Способы передачи изображения: аддитивный и субтрактивный синтез

 

Физика формирования изображения для разных устройств различна. Используя монитор, мы имеем дело с так называемым аддитивным RGB-синтезом, где каждый конкретный цвет получается путем оптического смешения трех цветовых составляющих - красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue) каналов. Монитор с электронно-лучевой трубкой, или ЭЛТ (Cathode Ray Tube, CRT), при построении изображения использует одну или три электронные пушки. В первом случае - при использовании одного канала - получается монохромное изображение, с некоторым числом градаций яркости, поскольку монитор является полутоновым устройством и каждый его люминофорный элемент, формирующий на экране изображение, способен излучать свет с несколькими уровнями яркости. В обычных цветных кинескопах используется три электронные пушки красного, зеленого и синего цветов. При максимальной и сбалансированной интенсивности во всех трех пушках мы получаем белый цвет. При различиях в интенсивности разных пушек мы получаем производный цвет, образованный из суммарной яркости каждого отдельно взятого основного цвета. Например, оптическое смешение красного (red) и зеленого (green) цветов даст желтый цвет. Аналогично образуются все другие цвета изображения - как различные комбинации яркости его базовых составляющих.

 

Устройства, наносящие изображение на бумагу, производят синтез цвета, используя совершенно другие физические и оптические законы. Изображение на бумаге не излучает света и, цвета, которые мы видим, рассматривая полученный отпечаток,- это фактически оптический синтез отраженных лучей света, поступивших от некоторого источника освещения. Лучи света, попадая на изображение, частично поглощаются, а частично отражаются. Именно отраженные лучи определяют тот цвет или оттенок, который мы видим в определенной точке изображения. Эта модель формирования цвета получила название субтрактивного синтеза, так как цвет наблюдаемой точки является разностной составляющей света, падающего на нее, и света, поглощенного ею.

 

Таким образом, вид изображения может зависеть от множества факторов, сопутствующих его просмотру. На практике на внешний вид отпечатка влияют как использованные при печати краски, так и материал, на который они были нанесены, а также условия освещения и просмотра нашего изображения. Различия одного и того же исходного изображения, полученного на разных печатающих устройствах, а также не всегда одинаковый вид одного и того же отпечатанного изображения при разных условиях просмотра - все это является источником постоянной головной боли профессионалов, работающих с цветом: дизайнеров, полиграфистов, специалистов по компьютерной графике и людей смежных специальностей. Сложность их задачи состоит в том, что всем им приходится учитывать, как одно и то же изображение будет выглядеть в другой системе, при использовании другого монитора или видеоадаптера, или как оно будет напечатано на другом принтере.

 

Непосредственно нанесение изображения на запечатываемый материал осуществляется с использованием базового набора из нескольких стандартных красок. Обычно, это голубая (Cyan), пурпурная (Magenta), желтая (Yellow) и черная (blacK) краски. По названиям использованных красок была соответствующим образом названа и сама субтрактивная цветовая модель - CMYK. Последняя, черная краска обозначается буквенным индексом K, а не B, чтобы не создавать дополнительной путаницы с синим цветом (Blue). Три первые краски используются для получения всех цветов и оттенков изображения. Черная же применяется для теневых зон изображения - как дополнительный компонент.

 

Почему нельзя обойтись без черного? Ведь теоретически, как известно из курса физики, при смешении трех базовых цветов мы должны получить черный цвет. Дело в том, что природа используемых красителей или печатных красок во многом несовершенна - и при смешении трех цветовых составляющих получить черный цвет нельзя. Вместо черного получается обычно недостаточно темный и грязно-коричневый цвет, который может называться как угодно, но только не нейтральным черным. "Поддерживающая" черная краска замещает собой часть CMY-красок изображения и используется, как правило, в самых темных его участках. А еще таким образом можно сэкономить цветную краску, чернила или тонер. Имеются и некоторые другие позитивные стороны использования черного цвета.

 

По сути, процесс перехода из аддитивной цветовой модели RGB (или любой другой) в субтрактивную модель CMYK и называется цветоделением. Несмотря на кажущуюся простоту этого процесса (например, в Adobe PhotoShop для перехода в модель CMYK достаточно вызвать команду Image =>Mode =>CMYK), технологическая сторона этого перехода часто остается для пользователя "за кадром". А цветоделением можно и нужно управлять! Например, задав два разных уровня генерации черной краски, мы можем получить два разных в печати изображения, которые будут совершенно одинаково выглядеть на экране. И хотя рассмотрение цветоделения не является темой данной статьи, упомянуть о нем мы были обязаны, поскольку происходит оно каждый раз, когда мы производим печать какого-либо файла или переходим при работе в графическом редакторе из начальной рабочей цветовой модели в CMYK. Цветоделение, по сути,- это отдельная большая наука, которой профессионалы от полиграфии руководствуются в повседневной работе (например, управляя серым балансом, уровнем генерации черной краски, уровнем растискивания или другими параметрами).

 

При упоминании метода формирования изображения на экране монитора, мы уже говорили, что монитор является полутоновым устройством, то есть он способен одним и тем же участком матрицы люминофоров воспроизводить множество значений яркости. Принтеры, равно как и печатные машины, использующиеся в "большой полиграфии", в подавляющем большинстве случаев не являются полутоновыми и не способны одновременно наносить краситель, тонер или чернила с разной интенсивностью. Все они не в состоянии непосредственно при печати смешивать краски и наносить на разные участки запечатываемого материала разные смесевые цвета, количество которых в разных устройствах может варьироваться от одного, четырех или шести и до другого числа стандартных "базисных" цветов в некоторых особых случаях. Однако полутона в изображениях они все же передают. Следовательно, чтобы получить в принтерном изображении различные оттенки того или иного цвета, должен использоваться какой-то другой механизм дозированного нанесения краски на бумагу. Этот механизм достаточно прост, как и все гениальное,- и называется он процессом растрирования.

 

Растрирование

 

Растрирование (Screening) - это метод передачи полутонов изображения на неполутоновых устройствах с помощью специальных простых геометрических фигур - растровых точек.

 

Состоит этот метод в следующем. Исходное полутоновое изображение для печати, которое нам необходимо передать на неполутоновом устройстве, анализируется и выводится на печать набором специальных геометрически правильных фигур - растровых точек, характеристики которых определяют цвет нашего изображения и его визуальную (оптическую) плотность. А растровая точка (screen dot или raster dot) - это элементарная простая геометрическая фигура, формирующая растровый рисунок. Она может быть различной формы - и форм этих за время существования полиграфической отрасли было перепробовано огромное множество. О наиболее часто используемых формах растра будет сказано ниже.

 

Существуют две методики растрирования и, соответственно, два способа передачи полутонов на неполутоновых устройствах:

  • печать растровыми точками одинакового размера (но разным их количеством);
  • печать растровыми точками различного размера (при их неизменном количестве).

В первом случае меняется, фактически, частота появления растровых точек на бумаге - в зависимости от насыщенности изображения. Поэтому этот метод растрирования называется частотно-модулированным (ЧМ-растрирование, англ. - FM-screening). При формировании рисунка этим методом растровые точки наносятся хаотично и неупорядочено относительно друг друга (поэтому растры этого типа иногда называют нерегулярными или стохастическими).

 

У таких растров всего один непосредственный параметр - размер отдельно взятой точки. Он определяется настройками драйвера печати и характеристиками устройства вывода - размером микропятна печатающего устройства. Минимальные значения этого параметра ограничены объемом капли, создаваемой печатающей головкой. На практике этот показатель современных моделей принтеров, как правило, колеблется от двух до нескольких десятков пиколитров. Настройками в диалоговом окне принтера, печатающего этим растром, мы, по сути, устанавливаем разрешение (или максимальную плотность нанесения точек на единицу длины печати). Эта величина, во многом определяющая качество печати, называется разрешением в точках на дюйм и обозначается как dpi (dots per inch). Понятно, что, чем мельче размер отдельно взятой капли и чем выше разрешение в dpi, тем меньше будет заметна дискретность готового отпечатанного изображения.

 

Наиболее типичным примером устройства, в котором используется нерегулярный стохастический FM-растр, может служить струйный принтер. На рис. 1 показан увеличенный фрагмент простого изображения, отпечатанный с помощью этой методики растрирования.

 

 

Простота формирования этого растра может привести к выводу о простоте профессионального применения в печати этого растра. К сожалению, это не так. То, что хорошо и достаточно просто для настольного принтера, не всегда просто и достижимо в "большой" полиграфии. Использование в ней нерегулярных частотно-модулированных растров, как правило, сопряжено с целым рядом практических трудностей - требуется использование значительно более высококачественного оборудования, как при печати, так и на допечатной стадии. Большинство изданий, как и журнал, который вы сейчас читаете, печатается по другой технологии.

 

Полиграфистами уже достаточно давно был придуман альтернативный способ растрирования. Это так называемое амплитудно-модулированное растрирование, или АМ-растрирование (AM-screening). Если коротко, это метод получения полутонов с использованием растровых точек переменного размера с неизменным их числом на единицу площади запечатываемой поверхности.

 

В АМ-растрах используется несколько другой подход к формированию рисунка. В зависимости от того, насколько светлым или темным является определенный участок изображения, его печать на бумаге происходит в виде растровых точек разного размера. На светлых участках точки достаточно малы и малозаметны. В полутоновой части они занимают примерно половину запечатываемой площади рисунка и формируют характерную "шахматку" (хотя это зависит от формы растровой точки). В теневых же участках точки настолько велики, что занимают почти всю площадь запечатываемого материала - при этом промежутки между растровыми точками становятся практически не видны.

 

Относительную площадь, занимаемую растровой точкой в изображении, называют растровой плотностью и выражают в процентах. Например, растровая плотность в 50% подразумевает, что растровая точка занимает половину площади запечатываемого материала (рис. 2). Именно поэтому, например, в Adobe PhotoShop цветовые значения в CMYK задаются в процентных значениях от 0 до 100, а цветовые значения в RGB - числами в пределах от 0 до 255 (256 градаций на один канал изображения). Число градаций и глубина цвета, однако, при этом остаются без изменений: на один канал CMYK-изображения по-прежнему приходится 8 бит информации (в данном случае мы не рассматриваем случаи использования повышенной глубины цвета).

 

 

Сначала читателю может показаться, что второй метод формирования изображения достаточно сложен и по сравнению с предыдущим несколько неуклюж. Однако это только первое впечатление. Несмотря на то что у амплитудно-модулированных растров, по сравнению с FM-растрами на допечатной стадии, имеется огромное число недостатков (дискретность изображения, возможность появления муара в печати или при повторном сканировании, а также сравнительная трудность в реализации алгоритмов растрирования в целом), АМ-растры значительно проще печатать. Они наиболее часто используются в "большой" полиграфии, а также в большинстве моделей "не струйных" принтеров. "Бутылочным горлышком" стохастических растров остается высокая сложность их практического получения в профессиональной печати, нелинейность градационных показателей растра и достаточно высокие требования к печатному. Ответом печатной индустрии был отказ от массового применения стохастических методов растрирования - несмотря на все потенциальные преимущества последних. Впрочем, полного отказа от этой технологии, конечно же, не произошло - и именно в силу ряда ее преимуществ.

 

Некоторые тонкости АМ-растрирования

 

При использовании AM-растров актуален вопрос не только о размерах, но и о форме растровой точки - в отличие от предыдущего метода растрирования, где понятие формы точки отсутствовало как таковое. Дело в том, что от этого во многом зависит визуальное восприятие изображения. Форма растровой точки (Raster dot shape) строго определена и зависит, чаще всего, от конкретной модели печатающего устройства либо от программных настроек драйвера, если он позволяет выбирать форму растра среди нескольких альтернативных вариантов (рис. 3). Без необходимости и точного понимания того, что вы делаете и какой результат планируете получить, менять форму растровой точки не следует. К наиболее часто используемым формам растровых точек можно отнести эллиптическую, ромбовидную, квадратную и круглую формы.

 

 

Многие читатели, вероятно, знакомы уже с понятием линиатуры. Этот параметр относится только к регулярным амплитудно-модулированным растрам и обозначает число растровых точек, приходящихся на определенную единицу длины (обычно дюйм).


Для обозначения термина "линиатура" используется аббревиатура - lpi, расшифровывающаяся как lines per inch (число линий на дюйм). В англоязычной литературе встречается также термин "Lines frequency", обозначающий то же самое. Чем выше число растровых точек, приходящихся на единицу длины изображения, тем меньше заметна дискретность изображения, обусловленная его растровой структурой.

 

Наиболее типичные следующие значения линиатуры печати: 60, 85, 100, 120, 133, 150, 175, 200 lpi и т.д. (рис. 4). Человек, имеющий среднестатистическую остроту зрения, как правило, не замечает растра в изображениях, отпечатанных с линиатурой более 133 lpi, при просмотре изображений с расстояния в 25-35 сантиметров.

 

 

Чем выше линиатура, тем большее число деталей изображения можно передать в печати. Однако для печати высоких линиатур необходимо также использование высокого аппаратного разрешения печати принтера - иначе изображение, имея визуально большую степень детализации, сильно проиграет в числе доступных ему градаций печати. На рис. 5 показаны формы двух растровых точек одной и той же линиатуры и растровой плотности, но при различном разрешении принтера в dpi.

 


Из рисунка видно, что "аккуратность" прорисовки формы каждой отдельно взятой растровой точки находится в прямой зависимости от разрешения печати. Таким образом, если разрешение печати недостаточно высоко, то погрешность прорисовки растровых точек будет высокой. Из-за низкого разрешения печати мы не увидим разницы между двумя растровыми точками с небольшой разницей плотности. Например, участки изображения с плотностью в 35% и 37% будут неразличимы. В результате частично пострадают градации изображения и возникнет так называемый эффект постеризации - явление потери оттенков, что хорошо заметно на участках тонких переходов цветов и на плавных градиентах.

 

Из теории известно, что при глубине цвета 8 бит на канал, например, в черно-белом изображении мы можем получить до 256-ти различных оттенков серого. На практике же для качественной печати всех оттенков исходного изображения мы должны обеспечить, как минимум, 16-кратный запас по разрешению печати - в зависимости от текущей линиатуры. Нетрудно подсчитать, что при линиатуре печати 150 lpi (это стандартное для большинства печатных изданий значение линиатуры) для качественной передачи всех возможных оттенков изображения мы должны обеспечить разрешение печати не менее 2400 dpi. Поскольку далеко не каждый принтер способен печатать с таким разрешением, порядок используемых ими линиатур обычно несколько меньше. В диалоговых окнах драйверов большинства принтеров обычно выбирается разрешение печати принтера в dpi, в зависимости от которого подбирается адекватное значение линиатуры для более или менее качественных характеристик печати.

 

Передача многоцветных рисунков с помощью растра

 

Когда при печати используется всего одна краска, как в черно-белых принтерах, технологически все достаточно просто. Сложнее формируется рисунок, если используется несколько базовых красок или чернил.

 

Например, струйный принтер c набором чернил базовых цветов формирует цветное изображение, нанося определенное число точек чернилами того или иного цвета на разные участки запечатываемого изображения. Для получения цветов, которые отсутствуют в числе базовых, используется некоторое их сочетание. Так, например, зеленый цвет получается при нанесении голубых (Cyan) и желтых (Yellow) точек, красный - при нанесении пурпурных (Magenta) и желтых (Yellow). Аналогичным образом воспроизводится все многообразие остальных цветов.

 

Амплитудно-модулированные растры несколько сложнее - и схемы получения многоцветных изображений у них иные. Дело в том, что для растровых точек разных цветов необходимо использование различного их геометрического положения по отношению друг к другу. Это оптически позволяет нам наблюдать более чистые цвета в светлых участках изображения, а также избежать появления раздражающих глаз интерференционных картин, возникающих иногда в отрастрированных изображениях (об этом будет сказано ниже). Геометрический смысл взаимного смещения растровых точек относительно друг друга состоит в том, чтобы повернуть растровые структуры (а значит, и каждую отдельно взятую растровую точку) на некоторый угол. Таким образом, еще одним параметром амплитудно-модулированных растров является угол его наклона.


Угол наклона растра (Screening angle) - это угол поворота растровых точек относительно друг друга и относительно общей оси изображения. Этот параметр имеет особое значение при цветной печати, так как печать каждой краски осуществляется с использованием разных углов наклона растра. На рис. 6 показан пример растра с углами наклона в 15, 0 и 45 градусов.

 

 

Значения углов наклона растра стандартизированы - менять их без особой надобности не рекомендуется. Для голубой краски стандартным значением является угол в 15°, для пурпурной - 75°, для желтой - 0°, для черной - 45°. Кроме того, используется этот же набор углов наклонов растра - с дополнением угла наклона растра 90 градусами (например, для голубой краски можно использовать угол в 105° вместо 15° и т.д.).

 

Нельзя использовать одни и те же значения угла наклона растра для разных красок одновременно - это вызовет сильнейшие искажения изображения, проявляющиеся в изменении цвета и появлении интерференционной периодической структуры. Эти паразитные, периодические структуры называются муаром - их появление, как правило, является для отпечатанного изображения стопроцентным браком.

 

Таким образом, муар (moire) - это паразитный, раздражающий глаз эффект, возникающий в неверно или повторно отрастрированном изображении.

 

Переназначать углы наклона растра способен далеко не каждый принтер. Обычно для получения возможности переназначения углов наклона растра требуется использование PostScript-принтера или же специализированного программного обеспечения.


В профессиональной полиграфии используются растры, создающие различные по своей форме и зрительно-оптическим свойствам растровые розетки. Розетки растра (raster rosette) - это элементарные ячейки изображения, которые состоят из набора растровых точек, формирующих это изображение. Это простые, геометрически правильные узоры, образуемые на бумаге целыми группами растровых точек различных цветов (рис. 7). Понятие розетки растра имеет смысл только при цветной печати. Расположение растровых точек в розетке растра не случайно - оно было выбрано путем долгих экспериментов полиграфистов-теоретиков в тесном содружестве с полиграфистами-практиками.

 

 

Помимо технологий, упомянутых в статье, существуют еще и некоторые "гибридные" технологии, использующиеся на практике. Это так называемые комбинированные растры.

 

Комбинированные растры - это растры, обладающие достоинствами АМ- и FM-методов растрирования (рассмотренных выше) и лишенные некоторых их недостатков. Соответственно, у них может изменяться как число точек на единицу площади запечатываемого материала, так и размер точек. В настольных принтерах они применяются относительно недавно, и их поддержка в драйвере имеется далеко не во всех моделях. В профессиональной полиграфии они используются еще реже.

 

И, в завершение этой небольшой статьи, хотелось бы добавить, что в обсуждении мы затронули только наиболее фундаментальные и важные понятия, использующиеся в профессиональной и "настольной" полиграфии и касающиеся формирования полутоновых изображений на бумаге. Далеко не все нюансы технического и технологического процесса формирования изображения были рассмотрены. Это уже темы для отдельного разговора.

2004.05.14
19.03.2009
В IV квартале 2008 г. украинский рынок серверов по сравнению с аналогичным периодом прошлого года сократился в денежном выражении на 34% – до $30 млн (в ценах для конечных пользователей), а за весь календарный год – более чем на 5%, до 132 млн долл.


12.03.2009
4 марта в Киеве компания Telco провела конференцию "Инновационные телекоммуникации", посвященную новым эффективным телекоммуникационным технологиям для решения задач современного бизнеса.


05.03.2009
25 февраля в Киеве компания IBM, при информационной поддержке "1С" и Canonical, провела конференцию "Как сохранить деньги в условиях кризиса?"


26.02.2009
18-19 февраля в Киеве прошел юбилейный съезд ИТ-директоров Украины. Участниками данного мероприятия стали ИТ-директора, ИТ-менеджеры, поставщики ИТ-решений из Киева, Николаева, Днепропетровска, Чернигова и других городов Украины...


19.02.2009
10 февраля в Киеве состоялась пресс-конференция, посвященная итогам деятельности компании "DiaWest – Комп’ютерний світ" в 2008 году.


12.02.2009
С 5 февраля 2009 г. в Киеве начали работу учебные курсы по использованию услуг "электронного предприятия/ учреждения" на базе сети информационно-маркетинговых центров (ИМЦ).


04.02.2009
29 января 2009 года в редакции еженедельника "Computer World/Украина" состоялось награждение победителей акции "Оформи подписку – получи приз!".


29.01.2009
22 января в Киеве компания "МУК" и представительство компании Cisco в Украине провели семинар для партнеров "Обзор продуктов и решений Cisco Small Business"

 

 
 
Copyright © 1997-2008 ИД "Комиздат".