创刊50周年优秀文章:数字加网技术的比较分析

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网点是表现彩色图像阶调的基本单元,是构成印刷图像的基础。加网是表现图像不同层次的重要环节。随着科学技术的不断进步,加网技术从传统的玻璃网屏加网、接触网屏加网、电子网屏加网,发展到现在的数字加网。数字加网技术主要有调幅加网技术、调频加网技术和混合加网技术。

 

1、调幅加网技术

调幅加网是在加网网点数目不变的情况下.通过改变点的大小来表达图像层次的深浅。调幅加网的网点是以网格中心元素为基础.随着像素值的增大,以一定形状向外扩展,相邻两网点的中心距离不变网点的排列遵循一定的规律,由像素的灰度值来控制网点面积的大小。调幅加网技术有三种基本方式∶有理正切加网技术、无理正切加网技术以及超细胞结构加网技术。

1.有理正切加网

有理正切加网是调幅加网的一种基础方法。这种方法采用±18.4°网点近似代替15°和75°网点,这样很容易实现每个网目调单元的角点都准确与输出设备记录栅格的角点重合,每个网目调单元的大小和形状都相同,加网角度正切值为有理数。有理正切加网容易实现,但使用±18.4°代替15°和75°产生3.4°的绝对误差;除了0°色版外,其他色版实际加网线数与设定加网线数有偏差,容易出现玫瑰斑。

2.无理正切加网

无理正切加网是一种更加接近于传统加网角度的方法。无理正切加网使用逐个修正法或强制对齐法解决网目调单元角点与输出设备记录栅格角点不重合的问题。逐个修正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,同时需要非常大的存储空间。强制对齐法强制网目调单元角点与记录设备的像素角点重合,使之形成有理正切加网。但实际得到的加网角度和加网线数将与给定的值有所偏离。

3.超细胞结构加网

针对有理正切加网和无理正切加网的不足,1990年出现超细胞结构加网技术,这种技术解决了精确逼近15°加网角度和记录分辨力之间的矛盾。超细胞结构如图1所示。

超细胞是一个由多个网目调单元组成的阵列。采用超细胞结构加网技术,一方面加网角度非常接近传统加网角度,另一方面各色版的加网线数也很接近。值得注意的是,网目调单元的尺寸越大,可供选择的加网角度也越多,但最高加网线数也就越低了。

超细胞结构能很好地减少印刷品中的龟纹,但玫瑰斑问题仍然存在。玫瑰斑对人眼造成了干扰,并降低了图像细节的分辨力和表现能力。超细胞加网需要的运算时间比采用一个网目调单元进行加网需要的计算时间要多得多。超细胞单元越大.可获得的精度越高.但计算量更大,降低了加网效率。解决数字加网中的效率问题一方面要依靠加网新算法的应用.另一方面还要依靠计算机、照排机、RIP等硬件性能的提高。

 

2、调频加网技术

调频加网是通过网点分布密度来表现阶调层次,没有网线、加网角度的概念。1982年德国Scheuter和Fisher首次提出了调频加网的理论.但由于当时计算机水平的限制,无法满足调频加网的要求。进入90年代.随着计算机技术的发展,调频加网技术得到了实际运用。

将类支图像从多值灰度数一值化为1位灰度值时首先要进行一值化外理一值化是简弟的方法就是将所有超过某一阈值的灰度值记为1,而将其余的记为0。但是,通过这种方法将会使大量的图像信息丢失,尤甘导中间调为了获得是好的复制效果应对扫描的灰度值或阈值进行修正最常用的修正方法是抖动法,本文主要介绍模式抖动技术和误差扩散抖动技术。

 

1.模式抖动技术

模式抖动算法有多种,如Halftone抖动法、Screw抖动法等.其中最有代表性的是由柯达公司的B.E.Bayer于1973年提出的方法。Bayer抖动法的基本思想是∶按原始信号和表示信号差的低频成分为最小的原则来设计网屏。用Bayer抖动算法将灰度图像处理为二值图像时要用到Bayer抖动矩阵。Bayer抖动矩阵可以逐步递推得到,其基本定义是∶

令D1=0,则需要的抖动矩阵可递推得到。一般认为抖动矩阵以8×8规格为宜。如果抖动矩阵太小,会使抖动结果留下明显的人工痕迹∶如果抖动矩阵太大,对进一步提高二值化图像的质量没有明显效果.处理时间却大大增加。8×8的Bayer抖动矩阵元素的取值范围是0~63.因此在运算时需要将0~255灰度图像灰度值的二进制表示向右移2位。移位操作对灰度超过63的一个区域的像素相当于扣除了它们共同的底数但能反映它们层次的灰度信息并没有丢失。Bayer抖动运算基本上不涉及数学,仅是移位和位比较,执行速度快。但这种方法用一种固定的数据模板进行图像的抖动处理,得到的二值图像带有该模式的痕迹。

 

2.误差扩散科动技术

误差扩散抖动能有效地对图像进行处理而不会强加任何明显的人工因素。这种技术的工作原理是:首先对数字图像中像素点的灰度值进行归一化处理,作为抖动处理器的输入信号I x,y;误差过滤器生成误差信号E x,y,输入信号I x,y与误差信号E x,y相加后得到实际进行比较的信号值T x,y,然后再对信号T x,y进行阈值处理,得到所需二值表示信号0或者1,如图2所示。

最常用的误差扩散算法是在1975年由Rober tW.Floyd和Louis Steinber提出的。其基本算法是:当前灰度值为G 0,灰度值归一化G=G 0/255,将灰度范围转换为0~1.0,其中0表示黑,1表示白;取灰度中间值T=0.5作为阈值;加网时,原图像某一灰度值与阈值进行比较,当G≥T时,置为1(白),所产生的误差E=G-1.0;当G<T时,置为0(黑),所产生的误差E=G-0=G;然后将所产生的误差向灰度图像当前像素的周围4个像素上扩散。扩散比例如下(X表示当前像素):

二值像素置为白时,产生的误差E≤0扩散到周围的像素,这些像素的灰度值下降,相当于平衡记录像素置成白色带来的影响;反之,二值像素置为黑时,产生的误差E>0扩散到周围的像素,相当于周围像素亮度上升,用于弥补记录像素置成黑色带来的影响。由此可知,Floyd-Steinberg提出的过滤器法实际上就是一个误差分配表。它执行效果好而且执行速度快,但容易产生点状和条状斑块等干扰。将误差向更多点传递的过滤器能改善Floyd-Steinberg过滤器的性能,使图像在不同灰度区域之间的边界更加精确。根据这种原理,人们提出了Stucki过滤器、Burkers过滤器、Sierra过滤器、Jarvis-Judice-Ninke过滤器和Stevenson-Arce过滤器,等等。

误差扩散技术导致人工因素往往是上一行的误差简单地传递给下一行而引起误差的垂直累积。为了克服这个问题,在进行抖动处理时采用逐行倒向扫描,即先从左至右扫描一行,下一行是从右至左扫描,直到全部处理完毕。

 

3.调频加网的优势和不足

与调幅加网相比,调频加网采用随机分布的细小网点再现阶调,从理论上消除了龟纹的产生基础;调频加网的网点没有传统的网点形状,网点层次增加不会产生邻接时造成的密度跳跃,使层次再现更均匀;网点直径小,提高了图像的分辨力和清晰度,层次更丰富。调频加网中存在的不足:网点扩大是网点的固有特性,在调频加网中网点的周长比传统网屏中网点的周长大,因而网点扩大也多;随机加网没有规律,产生的噪声是不可过滤的;调频网点细小,往往在晒版过程中曝光不出来,使得层次损失;小网点即使能够曝光到印版上,但实际印刷往往不能实现,增加了印刷的不稳定性。

 

3、混合加网技术

混合加网的思想最早是由Daniel提出的,这种方法是指在同一加网图像中既包含调频加网方式也包含调幅加网方式。其最佳目标是利用CTP的高质量和高效特性很好地再现高网线的网点,并且能在印前和印刷过程中完美地实现。

 

1.混合加网的实现原理

混合加网有效地吸取了调幅和调频加网的优势,同时又规避了二者的不足。目前,混合加网技术的具体实现方法主要有四种:

⑴不同阶调采用不同的加网技术,一般在中间调区域直接使用调幅加网,而在高光和暗调区域使用调频加网。

⑵不同阶调的网点都同时使用调频、调幅两者的特征算法来进行加网的混合加网,这类混合型加网技术也称为“二阶调频加网”。

⑶对不同分色片采用不同的加网技术,一般对干扰性较弱的浅色黄版可以采用调幅加网,而对其他三色色版则采用调频加网;也可以根据图像色彩的具体特点决定采用调频还是调幅加网。

⑷面向对象的分区加网技术,即对页面中的某些区域(如易于出现条纹干扰的敏感区域)采用调频加网,而对其他区域则采用调幅加网。

目前,市场上主要采用前两种方法的混合加网技术。第一种方法的关键在于调频加网和调幅加网这两个本质完全不同的加网算法如何实现平滑的过渡。目前过渡区域加网主要有三类实现方法:Hybrid加网、SambaFlex加网以及Sublima晶华网点加网。第二种混合加网方法的网点中心距是变化的,更接近于调频加网。目前常用的有Staccato加网和Spekta加网。

 

2.混合加网的基本算法

混合加网是Adobe PostScript Level 3中的标准技术,其基本算法如下:

⑴取A 1、A 2、A 3、A 44个调幅网点模型组成2×2的超细胞A。

⑵混合线性同余伪随机数产生算法是:

式中,a为乘子(常数),c为增量(常数),x0为种子,m为模,ui+1为产生的第i+1个随机数;由于0≤x i≤(m-1),当xi取0~(m-1)中各数且不重复时,其周期最长为m,即循环周期p≤m;当p=m时,此函数为满周期伪随机函数。利用此满随机函数,x0=rand(t),选取a,c,m产生0~3之间的满随机数x11、x12、x21、x22。

⑶计算A’

⑷利用矩阵A’对原始图像进行加网。

通过简单的理论分析计算可知:在相同加网频率下,混合加网的层次再现能力比调频加网可提高4倍;再现平网时,生成的网点面积的不均匀性仅为调频网点的1/(m×m),其中m为调幅网点模型的边长。

 

4、结语

就国内而言,调幅加网技术使用的时间长,工艺成熟,是目前占主流地位的加网技术。调频加网技术能克服调幅加网的某些缺陷,并有着调幅加网技术不可比拟的优势,随着技术的不断发展,其应用范围也会日益广泛。短期内无论是调幅加网还是调频加网,还没有出现哪一种技术可以完全取代另一种技术的局面。混合加网技术与C T P的结合可以生产出更理想的网点,它既体现了调频网点的优势又具有调幅网点的稳定性和可操作性。因此,作为推动印品质量全面提升的重要技术,混合加网技术将日益得到应用和普及。

(本文刊载于《印刷杂志》200910期)

2022年3月28日 10:32
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