Проектирование технологии печатных процессов для переиздания книжного образца

Реферат

Для воспроизведения цветных оттисков в печати, непрерывное изображение сначала преобразуется в бинарное полутоновое, воспроизводя различные цвета дискретными точками с переменной запечатываемой площадью. Во время печати полутоновых оттисков на бумаге, возникает так называемое растискивание этих точек, которое может иметь физическую или оптическую природу, приводя к заметному потемнению в печати, и бросая вызов моделированию полутонового воспроизведения. Большинство имеющихся моделей основываются на макроскопических цветовых измерениях, усредняющих коэффициент отражения на областях, большего размера относительно растровых точек. Целью данного исследования является попытка выйти за рамки макроскопического подхода, и исследовать полутоновую цветопередачу на микроуровне, используя изображения с высоким разрешением полутоновых оттисков. Экспериментальная система визуализации, сочетающая точность приборов измерения цвета с высоким пространственным разрешением, открывает новые возможности для изучения и анализа полутоновых цветных оттисков. 

Экспериментальное получение изображения предлагает большую гибкость в настройках. Кроме трехцветных RGB фильтров, система также оснащена набором из 7 узкополосных фильтров для многоканальных изображений. Описан ход тщательной калибровки и

характеризации  всех компонентов системы формирования изображения. Спектральная

чувствительность ПЗС-камеры, которая не может быть получена путем прямых измерений, оценивается с помощью наименьших квадратов регрессии. Для восстановления спектрального отражения и колориметрических значений из сигналов устройства, используются два концептуально разных подхода. В модельной характеризации, физическая модель, описывающая процесс получения изображения, инвертируется, для воссоздания спектрального коэффициента отражения с записанного устройством сигнала. В эмпирической характеризации, характеристики отдельных

компонентов игнорируются, и функции выводятся по отношению  к сигналам устройства для набора тестовых цветов к соответствующим колориметрическим и спектральным измерениям, с помощью метода линейных и полиномиальных наименьших квадратов регрессии. 

Микроуровневые  изображения, имея в виду изображения  с высоким разрешением по отношению  к разрешению полутоновых, позволяют  производить измерения как отдельных растровых точек, так и незапечатанной бумаги между ними. Для учета характеристики большого числа растровых точек, вычисляются гистограммы отражения, а также 3D-гистограммы в цветовом пространстве CIEXYZ. Микроскопические измерения показывают, что отражение растровых точек, а также бумаги между ними, не постоянно, а меняется с изменением относительной площади точек. Объединив различные микроотражения в расширенной модели Мюррей-Дэвиса, нелинейность, вызванная оптическим растискиванием, может учитываться без применения нефизического возведения в степень значений отражения, как обычно применяется в модели Юла-Нильсена. 

Благодаря различиям  во внутренней природе, физическое и  оптическое увеличения точек должны рассматриваться отдельно при моделировании  результатов полутоновых оттисков. Тем не менее, в измерениях отражения цветов, физические и оптические увеличения точек всегда сосуществуют, делая их разделение сложной задачей. Различные методы для отделения физического от оптического растискивания оцениваются, используя проверку спектральных отражений, сканирование и микроуровневые изображения. Кроме того, исследуется связь между физическим растискиванием и размером полутоновой точки, показанная с помощью FM-техники для различных разрешений печати. Физическое растискивание указывает на четкую корреляцию размера точки и растискивания пропорционально увеличению разрешения печати. Экспериментальные наблюдения сопровождаются последующим обсуждением и теоретическим объяснением.

Глава 1

1 Введение

1.1 Введение

1.2 Предпосылки

1.3 Цель исследования

1.4 Метод

1.5 Структура  работы

1.1 Введение

Целью данной работы является анализ полутоновых оттисков высоким разрешением. Это включает в себя характеризацию экспериментальной системы визуализации для получения колориметрических и мультиспектральных изображений. Сочетание точности устройств измерения цвета с высоким пространственным разрешением открывает новые возможности для изучения и анализа полутоновых цветных оттисков, позволяющие измерять отдельные растровые точки и незапечатанные участки бумаги. Анализ высокого разрешения открывает свойства полутоновых цветных отпечатков, которые не могут быть получены традиционными макроскопическими измерениями. 

1.2 Предпосылки

Полутоновая цветопередача, то воспроизведение различных цветов дискретными точками различной площади, на сегодняшний день является наиболее распространенным способом получения цветных изображений в печати. На полутоновых оттисках обычно имеют место физические и оптические приращения размера точек, в результате чего происходит увеличение тоновой составляющей, бросая вызов моделированию полутоновой цветопередаче. Физическое растискивание тесно связано с печатным процессом, и имеет отношение к тому, что размер печатных растровых точек отличается от их номинального размера. Оптическое растискивание вызывается рассеянием света внутри субстрата, в результате чего свет многократно отражается между различными хроматичными участками, образуя воспринимаемую или измеряемую точку размером большим ее физического размера. Благодаря различиям во внутренней природе, физические и оптические увеличения точек должны рассматриваться отдельно, чтобы точно смоделировать результат полутоновых отпечатков. Тем не менее, в отражении измерения полутоновых оттисков, физические и оптические растискивания всегда сосуществуют, делая разделение одного вида от другого сложной задачей. 
 

Многие модели прогнозирования цвета с полутоновых  отпечатков предлагались,

начиная с 1930-х. Задача трудная, главным образом  из-за сосуществования физического  и оптического растискивания. Большинство имеющихся моделей базируются на макроскопических измерениях цвета. Как правило, спектральный коэффициент отражения и колориметрические значения CIEXYZ или CIELAB измеряются путем усреднения отражения по области, которая велика по отношению к размеру растровых точек. Такие макроскопические измерения хорошо соответствуют представлению цвета на нормальном расстоянии просмотра, но не раскрывают основные микроструктуры автотипии. 

Практическая  задача для лучшего понимания и описания физического и оптического растискивания, заключается в возможности прогнозировать и учитывать эффекты с целью улучшения качества печати. Микроскопические представления отпечатков позволят изучать микроструктуру полутоновой печати в деталях. Цветные изображения, как правило, получаются в аппаратно-зависимом формате, характерном для отдельного изобразительного устройства. При анализе полутоновых цветных оттисков есть

необходимость точного отображения аппаратно-независимого цвета, предпочтительно колориметрического представления CIEXYZ и CIELAB. Функции, описывающие такие

отображения выводятся  во время процесса устройства характеризации. Однако, так как

чувствительности  типичных устройств обработки изображений отличаются от соответствующих CIE функций цвета, эти отношения, как правило, не тривиальны. 

Даже тогда, когда  точные преобразования к аппаратно-независимым  колориметрическим

представлениям  могут быть получены, колориметрическое  представление до сих пор страдает от некоторых ограничений. Колориметрический подход по своей природе всегда метамерный, т.е. на основе метамерного соответствия, а не спектрального соответствия. При чувствительности устройства обработки изображений отличного от соответствующих CIE функций цвета, два изображения, которые метамерно одинаковы для визуализации устройства могут выглядеть иначе для человека наблюдатели. Таким образом, идеальным будет представление цвета его спектральным распределением мощности, используя мультиспектральное отображение. Мультиспектральное отображение позволяет разделять спектральные свойства объекта от освещения, тем самым представляя цвет по его спектральной отражающей способности. Как и физическое представление цвета, спектральный коэффициент отражения не зависит от характеристик системы получения изображений, и мультиспектральные изображения могут трансформироваться в любом цветовом пространстве и описываться при любом освещении. 

1.3 Цель исследования

Целью данного  исследования является анализ полутоновых  оттисков при помощи высокого разрешения, это попытка выйти за пределы макроскопического подхода и изучить полутоновые цветные отпечатки на микроуровне с использованием изображений высокого разрешения. Такой подход требует высокого качества получения колориметрических и мультиспектральных изображений. Для получения колориметрических и мультиспектральных изображений необходимы точные методы для вычисления колориметрических и спектральных данных составленных из аппаратно-зависимых сигналов. 

Мультиспектральное  получение изображения, то есть восстановление спектральных свойств образца, требует вычисления спектральных данных отражения относительно небольшого числа каналов. Эта работа будет стремиться дать ответ на то, какая степень колориметрической и спектральной точности может быть достигнута, объединяя знания всех частей системы, тщательную калибровку, и используя различные методы для характеризации устройства. Является ли обычный трехцветный принцип получения изображения достаточным, или необходимо многоканальное представление, чтобы достичь удовлетворительной колориметрической и спектральной точности? Может ли пространственное разрешение цифровых изображений применяться в сочетании со спектральным разрешением измерительных приборов цвета для обеспечения точности колориметрических и спектральных измерений в каждом пикселе изображения? 

Кроме того, целью  является использование таких изображений  для анализа высокого разрешения полутоновых печатных изданий. Могут  ли микроскопические измерения раскрывать характеристики и свойства полутоновых  оттисков, не обнаруженные в макроскопических измерениях цвета, что может помочь в получении лучшего понимания полутоновой цветопередачи? 

Система получения  изображения, которая используется в экспериментальной системе  с большой гибкостью, предоставляет  множество способов управления и изменения установки вывода изображения. Кроме обычных трехцветных RGB фильтров, система также дает возможность применения многоканальных изображений с помощью семи узкополосных фильтров. Для обеспечения стабильности и повторяемости, осуществляется тщательная калибровка системы получения изображения. Все компоненты системы, участвующие в получении изображения, калибруются по отношению к повторяемости, пространственной однородности и временной стабильности. Спектральная чувствительность камеры, которая не может быть получена путем прямого измерения, оценивается отношением реакции камеры на спектральный коэффициент отражения набора тщательно отобранных цветных образцов. 

Для получения  соответствия колориметрических и  спектральных представлений, используются два концептуально различных подхода: на основе модели и эмпирическая характеристика. В модельной характеристике, физическая модель, описывающая процесс получения изображения инвертируется, для реконструкции спектрального отражения от записанного камерой сигнала. Априорное знание о гладкой природе спектрального отражения используется с целью представления спектра в виде линейной комбинации различных основных функций. Эмпирическая характеризация устройства является «черным ящиком», при этом игнорируются характеристики системы. Функции характеризации выводятся отношением отклика устройства для набора тестовых цветов к колориметрическим и спектральным измерениям с использованием линейной и полиномиальной регрессии наименьших квадратов. 

После калибровки и характеризации устройства, применяется экспериментальная система сбора изображения для получения микромасштабных изображений полутоновых цветных оттисков. Микромасштабные изображения, относящиеся к изображениям с высоким разрешением сравнительно с разрешением печати, позволяют проводить измерения отдельных растровых точек, а также бумаги между ними. Основное внимание в исследованиях концентрируется на том, как микроотражение растровых точек и бумаги между ними (которые в большинстве моделей принимаются за постоянную величину) варьируется в зависимости от относительной площади точки. Для учета характеристики большего числа растровых точек вычисляются гистограммы отражения, а также 3D гистограммы в цветовом пространстве CIEXYZ. 

Для оценки физической площади точки, разделяющей физическое и оптическое растискивание, описаны и оценены три различных способа. Физическое растискивание оценивается спектральными измерениями отражения, полученными из снимков планшетного сканера и микроскопических изображений отпечатков. 

Первая часть  работы, главы 2, 3 и 4, содержит краткий  теоретический

обзор концепции  и методов, используемых в поставленной задаче. В главе 2 представлен

экскурс в науку  о цвете, в том числе краткое  введение в колориметрию, цветовые

измерения и цветовоспроизведение. Также приведен принцип мультиспектрального воспроизведения. Глава 3 посвящена характеризации устройств, описанию различных

подходов и  терминов, связанных с этой темой. Она также содержит описание метода регрессии по наименьшим квадратам, который используются в следующих главах. Глава 4 содержит краткое введение в полутоновое цветовоспроизведение, вводит понятия цифрового репродуцирования и растискивания, а также включает в себя обзор моделей прогнозирования результатов на полутоновых оттисках. 

Вторая часть  работы, главы от 5 до 7, фокусируется на колориметрических и

мультиспектральных системах получения изображений, описывая калибровку и характеризацию экспериментальной системы обработки изображений. В главе 5 вводится система получения изображений и описывается оценка функции спектральной чувствительности камеры. Связывая сигналы, поступающие от камеры со спектральным коэффициентом отражения для набора тщательно подобранных цветов, оценивается функция чувствительности камеры методом наименьших квадратов регрессии. Модельный подход для реконструкции спектрального отражения, инвертирующий спектральную модель получения изображений, описывается в главе 6. Мультиспектральные изображения вычисляются из трехцветных и многоканальных изображений. Глава также включает в себя обсуждение соответствующих метрик для оценки реконструированного спектра. Результаты эмпирического подхода, с использованием регрессионных характеристик для колориметрических и спектральных реконструкций, приведены в главе 7. Также, испытаны различные качества реконструкции спектральных и колориметрических данных из трехцветных и многоканальных изображений. 

Третья часть, главы 8 и 9, основное внимание уделяет  изучению полутоновых цветных оттисков. В главе 8, система получения изображения используется для получения микромасштабных изображений, применяемых для исследования высоким разрешением полутоновых отпечатков. Микромасштабные изображения позволяют измерять отдельные растровые точки и анализировать то, как отражение для растровых точек и бумаги между ними, зависит от относительной площади точки. Глава 9 исследует различные методы оценки физического растискивания в цветопередаче, включая задачу, которая требует разделения физического и оптического растискивания. Затем исследуется связь между физическим растискиванием и размером полутоновой точки, иллюстрируя это техникой FM при различных разрешениях печати. 

Наконец, в главе 10 приводится краткий отчет о работе и ее плоды, а также предложены некоторые идеи относительно направления будущей деятельности.

Результаты, которые  не являлись необходимыми для обсуждения, помещены в приложениях. Калибровка системы получения изображений описана в Приложении А.

Технические характеристики приведены для всех компонентов системы, наряду с результатами измерений и обсуждением требований к каждому компоненту для высокого качества изображений. Приложение Б содержит дополнительные данные из регрессионной характеристики главы 7, в том числе эксперименты по влиянию размера

обучающей выборки  и выполнения производных функций применительно к цветным

образцам различных носителей и красителям. Приложение C собирает некоторые дополнительные результаты от предварительного исследования, основанного на идеях, представленных в главе 8. 

Основы цвета

2.1 Введение

2.2 Колориметрия

2.3 Измерения  цвета

2.4 Цветовоспроизведение

2.5 Мультиспектральное  воспроизведение 

2.1 Введение

Явление цвета  представляет собой сложное визуальное ощущение, связанное с физическими  свойствами света, а также физиологическими и психологическими особенностями человека-наблюдателя. В этой главе дается краткое описание основ цветовой науки. Нет необходимости изучать полностью эту сложную тему, достаточно отметить главные принципы, которые в большинстве случаев состоят из упрощений. Цель заключается в предоставлении необходимых сведений, а также определений и терминов для понимания подходов, используемых в этой работе.

Существует ряд  учебников с более глубоким исследованием  областей, посвященных каждой из различных  тем, описанных в этой главе. Например, Kaiser & Boynton (1996)

для человеческого  цветного зрения, Хант (1998) для измерений  цвета, Field (1999) и Hunt

(1995) для цветовоспроизведения, Sharma (2004) для управления цветом и Wyszecki &

Stiles (2000) для всеобъемлющей работы над понятиями и определениями в науке о цвете. 

2.2 Колориметрия

Колориметрия  это наука об измерении, представлении, и вычислении цвета способами, которые  учитывают взаимодействие между  физическими аспектами цвета  и физиологическими аспектами человеческого  зрения. Основы колориметрии представляют собой набор стандартов, определенных Международной Комиссией по Освещению (CIE), главной организацией по стандартизации цветовых показателей и терминологии. 

2.2.1 Свет, поверхности  и наблюдатели

Основной, физический стимул цвета выступает в виде электромагнитного излучения в видимом диапазоне спектра и, которое обычно называется светом. Видимый диапазон спектра, как правило, определяется длинами волн примерно от 380 до 780 нм (Hunt, 1998).

Ниже видимого диапазона лежит ультрафиолетовая область излучения, а выше видимого диапазона - инфракрасная область. Свойства света физически характеризуются их спектральным распределением энергии (Spectral Power Distribution, SPD), то есть распределением энергии в зависимости от длины волны. 

Цвет объекта  зависит от свойств спектрального отражения, т.е. от количества падающего света, который отразился от освещаемого объекта на различных длинах волн. Если представить спектральную яркость источника освещения как I (λ) и спектральный коэффициент отражения объекта как R (λ), то излучение, отраженное от объекта, E (λ)

определится по формуле: 

E(λ ) = I (λ )R(λ) 

Это спектральное взаимодействие света и поверхностей определяет основу для всего описания цвета. Тем не менее, хотя спектральное распределения мощности, E(λ),

характеризует свойства цвета источника излучения  и объекта, свет сам по себе не имеет  цвета, если не наблюдается человеком, который преобразует спектральные характеристики света в цветовые ощущения, см. Рисунок 2.1. 

Когда свет достигает человеческого глаза, он улавливается двумя разными видами световых сенсорных клеток, отвечающих за человеческое зрение: палочками и колбочками. Информация далее обрабатывается нервной системой и мозгом в зрительное ощущение цвета. Палочки по своей природе монохроматичны, ответственны за ночное (скотопическое) зрение и не приспособлены к цветному зрению. Ощущения цветов трех различных видов колбочек, обычно обозначаемых L, M и S колбочками, представляют фотопическое зрение при средних уровнях естественного света. Три вида колбочек, чувствительных к свету на длинных, средних и коротких длинах волн, соответственно. Стимул приходящего излучения для каждого типа колбочек определяется по формуле:

где L (λ), M (λ) и S (λ) это функции спектральной чувствительности колбочек, и E (λ) это

SPD (распределение  спектральной мощности) света, достигающего  глаза. Результат стимулов колбочек, Ltot, Mtot и Stot, относятся к трехцветным  значениям и описывают воспринимаемый  цвет. Таким образом, структуру  цветного восприятия можно рассматривать как отображение бесконечномерного пространства спектрального распределения в трехмерном пространстве трехцветными значениями. Это выделяет физиологические основы трехцветных свойств цветного зрения, которое является основой нашего цветовосприятия и колориметрии. 

Сенсорное (основанное на чувстве) выражение цвета, таким  образом, зависит от взаимодействия трех различных элементов: источника  света, объекта и наблюдателя. Это  включает в себя как физические аспекты  цвета, такие как спектральное взаимодействие между светом и объектом, так и физиологические аспекты человеческого зрения. Взаимодействие этих двух данных является психофизическим аспектом, касающимся отношений между физическими атрибутами и результатами ощущений, определяемый с помощью колориметрии (Hardeberg, 2001). 

Обратите внимание, что данная модель весьма ограниченна и содержит упрощения в нескольких случаях. Взаимодействие света с объектом, на самом деле гораздо сложнее, чем лишь поверхностное отражение, и также может включать, преломление, поглощение и рассеяние внутри объекта. Кроме того, не упоминаются геометрические эффекты, такие как направленность зеркального отражения, равно как и эффекты флуоресценции или поляризации. Более того, зрительная система человека сложнее, чем подразумевается, и воспринимаемый цвет будет также зависеть от окружения и состояния хроматической адаптации наблюдателя (Fairchild, 1998). Тем не менее, держа эти ограничениями в уме, модель служит основой для предстоящих обсуждений и определений. 

2.2.2 Стандартный наблюдатель МКО Точные формы спектральных функций чувствительности для колбочек, которые используются в формуле 2.2 трудно измерить непосредственно, и они могут субъективно меняться. Для соглашения между различными измерениями желательно определить стандартный набор цветовых функции, (CMFs), представляющих характеристики чувствительности среднего человека на световой спектр, тем самым, составляя "стандартного наблюдателя". В 1931 МКО определила функции цветового соответствия CIE 1931 XYZ, определяющих соответствия цветов свойствам CIE 1931 стандартного колориметрического наблюдателя. X, Y и Z трехцветные значения, составляющие основу всей колориметрии, имеют вид:  

где х (λ), у (λ) и Z (λ) являются CIEXYZ функциями цветового соответствия, см. рис 2.2. В абсолютной колориметрии, нормализованный k-фактор принят за постоянное значение, выраженное как максимальная эффективность мощности излучения, равная 683лм / Вт (Sharma, 2003). В относительной колориметрии, нормализованный k-фактор выбран так, чтобы Y = 100 для соответствующего белого, обычно являющимся идеальным диффузным отражателем, со спектром отражения равным единице для всех длин волн, то есть: 

Обратите внимание, что XYZ функций цветового соответствия не подобны набору физических составляющих, но похожи на их линейное преобразование, с целью ликвидировать отрицательность физического представления, и нормализованы, чтобы получить равные трехцветные значения для равноэнергетического спектра. Кроме того, у (λ) выбирается так, чтобы совпадать с функцией световой эффективности для дневного зрения, то есть Y трехцветное значение представляет воспринимаемую яркость. 

Стандартного  колориметрического наблюдателя (CIE 1931) иногда называют 2° наблюдателем, так как функции цветового соответствия основаны на поля зрения 2°. Позже, был введен CIE 1964 Дополнительный Стандартный Колориметрический Наблюдатель с помощью визуального поля 10°. Все колориметрические вычисления в этой работе основаны на CIE 1931 XYZ функциях цветового соответствия, представляющих 2° наблюдателя. 

Практически, измерения спектральных распределений мощности и спектрального отражения будет производиться выборками, используя некоторые интервалы длин волн, а интегралы уравнения 2.3 будут замещены суммированием. Если использовать векторные обозначения и описывать спектральный сигнал как дискретный N-компонентный вектор, отобранных на длинах волн λ1, ..., λN, то уравнение 2.3 можно представить в виде:

где с это колориметрический 3-компонентный вектор результирующего трехцветного воздействия XYZ, а Ас это N × 3 матрица со столбцами, представляющими функции цветового соответствия х(λ), у(λ) и z(λ). 

2.2.3 Диаграмма цветности Чтобы наглядно описать цвет, часто используется CIE х,у диаграмма цветности, обеспечивая двумерное представление. Диаграммы цветности основываются на относительных величинах трехцветных значений, называемых координатами цветности:

Ясно, что х + у + z = 1 и, следовательно, цветность может быть представлена с помощью всего двух переменных, как правило, х и у. Две переменные, х и у, образуют двумерную диаграмму цветности, представляющую проекцию трехмерного цветового XYZ пространства на плоскости. Диаграмма цветности обеспечивает своего рода цветовую карту, на которой цветность всех цветов может быть построена, см. рис 2.3. Изогнутая линия, представляющая цветность монохроматического света, называется спектральным локусом и является непрерывной выпуклой оболочкой ограждающей область всех цветов. Линия, соединяющая концы спектрального локуса называется фиолетовой границей. Обратите внимание, что диаграммы цветности показывают только проекции трехцветных значений, следовательно, яркий и тусклый цвет может быть спроектирован на одной точке. 

2.2.4 CIE стандартные осветители Потому как представление цвета сильно зависит от освещения, существует необходимость точного определения осветительных устройств. Чтобы выполнить это, CIE ввела несколько стандартных осветителей, установленных по распределению спектральной мощности. 

В 1931 CIE определила стандартные осветители типа А (представляющие вольфрамовую нить лампы), B (представляющие солнечный свет) и С (составляющие средний дневной свет). У стандартных осветителей В и С, представляющих дневной свет, было слишком мало энергии в УФ-области, и с расширением использования флуоресцирующих агентов, появилась необходимость в стандартных осветителях, имитирующих дневной свет в УФ-области. В 1963 году CIE рекомендуется новый стандарт осветителей D50 и D65 представляющих средний дневной свет разной температуры цвета в видимом и УФ диапазоне до 300 нм. Эти стандартные осветители обычно используются в цветовых системах и стандартах, например, в телевидении, где D65 является относительным белым в системе PAL. D65 обычно используется для представления дневного света в процессах бумажной промышленности, в то время как более желтоватый D50 стал стандартом в графической промышленности. Спектральные распределения мощности CIE стандартных осветителей типа А, D50 и D65 показаны на рис. 2.4. (Hunt, 1998)