"Рекламные технологии", №2 (31) 2001
Ремизов Д.А., к.т.н., начальник отдела расходных материалов компании "Внешмальтиграф":
Сейчас, когда цифровые технологии теснят аналоговые, почти все издательства перешли на компьютерную обработку изображений. Этому процессу способствует резкое удешевление сканирующей техники и появление большого количества недорогих цифровых камер. Все это привело к тому, что технологии, ранее доступные лишь операторам дорогих сканеров в специализированных репроцентрах, стали доступны всем. Однако на этапе цифровой обработки изображений также существует немало секретов, которые следует знать, подготавливая иллюстрацию, например, к печати в журнале или к выводу на струйном принтере. В этой статье дается обзор такого параметра как разрешение.
Все изображения с точки зрения количества градаций можно поделить на тоновые и штриховые. Тоновые иллюстрации содержат различные градации цветов (в случае цветных иллюстраций) или градации серого (в случае черно-белых иллюстраций). Штриховые иллюстрации содержат только два цвета. В фотографии почти всегда мы имеем дело с тоновыми изображениями, поэтому рассматривать в дальнейшем будем только этот тип.
Что такое пиксел?
Изображение, представленное в цифровой форме, состоит из дискретных элементов - пикселов, которые являются его мельчайшим элементом. Последовательность пикселов формирует строку, последовательность строк - все изображение. Пиксел величина виртуальная. Каждый пиксел иллюстрации может быть характеризован своим цветом, который имеет самые разнообразные форматы представления.
Что такое разрешение и в чем его измеряют?
Разрешение - это количество элементов (пикселов) на единицу длины, измеряется в распространенном программном обеспечении производства американских фирм чаше всего в dpi, сокращенное от dot per inch (точек на дюйм) или ppi, сокращенное от pixel per inch (пиксел на точку). В принципе, часто эти понятия смешиваются, поскольку по сути отображают одно и тоже, разница лишь в том, что в первом случае единичный элемент изображения назван точкой (dot), а во втором пикселом (pixel). Всем известная программа PhotoShop оперирует термином dpi, в то время как более верным было бы назвать единичный элемент изображения в цифровой форме пикселом. Программное обеспечение сканеров также должно было бы оперировать термином ppi, а вот разрешение выводных устройств всегда измеряется в dpi и в данном случае использование понятия точка верно. В целом термин dpi следует считать более прижившимся для обозначения разрешения устройств ввода/вывода и цифровых иллюстраций. Мы будем в дальнейшем использовать именно его.
Разрешение цифровых изображений в целом понятие запутанное, поскольку каждая стадия процесса воспроизведения накладывает свои требования и ограничения. Рассмотрим этапы последовательно.
На этапе сканирования мы переводим изображение из аналоговой формы в цифровую. Разрешение, установленное в программном обеспечении сканера обозначает сколько пикселов будет получено на один дюйм реального оригинала. К примеру, если разрешение сканирования установлено как 300 dpi, а оригинальная иллюстрация имеет десять дюймов в длину и пять дюймов в ширину, то полученное изображение будет содержать 3000x1500 пикселов.
Разрешение цифровых камер дает нам понятие о том, из скольких точек будет состоять полученное изображение. Все дальнейшие действия будут производится на компьютере, поэтому здесь следует перейти к рассмотрению следующего шага процесса цифрового воспроизведения.
На этапе преобразования цифрового изображения в компьютере понятие разрешающая способность весьма эфимерно. Фактически это число, которое дает нам понятие о том, какого размера будет иллюстрация в случае ее вывода. Ни на какие цифровые преобразование разрешение не влияет. Если изображение имеет 3000x1500 пикселов и разрешение 300 dpi, то оно будет выведено размером 10x5 дюймов. Однако если изменить разрешающую способность на 3000 dpi, то оно будет выведено размером 1x0.5 дюйма. При этом файл по-прежнему будет содержать 3000x1500 пикселов. Все цифровые преобразования производятся над пикселами, поэтому на этапе обработки на компьютере значение разрешения роли не играет.
Разрешение выводных устройств
На этапе вывода мы сталкиваемся с огромным количеством разнообразных устройств. Все они также будут характеризоваться разрешением. В этом случае под разрешением мы понимаем сколько точек на единицу длины может “поставить” то или иное устройство.
Принцип работы выводных устройств
Рассмотрим, например, вывод черно-белого тонового изображения. Для того, чтобы воспроизвести черный цвет нужно ставить черные точки подряд. Для того чтобы воспроизвести белый, их не надо ставить вовсе. Все промежуточные тона воспроизводятся большим или меньшим количеством точек на единицу площади. Для воспроизведения серого 50-ти процентного поля площадь черных точек и пустого пространства должна быть одинакова. Чем светлее поле, тем меньше точек будет ставить выводное устройство. Принтер, как правило, ставит точки случайным образом, но в его программном обеспечении заложено, что для того, чтобы воспроизвести такой-то оттенок, надо поставить соответствующее количество точек на единицу площади. Таким образом, пиксел цифрового изображения, характеризующийся многими цветами, при выводе на выводном устройстве отображается некоторым количеством черных точек на единицу площади. Вот почему один пиксел иллюстрации в цифровом виде не равен одному пикселу устройства вывода. Процесс преобразования тонового изображения в массу одноцветных точек, расставленных определенным образом по площади листа, называют растрированием.
Теоретическое соотношение разрешения цифрового изображения и разрешения устройства вывода.
Итак, было показано, что для воспроизведения оттенков устройство вывода (например, принтер) вынуждено ставить определенное количество черных дискретных точек на единицу площади, которая называется растровой точкой. Если точки в пределах единичной области ставятся случайным образом, то такое растрирование называют стахостическим, если точки образуют круги или, например, эллипсы, то такой растр называют регулярным. Понятно, что каждая растровая точка образована большим количеством единичных точек. Считается, что растровая ячейка должна состоять из 16x16 единичных точек. В этом случае количество воспроизводимых оттенков составит 16x16 = 256. Такое же количество градаций имеет каждый пиксел в стандартном черно-белом тоновом изображении цифрового формата Grayscale.
Растровые точки составляют линии. Совокупность всех линии составляет изображение. Количество линий на единицу длины называют линиатурой (Рис. 1). Обычно в программном обеспечении линиатура измеряется в линиях на дюйм или lpi (lines per inch).
В принципе, каждая растровая точка выводимого изображения может соответствовать одному пикселу цифрового формата. То есть линиатура вывода может соответствовать разрешению цифрового изображения. Но считается, что для достижения наилучшего качества, следует иметь вдвое большее разрешение, чем линиатура, или, другими словами, для формирования одной растровой точки следует взять 4 пиксела. Эту зависимость можно представить в виде формулы d = l * Qf [1], где d - разрешение цифрового файла, l - линиатура вывода, Qf - коэффициент качества, изменяющийся от 1 для малозначимых иллюстраций до 2 для высококачественной продукции. Если исходить из того, что растровая точка состоит из 16x16 единичных точек, то по формуле [1], приняв Qf = 2, получим, что разрешение цифрового файла должно быть в 8 раз меньше, чем разрешение выводного устройства.
Разрешение цифрового изображения для печати на фото-принтерах.
Производители принтеров используют в своих драйверах в основном стахостический растр. В этом случае расставленные случайным образом точки не позволяют определить с какой же именно линиатурой производится вывод. Кроме того, почти всегда драйверы принтеров создают одну растровую точку менее, чем из 16x16 единичных точек. В результате теряется количество воспроизводимых градаций, но передача мелких деталей улучшается. Визуально при невысоком разрешении качество иллюстрации от этого выигрывает. Кроме того, алгоритмы, являющиеся секретами фирм, пытаются улучшить передачу мелких деталей, используя прежнее разрешение устройства. Это может происходить и благодаря введению дополнительных цветов, когда в светах используются другие, менее насыщенные краски. Сейчас нередки принтеры с 6 красками, тогда как обычные имеют только 4.
По практике использования принтеров, можно сказать, что для устройств с разрешением 600 dpi достаточно иметь цифровую иллюстрацию 100-120 dpi, для устройств с разрешением 1200 dpi - иллюстрацию 200-240 dpi, для устройств с 1440 dpi - до 250 dpi. Если требуется вывести иллюстрацию форматом А4 (21x29,7 см или 8,26x11,69 дюймов) на принтере с разрешением 1440 dpi, то потребуется цифровое изображение, состоящее максимум из 2065x 2923 точек (8,26 x 250 = 2065 и 11,69 x 250 = 2923).
Разрешения цифрового изображения для воспроизведения полиграфическими способами.
В практике полиграфического производства для печати журнальной продукции и художественных альбомов в подавляющем большинстве случаев используются три линиатуры: 133, 150, 175 lpi. Иные значения крайне редки. Практически всегда одна растровая точка составляется как минимум из 16x16 единичных точек, поскольку разрешение фотовыводных устройств высоко и может достигать 5000 dpi. Производители драйверов (RIP - Raster Image Processor) подобных устройств также прибегают к некоторым уловкам для улучшения передачи мелких деталей, оставляя линиатуру прежней. Например, можно сместить центр растровой точки для лучшего подчеркивания контура. В силу этого, для определения максимально необходимого разрешения цифрового файла возможно применять формулу [1], приняв Qf = 2.
Если вы планируете разместить иллюстрацию размером в страницу А4 в журнале, использующем линиатуру 175 lpi, то максимальный размер цифрового файла составит 2891 x 4186 точек (8,26 дюймов x 350 точек/дюйм и 11,69 дюймов x 350 точек/дюйм). Для журнала с линиатурой 150 lpi он составит 2478 x 3507 точек.
В газетном производстве значение используемой линиатуры в большинстве случаев изменяется от 85 до 100 lpi. Таким образом, для вывода изображения форматом А4 потребуется цифровая иллюстрация, состоящая максимум из 1652 x 2338 точек.
В качестве примера мы привели максимальный размер цифрового файла при Qf = 2. Также возможно принять Qf = 1, тогда размер файлов уменьшится в 4 раза, но не будет достигнуто оптимальное качество.
Цифровое разрешение аналоговой пленки.
Хотелось бы разделить эту задачу на две:
Необходимо всю информацию, находящуюся на кадре пленки, сохранить в цифровом виде.
Необходимо создать цифровой файл максимального качества.
Рассмотрим первую часть.
Практически эта задача может возникнуть при необходимости сохранить какой-нибудь фото-шедевр навечно, не потеряв ни одной мелкой детали. Соответственно и требования, предъявляемые к процессу сканирования, будут иными.
Как известно разрешение пленки и объектива оценивается функцией передачи модуляции. Оба эти звена одинаково важны. Для оценки информационной емкости нас прежде всего интересует максимальная пространственная частота системы объектив-пленка, то есть максимальная разрешающая способность. Этот параметр в большинстве случаев колеблется в пределах 80-120 лин/мм.
Для того, чтобы понять сколько же точек на миллиметр понадобится для сохранения такого количества информации вспомним теорему Котельникова. Она может быть сформулирована следующим образом: имеется сигнал с ограниченным спектром, например F(t), есть последовательность отсчетов F(t1), F(t2)…F(n). Для того, чтобы исходный сигнал можно было бы восстановить абсолютно точно частота отсчетов должна быть не менее, чем вдвое больше, чем максимальная частота исходного сигнала. Ее следствием является то, что для передачи пространственной частоты (скажем, 100 лин/мм) потребуется сканирование с вдвое большей частотой (200 линий на миллиметр). Это легко представить практически. Так, если бы мы сканировали миру с разрешением 100 лин/мм с таким же шагом в 100 линий на мм., то можно было бы сохранить ее полностью, если каждая линия миры попадет на каждую линию сканирующего устройства, но если каждая линия миры попадет между сканирующими линиями, то мы получим серое поле (рис. 2). Пространственная частота устройства считывания (сканера) в 200 лин/мм, означает, что имеется 400 переходов черное/белое или 400 элементов, то есть для создания такой пространственной частоты потребуется 400 считывающих элементов на мм. Получаем, что для сканирования миры с разрешением 100 лин/мм необходимо взять разрешение сканирующего устройства как минимум 400 точек на мм.
Если разрешение совокупности пленки и объектива составляет 80 лин/мм (что понимается как 80 пар линий или 160 переходов черное/белое), то для того, чтобы без потерь сохранить такое количество информации в цифровой форме потребуется 320 точек на мм, или 8128 точек на дюйм, что для формата 24x36 мм равняется 7680 x 11520 точек.
Таким образом, для считывания всей информации с пленки потребуется разрешение сканирования около 8000 dpi. При таком значении фактически каждое зернышко фото-шедевра будет сохранено в цифровом формате. На практике такая задача встречается редко.
Рассмотрим задачу получения цифрового файла максимального качества.
В данном случае наша цель состоит в том, чтобы перенести в цифровое изображение только то, что реально сохранено на пленке. Итак, предположим, что разрешающая способность пленки и объектива составляет 80 лин/мм. По теореме, обратной теореме Котельникова получаем, что у существовавшего в плоскости пленки изображения реально сохранена пространственная частота 40 лин/мм. Для восстановления такой частоты нам необходимо будет сканировать с разрешением 80 точек на мм или 2032 dpi. Получаем, что для создания цифрового файла максимально качества необходимо разрешение сканера в пределах 2000-2500 dpi. Сканеры с таким параметром вполне доступны.
Используя разрешение, скажем, в 2000 dpi, мы получим из одного кадра формата 24x36 мм файл, размером 1890x2834 пикселов. Если вернуться к рассмотренному вопросу о необходимой информации для публикации в журнале, то окажется, что приняв Qf = 2 и линиатуру журнала равной 150 lpi один кадр узкой пленки может быть напечатан с максимальным качеством форматом 16x24 см, то есть чуть больше, чем половина полосы. Примерно до этого формата для нас не имеет значения возьмем мы узкую пленку или широкую.
Как известно, кадр с узкого формата все же можно поместить на целую полосу (Qf будет равен примерно 1,5), но отличие от среднего формата уже будет заметно.
Если пересчитать максимальное разрешение цифрового изображения, полученного с кадра 24x36 мм в мегапикселы, то мы получим 1890x2834 = 5,356,260 = 5,3 мегапиксел. Примерно таким разрешением должна обладать цифровая камера, чтобы сравниться с пленочным аналогом.
В заключении хотелось бы отметить, что все приведенные значения не следует понимать буквально. Отличие разрешающей способности пар объектив – пленка может быть велико и может колебаться от 40 до 150 лин/мм. Таким образом, размер полученного цифрового файла с максимальным качеством будет различным. Все рекомендации относительно разрешения цифрового файла для печати также не носят категорический характер. Они могут незначительно меняться, в частности в зависимости от алгоритма растрирования.
Разрешение сканера. Физическое и интерполяционное разрешение.
Одним из важнейших параметров сканера является разрешение. Следует подразделять физическое и интерполяционное разрешение. Первое зависит от конструкции устройства и в ряде случаев может быть даже переменным, например как в Linotype-Hell Topaz, где количество различаемых точек на дюйм меняется в зависимости от положения оригинала на рабочем столе сканера. Практически во всех моделях сканеров, особенно недорогих, существует и второй тип разрешения - интерполяционное. Дополнительное количество точек на дюйм в этом случае получается методом интерполяции. Суть его заключается в том, что на некотором участке по имеющимся цифровым данным полиномом необходимой степени воспроизводится функция, в приближении отражающая существовавший аналоговый сигнал. Затем по этой функции производится перевыборка (изменение шага дискретизации). Таким образом, можно получить любое количество точек, то есть повысить разрешение сканера. Реально, эти результаты не могут считаться удовлетворительными в силу двух причин: во-первых, из-за ошибок квантования исходный сигнал восстановлен в точности быть не может, а во-вторых, реально существовавший аналоговый сигнал на каждом малом участке соизмеримым с изначальным шагом квантования мог иметь весьма сложную форму, которая, понятно, не может быть восстановлена аппроксимацией полиномом. При увеличении разрешения методом интерполяции не возникает и не может возникнуть дополнительной информации об изображении. Значение интерполяционного разрешения может быть любым и на него ни в коей мере нельзя опираться. Кроме того, уже после сканирования в программе Photoshop всегда можно изменить количество точек на дюйм, воспользовавшись одним из трех предложенных в этой программе методов.