Halvton

Vänster: Halvtonsprickar. Höger: Exempel på hur det mänskliga ögat skulle se prickarna på tillräckligt avstånd.

Halvton är den reprografiska tekniken som simulerar bilder med kontinuerliga toner genom användning av punkter, som varierar antingen i storlek eller avstånd, vilket skapar en gradientliknande effekt. "Halvton" kan också användas för att specifikt referera till bilden som produceras av denna process.

Där bilder med kontinuerliga toner innehåller ett oändligt intervall av färger eller gråtoner reducerar halvtonsprocessen visuella reproduktioner till en bild som är tryckt med endast en färg av bläck, i punkter av olika storlek ( pulsbreddsmodulering ) eller avstånd ( frekvensmodulering ) eller båda. Denna reproduktion bygger på en grundläggande optisk illusion : när halvtonsprickarna är små tolkar det mänskliga ögat de mönstrade områdena som om de vore jämna toner. På mikroskopisk nivå består framkallad svart-vit fotografisk film också av endast två färger, och inte ett oändligt antal kontinuerliga toner. För detaljer, se filmkorn .

Precis som färgfotografering utvecklades med tillägg av filter och filmlager, är färgutskrift möjlig genom att upprepa halvtonsprocessen för varje subtraktiv färg – oftast med hjälp av vad som kallas " CMYK-färgmodellen" . Den halvopaka egenskapen hos bläck gör att halvtonspunkter i olika färger skapar en annan optisk effekt: fullfärgsbilder. Eftersom placeringen av de individuella prickarna inte kan bestämmas exakt, överlappar prickarna delvis vilket leder till en kombination av additiv och subtraktiv färgblandning som kallas autotypisk färgblandning.

Historia

Det första tryckta fotot med halvton i en kanadensisk tidskrift, 30 oktober 1869

Ett flerfärgat vykort (1899) tryckt av handgjorda halvtonsplåtar.

Medan det fanns tidigare mekaniska tryckprocesser som kunde imitera tonen och de subtila detaljerna i ett fotografi, framför allt Woodburytypen, förbjöd kostnaden och praktiska användningen att de användes i kommersiellt masstryck som använde relieftryck.

Tidigare var de flesta tidningsbilderna träsnitt eller trästick gjorda av handsnidade träblock som, även om de ofta kopierades från fotografier, liknade handritade skisser. Kommersiella tryckerier ville ha ett praktiskt sätt att realistiskt återge fotografier på den utskrivna sidan, men de flesta vanliga mekaniska tryckprocesser kan bara skriva ut områden med bläck eller lämna tomma områden på papperet och inte ett fotografiskt tonerområde; bara svart (eller färgat) bläck, eller ingenting. Halvtonsprocessen övervann dessa begränsningar och blev basen i bok-, tidnings- och annan periodisk industri.

William Fox Talbot är krediterad med idén om halvtonsutskrift. I ett patent från 1852 föreslog han att man skulle använda "fotografiska skärmar eller slöjor" i samband med en fotografisk djuptrycksprocess .

Flera olika typer av skärmar föreslogs under de följande decennierna. Ett av de första försöken var av William Leggo med sin leggotyp när han arbetade för Canadian Illustrated News . Det första tryckta halvtonsfotografiet var en bild av prins Arthur publicerad den 30 oktober 1869. New York Daily Graphic skulle senare publicera "den första reproduktionen av ett fotografi med fullt tonomfång i en tidning" den 4 mars 1880 (med titeln " A Scene in Shantytown") med en rå halvtonsskärm.

Den första verkligt framgångsrika kommersiella metoden patenterades av Frederic Ives från Philadelphia 1881. Även om han hittade ett sätt att dela upp bilden i prickar av varierande storlek, använde han sig inte av en skärm. 1882 patenterade tysken Georg Meisenbach [ de ] en halvtonsprocess i Tyskland som han kallade autotype . Hans uppfinning baserades på Berchtolds och Swans tidigare idéer. Han använde enkelfodrade skärmar som vändes under exponeringen för att producera korslinjerade effekter. Han var den första som nådde någon kommersiell framgång med reliefhalvtoner .

Kort därefter förbättrade Ives, denna gång i samarbete med Louis och Max Levy, processen ytterligare med uppfinningen och kommersiell produktion av kvalitativa korsfodrade skärmar.

Reliefhalvtonsprocessen visade sig nästan omedelbart vara en framgång . Användningen av halvtonsblock i populära tidskrifter blev regelbunden under början av 1890-talet.

Utvecklingen av halvtonstryckmetoder för litografi verkar ha gått en i stort sett självständig väg. På 1860-talet A. Hoen & Co. på metoder som gjorde det möjligt för konstnärer att manipulera tonerna på handarbetade tryckstenar. På 1880-talet arbetade Hoen med halvtonsmetoder som kunde användas i kombination med antingen handarbetade eller fotolitografiska stenar.

Halvtonsfotografisk visning

Inför digitaliserade bilder utvecklades speciella fotografiska tekniker för att bryta ner gråskalebilder i diskreta punkter. Den tidigaste av dessa var "screening" där en grovvävd tygskärm hängdes upp före kameraplattan för att exponeras, och bröt det inkommande ljuset till ett mönster av prickar via en kombination av avbrotts- och diffraktionseffekter . Den fotografiska plåten kunde sedan framkallas med hjälp av fotoetsningstekniker för att skapa en tryckplåt.

Andra tekniker använde en "skärm" bestående av parallella stänger (ett Ronchi-utslag ), som sedan kombinerades med en andra exponering med samma skärm orienterad i en annan vinkel. En annan metod var att exponera genom en skärmplatta med korsande linjer etsade in i ytan. Senare användes antingen fotografiska kontaktskärmar, eller ibland ingen skärm alls, exponering direkt på en litografisk (extremt hög kontrast ) film med ett förexponerat halvtonsmönster.

Traditionell halvtoning

Upplösning av halvtonsskärmar

Typiska halvtonsupplösningar
Skärmavbildning	45–65 lpi
Laserskrivare (300dpi)	65 lpi
Laserskrivare (600 dpi)	85–105 lpi
Offsetpress (tidningspapper)	85 lpi
Offsetpress (bestruket papper)	85–185 lpi

Upplösningen för en halvtonsskärm mäts i linjer per tum (lpi). Detta är antalet linjer med prickar i en tum, mätt parallellt med skärmens vinkel. Känd som skärmhärskaren skrivs upplösningen för en skärm antingen med suffixet lpi eller ett hashmärke; till exempel "150 lpi" eller "150#".

Ju högre pixelupplösning en källfil har, desto större detalj kan reproduceras. En sådan ökning kräver emellertid också en motsvarande ökning av skärmavståndet, annars kommer resultatet att drabbas av posterisering . Därför matchas filupplösningen till utdataupplösningen. Prickarna är inte lätta att se med blotta ögat, men kan urskiljas genom ett mikroskop eller ett förstoringsglas.

Flera skärmar och färghalvtoning

Tre exempel på modern färghalvtoning med CMYK-separationer. Från vänster till höger: Cyan-separationen, magenta-separationen, den gula separationen, den svarta separationen, det kombinerade halvtonsmönstret och slutligen hur det mänskliga ögat skulle observera det kombinerade halvtonsmönstret på tillräckligt avstånd.

Denna närbild av ett halvtonstryck visar att magenta ovanpå gult visas som orange/rött och cyan ovanpå gult visas som grönt.

Exempel på typiska CMYK - halvtonsskärmvinklar

Lila skärmar som används vid offsettryck . Vinklar 90°, 105°, 165°.

När olika skärmar kombineras kan ett antal distraherande visuella effekter uppstå, inklusive att kanterna är alltför framhävda, såväl som ett moirémönster . Detta problem kan minskas genom att vrida skärmarna i förhållande till varandra. Denna skärmvinkel är ett annat vanligt mått som används vid utskrift, mätt i grader medurs från en linje som går till vänster (klockan 9 är noll grader). Dessa vinklar är optimerade för att undvika mönster och minska överlappning, vilket kan göra att färgerna ser mörkare ut. ^{[ citat behövs ]}

Halvtoning används också ofta för utskrift av färgbilder. Den allmänna idén är densamma, genom att variera tätheten för de fyra sekundära tryckfärgerna, cyan, magenta, gul och svart (förkortning CMYK ), kan vilken speciell nyans som helst reproduceras.

I det här fallet finns det ytterligare ett problem som kan uppstå. I det enkla fallet skulle man kunna skapa en halvton med samma tekniker som används för att trycka nyanser av grått, men i det här fallet måste de olika tryckfärgerna förbli fysiskt nära varandra för att lura ögat att tro att de är en enda färg. För att göra detta har industrin standardiserat på en uppsättning kända vinklar, vilket resulterar i att prickarna formas till små cirklar eller rosetter.

Prickformer

Även om runda prickar är de vanligaste, finns många pricktyper tillgängliga, som var och en har sina egna egenskaper. De kan användas samtidigt för att undvika moiréeffekten. I allmänhet är den föredragna prickformen också beroende av tryckmetoden eller tryckplåten.

Runda prickar: vanligast, lämplig för ljusa bilder, speciellt för hudtoner. De möts vid ett tonvärde på 70 %.
Elliptiska prickar: lämplig för bilder med många objekt. Elliptiska prickar möts vid tonvärdena 40 % (spetsade ändar) och 60 % (långsida), så det finns risk för mönster.
Fyrkantiga prickar: bäst för detaljerade bilder, rekommenderas inte för hudtoner. Hörnen möts vid ett tonvärde på 50 %. Övergången mellan de fyrkantiga prickarna kan ibland vara synlig för det mänskliga ögat.

Digital halvtoning

Digital halvtoning har ersatt fotografisk halvtoning sedan 1970-talet då "elektroniska punktgeneratorer" utvecklades för filminspelningsenheter kopplade till färgtrumskannrar tillverkade av företag som Crosfield Electronics, Hell och Linotype-Paul.

På 1980-talet blev halvtoning tillgänglig i den nya generationen bildsättare film- och pappersinspelare som hade utvecklats från tidigare "lasersättare". Till skillnad från rena skannrar eller rena typsättare kan bildsättare generera alla element på en sida inklusive typ, fotografier och andra grafiska objekt. Tidiga exempel var de mycket använda Linotype Linotronic 300 och 100 som introducerades 1984, som också var de första att erbjuda PostScript RIPs 1985.

Tidiga laserskrivare från slutet av 1970-talet och framåt kunde också generera halvtoner, men deras ursprungliga upplösning på 300 dpi begränsade skärmstyrkan till cirka 65 lpi. Detta förbättrades när högre upplösningar på 600 dpi och högre, och vibreringstekniker , introducerades.

All halvtoning använder en högfrekvent/lågfrekvent dikotomi. Vid fotografisk halvtoning är lågfrekvensattributet ett lokalt område av den utgående bilden som betecknas som en halvtonscell. Varje lika stor cell relaterar till ett motsvarande område (storlek och plats) av den kontinuerliga toninmatningsbilden. Inom varje cell är högfrekvensattributet en centrerad halvtonsprick med variabel storlek som består av bläck eller toner. Förhållandet mellan den färgade arean och den icke-färgade arean av utgångscellen motsvarar luminansen eller grånivån för ingångscellen. Från ett lämpligt avstånd beräknar det mänskliga ögat ett medelvärde av både den högfrekventa skenbara grånivån approximerad av förhållandet inom cellen och de lågfrekventa skenbara förändringarna i grånivån mellan intilliggande celler med lika mellanrum och centrerade punkter.

Digital halvtoning använder en rasterbild eller bitmapp inom vilken varje monokrom bildelement eller pixel kan vara på eller av, bläck eller inget bläck. För att emulera den fotografiska halvtonscellen måste följaktligen den digitala halvtonscellen innehålla grupper av monokroma pixlar inom samma cellområde. Den fasta platsen och storleken på dessa monokroma pixlar äventyrar högfrekvens-/lågfrekvensdikotomien hos den fotografiska halvtonsmetoden. Klustrade flerpixelpunkter kan inte "växa" stegvis utan i hopp om en hel pixel. Dessutom är placeringen av den pixeln något off-center. För att minimera denna kompromiss måste de digitala svartvita halvtonspixlarna vara ganska små, numrerar från 600 till 2 540 eller fler pixlar per tum. Digital bildbehandling har dock också möjliggjort mer sofistikerade rastreringsalgoritmer för att bestämma vilka pixlar som ska bli svarta eller vita, av vilka några ger bättre resultat än digital halvtoning. Digital halvtoning baserad på några moderna bildbehandlingsverktyg som olinjär diffusion och stokastisk vändning har också föreslagits nyligen.

Modulation

Den vanligaste metoden för att skapa skärmar, amplitudmodulering , ger ett vanligt rutnät av punkter som varierar i storlek. Den andra metoden för att skapa skärmar, frekvensmodulering , används i en process som även kallas stokastisk screening . Båda moduleringsmetoderna namnges i analogi med användningen av termerna inom telekommunikation.

Omvänd halvtoning

Originalbild

Vibrerad bild

Avskärmad bild

Invers halvtoning eller descreening är processen att rekonstruera högkvalitativa kontinuerliga tonbilder från halvtonsversionen. Invers halvtoning är ett dåligt ställt problem eftersom olika källbilder kan producera samma halvtonsbild. Följaktligen har en halvtonsbild flera rimliga rekonstruktioner. Dessutom slängs information som toner och detaljer bort under halvtoning och går därmed oåterkalleligt förlorad. På grund av mångfalden av olika halvtonsmönster är det inte alltid självklart vilken algoritm som ska användas för bästa kvalitet.

Prickar på himlen på grund av rumslig aliasing orsakad av halvtons storlek ändras till en lägre upplösning

Det finns många situationer där återuppbyggnad önskas. För artister är det en utmanande uppgift att redigera halvtonsbilder. Även enkla modifieringar som att ändra ljusstyrkan fungerar vanligtvis genom att ändra färgtonerna. I halvtonsbilder kräver detta dessutom att det vanliga mönstret bevaras. Detsamma gäller för mer komplexa verktyg som retuschering. Många andra bildbehandlingstekniker är utformade för att fungera på bilder med kontinuerliga toner. Till exempel är bildkomprimeringsalgoritmer mer effektiva för dessa bilder. En annan anledning är den visuella aspekten eftersom halvtoning försämrar kvaliteten på en bild. Plötsliga tonförändringar i originalbilden tas bort på grund av de begränsade tonvariationerna i halvtonsbilder. Det kan också introducera förvrängningar och visuella effekter som moirémönster . Särskilt vid tryck på tidningspapper blir halvtonsmönstret mer synligt på grund av pappersegenskaperna. Genom att skanna och skriva om dessa bilder framhävs moirémönster. Därför är det viktigt att rekonstruera dem före omtryck för att ge en rimlig kvalitet.

Spatial- och frekvensfiltrering

Huvudstegen i proceduren är borttagning av halvtonsmönster och rekonstruktion av tonförändringar. I slutändan kan det bli nödvändigt att återställa detaljer för att förbättra bildkvaliteten. Det finns många halvtonsalgoritmer som mestadels kan klassificeras i kategorierna ordnad dithering , error diffusion och optimeringsbaserade metoder. Det är viktigt att välja en korrekt avskärmningsstrategi eftersom de genererar olika mönster och de flesta av de omvända halvtonsalgoritmerna är designade för en viss typ av mönster. Tid är ett annat urvalskriterium eftersom många algoritmer är iterativa och därför ganska långsamma.

Det enklaste sättet att ta bort halvtonsmönstren är att använda ett lågpassfilter antingen i rums- eller frekvensdomän. Ett enkelt exempel är ett Gaussiskt filter . Den förkastar högfrekvent information som gör bilden suddig och samtidigt reducerar halvtonsmönstret. Detta liknar den suddiga effekten av våra ögon när vi tittar på en halvtonsbild. I vilket fall som helst är det viktigt att välja en lämplig bandbredd . En för begränsad bandbredd suddar ut kanterna, medan en hög bandbredd ger en brusig bild eftersom det inte tar bort mönstret helt. På grund av denna avvägning kan den inte rekonstruera rimlig kantinformation.

Ytterligare förbättringar kan uppnås med kantförbättring. Dekomposition av halvtonsbilden till dess wavelet-representation gör det möjligt att plocka information från olika frekvensband. Kanter består vanligtvis av högpassenergi. Genom att använda den extraherade högpassinformationen är det möjligt att behandla områden runt kanterna på olika sätt för att framhäva dem samtidigt som lågpassinformationen behålls mellan jämna områden.

Optimeringsbaserad filtrering

En annan möjlighet för invers halvtoning är användningen av maskininlärningsalgoritmer baserade på artificiella neurala nätverk . Dessa inlärningsbaserade tillvägagångssätt kan hitta den avscreeningsteknik som kommer så nära den perfekta som möjligt. Tanken är att använda olika strategier beroende på den faktiska halvtonsbilden. Även för olika innehåll inom samma bild bör strategin varieras. Konvolutionella neurala nätverk är väl lämpade för uppgifter som objektdetektering som möjliggör en kategoribaserad avscreening. Dessutom kan de göra kantdetektering för att förbättra detaljerna runt kantområden. Resultaten kan förbättras ytterligare genom generativa kontradiktoriska nätverk . Denna typ av nätverk kan artificiellt generera innehåll och återställa förlorade detaljer. Dessa metoder är dock begränsade av kvaliteten och fullständigheten hos den använda träningsdatan. Osynliga halvtonsmönster som inte var representerade i träningsdata är ganska svåra att ta bort. Dessutom kan inlärningsprocessen ta lite tid. Däremot är beräkningen av den omvända halvtonsbilden snabb jämfört med andra iterativa metoder eftersom det bara kräver ett enda beräkningssteg.

Uppslagstabell

Till skillnad från andra tillvägagångssätt involverar inte uppslagstabellmetoden någon filtrering . Det fungerar genom att beräkna en fördelning av grannskapet för varje pixel i halvtonsbilden. Uppslagstabellen ger ett kontinuerligt tonvärde för en given pixel och dess fördelning. Motsvarande uppslagstabell erhålls innan histogram av halvtonsbilder och deras motsvarande original används. Histogrammen ger fördelningen före och efter halvtonsbildning och gör det möjligt att approximera det kontinuerliga tonvärdet för en specifik fördelning i halvtonsbilden. För detta tillvägagångssätt måste halvtonsstrategin vara känd i förväg för att välja en korrekt uppslagstabell. Dessutom måste tabellen beräknas om för varje nytt halvtonsmönster. Att generera den avskärmade bilden går snabbt jämfört med iterativa metoder eftersom det kräver en uppslagning per pixel.

Se även

Betydande akademiska forskargrupper

externa länkar