Полутона - Википедия - Halftone

Эта статья о графической технике. О музыкальном интервале см. Полутон. О музыкальной ноте см. Половина ноты.
Слева: полутоновые точки. Справа: как человеческий глаз мог бы видеть такое устройство с достаточного расстояния.

Полутона это репрографический техника, которая имитирует непрерывный тон изображения за счет использования точек, различающихся по размеру или расстоянию, создавая таким образом эффект градиента.[1] «Полутон» также может использоваться для обозначения изображения, которое создается в результате этого процесса.[1]

Где изображения с непрерывным тоном содержат бесконечный диапазон цвета или же серые, полутоновый процесс уменьшает визуальные репродукции до изображения, напечатанного чернилами только одного цвета, в точках разного размера (широтно-импульсная модуляция ) или интервал (модуляция частоты ) или оба. Это воспроизведение опирается на основные оптическая иллюзия: когда полутоновые точки маленькие, человеческий глаз интерпретирует узорчатые области, 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. Подробнее см. зернистость.

Как только цветная фотография эволюционировал с добавлением фильтры и слоев пленки, цветная печать стала возможной благодаря повторению полутонового процесса для каждого субтрактивный цвет - чаще всего используется так называемый "Цветовая модель CMYK ".[2] Полупрозрачное свойство чернила позволяет использовать полутоновые точки разных цветов для создания еще одного оптического эффекта - полноцветных изображений.[1]

История

Обложка The Canadian Illustrated News с полутоновой фотографией принца Артура.
Первая напечатанная фотография с использованием полутонов в канадском периодическом издании, 30 октября 1869 г.
Многоцветная открытка (1899 г.), напечатанная из полутоновых пластин ручной работы.

Хотя раньше существовали процессы механической печати, которые могли имитировать тон и тонкие детали фотографии, в первую очередь Вудберитип Из-за дороговизны и практичности их нельзя было использовать в массовой коммерческой печати с использованием рельефной печати.

Раньше большинство газетных картинок представляли собой ксилографии или гравюры на дереве, сделанные из деревянных блоков ручной работы, которые, хотя их часто копировали с фотографий, больше напоминали нарисованные от руки эскизы. Коммерческим типографам нужен практический способ реалистичного воспроизведения фотографий на отпечатанной странице, но в большинстве обычных процессов механической печати можно печатать только области чернил или оставлять пустые области на бумаге, а не фотографический диапазон оттенков; только черные (или цветные) чернила, либо ничего. Полутоновый процесс преодолел эти ограничения и стал основным продуктом книжной, газетной и другой периодической индустрии.[3]

Уильям Фокс Талбот приписывают идею полутоновой печати. В патенте 1852 г. он предложил использовать «фотографические экраны или вуали» в сочетании с фотографическим инталия процесс.[4][5]

В последующие десятилетия было предложено несколько различных видов экранов. Одна из первых попыток была сделана Уильям Легго с его легкоготипом, работая на Канадские иллюстрированные новости. Первая напечатанная полутоновая фотография представляла собой изображение Принц Артур опубликовано 30 октября 1869 г.[6] В New York Daily Graphic позже опубликовал «первую репродукцию фотографии с полным диапазоном тонов в газете» 4 марта 1880 года (озаглавленную «Сцена в Шэнттауне») с грубым полутоновым экраном.[7]

Первый действительно успешный коммерческий метод был запатентован Фредерик Айвз из Филадельфия в 1881 г.[5][7] Хотя он нашел способ разбить изображение на точки разного размера, он не использовал экран. В 1882 году немецкий Георг Майзенбах запатентовал полутоновый процесс в Англии. Его изобретение было основано на предыдущих идеях Берхтольда и Суона. Он использовал экраны с одной линией, которые поворачивались во время экспонирования для создания эффектов с поперечными линиями. Он был первым, кто добился коммерческого успеха с облегчение полутона.[5]

Вскоре после этого Айвс, на этот раз в сотрудничестве с Луи и Максом Леви, еще больше усовершенствовал процесс, изобретя и коммерческое производство качественных сеток с поперечными линиями.[5]

В облегчение полутоновый процесс почти сразу оказался успешным. Использование полутоновых блоков в популярных журналах стало регулярным в начале 1890-х годов.[5]

Развитие методов полутоновой печати для литография похоже, пошла в значительной степени независимым путем. В 1860-х годах A. Hoen & Co. сосредоточился на методах, позволяющих художникам манипулировать тонами обработанных вручную камней для печати.[8] К 1880-м годам Хоэн работал над полутоновыми методами, которые можно было использовать вместе с камнями ручной работы или с фотолитографическими камнями.[9][10]

Полутоновый фотоэкран

До оцифровки изображений были разработаны специальные фотографические методы, позволяющие разбивать изображения в оттенках серого на отдельные точки. Самым ранним из них был «экранирование», когда экран из грубой ткани подвешивался перед экспонированием пластины камеры, разбивая падающий свет на узор из точек с помощью комбинации прерывания и дифракция последствия. Затем фотопластинка может быть проявлена ​​с использованием техники фототравления для создания печатной формы.

В других техниках использовался «экран», состоящий из горизонтальных полос (a Рончи правление ), который затем был объединен со второй экспозицией с экраном из вертикально ориентированных полос. Еще один метод заключался в использовании специально разработанной пластины с предварительно вытравленными на поверхности горизонтальными линиями.

Традиционное полутоновое изображение

Разрешение полутоновых экранов

Типичное разрешение полутонов
Снимок экрана45–65 линий на дюйм
Лазерный принтер (300 точек на дюйм)65 lpi
Лазерный принтер (600 точек на дюйм)85–105 линий на дюйм
Офсетная печать (газетная бумага)85 lpi
Офсетная печать (мелованная бумага)85–185 линий на дюйм

Разрешение полутонового экрана измеряется в линий на дюйм (lpi). Это количество линий точек на один дюйм, измеренное параллельно углу экрана. Разрешение экрана, известное как линейка экрана, записывается либо с помощью суффикса lpi, либо с помощью решетки; например, «150 линий на дюйм» или «150 #».

Чем выше разрешение в пикселях исходного файла, тем больше деталей можно воспроизвести. Однако такое увеличение также требует соответствующего увеличения линейности экрана, иначе вывод будет страдать от постеризация. Следовательно, разрешение файла согласуется с выходным разрешением.

Несколько экранов и цветное полутоновое изображение

Три примера современных цветных полутонов с цветоделением CMYK. Слева направо: разделение голубого, пурпурного, желтого и черного цветов, комбинированный полутоновый узор и, наконец, то, как человеческий глаз будет наблюдать комбинированный полутоновый рисунок с достаточного расстояния.
Этот крупный план полутонового отпечатка показывает, что пурпурный поверх желтого выглядит как оранжево-красный, а голубой поверх желтого выглядит как зеленый.
Примеры типичных CMYK полутон углы экрана

При объединении разных экранов может возникнуть ряд отвлекающих визуальных эффектов, в том числе чрезмерно подчеркнутые края, а также муаровый узор. Эту проблему можно уменьшить, поворачивая экраны относительно друг друга. Этот угол экрана - еще одно распространенное измерение, используемое в печати, и измеряется в градусах по часовой стрелке от линии, идущей влево (9 часов - ноль градусов).

Полутоновое изображение также обычно используется для печати цветных изображений. Общая идея та же, за счет изменения плотности четырех вторичных цветов печати: голубого, пурпурного, желтого и черного (аббревиатура CMYK ) можно воспроизвести любой конкретный оттенок.[11]

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 разные цвета печати должны оставаться физически близкими друг к другу, чтобы заставить глаз думать, что они являются одним цветом. Для этого в отрасли стандартизован набор известных углов, в результате чего точки образуют маленькие круги или розетки.

Точки нелегко увидеть невооруженным глазом, но их можно различить через микроскоп или увеличительное стекло.

Точечные формы

Хотя круглые точки используются чаще всего, доступно много типов точек, каждый из которых имеет свои особенности. Их можно использовать одновременно, чтобы избежать эффекта муара. Как правило, предпочтительная форма точки также зависит от метода печати или печатной формы.

  • Круглые точки: наиболее распространены, подходят для светлых изображений, особенно для оттенков кожи. Они встречаются при тональном значении 70%.
  • Эллиптические точки: подходят для изображений с большим количеством объектов. Эллиптические точки встречаются при тональных значениях 40% (заостренные концы) и 60% (длинная сторона), поэтому существует риск появления узора.
  • Квадратные точки: лучше всего подходят для детализированных изображений, не рекомендуется для оттенков кожи. Углы встречаются при тональном значении 50%. Переход между квадратными точками иногда может быть виден человеческому глазу.[12]

Цифровое полутоновое изображение

Цифровое полутоновое изображение пришло на смену фотографическому полутоновому изображению с 1970-х годов, когда были разработаны «электронные генераторы точек» для записывающих устройств, связанных со сканерами цветных барабанов, производимых такими компаниями, как Crosfield Electronics, Hell и Linotype-Paul.

В 1980-х годах полутоновое изображение стало доступно в новом поколении фотонабор пленочные и бумажные записывающие устройства, которые были разработаны на основе более ранних «лазерных наборных машин». В отличие от обычных сканеров или чистых наборных машин, имиджсеттеры могут создавать все элементы на странице, включая шрифт, фотографии и другие графические объекты. Ранние примеры широко использовались Линотип Линотроник 300 и 100, представленные в 1984 году, которые также первыми предложили PostScript RIP в 1985 г.[13]

Рано лазерные принтеры с конца 1970-х годов также можно было генерировать полутона, но их исходное разрешение 300 dpi ограничивало линирование экрана примерно до 65 lpi. Это было улучшено как более высокое разрешение 600 dpi и выше, и дизеринг техники.

Все полутоновые изображения используют дихотомию высоких / низких частот. При фотографическом полутоновом изображении 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. В каждой ячейке высокочастотный атрибут представляет собой центрированную полутоновую точку переменного размера, состоящую 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 кажущийся уровень серого, аппроксимированный соотношением внутри ячейки, так и видимые низкочастотные изменения уровня серого между соседними равноотстоящими ячейками и центрированными точками.

Цифровое полутоновое изображение использует растр изображение или растровое изображение, в котором каждый монохромный элемент изображения или пиксель может быть включен или выключен, чернила или нет чернил. Следовательно, чтобы имитировать ячейку фотографических полутонов, ячейка цифровых полутонов должна содержать группы монохромных пикселей в пределах области ячейки одинакового размера. Фиксированное расположение и размер этих монохромных пикселей ставят под угрозу дихотомию высоких / низких частот метода фотографических полутонов. Сгруппированные многопиксельные точки не могут «расти» постепенно, а скачками на один целый пиксель. Кроме того, этот пиксель расположен немного не по центру. Чтобы свести к минимуму 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 сделать более сложные алгоритмы дизеринга чтобы решить, какие пиксели сделать черными или белыми, некоторые из которых дают лучшие результаты, чем цифровое полутоновое изображение. Цифровое полутоновое изображение, основанное на некоторых современных инструментах обработки изображений, таких как нелинейная диффузия и стохастическое отражение, также было недавно предложено.[14]

Модуляция

Самый распространенный метод создания экранов, амплитудная модуляция, создает регулярную сетку из точек разного размера. Другой способ создания экранов, модуляция частоты, используется в процессе, также известном как стохастический скрининг. Оба метода модуляции названы по аналогии с употреблением терминов в телекоммуникациях.[15]

Обратное полутоновое изображение

Исходное изображение
Исходное изображение
Изображение с искажениями
Изображение с искажением
Изображение без экрана
Изображение без экрана

Обратное полутоновое изображение или деэкранирование - это процесс восстановления высококачественных изображений с непрерывным тоном из полутоновой версии. Обратное полутоновое изображение - некорректно поставленная проблема, потому что 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 полутонового изображения и, таким образом, безвозвратно теряется. Из-за разнообразия различных полутоновых изображений не всегда очевидно, какой алгоритм использовать для получения наилучшего качества.

Есть много ситуаций, когда требуется реконструкция. Для художников редактировать полутоновые изображения - непростая задача. 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, для этих изображений более эффективны алгоритмы сжатия изображений.[16] Другой причиной является визуальный аспект, поскольку полутоновое изображение ухудшает качество изображения. Внезапные изменения тона исходного изображения удаляются из-за ограниченных вариаций тона в полутоновых изображениях. Он также может вносить искажения и визуальные эффекты, такие как муаровые узоры. Полутоновый узор, особенно при печати на газете, становится более заметным благодаря свойствам бумаги. Сканированием и перепечаткой этих изображений подчеркивается муар. Таким образом, реконструкция их перед повторной печатью важна для обеспечения приемлемого качества.

Пространственная и частотная фильтрация

Основные этапы процедуры - удаление полутоновых узоров и восстановление изменений тонов. В конце концов, может потребоваться восстановить детали, чтобы улучшить качество изображения. Существует множество алгоритмов полутонового изображения, которые в основном можно разделить на категории заказанный дизеринг, распространение ошибок, и методы, основанные на оптимизации. Важно выбрать правильную стратегию деэкранирования, поскольку они генерируют разные шаблоны, а большинство алгоритмов обратного полутонового изображения предназначены для определенного типа рисунка. Время - еще один критерий выбора, потому что многие алгоритмы итеративны и поэтому довольно медленны.

Самый простой способ удалить полутоновые узоры - это применить фильтр нижних частот либо в пространственной, либо в частотной области. Простой пример - Гауссов фильтр. 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 правильно подобрать пропускная способность. Слишком ограниченная полоса пропускания размывает края, в то время как высокая пропускная способность создает зашумленное изображение, поскольку не удаляет узор полностью. Из-за этого компромисса он не может восстановить разумную информацию о границах.

Дальнейшее улучшение может быть достигнуто за счет улучшения кромок. Разложение полутонового изображения на вейвлет-представление позволяет собирать информацию из разных частотных диапазонов.[17] Края обычно состоят из высокочастотной энергии. Используя извлеченную информацию о высоких частотах, можно по-разному обрабатывать области вокруг краев, чтобы выделить их, сохраняя при этом информацию о низких частотах среди гладких областей.

Фильтрация на основе оптимизации

Другой возможностью инверсного полутонового изображения является использование машинное обучение алгоритмы на основе искусственные нейронные сети.[18] Эти подходы, основанные на обучении, позволяют найти метод снятия скрининга, максимально приближенный к идеальному. 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 объекта что позволяет дескринировать по категориям. Кроме того, они могут обнаруживать края, чтобы улучшить детализацию краевых областей. Результаты можно улучшить, если генеративные состязательные сети.[19] Этот тип сети может искусственно генерировать контент и восстанавливать потерянные детали. Однако эти методы ограничены качеством и полнотой используемых обучающих данных. Невидимые образцы полутонового изображения, которые не были представлены в обучающих данных, удалить довольно сложно. Кроме того, процесс обучения может занять некоторое время. Напротив, вычисление инверсного полутонового изображения происходит быстрее по сравнению с другими итерационными методами, поскольку для этого требуется только один вычислительный шаг.

Справочная таблица

В отличие от других подходов, Справочная таблица не требует фильтрации.[20] Он работает путем вычисления распределения окрестностей для каждого пикселя полутонового изображения. Таблица поиска предоставляет значение непрерывного тона для данного пикселя и его распределения. Соответствующая справочная таблица получается перед использованием гистограмм полутоновых изображений и их соответствующих оригиналов. Гистограммы показывают распределение до и после полутонового изображения и позволяют приблизительно определить значение непрерывного тона для определенного распределения в полутоновом изображении. Для этого подхода стратегия полутонового изображения должна быть известна заранее для выбора подходящей таблицы поиска. Кроме того, таблицу необходимо пересчитывать для каждого нового образца полутонового изображения. Генерация деэкранированного изображения происходит быстрее по сравнению с итеративными методами, поскольку требует поиска на пиксель.

Смотрите также

Значительные академические исследовательские группы

Рекомендации

  1. ^ а б c Кэмпбелл, Аластер. Лексикон дизайнера. © 2000 Chronicle, Сан-Франциско.
  2. ^ МакКью, Клаудия. Печатная продукция в реальном мире. © 2007, Пичпит Беркли.
  3. ^ Ханнави, Джон (2008), Энциклопедия фотографии XIX века, Тейлор и Фрэнсис Групп, ISBN  978-0-203-94178-2
  4. ^ Справочник патентных изобретений | 1853 г.. 1853.
  5. ^ а б c d е Твайман, Майкл. Печать 1770–1970: иллюстрированная история ее развития и использования в Англии. Эйр и Споттисвуд, Лондон 1970.
  6. ^ "Первые полутона". Библиотека и архивы Канады. Архивировано из оригинал на 2009-08-17. Получено 17 сентября, 2007.
  7. ^ а б Меггс, Филип Б. История графического дизайна. John Wiley & Sons, Inc. 1998. стр. 141. ISBN  0-471-29198-6.
  8. ^ Август Хоэн, Состав для травления камня, Патент США 27981, 24 апреля 1860 г.
  9. ^ Август Хоэн, Литографический процесс, Патент США 227730, 15 мая 1883 г.
  10. ^ Август Хоэн, Литографический процесс, Патент США 227,782, 18 мая 1880 г.
  11. ^ Полутоновые трафареты в печати «Использование растров полутоновых линий для печати цифровых изображений на прессе». (последняя проверка 20 апреля 2009 г.)
  12. ^ Кей Йоханссон, Питер Лундберг и Роберт Риберг, Руководство по производству графической печати. 2-е изд. Хобокен: Wiley & Sons, стр. 286f. (2007).
  13. ^ История линотипа - 1973–1989 гг.
  14. ^ Шен, Джеки (Цзяньхун) (2009). «Полутоновое изображение наименьших квадратов с помощью системы человеческого зрения и Марковского градиентного спуска (LS-MGD): алгоритм и анализ». SIAM Rev. 3. 51 (3): 567–589. Bibcode:2009SIAMR..51..567S. Дои:10.1137/060653317.
  15. ^ Гаурав Шарма (2003). Справочник по цифровой цветной печати. CRC Press. п. 389. ISBN  978-0-8493-0900-7.
  16. ^ Мин Юань Тин; Рискин, Э.А. (1994). «Сжатие изображений с диффузной ошибкой с использованием декодера бинарной шкалы в градацию серого и прогнозируемого отсеченного векторного квантования с древовидной структурой». IEEE Transactions по обработке изображений. 3 (6): 854–858. Bibcode:1994ITIP .... 3..854T. Дои:10.1109/83.336256. ISSN  1057-7149. PMID  18296253.
  17. ^ Цзысян Сюн; Орчард, М.Т .; Рамчандран, К. (1996). «Обратное полутоновое изображение с помощью вейвлетов». Труды 3-й Международной конференции IEEE по обработке изображений. IEEE. 1: 569–572. Дои:10.1109 / icip.1996.559560. ISBN  0780332598. S2CID  35950695.
  18. ^ Ли, Ицзюнь; Хуанг, Цзя-Бинь; Ахуджа, Нарендра; Ян, Мин-Сюань (2016), «Глубокая совместная фильтрация изображений», Компьютерное зрение - ECCV 2016, Springer International Publishing, стр. 154–169, Дои:10.1007/978-3-319-46493-0_10, ISBN  9783319464923
  19. ^ Ким, Тэ-Хун; Пак, Санг Иль (30.07.2018). «Глубокое контекстно-зависимое деэкранирование и повторное экранирование полутоновых изображений». Транзакции ACM на графике. 37 (4): 1–12. Дои:10.1145/3197517.3201377. ISSN  0730-0301. S2CID  51881126.
  20. ^ Murat., Mese (2001-10-01). Метод справочной таблицы (LUT) для инверсного полутонового изображения. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, Inc-IEEE. OCLC  926171988.

внешняя ссылка