РРРАЗНЫЕ РАСТРЫ

Когда стало понятно, что технология СТР в полиграфии прижилась надолго, производители устройств активизировались на рынке дополнительных алгоритмов растрирования, которые позволяют типографиям печатать работы с более высоким качеством. Мы решили сегодня поговорить об этих алгоритмах

Начать, видимо, нужно с самого начала. Офсетная печать по своей природе «двоична». Либо на форме есть печатающий элемент, либо его нет. Точно так же, как и в черно-белом лазерном принтере. Поэтому для воспроизведения полутонов в офсете используются растровые структуры, и за счет разницы в площадях элементов растра человеческий глаз воспринимает отпечатанное изображение как полутоновое.

Все функции по растрированию выполняются растровыми процессорами (RIP) устройств СТР. Задача RIP состоит в преобразовании исходного файла PostScript в черно-белое однобитное растровое изображение, соответствующее по формату и разрешению экспонируемой пластине. Именно это изображение и «записывается» на форму. Начнем с простого примера. Предположим, у нас есть монохромное изображение, которое необходимо отпечатать офсетным способом. Начнем растрировать.

DPI, LPI И PPI

Для того, чтобы понять, как на самом деле происходит регулярное растрирование, необходимо четко представлять себе разницу между этими англоязычными аббревиатурами. На самом деле, про всю эту тусовку можно написать целую книгу, но мы постараемся уложиться в несколько разворотов журнала. Мы выбрали «инчевую» систему координат не потому, что списывали данную статью из американского журнала, а просто числа будут получаться «более круглые».

dpi (dots per inch) - то, что профессиональные полиграфисты называют линиатурой записи. Это разрешение устройства СТР, с которым будет экспонироваться конкретная форма. В соответствии с разрешением растровый процессор строит образ экспонируемой части пластины в виде двумерного массива битовых элементов. Например, размер пластины полуформатной машины 745х605 мм. В системе СТР с внутренним барабаном она может экспонироваться полностью, хотя в этом нет необходимости. Для нее массив при 2400 dpi будет иметь размер 745/25,4*2400=70394 элемента по горизонтали (ось Х) и 605/25,4*2400=57165 элементов по оси Y. Теперь всю эту «виртуальную пластину» объемом 503 Мбайт нужно в определенных ячейках «зарисовать», как в японском кроссворде, в соответствии с информацией из файла PostScript . В этом и заключается суть процесса растрирования.

lpi (lines per inch) - называется также линиатурой растра. Для обеспечения воспроизведения полутонов выбирается некоторый размер элементарной ячейки растра. Это своеобразная решетка, которая накладывается на виртуальную пластину. Для монохромного изображения без поворота растра (об этом позже) при линиатуре записи 2400 dpi и линиатуре растра 150 lpi виртуальная пластина просто делится решеткой на ячейки 16х16 пикселей (2400/150=16), в которых формируются элементы соответствующей площади. Раньше считалось, что такая ячейка вполне достаточна для воспроизведения 256 полутонов (16х16=256). Правда, это не совсем так, ведь если стоящие рядом две точки существенно отличаются от стоящих рядом трех точек, то 127 от 128 отличаются уже не так существенно. Эта проблема уже лет двадцать известна тем, кто занимался обработкой изображений, но в полиграфической отрасли почему-то об этом не говорят.

ppi (pixels per inch) - однозначного аналога в полиграфическом жаргоне не имеет, потому что появился не так давно. Характеризует растрируемое полутоновое изображение. Это количество пикселей на дюйм при заданных размерах изображения. Оно устанавливается в Photoshop, но потом может быть изменено за счет уменьшения или увеличения в программе верстки. Считается, что для корректного воспроизведения полутонов, стоящие в «кварковской» верстке растровые изображения должны иметь в два раза большее значение ppi, чем значение lpi, которое будет использоваться при производстве форм. Раньше было принято для линиатуры растра 150 л/дюйм готовить изображения на 300 ppi. Если верстальщик уменьшил изображение, скажем, на 5%, то новое эффективное значение ppi стало не 300, а 300/0,95=316 ppi. Есть апологеты минимализма в этой области, которые предлагают использовать значение ppi равное lpi. Ниже мы объясним, почему так делать нельзя.

Исходное изображение
2x3 дюйма, grayscale, 300 ppi
(600x900 пикселей)

Если вы вдумчиво прочитали рассказ о всех этих Хpi, теперь можно попробовать порастрировать конкретное изображение. Предположим, что в соответствии с макетом нужно напечатать изображение мальчика. RIP должен для начала выяснить координаты левого верхнего угла изображения на виртуальной пластине. Предположим, что координаты 20 дюймов по горизонтали и 15 дюймов по вертикали. Если дюймы накладываются на сантиметры, то растровый процессор СТР округляет значения координат до ближайшего элемента виртуальной пластины. Размер изображения - 2х3 дюйма или фрагмент размером 4800х7200 пикселей пластины. После этого растровый процессор должен поделить соответствующую область виртуальной пластины на растровые ячейки в соответствии с линиатурой растрирования - 150 л/дюйм. В нашем случае получится 300х450 ячеек размером 16х16 элементов при линиатуре записи 2400 dpi. Теперь необходимо преобразовать имеющееся в файле PostScript растровое изображение в те самые элементы растра, которые будут формировать изображение.

Виртуальная пластина при разрешении
устройства 2400 dpi с окном, в котором
будет строиться растр для нашего изобра-
жения. Размер изображения 2x3 дюйма,
размер окна 4800х7200 пикселей. Мы
намеренно установили начало координат
в левом верхнем углу пластины. Это более
логично, чем левый нижний угол, истори-
чески используемый в PostScript.

Само растрирование - это процесс «переноса изображения на форму через растровую решетку». Происходит он следующим образом. Сначала для определения соответствующего значения ячейки среднего слоя вычисляется среднее значение из участвующих в ее формировании пикселей исходного изображения. В простом случае, о котором сейчас идет речь, выполняется вычисление среднего значения четырех пикселей исходного изображения - они лежат в диапазоне 0–255. В соответствии с полученным значением строится растровый элемент определенной площади. Например, если среднее значение составляет 54, то в соответствующем квадрате нужно создать растровую точку именно с таким количеством пикселей виртуальной пластины.

Офсетный «сэндвич» с углом поворота 0о
Верхний слой - исходное изображение 300 ppi.
Средний - растровая решетка 150 lpi. Нижний -
виртуальная пластина с разрешением 2400 dpi.

Стоило бы заметить, что в этом, практически идеальном случае, детали, которые видны при подготовке в два раза большего изображения в Photoshop, могут исчезнуть в связи с тем, что изображение реально уменьшается в два раза.

Растрирование 300/150/2400/0о. А вот и фрагмент процесса. Значения четырех пикселей исходного изображения, попадающих в левую верхнюю ячейку растровой решетки составляют 56, 58, 55 и 56%. Среднее значение 56,25%. Или 16*16*0,5625 = 144. В соответствии с этим значением на виртуальной пластине и сформирована в левом верхнем углу картинка, напоминающая крестик, и содержащая 143 черных и 113 белых элементов.

Но это самый простой случай растрирования. Сложнее получается, когда ppi изображения и используемая линиатура не кратны. Например, изображение с 300 ppi печатается с линиатурой 175 lpi. Тогда для вычисления среднего значения конкретного элемента растра необходимо использовать значения пикселей, участвующих в его формировании в соответствии с весовыми коэффициентами.

Растрирование 300/175/2400/0о Все очень сильно усложнилось. 2400 не кратно 175, как же строить растр? Кроме того, растровая решетка и пиксели исходного изображения не совпадают. Как же теперь считать средние значения? Линиатура растра - некоторое ориентировочное значение. Растровый процессор для конкретной пары lpi/dpi выбирает оптималный вариант. В случае 175/2400 выбирается ячейка размером 14х14 пикселей виртуальной формы. Это соответствует линиатуре растра 171,43 lpi.

Вычисление значения для конкретной ячейки растра производится с учетом всех пикселей исходного изображения, которые в нее попадают. Для каждого пикселя используется весовой коэффициент, соответствующий площади «попадания».

Например, в нижнюю правую ячейку попадают 4 пикселя. Для первого коэффициент равен 0,5, для второго и третьего - 0,75. Четвертый попал полностью, значит коэффициент равен 1. После несложных подсчетов получаем среднее значение 82,08%. Для матрицы 14х14 пикселей 14*14*0,8208=160. На среднем изображении в нижней правой растровой ячейке получилось 162 черных и, соответственно, 34 белых элемента.

ДОБАВИМ ЦВЕТ

Видимо, пора переходить к разговору о репродуцировании цветных изображений способом офсетной печати. Для этого используется то же самое растрирование. Просто мы делаем четыре формы, и для каждой краски растр строится под разными углами. Поворот растра в нашем случае - просто поворот нашей растровой решетки. Повернем на 45о и попробуем отрастрировать.

Фрагмент четырехкрасочного печатного
оттиска с регулярным растром. В этом
хаосе цветных точек есть, на самом
деле, строгая математическая система.
 

На заре использования настольных издательских систем здесь возникали проблемы. В первую очередь - муар в тех случаях, когда разница в углах поворота растра между черной, голубой или пурпурной красками оказывалась меньше 30о. В связи с тем, что виртуальная пластина дискретна, нарисовать на ней линию из элементов растра под строго определенным углом, если он отличается от 90 и 45 было непросто. Кстати, растровые точки были не только круглые. Чаще всего использовались точки овальной формы и эти овалы тоже требовалось поворачивать внутри растровой ячейки в соответствии с углом поворота растра.

Офсетный «сэндвич» с углом поворота 45о
Верхний слой - исходное изображение 300 ppi.
Средний - растровая решетка 150 lpi, развернутая
на 45о. Нижний - виртуальная пластина с
разрешением 2400 dpi.

Использовать стандартное растрирование из PostScript Level 1 можно было только для монохромных работ. Фотовыводные устройства с первыми растровыми процессорами от Adobe могли делать только «тупое» растрирование, путем простого вычисления положения матриц на виртуальной пластине. Растровые процессоры в начале 90-х были очень медленными.

Растрирование 300/150/2400/45o Все, игры закончились. Даже такой простой угол поворота растра на «хорошей» линиатуре растра переводит тусовку в область иррациональных чисел. На нижнем фрагменте все видно. Точки болтаются в своих ячейках как хотят. Для производства иллюстраций мы имитировали процесс в Photoshop. Иррациональность превносится необходимостью выдерживать расстояния между центрами точек. Квадратный корень из 2 пока еще никто не отменял, а «повернуть на нужный угол» экспонирующую систему устройства СТР невозможно.

Кроме того, очень существенно усложняется подсчет среднего значения исходного изображения для конкретной ячейки растра.

Производители фотовыводных устройств работали, конечно, над оригинальными алгоритмами растрирования, с компенсацией ошибок, но процесс этот шел несколько вяло. Да и процессоры, использовавшиеся тогда в RIP-ах были, мягко говоря, не очень быстрыми.

Растрирование 150/150/2400/15о Экстремальный пример растра для тех, кто выбирает ppi=lpi. Мы сменили форму точки с круглой на эллиптическую. Видно, что использование угла 15о подчеркивает проблемы 45-градусного растра. Здесь все уже совсем иррационально. При таком значении ppi и угле наклона 15о RIP в процессе растрирования будет выполнять по изображению функцию Gaussian Blur. Детали, которые проявились бы при 250–300 ppi, просто исчезнут.

Кроме того, все показывали пальцами на капстановые фотовыводные устройства и говорили что-то типа пришедшего в наш разговорный язык слова «отстой». Системы DTP в конце 80-х развивались достаточно постепенно. На их фоне развивались и куда более мощные в те времена цветоделители-цветокорректоры. Основными игроками на рынке были (в алфавитном порядке) английская фирма Crosfield, немецкий Hell и японский Screen. В России было установлено несколько десятков систем всех этих фирм. Для вывода пленок в цветоделителях использовались несколько другие технологии и проблем с муаром практически не возникало.

БЫВШИЕ НОВЫЕ АЛГОРИТМЫ

Ситуация сохранялась некоторое время, пока бывшее в те времена самым авторитетным издание о допечатных технологиях - Seybold - не решило в 1991 г. провести совсем объективный тест. Всем производителям фотовыводных устройств были переданы тестовые файлы. Представители Seybold присутствовали при выводе пленок. Затем делались аналоговые цветопробы. Результаты оценивались независимыми экспертами, которые не знали, на каком устройстве были сделаны пленки для конкретного образца. Результат оказался удивительным. Не самый известный производитель капстановых фотовыводных устройств - Varityper - попал в шорт-лист. Причем, устройства этой фирмы на самом деле не были самыми лучшими, но алгоритм растрирования Escor позволил им сделать существенный рывок по сравнению даже с монстрами допечатных процессов, производившими фотовыводные устройства с внешними барабанами.

Стохастический «сэндвич» Верхний слой -
исходное изображение, 300 ppi. Нижний - виртуа-
льная пластина с разрешением 2400 dpi. Исчезла
растровая решетка, ведь растра здесь нет. Необхо-
димость в углах поворота тоже отсутвует.

Короче, в том самом 1991 г. возникла новая тема по поводу растрирования. Она, видимо, была актуальна еще раньше, но после тестов Seybold стало ясно, что на капстановом устройстве можно делать очень неплохие фотоформы, сравнимые по качеству с «недостижимым уровнем» барабанных систем. Интересно, что математические алгоритмы победили на этом этапе серьезные механические системы. Сегодня идет третья волна использования умных алгоритмов растрирования, но об этом - чуть позже.

Стохастика 300//2400/ Мы убрали голубую сетку. Теперь имеет значение только белая. Правда, есть еще один важный параметр - размер точки растра. Для примера мы выбрали точку, состоящую из четырех пикселей устройства. При разрешении 2400 dpi ее размер составляет 21 мкм. Получается, что фактическое разрешение нашей стохастики не 2400, а 1200 dpi. Алгоритм стохастического растрирования обеспечивает преобразование пикселя исходного изображения в матрицу на виртуальной пластине. Количество черных элементов матрицы соответствует значению пикселя фрагмента исходного изображения. Мы помним, что значение левого верхнего пикселя исходного изображения составляет 56%. Разрешение устройства у нас в два раза ниже, поэтому 8*8*0,56=35,8. У Photoshop получилось 35. Вот так работают альтернативные алгоритмы.

Идея Escor и других алгоритмов заключалась в том, что использовался переменный размер растровой ячейки и за счет этого точно выдерживался угол поворота растра. Кроме того, при использовании высоких линиатур, когда соответствующая растровая ячейка не могла обеспечить 256 градаций растровой точки, учитывалась ошибка и компенсировалась за счет соседних точек. Новые алгоритмы позволяли делать пленки с линиатурой 350 lpi на устройствах с разрешением 2540 dpi. Представьте, для этого использовалась растровая ячейка 7х7 точек. Всего 49 элементов. Правда, это уже перебор, для капстанового устройства.

СТОХАСТИЧЕСКОЕ РАСТРИРОВАНИЕ

В 1993 г. сразу два ведущих производителя фотовыводных устройств AGFA и Linotype-Hell предложили свои варианты стохастического растрирования. Метод распределения ошибки, придуманный Флойдом и Стейнбергом еще в 1975 г. активно использовался в обработке изображений, но в полиграфию он пришел очень поздно. Все-таки консервативная у нас отрасль. Конечно, первые стохастические растры были далеки от идеала, но печатные образцы были вполне сносные.

Что же такое стохастика, которую еще называют частотно-модулированным растром в отличие от амплитудно-модулированного традиционного? При стохастическом растрировании в нашем «сэндвиче» из изображения, растровой решетки и пластины исчезает средний слой. Полностью отсутствует понятие lpi. Остаются только ppi и dpi. Иногда рядом с отпечатанной стохастикой картинкой в рекламных проспектах пишутся цифры, но это как раз линиатура изображения, а не растра. При стохастическом растрировании нет необходимости в повороте растра, и отсутствует понятие муара.

Метод его прост. Предположим, что мы растрируем изображение с разрешением 600 lpi элементарными точками устройства с разрешением 2400 dpi. На один пиксель изображения приходится матрица 4х4 пикселя устройства. Растр строится построчно. Начнем с левого верхнего угла. Это для любителей арифметики, остальные могут не читать. Пусть значение пикселя изображения равно 157. Ошибка изначально у нас равна нулю. Ставим левую верхнюю точку на форме. Получается ошибка, равная 255–157+0=98 (грубо говоря мы «переложили черного»). Переходим к следующему пикселю устройства. Ошибка положительная, поэтому мы точку не ставим, но изменяем значение ошибки на 0–157+98=–59. Ошибка - отрицательная, поэтому мы ставим третью точку. Ошибка 255–157+(–59)=39. Четвертую точку не ставим 0–157+39=–118. Тут «вспоминаем», что у нас начинается новый пиксель изображения. Пусть его значение 123. Ошибка у нас отрицательная, поэтому мы ставим пятую точку виртуальной пластины и пересчитываем ошибку 255–123+(–118)=14. И так далее - все 4800 пикселей
первой строки, а потом и все 7200 строк изображения. Это, конечно, слишком упрощенное изложение алгоритма. В настоящих системах растрирования ошибка в точке распространяется не только на правого соседа, а на три соседние ячейки: правую, нижнюю и правую-нижнюю. Тогда растрировать быстрее по вертикали. Надо заметить, что теоретически значение lpi при стохастическом растрировании может равняться значению dpi. В этом случае количество деталей на отпечатке будет приближаться к фотографическому, практически не отличаясь от струйного принтера.

За те двенадцать лет, которые прошли с момента появления первых систем стохастического растрирования, оно так и не прижилось в полиграфии. Есть проблемы, когда вроде бы случайно расставленные пиксели образуют легко видимые глазом конгломераты. Ровные плашки получаются зернистыми, но в светах и в тенях стохастика ведет себя очень неплохо.

Стохастическое растрирование «второго порядка»

Уже в новой жизни были разработаны алгоритмы стохастического растрирования «второго порядка». При их использовании растр в середине диапазона превращается в «червячков». Считается, что это существенно лучше.

НОВЫЕ АЛГОРИТМЫ

Прогресс не стоит на месте, и фирмы-производители систем СТР предлагают новые алгоритмы растрирования, которые позволяют печатать продукцию существенно более высокого качества.

AGFA SUBLIMA

Комбинированное растрирование, предназначенное для печати с линиатурой растра до 340 lpi. Комбинированность заключается в том, что обычное высококачественно регулярное растрирование дополняется стохастикой в светах и тенях. Но это уже не стохастика, а использование ее принципов формирования растра и учет накапливающихся ошибок. Например, при линиатуре растра в 340 lpi и разрешении 2400 dpi растровые точки меньше 8% уже не воспроизводятся на форме. Новый алгоритм ставит в соответствующую растровую ячейку элементарную точку. Учитывает получающуюся ошибку и либо ставит, либо не ставит такую же точку в соседних ячейках. Точно так же происходит и в тенях. Благодаря этому сохраняются детали в светах и тенях даже на самых высоких линиатурах.

Образец Sublima. В светах должны быть видны
хаотично расположенные растровые точки
минимального размера

SCREEN SPEKTA

Еще одно комбинированное растрирование. Также совмещает в себе традиционное и стохастическое. В светах и тенях Spekta использует чистое стохастическое растрирование. В середине диапазона используются изменяющиеся по площади точки, как при регулярном растрировании, но размещаются они случайным образом, как в стохастике.

Образец Spekta, отпечатанный в российской
типографии. Должно бросаться в глаза полное
отсутствие регулярной структуры растра.

Растр Spekta. Заметны и «червяки», и
переменный размер растровых элементов.

Spekta - очень интересная идея потому, что она объединяет лучшие качества традиционного растрирования и стохастики. Отсутствует необходимость в повороте растров для разных красок и полностью отсутствует муар. Линиатура растра - до 300 lpi.

FUJIFILM CO-RES И TAFFETA

Японцы, как обычно, идут своими, отличными от остального мира путями. Специалисты FujiFilm разработали два новых алгоритма растрирования.

Co-Res - регулярный алгоритм с учетом и распределением ошибок. Интересно, что растрирование идет не по одной растровой точке, а девятками - 3х3 растровых точки. Для обеспечения более плавных переходов размеры одной или нескольких точек в девятке могут корректироваться. Для подавления сюжетного муара используется специальная процедура, которая обнаруживает муароопасные участки и выполняет перестановку растровых точек в них таким образом, чтобы муар подавить. Максимальная линиатура растра 300 lpi.

Taffeta - алгоритм стохастического растрирования. Видимо, самый новый в индустрии. Традиционная стохастика дополнена фильтром, который снижает зернистость полученного изображения, обнаруживает и убирает ненужные конгломераты точек.