关于数字加网方法的研究.docx
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关于数字加网方法的研究
关于数字加网方法的研究
在传统印刷过程中,印刷过程的实现都必须要有印版
的存在,而印版上只有两个元素――图文部分和空白部分。
如若印版上这两个元素没有任何微观上的变化,那么通过该
印版印刷出来的印刷品只有两个层次,这就无法将原稿上丰
富的阶调层次和色彩转移到承印物上。
如若将原稿的连续调
图像即印版上的图文部分分割成无数面积大小不同的小点,
这些不同面积大小的点着墨后,着墨的多少也就不同,在视
觉效果上也就表现出了不同的阶调层次。
同样,着墨的多少,
也反映出了色彩的千变万化,这些小点在印刷上称之为网点,
这种技术即为网目调技术,它也是印前的一项核心技术。
根据加网方法的不同,网点分为调幅网点(AM
Screening,以点的大小来表现图像的层次,点间距固定,点
大小改变)和调频网点(FM Screening,以点的疏密而不是
点的大小来表现图像的层次),如图 1 所示。
从连续调图像到网目调图像的处理过程称之为加网
(Screening)。
加网技术的发展经历了网屏照相加网、电子
分色机电子加网和计算机数字加网三个发展阶段。
CTP 技术
的出现,使数字加网技术直接运用到了印版上。
CTP 技术用
数字技术代替了传统印版制作的模拟技术,从而减少了图像
转移次数和人为因素对版面质量造成的影响。
所谓的计算机数字加网就是采用无形的电子或数字网
屏完成网点的形成过程,其主要工具是光栅图像处理器
(RIP),并且可根据要求自动对网点的大小等各种参数加以
确定。
本文主要介绍数字网点生产方法及几种常用的加网技
术。
数字网点生成方法
如何将数字图像的像素值转换为可模拟原稿图像浓淡
程度的网目调网点?
这是计算机数字加网的关键问题。
图 2
显示了通过对一个网点单元内不同数量的像素点曝光来形
成不同成数的网点。
对于传统的调幅加网方式来说,正是这
些不同曝光数量的像素点构成了不同级别的网点大小,继而
使图像有了丰富的浓淡变化,也使得连续调图像得以转化为
网目调图像。
数字网点的生成主要是按网点形状建立数学模型(数学
表达式),进而规定在一个网目调单元中所有的记录栅格如
何曝光(即曝光的次序)。
主要有阈值法、模型法、生长模
型法和对半取反法这 4 种生成方法。
1.阈值法
阈值法又称投影法,得名于用模拟照相加网的方法产生
数字网点。
该方法预先设计好一个阈值矩阵,该阈值矩阵为
一个平面记录区域(比如一个网目调单元)的每一个点(记
录栅格)设定一个阈值。
加网时根据阈值矩阵以及从图像中
读出的像素值对记录平面上(网目调单元)的每一个记录栅
格作出曝光或不曝光的判断,即使用设定的阈值来控制网目
调单元中的每一个记录栅格是否曝光。
用阈值法产生数字网点时,对应于每一层次变化(像素
值的变化)均需按照接触网屏的透光特点设计一个阈值矩阵。
例如,当网目调单元由 16×16 个记录栅格组成时,则一个
网目调单元能表现的层次数为 162+1=257 种,对应这 257 种
层次均需要按接触网屏的透光特点设计一个阈值矩阵。
如果
网目调单元的栅格数改变了,则必须为新的栅格分布建立另
一套阈值矩阵。
此外,对应于不同的网点形状,也需要设计
不同的阈值矩阵。
这一方法模拟照相加网,因此可获得很好的结果,但缺
点是需要巨大的内外存资源来存储预先设计好的阈值矩阵,
且阈值矩阵随着记录设备的分辨力、加网线数、网点形状和
加网角度的变化而变,即使在现代,这样巨大的存储开销也
是很难接受的。
2.模型法
对各个阶调级(灰度等级)预先设计好网点模型。
比如
一个 12%的网点通常将在网目调单元栅格矩阵中心部位的
12 个小方格上曝光。
假定数字图像的灰度等级为 100,需预
先为每一形状的网点各设计一套网点模型集(每套网点模型
包含 100 个网点模型),并将每一网点模型编号。
输出时,
输出设备对分色图像的每一个颜色通道进行逐行逐个像素
的扫描,读出每一像素值(灰度值),并根据规定的网点形
状和灰度值从对应的网点模型集中取出需要的网点模型,控
制输出设备在应该曝光的位置(小方格)上曝光,每个像素
值对应一个网点模型。
3.生长模型法
假定一个网目调单元包含 25 个成像光点,即横向和纵
向均划分为 5 格,可表示的灰度层次等级有 25+1=26 个。
设
数字图像有 14 个灰度等级,即像素的灰度值范围从 0 到 13。
由于成像光点有 25 个,层次等级有 14 个,因此每两个小方
块对应 1 个灰度等级。
与像素值 0 对应的曝光点数为 0,与
像素值 1 对应的曝光点数为 1,对像素 1 以后的灰度等级,
每增加 1 个灰度等级就增加 2 个曝光点,由此而得到由 0~13
这一灰度变化范围。
显然,当需要复制出一幅每一主色的位深度为 8 的彩色
图像时,需要由 16×16=256 个记录栅格组成一个网目调单
元。
生长模型法的模型数量大大减少。
当需表现 256 个灰度
级时,模型法需要 256 个网点模型,而生长模型法则需一个
网点模型。
使加网过程变得更高效,加网时只需进行比较操
作即可。
4.对半取反法
该网点生成方法以 50%网点为基础,对面积率大于 50%
的网点,以与之互补之小网点的点型取反而获得需要的网点。
例如,80%的网点可以通过对 20%的网点取反得到。
实例如
图 3 所示。
对半取反法为不少加网软件所采用,该方法生成网点的
主要优点可归纳为:
①网点生成快。
由于对半取反法在加网过程中大量执行
的是逻辑运算,因此它的执行效率较高。
②存储空间小。
由于只要产生一半的网点,另外一半的
网点由取反得到,故需要的存储量小。
数字加网基本算法 1.调幅加网
调幅加网技术即 AM(Amplitude Modulated Screening)
技术是最典型、最常用的加网技术。
网点是以中心胞点方式
向外增长的,网点中心具有固定的空间位置,每个网点的相
互中心位置保持不变,由像素的灰度值来决定网点的增长。
调幅加网网点可用传统网点的 4 个参数来表征,即网点面积
率、网点形状、加网角度和加网线数。
调幅网点的结构特点是:
由图像像素的灰度值决定网点
面积率,单位长度上的数目决定了加网线数,小点从中心向
四周按规律扩散,集中分布,形成网点,扩散的规律决定了
网点形状和加网角度。
水平与垂直方向上网点间距相等。
调幅加网技术比较成熟,特别是在中间色调位置上表现
完美,对设备环境、印刷条件要求不高,广泛应用于印前处
理中。
然而,调幅加网技术仍存在一些难以避免的缺陷,如
龟纹。
目前调幅加网算法主要有有理正切加网算法、无理正切
加网算法及超细胞加网算法三种。
①有理正切加网算法
有理正切加网(Rational Tangent Screening)是数字加网
的基础,它早于无理正切加网技术的出现。
存在的主要问题是:
A.为了满足网目调单元角点与输出设备记录栅格角点
重合,使得实际可用的加网角度与制版工艺要求的角度出现
较大的偏差,15°不得不变成 18.4°才能保证角点的重合,
由此产生的绝对误差是 3.4°,这一偏差不是一个小数字,
有可能引起龟纹。
B.对设定的加网线数,加网后实际得到的数字会与指定
的数字出现偏离,除 0°的黄版外,其他色版的实际加网线
数均出现偏差,从而导致各色版实际加网线数的不同。
C.可供选用的加网线数和加网角度只有有限的组合。
有理正切加网存在着一些问题(18.4°),但也使用了很
长时间。
为什么?
因为计算手段达不到。
当计算机 CPU 的运
算速度越来越快时,就可以实现新的加网算法――一种更接
近于传统加网角度的方法,这就是无理正切加网(Irrational
Tangent Screening)。
②无理正切加网算法
当加网角度的正切为有理数时,网目调单元的角点可以
与记录栅格小方块(设备像素)的角点准确重合,但同时又
要保证 15 度,是不可能的。
如果仅用这样放置网目调单元
的方法,是无法实现加网的,要实现加网,必须解决 4 个角
点都与记录栅格角点重合的问题。
无理正切加网解决角点不
重合的问题主要有两种方法。
A.逐个修正法
根据实际要求的加网线数和加网角度,精确地计算与判
断每一网目调单元的栅格点阵及其特点,据此获得网点的大
小和形状,逐个做网目调单元的角度修正。
B.强制对齐法
取整无理正切角 a 的对边 dy 和邻边 dx,强制网目调单
元角点与记录设备的像素角点重合,使之形成有理正切网点。
但是,强制角点对齐后衍生出来的问题是,实际得到的加网
角度和加网线数将与给定的值有所偏离,它们只是给定加网
角度和加网线数的近似值。
采用无理正切加网算法可获得高质量的输出,但对光栅
图像处理器以及加网计算机的运算速度要求极高,为了解决
上述矛盾,在数字加网技术中引进了超细胞结构的概念,利
用它可以有效地解决无理正切加网存在的问题。
C.超细胞加网算法
超细胞结构加网技术(Super Cell Screening Technology)
是一种针对有理正切加网和无理正切加网的不足而开发的
改进方案。
采用这一技术后,通过采用超大型细胞并在每个细胞内
设置多个网点生长点的方法,解决精密逼近 15°角和记录分
辨力间的矛盾。
超细胞的尺寸与网目调单元相比要大得多,因此在输出
设备的记录平面上有许多可以放置超细胞的点,使得超细胞
的角点与记录设备的像素角点重合。
因此,用超细胞加网方
式可以非常逼近传统的加网角度,并使得各色版的加网线数
基本相同,从而保证复制的精度。
目前很多加网技术就是采用了该种算法,如:
Linotype-Hell 的高质量加网 HQS(High Quality Screening)、
Adobe 公司精确加网 AS(Accurate Screening)及 AGFA 公
司平衡加网 BS(Balanced Screening)等。
相信该加网技术还
会得到进一步的发展。
2.调频加网
调频加网技术即 FM(Frequency Modulated Screening)
技术,是当今网点技术主要的发展方向之一,调频加网网点
大小不变,网点以离散态分布,随着加网的算法不同而有不
同的空间位置,网点间距不等,以网点分布密度(频度、网
点聚集个数多少)表现阶调层次,没有网线、加网角度的概
念,常用网点直径的大小来区分。
相对于调幅加网而言,调频加网能够复制出更多的图像
细节,可解决细线的锯齿及断裂,带纹理图像及栅格的撞网
及产生龟纹和玫瑰斑的问题。
同时调频加网无需考虑网点角
度,能实现高线数印刷的效果,可以进行高保真印刷。
但亦
有不足之处,如因调频网点大小相等且具有颗粒感,故在中
间调位置上难以控制每组网点的位置,尤其在平网时会出现
墨斑;另外调频加网对设备及环境要求较高,使许多普通印
刷机无法正确再现网点,并且网点扩大严重,不容易控制,
需要更细致的工艺控制和监测技术。
目前调频加网算法主要有模式抖动加网和误差扩散抖
动加网两种。
①模式抖动加网
j
假如数字图像的分辨率与设备的分辨力相同,那么可以
采用抖动技术来进行数字加网。
假定有一个 m×n 的伪随机
抖动矩阵 Dij,若数字图像中某点的坐标为(x、y),则它在
伪随机抖动矩阵中的相应位置(i、 )应该为:
i=x mod m,j=y
mod n(mod 表示取模运算)。
如果像素点(x、y)的亮度值
大于 Dij。
那么该点的亮度值就为 1,反之为 0。
这就是对灰
度图的抖动过程,对于彩色图像,可以将彩色图像分成几个
颜色通道,然后分别对每个通道进行抖动。
通常情
况下,经过抖动运算后的图像会有抖动矩阵图案的痕迹,为
了防止这种人工痕迹,一般都是预先在原始信号或阈值信号
中加入抖动信号(即无规则噪声),然后再进行相应的处理。
②误差扩散抖动加网
在模式抖动中,当数字图像的像素值大于其相应阈值时
就直接将其置为 1,反之置为 0。
这样必然会存在着一定的
灰度值误差。
但是如果这个误差先被扩散到周围的像素中,
然后再进行抖动处理,那么它对最后的二值图像的影响就没
有那么明显。
这样相当于在原始信号中预先加入了抖动信号,
然后再进行处理时就可避免人工痕迹,这就是误差扩散抖动
加网。
其处理过程是首先对数字图像中像素点的灰度值进行
归一化处理,并作为误差扩散抖动处理器的输入信号 Ixy,
信号 Ixy 在进行阈值比较前先被加入误差过滤器中的输出值
Exy,以得到用于进行实际比较的输入信号 Txy;然后再对
信号 Txy 进行阈值处理,即可得到最后的二值信号(1 或
0)。
最常用的一个误差过滤器就是 1796 年由 Floyd-Steinberg
提出的过滤器,它实际上是一个误差分配表,规定了像素上
下左右分得的误差比例。
采用误差扩散抖动技术加网,能够
使噪声成分降至最低,并产生更高的细节分辨率。
3.混合加网
混合加网(Hybrid Screening)技术是借鉴调幅和调频两
种网点特性的加网技术,既体现了调频网点的优势,又具有
调幅网点的易操作性和稳定性。
在现有的印刷条件下就能真
正实现 1%~99%网点的再现。
发展这种技术的最终目的,是
希望能够配合高效能的 CTP 技术,使印前或印刷部门可以事
半功倍达到最完美的网点印刷效果。
一般混合加网技术中网
点的混合方案主要有以下几种:
①把图像分成不同部分,在很精细、层次感比较丰富的
范围用调频网,以表现细微的差异,而平网部分以调幅网来
表现;
②在中间调部分加调幅网,暗调和亮调部分加调频网;
③以调频网网点的分布方法布置调幅网的网点。
新型的混合加网技术基本都基于以上 3 种方案。
如视必
达(Spekta)加网技术是日本网屏公司于 2001 年开发的一种
新的混合加网方法,它能够避免龟纹和断线等问题。
它在网
点百分比为 1%~10%的高光区域及 90%~99%的暗调区域,
像调频网点一样,使用大小相同的细网点,并以这些网点的
疏密程度来表现图像的层次变化,但最小网点的尺寸比通常
使用的要大些,从而弥补了调频网点难于印刷的不足。
在
10%~90%的中间调部分,又会像调幅网点一样改变网点大
小,但所有网点的位置都具有随机性,这意味着加网角度不
存在了。
可实现相当于 300 线/英寸以上的超精细加网,同时
也避免了玫瑰斑和龟纹对印品质量的影响。
爱克发 Sublima 加网技术以调幅加网技术来表现中间调
(8%~92%)的层次,而在亮调(0~8%)和暗调(92%~100%)
处,用调频加网技术来表现层次,调幅和调频的转换点随加
网线数的变化而变化。
并且 Sublima 加网技术采用爱克发的
专利 XM 超频运算法,消除了过渡痕迹,让两种频率的网点
巧妙地融合。
Sublima 加网技术充分利用了调幅和调频加网
的优点,在不改变现有印刷条件、不增加成本的前提下,实
现了高网线印刷。
总之,无论是调幅加网,还是调频加网,亦或是混合加
网,这些加网的最终目的就是将连续调原稿通过合理的方案
转换成网目调图像。
那么随着数学和计算机技术的进一步发
展,我们坚信加网技术将越来越高效。
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- 关于 数字 方法 研究