Обработка растровых изображений

Растровые процессоры

Одна из важнейших полиграфических технологий обеспечивает преобразование информации, которую вы видите на своем мониторе, в знаки, нанесенные на бумагу, пленку или печатную форму.

Эту функцию берут на себя растровые процессоры, или РИПы (от англ. RIP, Raster Image Processor. — Прим. перев.). Это программное обеспечение, конвертирующее программы высокого уровня — языки описания страниц в координатные сетки, называемые битовыми картами или массивами.

Почти любое из существующих выводных устройств экспонирует растр, используя пятна для вывода текста, линий, изображений и т. д. По этой причине каждое устройство должно иметь РИП, будь то настольный принтер, цветопроб-ный автомат, фотонабор, СТР-устройство или многокрасочная цифровая печатная машина.

Язык описания страниц PostScript был разработан корпорацией Adobe Systems для обеспечения отображения текста, графических форм и изображений (фотографий) с помощью выводных устройств, оснащенных интерпретатором языка PostScript. Adobe именует «интерпретатором» то, что большинство из нас знает как РИП.

Одной из причин столь широкого распространения языка PostScript в полиграфии стала его аппаратная независимость. Это означает, что изображение (страница на печати или дисплее) описана без учета специфических характеристик устройства (разрешения принтера, формата страницы и т. п.).

Одно и то же описание страницы может быть «понято» любым устройством, поддерживающим PostScript - от лазерного принтера с разрешением 600 dpi до фотонабора и СТР-устройства с его 3000+ dpi.

PostScript воспринимает текст как один из видов графики — для него не существует разницы между символом шрифта и любым другим изображением на странице (полутоном, штриховым рисунком и т. д.).

Интерпретаторы

Растровые процессоры по природе своей являются интерпретаторами.

Вот создан прекрасный текст и сверстан вместе с иллюстрациями. Теперь файл нужно напечатать. Каждое приложение создает файлы и сохраняет их в своем специальном формате. Это означает, что каждое приложение нуждается в драйвере, который послужит переводчиком для устройств вывода. Так полиграфисты работали во времена наборных машин и текстовых редакторов, и результат оставлял желать лучшее.

В 1980 активно разрабатывался стандартизованный язык, который могли бы использовать приложения при выводе макетов издания на печать. Таким образом, каждому приложению был необходим один язык. Сегодня, после того как подана команда «печать», программа конвертирует то, что на экране, в PostScript-файл вывода. Устройства вывода также называются экспонирующими, записывающими устройствами, принтерами, фотонаборными автоматами, СТР- или цветопробными устройствами. Все они записывают символы на некий материал. Символы состоят из крошечных пятен.

Файл, закодированный на языке PostScript, преобразуется в битовый массив, также называемый растрированным файлом, который может содержать растровые точки, а также пятна или пикселы. Координатная сетка подсказывает устройству, где должно оказаться каждое пятно.

Интерпретация — ключевая составляющая работы РИПа. РИП преобразует файл PostScript в битовый массив, воспринимаемый записывающим устройством. Растровый процессор учитывает разрешение вывода, формат страницы и все нюансы растрирования и трансформаций цветов.

РИП осуществляет три функции:

1. Интерпретацию данных языка описания страниц PostScript, полученных из программного приложения.

2. Генерацию списка отображения, который служит промежуточным файлом перед началом растрирования. В нем перечисляются все объекты, содержащиеся на странице. Acrobat PDF сильно напоминает этот список объектов.

3. Растрирование — формирование полутонов, трансформация цветов и создание битовой карты страницы.

Интерпретация: РИП интерпретирует PostScript-код, полученный из файла приложения. PostScript декодируется и информация собирается для следующего этапа — создания списка отображения.

На этапе интерпретации РИП проверяет все используемые шрифты.

Список отображения является промежуточным списком объектов и инструкций для растрирования. Это список объектов, расположенных в определенном порядке, содержащийся в файле описания страницы. Их порядок в списке определяет очередность, с которой они будут выводиться. Порядок вывода также называется стеком.

Растрирование — это конвертирование всех графических элементов страницы в битовые массивы, предназначенные к выводу. Другими словами, РИП конвертирует список отображения в последовательность пятен. Этот этап необходим, поскольку любое из выводных устройств работает на уровне пятен. Конечным результатом растрирования является битовое изображение — структура пятен, представляющих в виде чисел все объекты, содержащиеся на странице. Многокрасочная печать требует создания одного битового изображения на каждую краску для каждой страницы. Битовое изображение — то, что посылается на выводное устройство для изготовления диапозитивов, печатных форм или для цифровой печати.

Битовые файлы существуют в форме однобитного представления команды «лазер включен — лазер выключен». Это электронный эквивалент миллиметровой бумаги, где каждому участку присвоен свой адрес. Растр подобен граблям, которыми провели по песку в двух направлениях, получив сетчатую структуру, или подобие полиграфического крестообразного растра.

Поместите кусочки гравия в образовавшиеся квадраты, и вы получите изображение, сформированное из пятен. Заполните ячейки разноцветным гравием, и получится изображение, состоящее из пикселов.

И то и другое изображения будут растровыми. Вместо клеточек на песке используется координатная сетка, даже, скорее, электронная таблица. Изображение описывается цифрами и хранится в виде таблицы.

Изображения, которые мы создаем, просматриваем и печатаем с помощью компьютера и есть не что иное, как комбинации нулей и единиц, а РИП является компилятором языка программирования PostScript. Он интерпретирует PostScript-файл и исполняет команды, которые в нем содержатся, и это, собственно, есть команды подстановки объекта (будь то символ шрифта, графическая иллюстрация или фотография — цветная или монохромная).

Коммуникация растрового процессора и выводного устройства есть нечто большее, чем просто передача растровой информации: передаются команды по смене разрешения или выбору другой функции или получению информации о состоянии записывающего устройства.

Таким образом, мы проследили путь от файла приложения до вывода и от PostScript до битового изображения.

Растровые данные

Лазерные технологии позволяют экспонирующим устройствам записывать до 3 000 точек на дюйм. Для того чтобы разместить эти точки, устройство воспринимает страницу как сетку из адресуемых участков.

Экспонирующее устройство активирует лазер на пересечениях линий сетки. Каждое отдельное пятно может быть идентифицировано по его адресу. Создавая изображение страницы, устройство записи экспонирует пятно или оставляет адрес пустым. Другими словами, пятно можно включить или отключить.

Соответственно, данные описывающие страницу, представлены в форме команд «вкл.—выкл.». Такие данные называются двоичными, так как предполагают наличие только двух значений — 0 и 1 (выкл. и вкл. соответственно). «Символы» в компьютере означают «биты», или двоичные символы. Представим лист белой бумаги с нарисованной частой сеткой, формирующей мозаику из пустых квадратов, расположенных в столбцах и строках.

С помощью маркера можно закрасить часть квадратов и оставить остальные незакрашенными, тем самым обозначив структуру. Намеренно заполнив одни и оставив другие белыми, мы можем с легкостью получить букву «А». При должном терпении можно создать сложную структуру из квадратиков, повторяющую портрет Моны Лизы.

Давайте нарисуем букву «А» — это все же проще.

Эта небольшая матрица из нулей и единиц и есть битовое изображение — массив, состоящий из двоичных символов. Результатом является структура, формирующая букву или символ.

Битовый массив как координатная сетка

Компьютеры прекрасно справляются с задачей заполнения квадратов сетки цифрами, означающими черный и нечерный цвета, а также числами, описывающими другие цвета. Скажем, число 1 означает для компьютера, что квадрат должен быть заполнен черным, а 0 — что его следует оставить пустым (белым).

Сегодня, вместо того чтобы закрашивать квадраты маркером, можно ввести 1 или 0, и компьютер произведет заполнение в памяти и на экране монитора.

Итог цифровой революции — производство изображений из чисел.

Процесс печати сегодня стал цифровым.

Процесс печати сегодня основывается на растрах.

Растр означает группу пятен или пикселов, расположенных на координатной сетке.

Растровые изображения можно получить с помощью сканера, цифровой фотокамеры, программы рисования или путем преобразования векторного рисунка, созданного в PostScript-программе.

Процесс преобразования изображения в пятна или пикселы называется растрированием или обработкой растровым процессором (РИПом).

Например:

Битовый файл

Битовый файл — это, по определению, растровый файл с глубиной цвета в один бит. Обычный файл программы приема факсов также является закодированным битовым изображением — пусть разрешение его составляет всего 300 dpi.

Каждое пятно имеет характеристику битовой глубины. Она может составлять один бит (двухуровневое пятно) — Adobe Photoshop называет это битовым режимом (bitmap mode). Фактически это штриховая графика, которая может быть черно-белой, а может и не быть (в QuarkXPress штрихи можно раскрасить). Она может не содержать 100% черного (возможно растрирование в тех же программах). Но, помимо всего, она может иметь 8 бит глубины (градации серого, также называемые монотоновым или индексным цветом).

Она (битовая глубина) может иметь 24 бита (RGB) или 32 бита (CMYK), но изображение, применяемое в полиграфии для изготовления фотоформ или печатных форм, всегда имеет глубину 1 бит.

Каждое пятно обычно имеет один бит глубины.

В большинстве современных экспонирующих автоматов используется лазер. Он создает пятно, размер которого определяется устройством. Размер этого базового пятна измеряется в микронах — миллионных долях метра.

20 микрон обозначаются как 20 мкм, при этом многие устройства воспроизводят пятна меньшего диаметра.

Пятна можно разместить на координатных сетках различного разрешения. Поэтому диаметр пятна не всегда определяется разрешением. Последнее обозначает количество пятен на квадратный дюйм и выражается в точках на дюйм (dpi), хотя следовало бы в пятнах на дюйм (spi).

Разрешение устройства 1000 dpi означает 1000 х 1000 (1 млн) базовых пятен на один квадратный дюйм.

Таким образом, на листе 8,5 х 11 дюймов (A4) можно разместить: 1000 х 8,5 = 8500 пятен по ширине и 1000 х 11 = 11 000 пятен по высоте, или 93 500 000 пятен на листе.

При удвоении разрешения число пятен увеличивается в четыре раза.

Таким образом, разрешение 2 000 dpi дает 374 000000 (4 х 93500000) пятен на лист A4.

Соответственно, чем больше разрешение, тем больше времени требуется на «рипование» файла.

Сложные битовые изображения

Битовое изображение формируется цифровым способом путем размещения пятен в прямоугольном массиве. Так как компьютеры «мыслят» двоично, им необходимо разбить изображение, создав структуру из небольших фрагментов, называемых пикселами (сокр. от picture elements — элементы изображения. — Прим. перев.)

Все отсканированные изображения являются битовыми, будь то штриховые черно-белые рисунки или цветные фотографии. Это касается и цифровых фотографий.

Монохромные битовые изображения — например, сканированные штриховые рисунки — являются самыми простыми. Каждый пиксел такого изображения может быть черным или белым (вкл. или выкл.), поэтому для его описания требуется только два бита компьютерной информации. По этой причине они называются двухуровневыми битовыми массивами. «Двухуровневый» означает черный или белый, присутствие или отсутствие, «вкл.» или «выкл.» цвета. CMYK-изображение, например, имеет четыре канала, каждый из которых — двухуровневый (глубиной в один бит).

Каждый пиксел изображения хранится в виде бита или группы битов. В допечатной подготовке мы используем их для понимания концепции черного и белого.

Добавление глубины этим пикселам приводит к образованию изображений с непрерывным тоном, в формировании которых участвуют градации серого цвета. В лазерном принтере или печатной машине нет серой краски, поэтому для создания иллюзии серого используется полутоновый растр.

Полутона описываются термином «точка» — не «пятно» и не «пиксел». В формировании растровой точки участвуют от восьми до десяти пятен лазерного устройства, которые объединяются в структуру для создания иллюзии серого цвета. Полутона измеряются в линиях на дюйм (lpi) — например, говорится «ли-ниатура растра 133». (В России принято измерять линиатуру растра в линии на см (л/см); lpi = 2,54 л/см. — Прим. ред.)

Термин «растрирование» используется для описания процесса создания полутонов. Раньше для разбиения фотографии на точки в репродукционном фотоаппарате использовались проекционные и контактные растры, содержащие линии, выцарапанные на стеклянной пластине или нанесенные на пленку. Сегодня растрирование осуществляется электронным способом. Растровый процессор производит сложные вычисления для конвертирования (преобразования) отсканированного битового изображения в битовую карту выводного устройства.

В процессе участвуют алгоритмы растрирования, которые примерно из десяти пятен экспонирующего устройства формируют более крупные точки и размещают их в рамках структуры, призванной обеспечить иллюзию непрерывного тона. Эти более укрупненные образования называются растровыми точками. (По определению по русской терминологии: растрирование — 1) преобразование полутоновых и штриховых изображений в микроштриховые с помощью полиграфического растра (в репродукционных фотоаппаратах и контактно-копировальных станках) или с использованием аппаратных и программных средств (в издательских системах); 2) преобразование текстовой и/или иллюстративной информации, представленной кодами знаков, многоуровневых отсчетов, длин или концов отрезков, векторами и т. п., в битовую карту. — Прим. ред.)

Точка

В мире цифровых технологий нет более расплывчатого термина. Определение «точка» подходит ко многому, но ни для чего не является верным.

Растровые точки — больше скопления мелких элементов, чем собственно точки. Разрешение сканера, кажется, составляет множество точек на дюйм (dpi), которые на самом деле являются пикселами на дюйм (ppi) или даже выборками на дюйм (samples per inch — spi). Фотонаборы и СТР-устройства тоже якобы экспонируют в точках на дюйм, хотя для формирования изображения используют пятна (spi). Но все эти определения в какой-то степени верны.

В Adobe Photoshop разрешение измеряется в ppi, a Corel использует для него же dpi. Всегда следует уточнить, что имеется в виду под «точкой на дюйм».

Пикселы сканера

Пиксел — наименьший элемент изображения, который воспринимается сканером или камерой и отображается на мониторе. Пиксел является базовой единицей измерения для цифрового изображения.

«Мой сканер дает 600 точек на дюйм», — если речь заходит о сканерах, пикселы часто путают с точками. Фактически устройство воспринимает 600 пикселов на дюйм, что обеспечивают 600 чувствительных элементов, расположенных по ширине сканера.

Пиксел на мониторе — наименьший элемент экрана, воспроизводимый графической картой и монитором компьютера. Получаемые с помощью сканера цифровой камеры или программы рисования, они являются «кирпичиками» фотографического изображения. Они существуют в виде файлов и являются просто группами цифр на жестком диске компьютера.

Пятно и dpi

Пятно — наименьшая точка, которую способно воспроизвести экспонирующее устройство на носителе изображения. При указании адресующей способности печатающего устройства снова используется двусмысленный термин «точек на дюйм». Пятно есть основной адресуемый элемент устройства.

Для получения изображения на бумаге или формной пластине устройство экспонирует пятна. Чернила, выдавленные струйным принтером и сгусток тонера для лазерной печати также являются пятнами. Экспонированные участки све-то- или термочувствительной пленки или пластины — тоже пятна. Каждая напечатанная картинка состоит из крошечных лазерных пятен. Пятно может иметь диаметр 20 микрон, но быть помещенным в сетку разного разрешения — устройство может записывать 1000 или 2000 пятен на дюйм, но размер их останется неизменным. Результатом является наложение пятен друг на друга.

Линиатура растра

Термин «линии» в основном используется для описания частоты растра и способности принтера или печатной машины передавать детали в полутонах. Линиатура — это количество горизонтальных рядов точек в одном дюйме. Кроме того, линии используются для измерения горизонтального разрешения телеэкрана.

Единица измерения — линии (или растровые точки) на дюйм, lpi. В свое время линиатура создавалась с помощью больших репродукционных фотоаппаратов и сетчатого экрана. Сегодня это делается компьютером.

Количество рядов точек в одном дюйме (изначально — количество линий, отчерченных на стеклянном экране) влияет на плавность и детализацию напечатанного изображения (чем оно больше, тем лучше). Большинство журналов печатается при 133 lpi, а линиатуры высококачественной печати достигают 200—300 lpi. Газеты со своими растрами в 80—100 lpi находятся на нижнем конце шкалы.

Растровые точки

Первоначально создание полутона с использованием растров было изобретено в рамках фотографического процесса. Сегодня они формируются компьютерным способом и имитируют фотографический растр прошлого. Полутона создаются не компьютером дизайнера, а растровым процессором, подключенным к экспонирующему устройству.

Число пятен устройства, формирующих изображение, определяет количество уровней серого (в голубой, пурпурной, желтой или черной красках), которые могут быть воспроизведены при заданной площади растровой точки, что выражается в количестве линий на дюйм (lpi).

Если выбрана слишком большая линиатура растра, а записывающее устройство не поддерживает высокое разрешение, количество уровней серого будет искусственно занижено, что приведет к возникновению эффекта постеризации. (По определению: постеризация — уменьшение количества тонов или цветов для получения больших локальных цветных или тональных пятен. Используется для художественных целей в художественной фотографии и в дизайне, а также при подготовке изображения для трассировки. — Прим. ред.)

Имитация серого

Файл посылается на РИП с целью создания битовой карты страницы, которая будет записана на фотопленку, формную пластину или непосредственно на бумагу. Эта матрица одноцветна, содержит один бит информации и записывается в высоком разрешении — например, 2 400 пятен на дюйм.

РИП отправляет растрированную страницу на устройство записи, которое с помощью лазера наносит каждое пятно или пиксел. Растровый процессор определяет, каким образом получить растровую точку из информации, содержащейся в пикселе растрированного изображения или кривой, описанной языком PostScript.

Оператор задает линиатуру растра в lpi и растровый процессор «узнает», каким образом конвертировать пикселы серых или цветных тонов в структуру, состоящую из растровых точек. Для формирования каждой точки экспонирующее устройство определяет размер фрагмента координатной сетки (элементарная ячейка растровой структуры, растровая ячейка, которая, в общем, определяется как 1 /линиатура растра и измеряется в дюймах или миллиметрах. — Прим. ред.), требуемый для создания иллюзии полутона — например, это может быть 1/133 дюйма.

Добавляя пятно за пятном, устройство формирует точки разной площади для имитации градаций серого, воспринимаемых невооруженным глазом, — начиная с белого цвета (отсутствие точки), заканчивая полностью «закрашенными» участками. Количество пятен, используемых для заполнения растровых ячеек, определяет число градаций серого. Первый уровень серого — отсутствие пятна, второй — одно пятно, третий — два пятна, и так далее до заполнения ячейки. Для воспроизведения всего тонового диапазона нам необходимы 256 градаций серого. То есть для заполнения одной растровой ячейки необходимо записать 256 пятен, что составит матрицу 16 х 16. Если экспонирующее устройство способно расположить в ячейке хотя бы 16 точек по горизонтали, получить 256 градаций серого плюс белый цвет не составит труда.

Растровая точка при 200 lpl содержит 200x16 пятен на каждый дюйм, т. е. 3200 spi. Если записывающее устройство поддерживает это разрешение, есть возможность получить 256 уровней серого цвета. Если же разрешение ограничено 2400 spi, для воспроизведения всех уровней серого придется увеличить площадь точки. 2 400 пятен, деленные на 16, дают 150 линий растровых точек, т. е. линиатуру растра 150 lpi.

Если бы все в этом мире было параллельно и перпендикулярно горизонту, можно было бы использовать один пиксел для формирования одной растровой точки. Но в реальности полиграфисты обнаружили, что растр лучше всего смотрится, будучи помещенным под углом 45°. Это придает более плавные контуры горизонтальным и вертикальным элементам. При печати триадными красками точки располагаются под различными углами — в основном с шагом в 30°.