Полутоновое растрирование

Большинство находящихся в обращении печатающих устройств, от офсетных печатающих машин до простейших струйных принтеров, используют принципы полутонового растрирования.
Если печать по принципу непрерывной передачи тона можно сравнить с работой малярным валиком или краскопультом, то устройства, использующие полутоновое растрирование, имеют в своем арсенале только кисточку-нулевку и скромную палитру не более чем из четырех красок.
Полутоновое растрирование (halftoning) — это способ имитации оттенков отдельными точками краски или тонера. По многим параметрам человеческий глаз представляет собой непревзойденную оптическую систему, но его разрешение весьма ограниченно. Поэтому множество отдельных точек небольшого размера воспринимается глазом на некотором отдалении в виде однородного поля. Яркость поля зависит от степени заполнения его точками краски (рис. 10-1). Чем меньше точек красителя нанесено на бумагу, тем более светлым кажется тон или краска. Эта психофизическая особенность человеческого зрения используется в устройствах с полутоновым растрированием для передачи градаций яркости и цвета. Рассмотрим принципы полутонового растрирования на примере изображений в градациях серого.

10-1. Имитация оттенков серого

Печатающее устройство наносит на бумагу точки краски или тонера и располагает их в узлах регулярной прямоугольной сетки, которую иногда называют физическим растром. Будем называть их печатными точками. Если напечатать страницу сплошным черным цветом и рассмотреть изображение через лупу, то регулярная сетка печатных точек будет отчетливо видна. Расстояние между печатными точками зависит от разрешающей способности устройства и размеров точек. Разрешающую способность (разрешение) принято измерять в точках на дюйм (dot per inch, dpi). Чем выше разрешение, тем ближе точки располагаются друг к другу и, следовательно, тем более тонкие детали изображения передаются при печати. Большинство современных принтеров имеет разрешение от 300 до 1440 точек на дюйм (от 118 до 566 точек на сантиметр). Разрешение профессионального полиграфического оборудования может превышать 3000 точек на дюйм.
Соседние точки физической сетки печатающего устройства объединяются в прямоугольники, которые называются полутоновыми ячейками (halftone cells). Из полутоновых ячеек образуется еще одна сетка, именуемая линейным растром (line screen). Линейный растр — это просто способ логической организации физического растра (рис. 10-2).

10-2. Физический и линейный растры

При выводе на печать пикселы изображения представляются полутоновыми ячейками, а не точками физического растра печатающего устройства. Меняя заполнение полутоновых ячеек печатными точками, можно имитировать градации яркости пикселов изображения. Обычно ячейки заполняются в радиальном направлении - от центра к периферии. Печатные точки могут образовывать различные фигуры, чаще всего это круги, эллипсы или квадраты.
Частота линейного растра или количество полутоновых ячеек на единицу длины называется линиатурой и измеряется в линиях на дюйм (line per inch, lpi). Например, линиатура в 100 линий на дюйм (100 lpi) означает, что печатающее устройство может сформировать 100 полутоновых ячеек на один дюйм. Линиатура — это один из самых важных параметров процесса печати, поскольку от него в значительной степени зависит качество напечатанной графики и текста.
Если направление линейного растра совпадает с направлением какой-либо части изображения, например, закрашенными полосами или градиентами, то может возникать своеобразный визуальный резонанс. Он проявляется в виде некоторого паразитного повторяющегося узора, который иногда не совсем справедливо называют муаром (moir). В окружающей человека техногенной среде доминируют вертикали и горизонтали, которые естественно воспроизводятся на компьютерных изображениях. Чтобы подавить появление муара в печатных оттисках, используется простой, но эффективный прием — поворот линейного растра. Для изображений в градациях серого по умолчанию устанавливается направление в 45 градусов, равноудаленное от вертикалей и горизонталей. В общем случае угол поворота растра не должен совпадать с доминирующим направлением рисунка.
При печати из FreeHand угол поворота растра можно изменить и для всей публикации (в установках драйвера постскриптовского печатающего устройства), и для каждого отдельного объекта (при помощи палитры Halftones).
Принято считать, что с повышением линиатуры растет качество изображений и они становятся четче и плотнее. Это утверждение справедливо, как любят говорить представители точных наук, «при прочих равных условиях». Качество печати будет расти, если изображение дает для этого основания, т. е. если оно содержит информацию, которая могла бы быть потеряна при печати с низкой линиатурой. Уловистость невода, конечно, зависит от размера ячейки. Но если в водоеме водится только крупная рыба, то процеживание его частиком — сеточным полотном с мелкой ячейкой, улова не прибавит.
Приведем ориентировочные значения. Ежедневные газеты печатаются с линиатурой, которая лежит в диапазоне 60-90 lpi, иллюстрированные журналы имеют линиатуру, примерно равную 100 pi, художественные издания, каталоги картинных галерей, фотоальбомы и др. могут печататься с линиатурой в 150 lpi и более.
Еще одна важная характеристика печати — это размеры полутоновой ячейки. От размеров ячейки зависит количество оттенков или градаций серого, которые можно получить при печати. Пусть, например, полутоновая ячейка имеет размеры восемь на восемь печатных точек. Тогда с ее помощью можно воспроизвести 64 оттенка серого цвета, от светло-серого, когда в ячейку заносится только одна печатная точка, до черного, для передачи которого требуется заполнить все точки ячейки. Ячейка со стороной, равной 16, может передать 16*16=256 оттенков серого цвета. Человеческий глаз воспринимает около двухсот градаций серого. Печать изображения, богатого тонами, при помощи ячейки маленьких размеров может привести к обеднению тонового диапазона печатного оттиска, к появлению различимых границ и пятен, которые отсутствовали в оригинале. Изображения с обедненным тоновым диапазоном называются постеризованными. Иногда постеризацию применяют намеренно, как специальный эффект для достижения определенных художественных целей.
Кажется, что рецепт качественной печати прост. Чтобы обеспечить точность и корректную передачу тонов, следует выбрать достаточно большие значения линиатуры и размеров полутоновой ячейки. Однако все не так просто. Линиатура и размеры ячейки конфликтуют между собой «в борьбе за господство» над физическим растром печатающего устройства (см. рис. 10-2). В самом деле, увеличение размеров ячейки приводит к уменьшению частоты линейного растра. И наоборот, увеличение количества линий растра приводит к сокращению размеров полутоновой ячейки.
Связь между линиатурой и длиной стороны полутоновой ячейки выражается следующей формулой:

Из этого выражения легко найти соотношение между количеством оттенков серого и диктатурой растра.

Если белый цвет считать одним из оттенков серого, то к правой части этой формулы надо добавить единицу.
Чтобы отпечатать изображение с сохранением всех 256 полутонов, требуется полутоновая ячейка с длиной стороны 16. Если оцифрованный оригинал имеет разрешение 300. dpi, то для правильного воспроизведения изображения печатающее устройство должно иметь разрешение 16*300=4800 dpi. Эта величина значительно перекрывает разрешающие способности обычной печатающей техники и достижима только для высококлассных печатающих автоматов. Поскольку невозможно одновременно получить высокую точность печати и сохранить все оттенки оригинала, качественная печать — это всегда компромисс между точностью и балансом тонов.
Частоту линейного растра можно менять при помощи некоторых программ, имеющих средства для управления профессиональной печатью, и драйверов постскриптовских печатающих устройств. К числу таких программ относится и FreeHand. При помощи палитры Halftones (<Ctrl>+<H>) можно установить линиатуру для любого объекта. Принтеры, использующие отличные от постскрипта способы описания выводимых на печать страниц, обычно имеют фиксированную линиатуру, которая устанавливается изготовителем. Для лазерных принтеров с разрешением 300 dpi она лежит в диапазоне от 45 до 65 lpi. Принтеры с разрешением 1200 dpi могут печатать с линиагурой 90 Ipi и выше.
При выборе параметров печати, кроме рекомендаций общего характера, следует принять во внимание особенности данного изображения. Например, для рисунков, бедных тонами, можно безболезненно уменьшить размеры полутоновой ячейки. Изображения с ограниченным количеством полутонов часто встречаются в плакатной графике и среди технических рисунков. Чтобы не допустить огрубления изображения, изобилующего мелкими деталями, следует увеличить частоту линейного растра. Обычно к потерям деталей очень чувствительны некоторые виды фотоизображений, карты, чертежи, схемы и др.
Если оценить микроструктуру изображения можно «на глазок», без использования специальных методов или средств, то подсчитать «вручную» количество оттенков серого цвета в некоторых случаях весьма затруднительно. Рассмотрим, как можно получить точную оценку числа градаций серого цвета изображения средствами программы Photoshop. Для этого необходимо:

По команде File|Export сохранить документ FreeHand в формате Photoshop 4/5 EPS или Photoshop 3 EPS;
Вызвать программу Photoshop и открыть сохраненный файл. Перед открытием изображения в формате EPS оно должно быть растеризовано, поэтому Ptotoshop выведет диалоговое окно Rasterize Generic EPS Format. В поле Mode надо выбрать RGB Color, а все остальные параметры можно оставить без изменений;
Выполнить команду Image|Mode|Indexed Color и ответить утвердительно на запрос программы «Flatten Layers?» (Выполнить сведение слоев?);
Программа выведет диалоговое окно Indexed Color. Если изображение содержит меньше 256 тонов, то в поле Palette (Палитра) будет написано Exact (Точная), а переменная Colors покажет точное количество оттенков. Если программа не предлагает палитру Exact, то это значит, что количество тонов изображения превышает 256.

Принципы полутонового растрирования и цифровой печати монохромных изображений применяются и для цветной печати. При выводе на печать цвет получается смешением в различных пропорциях четырех базовых красок: голубой (Cyan), пурпурной (Magenta), желтой (Yellow) и черной (Black). Эта цветовая система называется CMYK по первым буквам названий цветовых координат (черный цвет представлен последней буквой своего английского имени). Свойства системы CMYK и основные принципы цветового синтеза в этой модели рассматривались в главе «Цвет».
Цветные тона печатного оттиска получаются в результате смешения четырех базовых цветов различной интенсивности. Изменение интенсивности каждой цветовой координаты выполняется так же, как и для оттенков серого цвета, — при помощи полутонового растрирования.

Содержание раздела