Формирование и регистрация изображения в выводных устройствах
В современных фото- и формовыводных устройствах систем допечатной подготовки изданий для формирования изображения используется принцип сканирования световым лучом, сфокусированным на плоскости регистрирующего материала в пятно малого размера. При этом регистрация происходит посредством изменения физико-химических свойств свето- или термочувствительных слоев, нанесенных на прозрачную или непрозрачную основу. Визуализация скрытого изображения происходит в результате соответствующей химической обработки.
Принцип сканирования заключается в том, что световое пятно, последовательно перемещаясь по расположенным с определенным шагом вертикальным или горизонтальным линиям, постепенно обходит всю площадь поверхности регистрирующего материала, где должно быть записано изображение. При этом вследствие модулирования интенсивности светового сигнала по принципу «да/нет» осуществляется экспонирование регистрирующего материала и выполняется запись элементов изображения — отрезков и точек, формирующих шрифтовые знаки, штриховые и растрированные полутоновые иллюстрации и другие графические элементы.
Сегодня в качестве источника света в большинстве современных выводных устройств используется лазер. Основными достоинствами лазерного источника света являются монохроматичность излучения, малая расходимость и высокая интенсивность лазерного луча, быстрое и достаточно простое управление лучом.
Монохроматичность излучения и его малая расходимость позволяют с помощью оптической системы сфокусировать лазерный луч в пятно, которое по своим размерам сопоставимо с длиной волны излучения, причем и чем меньше длина волны, тем меньше размер пятна. В различных выводных устройствах в зависимости от используемого типа лазера и от конструкции оптической системы сканирующее световое пятно имеет размеры от 5,2 до 30 мкм.
Высокая интенсивность излучения дает возможность записывать изображение с большой скоростью. Это обусловлено тем, что оптическая плотность изображения на фотопленке, полученная после ее проявления, зависит от экспозиции, то есть от произведения освещенности фотоматериала на время экспонирования. Высокая интенсивность лазерного луча создает значительную -освещенность фотоматериалов в сканирующем пятне, при которой требуемую экспозицию можно получить за очень короткое время экспонирования. Чем меньше времени требуется для экспонирования фотоматериала, тем с большей скоростью может перемещаться световое пятно по фотоматериалу и тем быстрее производится запись изображения. Возможность быстрого и сравнительно простого управления лазерным лучом также повышает скорость записи.
Рис. 1. Шрифтовые знаки, получаемые: а — при фотографировании эталонных изображений и в фотонаборных автоматах; б, в — при вертикальном сканировании фотоматериала с разрешением соответственно R и 2R dpi; г, д — при горизонтальном сканировании с разрешением соответственно R и 2R dpi
Значительная интенсивность лазерного излучения тоже является определяющим фактором скоростных характеристик формовыводных устройств, так как от плотности энергии, сосредоточенной в сканирующем пятне, зависит время экспонирования светочувствительных или термочув-ствительных формных материалов.
Сформированное из отдельных вертикальных или горизонтальных линий (точечно-растровых линий) изображение шрифтовых знаков, в отличие от идеального изображения (рис. 1 а ) знаков (например, при их фотографировании с эталонных изображений), имеет растрированную структуру (рис. 1 б - д ) с пилообразной формой некоторых линий контура знака. Шаг между линиями растра выбирается так, чтобы изображение в пределах знака было сплошным. Для этого шаг должен быть несколько меньше (обычно на 20-30%) диаметра светового пятна, формирующего изображение на фотоматериале или светочувствительных формных пластинах. При записи изображения на термочувствительные формные пластины данный шаг практически равен диаметру сканирующего пятна.
Величина, обратная шагу между линиями растра, определяется важнейшей характеристикой фото- и формовыводного устройства — разрешением, под которым понимается количество записываемых элементов изображения на единицу длины изображения. Разрешение обычно оценивается числом точек изображения на дюйм (dpi). Чем выше разрешение и соответственно меньше диаметр пятна, тем мельче пилообразная форма линий контура знака и выше качество изображения. Приведенное для примера увеличенное изображение знаков на рис. 1 в и д получено при разрешении в два раза большем, чем изображение знаков на рис. 1 б и 1 г . Современные фотонаборные автоматы экспонируют фотоматериал с разрешением 1200-5080 dpi, а формовыводные устройства экспонируют формные пластины с разрешением 900-6000 dpi, что обеспечивает получение соответственно фотоформ и печатных форм высокого качества.
В выводных устройствах с цифровым представлением шрифтов и иллюстраций применяются два основных метода формирования растрированного изображения шрифтовых знаков.
Первый метод основан на формировании знаков из горизонтальных точечно-растровых строк, которые содержат последовательности черных и белых отрезков для соответствующих линий сканирования изображения. Изображение формируется в результате записи световым пятном таких точечно-растровых строк по горизонтали и перемещения регистрирующего материала по вертикали (или наоборот) на величину шага растра в периоды между окончанием и началом записи двух соседних строк (рис. 2 а ). При этом световое пятно всегда сканирует максимально возможный для данного выводного устройства формат, независимо от формата регистрирующего материала.
Рис. 2. Формирование изображения шрифтовых знаков из горизонтальных точечно-растровых строк: а — при однолучевом сканировании; б — при многолучевом (пакетном) сканировании
Второй метод базируется на формировании изображения знаков из пакета горизонтальных точечно-растровых строк, а запись здесь осуществляется сразу несколькими параллельными световыми лучами (пакетом лучей). В этом случае изображение на регистрирующем материале формируется посредством записи нескольких строк по горизонтали и перемещения материала по вертикали на ширину этой полоски (рис. 2 б ).
Управление процессом формирования изображения знаков (сканированием) в выводных устройствах осуществляется на основе цифровых сигналов, в которых в виде двоичных чисел закодирована информация о начертании контуров шрифтовых знаков.
Наиболее универсальной и распространенной кривой, применяемой при описании контуров, можно считать кривую Безье третьего порядка, где параметр t принимает значения от 0 до 1:
В приведенном примере (рис. 3) точки p0 и p3 являются крайними, а p1 и p2 — направляющими. Если известны координаты этих точек, то уравнение кривой выглядит так:
Рис. 3. Кривая Безье
.
Для кривых Безье однозначно решается задача разделения на две кривые. Задачи же объединения двух кривых и построения кривой, проходящей через заданную точку, можно решить только в приближенном виде (или при наличии дополнительных условий). При помощи кривых Безье можно описать самые разные формы, включая дуги окружностей. Если расположить последовательно несколько кривых и определить способ сопряжения между ними, то возможности описания контура становятся безграничными. Развитие алгоритмов воспроизведения кривых Безье привело к тому, что по скорости обработки они не уступают алгоритмам воспроизведения более простых видов кривых. Из недостатков кривых Безье следует отметить неудобство работы для художников, рисующих символы на компьютере, поскольку им довольно сложно манипулировать направляющими точками, не лежащими на кривой.
Любой цифровой шрифт представляет собой описание параметров входящих в него символов. Форматом представления цифрового шрифта называется способ (стандарт) представления цифровой информации о шрифте. Шрифт, представленный в определенном формате, можно использовать в любых программных и аппаратных средствах, которые могут воспринимать закодированную в формате информацию.
Широкое применение нашли цифровые шрифты, представленные в форматах Adobe Type 1 (иногда этот формат называют PostScript Type 1 или просто Type 1) и True Type. В Туре 1 контуры символов формируются из участков прямых линий (назовем их векторами) и участков кривых Безье третьего порядка (рис. 4).
Рис. 4. Формирование элемента шрифтового знака
Для большей компактности горизонтальные и вертикальные векторы, а также определяемые ими кривые описываются отдельными командами. Все команды описания контуров оперируют относительными координатами. Все символы в шрифтах Туре 1 представляются в единой координатной сетке. Преобразование символов в соответствии с координатной системой выводного устройства производится через матрицу, заданную в заголовке шрифта — FontMatrix. После трансформирования через матрицу получается шрифт кеглем в 1 пункт (рис. 5).
Рис. 5. Схема масштабирования цифровых шрифтов формата Type 1
Матрица состоит из шести чисел: [a, b, c, d, tx, ty]. Итоговые координаты рассчитываются следующим образом:
Обычно в шрифтах Туре 1 используется сетка в 1000 единиц (то есть 1000 единиц координатного пространства символа соответствуют 1 пункту, а прописные буквы имеют высоту примерно 700 единиц), а коэффициенты матрицы а и d равны 0,001. При помощи FontMatrix можно создавать наклонные начертания без изменения самого шрифта. Для этого коэффициенту с нужно присвоить значение, равное синусу угла наклона. Скажем, матрица для координатной сетки 1000 с наклоном 12° вправо будет выглядеть так: [0,001 00,2 0,001 00]. Коэффициенты b, tx и ty в шрифтах Туре 1 обычно не используются.
Рис. 6. Схема масштабирования цифровых шрифтов формата True Type
В основу формата True Type положен принцип программируемой разметки символов. Вся необходимая информация о символах находится в одном файле, а сам процесс установки новых шрифтов прост и нагляден. Шрифты True Type прозрачны по отношению к любым выводным устройствам — начиная от дисплея и заканчивая самыми сложными PostScript-принтерами и фотонаборными автоматами. При построении символов в шрифтах True Type используется координатная система, в общих чертах аналогичная той, которая применяется в шрифтах Туре 1. Все символы описываются в сетке, размер которой определяется в заголовке шрифта. Максимальный размер сетки равен 16 384, а значения координат находятся в диапазоне от –16 384 до +16 384. Обычно используется сетка размером в 2048 единиц, причем координаты по каждой из осей могут находиться в диапазоне от –2048 до +2047. Масштабирование контуров символа осуществляется (рис. 6) в соответствии с формулой:
,
где Sb — размер знака в точках в соответствии с разрешением выводного устройства (ФНА); Sk — размер контура знака в единицах размерной сетки формата; K — кегль знака в пунктах; R — разрешение ФНА; Skc — размер координатной сетки формата.
Например, символ высотой 1400 единиц, определенный в сетке, имеющей размер 2048 единиц, при воспроизведении размером в 10 пунктов на устройстве с разрешением 300 точек на дюйм будет иметь соответствующую высоту:
Понятно, что дробные значения координат нельзя воспроизвести на растровом выводном устройстве, поэтому их необходимо округлить. В шрифтах True Type округление производится не механически, а с использованием набора инструкций, которые определяют разметку символов с учетом характера масштабирования отдельных элементов знака, например тонких засечек и т.п.
При воспроизведении каждого шрифтового знака на фотонаборном автомате или формовыводном устройстве, необходимо решать две задачи: масштабировать (уменьшать или увеличивать) контур знака до необходимого размера (кегля) и активизировать все точки, попавшие во внутренние области этого контура, то есть заполнять контур.
Для создания новых шрифтов и редактирования существующих применяются специальные программы, которые можно разделить на две группы — для создателей и для пользователей шрифтов. Если первая группа состоит из сложных и очень мощных шрифтовых редакторов, то программы второй группы, как правило, просты в использовании и служат для решения самых разных задач, связанных с использованием шрифтов.
Для записи штриховых или полутоновых иллюстраций их изображения должны быть предварительно преобразованы в растровую форму и записаны в память компьютера. Растровые точки представляют собой совокупность микроточек, размер которых равен диаметру сканирующего пятна. На рис. 7 представлены две растровые точки элемента полутонового изображения, запись которых осуществляется путем формирования точечно-растровых горизонтальных строк. Обычно растровые точки полутонового изображения представляют в виде так называемых суперъячеек, состоящих из 16 x 16 микроточек.
Рис. 7. Формирование точек растра полутонового изображения из точечно-растровых строк
Значение оптической плотности, передаваемой растровой точкой, определяется процентом заполнения суперъячейки микроточками. При этом возможное воспроизведение 256 градаций серого составляет 256. На рис. 8 представлена растровая точка с 25% заполнением суперъячейки при амплитудно-модулированном (рис. 8 а ) и частотно-модулированном растрировании (рис. 8 б ).
Рис. 8. Растровая точка с 25% заполнением: а — при амплитудно-модулированном растрировании; б — при частотно-модулированном растрировании
Для воспроизведения на выводном устройстве изображения отдельной полосы издания или полноформатного оттиска на фотоматериале или формном материале цифровую информацию о шрифтовых знаках и иллюстрациях, содержащихся в полосе, необходимо преобразовать в матрицу экспонирования, которая представляет собой массив данных из нулей и единиц, сформированных в виде математической матрицы. При этом число столбцов и строк матриц определяется горизонтальным l и вертикальным h форматами, а также разрешением R выводного устройства и соответственно равно lR и hR . Нули и единицы, которые служат элементами матрицы, характеризуют наличие (1) или отсутствие (0) изображения микроточек.
Преобразование информации об изображении в матрицу экспонирования осуществляет (рис. 9) RIP (растровый процессор). RIP подразделяются на аппаратные, программные и аппаратно-программные.
Рис. 9. Схема подготовки матрицы экспонирования
С появлением иррационального растрирования цифровые методы сравнялись по своему качеству с оптическими. При этом большинство цифровых методов стремится воспроизвести точность оптических систем, обеспечивавших растрирование со стандартными углами 0, 15, 45 и 75° (DIN 16457). Основной проблемой для цифрового растрирования являются углы 15 и 75°, поскольку для их точного расчета требуются значительные вычислительные мощности.
Проблема электронного растрирования заключается в реализации определенной комбинации из углов поворота растра и линиатуры растра, при рациональном использовании разрешающей способности экспонирующего устройства. Долгое время применялась только техника рационального растрирования (RT), которая давала значительные отклонения от стандарта DIN и еще большие отклонения от применяемых на практике углов поворота и линиатур растров. Имеющаясx во всех PostScript-RIP технология RT основывается на том, что число ступеней градации серого одной растровой точки вычисляется по формуле:
где R — разрешение выводного устройства, dpi; L — линиатура полиграфического растра, lpi (линий на дюйм).
Из матрицы 16 x 16 элементов экспонирования получается 256 ступеней серого. Чем выше разрешающая способность экспонирующего устройства, тем больше можно воспроизвести градаций серого для заданной линиатуры растра. Малая разрешающая способность в сочетании с высокой линиатурой растра приводит к уменьшению градаций серого.
Важной характеристикой растровой точки является ее геометрическая форма, которая влияет на такие характеристики, как растискивание краски и минимальный процент растровой точки, поддающейся копированию на форму. Многие типографии традиционно работают только с квадратной или только с овальной точкой, но современные выводные устройства позволяют использовать более сложные алгоритмы синтеза растровой точки, обеспечивающие минимизацию растискивания и эффекта офсетной «розетки», что достигается за счет изменения формы в зависимости от процента точки: в светах изображения точка круглая или овальная, в тенях — обратно круглая, в полутонах — квадратная или ромбовидная (такие формы точки иногда называют композитными).
Рис. 10. Построение растровых точек: сверху вниз - круглой, эллиптической, евклидовой
На рис. 10 представлены три наиболее популярные формы растровых точек, и для каждой показаны пять различных значений плотности (10, 25, 50, 75, 90%). Можно заметить, что форма растровой точки меняется в зависимости от значения плотности.
В высоких светах (10%) во всех трех реализациях растровая точка имеет круглую форму, наилучшим образом воспроизводимая в светах изображений. В светах (25%) точки чаще всего имеют круглую или овальную форму.
В полутонах (около 50%) практически во всех растровых библиотеках форма точки соответствует квадрату или прямоугольнику. Это объясняется хорошими результатами, которые обеспечивает точка такой формы при проработке полутонов, и высокой резкостью изображения, что особенно важно именно в полутонах, так как здесь находится наибольшее количество сюжетной информации.
Рис. 11. Растровая ячейка из 196 точек экспонирования, расположенная под углом 0° с площадью заполнения 52 точки
Рис. 12. Растровая ячейка, расположенная под углом 45°, состоящая из 180 точек
В тенях (75%) используются те же формы точки, что и в светах (25%), но в негативном исполнении (белые точки на черном фоне). На самом деле реальным печатным элементом является объект сложной формы с пробельными элементами, имеющими форму растровой точки данной растровой библиотеки. В глубоких тенях (90%) практически во всех растровых библиотеках используются пробельные элементы круглой формы. И это понятно, поскольку именно пробельный элемент круглой формы меньше всего подвержен так называемому заливанию, то есть исчезновению при увеличенной подаче краски.
Несколько особняком стоит алгоритм построения растровой точки Euclidian Dot, хотя для него выполняются все вышеописанные правила. Интересен сам механизм заполнения растровой точки. Сначала она заполняется как круглая, затем как квадратная, а после 55-60% — как квадратная с «откушенными» углами — эти углы удаляются четвертинками окружностей таким образом, чтобы при стыковке четырех точек образовывался полный круг, который и представляет собой пробельный элемент.
Однако многообразие форм растровых точек отнюдь не исчерпывается простыми геометрическими фигурами. Существует большое количество растровых точек самых замысловатых форм, которые могут применяться, в частности, для защиты документа от подделки.
Кроме классических и композитных точек, существуют растры с сильно удлиненной точкой. С одной стороны, подобные формы позволяют снизить вероятность появления муара (особенно при печати более чем в четыре краски) и зрительно увеличить контрастность изображения, а с другой — заметно ухудшают внешний вид однотонных полей чистых цветов, снижают плавность мягких переходов цвета и гладкость геометрически правильных форм изображения.
Рис. 13. Рациональный принцип построения растровой ячейки
В матрице экспонирования, полученной для заданной разрешающей способности устройства, должна создаваться растровая ячейка. У растров с поворотом угла 0 и 45° (рис. 11 и 12) не возникает никаких проблем, так как вершины растровой точки лежат в местах пересечения четырех точек экспонирования, которые служат образующими решетки (рис. 13).
Однако проблема возникает при углах поворота растра 15° и 75°. Если ячейку расположить по точкам пересечения экспонирующей матрицы, то образуются углы поворота 18,4 или 71,6°, а точнее 18,4349 или 71,5651° (arctg 1/3 = 18,4349°). Получается структура из трех точек вертикально и одной точки горизонтально в направлении длины строки или же трех точек горизонтально и одной точки вертикально в поперечном направлении (рис. 14).
Рис. 14. Построение растровой ячейки с рациональным значением тангенса
На рис. 15 приведены четыре ячейки, расположенные под углом с рациональным значением тангенса, но с другой линиатурой растра. Последовательность шагов соответствует простой структуре: три шага влево, один шаг вправо.
Рис. 15. Четыре растровые ячейки, расположенные под углом с рациональным значением тангенса, с одинаковой последовательностью выполнения шагов
Каждая растровая ячейка внутри растровой площади в зависимости от заданного угла поворота растра имеет одинаковое строение и является как бы увеличенной в четыре раза базовой ячейкой. Если на основе полученных точек пересечения линий матрицы экспонирования и выбранной последовательности шагов построить четырехугольник, то наблюдаются значительные отклонения от идеального угла (рис. 16). Для углов поворота 18,4 и 71,6° построение растровой ячейки одинаково, вследствие чего одинаковыми для этих углов будут и линиатуры растра. При углах 0 и 45° нужные точки пересечения находятся сверху или внутри той координатной сетки, которая идеальна для углов 18,4 и 71,6°, в результате чего происходит изменение линиатуры растра. Пример представлен в табл. 1.
Рис. 16. Изменение линиатуры растра при рациональном растрировании
Таблица 1
Желтая |
Голубая |
Черная |
Пурпурная |
0,0° |
18,4° |
45,0° |
71,6° |
50,0 лин./см |
52,7 лин./см |
47,1 лин./см |
52,7 лин./см |
Таким образом, при рациональном растрировании на базе одной ячейки имеются следующие ограничения:
• несоответствие стандарту углов поворота растра;
• различные линиатуры растров для разных сепараций;
• малое число конфигураций растра;
• большая вероятность возникновения муара.
Улучшенным вариантом рационального растрирования является растрирование по методу суперъячейки HQS-растра. Этот вариант основан на использовании увеличенной в три раза базовой ячейки (рис. 18), которая служит в качестве суперъячейки как основы для вычисления HQS-растра. Обозначенные на рисунке диагонали соответствуют требуемым углам в 15 и 75°.
Все четыре вершины суперъячейки должны лежать в точках пересечения линий матрицы экспонирования. Опорные (начальные) точки для вычисления суперъячейки располагаются в точках пересечения, которые лежат ближе всего к диагоналям. Отклонения от углов поворота и линиатуры растра для разных сепараций очень незначительны. Пример представлен в табл. 2.
Таблица 2
Желтая |
Голубая |
Черная |
Пурпурная |
0,0° |
15,0013° |
45,0° |
74,9987° |
58,8 лин./см |
58,9 лин./см |
58,9 лин./см |
58,9 лин./см |
На рис. 17 базовая ячейка увеличена в три раза. Понятно, что отклонения от стандарта тем меньше, чем из большего числа элементов состоит суперъячейка и чем больше шагов в горизонтальном и вертикальном направлениях делается при ее построении.
Технология иррационального растрирования (I.S.-растр) принципиально отличается от рациональных способов растрирования, всегда связанных с матрицей, определяемой исходя из характеристик экспонирующего устройства. При этом допускаются вычисления углов только с рациональными значениями тангенсов и ограниченное число линиатур растра — этих ограничений не существует в I.S.-технологии. Базой является матрица растровых точек, так называемая растровая горка из 128 x 128 приращений, в которой задаются опорные (начальные) значения с 12-битным разрешением (рис. 18). В таблице для градаций и линиатур с 8-битным разрешением обычно теряются некоторые ступени в градациях оптической плотности, что является одной из причин разрывов в контурах и в плавном переходе тонов.
Рис. 18. Схема растровой точки
В иррациональном растрировании растровая ячейка формируется исходя из требуемых стандартом угла поворота и линиатуры растра. Идеальная растровая ячейка (контур из тонкой линии) не имеет общих элементов с другими в матрице экспонирования. На рис. 19 и 20 показаны различные варианты построения точки для разных форм ячеек при заданном угле поворота растра: три или четыре точки вертикально и одна точка горизонтально и т.д.
Рис. 19. Растровая ячейка в I.S.-технологии
Рис. 20. Четыре растровые ячейки, расположенные под углом с иррациональным значением тангенса
В RIP осуществляются преобразования матрицы экспортирования из горизонтально-вертикальных координат в повернутые координаты растровой горки. Для этого необходимо из некоей начальной (стартовой) точки определять приращения в направлении х и у , чтобы вычислить следующий адрес шага в растровой горке. Когда достигается конец линии растрирования, вычисляется стартовая точка для следующей линии и т.д.
С помощью I.S.-технологии можно получить любые линиатуры растров и углы их поворота. Вычисление адресов в растровой горке выполняется с точностью ±0,000000015, поэтому максимальная ошибка угла поворота составляет ±0,0000012°. Линиатура растра вычисляется настолько точно, что, принимая во внимание ошибку угла поворота каждой точки, каждую вершину растровой ячейки можно формировать с точностью до одной микроточки.
Окончание в следующем номере
 |
|