ГЛАВА IV. Электрическое репродуцирование

4.1 Преобразования оригинала

4.1.1 Представление изображения аналоговыми и цифровыми сигналами

Преобразование изобразительного оригинала в промежуточное изображение (фотоформу, пробу или печатную форму) включает этапы:

• электрооптического анализа;
• функциональных преобразований электрического сигнала изображения (видеосигнала) или числового массива, представляющего изображение;
• синтеза изображений.

В процессе электрооптического анализа информация, являющаяся на оригинале функцией его пространственных координат X и Y, преобразуется в электрический сигнал, значения которого есть функция времени сканирования оригинала. Мгновенные значения видеосигнала, образующиеся на выходе фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) в каждый из моментов считывания при построчной и/или поэлементной развертке, определяются количеством световой энергии, отраженной или прошедшей через участок оригинала, равный по величине элементу разложения - сканирующему пятну. Когда значение тона считываемого элемента оказывается функциональным аналогом силы, напряжения, частоты или другого параметра электрического тока ФЭП, изображение считают представленным в аналоговой форме.
В отсутствие фотоэлектрического преобразования, например в фотографии, функциональные преобразования имеют, как правило, полноформатный (по всему полю изображения) и «глобальный» (по всему диапазону плотностей, цветовому или частотному спектру), а не локальный характер. Изменение тона только в тенях или в светах, не затрагивающее средних тонов, оказывается или невозможным, или связано с изготовлением вспомогательных изображений (градационных масок) при соответствующем росте трудозатрат, расхода дорогостоящих фотоматериалов и времени. В электрической репродукционной системе задача такого избирательного управления тоновоспроизведением легко решается подбором функции передачи амплитуды видеосигнала в электронном блоке градационного преобразования. Оказывается возможной селективная, т. е. избирательная по зонам спектра, цветокоррекция. Подобные преимущества и послужили основной причиной перехода от фотомеханического к электронному методу репродуцирования в начале 50-х гг.
Первые ЭЦК были не только на порядок дороже традиционного оборудования, но и должны были использоваться совокупно с ним, т. к. автоматизировали или облегчали лишь отдельные операции репродукционного процесса. В качестве оригиналов в них использовали изображения, цветоделенные в фотоаппарате, а на выходе получали в том же масштабе полутоновые, но исправленные фотоформы. Для растрирования и масштабирования затем снова применялся фотоаппарат. Такая, казалось бы, усложненная технологическая схема, включавшая в себя по существу однокадровую ТВ-систему, оправдывалась возможностью гибких, а иногда и недоступных до того преобразований тона и цвета изображения при значительном сокращении ручного труда высококвалифицированных ретушеров, фотографов и травильщиков.
Качественно новые возможности в подготовке иллюстраций к печати предоставляют современные компьютерные репродукционные системы. Значение тона каждого элементарного участка представлено здесь двоичным числом, а все изображение - их массивом, что позволяет отвлечься от реального времени сканирования и провести все необходимые преобразования как операции с такими числами. Оказывается возможной так называемая сложная или локальная ретушь, обеспечивающая градационные, цветовые и другие изменения на отдельных участках изображения, а также электронная верстка тексто-иллюстрационных полос и их монтаж («спуск полос») в формате печатного листа. Использование ПЭВМ позволило вынести значительную часть операций допечатной обработки иллюстраций за пределы типографии или специализированного репроцентра. Эти работы сегодня выполняют на своих НИС и издатели, и заказчики, и авторы.

4.1.2 функциональные преобразования сигнала изображения

Их можно условно разделить на три основные группы:

• преобразования в области низких пространственных частот спектраизображения;
• преобразования в области высоких пространственных частот;
• форматные.

К первой группе относят преобразования тона и цвета изображения как проявляющиеся прежде всего на его относительно крупных деталях, поскольку способность зрения различать их оттенки наиболее высока и резко снижается с уменьшением размеров деталей. В аналоговых системах электронного репродуцирования эти преобразования сводятся к соответствующим преобразованиям амплитуды видеосигнала и поэтому здесь их иногда называют амплитудными.
Преобразования второй группы влияют на четкость и резкость изображения и связаны с изменением амплитуд гармонических составляющих в высокочастотной области спектра его пространственных частот. Это апер-турная коррекция, нерезкое маскирование, коррекция ошибок пространственной дискретизации сканирования и аналого-цифрового преобразования и другие частотные фильтрации изображения, определяющие контраст, резкость и геометрическую точность воспроизведения мелких деталей и контуров. В фотографической системе эти параметры связывают с частотно-контрастными характеристиками (ЧКХ) фотослоев, объективов и т.д., а в электронной - с амплитудно-частотными характеристиками (АЧХ) отдельных звеньев и видеотракта в целом.
К форматным преобразованиям отнесем прежде всего изменение масштаба, поворот изображения и его кадрирование. Под последним понимают вычленение из оригинала именно той его части, которая по замыслу художественного редактора и должна представлять иллюстрацию на странице издания. К этой же категории преобразований следует отнести и операции, связанные с незначительной (лишь на несколько растровых точек) корректировкой размеров графических элементов, впечатываемых один в другой в различных краскопрогонах. Эта процедура, устраняющая возможность появления заметных пробелов между двумя указанными изображениями в результате неприводки бумажного листа, известна в практике эксплуатации НИС как вкопирование (trapping).

4.1.3 синтез изображений

Если в телевидении синтез изображений, в отличие от электрооптического анализа, сводится к обратному по смыслу преобразованию электрического сигнала в свет, излучаемый экраном ТВ-приемника, то в полиграфии преобразование сигнал-свет далеко не исчерпывает всех способов получения изображений. При электронно-механическом гравировании, например, видеосигнал преобразуют в механическое усилие, определяющее глубину погружения резца в толщу формного материала. В контексте решаемой технической задачи одни и те же по существу виды синтеза определяют такими разнообразными терминами, как вывод, печать, запись, экспонирование, гравирование, прием изображений и т. п.
На заключительной стадии допечатного процесса особо важную роль выполняет специфическое структурное преобразование изображения — растрирование. Его характеристики самым существенным образом затрагивают большинство из важнейших показателей качества иллюстрации в отношении тоно-и цветопередачи, четкости и резкости, наличия ложных узоров (муара), геометрических искажений мелких деталей и контуров и т. д.

4.1.4 полная и интегрированная репродукционные системы

В общем случае описанные выше этапы считывания, преобразования сигнала и синтеза изображения характеризуют та к называемую полную репродукционную систему. К таким системам можно отнести, например, фотографию.Считыванию информации здесь соответствует экспонирование фотослоя рельефом яркостей оригинала или сцены, обработке оптического сигнала -его взаимодействие с цветными светочувствительными слоями в скрытом изображении, а синтезу - процессы физико-химической обработки фотоматериала. К разряду полных репродукционных систем можно причислить и процесс зрительного восприятия иллюстраций. При рассматривании (считывании) имеет место раздражение рецепторов глаза, химические реакции, в которых возбуждают нервные окончания, образуя сигналы, поступающие в мозг. Там производится их обработка. Синтезу изображения в этом случае соответствует формирование зрительного образа. Он, в общем случае, никак не является колориметрически тождественным иллюстрации, поскольку в его создании активно участвует когнитивный (осозновательный) аспект. Это — опыт наблюдателя, его визуальные предпочтения, психологические особенности и т. п., что существенно усложняет разработку критериев оценки качества изображений, особенно в тех случаях, когда они оцениваются в отсутствие оригинала или исходного объекта (сцены).
Таким образом, о преобразовании цветового значения исходного объекта в цветовое восприятие, формирующееся при рассматривании конечного изображения, например печатного оттиска, можно говорить лишь в контексте некоторой интегрированной системы, включающей в себя несколько полных репродукционных систем. Например, на первом этапе для получения изобразительного оригинала используется фотографическая система. Далее, в полиграфической системе, этот оригинал сканируют, обрабатывают полученные сигналы и печатают иллюстрационные файлы с получением цветного оттиска. Три аналогичные стадии включает в себя и его последующее зрительное восприятие.

4.2 Компоненты устройств электрооптического анализа

4.2.1 оптические элементы

Оптические элементы сканирующих систем - это зеркала, призмы, фильтры, диафрагмы, линзы, стекловолоконные световоды и т. д. Их изготавливают из специального оптического стекла с высокой равномерностью свойств, без инородных включений, свилей, пузырьков и т. п.
Основное назначение зеркал - изменение направления светового потока. В отличие от бытового зеркала (см. Рис. 4.1, а) отражающей поверхностью его оптического аналога служит не внутренняя, а наружная, обращенная к падающему свету поверхность (см. Рис. 4.1, б). Уменьшаются потери энергии и искажения, обусловленные рассеянием, многократным внутренним отражением и преломлением света на поверхностях и в толще стекла.
Полупрозрачное зеркало не только изменяет направление светового потока, ной разделяет энергию последнего в заданном соотношении (см. Рис. 4.1, в).
Разновидностью полупрозрачного является дихроическое зеркало с окрашенным слоем, позволяющим разделить световой поток не только по его энергии, но и по его спектральному составу (см. Рис. 4.1, г).

Рис. 4.1 Бытовое (а), оптические: поворотное (б), светоделительное (в) и дихроическое (г) зеркала

Для изменения направления света применяют также и призмы. Призмы и дихроические зеркала, наряду с такими оптическими элементами, как дифракционные решетки и цветные фильтры, используют и для цветоделения. Из всех цветоделительных элементов цветные фильтры обладают наименьшей энергетической эффективностью, поскольку поглощаемая ими часть светового потока необратимо утрачивается и не используется для формирования других цветоделенных сигналов в анализирующем устройстве.
Нейтральные или «серые» фильтры служат для калибровки интенсивности световых потоков без изменения их цвета. Для плавной регулировки интенсивности светового потока используют оптический клин, пропускание которого определяется толщиной его участка, помещенного в оптический канал, или стеклянный диск с полупрозрачной дорожкой переменной оптической плотности.
Диафрагмы служат, в первую очередь, для задания элемента разложения в сканирующей системе. При необходимости использования считывающих элементов различной величины применяют переменные (ирисовые) диафрагмы или набор диафрагм фиксированной величины. Диафрагму, размер которой учитывает линиатуру растра и масштаб иллюстрации, устанавливают в оптическом канале вручную или автоматически.
Стекловолоконные световоды в анализирующем устройстве позволяют:

• обеспечить эффективный (в большом телесном угле) отбор световой энергии источника света, увеличив его КПД;
• использовать единый источник света для разных целей, например, для освещения как прозрачных, так и непрозрачных оригиналов;
• освещать считываемый участок одновременно с нескольких сторон и тем самым исключить шумы, вносимые в видеосигнал рельефом подложки оригинала отражения;
• установить массивный, громоздкий, энергоемкий и выделяющий значительное количества тепла источник света в стороне от прецизионных микроэлектронных и оптико-механических компонентов считывающего устройства.

Двояковыпуклая линза (см. Рис. 4.2) применяется в основном для построения изображения освещаемого участка оригинала в плоскости диафрагмы, задающей элемент разложения, или на чувствительном слое ФЭП. В геометрической оптике под изображением понимают место точек, в которых сходятся лучи, отраженные соответствующими точками изображаемого объекта. При таком применении двояковыпуклую линзу называют объективом. Также ее называют конденсором, когда для достижения максимальной освещенности при заданной мощности источника свет, прошедший через линзу, фиксируют в плоскости его наибольшей концентрации в пространстве, например, в точке F, где встречаются все лучи параллельные оптической оси до входа в линзу.

Рис. 4.2 Построение изображения и концентрация световой энергии двояковыпуклой линзой

Важным оптическим элементом полиграфического сканера и электронного цветоделителя-цветокорректора (ЭЦК) является съемный прозрачный цилиндр-оригиналодержатель [4.1]. Величина элемента разложения при считывании слайдов измеряется единицами микрон, а короткофокусные объективы, применяемые в сканирующих устройствах, с разверткой на цилиндре, обладают относительно небольшой глубиной резкости, поэтому при значительных габаритах (диаметр - до 250 мм, длина - до 600 мм) точность, с которой при изготовлении выдерживаются толщина и диаметр цилиндра, составляет также единицы микрон.

4.2.2 источники света

Источники света для электрооптического анализа изображений должны отвечать ряду энергетических, спектральных, конструктивных и других технических требований.
Мощность излучения и коэффициент светоотдачи источника определяются из необходимости считывания предельных оптических плотностей, которые на самых темных участках слайдов достигают 3,0-4,0. Следовательно, мощность источника должна быть такой, чтобы 0,001 или 0,0001 часть его излучения, прошедшая через самый темный участок оригинала, создала сигнал, существенно превышающий уровень собственных шумов ФЭП или его так называемый темновой ток.
В общем случае спектр излучения осветителя должен охватывать весь видимый диапазон. Несмотря на некоторые попытки [4.2], применение для этой цели источников, характеризующихся относительно высокими энергетическими показателями, но линейчатым спектром излучения (к таковым относятся большей частью оптические квантовые генераторы - лазеры) ограничено. Отсутствие в спектре тех или иных хроматических компонентов может сделать излучатель «слепым» к ряду красителей, использованных при создании оригинала.
В анализирующих устройствах с электромеханической разверткой изображения по обеим координатам применяют, как правило, точечные осветители, создающие сканирующее пятно - освещенный участок чуть больше элемента разложения.
В устройствах, частично или целиком использующих вместо механических перемещений электронную развертку, применяют осветители другой конструкции. Так, в «планшетных» сканерах это - равномерно освещающая строку оригинала газосветная трубка, перемещаемая поперек строк электромеханическим приводом.
Для целиком электронной развертки, например при вводе оригиналов передающими ТВ-камерами или электронными фотоаппаратами, используют полноформатные осветители, аналогичные применяемым для кино-, эпи-,диа-проекционных и фоторепродукционных систем. Особое внимание уделяют при этом равномерности освещения по считываемому полю. Удовлетворить этому требованию тем сложнее, чем больше формат считываемого изображения.

4.2.3 фотоэлектрические преобразователи

Среди прочих требований, предъявляемых к ФЭП, наиболее важны требования:

• интегральной и спектральной чувствительности;
• уровня собственных шумов;
• диапазона световой характеристики;
• временной и температурной стабильности;
• потребляемой мощности;
• габаритные.

Наиболее широко для фотоэлектрического преобразования в современных сканирующих системах применяют фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и т. д., т. е. приборы, использующие внутренний фотоэффект. Малые габариты и незначительная потребляемая мощность органично вписывают их в общую элементную базу современной микроэлектроники. В то же время, эти приборы обеспечивают изменение фототока при изменениях освещенносгей лишь в 200-300 раз. Ограниченная протяженность рабочего участка световой характеристики (см. Рис. 4.3) исключает из работы значительную часть прозрачных оригиналов с интервалом плотностей, превышающим 2,5. Наилучшим образом этому требованию при малом уровне собственных шумов (темновом токе) и относительно высокой интегральной чувствительности удовлетворяют электровакуумные ФЭП с внешним фотоэффектом и усилением тока фотоэлектронов за счет вторичной электронной эмиссии на динодах - фотоэлектронные умножители (ФЭУ).

Рис. 4.3 Световая характеристика фотоэлектрического преобразователя

Широкое применение в репродукционной технике нашли так называемые сканирующие ФЭП - линейки и матрицы фотодиодов, а также светочувствительных приборов с зарядовой связью - ПЗС [4.3]. Преимущество последних перед другими ФЭП с внутренним фотоэффектом - в возможности последовательной коммутации сигналов элементов в видеотракт путем передачи их значений от одного элемента другому при отсутствии внешней выходной шины для каждого элемента. Помимо фотоэлектрического преобразования, сканирующие ФЭП обеспечивают, таким образом, развертку изображения по одной или двум координатам. Это избавляет от необходимости механических перемещений оригинала и считывающего элемента относительно друг друга. Соответственно повышается надежность и снижается стоимость сканирующего устройства.
Радикально изменяет технологию ввода изображений в полиграфическую систему «электронная» или «цифровая» фотокамера, использующая на месте фотопленки матрицу ПЗС. Представленное цифровым кодом изображение иллюстрируемого объекта получают здесь, минуя промежуточную фотографическую стадию и связанные с ней, а также с последующим фотоэлектрическим преобразованием потери информации. Ограничения к их применению пока обусловлены в основном размерностью (разрешающей способностью) используемых ПЗС матриц.