создания экранов, частотная модуляция , используется в процессе, также известном как стохастический экран . Оба метода модуляции названы по аналогии с использованием терминов в телекоммуникациях. [16]
Обратное полутоновое преобразование или растрирование — это процесс восстановления высококачественных изображений с непрерывными тонами из полутоновой версии. Обратное полутоновое изображение — некорректная задача, поскольку разные исходные изображения могут создавать 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 полутонового изображения и, таким образом, теряется безвозвратно. Из-за разнообразия различных образцов полутонов не всегда очевидно, какой алгоритм использовать для достижения наилучшего качества.
Есть много ситуаций, когда реконструкция желательна. Для художников редактирование полутоновых изображений является сложной задачей. Даже простые модификации, такие как изменение яркости, обычно работают за счет 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 непрерывным тоном. Например, алгоритмы сжатия изображений более эффективны для этих изображений. [17] Другая причина — визуальный аспект, поскольку полутоновое изображение ухудшает качество изображения. Внезапные изменения тона исходного изображения удаляются из-за ограниченных изменений тона в полутоновых изображениях. Он также может приводить к искажениям и визуальным эффектам, например, муару . Особенно при печати на газете полутоновый рисунок становится более заметным благодаря свойствам бумаги. Путем сканирования и перепечатки этих изображений подчеркивается муаровый узор. Таким образом, их реконструкция перед перепечаткой важна для обеспечения приемлемого качества.
Основными этапами процедуры являются удаление полутоновых рисунков и реконструкция изменений тонов. В конечном итоге может потребоваться восстановление деталей для улучшения качества изображения. Существует множество алгоритмов обработки полутонов, которые в основном можно разделить на категории: упорядоченное сглаживание , диффузия ошибок и методы, основанные на оптимизации. Важно выбрать правильную стратегию удаления растра, поскольку они генерируют разные узоры, и большинство алгоритмов обратного полутонового изображения разработаны для определенного типа узора. Время — еще один критерий выбора, поскольку многие алгоритмы являются итеративными и, следовательно, довольно медленными.
Самый простой способ удалить полутоновые узоры — это применить фильтр нижних частот в пространственной или частотной области. Простой пример — фильтр Гаусса . Он отбрасывает высокочастотную информацию, которая размывает изображение, и одновременно уменьшает полутоновый рисунок. 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, а высокая полоса пропускания создает зашумленное изображение, поскольку не удаляет узор полностью. Из-за этого компромисса он не может восстановить разумную информацию о границах.
Дальнейшие улучшения могут быть достигнуты за счет улучшения кромок. Разложение полутонового изображения на его вейвлет-представление позволяет собирать информацию из разных частотных диапазонов. [18] Края обычно состоят из энергии верхних частот. Используя извлеченную информацию о верхних частотах, можно по-разному обрабатывать области вокруг краев, чтобы подчеркнуть их, сохраняя при этом информацию о нижних частотах среди гладких областей.
Другая возможность обратного полутонового изображения — использование алгоритмов машинного обучения на основе искусственных нейронных сетей . [19] Эти подходы, основанные на обучении, позволяют найти технику снятия скрининга, которая будет максимально приближена к идеальной. Идея состоит в том, чтобы использовать разные стратегии в зависимости от фактического полутонового изображения. Даже для разного контента в одном изображении стратегия должна быть разной. Сверточные нейронные сети хорошо подходят для таких задач, как обнаружение объектов , что позволяет выполнять дескринирование на основе категорий. Кроме того, они могут выполнять обнаружение краев, чтобы улучшить детализацию краевых областей. Результаты могут быть дополнительно улучшены с помощью генеративно-состязательных сетей . [20] Этот тип сети может искусственно генерировать контент и восстанавливать утерянные данные. Однако эти методы ограничены качеством и полнотой используемых обучающих данных. Невидимые шаблоны полутонов, которые не были представлены в обучающих данных, удалить довольно сложно. Кроме того, процесс обучения может занять некоторое время. Напротив, вычисление обратного полутонового изображения происходит быстрее по сравнению с другими итерационными методами, поскольку для этого требуется только один вычислительный шаг.
В отличие от других подходов, метод таблицы поиска не требует какой-либо фильтрации. [21] Он работает путем вычисления распределения окрестностей для каждого пикселя полутонового изображения. Таблица поиска предоставляет значение непрерывного тона для данного пикселя и его распределения. Соответствующая таблица поиска получается перед использованием гистограмм полутоновых изображений и соответствующих им оригиналов. Гистограммы показывают распределение до и после полутонового изображения и позволяют аппроксимировать значение непрерывного тона для конкретного распределения в полутоновом изображении. Для этого подхода необходимо заранее знать стратегию полутонового изображения, чтобы выбрать правильную таблицу поиска. Кроме того, таблицу необходимо пересчитывать для каждого нового образца полутонов. Генерация деэкранированного изображения происходит быстрее по сравнению с итеративными методами, поскольку требует поиска по пикселям.
{{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь )