数字印刷质量关键因素分析.doc

数字印刷质量关键因素分析崔晓萌 陈广学 曹仁祥1.曲阜师范大学印刷学院，日照市烟台北路80号，2768262.华南理工大学制浆造纸国家重点实验室，广州市天河区五山路381，510640号摘要：文章以现代印刷技术数字化为背景，从信息传播的角度，对数字印刷技术及其质量控制系统的特点进行了新的总结概括，丰富了当代印刷技术的内涵。介绍了基于成像过程模型对数字印刷质量因素进行建模的主要过程和分析方法。最后提出依据我国现阶段国情，进一步深入开展标准制定工作对促进国内数字印刷技术与应用市场发展的重要意义。关键词：数字印刷，质量控制，过程模型，标准化Abstract: The connotation of the modern printing technology was enriched in the perception of information dissemination, by summarizing the characteristics of digital printing technology and digital quality control systems. The analysis methods based on imaging process mathematic model were introduced. Its modeling process and application methods were described briefly. Finally the significance of promoting standard enacting to carry out in a deep-going way was pointed out. These standardization work will facilitate the printing technology development and industry trade in a long-rang.Keywords: digital printing; quality control; process model; standardization0引言：印刷是一门古老的工业技术，其产品承载了图文信息供人们阅读品鉴。从物理形式上看，印刷品是承载所要传递信息的载体，从作用上讲，它是信息传递的一种途径，而从传播信息的方式上说，供人阅读观赏的印刷品又是一种视觉产品，概括地说，印刷技术是一门古老的视觉信息传播技术。随着印刷技术与计算机及现代通信技术的有机融合，印刷已经进入了数字输入、处理、存储、传递、输出及控制的全数字流作业时代，应用的典型代表就是数字印刷技术。数字印刷是一个完全数字化、网络化的生产流程，其核心是利用网络资源整合信息，实现集约化生产，以促进设备、技术和市场的融合。数字印刷过程控制的系统化、集成化、智能化特征，使得其质量控制已不仅仅是以“量测”为手段的工艺问题，而上升为一种以“视觉”为目标，基于数据回馈与系统控制的质量优化问题。本文旨在剖析数字印刷的技术特点，依据数字印刷设备开发与应用中对质量控制技术的不同需求，通过数学建模的方法，归纳数字印刷核心技术与影响数字印刷质量关键因素之间的联系。并结合研究工作中得一些体会，分析标准化工作在数字印刷技术发展中的促进作用和重要意义。1 数字印刷质量控制的特点与研究意义印刷质量的控制是一项贯穿于整个工艺始末的过程控制。在传统的印刷工艺中，从印刷样张的扫描、胶片输出、数码打样，到印刷生产工艺、印刷材料质量的测控等都属于质量控制的范畴。传统的质量控制思想是以达到标准印刷目标参数为目的，在使用符合标准的材料和环境下，通过一定方法测量获得工艺参数，通过参数曲线修正，来获得稳定、可重复的、最佳的产品质量。系统级的色彩管理也是质量控制的手段之一，也可以被视为印刷系统数字化，流程化发展后质量控制技术的一次提升。它是在实现印刷过程控制规范化，标准化的前提下，运用软、硬件结合的方法，在生产系统中自动统一地管理和调整颜色，以保证在整个过程中颜色的一致性。数字印刷质量控制工程不同于前面两者，其质量控制工程是一个系统化的过程控制。这种控制更加注重质量问题的预防，而不是事后的检查，控制手段由对工艺曲线进行补偿修正，转变为从系统的微分方程来描述分析系统的稳定性，利用状态变量与基于时域、频域分析的现代数控理论来修正设备行为，实现对数字印刷系统精度、速度和成本的最优控制。该过程控制各元素单元按照一定的方式相互连接在一起，形成网状的过程系统，复杂程度较高。对数字印刷质量控制的研究，不仅涵盖了对复制过程的工艺控制，还可以用来建立设备的通用印刷特性目标，指导数字印刷装备的设计决策，预测系统误差以指导系统优化等方面，进而为数字印刷设备的开发提供设计参考。2 数字印刷质量控制的内容就控制的本质而言，数字印刷质量控制是对印刷物理过程的控制操作，其作用对象是印刷系统，作用目标是确保印刷系统的稳定和最优化，以生产出客户满意的产品。这些要素决定了数字印刷质量控制工程研究的内容，可概括为以下四个方面：质量检测技术，系统质量参数模型，用于计算系统偏差的标准参数及系统修正算法。从控制的方法来看，数字印刷的成像、输墨和转印过程已集成为一体，在承印材料输入设备后，产品质量形成过程中，与质量有关的材料、设备、工艺方法、运行环境要素之间已经不存在孤立元素，各元素间互相依存，相互作用，又互相制约。整个系统由若干数量的逻辑回路组成，各逻辑回路都有其“专职”功能，它们有机组合，构成一个具有多方面功能的总体大系统。系统对质量的控制不再是相对独立的工艺方法，而是对指标的测量整理，对质量波动规律的总结，再通过数理计算配合数控技术来实现。数字印刷设备的质量控制手段可总结概括为：一种以数学为基础，囊括运筹学、控制论、信息论于一体的，具有较高科学水平的专业化系统工程。3 基于成像过程模型的质量因素分析建模质量控制工作需要围绕影响印刷质量的因素来展开，因此对质量影响因素的分析研究非常必要。在印刷过程中，从原稿输入到印刷品输出，印刷信息经历了多次数据类型和图像类型的变换，影响因素多而杂。为了明晰研究思路，本文建立了再现成像过程的数学模型，该模型的建立有助于使质量影响因素分析更为直观。3.1 成像过程建模彩色图像的色彩是由基本色通道来构成的，实质上每个基本色通道中图像为灰度图像，为简化取灰度图作为原稿进行建模。3.1.1 原稿输入步骤从连续调灰度图像到半色调数字图像的转换是数字印刷的第一个步骤, 实质上是通过图像捕获设备对原稿图像信息的空间采样，采样规则服从采样算法。用Iorigin(i,j)表示原稿图像，扫描得到的亮度图像为g(i,j)，采样模型见公式（1）。 （1）3.1.2半色调处理即对输入图像进行加网的计算过程，生成的图像是离散数字“1”和“0”的逻辑数组，称为二值图像。二值图像在印刷过程中具有非常特殊的意义，图像输出组件的最大特点是只能接收二值输入，二值化规则称为加网算法，半色调处理模型见公式（2）。 （2）其中，f(i,j)为半色调处理得到的二值图像，V表示加网算法。3.1.3半色调图像到硬拷贝输出步骤该步骤就是生成物理半色调图像的复制过程，这一过程涉及众多因素，较为复杂。输出设备的随机特征则主要用线性关系来描述，例如网点中心位置偏差。这种现象在静电照相数字印刷机中可能源于激光成像光束控制机构的偏差155-157，在喷墨数字印刷机中记录点的位置扰动通常有墨滴飞行过程中空气动力和静电交互作用导致66, 68, 158。实际记录点的中心的不规则性可以用位置噪声脉冲函数描述，其中称为平均随机特性，表示系统随机特性的平均水平。所谓非线性关系包括各种压缩、转换或裁切算法，例如，非线性阶调映射关系，它用于将物理输出明度范围指定给源阶调，在两者之间完成非线性映射。其后，承载网点信息的油墨通过设备转移到承印介质上，又会受到油墨扩散，纸张色度，纸张光学特性及其他因素导致的质量退化作用的影响，记录点与这些退化作用的叠加关系可以用卷积运算来描述。将从油墨（或墨粉）颗粒尺寸到承印纸张适性所引起的记录点尺寸波动的所有因素用点噪声w(i,j)代表，因纸张明度和色度影响的图像整体色彩的偏移用背景函数bk(i,j)来表示。将前面所论述的设备系统线性偏移用d(i,j)来表示，系统的非线性偏移用N()表示，则经过此步骤后得到的图像灰度L(i,j)为（3）的形式。 （3）接下来，将以本模型为基础，通过函数转化方法分析影响数字印刷图像质量的各种因素。3.2 影响因素分析模型成像过程模型揭示出每一个作用于图像再现的部分都会对图像复制质量产生影响，这些部分相互作用，相互联系，很难明确区分。在此先用降维的思想，通过因素域的概念，将他们进行归类。根据各因素在物理存在形式之间的关系，将他们划分为相对独立的三个不同的领域，称为因素域，按照他们在印刷过程中作用于信息的先后顺序，依次为：软件因素域，硬件因素域和呈色介质因素域。对三个因素域进行测量分析，可以得到数字印刷系统与原稿数字图像之间的一个定量关系，这种关系就是该数字印刷系统的印刷特性。定义F(x,y)表示软件因素域内的因素函数，(x,y)代表硬件因素域内的因素函数，G(x,y)代表硬件因素域内的因素函数，不同因素用下标加以区分，得到的简化模型见公式（4） （4）用A表示软件部分对图像的影响，软件部分的作用模型见式（5） （5）那么过程模型可得到进一步简化，见公式（6） （6）上式中，软件因素域函数F1表示图像获取取样算法，F2表示图像分色加网算法；硬件因素域函数1表示系统线性偏移，2表示系统随机特性，3表示平均随机特性，4表示系统非线性偏移，这些函数也是对设备自身特性的描述，并且这样的建模方式保证了在应用不同原理的数字印刷系统的通用性；呈色介质因素域函数G1表示由纸张油墨引起的影响网点尺寸的作用因素，G2表示纸张色彩特性等影响因素。借助该分析模型，可以更容易的建立输出质量与影响因素之间的作用关系。3.3对数字印刷质量影响因素的分析依据公式（6）可知，将影响因素归类为软件、硬件、呈色介质三大类后，物理成像前，软件对原稿呈一定的函数关系，硬件对图像得传递起一定线性或非线性系数关系，而在物理成像过程里，纸张、油墨等成像介质则相当于一定的信号滤波器，会影响整幅图像的物理再现。当理清这些数理关系后，在数字系统中，就可以针对反馈得测量数据采用相应的修正算法进行补偿，最终达到提高产品质量的目的。4 标准化工作对我国数字印刷技术发展的意义目前，国际标准化组织得工作中，一批有关高端数字印刷技术的国际标准正在制定中。我国尚未掌握高端快速彩色数字印刷技术的核心技术，生产设备主要依赖进口，在这种现状下，我国在较深层面技术标准的制定上很难掌握话语权，使得从设备市场到耗材市场出现了主要追赶国外技术参数的现象。而与技术形式形成对比的是，我国是世界范围内印刷设备的主要进口国，中国市场受到各类软硬件设备供应商的广泛关注。如果标准化工作能在结合国内现有研究成果基础上，结合我国行业实际水平，进行有一定技术深度的技术标准得制定，例如，从用户角度，结合国产耗材特性，对进口设备某些部分组件的印刷适性制定中国的通用标准，或绿色环保标准，就建立了符合中国市场实情的技术秩序和生产行为准则。这将对国内外行业活动都产生一定的影响，如：对国内，将在市场层面保护国内耗材供应商，对国外，在设备提供商的技术开发中掌握一定的话语权，并将进而对促进中外技术开发交流与合作产生潜在影响。5 小结本文介绍了在数字印刷质量控制研究中的建模工作，并对