3.2 Электронное растрирование

Развитие полиграфических растровых систем направлено на повышение информационной емкости оттисков и совершенствование их микроструктуры. Проблемы выбора растрирования, адекватного характеру репродуцируемого оригинала и специфике используемой технологии печати, возникают, главным образом, из-за недостатка четких критериев оценки и корректной базы сравнения эффективности различных методов. Многие характеристики традиционных, ранее безальтернативных растров требуют переосмысления и определения в свете современных информационных технологий, чему препятствует, в частности, еще недостаточно четко установившаяся терминология. Наиболее обсуждаемыми параметрами растровых систем, определяющими их пригодность к использованию в той или иной печатной технологии, являются:

• характеристики растискивания;
• возможности тонопередачи и управления ею;
• разрешающая способность;
• степень искажений геометрии контуров и мелких деталей;
• муарогенность и визуальная однородность структуры получаемых оттисков;
• необходимые объемы исходных файлов;
• сложность используемых алгоритмов.

3.2.1 Общие принципы

В электронном способе растрировании автотипный способ воспроизведения полутонов реализуется без использования фотомеханического растрового эффекта, чем достигается более жесткая связь размеров печатных элементов со значением электрического сигнала изображения [3.6]. Изображения печатных элементов заданной площади формируются еще в оптическом тракте экспонирующего устройства. В электронном гравировании такая связь однозначно определена степенью погружения резца в материал формы.
По аналогии со схемой

Рис. 3.1, пояснявшей фотомеханический растровый эффект, образование растровых точек переменной площади на фотоматериале при электронном растрировании иллюстрирует схема на Рис. 3.8. П-образным распределениям экспозиции скрытого изображения соответствует аналогичная форма денситограмм растровых точек после проявления фотослоя. Размеры точек менее, чем в оптическом растрировании, критичны к отклонениям экспозиции, чувствительности, контраста фотопленки и режима ее обработки (форме и положению характеристической кривой). Эти нестабильности отражаются в основном на плотности точек, а не на их резкости или размере. Высокие копировальные свойства достигаются на обычных высококонтрастных фотослоях, без относительно нестабильного, «инфекционного» проявления необходимого для достижения резкости точек в проекционном или контактном растрировании.
П-образные распределения экспозиции формируют в электронном растрировании различными способами, отличительные признаки которых - непрерывность или дискретность изменения площади получаемых точек.

3.2.2 непрерывная модуляция площади экспонирующего пятна

Непрерывная пространственная модуляция (управление площадью) экспонирующего светового пятна, служащего при записи позитивной фотоформы изображением печатающего элемента, а на растровом негативе изображением пробела, поясняет

Рис. 3.9. Ток видеосигнала, протекающий по обмотке электромагнита 1, управляет степенью взаимного перекрытия подвижной 2 и неподвижной 3 частей прямоугольной диафрагмы. В остальном такое устройство подобно знакофотографирующему наборному автомату. Для получения точек круглой формы аналогично может быть организован привод известной в фотографии так называемой ирисовой диафрагмы.

Рис. 3.8 В электронном растрировании размеры точек жестко заданы еще в оптическом тракте записи

Рис. 3.9 Непрерывная модуляция площади экспонирующего пятна (изображения растровой точки) электромагнитной диафрагмой

Значительная масса подвижных элементов ограничивает быстродействие электромеханического привода, поэтому практическое применение нашли лишь устройства с относительно малоинерционными зеркальными гальванометрами (ЭЦК PDI) и электромагнитными диафрагмами [3.7,3.8]. Безинер-ционными в указанном отношении являлись системы растрирования с ЭЛТ, обзор которых дан в Л. 3.2, Растровые точки формировались в них либо управляемой видеосигналом спиральной или прямоугольной разверткой [3.10, 3.11], либо диафрагмированием поперечного сечения пучка электронов электрическим полем [2.1, 3.9]. Были предложены также системы с магнитооптическим управлением формой и площадью экспонирующего пятна, создаваемого лазерным излучением [3.12].

3.2.3 дискретное управление размером печатного элемента

Способы дискретного изменения запечатываемой площади в пределах единичного участка растрового изображения [3.13] стали преобладать в системах электронного репродуцирования по мере развития цифровой техники обработки сигналов и особенно широко используются ныне в компьютерных издательских системах, интегрировавших обработку текстовой и иллюстративной информации. В этой связи упомянутое выше растрирование с непрерывным управлением площадью иногда условно называют аналоговым, а растрирование с их дискретным изменением - цифровым.
Весь набор (алфавит) растровых точек может быть представлен в системе цифрового растрирования комплектом битовых карт, количественное соотношение и относительное расположение нулей и единиц в которых определяет площадь и форму будущих печатных элементов и пробелов. При изменении величины растискивания значению тона в такой системе растрирования присваивают другую битовую карту из имеющегося набора, а при ограниченном выборе надлежащую тонопередачу получают, используя другой комплект знаков.
Растровый алфавит может быть непосредственно привязан к равноконт-растному сигналу, если он задан единой матрицей весовых значений той же размерности. Распределение весов может быть как упорядоченным, так и нерегулярным. Первый вариант дает большее количество равноконтраст-ных градаций, если значения распределены так, что форма получаемых точек позволяет надежно передавать их площадь на печатную пластину и далее на оттиск. Такому требованию удовлетворяют, например, распределения с весовыми значениями, монотонно убывающими или возрастающими от центра к периферии матрицы. На изображении им соответствуют регулярно расположенные точки и пробелы с минимальными значениями периметров запечатываемой и свободной от краски площади. Пример такого распределения представлен на Рис. 3.10.

Рис. 3.10 Варианты группирования весовых значений элементов синтеза в пространственном периоде растровой функции: а — растровая «горка»; б — растровая «воронка»; в — для повернутого на 45° растра в - √2 раз большей линиатуры; для растра удвоенной линиатуры (0°)

В растровом генераторе текущее значение видеосигнала сравнивают с весовым значением элемента фотопленки, находящегося под экспонирующим лучом в процессе записи. По результату сравнения вырабатывается сигнал, позволяющий или препятствующий лучу тем или иным образом воздейст вовать на данный элемент подложки. Работу такого простейшего генератора 1 в составе структурной схемы выводного устройства поясняет

Рис. 3.11.

Рис. 3.11 Устройство записи растровых фотоформ

Материал копии, например высококонтрастная фотопленка 2, закреплен на цилиндре 3, вращаемом двигателем 4. На оси цилиндра 3 установлен прозрачный диск 5 с рисками б, шаг которых соответствует перемещению фотоматериала 2 по окружности цилиндра 3 на размер субэлемента. Световой поток осветителя 7, прерывается рисками 6. В нагрузке ФЭП 8 образуется импульсный сигнал тактовой частоты, жестко связанной со скоростью вращения цилиндра 3. Его период равен времени перемещения экспонирующего пятна на пленке 2 на расстояние, равное его размеру. Одиночная риска 9 диска 5, прерывая световой поток осветителя 7 один раз за оборот цилиндра 3, создает на выходе ФЭП 10 импульсный синхросигнал частоты строк.
Сигналы ФЭП 8 и 10 поступают на вход синхрогенератора 11, где путем циклического пересчета импульсов частоты тактов от начала строки и импульсов частоты строк от первой строки развертки формируются адреса X и Y ячеек ЗУ 16, в которых записаны весовые значения субэлементов единичной площади 12 растрового изображения. Здесь же получают согласованные с вращением цилиндра 3 частоты питания шагового привода каретки 13, перемещающего записывающую головку с помощью ходового винта 14 по прецизионным направляющим (на Рис. не показаны), а также синхросигналы вывода значений отсчетов оригинала из источника видеосигнала 15. Им может служить выход электрического канала связи, компьютерной системы подготовки иллюстраций к печати и т. п. Если репродуцирование осуществляется в реальном времени считывания оригинала в электронной репродукционной системе - полиграфическом ЭЦК, последняя из указанных частот служит для тактирования АЦП в видеотракте считывающего устройства.
Число элементов, для которых в ЗУ 16 записаны пороговые значения видеосигнала, соответствует одному пространственному периоду растровой функции или одной растровой ячейке. В рассматриваемой схеме оно принято для упрощения примера равным 8 х 8, а число градаций (уровней квантования тона изображения) - равным 64. На практике для получения необходимого количества равноконтрастных градаций, используют матрицы много большего объема и 256 уровней квантования тона.
По адресам X и Y синхрогенератора 11 из ЗУ 16 на один из входов схемы сравнения 17 выводятся весовые значения субэлементов, а текущее значение отсчета видеосигнала поступает на другой ее вход. По результату сравнения на электрооптический модулятор 18 поступает сигнал, разрешающий лучу 19 осветителя 20 пройти через объектив 21 на фотоматериал 2 для экспонирования субэлементов. На Рис. 3.10, б для примера обозначен контур растровой точки, формируемой по шестнадцатому уровню квантования видеосигнала.
Частота смены порогового значения определяется частотой тактов и строк в устройстве записи, в то время как частота смены отсчетов видеосигнала определяется частотой разложения изображения в процессе считывания или частотой его представления в числовом видеомассиве. Как частный случай, период смены отсчетов оригинала в этом примере для простоты выбран равным и совпадающим по фазе с периодом растровой функции, который, в свою очередь, совпадает по размерности с матрицей весовых значений. В общем случае, например когда изображение формируют с наклоном линий растровых точек к направлению развертки, эти периоды не совпадают.
Алгоритм формирования печатающих и пробельных элементов во многих растровых процессорах аналогичен способу работы описанного выше устройства.

3.2.4 растровая функция, форма печатных элементов

Растровая функция - двухмерное периодическое распределение весовых значений субэлементов, образующих на копии растровые точки и пробелы. Эти значения выражены в шкале квантования тона изображения. Размеры матрицы, отображающей один пространственный период этой функции, определяют дискретность шкалы второго (после АЦП) квантования видеосигнала по его уровню. В силу целого ряда причин, приведенных в разделе 7, эта шкала нелинейна в отношении любого из представлений тона, будь то яркость, коэффициент отражения, светлота, оптическая плотность и т. д.
Связь между значениями равноконтрастного сигнала и количеством субэлементов, образующих растровую точку, также нелинейна. Визуально неравномерна (неравноконтрастна), в свою очередь, и ступенчатая тоновая шкала, образованная растровыми точками, отличающимися на одинаковое количество субэлементов. Эта же шкала лишь теоретически линейна и в отношении коэффициентов отражения (поглощения). Нелинейность последней связи, как будет показано в разделе 7, усугубляется с уменьшением абсолютных размеров субэлементов (по мере роста разрешающей способности вывода). Поэтому размер матрицы должен быть таким, чтобы количество субэлементов в ней превышало число равноконтрастных уровней видеосигнала. Поскольку для каждой растровой ячейки приходится на практике использовать матрицу размерностью 24 х 24 или даже 30 х 30, разрешающая способность выводных устройств на порядок больше, чем в устройствах ввода, и достигает более ста линий на миллиметр, при размерах субэлементов 5-10 мкм.
Весовые значения группируют внутри матрицы различным образом с образованием одного или нескольких так называемых кластеров (сгустков). В первом случае (см. Рис. 3.10, а, б) веса могут монотонно изменяться от центра к периферии в виде «горки» или «воронки» их значений для получения одной растровой точки или пробела. Одна и та же геометрия растра может быть задана разными типами распределений. Из сравнения Рис. 3.10, а и Рис. 3.10, б видно, что различие между «горкой» или «воронкой» значений заключается лишь в фазовом сдвиге растровой функции на половину ее периода по обеим координатам. При числе кластеров более одного растр может получиться наклонным, а его линиатура не совпадать с частотой растровой функции (см. Рис. 3.10, в, г). При нерегулярном размещении весовых значений крупные растровые точки и пробелы отсутствуют.
Характеристики системы могут быть полностью заданы как единой растровой функцией, так и совокупно алфавитом точек и пороговой функцией. Алфавит представляют либо набором битовых карт (см. Рис. 3.12), либо матрицей, номера в ячейках которой вне связи со значениями сигнала указывают лишь на порядок экспонирования субэлементов по мере роста точки (spot function). Безотносительно формы и взаимного положения печатных и пробельных элементов связь этих значений с изменением площади, запечатываемой внутри ячейки, обеспечивает пороговая функция (см.

Рис. 3.13), в соответствии с которой текущему значению сигнала сопоставляют тот или иной знак из алфавита растровых точек. Существу ют также способы аналитического задания весовых значений субэлементов в связи с их координатами в периоде растровой функции [3.14].

Рис. 3.12 Представление растрового алфавита битовыми картами с упорядоченным (а) и случайным (б) распределением субэлементов в пространственном периоде растровой функции

Рис. 3.13 Примерные зависимости относительной запечатываемой площади S и количества n субэлементов, образующих растровую точку на фотоформе, от номера N уровня квантования равноконтрастного сигнала: 1 — для позитивного копирования; 2 — для негативного копирования; 3 — для глубокой автотипии

Рис. 3.14 Линии одинаковых весовых значений субэлементов в периоде растровой функции, обеспечивающие минимальный периметр запечатываемой площади и сглаживание скачка тона при касании точек в средних тонах

Форма точек и пробелов должна обеспечивать их однозначное отображение на фотоформе, стабильную передачу их площади (тона и цвета будущего изображения) на печатную пластину в копировальном процессе и далее, на офсетную покрышку и бумагу с минимальными искажениями из-за растис-кивания, нестабильности параметров печатного процесса (в пределах технологических допусков), а также износа формы в больших тиражах. Этим требованиям наилучшим образом отвечают круглые элементы [3.15] как имеющие минимальный для заданной площади периметр. Однако перейти от круглых печатающих элементов в светах к круглым пробелам в тенях по мере плавного нарастания тона не удается. Поэтому наиболее употребителен так называемый эвклидов закон изменения их формы [3.16], при котором круглые элементы светов постепенно трансформируются в квадратные клетки, образующие шахматное поле печатных элементов и пробелов в среднихтонах. Квадратные пробелы постепенно преобразуются далее в круглые при переходе к теням.
Одновременному по всем четырем углам смыканию соседних точек при плавном нарастании тона сопутствует заметный скачок в тонопередаче [1.8].

Рис. 3.15 Размер n_max матрицы субэлементов конечен. Поэтому их число может оказаться избыточным (1) или недостаточным (2) по отношению к дискретному сигналу N изображения на разных участках пороговой функции

Одновременному по всем четырем углам смыканию соседних точек при плавном нарастании тона сопутствует заметный скачок в тонопередаче [1.8]. В этой связи для средних тонов рациональна их эллиптическая или ромбическая форма, при которой касание происходит сначала, например при S = 45%, в одном направлении лишь по двум зонам контакта, а затем, например при S = 55%, в направлении поперечном первому по двум другим. Скачок тона, сопутствующий смыканию точек, разбивается, таким образом, на два меньших и становится менее ощутимым. Степень отклонения формы точек средних тонов от правильной круглой или квадратной характеризуют их эллиптичностью. Так, согласно Л. 13.16, при эллиптичности равной 0,5; 0,6;... 1,0 изначально квадратные точки касаются друг друга в одном из направлений, достигнув площади 25%, 30% ... 50% и соответственно при площадях 75%, 70% ... 50% в другом. Линии одинаковых весовых значений, учитывающие приведенные выше рекомендации по форме печатных элементов и пробелов, иллюстрирует Рис. 3.14.
Пороговая функция, связывающая относительную площадь точки S или количество образующих ее субэлементов п со значениями N номеров уровней квантования равноконтрастного видеосигнала отрабатывается при создании аппаратуры или программы растрового синтеза с учетом способа печати и характеристик печатного оборудования, специфики получения промежуточных копий (фотографическая запись фотоформ, электрографическое или струйно-капельное формирование изображений в цифровой печатной машине и т. д.). Примеры таких зависимостей для различных условий печати даны на Рис. 3.13. Значения обеих осей этого графика, как поясняет Рис. 3.15, дискретны, поэтому на участках с большим наклоном кривой изменение сигнала на одну ступень отображается прибавлением площади на несколько субэлементов, а на участках с малым наклоном наоборот. Если в первом случае число знаков, предоставляемых растровым алфавитом, оказывается избыточным по отношению к сигналу, то во втором из-за недостаточного размера матрицы (количества субэлементов), соседние значения сигнала отображаются одинаковыми запечатываемыми площадями.
Как показывает график 3 на Рис. 3.13 и 3.15, около 30% микроточек устанавливаются на растровом негативе глубокой автотипии вне связи со значением N тона изображения, чтобы образовать на рельефной форме выступающую прямоугольную решетку. Она служит опорой для ракеля -лезвия, снимающего излишнюю краску с формы до ее контакта с запечатываемым материалом.
Оптимальной растровой функции или форме подобного графика соответствует предельная равноконтрастная ступенчатая шкала, получаемая в конкретных процессах записи фотоформ, изготовления печатных форм и печати. Критерием равноконтрастности здесь может служить наличие минимально различимых границ между всеми соседними полями шкалы. Последняя может содержать 16,32 или 64 поля в зависимости от гладкости бумаги и других параметров, характеризующих уровень собственных шумов той или иной технологии печати. Если при этом каждое из последующих полей шкалы обеспечивается соответственно каждым шестнадцатым, восьмым или четвертым уровнем восьмиразрядного видеосигнала, не подверженного каким-либо нелинейным преобразованиям, то можно считать, что этот сигнал также рав-ноконтрастен. В подобном варианте вся система синтеза линейна и характеризуется минимально возможной потерей градаций. Иначе, связь между номером уровня квантования (значением сигнала) и номером поля шкалы подвергают нелинейному преобразованию с тем, чтобы полностью использовать возможности тонопередачи. Ограничить потери от такой нелинейной коррекции позволяет более чем двухкратное превышение количества уровней восьмиразрядного сигнала над числом полей раздельно воспроизводимых в самой совершенной технологии печати.