基本介紹
- 中文名：半色調
- 外文名：halftone
- 別稱：灰度級
- 概念：色調值是網點大小表現的畫面階調
- 相關：連續調
- 主要技術：抖動法、誤差擴散法、疊代法
基本概念,圖像分類,技術分類,抖動法,誤差擴散法,疊代法,發展歷史,模擬加網,電子加網,計算機加網,
基本概念
連續調圖像通常指在一幅圖像上，其由淡到濃或由淺到深的色調變化是以單位面積成像物質顆粒密度來構成的，其深淺、濃淡是呈現無極變化的，如相片底片、相片、各種畫稿；而半色調通常是指經過特殊加工後的印刷品上的由淺到深或由淡到濃的色調變化是由網點大小來表現的，由於網點在空間上是有一定距離而呈離散型分布的，並且由於加網的級數總有一定的限制，在圖像的層次變化上是不能象連續調圖像一樣實現無極變化，故稱為半色調圖像，如加網的陽片菲林陰片菲林和印刷圖像等等。
半色調技術是指用少量的色彩將一幅連續色調圖像（如灰度圖像和彩色圖像）量化為一幅二值圖像或是只有少數幾種色彩的彩色圖像，並且量化後圖像在一定距離的視覺效果和原始圖像相似的技術。眾所周知，數字半色調技術是指基於人眼視覺特性和圖像呈色特性，利用數學、計算機等工具，在單色/多色二值呈色設備上實現圖像的最優再現的一門技術。數字半色調是利用人眼的低通特性，當在一定距離下觀察時，人眼將圖像中空間上接近的部分視為一個整體。利用此特性，人眼觀察到的半色調圖像局部平均灰度近似於原始圖像的局部平均灰度值，從而整體上形成連續色調的效果。
圖像分類
在我們的日常生活中，所遇到的圖像可大致分為兩大類：連續調圖像（Continuous-Tone Image）和半色調圖像（Halftone Image）。
如我們常見的彩色照片就是一種連續調圖像，在這種圖像上，存在著由淡到濃或由深到淺的色調變化並且濃淡或深淺是以單位面積成像物質顆粒密度來構成的，並且這種圖像的深淺變化有無數多級。另外，印刷工藝中的照相分色底片的連續調，是由單位面積內由金屬銀顆粒密度構成的；而各種彩色畫稿的連續調，是由單位面積內由各種顏料顆粒密度構成的，單位面積內顏料顆粒多即為深色調，否則為淺色調。
半色調圖像如常見的印刷品圖像，其由淺到深或由淡到濃的變化，是靠網點面積大小或網點覆蓋率來表現的。一般用於複製諸如照片之類的連續調原稿時，會採用這種半色調技術，它將圖像分成許多點，通過點的不同大小來表現顏色的深淺。在印刷品的印刷時，印刷機用有限數量的一套油墨（只有黑墨或青、品紅、黃、黑墨）來印刷數量不同、大小不同的細小點，印刷品畫面上色彩和濃淡就是靠這些細小的點來表示的，由此可以給人眼產生許多灰度級或許多顏色的錯覺。當觀察印品畫面時，網點面積大，顏色就深，稱為暗調；網點面積小，顏色就淺，則稱為亮調。由於網點在空間上是有一定的距離的，呈離散型分布，並且由於加網的線數總有一定的限制，在圖像的層次變化上不能像連續調圖像一樣實現無級變化，故稱加網圖像為半色調圖像。如加網的陽片菲林、陰片菲林、印刷圖像等都是半色調圖像。
技術分類
目前半色調技術最普遍的分類法是按照它的處理方式分為：抖動法，誤差擴散法，疊代法三大類。
抖動法
抖動法是點處理類方法的一種典型算法，主要分為隨機抖動和有序抖動兩大類。這兩種算法都需要一個模板，也稱為抖動矩陣或閾值矩陣，抖動矩陣不僅決定了當亮度或灰度值減小時網點變成黑點的順序.而且也決定了半色調圖像的質量，所以抖動算法的關鍵是抖動矩陣的構造。該算法與抖動矩陣進行比較，矩陣中的每個閾值的取值範圍是圖像的最大灰度值和最小灰度值之間，其數學公式化為：
式中f(i,j)代表連續色調圖像中的像素點灰度值，t(i,j)代表抖動矩陣的閾值，而h(i,j)代表半色調後的圖像灰度值。
隨機抖動矩陣是通過完全隨機產生的，所以半色調後的圖像質量常常很不理想，在實際中已經基本不再使用。但有序抖動的抖動矩陣是有規律的，具有良好的圖像效果和高效的處理速度而被各大印表機廠商採用，有序抖動矩陣主要有兩種類型：分散型和聚集型。典型的分散型抖動矩陣是Bayer有序抖動矩陣，而點局部聚簇整體分散是典型的聚集型矩陣。
雖然有序抖動算法比較簡單，且具有較好的半色調圖像質量，但其也具有致命的缺點，即含有明顯的周期性人工紋理。即使抖動矩陣設計的非常完美，其輸出的半色調圖像依然存在瑕疵，且其半色調圖像質量不如通過誤差擴散算法獲得的半色調圖像。
誤差擴散法
在有序抖動處理中，利用了像素點與抖動矩陣比較來判斷是否在一個位置放置微點，實質是一種點處理過程。在1976年Floyd和Steinberg提出了誤差擴散算法，它將半色調加網從“點處理”過渡到“鄰域處理”。誤差擴散算法的提出為半色調加網帶來了革命性的技術變革，也是半色調技術上的里程碑，並促進了半色調技術的飛速發展。通過誤差擴散處理後的半色調圖像像素分布各異且無規律性，色調豐富，視覺效果較好。直到目前為止，它依然被視為易於實現且視覺效果較好的半色調技術之一，被廣泛套用。
疊代法
疊代法是一種搜尋的方法，其思想是通過最小化原圖像與半色調圖像的誤差來尋找最佳的二值輸出。由這種算法得到的半色調圖像質量很好，但同時也以犧牲時間開銷和計算量大為代價。
疊代法中最具代表性的是 DBS（Direct Binary Search）算法，DBS 運用視覺模型，通過不斷地將像素取反和與相鄰 8 鄰域交換來減少半色調圖像與原始連續圖像的視覺誤差，原理如圖1：
圖1
發展歷史
在印刷工藝中，半色調技術也稱為加網技術，加網技術發展到現在己有上百年的歷史。從早期的照相加網到現代的數字加網，從調幅加網到調頻加網，從粗網點到精細網點，共經歷了三個階段：照相加網(即模擬加網)、電子加網和計算機數字加網三個發展階段。
模擬加網
模擬加網是指利用網屏對光線的分割作用，將連續調圖像分解成大小不同網點的網目調圖像的方法。它的發展可分為玻璃網屏加網和接觸網屏加網兩個階段。
網屏加網是德國的GocgrMeisnebach在1882年首創將連續調圖像經加網分解成網目調圖像進行製版印刷的加網技術，於1886年由美國人Ives和Ivey製造成功。投影網屏加網是加網技術的鼻祖，使印刷產品能反映圖像的層次變化，但技術要求高，操作複雜。在製作玻璃網屏時，選用優質的光學玻璃，表面塗上耐強酸的漆膜，在專門雕刻機上劃成等長的平行直線，線條的疏密由網屏的線數來確定。刻好後在玻璃背面也塗上耐酸保護膜，用氫氟酸腐蝕。經腐蝕凹下的部分塗上黑色油質，然後洗去耐酸膜層，這樣就製成了透明與不透明相間的玻璃線條版。用兩塊這樣的線條版垂直膠合在一起，邊上鑲好金屬框，即製成玻璃網屏。加網時，光線通過網屏的網孔投射在感光版上。由於光線通過網孔後的衍射作用，就在濕版上產生大小不同的網點。通過網孔的光量強，網點就大；光量弱，網點就小。這樣，就把原稿圖像的明暗變化，映射到感光版上後轉變成網點的大小變化。這種用網點大小表現明暗深淺的階調，在工藝上稱半色調（halftone）。由於網屏上網線的寬度與透明方格的寬度相同，4條網線才圍出一個透光方格。所以，整個網屏面積中只有四分之一的面積是透光的。為了在感光版上形成足夠大小的網點，就必須有足夠的感光量。由於感光版感光性能本來就低，再加上玻璃網屏的透光率也低，所以加網必須有功率強大的光源和較長的曝光時間。這種網屏在七十年代以前照相製版中用了很長時間。玻璃網屏除有笨重、價昂等缺點外，使用時網屏與感光片之間必須有一定的距離（網距），易損失圖像層次，影響畫面清晰度，所以逐漸被接觸網屏取代。
接觸網屏加網是Kodak公司在1940年根據半影理論第一次用工業方法研究成功的第二代加網技術。它克服了投影網屏的諸多缺陷：如在高光和暗調部位，網點的表現效果較差；需要備用各種點形、反差、線數的網屏；耐用性較差等。德國Klimsch廠在60年代生產了全階調Gardar網屏，該網屏的線型是透明的，所以能把原稿上明亮部分的色調予以調節，有利於保證高調細節的完整性。 這種網屏一般是用玻璃網屏作母版，在製版照相機上用硬性感光膠片製成的。接觸網屏為膠片狀，用放大鏡仔細觀察，上面布滿了網點，每個圓網點中間有一個很黑的核心，邊緣密度遞減。從整體上看網點的排列，每四個黑點中間有一個透明孔，或每四個透明孔中間有一個黑點。接觸網屏具有價廉、體輕，加網時與感光膠片密合接觸，進行曝光，光線通過接觸網屏就會在感光膠片上形成大小不同的光潔網點，其加網效果同用玻璃網屏基本一樣，減少了翻拍中的層次損失，具有使用方便，提高了畫面清晰度等優點。
電子加網
電子加網是指將圖像信號數位化後經計算機計算處理並轉換成網點輸出的新型加網技術，這種技術產生於80年代初，是在電子分色機上通過電子網點發生裝置對原稿完成加網的過程。
其原理是：經過電子分色機處理的代表圖像不同密度級次的數位訊號，送入電子分色機圖像輸出記錄系統的網點計算機，並通過比較迴路形成網點大小、形狀、角度的地址指令，由地址指令從網點計算機中獲得控制雷射記錄系統的控制信號，加在電光調製器上，控制各個電光調製器的輸出工作狀態，最後把由調製器控制的光信號記錄在感光材料上，就能獲得與原稿圖像信息相一致的、具有特定大小、形狀和角度的網點。由於電子加網是數字控制的，網點是由雷射記錄所得，因此具有網點實、密度高、邊緣清晰；網點層次多，細微層次豐富並且可以根據需要在不同階調處產生形狀不同的網點，易於控制網點擴大等優點。
計算機加網
數字加網是指桌面出版系統中採用基於PosstcriPt框架下的網點技術。根據記錄點的分布狀態，可以將數字加網分為調幅加網和調頻加網兩大技術。
數字調幅加網技術（點聚集態網點技術）在數字加網技術中，調幅加網是用不可見的、行列排列有序的格線分割圖像，每個格線按照一定的角度、加網線數生成面積不同的網點。在生成記錄網點的黑/白（0/1）時，總要受到加網角度、網點形狀和加網線數的限制，所以在每個位置上設定0/1的自由度相對較低。調幅加網技術又稱為點聚集態網點技術，這種加網技術得到的是聚集態的記錄點。我們通常將聚集在一起的點稱為傳統網點，它由圖像信息的灰度層次來控制網點的增長。
數字調頻加網技術（點離散態網點技術）調頻加網從某種意義上來說又可以稱為點離散態網點技術，該技術得到的是離散分布的記錄點。這種加網計算不再受格線的限制，直接以發散無序的記錄點陣象素群構成圖像，在每個可記錄位置上設定0/l的自由度高於調幅加網，這使得調頻加網圖像具有較高的信息容量。調頻加網又稱隨機加網，/隨機性0在數學中用於描述分析和預言粒子在粘稠液體中運動的過程，印刷中則用於描述精確擺放點子的方法，以產生隨機性並產生色調級的感覺。實際上，網點位置是基於/計算的隨機性0。網點的空間分布是通過算法來分配的，根據色調的統計估算值和圖像鄰近部分的細節來分布點子，不會出現明顯的堆積或不需要的微型點累積。
