Електронне растрування

Електронне растрування




План



		1. Способи растрування

		Дискретне керування розміром друкарського елемента

		Растрова функція

		4. Форма точок

		5. Растрові викривлення

				Методи експериментального визначення характеристик одноколірних відбитків. 

				Модуляція образотворчої інформації у високому і плоскому видах друку. 

				Пояснення формування друкарського відбитка на основі спектрального подання зображення



		
1. Способи растрування



У традиційному методі автотипні зображення отримували, фотографуючи оригінал через спеціальний оптичний прилад – растр. Фотомеханічний растровий ефект дозволяє одержати зображення у вигляді окремих елементів, площа яких визначається кількістю світла, що надходить від відповідних частин оригіналу на чуттєвий шар.

Змінний в межах растрового осередку розподіл експозиції забезпечується в репродукційній фотографії застосуванням проекційних і контактних растрів. 

Проекційний растр – сітка непрозорих штрихів на прозорому фоні. Растр, що дозволяє одержати не лінійну, а точкову структуру друкарських і пробільних елементів, утвориться склеюванням двох скляних пластин так, щоб штрихи кожної з них перетнулися під кутом 90 градусів. У фоторепродукційному апараті установлюється скляний растр на відстані від фотоплівки. Якщо вихідний світловий потік пропустити крізь оригінал (діапозитив), а потім крізь растр, то в площині плівки утвориться періодична структура змінної освітленості, модульована сигналом.

У контактному способі фотошар експонують через накладений на нього діапозитив – контактний растр, на якому зафіксоване зображення растрової функції. Розподіл експозиції в схованому зображенні на фотошарі одержують у два прийоми. Спочатку плівку майбутньої фотоформи експонують через проекційний або контактний растр у відсутності оригіналу. Попередньо отриманий у такий спосіб растрований фотоматеріал використовується для одержання фотоформ у фоторепродукційних апаратах і контактно–копіювальних рамах. 




	Рисунок 1 – Безперервна модуляція площі плями, що експонує, (зображення растрової точки) електромагнітною діафрагмою

	

	В електронному способі растрування автотипний спосіб відтворення півтонів реалізується без використання фотомеханічного растрового ефекту, чим досягається більш твердий зв'язок розмірів друкарських елементів зі значенням електричного сигналу зображення. Зображення друкарських елементів заданої площі формуються ще в оптичному тракті пристрою, що експонує. Розподіл експозиції формують в електронному раструванні різними способами, найбільш відмітними ознаками яких є безперервність або дискретність зміни площі одержуваних точок.

Безперервне керування площею світлової плями, що експонує, пояснює рис. 1. Для одержання точок круглої форми аналогічно може бути організований приклад так званої ірисової діафрагми.



2 Дискретне керування розміром друкарського елемента



Способи дискретної зміни задрукованої площі в межах одиничної частини растрового зображення почали переважати в системах електронного репродукування з розвитком цифрової техніки обробки сигналів і особливо широко використовуються зараз в комп'ютерних видавничих системах. У цьому зв'язку растрування з безперервним керуванням площею іноді умовно називають аналоговим, а растрування з її дискретною зміною – цифровим.

Весь набір растрових точок може бути поданий у системі цифрового растрування комплектом бітових карт, кількісне співвідношення та відносне розташування нулів і одиниць у якій визначає площу та форму майбутніх друкарських елементів і пробілів. Растровий алфавіт може бути заданий єдиною матрицею вагових значень тієї самої розмірності. Розподіл ваг може бути як упорядкованим, так і нерегулярним. У растровому генераторі на основі даних растрового алфавіту або растрової функції виробляється сигнал, який дозволяє або перешкоджає променю впливати на конкретний елемент підкладки. 



3. Растрова функція



Растрова функція – двовимірний періодичний розподіл вагових значень субелементів, що утворять на копії растрові точки та пробіли. Ці значення виражені в шкалі квантування тону зображення. Розміри матриці, що відображає один просторовий період цієї функції, визначають дискретність шкали квантування сигналу за рівнем. 

Вагові значення групують усередині матриці по-різному, з утворенням одного або декількох так званих кластерів (згустків).

В них вага може монотонно змінюватися від центра до периферії у вигляді "гірки" або "лійки" їхніх значень для одержання однієї растрової точки або пробілу. Якщо кількість кластерів більш одного, растр може вийти похилим, а його лініатура не збігатиметься з частотою растрової функції. При нерегулярному розміщенні вагових значень великі растрові точки і пробіли відсутні.

Характеристики системи можуть бути цілком задані як єдиною растровою функцією, так і сукупно алфавітом точок і граничною функцією. Алфавіт подають або набором бітових карт, або матрицею, числа в клітинках якої вказують на порядок експонування субелементів зі зростанням точки. Зв'язок цих номерів зі зміною площі, що задруковується усередині клітинки, забезпечує гранична функція (рис. 2). 




Рисунок 2 – Залежності відносної площі, що задруковується, від номера рівня квантування рівноконтрастного сигналу: 1 – для позитивного копіювання; 2 – для негативного копіювання; 3 – для глибокої автотипії



4 Форма точок



Форма точок і пробілів має забезпечувати їхнє однозначне відображення на фотоформі, стабільну передачу їх на друкарську пластину в копіювальному процесі і далі, на офсетну покришку і папір з мінімальними викривленнями. Цим вимогам щонайкраще відповідають круглі елементи: вони мають мінімальний для заданої площі периметр. Однак перейти від круглих друкуючих елементів у світі до круглих пробілів у тіні під час плавного зростання тону не вдається. Тому найбільш уживаний так званий евклідів закон зміни їхньої форми, при якому круглі елементи світу поступово трансформуються в квадратні клітки, що утворять шахове поле друкарських елементів і пробілів у середніх тонах. Квадратні пробіли поступово перетворяться далі в круглі під час переходу до тіней.

Водночас, по всіх чотирьох кутах, змикання сусідніх точок під час плавного наростання тону супроводжує помітний стрибок у тонопередачі. Крім того, можлива поява лінійчатих структур, чуттєвих до напрямку, збільшується розтискування. Тому стандартами DIN ISO 12647–2 для офсету і ISO 12647–3 для газетного друку рекомендується еліптична або ромбічна форма точок (рис. 3). Перше і друге з'єднання растрових точок рекомендуються в інтервалі відносних площ від 40 до 60%.




Рисунок 3 – Передача градацій за допомогою точок еліптичної форми



Стрибок тону, що супроводжує змикання точок, розбивається на два менших і стає менш відчутним. Ступінь відхилення форми точок середніх тонів від правильної круглої або квадратної характеризують їхньою еліптичністю. 

Растрові точки круглої форми рекомендуються для факсимільного відтворення в газетному друці і для виводу шкал контролю друкарського процесу. Кругла форма точки може контролюватися простими методами і призводить до найменших значень розтискування.



5 Растрові викривлення



Просторова дискретизація, що супроводжує формування автотипної растрової структури, руйнує дрібні деталі та контури зображення. Викривлення цього роду вимагають спеціальної корекції. 

В процесі репродукування безперервний на оригіналі розподіл тону піддається дискретизації кілька разів з частотами:

	розкладання зображення при скануванні й аналого-цифровому перетворенні;

	генерації поліграфічного растра;

	растрової функції.

Зони відліків, як правило, майже на порядок перевищують розміри елементів синтезу і не можуть бути істотно зменшені. Інакше зростають і без того великі обсяги ілюстраційних файлів. Відповідно зростає ємність пристроїв збереження, час обробки й обміну інформації між різними модулями і робочими місцями додрукарських систем, час передачі або займана смуга частот при дистанційному репродукуванні. На практиці обмежуються лише дворазовим перевищенням частоти відліків над лініатурою. Такі режими і системи репродукування умовно відносять до систем типу coarse scan / fine print (грубе зчитування / чіткий друк). Кількість відліків дорівнює кількості субелементів синтезу, тобто режими типу fine scan / fine print зустрічаються лише в комп'ютерних видавничих системах або струменеві-крапельному цифровому друці при відносно малих форматах зображень, низьких роздільних здатностях вводу (порядка 12–24 лін/мм) і в цьому зв'язку невисоких лініатурах. 

Лініатура растра встановлюється в умовах компромісного задоволення суперечливим вимогам, з одного боку, високого контрасту і плавної тонопередачі, а з іншого боку, геометричної точності контурів і дрібних деталей. В останньому випадку традиційні растрові системи значно недовикористовують роздільну здатність формного і друкарського процесів. Друк, призначений для відтворення тонових ілюстрацій з лініатурою 80 лін/см, здатний передавати елементи і пробіли розміром 20–25 мкм. Це відповідає роздільній здатності 400–500 лін/см. У цьому випадку растрова клітинка має розмір 125 мкм. Мінімальний розмір деталі оригіналу, переданої на відбитку без втрати контрасту, складає 250 мкм, а частота відтвореної штрихової міри не перевищує 20–40 лін/см. Такий резерв роздільної здатності ефективно використовується лише під час друку тексту і штрихових зображень.



6 Методи експериментального визначення характеристик одноколірних відбитків



Під час прогнозування результатів обробки образотворчої інформації необхідно враховувати також особливості друкарського процесу: вид друку, характер подачі фарби тощо. 

Крім перерахованих вище факторів, значний вплив на кінцевий результат репродукування має і величина оптичного розтискування фарби. 

В поліграфії виміри площі точки широко використовуються для контролю якості на різних стадіях технологічного процесу: 

	контроль якості оригіналів, проміжних носіїв інформації (фотоформ, друкарських форм) і друкарських відбитків; 

	лінеаризація пристроїв виводу інформації; 

	створення колірних профілів пристроїв введення, відображення і виводу графічної інформації. 

Вимірювання відносної площі растрових елементів здійснюють такими методами:

	– планіметричним, при якому проектують збільшене зображення елемента на масштабну сітку, обводять його контур і встановлюють площу;

	– мікрометричним, при якому растровий елемент приймають за конкретну геометричну фігуру (квадрат, коло), на мікроскопі вимірюють лінійний розмір його сторони або діаметр і розраховують площу;

	– порівняльним, при якому досліджуваний зразок порівнюють із шаблоном у вигляді набору растрових полів з різними відносними площами елементів даної лініатури;

	– денситометричним, при якому за допомогою денситометра вимірюють оптичну щільність растрових полів і за допомогою відповідних формул знаходять відносні площі растрових елементів;

	– сигмометричним, при якому за допомогою сигмометра безпосередньо вимірюють відносні площі растрових елементів.

Для практичних цілей найбільше значення мають денситометричний і сигмометричний методи, які можна застосовувати, якщо растрові елементи мають високу копіювальну щільність, досить різкі, без ореолу краї, прозорий просвіт. Крім того необхідно, щоб під час вимірів у поле зору діафрагми вимірювального приладу потрапило близько 30 растрових елементів. Необхідний для цього розмір можна визначити за формулою


					 (1)



де  – діаметр обмірюваної частинии растрових елементів, мм; L – лініатура растра, лін/см.



7. Модуляція образотворчої інформації у високому і плоскому видах друку



Ланка, що модулює, надзвичайно важлива для відтворення образотворчої інформації. Вона застосовується для перетворення тонового зображення у форму, придатну для поліграфічного відтворення. Розглянемо, як це здійснюється в трьох видах друку: високому, плоскому і глибокому.

Під час поліграфічного відтворення різні відтінки тональності передаються різною кількістю фарби. Так, у високому і плоскому друці товщина шару фарби на площинах друкарських елементів однакова, а в залежності від оптичної щільності оригіналу змінюється площа друкарського елемента. Кількість фарби в глибокому друці розрізняється в залежності від оптичної щільності оригіналу завдяки різній товщині шару фарби.

Друковані растрові елементи у високому друці розміщені вище, ніж пробільні; у плоскому друці обидва типи елементів знаходяться в одній площині, але відрізняються за здатністю сприймати або відштовхувати фарбу та вологу.

Для виготовлення таких форм застосовується спеціальний комбінований растр, у якому фактично поєднуються два растри: один з них призначений для одержання на друкарській формі опорних растрових ліній, а другий – для одержання відповідної відносної площі растрових елементів у залежності від оптичної щільності тонового оригіналу. Він складається з системи регулярних взаємно перпендикулярних непрозорих ліній, у проміжках між якими оптична щільність зменшується від країв до центра. Такий растр за структурою нагадує контактний растр, який використовується для високого і плоского видів друку.

Тоновий негатив поєднується в контакті з цим растром і проводиться копіювання на висококонтрастний матеріал, внаслідок чого одержують растровий діапозитив. У найтемніших частинах такого діапозитива отримують квадратні непрозорі растрові елементи, відділені один від одного прозорими лініями. Під час переходу від темних до світлих місць зображення розміри непрозорих растрових елементів зменшуються. Після копіювання растрового діапозитива на пластини хромованого колоїду і травлення одержують заглиблені друкарські елементи, розміри яких відповідають їх розмірам на растровому діапозитиві.

Для одержання друкарських растрових форм, які застосовуються для глибокої автотипії зі змінною глибиною друкуючого осередку, проводять подвійне експонування тонового і растрового діапозитивів або тонового діапозитива і растра.



	8 Пояснення формування друкарського відбитка на основі спектрального подання зображення



Подання структури растрового зображення як наслідку модуляції оптичного сигналу дає можливість застосувати відомі методи з теорії обробки сигналів до аналізу відтворення зображень у поліграфії. Наприклад, до такого перетворення можна застосувати теорему відліків, яка для випадку двовимірних оптичних сигналів стверджує, що будь-яка безперервна функція f(х,у) двох просторових аргументів х і у, просторовий спектр якої обмежений граничними частотами  і , цілком визначається своїми значеннями, взятими через інтервали аргументів




				 (2)



Значення цієї теореми полягає в тому, що під час відтворення безперервного оригіналу І(х,у) з обмеженим спектром досить передати тільки дискретні значення, обчислені з інтервалами х і у. Визначена таким шляхом функція може бути цілком відновлена після прийому сигналу.

У випадку передачі та прийому візуальної образотворчої інформації, як правило, припускають, що репродукція в спектральному відношенні ізотропна. Тому  і відповідно



				 (3)



де Т – відстань між растровими елементами (період растрової структури). 

Звідси випливає, що для одержання неперекрученого поліграфічного відбитка лініатура растрової структури має бути в два рази більше граничної частоти спектра оригіналу.

Спектр оригіналу часто обмежений нечітко, тому зробити висновок про необхідність тієї або іншої лініатури на основі цього виразу важко. У репродукційних системах роль фільтра, що виділяє безперервний сигнал з імпульсної послідовності, виконує зорова система людини. Тому в залежності від якості продукції лініатура растра може коливатися в межах від 20 до 120 лін/см.

Нехай спектральна характеристика вхідного сигналу (залежність інтенсивності Фур'є–спектра S від просторової частоти) обмежена на граничній частоті  (рис 4).




Рисунок 4 – Приклад спектральної характеристики вхідного сигналу, обмеженої на граничній частоті 



Спектральні характеристики вихідних дискретизованих сигналів, отриманих за умови, що частота дискретизації дорівнює подвійному значенню граничної просторової частоти безперервного сигналу  і менше її значення, наведені на рис.5 і рис. 6.







Рисунок 5 – Спектральна характеристика вихідного сигналу, отриманого шляхом дискретизації вхідного безперервного сигналу, частота дискретизації дорівнює подвійному значенню граничної просторової частоти безперервного сигналу 

Внаслідок дискретизації в спектральній області, крім спектра вхідного сигналу S(ν), з'являється ряд зміщених спектрів, які цілком повторюють криву спектра вхідного сигналу і зміщені від нього на інтервал ±1/Т, ±2/Т, ±3/Т,... ±п/Т... Ці зміщені спектри перекручують зображення, якщо вони хоча б частково накладаються один на одний. Зображені на рис. 16 заштриховані частини спектральної характеристики є причиною появи фальшивих низькочастотних складових, які не можна усунути за допомогою фільтра високих частот.

Якщо спектральна характеристика вихідного дискретизованого сигналу не містить дільниць, що перекриваються (рис. 15), то застосовуючи фільтр із прямокутною формою спектральної характеристики







можна без перекручувань відновити спектр зображення.

	





Рисунок 6 – Спектральна характеристика вихідного сигналу, отриманого шляхом дискретизації вхідного безперервного сигналу за умови, що частота дискретизації менше подвійного значення граничної просторової частоти безперервного сигналу 

Застосування фільтра з іншою характеристикою пропускання (з більш широкою або вузькою зоною) також призводить до перекручування зображення.