Оценка качества цифрового изображения
Что такое качество и как его оценить
Существует большое количество формулировок, описывающих понятие и смысл слова «качество». Для оценки качества отпечатков, полученных с помощью офисных печатающих устройств (цифрового изображения), было принято следующее определение:
Качество — это совокупность потребительских свойств изображения, проявляющихся при его восприятии и оценке наблюдателем на основе форм зрительных образов, что предполагает наличие в структуре качества не только объективных (физических), но и субъективных свойств.
Иначе говоря:
- качество изображения складывается из набора определенных свойств;
- эти свойства мы как потребители можем наблюдать и оценивать, причём наши оценки одного и того же свойства предмета могут не совпадать;
- свойства можно поделить на две категории: 1 — объективные, определяемые экспериментально приборами; 2 — субъективные, воспринимаемые органами чувств человека индивидуально.
Для оценки качества текстовых и графических изображений, полученных с помощью различных ПУ, разработано два стандарта организации: оценка качества отпечатка и оценка качества печати.
Методики оценки качества печати и отпечатка ЛЭМ (LEM) разработаны таким образом, чтобы учитывать влияние как объективных, так и субъективных свойств. Методики предусматривают получение отпечатков с помощью печати эталонных тест-объектов. Каждый из напечатанных тест-объектов имеет определенный смысл и предназначен либо для инструментального контроля, либо для визуальной оценки. Рассмотрим, чем отличаются эти два документа.
Для оценки качества отпечатка используется один тест-объект. Он может быть отпечатан в любой точке мира на любом ПУ и предоставлен для оценки. Эксперт произведет измерение объективных параметров качества, осмотрит визуально и оценит дефекты и проблемы печати, а также зафиксирует их в протоколе. Но он не сможет сделать вывод или предположение о том, как будет выглядеть такой же тест-объект через 1000 или 5000 (в зависимости от ресурса картриджа) отпечатанных страниц.
Для этого и предназначена методика оценки качества печати. По ней тест-объекты для измерений и визуальной оценки будут печататься с определенной периодичностью, а между ними будут напечатаны тесты 5%-ного заполнения по стандарту ISO 19752. Процедура будет проводиться до полной выработки ресурса картриджа. По окончании проверки эксперт выдаст заключение о качестве от первой и до последней страницы, о стабильности параметров на тираже, определит, сколько тонера уходит на печать 1000 страниц 5%-ного заполнения, сколько уйдет в отработку и эффективность переноса тонера на бумагу.
В обеих методиках методом инструментального контроля определяются:
- оптическая плотность изображения;
- оптическая плотность фона;
- адгезия.
Методом визуального контроля определяются дефекты печати:
- офсет;
- «волна».
И проблемы печати:
- наличие пробелов;
- неоднородность заливки;
- наличие белых точек;
- наличие сателлитов;
- наличие гостинга;
- разрешение печати.
В чем разница между дефектами печати и проблемами печати?
К дефектам печати в методиках отнесены такие параметры (офсет и «волна»), которые являются следствием нарушения электрографического процесса и указывают на неудовлетворительное качество отпечатков и невозможность использования их в работе.
Выявленные проблемы на отпечатках относятся к малозначительным дефектам и указывают на ограничение печати графических объектов, микропечати, печати штрихкодов и т. д. Являются ли выявленные проблемы признаком плохого качества, зависит от задач, предъявляемых к печати. Например, наличие белых точек на отпечатке при домашней печати не станет критичной проблемой, в отличие от тех же проблем на напечатанном коммерческом предложении для клиентов или другом важном документе.
Специалистам, знакомым с этапами электрографического процесса, сформировавшим простейшее представление об устройстве ПУ и физике процессов, будет интересно узнать, как проводится инструментальный контроль. В этой статье мы подробно поговорим о параметрах качества, измеряемых приборами, и принципе работы этих приборов. Напомним, что мы рассматриваем монохромную электрографическую печать.
Параметры качества, определяемые экспериментальным путем (ID, фон, адгезия)
Инструментальное определение выходных параметров изображения позволяет избежать относительности при оценке качества. К параметрам качества, определяемым по показаниям приборов, относятся оптическая плотность изображения (часто в литературе можно встретить аббревиатуру ID, от английского Image Density), оптическая плотность фона (ID незакрашенных участков), адгезия.
Оптическая плотность: определение, ID изображения, фона
луч света. Важной характеристикой этого луча света будет «интенсивность света», которая говорит о том, насколько велика мощность излучения. Интенсивность обозначается буквой I. Луч света попадает на напечатанное изображение, часть света поглощается, а часть света отражается с меньшей интенсивностью.
Под оптической плотностью напечатанного изображения ID понимается десятичный логарифм отношения интенсивностей света, падающего на элемент изображения I₀, и света, отраженного от этого элемента I.
Величина оптической плотности характеризует, насколько сильно напечатанное изображение поглощает свет.
Как это знание может нам помочь при оценке качества? Вспомним, что летом в жаркую погоду не рекомендуется носить черную одежду, так как черный цвет эффективно поглощает излучение. Этот же принцип работает и при измерении ID: чем «чернее» изображение, тем больше света оно поглотит и тем меньше будет интенсивность I отраженного света. А значит, тем выше будет отношение I/Io и тем выше будет значение оптической плотности (рисунок 1).
Из графика видно, что для достижения оптической плотности ID = 1,3 напечатанное изображение должно ослаблять падающий свет примерно в 20 раз.
Рисунок 1. Вид графика y=lg(Io/I). Чем выше отношение Io/I, тем выше значение D
Другими слоdами, оптическая плотность ID характеризует степень «черноты» исследуемых элементов изображения.
Под оптической плотностью фона понимается та же величина ID, только измеряется она на той части отпечатка, где нет изображения. Согласно методике допустимым считается уровень оптической плотности фона IDфон ≤ 0,02. Иными словами, чем меньше на отпечатке микроточек черного цвета, тем ниже показатели фона.
Денситометры, спектрофотометры
Теперь поговорим о том, как измерить оптическую плотность. Для этого нужен прибор, который будет освещать наш тестовый объект лучом света с известными характеристиками, затем детектировать (регистрировать) отраженный от изображения свет, самостоятельно считать значение D, подставляя измеренные значения интенсивностей в формулу для логарифма, и выдавать итоговое значение измерения. Таким прибором в самом общем случае является спектрофотометр [1]. Спектрофотометр может освещать тест-объект как сплошным светом («белым», как от Солнца), который состоит из набора всех длин волн (спектра) от ультрафиолетового до инфракрасного излучения (смотрите рисунок 2), так и отдельными монохромными лучами с определенной длиной волны.
Рисунок 2. Набор длин волн видимого света.
Стоит отметить, что в зависимости от детектируемого сигнала спектрофотометры делятся на устройства, работающие на прохождение и отражение света. В настоящее время при оценке электрографических отпечатков повсеместно используются спектрофотометры, регистрирующие отраженный свет, поэтому именно их мы и рассмотрим [2] (рисунок 3).
Рисунок 3. Принцип денситометрии [3].
Спектрофотометр на отражение работает по следующему принципу (рисунок 4). Сначала луч света проходит через монохроматор — это устройство, которое выделяет одну длину волны среди всего набора длин волн видимого света. Далее уже монохроматический луч попадает на образец (отпечаток). Отраженный от отпечатка свет регистрируется под определенным углом измерительным прибором (детектором). Таким образом измеряется интенсивность I отраженного света, после чего, зная I₀, прибор рассчитывает значение оптической плотности.
Рисунок 4. Принцип работы спектрофотометра
Но как прибор определяет I₀? Для определения интенсивности изначального излучения в современные спектрофотометры встроена белая плашка («стандарт» на рисунке 4). От нее свет отражается и детектируется практически без потерь.
В методиках ЛЭМ (LEM), о которых мы писали выше, используется спектрофотометр-денситометр марки X-Rite Basic, но может использоваться аналогичное оборудование других производителей. Измерения производятся в помещении с нормальными климатическими условиями.
Роль бумаги при измерении оптической плотности
Слой тонерной краски — не единственный объект, на который попадает направленное излучение от денситометра. Проходя через тонерный слой, свет также способен рассеиваться и поглощаться самой бумагой, причем эти процессы будут зависеть от плотности и состава бумаги, который может сильно различаться у разных типов бумаги.
Важным фактором является наличие в составе бумаги так называемых OBA — Optical Brightening Agents — высветляющих добавок [4].
Рисунок 6. Зависимость коэффициента отражения бумаги с OBA от длины волны падающего излучения. Зеленая линия — эффект падающего дневного света на образец (имитация пасмурной погоды), оранжевая линия — падает весь видимый свет на образец, серая линия — фильтр, обрезающий ультрафиолетовую часть спектра.
За счет этих добавок бумага поглощает видимый свет с длинами волн ниже 400 нм (ультрафиолетовый диапазон). После такого поглощения вещество возбуждается (получает избыточную энергию). Затем вещество снимает возбуждение посредством переизлучения света — флуоресценции. В результате этого наш глаз детектирует совокупность отраженного и флуоресцентного света. В сумме эти два излучения дают эффект «белее белого». Как это влияет на оптическую плотность? Очевидно, бумага с различным составом будет отражать разное количество падающего света, что скажется на итоговой оптической плотности изображения. Поэтому важно унифицировать бумажный материал для исследований качества отпечатка и печати.
Влияние толщины слоя тонера на ID
Существует тесная связь между толщиной красочного слоя и плотностью краски (рисунок 7). Из графика видно, что с увеличением толщины красочного слоя отражательная способность уменьшается, а оптическая плотность растет. График показывает зависимость толщины красочного слоя и оптической плотности для четырех триадных цветов, используемых в офсетной печати [5].
Пунктирная вертикальная линия соответствует стандартной толщине красочного слоя для офсетной печати, равной примерно одному микрометру. Из графика видно, что кривые плотности становятся более пологими только при достижении более высоких значений толщины. Затем при еще большей толщине плотность практически не увеличивается. Даже если вы измеряете емкость, заполненную краской, это значение будет лишь незначительно выше.
Данный график взят из литературы, описывающей исследования в области офсетной печати. Отпечатки, полученные способом электрографического формирования изображения, подчиняются тем же законам и измеряются таким же оборудованием.
Рисунок 7. Зависимость оптической плотности от толщины красочного слоя для четырех триадных цветов
Адгезия, способ определения, приборы
Следующей экспериментальной характеристикой оценки качества является адгезия. Величина адгезии определяет, насколько крепко частицы тонера держатся на поверхности бумаги. Плохая адгезия тонера может приводить к смазыванию изображения, недолговечности отпечатка.
В самом общем случае адгезия — это возникновение связи между поверхностными слоями двух разнородных (твердых или жидких) тел, приведенных в соприкосновение. То есть адгезия — это способность тонера закрепляться на бумаге или другой основе (например, пленке).
Решающее влияние на адгезию оказывает этап закрепления тонера на бумаге в конце электрографического процесса. В современных аппаратах практически повсеместно используется технология термосилового (фьюзерного) закрепления тонера. Схематично этот процесс представлен на рисунке 8 [5].
Рисунок 8. Принципиальная схема фьюзерного устройства: 1 — фьюзерный валик; 2 — прижимной валик; 3 — лампа; 4 — копия
Процесс термосилового закрепления заключается в нагреве фьюзерным валиком (1) частиц тонера до температуры вязкотекучего состояния и последующем вдавливании частиц тонера в бумагу при прохождении ее между фьюзерным и прижимным валиками (1 и 2). То есть при нагреве частицы тонера переходят в вязкотекучее состояние и могут слипаться друг с другом, образуя пленку, которую система из двух валиков вдавливает в поры бумаги. После прохождения между двумя валиками тонер охлаждается до температуры ниже температуры стеклования (по сути, «застывает»), в результате чего тонерное изображение затвердевает. Полученный результат зависит от температуры фьюзерного валика, скорости прохождения отпечатка через валики и ширины зоны контакта с валиками.
Закрепление тонера на бумаге существенно зависит от температуры, материала покрытия фьюзерного валика и состава тонера.
На величину адгезии тонера очень сильно влияет температура стеклования полимера, который использовался при изготовлении тонера. Поэтому при выборе тонера для того или иного печатающего устройства необходимо руководствоваться рекомендациями изготовителя. Для ПУ с высокой скоростью печати (от 40 и более стр./мин) рекомендуются тонеры на основе полиэстерных смол. Для ПУ со скоростью печати менее 40 страниц в минуту используются стиролакриловые сополимеры. Следует отметить, что температура фьюзерного валика всегда должна быть выше температуры плавления тонера. Копия проходит через фьюзерное устройство с высокой скоростью, а чем короче время закрепления, тем меньше тепла успевает передаться от валика к тонеру. Температура фьюзерного валика составляет 140...200 °C.
Адгезиметр
Прибор для измерения адгезии называется адгезиметром. Существуют различные методики оценки прочности покрытий, которые делятся на разрушающие (когда в результате исследования целостность покрытия нарушается) и неразрушающие (целостность сохраняется). В методике ЛЭМ (LEM) используется разрушающий метод оценки адгезии тонера к бумаге. Сущность метода заключается в следующем: тест-объект со 100%-ной заливкой черного подвергается истиранию изображения движущимся механизмом с определенной нагрузкой на лист. Прибор называется адгезиметр. Затем проводится измерение оптической плотности (ID) тонерного изображения до и после истирания поверхности покрытия (рисунок 9) [6].
Рисунок 9. Принципиальная схема адгезиметра [6]. 1 — столик; 2 — образец; 3 — лентопротяжный ролик; 4 — сменные грузы; 5 — головка с лентопротяжным механизмом; 6 — лента стирающего материала; 7 — кассета; 8 — устройство для установления длины хода столика; 9 — шкала.
Величина адгезии определяется как отношение оптической плотности изображения после и до истирания:
На рисунке 9 [6] изображена принципиальная схема одного из видов адгезиметра.
Используемые источники:
[1] https://ru.wikipedia.org/wiki/Спектрофотометр
[2] https://www.publish.ru/articles/199907_4042635
[3] http://www.az-print.com/index.shtml?FAQ&Heidelberg/HD003
[4] ЛАБОРАТОРНЫЙ СПЕКТРОФОТОМЕТР ДЛЯ ВИДИМОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА К.А. Акмаров, Н.П. Белов, Ю.Ю. Смирнов, А.С. Шерстобитова, Е.Ю. Щербакова, А.Д. Яськов
[5] Харин, «Основы цифровой печати»
[6] ГОСТ 20811-75* Материалы лакокрасочные. Методы испытания покрытий на истирание http://www.vashdom.ru/gost/20811-75/