ハーフトーン

ハーフトーンは、ドットのサイズや間隔を変えることで連続階調の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す。 ^[1]「ハーフトーン」は、このプロセスによって生成される画像を指す場合もあります。^[1]

連続階調画像には無限の範囲の色またはグレーが含まれていますが、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) のドットで 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、基本的な目の錯覚に依存しています。ハーフトーン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トーンとして解釈します。顕微鏡レベルでは、現像された白黒写真フィルムも 2 色のみで構成されており、無限の範囲の連続階調ではありません。詳細については、「フィルム粒子」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たのと同じように、カラー印刷は減法混色の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した。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]インクの半透明特性により、異なる色のハーフトーンドットが別の視覚効果、つまりフルカラー画像を作成できます。^[1]個々のドットの位置を正確に特定できないため、ドットは部分的に重なり、オートタイプ混色と呼ばれる加法混色と減法混色の混合につながります。

歴史

以前にも写真の色合いや微妙な細部を模倣できる機械的な印刷方法（最も有名なのはウッドベリータイプ）がありましたが、費用と実用性の問題から、凸版印刷を使用する大量の商業印刷には使用できませんでした。

以前は、新聞の写真のほとんどは、手彫りの木版画や木版画で、写真からコピーされることが多かったものの、手描きのスケッチに似ていました。商業印刷業者は、写真を印刷物にリアルに再現する実用的な方法を求めていましたが、一般的な機械印刷のプロセスでは、インクの領域を印刷するか、紙に空白領域を残すだけで、写真のような色調の範囲は再現できず、黒（またはカラー）インクのみ、または何も印刷されませんでした。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]

ハーフトーン印刷のアイデアはウィリアム・フォックス・タルボットが考案したとされている。1852年の特許では、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た。^[4]^[5]

その後の数十年間に、さまざまな種類のスクリーンが提案されました。最初の試みの 1 つは、Canadian Illustrated Newsで働いていたWilliam Leggoによる Leggotypeでした。最初のハーフトーン写真は、1869 年 10 月 30 日に公開されたアーサー王子の画像でした。^[6]その後、 New York Daily Graphic は、1880 年 3 月 4 日に「新聞でフルトーン範囲の写真の最初の複製」 (「スラム街の風景」と題された) を粗雑なハーフトーンスクリーンで公開しました。^[7]

最初の本当に成功した商業的方法は、1881年にフィラデルフィアのフレデリック・アイブスによって特許取得されました。 ^[5]^[7]彼は画像を様々なサイズのドットに分割する方法を考案しましたが、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 [de]がドイツでハーフトーンプロセスの特許を取得し、オートタイプ [de]と名付けました。^[8]彼の発明は、ベルヒトルトとスワンの以前のアイデアに基づいていました。彼は、露光中に回転して交差線効果を生み出す単線の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な成功を収めた最初の人物でした。^[5]

その後まもなく、アイブスはルイスとマックス・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プロセスをさらに改良しました。^[5]

レリーフハーフトーンのプロセスはすぐに成功を収め、1890年代初頭には一般雑誌でハーフトーンブロックが頻繁に使用されるようになりました。^[5]

リトグラフ用のハーフトーン印刷法の開発は、おおむね独立した道をたどったようだ。1860年代、A. Hoen & Co. は、手作業で加工された印刷石のトーンをアーティストが操作できる方法に焦点を合わせた。^[9] 1880年代までに、Hoen は手作業で加工された石と写真石のどちらでも使用できるハーフトーン法に取り組んでいた。^[10]^[11]

ハーフトーン写真スクリーニング

画像がデジタル化される以前は、グレースケール画像を個別の点に分解する特殊な写真技術が開発されていました。最も初期の技術は「スクリーニング」で、粗い織りの布のスクリーンをカメラの露光プレートの前に吊り下げ、遮断効果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します。その後、写真プレートをフォトエッチング技術で現像して印刷プレートを作成します。

他の技法では、平行バー (ロンキールーリング)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向けて 2 回目の露光を組み合わせました。別の方法としては、表面に交差線が刻まれたスクリーンプレートを通して露光する方法がありました。後には、写真用コンタクトスクリーンが使用されるか、またはスクリーンをまったく使用せずに、露光済みのハーフトーンパターンを持つリソグラフィー (非常に高コントラスト) フィルムに直接露光するようになりました。

伝統的なハーフトーン

ハーフトーンスクリーンの解像度

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) で測定されます。これは、スクリーンの角度と平行に測定された 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、接尾辞 lpi またはハッシュマークを使用して記述されます (例: 「150 lpi」または「150#」)。

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が大きくなります。ただし、解像度を上げると、スクリーンの線数もそれに応じて増加する必要があります。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られます。ドットは肉眼では簡単には見えませんが、顕微鏡や拡大鏡で見分けることができます。

複数のスクリーンとカラーハーフトーン

CMYK 分解を使用した最新のカラーハーフトーン処理の 3 つの例。左から右へ: シアン分解、マゼンタ分解、イエロー分解、ブラック分解、複合ハーフトーンパターン、最後に、十分な距離から人間の目が複合ハーフトーンパターンをどのように観察するかを示します。

このハーフトーン印刷のクローズアップでは、黄色の上にマゼンタがあるとオレンジ/赤として表示され、黄色の上にシアンがあると緑として表示されることがわかります。

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、モアレパターンが発生したりするなど、さまざまな視覚効果が発生する可能性があります。この問題は、スクリーンを互いに回転させることによって軽減できます。このスクリーン角度は、印刷で使用されるもう 1 つの一般的な測定方法で、左に走る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、パターンを回避し、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。^{[引用が必要]}

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（略称CMYK）の4つの二次印刷色の濃度を変えることで、特定の色合いを再現することができます。^[12]

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用してハーフトーンを作成できますが、この場合、異なる印刷色を物理的に互いに近づけて、単一の色であると思わせる必要があります。これを実現するために、業界では既知の角度のセットを標準化しており、その結果、ドットが小さな円またはロゼットを形成します。

ドット形状

最も一般的に使用されるのは丸いドットですが、さまざまなドットタイプがあり、それぞれに特徴があります。これらを同時に使用することで、モアレ効果を回避できます。一般的に、好ましいドット形状は、印刷方法や印刷版によっても異なります。

丸いドット: 最も一般的で、明るい画像、特に肌の色に適しています。色調値は 70% です。
楕円形のドット: 多数のオブジェクトを含む画像に適しています。楕円形のドットは、色調値の 40% (尖った端) と 60% (長い辺) で交わるため、パターン化のリスクがあります。
四角いドット：詳細な画像に最適ですが、肌の色にはお勧めできません。角は50％の色調値で交わります。四角いドット間の遷移は、人間の目に見える場合があります。^[13]

デジタルハーフトーン

デジタルハーフトーン処理は、 Crosfield Electronics、Hell、Linotype-Paul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」が開発された1970年代以降、写真ハーフトーン処理に取って代わってきました。

1980年代には、以前の「レーザータイプセッター」から開発された新世代のイメージセッターフィルムおよびペーパーレコーダーでハーフトーン処理が可能になりました。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ます。初期の例としては、1984年に導入され広く普及したLinotype Linotronic 300と100があり、 1985年にはPostScript RIPも初めて提供されました。^[14]

1970 年代後半以降の初期のレーザープリンターでもハーフトーンを生成できましたが、当初の 300 dpi の解像度では、スクリーン線数は約 65 lpi に制限されていました。600 dpi 以上の高解像度とディザリング技術が導入されたことで、この問題は改善されました。

すべてのハーフトーン処理では、高周波数/低周波数の二分法が使用されます。写真ハーフトーン処理では、低周波数属性はハーフトーンセルとして指定された出力イメージのローカル領域です。各等サイズのセルは、連続トーン入力イメージの対応する領域 (サイズと場所) に関連付けられます。各セル内では、高周波数属性は、インクまたはトナーで構成された中央の可変サイズのハーフトーンドットです。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レベルに対応します。適切な距離から、人間の目は、セル内の比率によって近似される高周波数の見かけのグレーレベルと、隣接する等間隔のセルと中央のドット間の低周波数の見かけのグレーレベル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、ラスターイメージまたはビットマップを使用します。このイメージでは、各モノクローム画像要素またはピクセルがオンまたはオフ、インクの有無が決定されます。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に、同じサイズのセル領域内にモノクロームピクセルのグループを含める必要があります。これらのモノクローム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法の高頻度/低頻度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 ピクセル単位でしか「成長」できません。さらに、そのピクセルの配置は中心からわずかにずれています。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ームピクセルを非常に小さくし、1 インチあたり 600 から 2,540 ピクセル以上とする必要があります。ただし、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、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。^[15]

変調

スクリーンを作成する最も一般的な方法である振幅変調は、大きさの異な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つの方法である周波数変調は、確率的スクリーニングとも呼ばれるプロセスで使用されます。両方の変調方法は、電気通信用語の使用法に類似して命名されています。^[16]

逆ハーフトーン

逆ハーフトーン化またはデスクリーニングは、ハーフトーンバージョンから高品質の連続トーン画像を再構築するプロセスです。逆ハーフトーン化は、異なるソースイメージ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、不適切な問題です。その結果、1 つのハーフトーン画像に複数の妥当な再構築が存在します。さらに、ハーフトーン化中にトーンや詳細などの情報が破棄されるため、回復不能に失われます。さまざまなハーフトーンパターンがあるため、最高の品質を得るためにどのアルゴリズムを使用すればよいかは必ずしも明らかではありません。

ハーフトーンを低解像度にリサイズすることで生じる空間エイリアシングにより、空の点が現れる

再構築が望まれる状況は数多くあります。アーティストにとって、ハーフトーン画像を編集することは困難な作業です。明るさを変えるなどの単純な変更でさえ、通常は色調を変えることで機能します。ハーフトーン画像では、これにはさらに規則的なパターンの保存が必要です。同じことが、レタッチなどのより複雑なツールにも当てはまります。他の多くの画像処理技術は、連続トーン画像で動作するように設計されています。たとえば、画像圧縮アルゴリズムは、それらの画像の方が効率的です。^[17]もう1つの理由は、ハーフトーン化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。ハーフトーン化された画像では色調の変化が限られているため、元の画像の突然のトーンの変化は除去されます。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、再印刷の前にそれらを再構築することが、妥当な品質を提供するために重要です。

空間および周波数フィルタリング

手順の主なステップは、ハーフトーンパターンの削除とトーンの変化の再構築です。最終的には、画像の品質を向上させるために詳細を復元する必要がある場合があります。ハーフトーン化アルゴリズムは多数ありますが、主に順序付きディザリング、誤差拡散、最適化ベースの方法に分類できます。デスクリーニングアルゴリズムはさまざまなパターンを生成し、逆ハーフトーン化アルゴリズムのほとんどは特定の種類のパターン用に設計されているため、適切なデスクリーニング戦略を選択することが重要です。多くのアルゴリズムは反復的であるため、かなり時間がかかるため、時間も選択基準の 1 つです。

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でローパスフィルターを適用することです。簡単な例としては、ガウスフィルターがあります。このフィルターは、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減らします。これは、ハーフトーン画像を見るときに目がぼやける効果に似ています。いずれにしても、適切な帯域幅を選択することが重要です。帯域幅が制限されすぎるとエッジがぼやけ、帯域幅が高すぎるとパターンが完全に除去されないためノイズの多い画像が生成されます。このトレードオフにより、適切なエッジ情報を再構築することができません。

エッジ強調により、さらなる改善が達成されます。ハーフトーン画像をウェーブレット表現に分解すると、異なる周波数帯域から情報を取り出すことができます。^[18]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、エッジの周りの領域を異なる方法で処理し、滑らかな領域間のローパス情報を維持しながら、エッジを強調することができます。

最適化ベースのフィルタリング

逆ハーフトーン化のもう一つの可能性は、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ある。^[19]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いデスクリーニング手法を見つけることができます。その考え方は、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、戦略は変えるべきです。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ニング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、エッジ検出を行って、エッジ領域の周囲の詳細を強調することもできます。結果は、生成的敵対ネットワークによってさらに改善できます。^[20]このタイプのネットワークは、人工的にコンテンツを生成し、失われた詳細を回復することができます。ただし、これらの方法は、使用す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されていない目に見えないハーフトーンパターンは、削除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ことがあります。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。

ルックアップテーブル

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。^[21]この方法は、ハーフトーン画像のすべてのピクセルの近傍の分布を計算することによって機能します。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れに対応する元の画像のヒストグラムを使用する前に取得されます。ヒストグラムはハーフトーン処理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、ハーフトーン処理戦略を事前に知っておく必要があります。さらに、テーブルは新しいハーフトーンパターンごとに再計算する必要があります。デスクリーンされた画像の生成は、ピクセルごとにルックアップが必要なため、反復方法に比べて高速です。

参照

重要な学術研究グループ

パデュー大学電子画像システム研究所
UTオースティンの組み込み信号処理研究所

参考文献

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外部リンク

ハーフトーンに関するダニエル・ラウのウェブサイト
「The Rasterbator」：大きなハーフトーンタイプのポスターを作成できるソフトウェア
MATLAB 用イメージハーフトーンツールボックス (V. Monga、N. Damera-Venkata、BL Evans 著)
Wolframデモンストレーションプロジェクトのハーフトーンスクリーン
Adobe Photoshop でハーフトーンシェーディングを作成する
Adobe Photoshop でカスタムハーフトーンを作成する簡単な方法
伝統的なハーフトーンとその作成に関するビジュアルガイド
ハーフトーンパターンの作成方法と使用方法に関する Photoshop チュートリアル
ハーフトーン画像を生成するためのJavascriptプラグイン

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