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Die
Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Rasterung von Bilddaten
in der elektronischen Reproduktionstechnik und betrifft ein Verfahren
zur Modellierung von Aufzeichnungspunkten, die bei der Aufzeichnung
eines Druckrasters verwendet werden. Die Bilddaten beschreiben den
Inhalt einer Druckseite bzw. eines Druckbogens, auf dem mehrere
Druckseiten zusammengefasst sind. Die Druckseiten enthalten Bilder,
Texte und grafische Elemente, deren Bilddaten zuvor in einem elektronischen
System zur Erstellung und Bearbeitung von Druckseiten nach Maßgabe eines
Layouts zusammengestellt worden sind.
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Beim
Mehrfarbendruck werden die zu reproduzierenden Bilddaten im allgemeinen
in den vier Druckfarben Cyan, Magenta, Gelb und Schwarz (CMYK) gedruckt.
Die Originale der Bilder werden beispielsweise in einem Farbscanner
punkt- und zeilenweise, optoelektronisch abgetastet, um für jeden
abgetasteten Bildpunkt die Farbanteile Rot, Grün und Blau (RGB) als Farbwerte
zu gewinnen. Die Farbwerte eines abgetasteten Farbbildes werden
dann durch eine Farbkorrekturrechnung in die Farbauszugswerte für die Farbauszüge Cyan,
Magenta, Gelb und Schwarz (CMYK) umgerechnet. Nach der Umrechnung
stehen für
jeden Bildpunkt vier Farbauszugswerte als Tonwerte im Wertebereich
von 0 bis 100% zur Verfügung.
Die Farbauszugswerte sind ein Maß für die Farbdichten, mit denen
die vier Druckfarben CMYK auf dem Bedruckstoff gedruckt werden.
In Sonderfällen,
bei denen außer
den Druckfarben CMYK noch weitere Sonderdruckfarben (Schmuckfarben)
gedruckt werden, ist die Farbe jedes Bildpunktes durch so viele
Farbauszugswerte gekennzeichnet, wie es Druckfarben gibt. Die Farbauszugswerte
können
z.B. mit 8 bit je Bildpunkt und Druckfarbe digital codiert sein, womit
der Tonwertebereich von 0 bis 100% in 256 Tonwertstufen unterteilt
ist.
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Neben
Bilddaten für
Farbbilder entstehen bei der elektronischen Herstellung von Druckseiten
auch Bilddaten für
Texte und für
grafische Elemente, die zusammen mit den Bildern nach den Vorgaben
eines Layouts zu den Bilddaten für
ganze Druckseiten kombiniert werden. Die Daten mehrerer Druckseiten
werden schließlich
zu den Bilddaten für
einen Druckbogen montiert. Diese Druckbogendaten werden ebenfalls
als Farbauszugswerte für
die Ausgabe oder Zwischenspeicherung bereit gestellt.
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Unterschiedliche
Tonwerte eines zu reproduzierenden Farbauszugs lassen sich im Druck
nur durch eine Flächenmodulation
der aufgetragenen Druckfarben, d.h. durch eine Rasterung, wiedergeben.
Dazu werden beispielsweise für
den Offsetdruck mit Hilfe der Farbauszugswerte CMYK vier gerasterte
Farbauszüge
für die
Druckfarben Cyan, Magenta, Gelb und Schwarz in einem Farbauszugsbelichter,
auch Recorder oder Imagesetter genannt, punkt- und zeilenweise auf
einem Aufzeichnungsmaterial belichtet. Das Aufzeichnungsmaterial
kann ein lithografischer Film sein, mit dem später in einem fotografischen
Umkopierverfahren Druckplatten hergestellt werden, oder es werden
im Belichter direkt die Druckplatten belichtet. Die Druckplattenbelichtung
kann auch in eine Druckmaschine integriert sein. Die gerasterten
Farbauszüge
dienen als Druckformen für
den Mehrfarbendruck. In der Druckmaschine erfolgt dann der Übereinanderdruck
der unterschiedlich eingefärbten
gerasterten Druckformen zu einer mehrfarbigen Reproduktion. Es gibt
auch digitale Druckmaschinen, die die gerasterten Farbauszugsdaten
ohne die Verwendung einer Druckplatte unmittelbar auf den Bedruckstoff
aufzeichnen, z.B. mit einem elektrofotografischen oder einem Tintenstrahl-Druckverfahren.
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Für die Flächenmodulation
der Druckfarben sind Verfahren zur Punktrasterung bekannt, bei denen
die verschiedenen Tonwerte der Farbauszugsdaten in Rasterpunkte
unterschiedlicher Größe umgewandelt
werden. Die Rasterpunkte sind in Rasterzellen angeordnet, die die
Fläche
der Bilddaten in zwei orthogonalen Richtungen regelmäßig unterteilen.
Die Rasterzellen sind sehr klein, beispielsweise sind es quadratische
Rasterzellen mit 1/60 cm Seitenlänge
(Rasterweite), so dass die gedruckten Rasterpunkte vom Auge beim
Betrachten des fertigen Druckprodukts wieder zu kontinuierlichen
Tonwerten integriert werden. Durch den Übereinanderdruck der periodisch
angeordneten Rasterpunkte können
störende
Moiréstrukturen
im Druck auftreten. Um solche Strukturen zu minimieren, werden die
Punktraster der vier Druckfarben unter verschiedenen Rasterwinkeln
angeordnet, z.B. unter den Rasterwinkeln 0, 15, 45 und 75 Grad.
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Bei
den bekannten Verfahren der Punktrasterung wird der Rasterpunkt
in einer Rasterzelle in der Regel mittels einer Schwellwertmatrix
erzeugt. Die Aufzeichnungsfläche
ist in Aufzeichnungspunkte aufgelöst, die um eine Größenordnung
kleiner als die Rasterpunkte sind. Die Aufzeichnungspunkte haben
beispielsweise eine Größe von 1/1000
cm Seitenlänge.
Die Schwellwertmatrix umfasst die Fläche einer oder mehrerer Rasterzellen
und enthält
für jeden
Aufzeichnungspunkt innerhalb dieser Fläche einen Schwellwert. Bei
der Aufzeichnung der Farbauszüge
werden die Rasterpunkte in den einzelnen Rasterzellen aus Aufzeichnungspunkten
zusammengesetzt. Die Entscheidung, ob ein Aufzeichnungspunkt als
Teil eines Rasterpunktes aufzuzeichnen ist oder nicht, wird durch
einen Vergleich der Tonwerte der Farbauszugsdaten mit den Schwellwerten
der Schwellwertmatrix am Ort des jeweiligen Aufzeichnungspunktes
getroffen, wodurch die Tonwerte in hochaufgelöste Binärwerte mit nur zwei Helligkeitswerten
umgewandelt werden, die das Muster des modulierten Punktrasters
bilden. Die beiden Helligkeitswerte geben an, ob der betreffende
Aufzeichnungspunkt aufgezeichnet bzw. nicht aufgezeichnet wird.
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Mit
den bekannten Punktrasterverfahren können Rastersysteme mit beliebigen
Rasterweiten und Rasterwinkeln und sehr guter Reproduktionsqualität erzeugt
werden. Es hat sich jedoch in der Praxis als schwierig erwiesen,
für alle
möglichen
Anwendungsfälle
Rastersysteme zu finden, die kein Moiré aufweisen. Solche besonderen
Anwendungsfälle
sind gegeben, wenn mehr als vier Druckfarben übereinander gedruckt werden
sollen oder wenn das Punktraster mit feinen Mustern des Bildinhalts,
z.B. einem Textilmuster, störende
Moiréstrukturen
erzeugt.
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Alternativ
zum Punktrasterverfahren, das auch als amplitudenmodulierte Rasterung
bezeichnet wird, kann die Flächenmodulation
der Druckfarben auch nach einer frequenzmodulierten Rasterung (Rauschrasterung;
stochastische Rasterung) erfolgen, bei der die Tonwerte der Farbauszugsdaten
durch eine Anordnung von kleinen in der Regel gleichgroßen Aufzeichnungspunkten
wiedergegeben werden, die in der Aufzeichnungsfläche zufällig aber doch möglichst
gleichmäßig verteilt
sind. Die Anzahl der Aufzeichnungspunkte je Flächeneinheit bestimmt den reproduzierten
Tonwert.
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Auch
bei vielen Verfahren der frequenzmodulierten Rasterung wird die
Entscheidung, ob ein Aufzeichnungspunkt aufgezeichnet werden soll
oder nicht, durch den Vergleich der Tonwerte der zu reproduzierenden Bilddaten
mit den Schwellwerten einer Schwellwertmatrix herbeigeführt, die
eine zufällige
Verteilung der Schwellwerte enthält.
Beispielsweise ist die Schwellwertmatrix quadratisch und enthält 256 × 256 Schwellwerte.
Die Schwellwertmatrix wird horizontal und vertikal periodisch wiederholt,
so dass die gesamte Aufzeichnungsfläche lückenlos durch Schwellwertmatrizen überdeckt
ist. Jedem Aufzeichnungspunkt in der Aufzeichnungsfläche ist
somit ein Schwellwert zugeordnet. Bei der Rasterung wird für jeden
Aufzeichnungspunkt ein Tonwert der Farbauszugsdaten mit dem zugeordneten
Schwellwert der Matrix verglichen. Wenn der Tonwert größer als
der Schwellwert ist, wird der Aufzeichnungspunkt aufgezeichnet,
wenn der Tonwert kleiner oder gleich dem Schwellwert ist, wird der
Aufzeichnungspunkt nicht aufgezeichnet. Mit der Erhöhung des
Tonwertes steigt die Zahl der aufgezeichneten Punkte an, bis für den maximalen
Tonwert schließlich
die ganze durch die Schwellwertmatrix abgedeckte Fläche aufgezeichnet
wird. Auf diese Weise wird für
die ganze Druckseite bzw. den ganzen Druckbogen eine Zufallsverteilung
der aufgezeichneten Punkte erzeugt. Aufgrund der Zufallsverteilung
der Aufzeichnungspunkte kann kein Moiré mit regelmäßigen Mustern
des Bildinhalts entstehen. Wenn für jeden der Farbauszüge CMYK
eine andere Verteilung der Schwellwerte in der Schwellwertmatrix
gewählt wird,
entstehen auch keine Moiréstrukturen
durch den Übereinanderdruck
der Farbauszüge.
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Zur
Erzeugung einer geeigneten Zufallsverteilung der Schwellwerte innerhalb
der Schwellwertmatrix sind verschiedene Verfahren bekannt. Dabei
wird angestrebt, für
alle Tonwerte der Bilddaten einerseits eine zufällige Verteilung der Aufzeichnungspunkte
zu erzeugen, andererseits aber eine Verteilung der Aufzeichnungspunkte,
die keine störenden
Muster enthält
und die für
das Auge gleichmäßig genug
erscheint.
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In
der
US 5,111,310 wird
ein Verfahren zur Erzeugung einer Schwellwertmatrix beschrieben,
deren Schwellwertverteilung das Spektrum eines sogenannten blauen
Rauschens hat, d.h. das Spektrum hat keine Anteile bei niedrigen
Frequenzen unterhalb einer Grenzfrequenz. Das bewirkt, dass die
Schwellwertverteilung für
alle Tonwerte visuell angenehme Muster der Aufzeichnungspunkte erzeugt,
die nicht so unruhig wirken wie eine Verteilung mit weißem Rauschen.
Die Verteilung der Schwellwerte wird mit einem iterativen Verfahren konstruiert,
das für
jeden Tonwert das erzeugte Muster der Aufzeichnungspunkte in eine
spektrale Darstellung transformiert, das Spektrum mit einem Filter
nach dem Spektrum des blauen Rauschens formt und dann in ein verändertes
Aufzeichnungsmuster zurücktransformiert.
Aus dem Vergleich des veränderten
Aufzeichnungsmusters mit dem ursprünglichen Aufzeichnungsmuster
wird entschieden, welche Schwellwerte der Schwellwertmatrix verändert werden
müssen,
um dem angestrebten blauen Rauschen näher zu kommen.
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Die
US 5,579,457 offenbart ein
Verfahren zur Erzeugung einer Schwellwertmatrix, bei dem die Matrix in
Teilbereiche aufgeteilt wird und in jeden Teilbereich die Schwellwerte
nach einer zufällig
platzierten Spiralfunktion in die Matrix gefüllt werden. Dadurch werden
Muster der Aufzeichnungspunkte erzeugt, die entlang zufällig verteilter
Spiralarme angeordnet sind. Mit zunehmendem Tonwert kommen weitere
aufgezeichnete Punkte hinzu, die die Lücken in den Spiralarmen auffüllen, d.h.
die Reihenfolge, in der das Aufzeichnungsmuster mit zunehmendem
Tonwert durch weitere aufgezeichnete Punkte ergänzt wird, wird durch die Spiralfunktionen
bestimmt. In dieser Weise entstehen zufällig verteilte gerundete Formen,
die auf das Auge visuell gleichmäßig und
ruhig wirken.
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Einige
Verfahren zur Erzeugung einer Schwellwertmatrix arbeiten mit Filtern,
die auf die mit verschiedenen Tonwerten erzeugten Muster der Aufzeichnungspunkte
angewendet werden, um die Verteilung der Schwellwerte zu optimieren.
Beispielsweise wird mit einem Tiefpassfilter ermittelt, wo in dem
Muster der Aufzeichnungspunkte eine relative Lücke zwischen den Punkten vorhanden
ist, d.h. wo der mittlere Abstand der Aufzeichnungspunkte am größten ist.
An dieser Position wird dann ein nächster Schwellwert platziert,
damit dort bei zunehmendem Tonwert ein weiterer Aufzeichnungspunkt
aufgezeichnet wird, der die Lücke
füllt.
Auf diese Weise wird für
alle Tonwerte eine zufällige
Verteilung der Aufzeichnungspunkte erzeugt, die aber doch vom Auge
als relativ gleichmäßig empfunden
wird. In der unveröffentlichten
DE 10 2004 057 461 ist
ein solches Verfahren beschrieben, bei dem die Verteilung der Schwellwerte
mit zwei Tiefpassfiltern unterschiedlicher Breite und zusätzlich mit
einer Anzahl von Prüfungen
der aufgezeichneten Bitmuster auf das Vorkommen erwünschter
und unerwünschter
Teilmuster optimiert wird. Zum besseren Verständnis der später zu erläutertenden
Erfindung werden die ersten Schritte des in der
DE 10 2004 057 461 beschriebenen
Verfahrens hier kurz skizziert.
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Zunächst wird
eine Schwellwertmatrix für
ein Basisraster mit optimierten Eigenschaften erzeugt. In einer
zweiten Phase wird dann aus dem Basisraster für jede der Druckfarben CMYK
eine separate Schwellwertmatrix erzeugt. Zur Vorbereitung wird ein
zweidimensionales Datenfeld für
die Schwellwertmatrix des Basisrasters angelegt, das aus MX × MY Schwellwerten
besteht, beispielsweise aus 256 × 256 Schwellwerten. 1 zeigt diese Schwellwertmatrix 3 des
Basisrasters. Alle Schwellwertpositionen werden mit dem Mittelwert (MX × MY)/2
vorbelegt, der dem mittleren Tonwert bei einer Flächendeckung
des Rasters von 50% entspricht. Weiterhin werden ein binäres Datenfeld 4 für die spätere Eintragung
schwarzer Punkte und ein binäres
Datenfeld 5 für
die spätere
Eintragung weißer
Punkte angelegt (2).
Beide binären
Datenfelder haben die gleichen Abmessungen MX × MY wie die Schwellwertmatrix 3.
Das binäre
Datenfeld 4 für
schwarze Punkte wird mit dem Binärwert
0 vorbelegt, und das binäre
Datenfeld 5 für
weiße
Punkte wird mit dem Binärwert
1 vorbelegt. Der Binärwert
0 kennzeichnet einen weißen
Punkt und der Binärwert
1 kennzeichnet einen schwarzen Punkt in dem zu erzeugenden Raster
eines Tonwertes. In dem binären
Datenfeld 4 wird das Basisraster beginnend bei 0% für zunehmende
Tonwerte aufgebaut, und in dem binären Datenfeld 5 wird
das Basisraster beginnend bei 100% für abnehmende Tonwerte aufgebaut.
Dabei wird davon ausgegangen, dass bei der Rasterung eines Tonwertes
die Entscheidung für
den Aufzeichnungspunkt nach der Beziehung Tonwert > Schwellwert
=> Aufzeichnungspunkt
schwarz
Tonwert ≤ Schwellwert
=> Aufzeichnungspunkt
weiß (1)getroffen
wird.
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Die
Erzeugung des Basisrasters beginnt mit einer Säphase, in der sogenannte Säpunkte in
die binären Datenfelder 4 und 5 und
in die Schwellwertmatrix 3 eingetragen werden. Schwarze
Säpunkte
sind im Lichterbereich der Tonwerteskala gesetzte schwarze Punkte
mit einer Ausdehnung von beispielsweise 2 × 2 Aufzeichnungspunkten. Weiße Säpunkte sind
entsprechend im Tiefenbereich der Tonwerteskala gesetzte weiße Punkte
mit einer Ausdehnung von 2 × 2
Aufzeichnungspunkten. Zunächst
werden in dem binären
Datenfeld 4 die ersten vier schwarzen Säpunkte an den folgenden Positionen
gesetzt: x = 0,25*MX
+ xoffset y = 0,25*MY + yoffset
x = 0,75*MX + xoffset y = 0,75*MY
+ yoffset
x = 0,75*MX + xoffset y = 0,25*MY + yoffset
x
= 0,25*MX + xoffset y = 0,75*MY + yoffset (2)
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Damit
sich keine symmetrischen Strukturen ergeben, werden die Koordinaten
um jeweils andere zufällige
Offsetwerte xoffset und yoffset verändert, die positiv oder negativ
sein können.
Ebenso werden in dem binären
Datenfeld 5 die ersten vier weißen Säpunkte an den folgenden Positionen
gesetzt: x = 0,5*MX
+ xoffset y = 0,5*MY + yoffset
x = MX + xoffset y = MY + yoffset
x
= MX + xoffset y = 0,5*MY + yoffset
x = 0,5*MX + xoffset y
= MY + yoffset (3)
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3 zeigt die binären Datenfelder 4 und 5 mit
den jeweils ersten vier schwarzen bzw. weißen Säpunkten 6, die zur
Verdeutlichung stark vergrößert eingezeichnet
sind.
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In
der Schwellwertmatrix 3 werden in die Positionen, die vom
ersten schwarzen Säpunkt 6 belegt
sind, die Schwellwerte 0, 1, 2, 3 eingetragen, in die Positionen
des zweiten schwarzen Säpunktes 6 die
Schwellwerte 4, 5, 6, 7 usw.
Für jeden
nachfolgend gesetzten schwarzen Säpunkt 6 werden die
entsprechenden Positionen in der Schwellwertmatrix 3 mit
den nächsten
vier freien Schwellwerten in aufsteigender Reihenfolge belegt. Für den ersten
weißen
Säpunkt 6 werden
die zugehörigen
Positionen in der Schwellwertmatrix 3 mit den Schwellwerten
65535, 65534, 65533, 65532 belegt, für den zweiten weißen Säpunkt 6 mit
den Schwellwerten 65531, 65530, 65529, 65528, usw. Für jeden
nachfolgend gesetzten weißen
Säpunkt 6 werden
die entsprechenden Positionen in der Schwellwertmatrix 3 mit
den nächsten
vier freien Schwellwerten in absteigender Reihenfolge belegt. Allgemein
werden den schwarzen Aufzeichnungspunkten des binären Datenfeldes 4 die zur
Verfügung
stehenden Schwellwerte in aufsteigender Reihenfolge beginnend bei
0 zugeordnet, und den weißen
Aufzeichnungspunkten des binären
Datenfeldes 5 werden die zur Verfügung stehenden Schwellwerte in
absteigender Reihenfolge beginnend bei (MX × MY – 1) zugeordnet.
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Nachdem
die ersten vier schwarzen und die ersten vier weißen Säpunkte 6 in
der beschriebenen Weise gesetzt wurden, wird anschließend im
Wechsel jeweils ein neuer schwarzer Säpunkt 6 und ein neuer
weißer Säpunkt 6 gesetzt,
und die zugehörigen
Positionen in der Schwellwertmatrix 3 werden jeweils mit
den nächsten freien
Schwellwerten aufsteigend bzw. absteigend belegt. Die Lage der neuen
zu setzenden Säpunkte 6 richtet sich
nach dem Ergebnis zweier Tiefpassfilterungen in dem jeweiligen binären Datenfeld 4 bzw. 5.
Dies wird am Beispiel eines neuen zu setzenden schwarzen Säpunktes 6 erläutert. Zunächst wird
das binäre
Datenfeld 4 einer ersten Tiefpassfilterung mit einem zweidimensionalen
breiten Filterkern unterworfen, der beispielsweise 63 × 63 Filterkoeffizienten
umfasst. In dem Filterergebnis werden die Punkte bestimmt, deren
Filterwerte zu den kleinsten 12,5% aller Filterwerte gehören. 4 zeigt das Ergebnis dieser
Aufteilung der Filterwerte, wobei die kleinsten 12,5% der Filterwerte
als weiße
Bereiche dargestellt sind und die übrigen Filterwerte als schraffierter
Bereich. Die weißen
Bereiche kennzeichnen die Gebiete in dem binären Datenfeld 4, die
die größten Lücken zwischen
den bereits gesetzten schwarzen Säpunkten bilden. In eine dieser
Lücken
wird der nächste
Säpunkt 6 gesetzt.
Die genaue Position dafür
wird bestimmt, indem die mit der ersten Tiefpassfilterung ermittelten
Lückenbereiche
einer zweiten Tiefpassfilterung mit einem schmalen Filterkern unterworfen
werden, der beispielsweise 17 × 17
Filterkoeffizienten umfasst. An den Punkt, der das kleinste Filterergebnis
des schmalen Tiefpassfilters aufweist, wird der nächste schwarze
Säpunkt 6 gesetzt.
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Das
breite Tiefpassfilter deckt Unsymmetrien innerhalb des binären Datenfeldes 4 auf,
die bei großen mit
dem gleichen Tonwert gerasterten Flächen als periodische Störungen sichtbar
würden,
mit einer durch die Größe der Schwellwertmatrix 3 bestimmten
Periode. Das schmale Tiefpassfilter erkennt die Stellen im binären Datenfeld 4,
die vom Auge als lokale Unruhe bzw. als restliches Rauschen empfunden
werden. Bevorzugt werden Tiefpassfilter mit einem Gaußförmigen Verlauf
verwendet. 5 zeigt die
Filterfunktionen des breiten und des schmalen Tiefpassfilters im
Vergleich. Bei der Anwendung der Filter wird beachtet, dass die
Schwellwertmatrix 3 später
beim Rastern der Farbauszugsdaten in der Aufzeichnungsfläche 1 periodisch
in alle Richtungen fortgesetzt wird. Wenn Teile des Filterkerns
außerhalb
des binären
Datenfeldes liegen, werden sie deshalb auf die gegenüber liegende
Seite bzw. auf die gegenüber
liegende Ecke des binären
Datenfeldes "umgeklappt".
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Im
Verlauf der Säphase
wird im Wechsel jeweils ein neuer schwarzer Säpunkt 6 im binären Datenfeld 4 und
ein neuer weißer
Säpunkt 6 im
binären
Datenfeld 5 gesetzt, und die zugehörigen Positionen in der Schwellwertmatrix 3 werden
jeweils mit den nächsten
freien Schwellwerten aufsteigend bzw. absteigend belegt. Die Position
eines neuen weißen
Säpunktes 6 wird
ebenfalls in der beschriebenen Weise mittels eines breiten und eines
schmalen Tiefpassfilters bestimmt, die beide auf das binäre Datenfeld 5 angewendet
werden. In dem Filterergebnis des breiten Filters werden die Punkte
bestimmt, deren Filterwerte zu den größten 12,5% aller Filterwerte
gehören.
Die so gekennzeichneten Bereiche bilden die Lücken zwischen den bereits gesetzten weißen Säpunkten 6.
In diesen Lückenbereichen
wird mit dem schmalen Filter nach dem Punkt mit dem größten Filterergebnis
gesucht, an dessen Position der nächste weiße Säpunkt 6 gesetzt wird.
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Während der
Säphase
werden beim Setzen der schwarzen und weißen Säpunkte 6 noch bestimmte Bedingungen
beachtet. Ein neuer Säpunkt 6 wird
zum Beispiel nur dort gesetzt, wo er keinen vorhandenen schwarzen
oder weißen
Säpunkt überlappt,
und wo er einen Mindestabstand zu den bereits vorhandenen Säpunkten
der eigenen Farbe einhält.
An der Sollposition, die durch die Tiefpassfilter bestimmt wurde,
werden die Bedingungen zum Setzen eines Säpunktes 6 überprüft. Je mehr
Säpunkte 6 bereits
vorhanden sind, desto schwieriger wird es, die Bedingungen genau
an der Sollposition zu erfüllen.
Dann wird begonnen, einzelne Punkte an vorhandene Säpunkte 6 anzufügen. Damit
erfolgt der Übergang
zur sogenannten Wachstumsphase. Während der Wachstumsphase werden
die direkten Nachbarpunkte um die Sollposition herum auf das Vorhandensein
bestimmter bevorzugter Bitmuster geprüft, und wenn ein solches Bitmuster
gefunden wird, wird dort der nächste
Säpunkt
gesetzt. Dadurch wird ein Basisraster mit einer Zufallsverteilung
der Aufzeichnungspunkte erzeugt, das bestimmte gewünschte Strukturen
enthält,
die vom Auge als ruhig und angenehm empfunden werden. 6 zeigt das erzeugte Basisraster
bei der Flächendeckung
50%, d.h. wenn die erstellte Schwellwertmatrix 3 zur Rasterung
eines Tonwertes von 50% verwendet wird.
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Bei
dem Verfahren der unveröffentlichten
DE 10 2004 057 461 werden
die Tiefpassfilterungen auf aufgezeichnete Bitmuster angewendet,
die aus quadratischen und lückenlos
aneinander gesetzten schwarzen bzw. weißen Punkten aufgebaut sind.
Dies zeigt die
7 als
vergrößerten Ausschnitt
des Datenfelds
4.
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Solche
Bitmuster aus idealisierten binären
Aufzeichnungspunkten 7 geben jedoch das reale Druckbild eines
im Offsetdruck oder mit einem Tintenstrahl-Druckverfahren aufgezeichneten Druckrasters
nur ungenügend
wieder, da die Form der realen Aufzeichnungspunkte und die in der
Realität
vorhandene Überlappung und
Punktzunahme der Aufzeichnungspunkte bzw. das Verlaufen der Drucktinte
zwischen benachbarten Aufzeichnungspunkten nicht berücksichtigt
werden. Diese Parameter sind abhängig
von der Papierbeschaffenheit sowie von der Deckkraft und Viskosität der Druckfarbe
und haben großen
Einfluss auf das Druckergebnis. Für die Erzeugung einer noch
besseren Verteilung der Schwellwerte wäre es daher vorteilhaft, die
Muster, auf denen die Filteroperationen ausgeführt werden, mittels einer Modellierung
der Aufzeichnungspunkte zu berechnen, die die genannten Effekte
der realen Aufzeichnung berücksichtigt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes
Verfahren zur Erzeugung einer Schwellwertmatrix für die frequenzmodulierte
Rasterung von Bilddaten aufzuzeigen, mit dem die genannten Nachteile
vermieden werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren
löst die
Aufgabe durch die Beschreibung der Aufzeichnungspunkte mittels eines
mathematischen Modells, das die Form und den Dichteverlauf sowie
die Überlappung
der realen Aufzeichnungspunkte des verwendeten Druckverfahrens möglichst
genau annähert.
Auf die unter der Berücksichtigung
des Modells berechneten Belichtungsmuster werden dann die Filteroperationen
der unveröffentlichten
DE 10 2004 057 461 angewendet,
um ein verbessertes Rastersystem zu erzeugen. Darüber hinaus
ermöglicht
das Modell eine realistische Druckbildsimulation und somit bereits
beim Entwurf eines Rastersystems eine bessere Beurteilung der mit
dem Rastersystem zu erwartenden Druckbildqualität.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 die
Schwellwertmatrix des Basisrasters,
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2 zwei
binäre
Datenfelder des Basisrasters,
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3 die
binären
Datenfelder mit den ersten Säpunkten,
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4 das
Filterergebnis eines breiten Tiefpassfilters,
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5 die
Filterfunktionen des breiten und des schmalen Tiefpassfilters,
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6 das
erzeugte Basisraster,
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7 einen
vergrößerten Ausschnitt
des Basisrasters,
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8 einen
Modellpunkt für
den Tintenstrahldruck,
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9 den
Dichteverlauf g(x,y) des Modellpunktes für den Tintenstrahldruck,
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10 einen
binären
Aufzeichnungspunkt,
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11 ein
Rasterdatenfeld
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12 das
Zufließen
von Tintenüberschuss
aus den Nachbarpunkten,
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13 die
Laserbelichtung eines Aufzeichnungspunktes,
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14 einen
Modellpunkt für
den Offsetdruck,
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15 den
Dichteverlauf g(x,y) des Modellpunktes für den Offsetdruck.
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Als
erstes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird eine Modellierung der Aufzeichnungspunkte beschrieben, die
das Verhalten der Tintentropfen bei einem Tintenstrahl-Druckverfahren charakterisiert. 8 zeigt
einen Modellpunkt 8, der eine kreisrunde Grundfläche hat
und der größer als
der binäre
quadratische Aufzeichnungspunkt 7 ist. Der Modellpunkt 8 wird
außerdem
in Berechnungspunkte 9 unterteilt, um ihn in einem digitalen
Berechnungsverfahren verarbeiten zu können. Die Auflösung der
Berechnungspunkte 9 wird beispielsweise viermal oder achtmal
höher gewählt als
die Auflösung
der binären
Aufzeichnungspunkte 7. In 8 ist eine
vierfach höhere
Auflösung
der Berechnungspunkte 9 gezeigt. Innerhalb seiner Grundfläche hat
der Modellpunkt 8 keine konstante optische Dichte, sondern
die optische Dichte hat in der Mitte einen maximalen Wert und nimmt
nach außen
hin ab. Zur Beschreibung des Dichteverlaufs über der Grundfläche des
Modellpunktes 8 wird jedem Berechnungspunkt 9 ein
Funktionswert g(x,y) zugeordnet. 9 veranschaulicht
dies in einer dreidimensionalen Darstellung. 10 zeigt
zum Vergleich den binären
Aufzeichnungspunkt 7 in einer entsprechenden Darstellung.
Für den
Dichteverlauf g(x,y) wird vorzugsweise eine zweidimensionale Gaußfunktion
angenommen.
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Mit
den Konstanten k1 und k2 können
die Werte der Funktion in der Mitte und am Rand des Modellpunktes 8 auf
die typischen Dichtewerte eines realen Aufzeichnungspunktes eingestellt
werden. Für
die Berechnungspunkte 9 auf dem Außenrand des Modellpunktes 8 wird
die Gaußfunktion
noch mit dem relativen Flächenanteil
multipliziert, mit dem der Berechnungspunkt 9 innerhalb
der Grundfläche
des Modellpunktes 8 liegt. Abhängig von der Auflösung des
Druckverfahrens in der x-Richtung bzw. in der y-Richtung können die realen
Aufzeichnungspunkte auch eine längliche
Form haben. Für
diesen Fall wird eine elliptische Grundfläche des Modellpunktes 8 angenommen,
und die zweidimensionale Gaußfunktion
wird entsprechend modifiziert. Anstelle der Gaußfunktion können auch andere Funktionen
verwendet werden, zum Beispiel zweidimensionale Polynomfunktionen.
Die Funktionswerte g(x,y) der Berechnungspunke 9 könnten auch
aus einer mikrodensitometrischen Messung von realen Aufzeichnungspunkten
des Druckverfahrens gewonnen werden.
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Zur
Erzeugung einer Druckbildsimulation für ein Rasterdatenfeld 10 mit
einer bestimmten Flächendeckung
werden die Modellpunkte 8 in dem Rasterdatenfeld 10 an
die gleichen Positionen gesetzt (11) wie nach
dem Stand der Technik die binären
Aufzeichnungspunkte 7 in den binären Datenfeldern 4 bzw. 5,
wobei das Rasterdatenfeld 10 in der Auflösung der Berechnungspunkte 9 berechnet
wird. Dadurch überlappen
sich benachbarte Modellpunkte 8 je nach der Ausdehnung
und Größe der Tintentropfen.
Beispielsweise beträgt
die Auflösung
eines Tintenstrahldrucks 283 Aufzeichnungspunkte/cm (720 dpi) entsprechend
einem Abstand der Aufzeichnungspunkte von 35,27 μm bei einem Durchmesser eines
Aufzeichnungspunktes von 90 μm,
so dass sich ein Aufzeichnungspunkt über 3 × 3 Punktpositionen erstreckt
(8). Das Modell muss deshalb auch beschreiben,
zu welchen Dichtewerten sich die Drucktinte der einzelnen Modellpunkte
8 im Überlappungsbereich addiert
und wie überschüssige Tinte
in der Umgebung der Modellpunkte 8 verläuft. Bevorzugt wird davon ausgegangen,
dass sich die Funktionswerte g1(x,y) und g2(x,y) von benachbarten
Modellpunkten im Überlappungsbereich
zu einer Summendichte Ds addieren, wobei das Ergebnis jedoch auf
die maximal mögliche Schwärzung MaxBlack
begrenzt wird. Ds(x,y)
= Min {g1(x,y) + g2(x,y); MaxBlack} (2)
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Die
maximal mögliche
Schwärzung
MaxBlack hat den Wert 255, wenn die Funktionswerte g1(x,y) bzw. g2(x,y)
und die gesamte Druckbildsimulation mit einer Tonwertauflösung von
8 bit berechnet werden. Beim Tintenstrahldruck beobachtet man, dass
die Tinte zwischen benachbarten Punkten zerfließt. Um diesem Effekt in dem
Modell Rechnung zu tragen, wird zunächst ein Tintenüberschuss
RestInk für
jeden Berechnungspunkt 9 der Druckbildsimulation ermittelt. RestInk(x,y) = Max {g1(x,y)
+ g2(x,y) – MaxBlack;
0} (3)
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Der
für jeden
Berechnungspunkt 9 ermittelte Tintenüberschuss fließt an die
unmittelbar benachbarten Berechnungspunkte 9. Das bedeutet,
dass einem beliebigen Berechnungspunkt 9 bestimmte gewichtete
Anteile der Tintenüberschüsse aus
seinen benachbarten Berechnungspunkten 9 zufließen. Die
Summe SumInk der zufließenden
Anteile ergibt sich zu: SumInk(x,y)
= Σ w(i) × RestInk(xi,yi) (4)
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Bevorzugt
erstreckt sich die Summierung über
alle acht unmittelbar benachbarten Berechnungspunkte a bis h (12),
wobei die Gewichtsfaktoren w(i) umgekehrt proportional zum Abstand
zu den Nachbarpunkten gewählt
werden und die Summe der Gewichtsfaktoren den Wert 1 hat. Damit
gilt für
die Gewichtsfaktoren w(i): w(i) = 1/(2 × (2
+ √2))
für i =
b, d, e, g
w(i) = 1/(2 × √2 × (2 + √2)) für i = a,
c, f, h (5)
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Alternativ
kann sich die Summierung der Tintenüberschüsse auch nur über die
vier Nachbarpunkte b, d, e, g erstrecken (mit w(i) = 1/4), um die
Berechnung zu vereinfachen.
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Schließlich werden
die Summendichte Ds und die Summe SumInk der zufließenden Tintenüberschüsse für jeden
Berechnungspunkt 9 addiert, um eine aus der Überlappung
der Modellpunkte 8 und dem Zerfließen überschüssiger Tinte resultierende
Gesamtdichte Dg zu erhalten. Dg(x,y) = Ds(x,y) + SumInk(x,y) (6)
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Dabei
kann wiederum ein neuer Tintenüberschuss über die
maximal mögliche
Schwärzung
MaxBlack hinaus auftreten, wobei die Gesamtdichte Dg auf MaxBlack
begrenzt werden muss. RestInk'(x,y) = Max{Dg(x,y) – MaxBlack;
0} Dg'(x,y) = Min{Dg(x,y);
MaxBlack} (7)
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Mit
den neuen Werten RestInk'(x,y)
und Dg'(x,y) wird
die Verteilungsrechnung des Tintenüberschusses auf die Nachbarpunkte
wiederholt, wobei drei bis vier Iterationen dieser Berechnung eine
gute Druckbildsimulation des Tintenstrahldrucks ergeben.
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Als
zweites Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird eine Modellierung der Aufzeichnungspunkte beschrieben, die
das Verhalten der Druckpunkte beim Offsetdruck charakterisiert.
Beim Offsetdruck werden zunächst
die Aufzeichnungspunkte, die das gerasterte Druckbild bilden, in
einem Laserbelichter auf eine Druckplatte belichtet. Die belichteten
Aufzeichnungspunkte werden dann in der Druckmaschine mit der Druckfarbe
eingefärbt,
von der Druckplatte auf ein Gummituch übertragen und von dort weiter
als Druckpunkte auf das Papier transferiert.
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Bei
der Belichtung der Druckplatte wird ein fokussierter Laserstrahl über die
Druckplatte bewegt und gesteuert von dem zu belichtenden gerasterten Druckbild
eingeschaltet bzw. ausgeschaltet. 13 zeigt
einen typischen elliptischen Belichtungsfleck 11 des fokussierten
Laserstrahls, der beispielsweise etwas größer ist als ein binärer Aufzeichnungspunkt 7.
Um einen realen Aufzeichnungspunkt zu belichten, wird der Laserstrahl
während
seiner Bewegung in einer ersten Position A eingeschaltet und kurz
danach in einer zweiten Position B wieder ausgeschaltet. Dadurch
entsteht ein Aufzeichnungspunkt, der nicht rund ist sondern eher
eckig. Bevorzugt wird deshalb für
diesen Fall ein Modellpunkt gewählt,
dessen Grundfläche
ein Quadrat mit abgerundeten Ecken ist. 14 zeigt
diesen Modellpunkt 12. Der Modellpunkt 12 ist
ebenfalls in Berechnungspunkte 9 unterteilt, in 14 mit
einer viermal höheren
Auflösung
als die Auflösung
der binären
Aufzeichnungspunkte 7. Innerhalb seiner Grundfläche hat
der Modellpunkt 12 ebenfalls einen Dichteverlauf, der durch
eine Funktion g(x,y) beschrieben wird, vorzugsweise durch eine zweidimensionale
Gaußfunktion. 15 veranschaulicht dies
in einer dreidimensionalen Darstellung. Für die Berechnungspunkte 9 auf
dem Außenrand
des Modellpunktes 12 wird die Gaußfunktion noch mit dem relativen
Flächenanteil
multipliziert, mit dem der Berechnungspunkt 9 innerhalb
der Grundfläche
des Modellpunktes 12 liegt. Abhängig von der Auflösung des
Druckverfahrens in der x-Richtung bzw. in der y-Richtung können die
realen Aufzeichnungspunkte auch eine längliche Form haben. Für diesen
Fall ist die Grundfläche
des Modellpunktes 12 ein Rechteck mit abgerundeten Ecken, und
die Funktion g(x,y) wird entsprechend modifiziert.
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Bei
negativen Druckplatten sind die belichteten Flächen die zu druckenden Flächen, d.h.
die für
die Druckbildsimulation verwendeten Modellpunkte 12 beschreiben
direkt die druckenden Flächen.
Bei positiven Druckplatten sind jedoch die nicht belichteten Flächen die
druckenden Flächen.
Da die belichteten Aufzeichnungspunkte in der Regel größer sind
als die binären Aufzeichnungspunkte 7,
werden die druckenden Flächen entsprechend
kleiner. Für
positive Druckplatten wird dieses Verhalten bei der Druckbildsimulation
berücksichtigt,
indem die Binärdaten
vor der Berechnung der Modellpunkte 12 invertiert werden
und anschließend
das mit den Modellpunkten 12 simulierte Druckbild noch
einmal invertiert wird.
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Zur
Erzeugung der Druckbildsimulation für ein Rasterdatenfeld 10 mit
einer bestimmten Flächendeckung
werden die Modellpunkte 12 in dem Rasterdatenfeld 10 an
die gleichen Positionen gesetzt wie zuvor die binären Aufzeichnungspunkte 7 in
den binären
Datenfeldern 4 bzw. 5. Im Überlappungsbereich von benachbarten
Modellpunkten 12 wird dann die resultierende Dichte Dr
bevorzugt durch die Bildung des Maximalwertes der Funktionswerte
g1(x,y) und g2(x,y) bestimmt. Dr(x,y) = Max{g1(x,y) + g2(x,y)} (8)
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Damit
wird das Verhalten bei der Belichtung der Aufzeichnungspunkte besser
beschrieben als mit einer Addition der Funktionswerte wie im Fall
des Tintenstrahldrucks.
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Beim
Offsetdruck werden die Druckpunkte durch den Transfer der Druckfarbe
von der Druckplatte auf den Gummituchzylinder und von dort weiter
auf das Papier etwas vergrößert. Dies
wird auch als Punktzuwachs bezeichnet. Dadurch ergibt sich eine
Tonwertzunahme der Flächendeckung
in gerasterten Flächen.
Der Punktzuwachs wird bei der Druckbildsimulation modelliert, indem
auf die Dichteverteilung der Berechnungspunkte 9, die sich
nach dem Setzen der Modellpunkte 12 und nach Anwendung
der Gleichung 8 ergibt, mehrfach eine Filteroperation angewendet
wird, mit der eine Dilatation der Modellpunkte 12 bewirkt
wird. In der Praxis genügen
eins bis vier aufeinander folgende Filterungen. Als Dilatationsfilter
wird bevorzugt ein zweidimensionales Filter mit 5 × 5 Filterkoeffizienten
h(u,v) verwendet, die nach einer Gaußfunktion berechnet werden.
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-
Die
folgende Tabelle zeigt ein Beispiel für die Werte der Filterkoeffizienten
h(u,v).
Tabelle
1
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Im
Gegensatz zu einem normalen Tiefpassfilter ist die Summe der Filterkoeffizienten
größer als
1, hier hat sie den Wert 2,3. Das ist die Voraussetzung dafür, dass
das Filter eine Dilatation bewirkt. Mit dem Parameter σ kann die
Breite der Gaußfunktion
verändert
werden, wodurch die Summe der Filterkoeffizienten und damit die
Dilatationsbreite auf einen gewünschten
Wert eingestellt werden kann. Der zentrale Filterkoeffizient h(0,0) hat
dabei immer den Wert 1.
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Da
der Punktzuwachs beim Druck für
die verschiedenen Tonwerte unterschiedlich ist, müssen in
der Druckbildsimulation je nach dem simulierten Tonwert Filter mit
unterschiedlicher Dilatationsbreite, d.h. mit unterschiedlicher
Summe der Filterkoeffizienten, angewendet werden. Die folgende Tabelle
zeigt als Beispiel die benötigten
Koeffizientensummen für
verschiedene Tonwerte.
Tabelle
2
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Der
Punktzuwachs ist auch abhängig
von den Eigenschaften der Druckmaschine und von dem Typ des bedruckten
Papiers, weshalb die Koeffizientensummen der verwendeten Filter
mit diesen Parametern variieren können.
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- 3
- Schwellwertmatrix
- 4
- binäres Datenfeld
für schwarze
Punkte
- 5
- binäres Datenfeld
für weiße Punkte
- 6
- Säpunkt
- 7
- binärer Aufzeichnungspunkt
- 8
- Modellpunkt
für Tintenstrahldruck
- 9
- Berechnungspunkt
- 10
- Rasterdatenfeld
- 11
- Belichtungsfleck
- 12
- Modellpunkt
für Offsetdruck
