Исследование воспроизведения бинарных изображений в процессах поэлементной записи Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 778.19

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ БИНАРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ПРОЦЕССАХ ПОЭЛЕМЕНТНОЙ ЗАПИСИ

В.Р. Севрюгин, Ю.С. Андреев

На основе разработанного авторами комплекса методов расчета проведено исследование способности процессов поэлементной записи воспроизводить бинарные изображения. Результаты исследования могут быть использованы при проектировании и технологической настройке процессов изготовления офсетных печатных форм в формовыводных устройствах.

Ключевые слова: поэлементный способ записи, сенситометрия, структуро-метрия, формный процесс.

Практически во всех системах полиграфического репродуцирования в настоящее время используются процессы поэлементной записи растровых бинарных изображений на фотографический или формный материал. При проектировании, технологической настройке и сравнении таких процессов необходимо оценивать их сенситометрические и структурометрические свойства, определяющие качество воспроизведения на вещественном носителе малых элементов изображения - растровых точек и штрихов. Использование традиционной сенситометрии и структурометрии, применяемых, например, для расчета фотографических процессов, не позволяет проводить такую оценку в полной мере из-за различий между форматным и поэлементным способами записи, полутоновыми и бинарными изображениями, фотографическим и формным материалами. Примером может служить процесс поэлементной записи офсетных печатных форм, для которого отсутствует единый подход к управлению и стандартизации.

В [1-5] был разработан комплекс методов расчета процессов поэлементной записи на основе разделения структурометрических и сенситометрических свойств, позволяющий исследовать закономерности таких процессов. В этой статье с применением этих методов проводится исследование способности процессов изготовления офсетных печатных форм в формовыводных устройствах воспроизводить элементы изображения, т.е. обеспечивать их основные рабочие свойства.

Методы исследования

Сенситометрическая кривая процесса поэлементной записи.

Основные рабочие свойства элементов изображения на вещественном носителе в существенной степени определяются градационным параметром. В качестве градационного параметра используется, например, оптическая плотность, которая характеризует свойство фотоформ пропускать или задерживать излучение в формном процессе, или относительная толщина пе-

24

чатающего слоя - регистрирующего слоя на печатающих элементах [1], характеризующая свойство печатных форм переносить или не переносить краску в печатном процессе. Для бинарных изображений градационный параметр имеет два уровня - верхний рв и нижний рн, которые в зависимости от полярности процесса соответствует активным элементам, целенаправленно формируемым излучением, и пассивным, формируемым в отсутствие излучения. Если активным элементам соответствует нижний уровень, то процесс позитивный (рис. 1, а), если верхний - то негативный (рис. 1, б). На сенситометрической кривой (рис. 1) отмечены пороговая экспозиция Нпор, до которой обеспечивается основное рабочее свойство

пассивных элементов изображения, и минимальная экспозиция Нт[п, с которой обеспечивается основное рабочее свойство активных элементов. При Ит[п = Нпор получаем ступенчатое изменение градационного параметра, такую сенситометрическую кривую будем называть пороговой.

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

i3 1 1 1 1

1 1 1 . 1 ЕЁ.

&н

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

~Р~В

-Pr ^ \ :

г

О 0,15 0,30 0,45 0,60 075 0,90 1,05 1.2СГ 0 0,15 0,30 0,45 0,60 0,75 0,90 1,05 1,2'

н н н н

пор mir пор min

а б

Рис. 1. Сенситометрические кривые процесса поэлементной записи: а - позитивный процесс; б - негативный процесс

Система структурометрии процесса поэлементной записи. В [2]

была предложена система структурометрии процесса поэлементной записи, в основу которой положены нормированные распределения эффективной плотности энергии: пикселя - функция воспроизведения пикселя (ФВП) и краев энергетической плашки - краевые функции направлений кадровой (КФК) и строчной разверток (КФС). Функции воспроизведения являются функциями дискретного аргумента и используют следующие обозначения:

P(у, х)- для ФВП и Eк (у) - для КФК. Аргументы х и у связаны с направлениями строчной и кадровой развертки, имеют область определения b:

х,у = {-b,-b + d,L,0,...,b}, где d = —— шаг дискретизации и N,beN.

N

ФВП может быть рассчитана по краевым функциям, найденным экспери-

25

ментально для конкретных систем с поэлементной записью [3]. Разработана методика расчета по ФВП распределения нормированной плотности энергии произвольного элемента изображения, заданного бинарными данными [2].

В [4] определены: энергетическая плотность ядра - доля плотности энергии в центре элемента изображения от максимального уровня энергетической плашки, получаемой при записи пикселей во все позиции, и пиксельные функции ядра - зависимости энергетической плотности ядра от количества пикселей, формирующих активные и пассивные элементы,

И| (к) и (к). В целях единообразия оценки предложена балансная растровая структура [5], для которой по матрице балансных точек записанными пикселями формируются активные растровые точки, а незаписанными - пассивные, при этом точки в светах и тенях формируются одинаковыми пикселями и стремятся к круглой форме. Для балансной структуры выведены формулы расчета энергетической плотности ядра для к-пиксельных элементов изображения с использованием ФВП [4]:

Ияа (1) = Р(0,0), (2) = 2Р(0;0,5) и т.д.,

Ияп(к) = Ипл(уц,уц) - Ияа(к), (1)

где Ипл (уц, уц) - уровень энергетической плашки в точке, соответствующей центру элемента изображения. Формулы, подобные (1), показывают, что энергетическая плотность ядра полностью определятся центральной частью ФВП в пределах шага развертки.

Исследование воспроизведения бинарных изображений

Воспроизведение протяженных элементов изображения. На энергетической плашке в зависимости от ФВП могут образовываться постоянный единичный уровень или периодические колебания уровня плотности энергии в направлении и с шагом кадровой развертки (рис. 2). При

этом в целочисленных координатах образуется максимум Ихл3* = 1 (нормирование по максимуму), а в координатах, смещенных на половину шага, -

минимум Ипл (рис. 2, б). Средний уровень плотности энергии на плашке равен заданной в системе экспозиции Нраб, тогда при переходе от относительных величин к абсолютным для минимума и максимума можно запи-

• 2 сать: КнИтш Нраб и Кн Нраб , где Кн =----------------------------------•-коэффициент перехода

1 + СГ

к нормированию по среднему уровню.

При наличии колебаний необходимо различать две величины для пороговой и минимальной экспозиций - локальную и среднюю. Первая связана с действием плотности энергии в максимуме или минимуме, вторая -со средним значением плотности энергии на плашке и экспозицией, задан-

ной в системе. Для офсетных печатных форм основное рабочее свойство пробельных элементов обеспечивается при полном отсутствии печатающего слоя (рн _ 0), а печатающих элементов - при его полной толщине (рв = 1) [1]. Тогда основное рабочее свойство пассивных элементов с ростом экспозиции начинает нарушаться в максимумах, в которых действует плотность энергии ^Лор , при экспозиции в системе Нпор:

н лок к н

^пор _ ^н^пор

(2)

Основное рабочее свойство активных элементов окончательно будет достигнуто в минимумах, в которых действует плотность энергии

Ншп, при экспозиции Нт1п:

Я лок 71И111 ТГ

Ш1П К н Мпл Н1

7 Ш1П; н пл

Ш1И •

1>0

0>9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

/г**, отн.ед.

А3*, отн.ед.

_| Г Лт п ^ 1

/

; ] ш ]

; ; ; I

1 ! :

:

У : 1 | 1

! 1

! т У V

-10 12 3 4

а

-10 12 б

(3)

Рис. 2. Краевые функции направления кадровой развертки: а - постоянный уровень плашки; б - колебания уровня плашки

Значения экспозиций Нпор и Нт1п определяются экспериментально [1], а значения Н^р и НтП рассчитываются по (2) и (3). При постоян-

ной единичном уровне энергетической плашки (^пл11 _ Кн _ 1) значения

экспозиций, заданные в системе, совпадают с локальными: Нпор _ Н^р и

Нт1п _ Нт°к. С увеличением амплитуды колебаний растет Кн и уменьшается Кн С*, тогда пороговая экспозиция Нпор становится все меньше по

лок пор

отношению к Н, а минимальная экспозиция Нт1п - все больше по от-

ношению к Н

лок т1п.

Начиная с Hmin будут обеспечиваться основные рабочие свойства протяженных элементов изображения, и эту экспозицию можно считать минимально достаточной для их воспроизведения.

Воспроизведение малых элементов изображения. Элементы изображения, в центре которых обеспечивается основное рабочее свойство, считаются воспроизведенными и образуют пиксельный диапазон воспроизведения ка к.кп, где ка - количество записанных пикселей, формирующих

минимально воспроизводимый активный элемент изображения, кп - количество незаписанных пикселей, формирующих минимально воспроизводимый пассивный элемент изображения. Пиксельный диапазон воспроизведения связан с диапазоном воспроизводимых значений тона [4], который является одним из основных параметров, определяющих визуальные свойства печатной продукции. Ширина пиксельного диапазона равна

n - (ка + кп) +1, где n - количество пикселей в растровой ячейке, и увеличивается при уменьшении ка + кп. Проведем исследование факторов, влияющих на эту сумму и ширину диапазона.

В центре к-пиксельного активного элемента изображения действует

плотность энергии h^ (к) Кн Нраб, которая для его воспроизведения должна

быть не меньше Н mn, тогда с учетом (3) можно записать условие воспроизведения

H лок hmin н

h| (к) > hmin, где hmin = К~т^ = "И ^ . (4)

Кн н раб н раб

В центре к-пиксельного пассивного элемента изображения действует плотность энергии h^ (к)КнНраб, которая для его воспроизведения

должна быть меньше Н^Р, и с учетом (2) можно записать условие воспроизведения

hi (к) < ^ор, (5)

Н лок н

, п пор п пор

где hпOD =-----— =--------.

п°р К Н Н

н раб раб

Анализ (4) и (5) показывает, что начиная с Н^п воспроизводятся активные и пассивные элементы, Нраб = Н^п - условие наилучшего воспроизведения пассивных элементов и наихудшего - активных, а при увеличении Нраб относительно Нmin улучшается воспроизведение активных

и ухудшается воспроизведение пассивных элементов.

Рассмотрим графики пиксельных функций для активных h^ (к) и

пассивных элементов Н^ (к), которые являются кусочно-линейными, в одной системе координат (рис. 3). Линия Н^п на пересечении с кривой

НЯ (к) даст точку, абсцисса которой при округлении к большему равна количеству пикселей ка, формирующих минимально воспроизводимый активный элемент. Аналогично линия Нпор на пересечении с кривой Н^ (к) даст точку, абсцисса которой при округлении к большему равна количеству пикселей кп, формирующих минимально воспроизводимый пассивный

элемент.

Рис. 3. Графики пиксельных функций

Исследование влияния возможных значений НПор и кшіп, где

кпор, ^шіп є [0,1] и Нпор £ кшіп, на сумму ка + кп позволяет сделать следующие выводы.

1. Значение ка + кп зависит от ширины интервала Ак = кшіп - кпор и его положения по оси ординат.

2. Чем уже интервал Ак, тем меньше ка + кп и шире пиксельный диапазон воспроизведения.

3. При фиксированном значении интервала Ак минимальной

ка + кп соответствует примерно его центральное положение на отрезке оси ординат, т.е. кшіп + кпор = 1 или Нраб = Нпор + к^Ншіп. В этом слу-

чае получаем симметричный пиксельный диапазон с равными значениями

границ ка = кп. Некоторую неопределенность в ширину диапазона вносит кусочно-линейный характер функций, угловые коэффициенты линейных участков которых зависят от ФВП и позиций записи пикселей.

4. Максимально возможный пиксельный диапазон воспроизведения может быть получен при Ит[п = Нпор = 0,5, что соответствует пороговой сенситометрической кривой (Нт^п = Н пор). Максимально возможный

диапазон при заданной растровой структуре полностью определяется центральной частью ФВП.

5. По (4) и (5) АН-1—, т.е. интервал сужается с увеличением

Н раб

экспозиции в системе. Однако при увеличении экспозиции происходит смещение интервала от центрального положения вниз по оси ординат и

увеличение ка + кп. В результате действия этих факторов положение интервала, соответствующее минимальному значению суммы, оказывается смещенным вниз - в сторону больших экспозиций. В этом случае максимальный диапазон является несимметричным с меньшим значением ка.

6. Кусочно-линейный характер пиксельных функций и округление пикселей до целых значений приводит к неопределенности ширины диапазона до двух пикселей. Также на ширину диапазона влияет не учитывающаяся меньшая устойчивость малых печатающих элементов к обработке.

Исследуем влияние характера распределения ФВП на воспроизведение малых элементов изображения. В [3] был предложен аналитический способ расчета ФВП. В качестве фактора, управляющего распределением плотности энергии ФВП, примем го - радиус лазерного луча в зоне перетяжке по уровню в~2 при постоянных параметрах рассеяния, подобранных в [3] для аппроксимации экспериментальных данных, полученных для офсетных термочувствительных пластин.

С уменьшением го увеличивается доля плотности энергии в центральной части ФВП, соответственно растут значения пиксельной функции (к) и снижаются значения Н^ (к) (таблица), увеличивая пиксельный

диапазон до полного (ка = кп = 1). Значения энергетической плотности в центре 1-пиксельных активного и пассивного элемента рассчитываются по (1), а по (4) и (5) запишем условия их воспроизведения и рассчитаем экспозиции, с которых эти условия выполняются:

Н лок Н шіп

Н лок иіа ^ Ншіп

^ Нпяб > __ _ ,,

(6)

К н Н раб

раб КнР(0,0) ’

Однако с уменьшением г0 увеличивается амплитуда колебаний

уровня энергетической плашки (столбцы ¿пл и Кн таблицы), что может приводить к недопустимому разбиению элементов изображения на части. Плотность энергии в каждой точке формируется пикселями, в область определения ФВП которых попадает данная точка, а минимумы образуются в координатах направления кадровой развертки, смещенных на половину шага от позиций записи строк. Тогда наименьшее значение плотности энергии образуется в центре 2-пиксельного элемента с кадровым расположением пикселей, для расчета которой в формуле (1) для 2-пиксельного элемента со строчным расположением пикселей нужно поменять местами

аргументы ФВП: ^шП(2) = 2Р(0,5;0). С г0 » 0,8 значение плотности энергии в центре такого элемента начинает падать (таблица). По (4) запишем условие целостности элементов изображения и рассчитаем экспозицию, с которой это условие выполняется:

н лок н лок

< т (2) г —^ я„це? а —. (8)

К н Н раб раб 2КН Р(0.5,0)

Влияние радиуса лазерного луча на воспроизведение элементов изображения

г0 ¿тт "пл Кн ¿яа (1) ¿яп (1) < т(2) Н ПОр гтлок Н пор Н тт тт лок Н тт Н1а Н раб г лок Н тт Н цел Н раб г лок Н тт тт 1п Н раб < т_т лок Н пор

1,20 1,00 1,00 0,37 0,63 0,53 1,00 1,00 2,72 1,89 1,58

1,10 0,99 1,00 0,42 0,58 0,57 1,00 1,00 2,36 1,73 1,73

1,00 0,98 1,01 0,49 0,51 0,62 0,99 1,01 2,02 1,60 1,94

0,90 0,94 1,03 0,57 0,43 0,64 0,97 1,03 1,71 1,51 2,25

0,80 0,87 1,07 0,65 0,35 0,64 0,94 1,07 1,43 1,46 2,70

0,70 0,75 1,14 0,74 0,26 0,59 0,87 1,17 1,18 1,48 3,35

0,60 0,57 1,27 0,81 0,19 0,48 0,79 1,37 0,97 1,63 4,20

0,50 0,37 1,46 0,87 0,13 0,32 0,68 1,87 0,78 2,11 5,28

4 х 4 1,00 1,00 0,97 0,03 0,98 1,00 1,00 1,02 1,03 33,11

Примечание: 4 х 4 - используется пиксель, состоящий из 16 субпикселей.

1 а

С уменьшением Г0 уменьшается экспозиция Нб, с которой воспроизводится 1-пиксельный активный элемент, и увеличивается экспозиция Нрпб, до которой воспроизводится 1-пиксельный пассивный элемент (в таблице приведены отношения Нраб к локальным величинам). Однако с Г0 » 0,8 минимально достаточная экспозиция процесса начинает опреде-

31

ляться повышенной экспозицией Нраб, необходимой для сохранения целостности элементов изображения (значения выделены в таблице полужирным). Необходимость увеличения экспозиции противоречит недостаточной актиничности, характерной, например, для технологии поэлементной записи офсетных печатных форм. При использовании пикселя, состоящего из субпикселей большего разрешения записи [3], формируется постоянный единичный уровень энергетической плашки, и достигается полный пиксельный диапазон без увеличения экспозиции (строка 4 х 4 таблицы). Однако такой подход требует дорогих аппаратных решений.

Результаты исследования. В результате проведенных исследований были выявлены следующие особенности воспроизведения элементов изображения в процессах поэлементной записи:

1. Для получения большего пиксельного диапазона воспроизведения пороговая Нпор и минимальная Нт^ экспозиции должны быть максимально приближены друг к другу. Максимально возможный диапазон достигается при пороговой сенситометрической кривой ( Н“хп = Н пор).

2. Выбор рабочей экспозиции Нраб в системе близко к минимальной Н т^ приводит к плохому воспроизведению активных элементов.

3. Пиксельный диапазон с равными нижней и верхней границей получается при Нраб = Нпор + ЬплшНт^, но не является максимальным.

Максимальный пиксельный диапазон смещен в сторону больших экспозиций, при этом активные элементы воспроизводятся лучше пассивных. На результат может влиять меньшая устойчивость малых печатающих элементов к обработке.

4. Целостность элементов изображения может контролироваться по центру 2-пиксельного элемента с кадровым расположением пикселей.

5. Уменьшение радиуса лазерного луча Г0 позволяет получить полный пиксельный диапазон (ка = кп = 1), однако при этом увеличивается амплитуда колебаний энергетической плашки и, как следствие:

увеличивается минимальная Нт^ и уменьшается пороговая Нпор

экспозиции;

нарушается целостность элементов изображения, а условие ее сохранения определяет минимально достаточную экспозицию в системе. При этом увеличивается рабочая экспозиция в системе, что может оказаться недопустимым при недостаточной актиничности, характерной, например, для технологии поэлементной записи офсетных печатных форм.

6. Применение пикселя, состоящего из субпикселей большего разрешения записи, позволяет получать полный пиксельный диапазон при постоянном уровне энергетической плашки.

Выявленные особенности воспроизведения элементов изображения могут быть использованы при проектировании и технологической настройке процессов с поэлементной записью.

Список литературы

1. Севрюгин В.Р. Сенситометрическая система формного процесса. Часть II. Структура системы для технологии поэлементной записи. Формный процесс плоской офсетной печати // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2011. №5. С. 44-55.

2. Севрюгин В.Р. Система структурометрии процесса поэлементной записи. Пространственные характеристики воспроизведения // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2012. №4. С. 46-59.

3. Севрюгин В.Р. Краевые функции процессов поэлементной записи // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2012. №5. С. 44-58.

4. Севрюгин В.Р. Методы оценки параметров качества воспроизведения элементов изображения в процессах поэлементной записи бинарных изображений // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2013. №1. С. 44-58.

5. Севрюгин В.Р. Методы оценки точности и стабильности воспроизведения элементов изображения в процессах с поэлементной записью // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2012. №6. С. 66-80.

Севрюгин Вадим Рудольфович, канд. техн. наук, докторант, [email protected]. Россия, Москва, Московский государственный университет печати им. Ивана Федорова,

Андреев Юрий Сергеевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected], Россия, Москва, Московский государственный университет печати им. Ивана Федорова

RESEARCH OF BINARY IMAGE REPRODUCTION INPIXEL-BY-PIXEL IMAGING PROCESSES

V.R. Sevryugin, Yu.S.Andreev

The paper deals with the research of the pixel-by-pixel processes ability connected with the binary image reproduction. This research is based on the developed by authors the complex of the computing methods. The results of the research can be used for the engineering and the technological control of CtP offset platemaking.

Key words: pixel-by-pixel imaging mode, sensitometry, detail reproduction theory, platemaking.

Sevryugin Vadim Rudolfovich, candidate of technical sciences,, doctoral candidate, [email protected], Russia, Moscow, Moscow State University of Printing Arts named Ivan Fedorov,

Andreev Yuri Sergeevich, doctor of technical science, professor, the head of chair, [email protected], Russia, Moscow, Moscow State University of Printing Arts named Ivan Fedorov

УДК 655.326.1

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФЛЕКСОГРАФСКОЙ

ФОРМЫ С УФ-КРАСКОЙ

Р.Г. Могинов

Рассматривается вопрос растекания УФ-краски по флексографской форме. Рассчитано время переноса краски с анилоксового вала на печатную форму. Определена кинетика растекания краски по поверхности формы. Рассмотрены факторы, влияющие на процесс растекания.

Ключевые слова: перенос краски, УФ-краска, флексография, шероховатость, растекание.

В статье приведены результаты исследования процесса растекания УФ-отверждаемой краски по флексографской печатной форме. Но, не смотря на множество достоинств этого способа печати, на пути его развития существуют явления, изучение которых необходимо для получения качественного оттиска. Одним из недостатков флексографской печати является растискивание (приращение тона), на величину которого влияет равномерность нанесения краски на форму. Недостаточная изученность этого вопроса [1,2] обуславливает необходимость его рассмотрения.

Методы

1. Расчет времени переноса краски с анилоксового вала на печатную форму

Современные печатные машины имеют трехцилиндровую систему печатного аппарата (рис. 1). В начале краска заполняет полностью ячейки анилоксового вала, далее анилоксовый вал входит в контакт с печатной формой, закрепленной на формном цилиндре. В результате происходит