（计算机应用技术专业论文）数字加网系统中关键技术的研究.pdf

浙江大学博上学位论文 摘要 摘要 随着我国纺织印染行业的发展，人们迫切需要提高数字加网技术，以适应日 益增长的市场需求和应对国际纺织印染市场的挑战。如何利用计算机图像处理技 术去提高数字加网的效率以及品质，是数字加网系统的关键所在。本文针对其中 的关键环节开展研究工作，取得的研究成果包括： 在莫尔花纹的问题上，为了避免莫尔花纹现象，本文应用了基于抖动矩阵的 方法生成网点中心。为了选择满足印花工艺网点中心分布要求的抖动矩阵访问路 径，本文对不同的访问路径算法进行探讨和研究，并对不同的访问路径生成的网 点中心分布进行傅立叶分析。 在提高加网速度的问题上，本文提出了一种改进的逐点插入算法生成 d e l a u n a y 三角网。传统的逐点插入算法具有内存占用小，支持动态生成三角网， 易实现等优点，在传统的印花加网工艺中得到广泛应用。但由于其时间复杂度高， 影响了整个加网过程的时间效率。传统的逐点插入法算法时间主要耗费在定位三 角形上，本文提出一种基于方向搜索的定位三角形的新方法，根据三角网的点、 线、面的拓扑关系来定位插入点所在的三角形，以避免全局搜索，提高了动态插 入点的效率，从而提高三角网构网效率。 在网点面积大小的均匀化问题上，本文提出了一种基于误差扩散的算法，有 效地解决了网点大小不均匀的问题。为了从根本上避免莫尔花纹现象，根据传统 印花工艺的要求，网点的中心分布一般应该满足随机性好的要求。虽然随机访问 路径生成的网点中心分布相对于其它访问路径而言有更好的随机性，但由于过于 提倡随机性和依赖随机访问路径，容易产生畸形网点，会导致最终网点区域大小 的不可控。本文提出的均匀化算法就是为了解决如何在使用和发挥随机访问路径 优势的同时，缓解和减轻随机性带来的负面效果，并且优化后的数字加网算法能 够保持高效性和实时性的问题。本文利用的是误差扩散的思想，在处理需要调节 的网点时，将该网点面积与平均值的差值扩散到周围网点，使畸形网点的面积趋 浙江大学博： ：学位论文摘要 于网点面积的平均值。 综合上述算法，本文实现了一个数字加网的原型系统。该系统的设计参考了 传统的数字加网的流程，其中各模块的核心就是本文所研究的各个算法。同时， 系统提供了用户交互模块，支持用户对网点中心的生成、网点区域的确定等模块 进行设置，选择不同的算法。本原型系统的开发旨在对数字加网流程中的各个模 块的算法进行研究改进，是对数字加网技术的有益探索。 关键词： 新型数字加网技术，莫尔花纹，访问路径，d e l a u n a y 三角剖分，灰度 分布，网点大小均匀化 浙江大学博上学位论文 a b s u a e t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e x t i l ep r i n t i n go fo u rc o u n t r y , t h et e c h n i q u eo fd i g i t a l h a l f l o n i n gi sr e q u i r e dt ob ei m p r o v e du r g e n t l y , i no r d e rt om e e tt h en e e d so ft h e g r o w i n g m a r k e ta n dt h ec h a l l e n g e so ft h ew o r l dm a r k e t h o wt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y o ft h eh a l f i o n i n gp r o c e s sa n dt h eq u a l i t yo ft h eh a l f l o n i n gr e s u l t si st h ek e yp r o b l e mo f d e s i g n i n gt h ed i g i t a lh a l f t o n i n gs y s t e mb yu s i n gd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y s o m ee f f o r t sh a v eb e e np e r f o r m e do ns e v e r a lk e yi s s u e si nt h ed i s s e r t a t i o n t h em a i n c o n t r i b u t i o n so ft h et h e s i si n c l u d e ： o nt h es t u d yo ft h em o i r 6p r o b l e m ，t h i st h e s i sp r o p o s e sa l la l g o r i t h mf o rb u i l d i n g s t o c h a s t i c d o ts c r e e n sb a s e do nt h ed i t h e rm a t r i xt oa v o i dt h em o i r dp a t t e r n t oc h o o s e t h ev i s i t i n gp a t ht h a tm e e t st h ed e m a n do fd i g i t a lh a l f l o n i n g ，w es t u d ys e v e r a lk i n d so f v i s i t i n gp a t h sa n da n a l y z et h e mb yu s i n gf o u r i e r - a n a l y s i s o nt h es t u d yo fi m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fd i g i t a lh a l f t o n i n g ，t h i st h e s i sp r o p o s e s a ni m p r o v e di n c r e m e n t a ld e l a u n a yt r i a n g u l a t i o na l g o r i t h m t h et r a d i t i o n a li n c r e m e n t a l a l g o r i t h mh a st h ea d v a n t a g e so fu t i l i z i n gl e s ss y s t e mm e m o r y , i n s e r t i n gp o i n t s d y n a m i c a l l y , e a s yt oi m p l e m e n t , a n ds oo n h o w e v e r , t h ee f f i c i e n c yo ft h et r a d i t i o n a l i n c r e m e n t a la l g o r i t h mi sl o w , w h i c hw i l la f f e c tt h ee f f i c i e n c yo ft h eh a l f l o n i n gp r o c e s s w ep r e s e n tas i m p l ee n h a n c e m e n tf o rl o c a t i n gt h ep o i n tt ob ei n s e r t e db yu s i n gt h e t o p o l o g i c a lr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h et r i a n g l e s t h et r i a n g l ec o n t a i n i n gt h ei n s e r t e d p o 缸c a nn o w b ef o u n df a s t e r o nt h es t u d yo ft h eh o m o g e n i z a t i o no ft h es c r e e nd o t s ，t h i st h e s i sp r o p o s e sa h o m o g e n i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h ee r r o rd i f f u s i o na l g o r i t h m t r a d i t i o n a l l y , t o a v o i dt h em o i r 否p a t t e r n ，t h es c r e e nd o t sa r er e q u i r e dt ob ed i s t r i b u t e dr a n d o m l y a l t h o u g ht h er a n d o mv i s i t i n gp a t h sm e e tt h ed e m a n dp e r f e c t l y , t h e yw i l la l s ob r i n g s o m es c r e e nd o t st h a t 、析t l ll o n ga n dn a r r o ws h a p e sw h i c hw i l la f f e c tt h eq u a l i t yo ft h e h a l f l o n i n gi m a g e s t h em a x i m a ls c r e e ns u r f a c eo fd i f f e r e n t d o t sw i l la l s ov a r y c o n s i d e r a b l y t h eh o m o g e n i z a t i o na l g o r i t h mw ep r o p o s e di st ow e a k e nt h en e g a t i v e e f f e c t sb r o u g h tb yt h er a n d o mv i s i t i n gp a t h sw h i l em a i n t a i n i n gt h ee f f i c i e n c yo ft h e 浙江人学博l 二学位论文 a b s t r a c t l l a l f f o n i n ga l g o r i t h m o u rm e t h o d i sb a s e do nt h ei d e ao ft h ee r r o rd i f f u s i o na l g o r i t h m ， b yd i f f u s i n gt h ee r r o rb e t w e e n t h es u r f a c eo ft h ed o ta n dt h ea v e r a g es u r f a c eo fa ud o t s t ot h ea d j a c e n td o t st or e d u c et h es u r f a c ed i f f e r e n c eb e t w e e nd i f f e r e n td o t s b a s e do nt h ea l g o r i t h m sm e n t i o n e da b o v e ，w ed e v e l o pap r o t o t y p es y s t e mo f d i g i t a lh a l f t o n i n g ，n l es y s t e mp r o c e s si sd e s i g n e da c c o r d i n gt op r o c e s so fd i g i t a l h a l f l o n i n g n ec o r eo f e a c hm o d u l ei st h ea l g o r i t h ms t u d i e d i no u rt h e s i s i na d d i t i o n , t h ei n t e r a c t i v em o d e li sp r o v i d e df o rs e l e c t i n gd i f f e r e n ta l g o r i t h m sf o rt h ed e l a u n a y t r i a n g u l a t i o n , t h ew a y t od e t e r m i n et h em a x i m a ls c r e e nd o ts u r f a c e ，a n ds oo n 砸s p r o t o t y p es y s t e mi sf o rt l l ep u r p o s eo fs t u d y i n ga n di m p r o v i n gt h ek e ya l g o r i t h m si n d i g i t a lh a l f i o n i n g i ti sa l s oah e l p f u le x p l o r a t i o no i ld i g i t a lh a l f t o n i n g k e y w o r d s ：n e wd i g i t a lh a l f t o n i n gt e c h n o l o g y , m o i r 6 ，v i s i t i n gp a t h ，d e l a u n a y t r i a n g u l a t i o n ，g r a y s c a l ed i s t r i b u t i o n ，h o m o g e n i z a t i o no f s c r e e nd o t s 浙江大学博一1 ：学位论文 图目录 图目录 图1 1 传统印花工艺流程l 图1 2 经过加网得到的网目调图像2 图1 3 照相加网原理图3 图1 4 数字加网系统框架图7 图2 1 数字加网9 图2 2 调幅加网l o 图2 3 不同的网点频率的调幅加网效果1 l 图2 4 不同的网点形状的调幅加网效果1 l 图2 5 不同的网线角度的调幅加网效果1 2 图2 6 调频加网1 3 图2 7 误差扩散算法流程1 4 图2 8 莫尔花纹l7 图2 9 莫尔花纹产生原理18 图3 1 扫描线访问方式得到的网点中心分布图( r = 1 6 ) 2 2 图3 2h i l b e r t 曲线一2 3 图3 3 取不同n 值的p e a n o 曲线2 3 图3 4h i l b e r t 空间填充曲线访问方式得到的网点中心分布2 4 图3 5 旋转的h i l b e r t 空间填充曲线2 6 图3 6 具有c 2 个单元的正方形矩阵旋转毕达哥拉斯角度2 7 图3 7 h i l b e r t 垂直方向连续曲线2 7 图3 8 旋转毕达哥拉斯角度的h i l b e r t 空间填充曲线2 8 图3 9 曲线部分关键点重合现象2 9 图3 1 0 旋转的h i l b e r t 空间填充曲线访问路径2 9 图3 1 l 扫描线访问路径生成的网点中心分布及其对应傅立叶频谱图3 1 图3 1 2h i l b e r t 空间填充曲线生成的网点中心分布及其对应傅立叶频谱图3 1 图3 1 3 旋转的h i l b e r t 空间填充曲线生成的网点中心分布及其对应傅立叶频 谱图3 2 图3 1 4 上、下、左、右，左上角的回位3 3 图3 15 补充网点3 3 图4 1 散点集的三角剖分3 6 图4 2d e l a u n a y 三角剖分及与其对偶的v o r o n o i 图3 7 图4 3d e l a u n a y 三角网的空圆特性3 7 图4 4 超三角形4 2 图4 5a v l 树4 3 图4 6 判断点与矢量的关系4 4 图4 7 点与三角形的关系4 4 i v 浙江人学博士学位论文 图目录 图4 8 基于方向搜索点定位过程4 5 图4 9 算法效率比较4 6 图4 1 0v o r o n o i 图法网点填充区域4 7 图4 1 1 中点法网点填充区域：4 7 图5 1 灰度值分析图5 l 图5 2 直接进行灰度填充的灰度统计直方图5 3 图5 3 灰度均匀分配5 4 图5 4 灰度平均分配的算法描述5 5 图5 5 灰度均匀分配后进行灰度填充的灰度统计直方图5 6 图5 6 灰度均匀分配后生成的厌度模板5 6 图5 7 采用不同加网技术的效果对比5 7 图5 8 网点大小不均匀的灰度模板5 8 图5 9 以网点之间的距离为参数的质量评价6 0 图5 1 0 以网点面积为参数的质量评价6 1 图5 1 1 测试用例网点面积直方图( 绿色条为平均值) 6 2 图5 1 2j 下态分布图6 2 图5 1 3 畸形网点一6 3 图5 1 4 网点面积大小均匀化算法的基本流程6 4 图5 1 5 红黑树一6 6 图5 1 6 移动邻接网点中心来改变网点的面积6 7 图5 1 7 均匀化优化效果对比。6 8 图5 1 8 未经优化处理的网屏网点面积分析6 9 图5 1 9 经优化处理的网屏网点面积分析。6 9 图5 2 0 优化处理后的网点面积统计直方图7 0 图5 2 1 均匀化算法加网效果。7 0 图6 1 系统框架图7 2 图6 2 数字加网系统主界面7 3 v 浙江人学博士学位论文表目录 表目录 表1 1 各种数字加网技术产品5 表2 1 调幅加网和调频加网的比较1 5 表3 1 变换函数2 8 表4 1 各种d e l a u n a y 三角网生成算法的时间复杂度一4 0 表4 2 三角网数据存储结构4 1 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 一直以来，国内外印花纺织品在市场上比较流行，而今我国已加入世贸组织， 加快了推进全球经济一体化的进程。我国的贸易将逐步与国际接轨，纺织印染业 技术水平将很快向国际先进技术发展，而印花织物在目前的外贸出口中呈上升趋 势，品种也在不断翻新，销售势头看好。在纺织品印染行业中，印花技术发展比 较迅速，新型的印花技术层出不穷，但是由于传统印花技术具有高效率，低成本 的特点，其地位还是不可代替的。传统印花工艺流程如图1 1 所示： 图1 1 传统印花工艺流程 在整个流程中，发胶片、制网是费时又费钱的一步，分色和加网的质量对打 小样至关重要。如果小样不理想，那么需要重复分色( 调整某套色) 、加网、发 胶片、制网、打小样。并且因为在印花时，两种色叠印得到的第三色，具有很大 的不确定性，所以加网的类型和参数的选择对印花结果至关重要。如果选择不正 确的话，就容易产生莫尔花纹。 在后来发展起来的调频加网技术中，因网点是随机产生的，所以不会产生莫 尔花纹，但在传统印花中，由于其工艺的特殊性，调频加网技术并没有得到广泛 的应用，但在数码印花中却得到了很好的应用。数码印花技术作为- - i 新兴的技 术，把印刷和印染的特性很好地结合起来，使数码印花技术在新的世纪显示出其 无与伦比的性能，在各个领域都大放异彩。但进入2 0 0 6 年后，伴随全球经济贸 浙江 学博t 学位论史 第1 章绪论 易一体化的到来，纺织企业面临着巨大压力和挑战。对内面临纺纵行业生产能力 迅速扩张带来的无序竞争和价格战，使企业利润空间一压再压；对外面临欧美等 国家贸易壁垒的冲击，使企业步履艰难。企业虽然可以通过使用数码印花机柬提 高产品品质，但由于数码印花墨水的成本比较高，速度慢，不能满足大批量生产 的要求；大批量生产还是只能通过传统的印花方法实现。但由于调频加网对设各 及后续工序的要求较高，现在的传统印花仍然普遍使用调幅加网，所以如何避免 莫尔花纹的问题仍然存在。 为r 提高印刷品质量，对加网工艺技术的研究一茸是日j 刷界的重要课题，改 进传统的印花技术对我国的纺织印染q k 将有很大的意义。 1 2 加网技术及其发展历史 1 2 1 加啊技术概述 加网技术也称为半色调技术，是指在仅能输h 洧限颜色的设备上产生视觉 上连续色调图像的技术i “。一般的图像复制设备( 特别是打印输出设备) 的颜色 种类数量较少，并不能实现图像的完全复制，这就要求我们用加网技术去模拟连 续色调图像。加网得到的网目图像与原始连续图像在视觉上是相似的，只耍加网 中的网点足够小，人眼是无法观察到网点的形状的l l i ，如图1 2 所示。 a ) 加网后的网日调图像协局部区域的细协 剀i2 经过加阿得到的嘲日调幽像 浙江大学博上学位论文 第l 章绪论 加网技术是图像复制中最为关键的一步，发展到现在已有上百年的历史。从 早期的照相加网到电子加网，再到现代的数字加网，共经历了三个阶段【2 】。 1 2 2 照相加网 照相加网是指利用网屏对光线的分割作用，将连续调图像分解成大小不同的 网点的网目调图像的方法。所用网屏按照材料的不同可分为玻璃网屏和接触网屏 【3 ，4 1 。照相加网的原理如图1 3 所示。 图1 3 照相加网原理图 感光胶片 将原稿输出胶片的时候，在胶片前面加上一块网屏。由于网屏上的网孔有重 新分配光通量的作用，通过网孔的光束被分成了与原灰度图像相对应的微小部 分，在胶片上形成了与原灰度图像相对应的大小不同的网点，明部相对应的网点 大，暗部相对应的网点小。用这种网点调的胶片去晒网时，就可以把连续色调对 应地转到网版上。印花时，网点大的地方空白小，能透过的色浆少，印出来的色 彩浅；网点小的地方空白大，能透过的色浆多，印出来的色彩浓，这样就可以准 确地反映原稿的连续色调【5 一。 1 2 3 电子加网 电子加网是指将图像信号数字化后经计算机计算处理并转换成网点输出的 新型加网技术，是在电分机出现后并在其中实现加网。其主要有下列方式【7 1 ： ( 1 ) 电子制版雕刻机 以s c a n a g r a v e r ( 19 4 7 年，f a i r c h i l d 公司) 和k l i s c h o g r a p h ( h e l l 公司) 浙江大学博上学位论文第l 章绪论 为代表的雕刻机，根据原稿的密度用雕刻针将网点雕刻在塑料版或金属版上实现 加网。 ( 2 ) 电子束螺旋扫描法 19 6 8 年r j k l e n s c h 用阴极射线管的电子束进行螺旋扫描，得到按面积比变 化的网点，随后进行电子束黑化处理实现图像的加网。 ( 3 ) 电子加网法 电子加网法是在传统照相制版网屏加网的基础上，通过网点的理论解析而发 展起来的。现多用于电子分色机和数字照排系统的加网中，主要有恒等点法和网 点发生器法。 1 2 4 数字加网 数字加网技术是基于人眼的视觉特性和图像的成色特性，利用数学、计算机 等工具，将连续调图像处理后在二值设备或有限灰度级设备上实现图像再现的一 门技术【8 】o 数字加网与前两种加网方法相比较，有以下特点： ( 1 ) 再现性好。它不会因存储、传输等差别而产生图像质量的退化，从而 能准确地再现原图像。 ( 2 ) 适应原稿范围广。因数字加网的网点形状可以用软件进行多种变化， 所以对不同的原稿可以根据需要在不同的阶调处产生不同的网点，易于控制网点 扩大和层次的跳跃，有利于提高印制质量。 ( 3 ) 更多的加网技术。除了传统的调幅、调频加网，还可实现不同的调幅 调频混合加网技术。 数字加网技术已经成为当前图像印前处理中不可或缺的环节【9 ，1 0 1 。就国内而 言，虽然数字加网技术起步较晚，但是近几年来，已经有很多的专业机构投入相 当大的精力从事这方面的研究，同时也取得了一定的成绩1 7 1 。 表1 1 介绍了部分数字加网技术的应用 1 1 , 1 2 】： 4 浙江大学博十学位论文第l 章绪论 表1 1 各种数字加网技术产品 产品名称厂商 加网方式 主要特点输出精度与印刷网线数 网点间隔一定；通过 2 4 0 0 d p i 17 5 1 p i a m l 7 5 网线 a m 改变网点面积表达层 4 8 0 0 d p i 3 0 0 1 p i 次的变化 c o r e用传统的输出精度做 2 4 0 0 d p i 3 0 0 1 p i 富士写真 a m s c i 也e n n 、j g 成高精度网点 12 0 0 d p i 17 5 1 p i 在中间调部位2 4 0 0 d p i 中间调层次粗糙感得 大致对应于4 0 0 1 p i ( 根据 s t a c c a t o克里奥f m 以改善的f m 方式 网点尺寸大小设有线数 提升功能) 在中间调部位2 4 0 0 d p i 中间调层次粗糙感得 大致对应于4 0 0 1 p i ( 根据 r a n d o t x网屏f m 以改善的f m 方式网点尺寸大小设有线数 提升功能) 兼备a m 和f m 的优 点；最小网点的大小 保持不变；高光及暗 2 4 0 0 d p i 大致与 f a i r o t网屏a m f m 混合 调采用f m 表达层 3 0 0 4 0 0 1 p i 对应 次，中间调采用随机 网点 对网点进行梳理和位 2 4 0 0 d p i大致与 s u b l i m a爱克发 a m f m 混合 置的调制，保持网点 2 1 0 3 4 0 1 p i ( 通过线数提 的大小不变升功能能来改变) 考虑网点周长变化的 2 4 0 0 d p i 大致与4 0 0 1 p i 1 a f f e l l a 2 0 寓士写真 f m f m 方式( 没有网线数的概念) 中间调采用粗燥感得没有网线数的概念( 一 s a t i n海德堡 f m 以改善的f m 方式 般可采用2 4 0 0 d p i 输出) 5 浙江人学博上学位论文第l 章绪论 1 3 加网技术的发展趋势 所有的加网技术的发展都是为了提高印刷质量，以满足社会对的需求。由现 阶段加网技术的现状来看，加网速度仍是目前数字加网中待解决的主要问题l l 3 1 。 文献【1 4 】对目前加网中存在的问题做了介绍。除了输出设备的硬件对加网速度有很 大的影响外，加网算法本身的优劣对加网速度的影响也是不可忽视的。解决加网 的速度问题，一方面还要依靠计算机、照排机、栅格图像处理器( r i p ，r a s t e ri m a g e p r o c e s s o r ) 等硬件性能的提高，另一方面还要依靠新算法的应用。 除了加网速度外，如何提高加网的质量也是需要的解决的根本问题。为了提 高加网的质量，很多研究人员提出了很多新的算法，传统加网方式也在不断发展 和完善。除此以外，高保真加网技术也是印刷工业的重要新技术。 一般图像印刷是靠网点来呈现的，在不同的加网技术中，调频加网的网点分 布是无规则的，而摄影的底片、照片中银盐粒子的分布也是无规则的。这样，只 要调频加网中的网点足够小，其印刷品可以充分接近原稿达到高保真的效果。因 此，所谓高保真加网就是使调频加网中的网点达到非常精细和清晰的效果，以便 能精确地得到图像细微层次再现和连续调的图像效果【i5 1 。由于调频加网不受网角 限制，色彩再现范围广，能够产生常规四色分色所无法实现的特殊印刷，并能进 行超四色的多色印刷，从而创造出高保真印刷的效果。随着调频网点进入大规模 工业实验，产生了彩色印刷技术方面的一个新课题，这就是被称为高保真彩色网 点的一项新技术。高保真网点是为调频网点技术设定的新标准。高保真加网技术 是一个纯软件的方法。高保真彩色采用调频网点，超过四色的分色技术，在色彩 再现范围、印刷密度、清晰度和层次等方面与四色加网技术相比都有重大发展【l 6 1 。 但采用高保真印刷会使生产成本增加，对生产工艺的技术要求也很高。目前 高保真印刷还属于研究性阶段，还没有用于商业大规模印刷i l 。 1 4 本文工作与内容安排 本文针对传统的数字加网技术中存在的问题提出了算法，一方面在加网速度 上进行了改进，另一方面对基于随机分布网点中心的加网算法进行了优化。数字 6 浙江大学博上学位论文 第l 章绪论 加网系统的框架结构图如图1 4 所示。其中生成网点中心和网点灰度区域确定这 两个模块可以让用户选择不同的算法进行操作。 数字加网系统 图1 4 数字加网系统框架图 研究的内容和主要结果如下： 改进的三角剖分的逐点插入算法 在传统的印花加网工艺中，逐点插入法是普遍应用的三角剖分算法。因为逐 点插入法具有易实现，占用内存小，支持动态建立三角网等优点。但它的时间复 杂度高，影响了整个加网过程的时间效率。 为了提高加网速度，本文提出了一种改进的三角剖分逐点插入算法。传统的 逐点插入算法时间主要耗费在定位三角形上，本文提出一种基于方向搜索技术定 位三角形的新方法，采取方向搜索技术定位三角形，以避免全局搜索，减少了计 算量，达到快速定位插入点所在的三角形的目的，提高了动态插入网点的效率， 7 浙江人学博：l 二学位论文第l 章绪论 从而提高三角网构网效率。 网点的面积大小均匀化算法 为了从根本上避免莫尔花纹现象，根据传统印花工艺的要求，网点的中心分 布一般应该具有较好的随机性。但同时随机分布网点中心也会带来负面的效果， 即容易产生畸形网点，并且由于过于提倡随机性和依赖随机访问路径，导致了最 终网点区域大小的不可控。 文章提出的均匀化算法就是为了解决如何在使用和发挥随机访问路径的优 势的同时，缓解和减轻随机性带来的负面效果。本文利用的是误差扩散的思想， 在处理需要调节的网点时，将该网点面积与平均值的差值扩散到周围网点，使畸 形网点的情况得到改善。 在上述算法的基础上，我们实现了数字加网原型系统。在数字加网过程中， 网点区域的确定以及灰度填充是关键、费时的步骤，因而对它们的优化是整个数 字加网系统研究的重点。 本文的后续章节安排如下：第二章详细介绍印花中的数字加网技术：第三章 介绍如何利用随机抖动的方法来确定网点中心的位置，以避免或减弱莫尔花纹； 第四章介绍确定网点的填充区域的算法；第五章介绍网点区域的灰度填充算法； 第六章介绍原型系统的开发工作；第七章总结全文并展望迸一步的研究工作。 8 浙江大学博 ：学位论文第2 章印花中的数字加网技术 第2 章印花中的数字加网技术 2 1 数字加网技术 加网技术，也称半色调技术是将图像离散为像素图案，用不连续的网点来实 现印刷品上层次的浓淡变化【l 剐。在计算机辅助印花分色系统中，首先通过云纹分 色、云纹提取、云纹生成等手段形成连续色调云纹彩稿或灰度图像，然后利用加 网技术将其转换成二值的半色调图像，由激光照排机输出制成云纹单色片1 9 圳】。 数字加网技术普遍采用加网阈值矩阵来生成网点，加网时首先根据工艺需求 制作一个阈值矩阵，然后将某图像点的灰度值与阈值矩阵相应位置的阈值进行比 较。若图像点灰度值大于或等于矩阵点数值，则在胶片上纪录该点，否则不纪录 该点【2 2 】。图2 1 显示了图像经阈值矩阵加网后生成胶片所用图案的过程。 围像点 1 51 5 1 5 1 5l s 1 8 1 5l51 j1 三 01 515 1 ；l j 1 51 三1 ；：s 1 515 ( a ) 数字图像 l _1 3 二6361 3 9i1 0：l 2 3 832 4 ：5l ： l l 1 1 9 ( b ) 阈值矩阵 ( c ) 胶片结果 图2 1 数字加网 数字加网技术根据加网方式可以归为三类：调幅加网技术、调频加网技术和 调幅调频混合加网技术团, 2 4 1 。 2 1 1 调幅加网技术 在传统的半色调处理中，像素的色调用网点面积的大小来表现：像素的色调 值越高( 亮) ，网点百分比越低；像素的色调值越低( 暗) ，网点百分比越高。从 微观上看，半色调图像是不连续的，但从宏观上，当网点面积发生变化时，根据 光的加色原理，人眼视网膜得到的是网点反射后的综合感觉，即进行半色调处理 9 浙江大学博：f ：学位论文第2 章印花中的数字加网技术 后的图像在人的视网膜中产生的综合效果是颜色和层次的逐渐变化。有研究表 明，当网点频率大于2 0 0 时，肉眼观察到的是有明暗层次变化的画面，而无法观 察到网点的形状。但这种画面的网点只是改变自身的面积，而没有改变网点在单 位面积内发生的数量【5 】，因此称之为调幅网点，使用这种网点的加网技术则被称 之为调幅加网技术( 如图2 2 所示) 。 图2 2 调幅加网 - - - - 调幅加网技术是一种根据灰度级调整网点大小来得到视觉上的连续灰度变 化的加网技术，其在实际应用中有三个重要的参数：网点频率、网点形状和网线 角剧2 5 1 。 2 1 1 1 网点频率 网点频率又称网目线数，它计算单位长度内的网点个数，通常的度量单位是 线数每英寸( 1 p i ) 1 2 6 1 。在印制过程中，网点频率受到印制设备的分辨率( 以每英 寸中所打印的点数来衡量) 和所能表示的灰度级数的限制，这种限制关系为： 每英寸中的线数= 旦鱼邕篱等琶墓篙豪兰竽q j ， 改变网点频率对最终的加网结果有着重要的影响。改变网点频率的加网效果 如图2 3 所示。 2 1 1 2 网点形状 网点形状指的是网点的几何形状，即网点的边缘形态所呈现的几何形态。在 传统的半色调处理过程中，网点形状由相应的网屏结构所决定。不同形状的网点 除了具有各自的表现特征以外，在图像复制过程中还有不同变化规律，会产生不 同的复制效果，并影响复制结果的质量。一般而言，传统加网方法使用的网点形 1 0 淅讧大学博学位论文 第2 章印花中的数字加h 技术 杭有正方形、圆形、等。选用不用的潮点形状进行加网的效果如图2 4 1 2 7 3 所示。 7d ) 图2 3 不同的网点频率的调幅加同教果 柚 图2 4 不同的网点形状的调幅加网效果 新江大学博士学位论文第2 章印花中的羲字加罔拄术 2 1 1 3 网线角度 网线角度是调幅加网技术的最后一个参数，是网点中心连线与水平线的央 角。这个参数的调整依赖于人眼的视觉效果。标准的网线角度是4 5 度( 如图2 1 ) ， 因为这个角度会使得人眼对行的印象变得模糊，这也是大多数黑自图像的网线角 度设在4 5 度的原因。对于不同的网线角度，加网效果如图2 5 1 2 7 1 所示。 图2 5 不同的阿线角度的调幅加同效果 2 1 _ 2 调频加同技术 调频加网是一种非周期性的加网方式。其特征是网点的大小一样，位置随机 分布，其分布的疏密程度，印空间分布频率是图像阶调信息的函数郾】。在输出设 各分辨率有限的情况下，调幅加网技术要表现更多的灰度层次就需要增大网点， 降低加网线数，而网点过大就会导致网点的可见性。而调频加网技术可以通过改 变像素之间的间距，即改变网点分布的疏密程度来表现图像的灰度层次，复制出 更多的图像细节口, 2 9 j 。如图2 6 所示，画面是由若干个非常小的像素( 直径约为 1 0 2 0 微米) 不规则捧列组成。网点越小，越能复制出高质量的阶调、色彩和清 晰度。而且由于调频加网的网点是随机分布，可解决细线的锯齿及断裂等问题， 鞭扛 学博士学位论文 第2 章印花中的教字加月技术 并避免了莫尔花纹口o h 。 圈2 6 调频加阿 灰度图像的调频加网算法种类较多，其中早期b a y e r 和b r y n g d a h l l 3 1 1 提出了 一些与调幅加网相似的调频加网算法，这些方法均用一个阈值矩阵与图像的灰度 值进行比较。随着调频加网的发展，后来出现了二级调频加网等算法。 2 12 1 抖动算法 抖动算法分为有序抖动和随机抖动两种。这两种方法都需要用到一个字模， 该字模通常为方阵的形式，方阵中的每个阈值对应原图像的一个像素。 ( 1 ) 有序抖动 有序抖动的通过比较输 图像与某一阈值矩阵对应元素的大小来决定输出 半色调图像的像素值。有序抖动的优点就是能够有效的减少莫尔花纹的影响，计 算复杂性小：但加网图像的色调不够丰富，容易丢失图像细节嗍。b a y e r 抖动是 有序抖动中具有代表性的方法。 b a y e r 抖动根据一个预先生成的抖动矩阵独立的量化图像中的每个像素，其 抖动矩阵的生成遵循以下的选代方式l ”j w ： d n = 卜钦+ 瓮粉：。4 d , ，| 2 + + d ：2 l 4 d 4 - d 爱黜： ，2 岛( 2 ，1 ) u m4 眈n + 2 ( 乙2 ) 以，2 j 、 其中“32 i , 22 ：虬，z 为单位矩阵所有元素为1 ) ：b2 l ；i l 。 虽然b a y e r 以最小化抖动矩阵内低频成分的出现概率为准则设计抖动矩阵， 运算简单、快速，但b a y e r 抖动的实际应用效果并不理想，所生成半色调含有较 嚣箍；景隰”“+ 栅引”“钔“”“触”僦“ 1 3 浙江大学博：l ：学位论文 第2 章印花中的数字加网技术 强的周期性结构。 ( 2 ) 随机抖动 在随机抖动的方法中，所用的字幕方阵的数值是一个随机产生的数，其范围 在原图像的最小灰度值与最大灰度值之间。其中产生方阵中的随机数的方法有素 数模乘同余法等，不同的随机数生成算法对加网的结果有着不同的影响。不好的 随机数算法会导致点的分布十分不均匀，出现网点不规则聚集的现象。 随机加网的主要优点是有效地减少莫尔花纹的影响，另外随机加网采用了大 量细小的网点来表现图像，能更为精细地复制图像【3 2 】。 2 1 2 2 误差扩散算法 与b a y e r 抖动相比，基于f l o y d 和s t e i n b e r g 的误差扩散算法【8 j ( 如图2 7 ) 则是一种更好的调频加网技术。自从误差扩散算法被提出后，其在图像处理等领 域引起了极大的关注，并成为了当时处理效果最好的加网方法【州。 误差扩散算法的主要思想就是先阈值量化图像像素，然后将量化的误差扩散 到相邻的为处理的像素上。误差法把原图像的每个像素点的灰度值与阈值相比 较，得到一个二值( 0 或1 ) 输出，并在像素点灰度值与阈值相比较产生半色调 点的同时，将像素点的灰度值与阈值之间的误差扩散到该点周围的像素点上，使 该点的半色调化误差在最终的结果中表现不明显1 3 5 3 7 】。 图2 7 误差扩散算法流程 1 4 0 浙江大学博上学位论文第2 章印花中的数字加网技术 2 1 2 3 基于二次调频加网的加网算法 随着加网技术的发展，调频加网可分为一级调频加网和二级调频加网。次调 频加网只是使用随机算法，将原本单位面积里的网点充分打散，所以在中间调的 地方( 5 0 的平网处) 产生重复的几率很大。当多个色版的中间调相互叠加时， 就会产生像水波样的条纹。针对这个想象，可以将完全打散的调频网点先进行一 次重组，然后再次打散，就得到了所需要的二次调频网点。二次调频加网在重组 网点时将相邻的小网点链接起来，大大减少了网点的总周长，使得网点扩大变得 容易控制【1 5 j 。 2 1 3 调幅加网技术和调频加网技术的优缺点 利用评价加网图像的质量的若干指标，对调幅加网和调频加网两种方法进行 了比较( 如表2 1 所示) 。由表2 1 可以看出，调幅加网和调频加网各有其优缺点。 表2 1 调幅加网和调频加网的比较 调幅加网调频加网 细微层次的表达+ 平滑的中间调+ 网点扩大( d o tg a i n )+