7.2.6 характеристика растрирования

В оптическом способе растрирования законтонопередачи, какужеуказывалось, определяется скорее свойствами самого растра, тогда как режим съемки влияет главным образом на воспроизводимый интервал площадей печатных элементов. Заданную форму градационной кривой обеспечивают на этапе полутоновой съемки путем фотомеханического градационного маскирования.
В электронном репродуцировании этой цели служит рассмотренный выше градационный преобразователь. При этом, наряду с параметрами других стадий, строго учитывается и характеристика растрирования. На рис. 7.7 ему соответствуют графики 5 и 8. Совокупно они отражают функцию S_фф = f_5,8(N_вых) - связь относительных площадей S_фф точек растровой фотоформы с кодом номера уровня N_вых, поступающим на записывающее устройство с выхода градационной стадии.
Растровую точку в большинстве случаев формируют из дискретных более мелких элементов, экспонируемых выводным устройством, и если принять, что ее площадь напрямую определяется числом п этих элементов, то оказывается, что оно линейно выражает коэффициент поглощения (отражения) оттиска, а не оптические плотности или светлоты значений NBbix равно-контрастного видеосигнала. Поэтому матрица размерностью, например, 4x4 элемента может передать 16 плюс одну, соответствующую тону чистой бумаги, градацию тона лишь формально. С ее использованием со значительными искажениями контрастов воспроизведутся лишь 10-12 ступеней 16-типольной равноконтрастнойшкалы. Поля в тенях сольются, мало отличаясь друг от друга. Связь между площадью точки и равноконтрастным сигналом должна формально подчиняться закону антилогарифма или быть обратной описываемой выражением 1.1, что на схеме рис. 7.7 приближенно отображает график n = f₈(N_вых). По этой причине неправомерен часто предлагаемый [7.10,7,11] прямой расчет числа визуально воспроизводимых на оттиске равноконтрастных уровней тона по размеру матрицы, образующей ячейку растрового изображения, когда этот размер определяют квадратом частного разрешающей способности выводного устройства и линиатуры растра.
Вместе с тем, может возникнуть и такой вопрос: почему используемая на практикеразмерность матриц, хотя и превышает количество воспроизводимых градаций, новсе же не настолько существенно, как бы это предполагал обратный, например антилогарифмический,переход от оптических плотностей в сигнале к коэффициентам отражения (площадямрастровых точек) на оттиске? Ведь если прямое преобразование предполагало навходе, например, 256-ти кратный запас по количеству уровней (2¹⁶ уровней против2⁸ после АЦП), то и на выходе логично было бы использовать матрицу размером 256х 256 = 65536 = 2¹⁶ элементов?
Практическому ограничению дискретности выходного оптического сигнала, т. е. количествазнаков в реализуемом алфавите растровых точек, способствуют несколько факторов.
Во-первых, если само предельное число порогов восприятия яркостей, как уже упоминалось,не превышает и 100, то интервал оптических плотностей печати редко превышает 1,8 ед. (против 2,5-4 ед. на слайдах), а в силу шумов печатного процесса даже на очень гладких бумагах не всегда удается получить и 64 различимых ступени тона. Поэтому уже в самом восьмиразрядном равноконтрастном сигнале в указанном отношении имеется почти четырехкратный запас.
Другая объективная и подлежащая учету закономерность заключается в существенно нелинейной связи самой запечатываемой площади S с количеством п элементов, участвующих в ее образовании [З.б, 7.12]. Эта нелинейность возникает еще на этапе записи фотоформ, а затем усиливается в формном и особенно в печатном процессах. На схеме эту особенность электронного растрирования иллюстрирует график пятого квадранта: S_фф = f₅(n), примерно отражающий связь запечатываемой площади с числом образующих ее на фотоформе субэлементов.

Рис. 7.12 Связь запечатываемой площади с числом образующих ее элементов (1 — теоретическая, 2,3 — реальные)

Поясним причины указанной нелинейности на примере аналогичного графика на рис. 7.12, построенного из условия заполнения единичной площадки растрового изображения квадратными элементами по случайному закону. Размерность этой матрицы составляет 8x8 элементов, и для ее полного заполнения требуется всего 64 субэлемента. От пятого графика схемы на рис. 7.7 он формально отличается лишь тем, что функции здесь соответствуют, как это принято, значения оси ординат, а аргументу - значения оси абсцисс. Пока количество случайно устанавливаемых элементов относительно мало, они располагаются в основном изолированно. Но даже при упорядоченном заполнении предельная площадь, покрываемая размещенными изолированно друг от друга субэлементами, не превысит 25%. Поэтому при нарастании запечатанной площади до 20~25% график проходит линейно, т. к. каждый добавляемый субэлемент привносит в результирующую запечатываемую площадь значение, равное его величине. Скорость нарастания резко возрастает, как толькосубэлементы начинают соприкасаться. В зонах их контакта, как показано на рис. 7.13 (а, б, в), образуются дополнительные площади. По мере дальнейшего усиления тона введение каждого нового субэлемента (на рис. 7.13 показан более светлым) в зависмости от числа зон одновременного контакта сопровождается образованием одной (см. рис. 7.13, б), а иногда (см.рис. 7.13, в) даже восьми таких площадей.

Рис. 7.13 Образование дополнительной запечатываемой площади при различных вариантах установки элементов на фотоформе или оттиске

В разных устройствах регистрации изображений образование дополнительной площади имеет различную природу. При записи фотоформ оно обусловлено, например, суммированием световых потоков, рассеянных на краях соседних экспонируемых элементов (см. рис. 7.14, б). Для изолированных элементов эти, взятые по отдельности, потоки создают экспозиции, на уровне участка недодержек характеристической кривой фотослоя, не обеспечивая его почернения при проявлении (см. рис. 7.14, а).

Рис. 7.14 Суммирование экспозиции в ореолах соседних элементов ведет к образованию дополнительной площади на проявленной пленке

Дополнительные площади возникают и далее в печати из-за действия сил поверхностного натяжения в красочном слое, давления и других причин.
В электрографическом способе регистрации, например в копировальном аппарате, лазерном или светодиодном принтере, образование этих площадей обусловлено законом распределения электростатического поля на поверхности светочувствительного селенового цилиндра. Эквипотенциальные линии такого поля имеют, как известно, конечную кривизну. Их изломы в зонах касания элементов связаны с чрезмерным ростом напряженности, нивелируемым на практике утечкой зарядов через конечное сопротивление материала цилиндра.
Для еще более темных градаций скорость нарастания запечатываемой площади снижается, и, как видно из графика на рис. 7.12, введение каждого нового элемента дает прирост, меньший его собственной площади. Еще незаполненные зоны в тенях любого растрового изображения, как иллюстрирует рис. 7.13 (г, д, е), уже включают в себя дополнительные запечатанные площади, возникшие при касании элементов ранее, т. е. для более светлых значений тона.
Из рис. 7.13 видно, что прирост общей площади от введения в матрицу каждого нового субэлемента зависит от его положения по отношению к другим. Разброс колеблется при этом в пределах от +8 до ~4 единичных дополнительных площадей. Величина каждой из них абсолютна по своему характеру, т. е. не зависит от размеров самих субэлементов, в связи с чем общая доля прибавочной площади растет с увеличением разрешающей способности синтеза, т. е. с уменьшением размеров субэлементов. Усиливается вместе с этим и нелинейность характеристики 2 на рис. 7.12 (степень ее отличия от теоретического графика 1). Последний справедлив лишь для настолько крупных субэлементов, по сравнению с которыми рассмотренные дополнительные площади пренебрежимо малы.
Форма кривой 2 несколько противоположна характеристике антилогарифмирования на рис. 7.7 и в определенной степени компенсирует ее нелинейность.
Еще более сложное влияние, как следует ожидать, геометрия соприкосновения соседних элементов оказывает на оптическое растискивание. (На схеме тоновоспроизведения рис. 7.7 это явление учитывает график второго квадранта.) Формула Юла-Нильсена и подобные ей зависимости учитывают оптическое растискивание применительно к растру регулярной геометрии, где точки касаются в средних и более темных тонах (50% и 79% для квадратных и круглых точек в ортогональной решетке; 91% для круглых точек гексагонального растра). Подобные выражения не удовлетворяют структурам с нерегулярной геометрией размещения на оттиске печатных (пробельных) элементов относительно малых размеров и неправильной формы. В таких растрах касание чаще или реже встречается по всему диапазону тонов. Разработке аналитических моделей оптического растискивания, адекватно учитывающих дополнительное поглощение красочным слоем света, падающего на пробелы, посвящены работы [2.7-2.9].
По указанным причинам обратное нелинейное преобразование равно-контрастного восьмиразрядного сигнала в яркости или коэффициенты отражения как таковое не используется в программных приложениях компьютерных допечатных систем. При переходе к относительным запечатываемым площадям (CMYK) 256 уровней этого сигнала, как правило, линейно переводятся в проценты. Обратное же нелинейное преобразование принимает на себя так называемая пороговая функция, связывающая количество п элементов битовой карты - графемы растровой точки - с равноконтрастным значением тона N_вых в растровом процессоре (квадрант 8 на схеме рис. 7.7 или рис. 3.13). Для достижения максимально возможной контурной емкости печати эта функция должна учитывать и другие, рассмотренные выше нелинейности, например связанные с формойи порядком установки субэлементов в растровой ячейке и др.

7.2.7 физическое растискивание

Под этим видом растискивания понимают увеличение физических размеров растровых точек при переносе их с фотоформы на печатную форму и далее на оттиск [7.13]. Однако уже на фотоформе они существенно отличаются по размерам от своих образов, идеализированных битовой картой. Поэтому применительно к цифровым репродукционным системам растискивание целесообразнее учитывать как изменение площадей печатных элементов в цепи битовая карта-фотоформа-печатная пластина-оттиск [2.10]. График N_вх = f₆(N_d) в квадранте 6 схемы на рис. 7.7 совокупно компенсирует нелинейные искажения указанного типа, представленные на той же схеме в квадрантах 10 и 3 для формной и печатной стадий.
Термин растискивание по своему смыслу предполагает, что печатные элементы оттиска оказываются обязательно больше печатающих элементов формы. Естественно в этой связи предположить, что такое различие может быть легко устранено в самом печатном процессе, например, путем соответствующего уменьшения подачи краски или давления. Однако добившись подобным образом равенства, например, 40%-ных точек формы и оттиска, теряют на практике мелкие точки в светах и получают большие, чем на форме, пробелы в тенях. Непропечатка мелких точек и чрезмерно большие пробелы сужают эффективный интервал плотностей оттиска, невосполнимо снижая контраст и число воспроизводимых градаций. Режим растровой печати оптимален, когда по полю изображения во всем тираже устойчиво воспроизводятся предельно малые печатные элементы и пробелы. Отклонения от такого режима с целью, например, компенсации недостатков цветоделения, цветовой или градационной коррекции недопустимы. Растискивание есть увеличение печатных элементов в средней части диапазона изменения их площадей, сопутствующее оптимальной настройке печатного процесса по критерию эффективного интервала оптических плотностей автотипного синтезаполутонов. Растискиванию, в отличие от непропечатки, сопутствует лишь некоторое перераспределение градаций внутри диапазона их изменения на иллюстрации. Искажения такого типа не являются необратимыми и могут быть в определенных пределах скомпенсированы на репродукционной стадии путем внесения соответствующих предискажений.
Причинами физического растискивания являются рассеяние света при записи фотоформы и ее копировании на печатную пластину, давление между офсетной покрышкой и печатным цилиндром, растекание краски, проскальзывание, двоение печатных элементов и т. п. Относительная площадь печатающих элементов изменяется в результате растискивания сильнее всего на среднем участке градационного диапазона, которому соответствует наибольший периметр печатных элементов и их взаимное касание. Положение экстремума кривой растискивания связано поэтому также и с формой растровых точек, и с геометрией растровой структуры. Так, например, при установке печатных элементов в шахматном порядке наибольшего расгискива-ния следует ожидать при относительных площадях порядка 50%, если растровые точки имеют квадратную форму, и в области 79%, если они круглые. Для круглых точек, расположенных гексагонально, значение максимального периметра и зона касания еще более смещаются в область теней и соответствуют относительной площади порядка 90%. В системах с нерегулярным размещением печатных элементов максимум растискивания смещается в область светов и соответствует запечатываемым площадям от 25% до 35% [7.14]. Характеристики растискивания для растров различной геометрии иллюстрирует рис. 7.15 [7.15].

Рис. 7.15 Форма характеристик растаскивания при различных геометриях растровой структуры по Густавсону

листовой офсетной печати растискивание составляет порядка 15% (при 60 лин/см) и 20% (при 54 лин/см) соответственно для мелованных и немелованных бумаг. В ролевом журнальном офсете при линиатуре 54 лин/см растискивание составляет 22%, а при печати газет с линиатурами иллюстраций 40 лин/см оценивается в 30% [7.16].
Одним из параметров оперативного денситометрического контроля растискивания в печатном процессе служит контраст печати, оцениваемый на контрольной шкале по оптическим плотностям D_т заливки и D_s растрового поля с относительной площадью точек 80%:

7.3

Нулевое значение этой функции современного денситометра свидетельствует о полном затекании краской пробела на контрольном растровом поле. Если при этом плотность D_т оказывается большей, чем на других оттисках, то причиной снижения контраста может являться увеличение подачи краски. Если же значение этой плотности не изменилось, то эту причинную связь можно исключить и искать ее в повышении давления, проскальзывании и т. п.

7.2.8 печатная способность периодических и нерегулярных растровых систем

Выше были рассмотрены специфические характеристики «вещественных» этапов полиграфического процесса, связанных с изготовлением фотоформ, печатных форм, цветопробы и самих оттисков, а также принципы учета этой специфики на компьютерной стадии репродукционного процесса при создании выходного иллюстрационного файла. Вместе стем, характеристики каждого из указанных этапов соблюдаются лишь в определенных, оговоренных технологическим регламентом допусках. Величина отклонений зависит от качества используемых материалов и оборудования, степени износа последнего, уровня нормализации и стабилизации технологических режимов, т. е. как от экономических возможностей, так и общей производственной культуры того или иного предприятия. Отклонения, имеющие место в пределах этих допусков, могут иметь непредсказуемый характери вносят соответствующую неопределенность в получаемые в печати значения тона.
В указанной связи и были сформулированы в подразделе 3.2.4 общие требования кформе печатных элементов и геометрии их установки на тоновой иллюстрации. Было отмечено, в частности, что наименее подвержены искажениям печатные и пробельные элементы круглой формы как имеющие минимальный периметр для заданной площади. Однако на градационную кривую растровой стадии существенным образом влияет еще и дискретность формирования самих печатных элементов.
Как было показано далее, графиками 2 и 3 на рис. 7.12, зависимость запечатываемой площади от количества образующих ее микроточек особенно нелинейна, когда последние заполняют единичный участок растрового изображения в случайном порядке. Дискретность этой кривой, условно представленная на рис. 7.16 (б), особенно выражена, поскольку, например на среднем участке, ступени спародически, до 8 дополнительных площадей превышают площадь отдельного субэлемента или, напротив, оказываются меньше ее на 4 такие же площади в верхней части. Возможность выбора равноконт-растного (по оптическим плотностям или светлотам) растрового алфавита при заданном размере матрицы субэлементов (разрешающей способности вывода) оказывается ограниченной.

Рис. 7.16 Запечатываемая площадь S в функции количества п образующих ее субэлементов; для регулярного растра (а); при случайном размещении субэлементов (б); при растрировании методом диффузии ошибки (в)

В регулярной структуре субэлементы группируют в растровые точки и влияние дополнительных площадей существенно меньше. Как поясняет рис. 7.17 (а), по мере того как запечатываемая площадь растет до 50%, установка каждого нового субэлемента сопровождается образованием не более двух дополнительных площадей. Когда же растровая точка становится более 50%, шаг дискретного прироста тона снижается максимум на две такие площади (см. рис. 7.17, б). В результате характеристика растрового процесса менее отличается от идеализированной линейной (см. рис. 7.16, а), а реализуемое в тех же условиях количество равноконтрастных градаций оказывется больше, чем в рассмотренном выше случае нерегулярного размещения субэлементов.

Рис. 7.17 В интервале относительной запечатываемой площади до 50% введение нового субэлемента дает дополнительные значения положительного знака (а, б); в тенях изображения эти значения вычитаются из результирующей площади (в, г)

Вместе с тем, и в том и в другом из рассмотренных вариантов создания растровых алфавитов неравномерная дискретность характеристики растровой стадии жестко детерминирована. Она может быть учтена в результирующем тоновоспроизведении и поэтому, при достаточной разрешающей способности или адресности (см. подраздел 11.6) записи, не вносит в него шумов, которые добавились бы к тем, что обусловлено упоминавшейся выше технологической нестабильностью вещественных стадий репродукционного процесса.
Положение в корне меняется при растрировании способом диффузии ошибки двухуровневого квантования исходных многоуровневых значений тона. Сущность этой наиболее широко обсуждаемой в научной литературе последних десятилетий технологии описана в заключительном разделе. В рассматриваемой связи следует отметить лишь, что, в этом методе не используются наперед заданные растровые функции или алфавиты, а искажения дискретности приращения тона, обусловленные образованием дополнительных площадей, носят случайный характер. Поэтому тонопередача такого растрового процесса, как условно показано на рис. 7.16 (в), сама по себе, включает шумы, компенсировать которые возможно лишь существенным снижением нестабильности вещественных технологических стадий, а это связано с использованием дорогостоящих материалов и оборудования.
Широкая полиграфическая практика не восприняла множество из предложенных в последние годы альтернативных и, прежде всего, нерегулярных растровых систем, несмотря на обилие, не всегда корректно, рекламируемых их преимуществ. Основная причина этого, как пояснялось выше, заключается в ограниченных градационных возможностях, которые, свою очередь, определяют такие приоритетные показатели иллюстрационной печати, кактоно-и цветопередача.