Что такое халфтон: как устроен печатный растр и как его сделать

Короткий ответ

Халфтон (англ. halftone; в полиграфии обычно говорят просто «растр») передаёт полутона краской, которая на бумаге либо есть, либо её нет. Изображение делят на сетку мелких ячеек и в каждую ставят одну точку, площадь которой соответствует тому, насколько тёмен этот участок: серый 20% превращается в точку примерно на пятую часть ячейки, а тень 90% — в точку, которая почти целиком заполняет ячейку. С расстояния, на котором обычно читают, глаз усредняет точки и бумагу в ровный серый. Цветная печать устроена так же, только сеток четыре — по одной для голубой, пурпурной, жёлтой и чёрной краски, — и каждая повёрнута на свой угол.

Все настройки, о которых пойдёт речь ниже, можно попробовать в бесплатном генераторе халфтона на этом сайте: он работает прямо в браузере и экспортирует результат в PNG или SVG.

Откуда взялся халфтон

Суть проблемы была простой: печатная машина наносит краску сплошным слоем, а фотография состоит из плавных переходов серого. Штриховой рисунок можно было выгравировать и напечатать, фотографию — нет, пока не нашёлся способ превратить серый тон в узор.

• 1852 год. В патенте Уильяма Генри Фокса Тальбота на фотогравирование предлагалось использовать «фотографические экраны или вуали», чтобы разбить изображение на форме глубокой печати. В Музее Виктории и Альберта хранится фотоглифическая гравюра Тальбота с папоротниками, датированная примерно 1858 годом и сделанная через тканевый растр (в надписи на ней упоминается «креповая вуаль»). В музейной этикетке с одной из прошлых экспозиций описано, как Тальбот накладывал на изображение ткань редкого плетения, чтобы сплошные участки распадались на множество мелких, в которых держится краска.
• 4 марта 1880 года. Нью-йоркская газета Daily Graphic напечатала новостной снимок «A Scene in Shantytown» («Сцена в трущобах») не в виде гравюры, а растровым способом. Обычно именно его называют первой растровой новостной фотографией в газете США.
• 1881–1882 годы. В 1881 году Фредерик Айвз запатентовал точечный способ, который получил коммерческий успех, а в 1882 году Георг Мейзенбах запатентовал в Германии свою «автотипию»: в ней растр из параллельных линий поворачивали во время экспонирования и получали перекрёстную сетку. Затем Айвз вместе с Луисом и Максом Леви работал над созданием и промышленным производством перекрёстных растров.

У этого способа нет одного-единственного изобретателя. Корнеллский университет, где Айвз с 1874 по 1878 год работал в фотолаборатории, считает изобретателем его и указывает, что изобретение сделано именно там; другие исторические обзоры отдают заслугу Тальботу, Мейзенбаху, Луису и Максу Леви, а также более ранним экспериментаторам — например, Уильяму Легго из Канады, чьё растровое изображение принца Артура напечатали в 1869 году. На том же принципе фотографии печатают и сегодня.

Как устроен АМ-растр: ячейки и точки

Классический метод называется АМ-растрированием (амплитудно-модулированным): шаг между точками постоянен, а меняется их размер. Представьте квадратную сетку, наложенную на изображение. Каждый квадрат — это растровая ячейка. Для каждой ячейки берётся средний тон изображения под ней, и в её центре ставится одна точка такого размера, чтобы запечатанная площадь соответствовала этому тону. В светах остаются крошечные точки, в средних тонах — точки, которые почти касаются друг друга, в тенях — такие крупные, что незапечатанная бумага проглядывает лишь маленькими светлыми просветами.

Круглые точки смыкаются с соседними при заполнении около 78,5%: площадь круга, вписанного в квадрат, составляет π/4 площади квадрата. При большем заполнении точки сливаются в тёмное поле с просветами, поэтому в тенях халфтон выглядит иначе, чем в светах.

LPI, DPI и PPI

Эти три величины постоянно путают:

Растровая точка складывается из точек устройства. Если CtP-устройство выводит формы с разрешением 2400 dpi, а линиатура растра — 150 lpi, ширина каждой ячейки составляет 2400 ÷ 150 = 16 точек устройства. Значит, в ячейке помещается 16 × 16 = 256 точек устройства, а с учётом чистой бумаги это 257 возможных градаций тона. Если снизить разрешение до 1200 dpi при той же линиатуре, в ячейке останется всего 8 × 8 точек, градаций станет 65, и на плавных растяжках могут появиться ступеньки. Именно из-за этого компромисса между линиатурой и числом градаций мелкий растр требует вывода с высоким разрешением.

Чем выше линиатура, тем тоньше детали и тем незаметнее точки, но только если бумага и печатная машина способны эти точки удержать. В пособии CUNY City Tech о разрешении отмечается, что в газетах точки расположены редко: дешёвая бумага впитывает краску, и та растекается.

Растискивание

На оттиске точки получаются крупнее, чем в файле или на печатной форме. В полиграфии это называют растискиванием (dot gain) или приростом тонового значения (tone value increase): если точка 30% отпечаталась как 50%, растискивание составляет 20 процентных пунктов. Часть растискивания физическая: краска растекается по бумаге и под давлением в печатной машине. Другая часть — оптическая: свет рассеивается в толще бумаги вокруг каждой точки, поэтому точки поглощают больше света, чем следует из их размера. Это явление известно как эффект Юла — Нильсена.

Сильнее всего растискивание в средних тонах, примерно в диапазоне 40–60%: здесь суммарная длина краёв точек наибольшая, и краске есть откуда растекаться. При более плотном заполнении точки смыкаются, и свободного края становится меньше. Программы допечатной подготовки компенсируют растискивание градационными кривыми, построенными под конкретную машину и бумагу, поэтому файл, подготовленный для одних условий, в других может напечататься слишком тёмным.

Углы растра, муар и розетки

Когда два регулярных узора накладываются почти под одним углом или почти с одной частотой, они порождают третий, более крупный узор — муар. Это те же биения, что видны, когда одна москитная сетка ложится на другую. В четырёхкрасочной печати друг на друга ложатся четыре сетки, поэтому их углы приходится подбирать тщательно.

Распространённый набор углов, который приводится в одном из патентов Eastman Kodak на технологии печати, выглядит так:

Логика здесь такая:

• 30° между самыми заметными красками. Голубую, пурпурную и чёрную разводят на 30° друг от друга. При таком разносе интерференция складывается в мелкий регулярный узор, похожий на цветок, — розетку. Она достаточно мелкая, чтобы читаться как фактура, а не как видимая волна. В патенте Kodak это названо «визуально приятной розеточной структурой».
• Помещаются только три краски. Квадратная сетка повторяется через каждые 90°, поэтому при шаге 30° места хватает ровно на три краски. Четвёртую приходится ставить ближе к одной из них.
• Жёлтой достаётся неудачный угол. Жёлтая — самая светлая краска, и муар от неё заметен меньше всего, поэтому в патенте её ставят на 0°, всего в 15° от соседних.
• Чёрной достаются 45°. В том же патенте угол 0° назван «хорошо заметным», поэтому его и отдают самой светлой краске. Самую тёмную ставят на диагональ 45° — этот угол традиционно считается наименее заметным.

Квадратная сетка после поворота на 90° выглядит так же, как до него, поэтому 15° и 105° описывают один и тот же растр. Вот почему разные программы указывают разные числа для по сути одного и того же набора. Важна и приводка: в патенте Kodak отмечено, что из-за несовмещения красок муар жёлтого растра может проявиться в некоторых составных цветах. Окончательные углы задаёт типография или её RIP; при печати триадой дизайнеру редко приходится выставлять их самому.

ЧМ- и стохастическое растрирование

ЧМ-растрирование (частотно-модулированное), или стохастическое, построено на обратном принципе: в классическом ЧМ-растре (первого порядка) все точки одного и того же малого размера, а тон задаётся количеством точек на участке. Точки расставляются псевдослучайно, а не по сетке.

• Углов растра нет, поэтому нет ни растрового муара, ни розеток.
• Несовмещение красок остаётся, но становится менее заметным.
• Точки крошечные. В пособии CUNY приводится диапазон 10–60 мкм, что примерно соответствует 480–120 lpi в пересчёте на АМ-растр.
• Крошечные точки труднее удержать на форме и в печати. В документации к RIP Wasatch отмечено, что возможности стохастических растров первого порядка ограничены растискиванием, а в растрах второго порядка точка в средних тонах укрупняется, чтобы выровнять кривую растискивания.

Струйная печать работает похожим образом: пособие CUNY называет её практически идентичной ЧМ-растрированию, хотя многие струйные принтеры вдобавок меняют размер капли. Но когда говорят об «эффекте халфтона» как о приёме в дизайне, почти всегда имеют в виду видимую АМ-сетку круглых точек, а не ЧМ.

Халфтон для печати и для экрана

Одно и то же слово обозначает две разные задачи.

Как этап печатного процесса халфтон — невидимая техническая основа. Вы сдаёте полутоновое (нерастрированное) изображение в нужном разрешении, а RIP типографии растрирует его с той линиатурой, на которую рассчитана машина. Добавлять точки самостоятельно не нужно.

Как визуальный эффект халфтон ценен именно точками. Их специально делают крупными, чтобы они читались как точки, и сдают результат как готовую графику. Это работает и на экране, и в печати, но с двумя оговорками:

• На экране каждая точка рисуется пикселями. Если браузер или соцсеть пересчитает изображение, сетка точек начнёт интерферировать с пиксельной сеткой, и появится муар. Экспортируйте файл точно в том размере, в каком его покажут, или используйте SVG, чтобы точки оставались чёткими геометрическими фигурами при любом масштабе.
• В печати пиксельный файл, в котором у точек серые сглаженные края, типография растрирует повторно, и RIP накладывает свой мелкий растр внутри и вокруг ваших крупных точек. Чистый результат получается, когда точки — это сплошная краска: вектор (SVG или PDF) или 1-битное изображение в итоговом размере, а сам узор намного крупнее печатного растра.

С чего начать дизайнеру

Это отправные значения, которые нужно проверить и подстроить, а не результаты измерений и не стандарты. Технические требования типографии всегда в приоритете.

Значения линиатуры в первых строках взяты из таблицы типичных разрешений в англоязычной статье Википедии о халфтоне, причём в самой Википедии эти данные помечены как требующие подтверждения источниками. Используйте их, чтобы свериться перед разговором с типографией.

Типичные ошибки

1. Считать DPI, PPI и LPI одним и тем же. Изображение в 300 ppi не печатается «с линиатурой 300». Сначала узнайте линиатуру, а затем подготовьте изображение под неё.
2. Сначала растрировать изображение, а потом масштабировать. При пересчёте края точек размываются и появляется муар. Сначала задайте итоговый размер, затем применяйте эффект.
3. Сохранять результат в JPEG. Сжатие JPEG превращает чёткие края точек в блочный шум. Для пиксельной графики используйте PNG, для векторной — SVG или PDF.
4. Не учитывать растискивание. Халфтон, который на экране выглядит сбалансированным, в печати может оказаться слишком тёмным в средних тонах, особенно на немелованной бумаге. Осветлите средние тона или возьмите растр крупнее.
5. Ставить два растра под одинаковым или почти одинаковым углом. Это даёт широкие волны муара. Держите между самыми заметными красками разнос 30°, если только волна не задумана как эффект.
6. Сканировать напечатанные фотографии без удаления растра. Пиксельная сетка сканера интерферирует с печатными точками. Включите в сканере функцию удаления растра (descreen) или возьмите исходник, который ещё не был напечатан.
7. Делать растр мельче, чем позволяет способ печати. Если отправить файл с линиатурой 150 lpi в трафаретную печать или на настольный принтер, точки могут забиться. Подбирайте линиатуру под устройство вывода.

Как генератор на этом сайте строит эффект

Генератор халфтона — это WebGL-инструмент: фрагментный шейдер выполняется на GPU один раз для каждого выходного пикселя. Подход стандартный для АМ-растра на шейдерах:

1. Поворот в пространство растра. Координаты пикселя поворачиваются на угол растра, поэтому сетка ячеек может стоять под 45°, 15° или любым другим углом, а само изображение остаётся на месте.
2. Поиск ячейки и выборка тона. Шейдер определяет, в какую ячейку попадает пиксель, поворачивает центр этой ячейки обратно в пространство изображения и берёт цвет изображения в этой точке. Цвет переводится в яркость (luminance) взвешенной суммой красного, зелёного и синего, где у зелёного самый большой вес, а у синего — самый маленький. Покрытие краской — это единица минус эта величина после поправок на контраст и яркость.
3. Размер точки по площади. Для круглых точек радиус подбирается так, чтобы площадь точки равнялась покрытию краской: r = s × √(t ÷ π), где s — размер ячейки, а t — доля покрытия. Так продолжается, пока при заполнении около 78,5% соседние точки не соприкоснутся. Дальше точка растёт в сторону диагонали ячейки, чтобы при 100% получилась сплошная заливка.
4. Проверка соседей. В тенях точки выходят за пределы своей ячейки, поэтому для каждого пикселя шейдер проверяет четыре ближайших центра ячеек. Благодаря этому точки сливаются так же, как краска, а не обрезаются по границам ячеек. Края точек получают узкую полосу сглаживания, чтобы на экране контуры оставались гладкими.
5. Выбор формы. Круглые, квадратные и ромбовидные точки используют одну и ту же выборку, но разные функции расстояния. Линейный растр интерполирует толщину штриха между соседними центрами ячеек, и получаются штрихи, похожие на гравюру.

Вторая краска работает как вторая печатная форма. Она считывает то же изображение на собственной сетке — со своим углом (по умолчанию на 30° от первого), своим покрытием и сдвигом в пикселях по X и Y. Этот сдвиг имитирует несовмещение красок — небольшое смещение форм друг относительно друга при печати. В настоящей печати несовмещение считается браком, здесь же это управляемый эффект, и та же идея сдвинутой формы проходит через весь визуальный стиль iakzhin.com. В кейсе iakzhin.com показано, как этот печатный язык используется на всём сайте.

При переходе от инструмента к печати пригодится один пересчёт: размер ячейки задаётся в пикселях изображения, поэтому эквивалентная линиатура зависит от разрешения вывода. При 300 ppi ячейка в 8 пикселей — это 300 ÷ 8 = 37,5 lpi, то есть грубый, хорошо заметный растр.

Если для проекта нужен халфтон, рассчитанный на конкретную печатную машину, бумагу или фирменный стиль, это часть работы по визуальному дизайну.