高光泽彩喷纸对油墨扩散效应的研究.doc

高光泽彩喷纸对油墨扩散效应的研究司占军 胡媛 （天津科技大学，天津300222）摘要：分析了影响喷墨印刷质量的关键因素，即油墨在纸张上的扩散现象。以高光泽彩喷纸和颜料墨、染料墨为研究对象，通过研究其扩散效应，重构理想墨点，基于距离空间建立油墨扩散模型，将视觉效果量化，以模型参数IJS(Ink Jet Spreading)表征油墨在纸张上的扩散程度。并由主观评价验证，表征高光泽纸样对油墨扩散程度的模型参数IJS值，与成对比较结果基本一致，表明建立的油墨扩散模型的准确性较高，能为改进纸张和油墨的性能提供理论依据。关键词：喷墨印刷；纸张；油墨；扩散中图分类号：TS802. 3 文献标识码: AResearch on the Spreading Effect of Ink on Glossy Ink-jet Paper SI Zhan-jun HU Yuan (Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China)Abstract：Analyze the key factor which affects ink-jet printing quality, that is the spreading effect of ink on paper. Commercial glossy papers and inks (pigment and dye inks) are studied. According to the study on the spreading effect of ink on paper and the reconstruction of dots and distance space, a mathematical model which called the spreading effect of ink on paper is established. This model can quantize the visual sense effect. A model parameter, IJS (Ink Jet Spreading), is defined to assess the spreading degree of ink dots. According to the subjective evaluation, it shows that the IJS values are consistent with the results of paired comparison. Therefore, the accuracy of the mathematical model is better, and it can offer theoretical foundation for the improvements of inks and papers.Key words：Ink-jet printing; Paper; Ink; Spreading; Feather如今喷墨印刷的色彩表现与高画质，已能令大部分消费者满意，但是它对纸张和油墨的高要求也迫使开发商和研究人员开发相应高性能的纸张和油墨，并研究其相互作用，从而提高喷墨印刷图像的再现效果。由于不同的纸张和油墨在物理化学性能上有很大的差异，本文通过研究和分析喷墨印刷中高光泽彩喷纸对油墨的扩散效应，建立其对油墨扩散效应的数学模型，为改进纸张和油墨的性能提供理论依据。1 油墨与纸张的相互作用原理在喷墨印刷中当墨滴喷射到纸张上时，随着时间的变化会发生一定程度的扩散效应。如果纸张对油墨的吸收速度过快，印刷光学密度低，易发生透印；否则引起侧边扩散，从而产生引流、边缘粗糙和线宽增大的现象。而且由于扩散效应，纸张对油墨的吸收不均匀，从而影响印刷图像的色彩还原性。因此，提出了喷墨印刷中纸张对油墨扩散效应的研究，这对于控制最终喷墨印刷的图像质量起着关键性的作用。图1是墨点喷射到纸面时，在一段时间内与纸张涂层相互作用的动态过程1。图1 墨点与纸张涂层相互作用过程Fig.1 Interaction process of ink dot and paper coating从图中可以看出，在墨点与纸张涂层相互作用的过程中，关键部分就是墨点在纸面上的扩散效应，决定了纸样对油墨的吸收效果，反映了最终印刷图像的色彩真实性和均匀性。所以基于这个因素，以高光泽纸样为研究对象，建立了油墨扩散效应模型。2 喷墨印刷油墨扩散模型的建立2.1 墨点扩散模型2.1.1 模型假设喷墨印刷图像的质量容易受到喷墨印刷设备、油墨和纸张等因素的影响，而油墨和纸张的相互作用特性是关键，实际印刷质量往往出现这些问题：实地色块面积不均匀2，墨点形状和尺寸无法达到理想状态3以及动力学效果引起的尾形和星形墨点4。因此，基于这些实际问题的存在，提出喷墨印刷中纸张对油墨扩散模型的假设，如下： 以墨点的颜色浓度代表该墨点的墨量； 理想状态下墨点的总墨量与实际印刷墨点的总墨量相等； 墨点在理想状态下应该是规则的圆形，且圆形墨点内墨量的分布均匀。 2.1.2 建模在本实验中，以f (x, y)表示实际印刷墨点的墨量分布，满足0 f (x, y) 1，表示如下： (1)则即为实际墨点的总墨量。如果纸张表面有墨，则f (x, y)为kB，否则取0。其中，B是RGB的亮度级，取值范围在0, 255，k是归一化因子，本实验中，取k=1/255。以g (x, y) 表示理想状态下墨点的墨量分布，即B (x0, y0, r)是以(x0, y0) 为圆心，以r为半径的圆盘，则 (2)如果，则g (x, y) 为1，否则为0。显然有= (3)r = (4)且满足=。以归一化的f (x, y) 和 g (x, y)的距离R( f )来表征印刷墨点在纸张上扩散的程度，记为S1(Spreading)，S1 = R ( f )= (5)其中为墨点中不同区域的权值，且满足。2.1.3 化简 最小值化简由于最小值求解困难，一般取(x0, y0)点为f (x, y)的重心，公式如下：； (6) 积分计算借助图像采集设备拍摄的CMYK墨点数字图像均为离散化的采点，因此积分的计算利用数值的方法； 的选取基于理想状态下墨点内墨量分布均匀的假设，本实验取1； 分辨率问题在实际的计算过程中，将不同分辨率的墨点图像转化为相同的大小，以此消除分辨率对模型参数的影响。 离散化的f (x, y) 的获得实际印刷墨点f (x, y)是由R、G、B三通道的亮度级组成，记为(r1, g1, b1)；而理想墨点g(x, y)的颜色记为(r0, g0, b0)。因此，离散化的f (x, y)是由f (x, y) 向g(x, y) 投影所得，记为f，表示如下：= (7)2.2 模型参数IJSCMYK四色墨点的模型参数值分别表示为SC、SM、SY和SK，分别对四色墨点的S值赋予等权重1/4，用参数值IJS(Ink Jet Spreading)表征彩色墨在纸样上的扩散程度，IJS计算公式如下：IJS = 1/4 (SC + SM + SY + SK) (8)墨点的S值、IJS值越趋近于0，表示印刷的墨点向四周的扩散程度低，能被纸张均匀吸收，墨点边缘平滑，印刷图像色彩还原性好，色泽鲜艳饱满，越接近理想状态下的墨点。3 实验3.1 实验材料和设备 实验材料：如表1所示。表1 实验纸样Tab 1 Printing paper samples高光泽纸样(Matte samples)G1惠普(Advanced HP Photo Paper)G2王子(Glossy Inkjet Paper)G3泛太克(High Glossy Photo Paper)G4亮彩(Glossy Inkjet Paper)G5爱普生(Glossy Photo Paper)G6佳能(Glossy Photo Paper)G7柯达(Photo Glossy Paper for Inkjet Prints)G8钻石(Glossy Inkjet Paper)实验设备：Epson Stylus PRO 3800C喷墨打印机、HP Designjet 130喷墨打印机、X-Rite Eye-One 分光光度计、爱国者数码观测王GE-5、EFI ColorproofTM XF3.1软件、GretagMacbeth ProfleMaker软件、Adobe Photoshop图像处理软件、Matlab 7.0编程软件、EIZO Coloredge LCD显示器、D65标准光源箱。3.2 实验方法3.2.1 打印完成打印机特性化之后，在Epson Stylus PRO 3800C和HP Design jet 130喷墨打印机上，分别打印七幅PIA/GATF数字图像（如图2）和CMYK墨点图像，打印分辨率分别设定为720dpi和600dpi。 (a)高调 (b)暗调 (c)记忆色 (a)High key (b)Low key (c)Memery colors (d)人物组图 (e)女性肖像 (f)中性灰 (g)全彩色(d) Group portrait (e) Portrait (f) Gray neutrals (g) Full colors图2 主观评价测试图像Fig. 2 Test images for psychophysical experimentsCMYK墨点图像是一个180180的网格像素中排列3636方形单像素点的矩阵5。这样大小的图像，墨点的实际尺寸发生扩散，也不会发生墨点的重叠，有利于墨点数字图像的采集和提取。在Adobe Photoshop TM软件中的CMYK模式下设计，共四色如图3所示。青(C) 品红(M) 黄(Y) 黑(K)图3 CMYK墨点图像Fig. 3 CMYK dot images墨点图像的印刷在EFI Color proof TM XF3.1软件中进行，由于对应每种实验纸样，打印机已完成线性化和特性化，因此可以输出纯色墨点，控制印刷效果。3.2.2 墨点图像的采集本实验采用爱国者数码观测王GE-5对打印四色像素点图像进行数字图像采集，放大倍率为540倍。3.2.3 模型的测试方法将C、M、Y、K墨点图像分R、G、B三个通道进行读取，从而得到亮度级（取值范围0, 255），根据墨点亮度级的分布情况，重构出理想的墨点图像。比较打印的墨点图像与其对应的重构理想墨点图像之间的差异，借助Matlab编程软件测试模型的准确性。3.2.4 主观评价方法为了验证油墨纸张扩散和渗透模型的合理性和准确性，本文采用成对比较来进行主观评价。10名观察者按视觉效果比较印刷图像对原稿的质量与色彩再现，并打分（见表2）。对所有观察者给出的分数进行加权平均6，公式如下： (10)所得的结果即为图像质量的主观评价值。表2 主观评价量度Tab 2 Subjective assessment metric质量尺度再现最佳再现较佳符合视觉要求再现较差不能很好再现质量等级543213.3 结果与讨论表3和表4分别是高光泽纸样在两台打印机上印刷墨点和图像的评价结果。从表3可以看出，高光泽纸样在Epson 3800C打印机上印刷墨点的IJS值与主观评价值的变化趋势基本一致。G3纸样的IJS值最小，主观评价值最高，因此其墨点的扩散程度低，印刷质量最佳，其次是G5纸样，而G1纸样的印刷质量最差。表3 高光泽纸样在Epson 3800C打印机上印刷质量评价值Tab 3 Evaluation values of glossy samples on Epson 3800C ink-jet printerIJS值主观评价值G11.256 2.99G21.240 3.24G30.907 4.83G41.018 4.37G50.931 4.79G61.088 4.39G71.194 4.41G81.107 4.47由表4可以看出，高光泽纸样在HP 130打印机上印刷墨点的IJS值与主观评价值的变化趋势也基本一致。G3纸样印刷墨点的扩散程度最小，印刷质量最好，G5纸样的印刷质量较好，而G2纸样的印刷质量最差。表4 高光泽纸样在HP 130打印机上印刷质量评价值Table 4 Evaluation values of glossy samples on HP 130 ink-jet printerIJS值主观评价值G11.3373.74G21.5683.30G3 0.9194.03G41.0603.81G50.9734.00G61.4763.57G71.3103.71G81.4003.40 图4是高光泽纸样在两台打印机上印刷图像的主观评价值比较结果，从整体来看，在Epson 3800C上印刷图像的主观评价值比HP 130印刷图像的主观评价值高。这与前面的结论相一致，即高光泽纸样对颜料墨的吸收效果和色彩还原性比染料墨好，油墨在纸面上发生扩散的程度较小。图4 高光泽纸样在两台喷墨打印机上印刷图像的主观评价值Fig. 4 Subjective evaluation results of glossy samples on two ink-jet printers4 结语由主观评价结果可知，本文用于表征喷墨印刷中纸张对油墨扩散程度的模型参数IJS值，与成对比较结果基本一致。因此，通过重构理想墨点建立的高光泽纸对油墨扩散模型的合理性和准确性较高，可以为改进油墨和纸张提供理论依据，从本质上提高喷墨印刷图像的质量。本模型中涉及研究的墨点图像均是喷墨打印机印刷干燥后采集的数字图像，呈现的是墨滴喷射到纸上发生扩散和渗透之后的静止形态。今后应进一步研究墨滴在纸上扩散和渗透的动态过程，然而这也需要墨滴喷射装置的开发。参考文献1 EDGAR BERNAL，JAN P. 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