Semitono

Izquierda: puntos de mediatona. Bien. Ejemplo de cómo el ojo humano vería los puntos de una distancia suficiente.

Medios tonos es la técnica reprográfica que simula imágenes de tonos continuos mediante el uso de puntos, que varían en tamaño o espaciado, generando así un efecto de degradado. "Medio tono" también se puede utilizar para referirse específicamente a la imagen que se produce mediante este proceso.

Donde las imágenes de tonos continuos contienen una gama infinita de colores o grises, el proceso de medios tonos reduce las reproducciones visuales a una imagen que se imprime con un solo color de tinta, en puntos de diferente tamaño (modulación de ancho de pulso) o espaciado (modulación de frecuencia) o ambos. Esta reproducción se basa en una ilusión óptica básica: cuando los puntos de medios tonos son pequeños, el ojo humano interpreta las áreas estampadas como si fueran tonos suaves. A nivel microscópico, la película fotográfica en blanco y negro revelada también consta de solo dos colores, y no de una gama infinita de tonos continuos. Para más detalles, consulte grano de la película.

Al igual que la fotografía en color evolucionó con la adición de filtros y capas de película, la impresión en color es posible al repetir el proceso de medios tonos para cada color sustractivo, más comúnmente usando lo que se llama el "modelo de color CMYK". La propiedad semiopaca de la tinta permite que los puntos de medios tonos de diferentes colores creen otro efecto óptico: imágenes a todo color.

Historia

La primera foto impresa usando un medio tono en un periódico canadiense, 30 de octubre de 1869

Una postal multicolor (1899) impresa a partir de placas hechas a mano.

Si bien existían procesos de impresión mecánica anteriores que podían imitar el tono y los detalles sutiles de una fotografía, sobre todo el tipo Woodbury, el costo y la practicidad prohibían su uso en la impresión comercial masiva que utilizaba la impresión en relieve.

Anteriormente, la mayoría de las imágenes de los periódicos eran xilografías o grabados en madera hechos de bloques de madera tallados a mano que, aunque a menudo se copiaban de fotografías, se parecían más a bocetos dibujados a mano. Los impresores comerciales querían una forma práctica de reproducir fotografías de manera realista en la página impresa, pero los procesos de impresión mecánica más comunes solo pueden imprimir áreas de tinta o dejar áreas en blanco en el papel y no una gama fotográfica de tonos; solo tinta negra (o de color), o nada. El proceso de medios tonos superó estas limitaciones y se convirtió en el elemento básico de la industria de libros, periódicos y otras publicaciones periódicas.

A William Fox Talbot se le atribuye la idea de la impresión en medios tonos. En una patente de 1852 sugirió el uso de "pantallas o velos fotográficos" en relación con un proceso de huecograbado fotográfico.

Se propusieron varios tipos diferentes de pantallas durante las siguientes décadas. Uno de los primeros intentos fue de William Leggo con su leggotype mientras trabajaba para Canadian Illustrated News. La primera fotografía impresa en medios tonos fue una imagen del Príncipe Arturo publicada el 30 de octubre de 1869. El New York Daily Graphic publicaría más tarde "la primera reproducción de una fotografía con una gama tonal completa en un periódico" el 4 de marzo de 1880 (titulado "A Scene in Shantytown") con una tosca trama de semitonos.

El primer método comercial realmente exitoso fue patentado por Frederic Ives de Filadelfia en 1881. Aunque encontró una manera de dividir la imagen en puntos de distintos tamaños, no utilizó una pantalla. En 1882, el alemán Georg Meisenbach [de] patentó un proceso de medios tonos en Alemania al que denominó autotipo. Su invento se basó en las ideas anteriores de Berchtold y Swan. Usó pantallas de una sola línea que se giraron durante la exposición para producir efectos de líneas cruzadas. Fue el primero en lograr un éxito comercial con semitonos en relieve.

Poco después, Ives, esta vez en colaboración con Louis y Max Levy, mejoró aún más el proceso con la invención y producción comercial de pantallas cruzadas de calidad.

El proceso de medios tonos en relieve demostró ser un éxito casi de inmediato. El uso de bloques de medios tonos en revistas populares se hizo habitual a principios de la década de 1890.

El desarrollo de métodos de impresión de semitonos para litografía parece haber seguido un camino en gran medida independiente. En la década de 1860, A. Hoen & Co. se centró en métodos que permitieran a los artistas manipular los tonos de las piedras de imprenta trabajadas a mano. En la década de 1880, Hoen estaba trabajando en métodos de medios tonos que podían usarse junto con piedras trabajadas a mano o fotolitográficas.

Proyección fotográfica en medios tonos

Antes de las imágenes digitalizadas, se desarrollaron técnicas fotográficas especiales para dividir las imágenes en escala de grises en puntos discretos. El primero de ellos fue "detección" donde se suspendía una pantalla de tejido grueso delante de la placa de la cámara para exponerla, rompiendo la luz entrante en un patrón de puntos a través de una combinación de efectos de interrupción y difracción. Luego, la placa fotográfica podría revelarse utilizando técnicas de fotograbado para crear una placa de impresión.

Otras técnicas utilizaron una "pantalla" consistente en barras paralelas (una regla de Ronchi), que luego se combinó con una segunda exposición con la misma pantalla orientada en otro ángulo. Otro método consistía en exponer a través de una placa de pantalla con líneas cruzadas grabadas en la superficie. Más tarde, se utilizaron pantallas fotográficas de contacto o, a veces, ninguna pantalla en absoluto, exponiendo directamente en una película litográfica (con un contraste extremadamente alto) con un patrón de medios tonos preexpuesto.

Medios tonos tradicionales

Resolución de tramas de medios tonos

La resolución de una pantalla de medios tonos se mide en líneas por pulgada (lpi). Este es el número de líneas de puntos en una pulgada, medido en paralelo con el ángulo de la pantalla. Conocido como regla de pantalla, la resolución de una pantalla se escribe con el sufijo lpi o con una almohadilla; por ejemplo, "150 lpp" o "150#".

Cuanto mayor sea la resolución de píxeles de un archivo de origen, mayor será el detalle que se puede reproducir. Sin embargo, tal aumento también requiere un aumento correspondiente en la regla de pantalla o la salida sufrirá de posterización. Por lo tanto, la resolución del archivo coincide con la resolución de salida. Los puntos no se pueden ver fácilmente a simple vista, pero se pueden distinguir a través de un microscopio o una lupa.

Múltiples pantallas y medios tonos de color

Tres ejemplos de la mediatonización de color moderno con separaciones CMYK. De izquierda a derecha: La separación cian, la separación magenta, la separación amarilla, la separación negra, el patrón combinado de medio tono y finalmente cómo el ojo humano observaría el patrón combinado de medio tono desde una distancia suficiente.

Este cierre de una impresión de medio tono muestra que magenta en la parte superior del amarillo aparece como naranja/rojo, y cyan en la parte superior del amarillo aparece como verde.

Ejemplos de ángulos típicos de pantalla de mediatona CMYK

Pantallas púrpuras utilizadas en impresión offset. Ángulos 90°, 105°, 165°.

Cuando se combinan diferentes pantallas, pueden ocurrir una serie de efectos visuales que distraen, incluidos los bordes que se enfatizan demasiado, así como un patrón muaré. Este problema se puede reducir girando las pantallas entre sí. Este ángulo de pantalla es otra medida común utilizada en la impresión, medida en grados en el sentido de las agujas del reloj desde una línea que corre hacia la izquierda (las 9 en punto son cero grados). Estos ángulos están optimizados para evitar patrones y reducir la superposición, lo que puede hacer que los colores se vean más tenues.

Los medios tonos también se utilizan comúnmente para imprimir imágenes en color. La idea general es la misma, al variar la densidad de los cuatro colores de impresión secundarios, cian, magenta, amarillo y negro (abreviatura CMYK), se puede reproducir cualquier tono en particular.

En este caso, puede ocurrir un problema adicional. En el caso simple, uno podría crear un medio tono usando las mismas técnicas que se usan para imprimir tonos de gris, pero en este caso los diferentes colores de impresión deben permanecer físicamente cerca uno del otro para engañar al ojo y pensar que son un solo color. Para hacer esto, la industria ha estandarizado un conjunto de ángulos conocidos, que dan como resultado que los puntos se conviertan en pequeños círculos o rosetas.

Formas de puntos

Aunque los puntos redondos son los más utilizados, hay muchos tipos de puntos disponibles, cada uno con sus propias características. Se pueden utilizar simultáneamente para evitar el efecto muaré. Generalmente, la forma de punto preferida también depende del método de impresión o de la placa de impresión.

• Puntos redondos: más común, adecuado para imágenes ligeras, especialmente para tonos de piel. Se encuentran en un valor tonal del 70%.
• Puntos elípticos: apropiados para imágenes con muchos objetos. Los puntos elípticos se reúnen en los valores tonales 40% (puntos apuntados) y 60% (lado largo), por lo que hay riesgo de un patrón.
• Puntos cuadrados: mejor para imágenes detalladas, no recomendado para tonos de piel. Las esquinas se encuentran a un valor tonal del 50%. La transición entre los puntos cuadrados a veces puede ser visible al ojo humano.

Medios tonos digitales

Los medios tonos digitales han reemplazado a los medios tonos fotográficos desde la década de 1970 cuando los "generadores de puntos electrónicos" fueron desarrollados para las unidades de grabación de películas vinculadas a los escáneres de tambor en color fabricados por empresas como Crosfield Electronics, Hell y Linotype-Paul.

En la década de 1980, los medios tonos estuvieron disponibles en la nueva generación de grabadoras de papel y película para fotocomponedoras que se habían desarrollado a partir de las "compositoras tipográficas láser" anteriores. A diferencia de los escáneres puros o las máquinas tipográficas puras, las máquinas de composición de imágenes podrían generar todos los elementos de una página, incluidos tipos, fotografías y otros objetos gráficos. Los primeros ejemplos fueron los Linotype Linotronic 300 y 100 ampliamente utilizados, presentados en 1984, que también fueron los primeros en ofrecer PostScript RIP en 1985.

Las primeras impresoras láser de finales de la década de 1970 en adelante también podían generar medios tonos, pero su resolución original de 300 ppp limitaba la resolución de la trama a unos 65 lpp. Esto se mejoró a medida que se introdujeron resoluciones más altas de 600 ppp y superiores, y técnicas de interpolación.

Todos los medios tonos utilizan una dicotomía de alta frecuencia/baja frecuencia. En medios tonos fotográficos, el atributo de baja frecuencia es un área local de la imagen de salida designada como celda de medios tonos. Cada celda de igual tamaño se relaciona con un área correspondiente (tamaño y ubicación) de la imagen de entrada de tono continuo. Dentro de cada celda, el atributo de alta frecuencia es un punto de medio tono de tamaño variable centrado compuesto de tinta o tóner. La relación entre el área con tinta y el área sin tinta de la celda de salida corresponde a la luminancia o nivel de gris de la celda de entrada. Desde una distancia adecuada, el ojo humano promedia tanto el nivel de gris aparente de alta frecuencia aproximado por la proporción dentro de la celda como los cambios aparentes de baja frecuencia en el nivel de gris entre celdas adyacentes igualmente espaciadas y puntos centrados.

Los medios tonos digitales utilizan una imagen rasterizada o un mapa de bits dentro del cual cada elemento o píxel de la imagen monocromática puede estar activado o desactivado, con tinta o sin tinta. En consecuencia, para emular la celda de semitonos fotográfica, la celda de semitonos digital debe contener grupos de píxeles monocromáticos dentro del área de celda del mismo tamaño. La ubicación y el tamaño fijos de estos píxeles monocromáticos comprometen la dicotomía de alta frecuencia/baja frecuencia del método de medios tonos fotográficos. Los puntos de varios píxeles agrupados no pueden "crecer" incrementalmente pero en saltos de un píxel completo. Además, la ubicación de ese píxel está ligeramente descentrada. Para minimizar este compromiso, los píxeles monocromáticos de medios tonos digitales deben ser bastante pequeños, entre 600 y 2540, o más, píxeles por pulgada. Sin embargo, el procesamiento de imágenes digitales también ha permitido algoritmos de tramado más sofisticados para decidir qué píxeles se vuelven negros o blancos, algunos de los cuales producen mejores resultados que los medios tonos digitales. Recientemente también se ha propuesto el medio tono digital basado en algunas herramientas modernas de procesamiento de imágenes, como la difusión no lineal y el cambio estocástico.

Modulación

El método más común para crear pantallas, la modulación de amplitud, produce una cuadrícula regular de puntos que varían en tamaño. El otro método para crear pantallas, la modulación de frecuencia, se utiliza en un proceso también conocido como pantalla estocástica. Ambos métodos de modulación se nombran por analogía con el uso de los términos en telecomunicaciones.

Medios tonos inversos

Imagen original

Imagen borrosa

Imagen descubierta

El semitono inverso o destramado es el proceso de reconstrucción de imágenes de tonos continuos de alta calidad a partir de la versión de semitonos. Los medios tonos inversos son un problema mal planteado porque diferentes imágenes de origen pueden producir la misma imagen de medios tonos. En consecuencia, una imagen de medio tono tiene múltiples reconstrucciones plausibles. Además, la información como los tonos y los detalles se descartan durante los medios tonos y, por lo tanto, se pierden de forma irrecuperable. Debido a la variedad de diferentes patrones de medios tonos, no siempre es obvio qué algoritmo utilizar para obtener la mejor calidad.

Puntos en el cielo debido al aliado espacial causado por medio tono redimensionado a una resolución inferior

Hay muchas situaciones en las que se desea la reconstrucción. Para los artistas, es una tarea desafiante editar imágenes de medios tonos. Incluso modificaciones simples como alterar el brillo generalmente funcionan cambiando los tonos de color. En imágenes de medios tonos, esto requiere además la conservación del patrón regular. Lo mismo se aplica a herramientas más complejas como el retoque. Muchas otras técnicas de procesamiento de imágenes están diseñadas para operar en imágenes de tonos continuos. Por ejemplo, los algoritmos de compresión de imágenes son más eficientes para esas imágenes. Otra razón es el aspecto visual ya que los medios tonos degradan la calidad de una imagen. Los cambios de tono repentinos de la imagen original se eliminan debido a las variaciones de tono limitadas en las imágenes de medios tonos. También puede introducir distorsiones y efectos visuales como patrones muaré. Especialmente cuando se imprime en papel periódico, el patrón de medios tonos se vuelve más visible debido a las propiedades del papel. Al escanear y reimprimir estas imágenes, se enfatizan los patrones muaré. Por lo tanto, reconstruirlos antes de reimprimirlos es importante para proporcionar una calidad razonable.

Filtrado espacial y de frecuencia

Los pasos principales del procedimiento son la eliminación de patrones de medios tonos y la reconstrucción de cambios de tono. Al final, puede ser necesario recuperar detalles para mejorar la calidad de la imagen. Hay muchos algoritmos de medios tonos que se pueden clasificar principalmente en las categorías de tramado ordenado, difusión de errores y métodos basados en optimización. Es importante elegir una estrategia de destramado adecuada, ya que generan diferentes patrones y la mayoría de los algoritmos de medios tonos inversos están diseñados para un tipo particular de patrón. El tiempo es otro criterio de selección porque muchos algoritmos son iterativos y, por lo tanto, bastante lentos.

La forma más sencilla de eliminar los patrones de medios tonos es la aplicación de un filtro de paso bajo, ya sea en el dominio espacial o de frecuencia. Un ejemplo simple es un filtro Gaussiano. Descarta la información de alta frecuencia que desenfoca la imagen y, al mismo tiempo, reduce el patrón de medios tonos. Esto es similar al efecto de desenfoque de nuestros ojos cuando vemos una imagen de medios tonos. En cualquier caso, es importante elegir un ancho de banda adecuado. Un ancho de banda demasiado limitado desenfoca los bordes, mientras que un ancho de banda alto produce una imagen ruidosa porque no elimina el patrón por completo. Debido a esta compensación, no puede reconstruir información de borde razonable.

Se pueden lograr más mejoras con la mejora de bordes. La descomposición de la imagen de medios tonos en su representación de ondículas permite seleccionar información de diferentes bandas de frecuencia. Los bordes generalmente consisten en energía de paso alto. Mediante el uso de la información de paso alto extraída, es posible tratar las áreas alrededor de los bordes de manera diferente para enfatizarlas mientras se mantiene la información de paso bajo entre las regiones uniformes.

Filtrado basado en optimización

Otra posibilidad de medios tonos inversos es el uso de algoritmos de aprendizaje automático basados en redes neuronales artificiales. Estos enfoques basados en el aprendizaje pueden encontrar la técnica de destramado que se acerque lo más posible a la perfecta. La idea es utilizar diferentes estrategias dependiendo de la imagen real de medios tonos. Incluso para diferentes contenidos dentro de una misma imagen, la estrategia debe ser variada. Las redes neuronales convolucionales son adecuadas para tareas como la detección de objetos, lo que permite una detección basada en categorías. Además, pueden realizar la detección de bordes para mejorar los detalles alrededor de las áreas de los bordes. Los resultados se pueden mejorar aún más mediante redes antagónicas generativas. Este tipo de red puede generar contenido artificialmente y recuperar detalles perdidos. Sin embargo, estos métodos están limitados por la calidad y la integridad de los datos de entrenamiento utilizados. Los patrones de medios tonos invisibles que no estaban representados en los datos de entrenamiento son bastante difíciles de eliminar. Además, el proceso de aprendizaje puede llevar algún tiempo. Por el contrario, calcular la imagen de medios tonos inversos es rápido en comparación con otros métodos iterativos porque requiere solo un paso de cálculo.

Tabla de búsqueda

A diferencia de otros enfoques, el método de la tabla de búsqueda no implica ningún filtrado. Funciona calculando una distribución del vecindario para cada píxel en la imagen de medios tonos. La tabla de búsqueda proporciona un valor de tono continuo para un píxel determinado y su distribución. La tabla de búsqueda correspondiente se obtiene antes de utilizar histogramas de imágenes de medios tonos y sus correspondientes originales. Los histogramas proporcionan la distribución antes y después de los medios tonos y permiten aproximar el valor de tono continuo para una distribución específica en la imagen de medios tonos. Para este enfoque, la estrategia de medios tonos debe conocerse de antemano para elegir una tabla de búsqueda adecuada. Además, la tabla debe volver a calcularse para cada nuevo patrón de medios tonos. La generación de la imagen sin pantalla es rápida en comparación con los métodos iterativos porque requiere una búsqueda por píxel.

Grupos académicos de investigación significativos

• Laboratorio de Sistemas de Imágenes Electrónicas en la Universidad Purdue
• Laboratorio de Procesamiento de Señales Embedded en UT Austin