CC BY
31
Shestopalova Olga Lvovna, candidate of technical sciences, dean, docent, neman2004@mail. ru, Russia, Baikonur, A Branch «Voskhod» of the Moscow Aviation Institute (National Research University)
УДК 004.9; 655.3.02
ЦИФРОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕЧАТНЫХ БУМАГ И ЦВЕТНЫХ ТЕСТ-ОБЪЕКТОВ
Е.Л. Виноградов, В.В. Ваганов
Представлены результаты применения метода компьютеризованного ре-флектометрического сканирования для исследования оптических свойств бумажных субстратов и напечатанных на них модельных одноцветных оттисков. Доказаны универсальность, высокая информативность и перспективность применения сканирования запечатываемых материалов и полиграфических продуктов в целях повышения качества репродуцирования.
Ключевые слова: струйная печать, электрофотография, сканирование, цветопередача, качество репродуцирования.
Отличительные черты полиграфии XXI столетия - это оперативность, множество способов распространения информации печатными средствами (преимущественно, способов новационных, бесконтактных), широкое разнообразие запечатываемых материалов и высокая степень компьютеризации процессов тиражирования исходных сведений, которые, кстати, в настоящее время иначе, чем в форме электронных оригинал-макетов, не представляются [1 - 4]. Естественно, в условиях всеобъемлющей модернизации печатного дела, начавшейся во второй половине ХХ века, умножилось количество вариантов репродуцирования оригиналов и, как следствие, к настоящему времени заметно возросла роль объективного (приборного) оценивания качества полиграфических продуктов [5].
Вне всяких сомнений, качество оттисков определяется взаимодействием компонентов триады, запечатываемый материал - краска - печатающее устройство [6]; оттиски считаются высококачественными, если в процессе репродуцирования указанные компоненты взаимодействуют таким образом, что различия параметров оптических свойств копий и оригинала находятся в заданных пределах или, в идеале, эти параметры совпадают. Основная причина снижения качества и черно-белых, и цветных репродукций - искажение градаций тона из-за закрашивания их пробельных участков (локального и пространственного растискивания) [7]. В то же время, несовершенные копии многоцветных иллюстраций не только темнее оригиналов - при их печатании еще нарушается цветопередача [8, 9].
Установлено, что использование новационного универсального метода компьютеризованного рефлектометрического сканирования (КРС) для изучения оптики печатных бумаг и черно-белых репродукций имеет существенные преимущества по сравнению с традиционно применяемыми в полиграфии методами фото- и денситометрии, поскольку КРС позволяет в одном непродолжительном эксперименте детально охарактеризовать исследуемые объекты значениями их показателей и светоотражения, и светопроницаемости, и структурной неоднородности [10 - 11]. Цель настоящей работы - выяснение возможностей использования метода КРС в целях определения качества цветных репродукций.
Изготовление сканируемых объектов, методические приемы их изучения. Цветные модельные оттиски (тест-объекты) были получены наиболее популярными способами бесконтактной печати - импульсным струйным и электрофотографическим [3]. Для изготовления оттисков использовались струйный принтер Canon PIXMA ÍP7240, электрофотографическое печатающее устройство HP Color LaserJet CP1515n и бумажные субстраты двух типов: признаваемая одной из лучших по соотношению цена-качество универсальная офисная бумага SvetoCopy с массой листа единичной площади 80 г/м2, хорошо отражающая излучение на всех длинах волн оптического диапазона, а также намного менее качественная газетная бумага граммажом 50 г/м2, «паспортная» белизна которой не достигает 70%.
Полученные модельные репродукции представляли собой: прямоугольные листы, наполовину или целиком закрашенные в один слой голубой (C - cyan), пурпурной (M - magenta), желтой (Y - yellow) и черной (K - key black) красками;
прямоугольники с нанесенными на них двухслойными композициями прозрачных красок CM, MC, YM, MY, YC, CY;
листы, несущие трехслойные композиции CMY, CYM, MYC, MCY, YCM, YMC.
Эти репродукции и образцы бумажных субстратов сканировались на отражение либо на устройстве, входящем в состав многофункциональной системы HP LJ M129M134, либо на сканере Kyocera FS-3140MFP+ при разрешении 1200 dpi (точек на дюйм). Такое разрешение в четыре раза превышает разрешение печатного оборудования, на котором производят полиграфическую продукцию хорошего качества, и обеспечивает получение достоверных сведений об оптической неоднородности изучаемых объектов. Все сканируемые объекты размещались на черной подложке.
Статистический анализ данных сканирования выполнялся в свободно распространяемом пакете прикладных математических программ SciLab объемом менее 20 МБ [12]; для решения стоящих перед нами задач более мощное программное обеспечение, например, двухгигабайтный пакет MATLAB, не требовалось.
Результаты компьютерной обработки полученных сканов таковы:
количественные характеристики светоотражательной способности образцов, а именно, средние значения уровня их тона m в основных цветах - красном Я, зеленом в и синем В;
средние коэффициенты светоотражения объектов исследования R = т/255 (255 - максимальный уровень тона);
характеристики оптической (и, одновременно, структурной) неоднородности объектов - стандартные отклонения р;
коэффициенты вариации к = р/(Шт) (И - число точек наблюдения);
профилограммы, т. е. координатные зависимости уровня тона, изменяющегося при переходе от одной точки наблюдения к другой; профилограммы наглядно демонстрируют неоднородность объектов и, кроме того, дают возможность оценить размеры зон размытия границ печатных и пробельных элементов модельных оттисков из-за эффекта локального растаскивания.
Экспериментальные данные и их обсуждение. По своим оптическим свойствам газетная бумага намного уступает офисной: она хуже отражает световое излучение (ее коэффициент отражения Я = 0,81, в то время как для бумаги БуеШСору Я = 0,96) и является почти вдвое более неоднородной (коэффициенты вариации для использованных субстратов равняются, соответственно, 0,000088 и 0,000051). Следовало ожидать, что цветопередача при переносе исходной информации на газетную бумагу окажется менее успешной; это предположение проведенными опытами полностью подтвердилось (табл. 1).
Таблица 1
Параметры оптических свойств одноцветных модельных оттисков ___(струйная печать)_
Бумага Краска CMYK Коэффициент R в цвете: Коэффициент K в цвете:
R G B R G B
Газетная C 0,32 0,60 0,67 0,00031 0,00018 0,00016
Офисная С 0,53 0,82 0,87 0,00013 0,00007 0,00008
Газетная M 0,66 0,43 0,49 0,00012 0,00016 0,00014
Офисная M 0,84 0,55 0,71 0,00007 0,00011 0,00008
Газетная Y 0,81 0,72 0,32 0,00009 0,00009 0,00017
Офисная Y 0,88 0,83 0,28 0,00007 0,00007 0,00017
Действительно, сплошные слои прозрачных триадных красок C, M и Y на газетной бумаге, во-первых, более неоднородны и, во-вторых, у них более низкие значения координат цвета в трехмерном пространстве RGB (величины средних уровней тона m и коэффициентов отражения R); значит, копии многоцветных иллюстраций на таком менее качественном запечатываемом материале должны выглядеть более тусклыми по сравнению с копируемыми оригиналами. Тест-объекты по своим оптическим свойствам неоднороднее субстратов.
Газетная бумага хуже офисной не только по светоотражению, но и по краскопроницаемости. Это следует из результатов сканирования оборотных сторон модельных оттисков:
если они напечатаны на бумаге SvetoCopy, то коэффициент отражения репродукций с изнанки Ro6p остается на высоком уровне 0,96;
в случае переноса исходной информации на газетную бумагу отражательная способность обратных сторон получаемых оттисков снижается; в частности, для желтой репродукции в синем свете средний коэффициент отражения Ro6p уменьшается с 0,81 до 0,77, очевидно, из-за так называемого пробоя краски через бумажный лист.
С помощью компьютерной программы конвертирования цветов [13] мы перевели характеристики окрашивания тест-объектов из трехмерной системы координат RGB в четырехмерное пространство CMYK (табл. 2).
Таблица 2
Координаты цвета модельных оттисков, изготовленных струйным (1) __и электрофотографическим (2) способами_
Способ печати Запечатываемая бумага Цвет оттиска Координаты цвета в пространстве:
RGB CMYK
1 Газетная Голубой (С) 82, 152, 170 49, 6, 0, 37
1 Офсетная Голубой (С) 135, 208, 222 39, 6, 0, 13
1 Газетная Пурпурный (М) 168, 110, 126 0, 35, 25, 34
1 Офсетная Пурпурный (М) 215, 139, 181 0, 35, 16, 16
1 Газетная Желтый (У) 207, 183, 81 0, 12, 61, 19
1 Офсетная Желтый (У) 225, 211, 71 0, 6, 68, 12
2 Офсетная Голубой (С) 56. 161, 214 74, 25, 0, 16
2 Офсетная Пурпурный (М) 250, 130, 207 0, 48, 17, 2
2 Офсетная Желтый (У) 252, 252, 61 0, 0, 76, 1
Голубая, пурпурная и желтая краски, называемые на языке разметки гипертекста HTML соответственно cyan, magenta и yellow, которые в полиграфии используются для синтеза сложных цветов субтрактивным способом как фильтры, вырезающие из спектра белого света его длинноволновую, среднюю и коротковолновые части [8, 9], в идеале должны иметь координаты RGB (0, 255, 255), (255, 0, 255), (255, 255, 0) и CMYK (100, 0, 0, 0), (0, 100, 0, 0) и (0, 0, 100, 0). Однако идеальных светофильтров среди красящих веществ и содержащих их красок с указанными координатами цвета не существует. Поэтому, например, смешанная краска, по зрительным ощущениям являющаяся голубой и называемая Pantone Process Blue по каталогу эталонов цвета, содержит, как ожидалось, большое количество компонента C (86,2%), а также компоненты M (11,2%), Y (0,9%) и K (1,7%) [14]. По той же причине слой краски, представляющей собой смесь трех цветных составляющих, взятых в равных долях, пропускает свет, хотя, будь они идеальными фильтрами, этого бы не наблюдалось.
Анализируя с учетом вышесказанного данные об оптике тест-объектов, представленные в пятом столбце табл. 2, следует заключить, что воспроизведение цвета триадных красок струйным способом даже на качественной офсетной бумаге отнюдь не идеально, вероятнее всего, из-за наличия в них поглощающих свет добавок к красящим веществам и примесей. Правда, цветопередачу при запечатывании бумаги SvetoCopy на струйном принтере можно считать вполне удовлетворительной, если срав-
нивать ее с воспроизведением цвета красок CMYK на бумаге газетной. Замена хорошего по всем параметрам субстрата на плохой снижает процентное содержание главенствующих компонентов цвета красочных слоев и повышает в них содержание компонента В (черного). В частности, в пространстве CMYK цвет слоя краски cyan на далеко не совершенной газетной бумаге характеризуется так: содержание компонента С в нем уменьшено с 67 до 53%, а содержание компонента В увеличено от 22 до 40%.
В такой ситуации, очевидно, невозможно повышать точность воспроизведения цвета оригинала на его копиях исключительно за счет более удачного выбора запечатываемых материалов. Следует также иметь в виду целенаправленный переход к репродуцированию исходной информации по измененной технологической схеме, варьирование состава и агрегатного состояния красок тех же четырех цветов CMYK, применение пяти- и вось-микрасочных печатных машин - тогда цветопередача, максимально приближенная к идеальной, окажется достижимой. Справедливость этого высказывания была доказана измерениями цвета модельных оттисков, напечатанных способом электрофотографии на офисной бумаге (см. строки 7-8 табл. 2).
Координаты цвета прозрачных «электрофотографических» голубого, пурпурного и желтого тест-объектов в пространстве CMYK, конечно, не совпадают и не могут совпадать с характеристиками идеальных светофильтров, но процентное содержание в цвете этих объектов главенствующих компонентов (64, 72, и 99 %) достаточно высоко, а содержание непрозрачного компонента В (14, 3 и 1 %) заметно снижено.
На ниже представленном рисунке в качестве примера показана координатная зависимость уровня тона (профилограмма) наполовину запечатанного желтой краской образца газетной бумаги, снятая в зеленом свете. Печать струйная, сканирование проводилось в направлении, перпендикулярном границе печатного элемента с пробелом, на оси абсцисс откладывались номера точек наблюдения в строках тест-объекта.
-■-1-1-1-1-1-1-1-1-1-т-J-1-1-1-1-1-
О 20 40 ео 80 100 120 140 160 180
Оптическая профилограмма модельного оттиска
23
Видно, что при пересечении границы слоя краски уровень тона тест-объекта резко возрастает - от m ~ 182 до m ~ 206; длина этого «скачка» (т. е. поперечный размер пограничной зоны краска-пробел) 3-4 пикселя. При полном отсутствии локального растискивания эта величина равнялась бы единице; значит, показатель несанкционированного «затекания» краски в пробелы в данном случае равен приблизительно 2-3 пикселям.
Итак, исследование методом КРС одноцветных модельных оттисков с однослойными красочными слоями позволяет
количественно охарактеризовать масштабы снижения их качества за счет эффектов усиления тона и возрастания неоднородности слоев красок на бумажных субстратах;
обнаружить пробой красок на оборотные стороны листов несовершенного запечатываемого материала;
оценить влияние локального растискивания на качество тест-объектов;
установить дефектность прозрачных триадных красок, из-за которой снижается точность воспроизведения их цвета в процессе запечатывания струйным способом качественного бумажного субстрата;
доказать эффективность электрофотографической цветной печати. Приведенный перечень опций обсуждаемого метода удлиняется, если сканировать двух- и трехслойные композиции типа CM и CMY, нанесенные на поверхность субстрата. В этом случае становится доступным определение оптимальной последовательности наложения красок CMYK на запечатываемый материал при репродуцировании многоцветных изображений. Результаты такого сканирования показаны в табл. 3 и 4. Первый символ в обозначениях композиций соответствует слою, соприкасающемуся с субстратом (бумагой SvetoCopy). Печать электрофотографическая.
Таблица 3
Параметры цвета и неоднородности двухслойных композиций __красок CMYK_
Композиция Коэффициент R в цвете: Коэффициент K в цвете:
R G B R G B
CM 0,15 0,41 0,74 0,0004 0,0001 0,0001
MC 0,16 0,46 0,63 0,0001 0,0002 0,0003
CY 0,30 0,61 0,28 0,0002 0,0001 0,0001
YC 0,23 0,57 0,27 0,0003 0,0001 0,0003
YM 0,99 0,39 0,15 0,0003 0,0002 0,0004
MY 0,96 0,39 0,27 0,0001 0,0002 0,0003
Таблица 4
Показатели цвета и неоднородности трехслойных композиций __красок CMYK_
Композиция Коэффициент R в цвете: Коэффициент K в цвете:
R G B R G B
CMY 0,27 0,36 0,24 0,0004 0,0003 0,0005
CYM 0,27 0,36 0,23 0,0003 0,0002 0,0003
YCM 0,27 0,30 0,24 0,0003 0,0003 0,0003
YMC 0,40 0,35 0,17 0,0002 0,0002 0,0004
MCY 0,27 0,50 0,27 0,0003 0,0002 0,0004
MYC 0,27 0,30 0,27 0,0004 0,0003 0,0003
Чем меньше сумма значений коэффициентов отражения композиции в трех основных цветах, тем ближе ее цвет, получаемый при субтрак-тивном сложении трех составляющих, к ожидаемому черному. Из табл. 4 видно, что лучшая по указанному критерию последовательность наложения цветов - YCM, в которой первый слой (считая от субстрата) желтый, второй голубой, третий пурпурный. Такой результат согласуется с данными о светоотражении двухслойных композиций (см. табл. 3): комбинация СМ в триаде выгоднее, чем МС - она более однородна и эффективнее выделяет основной синий цвет, что от нее требуется.
Заключение. Исследование свойств однотонных цветных модельных оттисков методом компьютеризованного рефлектометрического сканирования продемонстрировало уникальные достоинства этого метода:
он универсален, применим для измерения параметров оптических свойств и запечатываемых материалов, и тест-объектов разного цвета в координатах пространства CMYK;
информативность метода КРС выше информативности общепризнанной фотометрии, поскольку он дает возможность определять не только усредненные показатели светоотражения и краскопроницаемости изучаемых объектов, но и характеристики их оптической неоднородности, а также визуализировать размывание границ печатных элементов оттисков;
метод КРС обладает высочайшей точностью, измеряемые с его помощью параметры получаются «мгновенным» усреднением отсчетов в десятках тысяч точек сканируемого объекта;
компьютеризованное сканирование отличает высокая скорость; нет препятствий для широкого внедрения метода КРС в практику. Оптическое сканирование модельных оттисков с одно-, двух- и трехслойными красочными покрытиями дало возможность количественно охарактеризовать совершенство прозрачных красок CMYK, используемых в струйной печати и в электрофотографии как светофильтры, найти оптимальную последовательность их наложения на запечатываемую бумагу.
Авторы выражают признательность Н.О. Топольниковой и К.О. Зо-ценко за участие в проведении опытов.
Список литературы
1. Киппхан Г. Энциклопедия по печатным средствам информации. М.: МГУП, 2003. 1280 с.
2. Кнабе Г.А. Оперативная полиграфия. Организация бизнеса и оперативное управление цифровой минитипографией. М.: Вильямс, 2007. 304 с.
3. Харин О.Р., Сувейздис Э.М. Цифровые технологии. Основные технологии и оборудование. М.: ООО «Книга по требованию», 2015. 358 с.
4. Виноградов Е.Л., Ваганов В.В. Оборудование и технологии печати. Прогрессивные полиграфические технологии. СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2018. 95 с.
5. Фиорини М., Молинари М. Основные параметры печатного процесса и их оперативный контроль. Гатчина ЛО.: Полигр. школа, 2001. 30 с.
6. Леонтьев В.Н. Методы и средства совершенствования печатных свойств бумаг в системе «бумага-краска-оттиск». СПб.: ГУРП, 2009. 170 с.
7. Борисенко Е.А., Виноградов Е.Л., Мартыненко С.В. Усиление тона в полиграфии // Saarbrucken: LAMBERT Academic Publishing, 2013. 62 p.
8. Кузнецов Ю.В. Основы технологии иллюстративной печати. СПб.: Русская культура, 2016. 438 с.
9. Домасёв М.В., Гнатюк С.П. Цвет, управление цветом, цветовые расчеты. СПб.: Питер, 2009. 224 с.
10. Виноградов Е.Л., Тропец В.А., Чекменёв К.А. Новый способ исследования оптических свойств запечатываемых материалов с применением сканирующих устройств, работающих на отражение // Дизайн. Материалы. Технология. 2015, №1 (36). С. 53 - 57.
11. Виноградов Е.Л., Коротков Д.С. Информационная технология исследования оптических свойств бумажных субстратов и модельных оттисков // Научно-технические ведомости СПб ПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. 2018. Т. 11. № 3. С. 29 - 36.
12. Бесплатная программа SciLab [Электронный ресурс]. URL: https://freeanalogs.ru/scilab (дата обращения 14.12.2019).
13. Конвертер цветов [Электронный ресурс]. URL: https:// color-scheme.ru/color-converter.html (дата обращения: 14.12.2019).
14. Цвета Pantone - Онлайн каталог Pantone [Электронный ресурс]. URL: https://colorscheme.ru/pantone-colors.html (дата обращения: 14.12.2019).
Виноградов Евгений Леонидович, д-р техн. наук, профессор, vinogradov-el@ramhler.rH, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Ваганов Вячеслав Владимирович, канд. техн. наук, профессор, доцент, prvaganov_sph@,mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
DIGITAL TECHNOLOGY OF RESEARCH OF PRINTED PAPERS AND COLOR TEST
OBJECTS
E.L. Vinogradov, V.V. Vaganov
The paper presents the results of using the computerized reflectometric scanning method to study the optical properties of paper substrates and printed on them model monochrome prints. Universality, high information content and prospects of application of scanning of the printed materials and polygraphic products for the purpose of increase of quality of reproduction are proved.
Key words: inkjet printing, electrophotography, scanning, color reproduction, reproduction quality.
Vinogradov Evgeniy Leonidovich, doctor of technical sciences, professor, vinogra-do v-e l@ram bler. ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Polytechnic university of Peter the Great,
Vaganov Vyacheslav Vladimirovich, candidate of technical sciences, professor, do-cent, prvaganov_spb@,mail. ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Polytechnic Uuniversity of Peter the Great
УДК 629.783
РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ БОРТОВЫХ СИСТЕМ МАЛОГАБАРИТНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НА ОСНОВЕ
ПРИМЕНЕНИЯ АППАРАТУРЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ В УСЛОВИЯХ ВРЕМЕННЫХ ОГРАНИЧЕНИЙ
А.В. Фарафонов, В. Л. Слатов
Описан подход к разработке и созданию элементов бортового комплекса управления и бортовых специальных комплексов малых космических аппаратов, основанный на использовании аппаратуры промышленной автоматизации. Предложенный подход позволяет создавать элементы бортовой аппаратуры космических аппаратов в ограниченные сроки небольшими коллективами разработчиков. Описан опыт создания бортовой аппаратуры малых космических аппаратов «Можаец-4» и «Можаец-5», созданных в Военно-космической академии имени А. Ф. Можайского.
Ключевые слова: космический аппарат, бортовая аппаратура, аппаратура промышленной автоматизации, промышленный компьютер, временные ограничения.
Традиционно создание образцов космической техники проводится с привлечением большого числа специалистов из широкого ряда научных и производственных организаций. Создаваемая техника является уникальной и требует для своего создания значительных материальных и временных затрат. Однако такой подход часто оказывается неприемлемым в жёстких условиях динамично развивающегося современного рынка космических услуг. Стоимость, а, главное, временные затраты зачастую оказываются решающими при создании бортовой аппаратуры современных космических аппаратов (КА). Кроме того, к применяемым при разработке узлам и комплектующим могут быть применены требования соответствия программе импортозамещения.
Высокая стоимость доставки разрабатываемой аппаратуры к месту функционирования и невозможность коррекции её работы после запуска порождают требование минимального риска отказа создаваемых элементов бортовых систем и комплексов космических аппаратов. При традиционном подходе к созданию космической техники это обеспечивается проведением большого объёма наземных испытаний как отдельных блоков, так и всей аппаратуры КА в целом, что требует значительных временных
27
