Halftone(半色调)的工作原理及问题探讨

Halftone 半色調 的工作原理及問題探討 第一章位圖及圖像分辨率第二章點 復合點 半色調第三章頻率 角度和復合點形狀第四章頻率與灰度色階的關系第五章復制半色調第六章令人愉快的復合點第七章半色調點的放置技朮第八章網格碰撞第九章角度策略 第一章位圖及圖像分辨率 一 位圖位圖 bitmap 是由兩個部分組成 位 bit 和 圖 map 位就是計算機存儲的最小二進制單元 用1或0表示 圖是用于表格的一個朮語 如電子表格 信息用二維的方式表示在行和列中 位圖是一章表格 它描述 位 的安放位置 只在圖像中 位圖圖像都有4個基本特性 1 量綱 2 分辨率 3 位深 4 彩色模式 二 位深位深是掃描儀捕捉的每個樣本點上能夠表現多少顏色的一個度量 位圖圖像中的每個樣本點可以是黑色 白色 灰色或彩色的 關鍵是用以描述圖像的位數 使用1位的信息定義的樣本點 其圖像只能是白色或黑色的 1或0 使用2位的信息描述樣本點 會有4個可能的組合 00 01 10 11 表示4種可能的顏色或4種灰度級別 8位信息提供256級別的灰度 24位信息提供1 6千萬種可能的顏色 三 分辨率分辨率 resolution 有圖像的分辨率 激光打印機的分辨率 掃描儀的分辨率等等 人們無論何時討論分辨率 所討論的就是網格上的點 點 dot 打印機的分辨率是以每英寸點數 dpi 來度量的 這些點是由激光打印機創建的真實點 樣本點 sample 對于掃描的圖像 位圖圖像 我們討論的是每英寸樣本點數 spi 樣本點是給定位置的色調或顏色的度量單位 許多人認為 圖像分辨率應該以dpi而不是spi指定 但是現在知道 圖像中沒有打印點 只有樣本點 像素 pixel 對于顯示分辨率 我們討論的是每英寸像素 ppi 像素 或 圖像元素 是顯示器上的單個 x y 坐標值 它可以代表從1 1 6千萬個不同值中的一個 復合點 spot 和行數 line 我們使用復合點來討論半色調本身 復合點是由創建半色調值的打印機點組成的形狀 半色調用每英寸行數 lpi 來度量 分辨率 resolution res表示的是每毫米樣本點數的又一朮語 掃描儀圖像分辨率 res 中 經常有人以res12來掃描 意思是每毫米12個樣本點或340spi 1英寸 25 4mm 第二章點 復合點 半色調1 半色調工作原理及復合點將灰度圖像分解成黑色復合點的過程 稱為半色調處理 2 數字半色調計算機與激光打印機的組合 是創建半色調的主要工具 為了了解計算機是如何制作半色調的 我們首先看一看這些設備是如何制作圖像的 2 1點計算機是以0或1即開或關來表示任何東西的 只能是要么有黑色 要么沒有黑色 不存在中間情況 多數桌面激光打印機創建的這些點是很細小的 事實上 可在1英寸上一個挨一個的置入600個點 這就是有人將這種打印機稱為600dpi打印機的原因 2 2復合點計算機將一串點組合在一起 放在一個單獨的半色調單元中 這個單元是點的方塊網格 這些網格中的任何一個點都可以被打開或關閉 在這里 重要的概念是半色調復合點之間的間隙沒有改變 2 3濃淡度色彩濃淡是用百分比來表示的 Photoshop中的GAMMA值就是用來度量圖像顯示中分布的色調值 半色調復合點是總大小的十分之一的淺灰色彩 就是10 的色彩濃淡度 第三章頻率 角度和復合點的形狀 半色調的構成半色調是由許多串復合點組成的 有些比較大 有些比較小 半色調單元圖案中有以下3個基本屬性 頻率 角度和復合點的形狀 2網點頻率通過計算每英寸復合點的數目 或每英寸復合點的行數 這個數目稱為半色調的頻率 這個頻率通常用每英寸的行數 lpi 來度量 網點頻率越低 網點圖就越粗糙 也就是說 單元越大 圖像看起來就越粗糙 點就看的越清楚 也就不再迷惑人的眼睛 3網點角度我們可以像轉動軸承一樣旋轉半色調網點圖 對准復合點各行的角度稱為網點角度 標准網點圖角度是45度 因為這是最傳統和最不易引起注意的角度 即這個角度最容易迷惑我們的眼睛 使我們最終看到的是灰度 而不是復合點的圖案 但是有另外一個好的理由需要改變網點角度 改善顏色分離 圓花飾和莫爾條紋 4復合點的形狀半色調網屏的最后一個要素是復合點的形狀 這些復合點是由多個微小的點組成的 而我們可以按我們想要的任何方式排列 第四章頻率與灰度色階的關系 1數字半色調處理的折衷在數字半色調處理過程中 在網頻和灰度色階之間有一個基本折衷 其中一個越多 另一個就越少 2網點頻率 lpi 灰度色階和輸出分辨率 dpi 簡單的說 在輸出分辨率一定的條件下 網點頻率與灰度色階值之間是反向關系 即網點頻率越高 在給定分辨率下能獲得的灰度色階就越少 降低網點頻率可以獲得較多的灰度色階 3色調分離當灰度色階不夠時 產生的結果是色調分離 posterization 即從一個灰度色階到另一個非常不同的灰度色階之間的非常明顯的階梯跳躍 而不是平滑的過度 在漸變的顏色混合或從白色平滑過度到黑色的照片半色調中 色調分離是一個主要問題 4點的不足當半色調處理如此靈活的時候 為什么對灰度色階有如此多的限制 這是因為 灰度色階的可能數目是由半色調單元中點的數目來決定的 如果一個單元格由25個點組成 此時就有26個灰度色階 包括黑色和白色 我們的目標是使用具有許多點的半色調單元 這樣才會有許多可用的灰度色階 這兒就是數字半色調的基本問題所在 只有如此多的打印機點可以使用 半色調網點圖越精細 在各自半色調單元中的點數目越少 也就導致了可以使用的灰度色階數目越少 灰度色階用公式表示為 灰度色階 輸出分辨率 網點頻率 2 1 5十六法則對于256個灰度色階的實際限制 意味著几乎沒有必要做上面所講的計算 我們可以重點關注2個問題 在打印機分辨率一定時 可以使用的最高 最細 網點頻率是多少 或者說 在使用的網點頻率一定時 可以使用的打印機最低分辨率是多少 十六法則 ruleofsixteen 給出了這兩個問題的答案 其工作原理是因為16是256的平方根 最大網點頻率 輸出分辨率 16或需要的輸出分辨率 網點頻率 16 6可變的激光點現在市場上的許多打印機都可以創建大小可變的激光點 這樣在某種程序上 就可以繞開數字半色調方法的主要折衷原則 在給定網點頻率和輸出分辨率的情況下 可以提供更多的灰度色階 因為激光點的大小可以改變 對半色調復合點大小的控制方法也更多了 從而使得潛在的灰度色階數目也更多了 第五章復制半色調 復合點的變化這些數千個微小的半色調復合點散開或收縮量 取決于它們的大小 膠印滾輪的壓力以及紙張的吸水性能 光滑程度或陳放時間 紙張因素最主要 相反的問題出現了 最小的復合點趨于消失 微小的油墨區域不粘在紙張上 這使得路邊雪提上最細微的色調完全曝光成了白色 或4 的色彩全部消失 半色調復合點的增長 被稱為 復合點增益 復合點增益用百分比來度量 人們經常以5 或10 的復合點增益來談論 但是 一定要注意 5 的復合點增益 不是意味著50 的復合點變成了55 的復合點 復合點增益百分比指的是被復合點覆蓋區域的增加 2網點頻率是如何影響復合點的當半色調的網點頻率增加時 它就更加容易引起半色調中的復合點變化 很容易使半色調變得模糊不清 產生的原因有兩個 首先 因為復合點增益發生在復合點的邊緣區域 當每平方英寸中有更多的復合點時 發生的復合增益就會越多 復合點越大 意味著邊緣區域越大 而邊緣區域越大 意味著發生復合點變化的可能性越大 其次 在網點頻率較高的時候 復合點靠的如此近 以至任何復合點增益都能填滿各個復合點之間的微小空間 3如何才能知道多高的網點頻率能夠避免這些問題呢 對此不存在必須遵守的法則 相反 需要考慮多個因數 具體如下 1 輸出分辨率 2 輸出方式 3 紙料 4 優化網點頻率 第六章令人愉快的復合點 1光跳躍在從白到黑的濃淡度色譜中 有一個點 正是從這個點開始 半色調復合點開始混合成一團 而且看起來再也不象單個實體了 對于半色調圖像來說 這樣的結合可能會導致灰度色階的明顯變化 跳躍 通過選擇復合點的形狀可以減少這樣的光跳躍 2復合點形狀及其優點2 1圓形復合點最簡單的半色調復合點形狀就是圓形的 圓形復合點開始很小 然后逐漸變大 直到填滿半色調單元為止 優點 1 圓形復合點在明亮的色彩區域和高亮度區域變化的情況非常好 2 具有圓形復合點的5 和10 濃淡色彩區域不太可能消失或變白 缺點 圓形復合點特別容易產生光跳躍 并且在深色彩區域或陰暗區域中也比較容易產生嚴重的復合點增益問題 1 在給定的色彩濃淡度上 圓形復合點的四邊會同時與相鄰的復合點接觸 因此大約75 色彩濃淡度出會出現一個明顯的光跳躍 因為復合點的四邊在此時已經相互接觸 2 在暗色彩區域中 色彩濃淡度大于等于80 的區域 圓形復合點很容易與其它復合點接觸在一起 2 2新的postscript復合點這種新的postscript復合點開始是圓形的 然后在大約50 灰度處 它們的形狀開始改變 首先變成正方形 然后開始逆轉化 這樣出現的就不再是大黑色圓形復合點 它看起來像黑色背景中的一個小白色復合點一樣 這種復合點不象普通圓形復合點那樣容易產生復合點增益的問題 因為在陰暗的區域中 形狀奇怪的方尖形狀復合點比圓形復合點更容易被油墨填充 但是 在大多數場合 它卻使得光跳躍更加嚴重 因為在50 處 該棋盤排列對視覺產生了影響 2 3卵形復合點為了用另一種方法解決圓形復合點的問題 有些應用程序引入了卵形復合點 這種形狀在一定程度上減少了光跳躍 因為卵形復合點相互接觸時有兩個接觸點 第一個點是端點的接觸 而另一個是邊的接觸 因此 獲得了兩個較小的光跳躍 大約在濃度為50 和80 處 端點和邊接觸百分比 取決于卵形被拉長的程度 而不是僅在70 處出現一個大的光跳躍 雖然卵形復合點有一些優點 像圓形復合點一樣 在高亮區域他的形狀保持的很好 但是 它只是我們下面要介紹的真橢圓形復合點的低級仿制品 2 4橢圓形復合點橢圓形復合點能有效的同時解決光跳躍和復合點變化的問題 首先 注意這里說的橢圓形復合點并不是真正的橢圓形 它更像一個圓角的鑽石形 稍微被拉長了或壓扁 因為它在某一方向上的長度比另一方向上的長度長 這種形狀的復合點能夠非常好的解決光跳躍問題 因為它像卵形復合點一樣存在兩個接觸點 在兩端和兩邊 這樣就獲得了兩個更小的光跳躍 大約在濃度為50 和80 處 而不是僅在70 處出現一個大的光跳躍 同時 因為鑽石形的尖狀端點被融合的比較慢 光跳躍也就不那么明顯 橢圓形復合點在陰暗的區域形狀保持的非常好 因為剩余的白色區域形狀同樣也像鑽石形 這種形狀的白色區域很容易被填充 2 5變形的橢圓形復合點我們看到的最好的半色調復合點是變形的橢圓形復合點 變形的橢圓形復合點開始時是卵形的 在色彩濃度大約為45 處變化為橢圓形復合點 然后是逆向變化 最終在黑色背景中表現為一個卵形的白色復合點 變形的橢圓形復合點 不僅僅具有橢圓形復合點在中間色調區域中可以避免光跳躍的優點 而且它們還具有卵形復合點在高亮區域和陰暗區域中具有的優點 高亮區域不變白 陰暗區域不變成一團黑 當然 我們還希望有另一種變形 即在濃度為色彩15 到85 的區域內從卵形變為圓形 因為在明亮區域中 圓形復合點在保留墨的能力比卵形復合點要更好 而在陰暗區域更能將墨排斥在外 但現在還沒有實現 2 6正方形復合點正方形復合點通常是用在高質量的彩色樣本作業中 因為它們給出了清晰度的印象 尤其在中間色區域 不必對整個圖像進行銳化處理 因為點的各個的角向我們暗示了清晰度 也是因為它們在中間色區域導致了光跳躍 2 7特殊效果的復合點現在 我們已經集中討論了用在一般半色調環境中的各種復合點 也就是用于在相當高的網點頻率 50lpi或更高 下復制照片和濃淡色彩圖像 但是 當你選用能夠真正看見復合點形狀的低網點頻率時 那就是另一個世界了 當然 可以在低網點頻率下使用上面討論過的任何一種復合點形狀 但是 有些復合點形狀真的只能用在粗糙網點圖上 網線圖網線圖中半色調看起來像是由多條直線組成 是普遍使用的特殊半色調效果 第七章半色調點的放置技朮 一 Dot on Dot所有的4種基色都使用相同的頻率和角度的半色調網屏 為了獲得不同的混合色 就必須將一個基色放在另一個基色上面 但它對放置基色的順序有講究 二 Dot off Dot一般在數碼相繼上使用的比較多 三基色RGB之間是沒有重疊地串在一起 產生不同的混合色 在printer上使用會受到一定的限制 因為當單元覆蓋率超過100 時 就必須產生點重疊 三 Flamenco網屏這是一種介于Dot on Dot和Dot off Dot之間的方法 就像Dot on Dot一樣 使用相同的頻率和角度的半色調網屏 但是網屏會以一定的距離系統地移動 四 RotatedDot4個半色調網屏使用不同的網屏角度 有時也使用不同的頻率 不同的網屏角度引起半色調點部分的重疊 五 半色調點圖案 第八章網格碰撞 1莫爾條紋 moires 莫爾條紋圖案是由我們的眼睛對直線和不斷重復圖案的視覺引起的 任何時候將直線和網格互相重疊在一起 都有可能看到莫爾條紋圖案 一個網格單獨出現 絕對不會產生莫爾條紋圖案 只有當兩個或多個網格相互疊在一起的時候 網線在視覺系統中交錯在一起 莫爾條紋圖案就會出現了 莫爾條紋圖案的基礎是相同類型的駐波 standing wave 或干涉圖案 在掃描和半色調處理過程中 經常會遇到多個網格互相重疊的情形 這種情況下很容易出現莫爾條紋圖案 莫爾條紋圖案 2顏色分離到目前為止 產生莫爾條紋圖案的最常見原因 是在顏色分離中使用了不適當的網屏處理方法 如果重疊網點圖的角度和頻率不適合 則就會產生莫爾條紋圖案 在制作顏色分離并將它們在印刷機上重疊時 半色調網點之間是如何互相影響的 這些重疊的網點圖提供彩色印刷的靈活性 但是它們同時會引起莫爾條紋問題 在彩色印刷時 可能有4個的網點圖重疊在一起 其中就可能產生網點圖沖突 2 1最少的莫爾條紋莫爾條紋圖案是我們看線條和圖案時眼睛和大腦的慣性造成的 即使當我們不想它們出現 它們也一樣出現 然而 有一些角度組合方法可以最大限度的減少光學幻覺 兩個重疊網格之間角度差越大 產生的圖案就越小 就越不明顯 因此 其中一個網格的角度是0度 而另一個的角度是5度 此時會產生非常明顯的圖案 如果將第二個網格旋轉45度 圖案就縮成了一個點 看起來几乎消失了 請注意 90度的網格基本上和0度的網格相同 就像135度的網格和45的網格是相同的一樣 雖然 從不對稱的復合點形狀來說 復合點方向在整個360度的圓弧上是各不相同的 但是 在莫爾條紋圖案的形成過程中 這不是主要因素 因此 在兩個重疊的網點圖之間 可能存在的最大不同角度是45度 2 2圓花飾如果以我們剛才所講的角度重疊4種半色調網點圖時 就不會出現任何圖案現象 這是通常最容易產生的誤解 事實上 仍然會產生圖案 只是圖案很小 而且 相對不傷大雅 因此人們不把他稱為莫爾條紋 而稱為圓花飾 rosette 網點頻率較低時 圓花飾圖案相當明顯 就像其它任何圖案一樣 但是在高的網點頻率下 數千個圓花飾混合在一起 就為圖像創建了一個平滑的 表面 第九章角度策略 1要求的角度與頻率半色調的最重要的屬性就是它的角度和頻率 將這些屬性設置為正確的數值 通常就可以避免出現莫爾條紋 為了旋轉半色調網點圖 必須旋轉單元 同樣 要降低或升高網點頻率 則必須將半色調單元變大或變小 所以 在給定的分辨率下 只有如此多的一些頻率和角度組合可以使用 如果要求的頻率和角度組合不可以使用 postscript的默認方式是使用他推算出的最佳近似值 2提高打印機分辨率如果使用高分辨率的激打印機將點變得更小 不僅會獲得外觀更好的半色調復合點 而且還會增加可使用的頻率 角度的組合數目 在較精細的分