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ハーフトーンとは、ドットの大きさや間隔を変化させることで連続階調画像をシミュレートし、グラデーションのような効果を生み出す複写技術である。 [ 1 ]また、「ハーフトーン」は、このプロセスによって生成される画像そのものを指す場合もある。[ 1 ]
連続階調画像が無限の色域またはグレーの階調を含む場合、ハーフトーン処理では、視覚的な再現を、異なるサイズ（パルス幅変調）または間隔（周波数変調）、あるいはその両方を持つドットで、1色のインクのみを使用して印刷された画像に縮小します。この再現は、基本的な錯覚に基づいています。ハーフトーンのドットが小さい場合、人間の目はパターン化された領域を滑らかな階調であるかのように解釈します。顕微鏡レベルでは、現像された白黒写真フィルムも、無限の連続階調ではなく、2色のみで構成されています。詳細は、「フィルムグレイン」を参照してください。
カラー写真がフィルターやフィルム層の追加によって進化してきたのと同様に、カラー印刷は、減法混色ごとにハーフトーン処理を繰り返すことによって可能になります。最も一般的には「CMYKカラーモデル」と呼ばれるものが使用されます。[ 2 ]インクの半透明性により、異なる色のハーフトーンドットによって別の光学効果、つまりフルカラー画像が生み出されます。[ 1 ]個々のドットの位置を正確に決定できないため、ドットは部分的に重なり合い、加法混色と減法混色が組み合わさって、オートタイプ混色と呼ばれる色になります。
初期の機械式印刷技術（特に1864年に特許を取得したウッドベリータイプ）は写真の色合いや微妙なディテールを再現できたものの、コストと実用性の問題から、凸版印刷を用いる大量商業印刷には使用されなかった。
ハーフトーン印刷が開発される以前は、新聞の写真のほとんどは、手彫りの木版を用いた木版画または木彫りの技法を使用しており、それらはしばしば写真から複製されていたものの、手描きのスケッチに似ていました。商業印刷業者は、写真を印刷ページにリアルに再現する実用的な方法を求めていましたが、一般的な機械印刷プロセスでは、インクの領域を印刷するか、紙に空白領域を残すことしかできず、写真のような幅広いトーンを再現することはできませんでした。黒（またはカラー）インクのみ、または何も印刷されないかのどちらかでした。ハーフトーンプロセスはこれらの制限を克服し、書籍、新聞、その他の定期刊行物業界の定番となりました。[ 3 ]
ウィリアム・フォックス・タルボット（1800年～1877年）は、ハーフトーン印刷のアイデアを考案した人物として知られています。1852年の特許で、彼は写真凹版印刷プロセスに関連して「写真スクリーンまたはベール」を使用することを提案しました。[ 4 ] [ 5 ]
その後数十年の間に、いくつかの異なる種類のスクリーンが提案されました。ウィリアム・レッゴは、カナディアン・イラストレイテッド・ニュースで働いていたときに、レゴタイプを使用して初期バージョンを作成しました。最初の印刷されたハーフトーン写真は、1869年10月30日に掲載されたアーサー王子の写真でした。 [ 6 ]ニューヨーク・デイリー・グラフィックは、 1880年3月4日に粗雑なハーフトーンスクリーンを使用して、「新聞でフルトーン範囲の写真の最初の複製」を掲載しました（「スラム街の風景」と題されています）。[ 7 ]
フィラデルフィアのフレデリック・アイブスは、 1881 年に初めて真に成功した商業的方法の特許を取得しました。 [ 5 ] [ 7 ]彼は画像をさまざまなサイズのドットに分割する方法を見つけましたが、スクリーンは使用しませんでした。1882 年に、ドイツのゲオルク・マイゼンバッハは、ドイツで「オートタイプ」ハーフトーンプロセスの特許を取得し、これをAutotypieと名付けました。[ 8 ]彼の発明は、AJ ベルヒトルト[ 9 ] とJW スワンの以前のアイデアに基づいています。彼は、露光中に回転させて交差線効果を生み出す単線スクリーンを使用しました。彼は、レリーフハーフトーンで商業的に成功した最初の人物です。[ 5 ]
その後まもなく、アイブスは今度はルイとマックス・レヴィと共同で、高品質のクロスラインスクリーンを発明し商業生産することで、そのプロセスをさらに改良した。[ 5 ]
凸版ハーフトーン印刷はすぐに成功を収めた。1890年代初頭には、一般誌でハーフトーン版が使われるようになった。[ 5 ]
リトグラフ用のハーフトーン印刷方法の開発は、ほぼ独立した道をたどったようです。1860年代、A. Hoen & Co. は、アーティストが手作業で加工した印刷石のトーンを操作できる方法に注力しました。[ 10 ] 1880年代までに、Hoen は手作業またはフォトリソグラフィーの石のどちらにも使用できるハーフトーン方法に取り組んでいました。[ 11 ] [ 12 ]
デジタル画像が登場する以前は、グレースケール画像を個々の点に分解する特殊な写真技術が開発されていました。その最も初期のものが「スクリーン」と呼ばれるもので、露光するカメラプレートの前に粗い織り目の布製のスクリーンを吊り下げ、光の遮断と回折効果の組み合わせによって入射光を点のパターンに分解するものでした。その後、写真製版技術を用いて写真プレートを現像し、印刷版を作成することができました。
他の技法では、平行線（ロンキー線）で構成された「スクリーン」を使用し、同じスクリーンを別の角度で配置して2回目の露光を行う方法もあった。また、表面に交差する線がエッチングされたスクリーンプレートを通して露光する方法もあった。その後、写真用コンタクトスクリーンを使用するか、あるいはスクリーンを全く使用せず、あらかじめハーフトーンパターンが露光されたリソグラフィー（極めて高コントラスト）フィルムに直接露光する方法が用いられるようになった。
ハーフトーンスクリーンの解像度は、1インチあたりの線数（lpi）で表されます。これは、スクリーンの角度に平行に測定した1インチあたりのドットの線数です。スクリーンの解像度は、スクリーンルーリングとも呼ばれ、lpiという接尾辞またはハッシュマークを付けて表記されます。例えば、「150 lpi」または「150#」のように表されます。
ソースファイルのピクセル解像度が高いほど、再現できるディテールは大きくなります。しかし、解像度を上げるには、それに合わせてスクリーンの線幅も増やす必要があり、そうしないと出力にポスタリゼーションが発生します。そのため、ファイル解像度は出力解像度に合わせて調整されます。ドットは肉眼では容易には見えませんが、顕微鏡や拡大鏡を使えば識別できます。
異なるスクリーンを組み合わせると、エッジが過度に強調されたり、モアレ模様が発生したりするなど、視覚的に気になる現象がいくつか発生する可能性があります。この問題は、スクリーン同士を回転させることで軽減できます。このスクリーン角度は、印刷でよく使用されるもう1つの測定方法で、左方向の線から時計回りに度数で測定されます（9時が0度）。これらの角度は、模様の発生を回避し、色が暗く見える原因となる重なりを減らすように最適化されています。
ハーフトーン処理は、カラー写真の印刷にもよく使われます。基本的な考え方は同じで、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックの4つの二次印刷色（略称CMYK）の濃度を変化させることで、特定の色合いを再現できます。[ 13 ]
この場合、さらに別の問題が発生する可能性があります。単純なケースでは、グレーの濃淡を印刷するのと同じ技術を使ってハーフトーンを作成できますが、この場合、異なる印刷色が物理的に互いに近い位置にあることで、目がそれらを単一の色だと錯覚させる必要があります。そのため、業界では既知の角度のセットが標準化されており、その結果、ドットが小さな円またはロゼット状になります。
丸いドットが最も一般的に使用されていますが、様々な種類のドットがあり、それぞれに特徴があります。モアレ効果を避けるために、複数のドットを同時に使用することも可能です。一般的に、好ましいドットの形状は、印刷方法や印刷版によっても異なります。
デジタルハーフトーンは、1970年代にクロスフィールド・エレクトロニクス、ヘル、ライノタイプ・ポールなどの企業が製造したカラードラムスキャナーに接続されたフィルムレコーダーユニット用の「電子ドットジェネレーター」が開発されて以来、写真ハーフトーンに取って代わりつつある。
1980年代には、以前の「レーザータイプセッター」から発展した新世代のイメージセッターフィルムおよび紙レコーダーでハーフトーン処理が可能になった。純粋なスキャナーや純粋なタイプセッターとは異なり、イメージセッターは、文字、写真、その他のグラフィックオブジェクトを含むページ内のすべての要素を生成できた。初期の例としては、1984年に発表され広く使用されたLinotype Linotronic 300と100があり、これらは1985年にPostScript RIPを初めて提供した機種でもあった。[ 15 ]
1970年代後半以降の初期のレーザープリンターもハーフトーンを生成できたが、当初の解像度300dpiではスクリーン線数は約65lpiに制限されていた。しかし、600dpi以上の高解像度化とディザリング技術の導入により、この問題は改善された。
ハーフトーン処理はすべて、高周波/低周波の二分法を利用します。写真のハーフトーン処理では、低周波属性は出力画像の局所領域であり、ハーフトーンセルと呼ばれます。各セルは等サイズで、連続階調の入力画像の対応する領域（サイズと位置）に対応します。各セル内では、高周波属性は中央に配置された可変サイズのハーフトーンドットで、インクまたはトナーで構成されています。出力セルのインク領域と非インク領域の比率は、入力セルの輝度またはグレースケール値に対応します。適切な距離から見ると、人間の目は、セル内の比率によって近似される高周波の見かけ上のグレースケール値と、隣接する等間隔のセル間および中央のドット間の低周波の見かけ上のグレースケール値の変化の両方を平均化します。
デジタルハーフトーン処理では、各モノクロ画像要素またはピクセルがオンまたはオフ、インクありまたはインクなしの状態になるラスター画像またはビットマップを使用します。したがって、写真のハーフトーンセルをエミュレートするには、デジタルハーフトーンセルは同じサイズのセル領域内にモノクロピクセルのグループを含める必要があります。これらのモノクロピクセルの位置とサイズが固定されているため、写真のハーフトーン方式の高周波/低周波の二分法が損なわれます。クラスター化されたマルチピクセルドットは、1ピクセル単位でジャンプする以外に、段階的に「成長」することはできません。さらに、そのピクセルの位置はわずかに中心からずれています。この妥協を最小限に抑えるには、デジタルハーフトーンのモノクロピクセルは非常に小さくする必要があり、1インチあたり600～2,540ピクセル以上になります。しかし、デジタル画像処理では、どのピクセルを黒または白にするかを決定するためのより高度なディザリングアルゴリズムも可能になり、その一部はデジタルハーフトーン処理よりも優れた結果をもたらします。非線形拡散や確率的反転などの最新の画像処理ツールに基づくデジタルハーフトーン処理も最近提案されています。[ 16 ]
スクリーンを作成する最も一般的な方法は振幅変調であり、サイズが変化するドットの規則的なグリッドを生成します。スクリーンを作成するもう1つの方法は周波数変調であり、確率的スクリーニングとしても知られるプロセスで使用されます。どちらの変調方法も、電気通信で使用される用語になぞらえて命名されています。[ 17 ]
逆ハーフトーン処理（またはデスクリーン処理）とは、ハーフトーン画像から高品質の連続階調画像を再構成する処理です。逆ハーフトーン処理は、異なるソース画像から同じハーフトーン画像が生成される可能性があるため、不良設定問題となります。結果として、1つのハーフトーン画像に対して複数の妥当な再構成が存在します。さらに、ハーフトーン処理中にトーンやディテールなどの情報が破棄されるため、回復不能な損失が発生します。ハーフトーンパターンの種類が多岐にわたるため、最適な品質を得るためにどのアルゴリズムを使用すべきかは必ずしも明確ではありません。
再構築が求められる状況は数多くあります。アーティストにとって、ハーフトーン画像の編集は困難な作業です。明るさの変更といった単純な修正でさえ、通常は色調の変更によって行われます。ハーフトーン画像では、さらに規則的なパターンの保持が必要となります。レタッチのようなより複雑なツールにも同じことが言えます。他の多くの画像処理技術は、連続階調画像で動作するように設計されています。例えば、画像圧縮アルゴリズムは、これらの画像に対してより効率的です。[ 18 ]もう一つの理由は、ハーフトーン処理によって画像の品質が低下するという視覚的な側面です。ハーフトーン画像では階調の変化が限られているため、元の画像の急激な階調変化が除去されます。また、歪みやモアレパターンなどの視覚効果も発生する可能性があります。特に新聞に印刷すると、紙の特性によりハーフトーンパターンがより目立つようになります。これらの画像をスキャンして再印刷すると、モアレパターンが強調されます。したがって、適切な品質を提供するためには、再印刷前に画像を再構築することが重要です。
この手順の主なステップは、ハーフトーンパターンの除去とトーン変化の再構築です。最終的には、画質を向上させるためにディテールを復元する必要がある場合もあります。ハーフトーン処理アルゴリズムは数多く存在し、それらは大きく分けて順序付きディザリング、誤差拡散、最適化ベースの手法に分類できます。デスクリーニング戦略はそれぞれ異なるパターンを生成するため、適切な戦略を選択することが重要です。また、ほとんどの逆ハーフトーン処理アルゴリズムは特定の種類のパターン向けに設計されています。多くのアルゴリズムは反復処理であるため処理速度が遅く、時間も選択基準の一つとなります。
ハーフトーンパターンを除去する最も簡単な方法は、空間領域または周波数領域のいずれかでローパスフィルタを適用することです。簡単な例としては、ガウスフィルタが挙げられます。ガウスフィルタは、画像をぼかす高周波情報を破棄し、同時にハーフトーンパターンを低減します。これは、ハーフトーン画像を見たときの人間の目のぼやけ効果に似ています。いずれの場合も、適切な帯域幅を選択することが重要です。帯域幅が狭すぎるとエッジがぼやけてしまい、帯域幅が広すぎるとパターンを完全に除去できないためノイズの多い画像になります。このようなトレードオフがあるため、適切なエッジ情報を再構築することはできません。
エッジ強調により、さらに改善が実現できます。ハーフトーン画像をウェーブレット表現に分解することで、異なる周波数帯域から情報を取り出すことができます。[ 19 ]エッジは通常、ハイパスエネルギーで構成されています。抽出されたハイパス情報を使用することで、滑らかな領域にローパス情報を保持しながら、エッジ周辺の領域を異なる方法で処理してエッジを強調することが可能です。
逆ハーフトーン処理のもう 1 つの可能性は、人工ニューラル ネットワークに基づく機械学習アルゴリズムの使用です。[ 20 ]これらの学習ベースのアプローチは、可能な限り完璧なものに近づくデスクリーン技術を見つけることができます。アイデアは、実際のハーフトーン画像に応じて異なる戦略を使用することです。同じ画像内の異なるコンテンツであっても、戦略は変化させる必要があります。畳み込みニューラル ネットワークは、カテゴリベースのデスクリーン処理を可能にするオブジェクト検出などのタスクに適しています。さらに、エッジ検出を実行して、エッジ領域周辺のディテールを強調することもできます。生成敵対ネットワークによって結果はさらに改善できます。[ 21 ]このタイプのネットワークは、コンテンツを人工的に生成して、失われたディテールを復元できます。ただし、これらの方法は、使用されるトレーニング データの品質と完全性によって制限されます。トレーニング データに表現されていない未知のハーフトーンパターンは、除去するのがかなり困難です。さらに、学習プロセスには時間がかかる場合があります。対照的に、逆ハーフトーン画像の計算は、単一の計算ステップしか必要としないため、他の反復方法と比較して高速です。
他のアプローチとは異なり、ルックアップ テーブル法ではフィルタリングは行われません。[ 22 ]この方法は、ハーフトーン画像の各ピクセルの近傍分布を計算することで機能します。ルックアップ テーブルは、特定のピクセルの連続トーン値とその分布を提供します。対応するルックアップ テーブルは、ハーフトーン画像とその対応する元の画像のヒストグラムを使用して事前に取得されます。ヒストグラムは、ハーフトーン処理の前後の分布を提供し、ハーフトーン画像内の特定の分布の連続トーン値を近似することを可能にします。このアプローチでは、適切なルックアップ テーブルを選択するために、ハーフトーン処理の戦略を事前に知っておく必要があります。さらに、新しいハーフトーン処理パターンごとにテーブルを再計算する必要があります。デスクリーン画像の生成は、ピクセルごとにルックアップが必要なため、反復法に比べて高速です。
ハーフトーンの発明者として一般的に称賛されているのは、ドイツの George Meisenbach (1882 年) ですが、他の人は、1852 年のイギリスの Fox Talbot、1855 年のフランスの AJ Berchtold、1865 年のイギリスの Edward と James Bullock、1865 年のアメリカ合衆国の Gen. Frederick von Egloffstein、1871 年のカナダの William A. Leggo が彼に先んじていたと言っています。