Оценка гистограммных преобразований в печатном процессе

СТАНДАРТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ КА ЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ

УДК 655.3.027.3

ОЦЕНКА ГИСТОГРАММНЫХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ В ПЕЧАТНОМ

ПРОЦЕССЕ

Е.А. Пухова, Ю.С. Андреев, О.В. Панкин

Изучена возможность применения метода гистограммного анализа для оценки процесса воспроизведения растровых изображений в печатном процессе. Рассмотрен процесс преобразования гистограммы изображения на всех стадиях технологического процесса полиграфического производства, впервые оценены гистограммные преобразования в печатном процессе на примере оттисков, полученных на печатной машине, работающей по технологии сухого электростатического переноса фирмы ЫеокРго С71108Х.

Ключевые слова: гистограмма, автотипное растрирование, печать, гисто-граммное преобразование.

Важнейшим фактором, обеспечивающим конкурентоспособность полиграфического предприятия, является качество выпускаемой печатной продукции. Высококачественная печатная продукция обычно хорошо иллюстрирована. Использование сильно различающихся по свойствам оригиналов и печатных бумаг, способов печати, приводит к необходимости настройки, коррекции процесса воспроизведения практически для каждого выполняемого заказа и даже отдельного оригинала. Главным объектом внимания при этой настройке, в основном определяющим качество продукции, служит воспроизведение изобразительной информации.

При настройке и коррекции процесса воспроизведения изобразительной информации для оценки и регулирования полученного результата обычно применяют параметры, характеризующие качество - передачу градаций, цветовые данные, детальную точность.

Однако эти параметры являются производными от такого непосредственно воспринимаемого наблюдателем свойства изображения, как распределение светлот, которое формирует вышеперечисленные параметры.

298

Для цветного изображения, представленного в координатах СМУК, распределение интенсивности сигнала в каждом канале можно трактовать как аналог распределения сигнала светлоты для ахроматического изображения.

Для описания распределения светлот (интенсивностей) сигнала применяют такую характеристику, как гистограмма. Гистограмма показывает зависимость площади, занимаемой определенным значением светлоты (интенсивности) сигнала, от величины этого значения. Конечно, из гистограммы непосредственно не рассчитываются перечисленные параметры изображения - градационная характеристика, детальная точность, цветовые свойства. Но связь этих параметров с гистограммой безусловно существует. Об этом свидетельствуют, например, методы воздействия на градацию изображения посредством обработки его гистограммы [1].

Применение гистограммных методов коррекции градации и цвета изображений, предназначенных для полиграфического воспроизведения, интересно тем, что предложенные методы коррекции приведением гистограммы по закону нормального распределения [2,3] обладают свойством универсальности, так как положительные результаты коррекции практически не зависят от семантики корректируемых изображений. Универсальность коррекции дает возможность унификации, автоматизации сложных процессов допечатной подготовки изобразительной информации, обычно требующих индивидуального подхода к каждому изображению. Поэтому применение гистограммных преобразований в полиграфическом репродукционном процессе заслуживает дальнейшего развития.

К настоящему времени изучено применение гистограммных преобразований к обработке цифровых файлов на стадии допечатной подготовки информации, и показана эффективность этих методов для всего репродукционного процесса, включая стадию печатания. Но остается открытым вопрос, как воздействует на результаты преобразований стадии процесса, следующие за обработкой цифровых файлов - стадия автотипного растрирования, стадия печатания. Необходимо контролировать и учитывать влияние растровой структуры и печати на воспроизведение равномерных тонов, ее шумовые характеристики. В [4, 5, 6 ] показана связь гистограмм-ных преобразований со структурой, создаваемой при автотипном растрировании. В печатном процессе происходит изменение динамического диапазона изображения, изменение градационной характеристики за счет усиления тона и, как показано в [7, 8], такие преобразования приводят и к гис-тограммным преобразованиям. Показано также [9], что градационные и гистограммные преобразования не в полной мере тождественны.

Целью данной работы является оценка возможности распространения гистограммного метода на контроль и оптимизацию растрового печатного процесса. Для решения поставленной задачи необходимо разработать методику оценки гистограммных преобразований в растровом печатном процессе, оценить, какие гистограммные преобразования характерны для разных стадий репродукционного растрового процесса, исследовать влияние условий проведения печатного процесса на гистограммные преобразования.

Если рассмотреть последовательность преобразований градации и соответственно гистограммы в репродукционном процессе полиграфии, то можно выделить несколько основных стадий (рис. 1).

1

Рис. 1. Гистограммные преобразования, соответствующие стадиям полиграфического репродукционного процесса 1 - цифровое изображение; 2 - корректированное изображение; 3 -растрированное изображение; 4 - печатный оттиск; 5 - визуально воспринимаемое (дерастрированное) изображение

Если оригинал представлен в аналоговой форме, производят преобразование аналогового изображения, включающее дискретизацию яркост-ного сигнала, пространственную и по уровню. В результате такого преобразования изображение представляется набором пикселей с ограниченным числом значений уровня светлоты, и превращается в цифровое. Исходное изображение может быть сразу представлено в цифровом виде.

Для цифрового изображения распределение светлот в изображении возможно описать гистограммой (рис.1-1). Затем при необходимости проводят градационные или гистограммные преобразования для регулирования общего или локального в пределах тонового диапазона усиления или ослабления тона. Эти преобразования определяют изменение гистограммы (рис. 1-2). На следующей стадии осуществляется преобразование пикселей в определенный размер растровой точки, зависящий от уровня светлоты в соответствии с выбранными параметрами растрирования, то есть проводится автотипное растрирование. В результате автотипного растрирования в изображении остается только два уровня светлоты (рис. 1-3). Гистограмма такого растрового изображения имеет два пика, соответствующих значениям светлот пробелов и растровых точек, которые определяются условиями бинаризации. На следующей стадии, в печатном процессе, изменениям могут подвергаться и размеры растровых точек, и качество их пропечатки (рис.1-4). Соответственно изменяется гистограмма - происходит расширение пика гистограммы, характеризующего распределение светлотв

300

отпечатанных растровых точках. Может расширяться и пик, характеризующий распределение светлот неравномерного отражения от бумаги. И наконец, на последней стадии, на стадии визуального восприятия наблюдателем репродуцированного изображения, растровые точки, полученные на оттиске, преобразуются в тоновый сигнал в результате фильтрации растрового изображения глазом человека как фильтром нижних частот. Эту стадию называют визуальным дерастрированием. На этой стадии формируется распределение тонов изображения и гистограмма (рис. 1-5), которую можно сравнивать с гистограммой исходного изображения

Подводя итоги изложенного, можно констатировать, что начальное распределение светлот оригинала, то есть его гистограмма, в процессе воспроизведения проходит ряд стадий преобразования, в числе которых имеются нелинейные преобразования с неоднозначным воздействием на гистограмму. При этом в конце преобразований мы стремимся получить гистограмму, схожую с гистограммой исходного изображения, или откорректированную в (рис.1-2) согласно требованиям оптимизации распределения яркостей в конечном изображении на оттиске.

Если мы хотим полностью управлять оптимизацией воспроизведения, надо изучить процесс преобразования гистограммы на всех стадиях процесса, в том числе в растровом печатном процессе.

Для оценки гистограммных преобразований в растровом печатном процессе предлагается следующая методика:

1. Выбор тест-объекта, оценка его гистограммы

2. Растрирование и печать тест-объекта при разных условиях проведения печатного процесса

3. Сканирование оттисков для получения гистограммы оттиска

4. Моделирование процесса визуального дерастрирования

5. Оценка гистограммы оттиска

В качестве первого тест-объекта была создана тоновая шкала в цифровой версии, обладающая гистограммой с равномерным распределением (рис.2).

а

0 50 100 150 200 250

Светлота

б

Рис. 2. Тоновая шкала: а - вид шкалы; б - гистограмма

301

Тоновая шкала растрировалась регулярным растром с линиатурой 60лин/см и печаталась на печатной машине фирмы RicohProC7110SX, работающей по технологии сухого электростатического переноса. В качестве переменных условий печатного процесса применялось изменение запечатываемого материала. Свойства бумаги могут влиять как на динамический диапазон, так и на процесс усиления тона. Использованы бумаги: ColorCo-py с плотностью 160 г/м , Colotech+glosscoated с плотностью 120 г/м .

Основным условием для анализа гистограммных преобразований в печатном процессе является представление оттиска в цифровой форме, для чего необходимо сканировать оттиск для оценки распределения светлот. Определяющим параметром сканирования является разрешение считывания. При выборе разрешения необходимо руководствоваться тем, что растровая структура должна быть отображена возможно более точно. Использовано разрешение сканирования 1200 dpi. Далее переходим к моделированию визуального восприятия оттиска. Процесс визуальногодерастриро-вания проводится по методике, описанной в [4]. Гистограммы оригинальных тоновых шкал и оттисков представлены на рис. 3.

Светлота

а

Светлота б

Рис. 3. Гистограммы тоновой шкалы и печатных оттисков, полученных на двух бумагах: а - Со1огСору; б - Colotech+glosscoated

302

Гистограммы оттисков можно сравнить с гистограммой исходной шкалы. Печать приводит к сужению гистограммы. Кроме того, при некоторых уровнях светлот появляются подъемы и провалы в гистограмме оттиска.

Причин наблюдаемых результатов может быть несколько.

Как было показано в [4, 6], при оценке гистограмм растровых полей с различной относительной площадью растровой точки (8отн) наблюдается зависимое от значений 8отн полей растровой шкалы изменение формы гистограммы. На рис. 4 приведены гистограммы светлот, получаемых при визуальном восприятии равномерных растровых полей. Гистограмма на равномерном растровом поле с постоянной площадью и светлотой растровых точек должна иметь пиковое распределение, соответствующее постоянному значению светлоты на поле. Однако вследствие воспринимаемых визуально остаточных флуктуаций растровой структуры происходит различное для разного тона увеличение ширины моды гистограммы. Для печатного оттиска расширение моды ещё больше увеличивается вследствие неравномерности распределения красочного слоя на растровых точках. Вид гистограммы зависит от применяемой растровой структуры, от свойств запечатываемой бумаги, от настройки технологических параметров печатного процесса.

Рис. 4. Воспроизведение растровой структуры при моделировании визуального восприятия и полученные гистограммы

Такой вид гистограммы равномерного поля свидетельствует о том, что величина тона на оттиске, которая теоретически должна иметь постоянное значение, в действительности непостоянна. Расширение мод гистограмм соседних полей свидетельствует об изменении локальных контрастов, о снижении контраста между полями, ухудшении их раздельной передачи.

Непостоянство значения тона можно также трактовать как появление шумовой структуры.

На расширение моды гистограммы, на её смещение по шкале светлот может дополнительно влиять явление усиления тона в печатном изображении.

Характерные для данного печатного процесса и применяемой бумаги величины светлот сплошной запечатанной поверхности и бумаги определяют смещение начальной и конечной точек гистограммы.

303

Наличие указанных явлений делает целесообразным использование в качестве тестового изображения ступенчатой тоновой шкалы. В этом случае гистограмма исходного тест-объекта после дерастрирования представляет собой линейчатую функцию с пиками, соответствующими постоянным величинам светлот полей шкалы. Исходная шкала имеет 16 полей. Вид тестовой шкалы и ее гистограмма представлена на рис. 5.

б

Рис. 5. Тестовая ступенчатая шкала: а - вид шкалы; б - гистограмма

Использование тест-объекта такого типа позволяет оценить более детально гистограммные преобразования, возникающие в печатном процессе. Их результат показан на рис. 6.

1 У у У У У у и

Г 1 1 1 0 50 100 150 200 Светлота а 250

г г и V/ X 'Ч А л 1 А Л] [ Л А

0 50 100 150 200 250

Светлота

б

Рис. 6. Гистограммы тестовой ступенчатой шкалы и оттисков на различных бумагах:а - Со1огСору; б - СоШеск+ц1о88соа1ей

304

Оценка гистограмм оттисков ступенчатой шкалы показала, что в результате печати наблюдается преобразование дискретной структуры гистограммы с фиксированными значениями дискретных составляющих в структуру с распределением, похожим на синусоидальное. Происходит также смещение максимумов гистограммы оттиска относительно максимумов гистограммы оригинала.

Возможна не только визуальная оценка гистограмм и их сравнение с гистограммами оригинала, но и определение некоторых количественных параметров, определяющих степень влияния репродукционного процесса. В качестве таких параметров возможно использовать амплитуду сформировавшихся колебаний, их смещение и ширину. На данные параметры могут повлиять, как было показано выше, растровая структура, условия печатного процесса.

На гистограмме оригинала наблюдается 16 дискретных значений максимумов, на гистограмме оттисков количество максимумов уменьшается до 14 - изображение теряет контраст относительно исходного и деление полей шкалы. При печати на обеих бумагах произошло смещение светлоты первого поля к значению светлоты, соответствующему второму полю оригинальной шкалы. Это вызвано невозможностью получения на оттиске красочных слоев с значением светлоты, равной или близкой нулю, и характеризует уменьшение динамического диапазона оттиска сравнительно с исходной информацией.

Для бумаги ColorCopy наблюдается снижение максимумов гистограммы в области теней до значений 0,04-0,07 относительно максимумов гистограммы оригинала, принятых за единицу. Такое снижение характеризует уменьшение различий контраста полей оттиска, плохую проработку деталей в тенях. Для обоих оттисков наблюдается смешение максимумов гистограмм в области полутонов. Максимальные смещения возникают для бумаги Colotech+glosscoated, они составляют 12-14 значений светлоты. Данное явление связано с градационными искажениями, усилением тона. При этом амплитуда колебаний в структуре гистограммы для этой бумаги более стабильна во всем тоновом диапазоне, и изменяется от 0,06 до 1,00, что свидетельствует о более четком и контрастном разделении полей тоновой шкалы по сравнению с разделением полей на бумаге ColorCopy.

Интересным и важным для целей оценки результатов и возможного последующего регулирования процесса воспроизведения является заметная корреляция тоновых зон для отмеченных преобразований гистограммы ступенчатой тестовой шкалы и для показанных на рис. 3 преобразований гистограммы тоновой шкалы.

Для обеих бумаг идентичность гистограмм оттисков в пределах тиража 50 экземпляров показывает стабильность результатов гистограммно-го контроля в условиях стабильности печатного процесса.

305

Таким образом, в результате анализа гистограмм оттисков можно констатировать, что гистограммные преобразования в печатном процессе существенны, зависят от условий проведения печатного процесса. Это дает возможность предположить, что применение метода гистограммного анализа может послужить основой разработки новых подходов к созданию объективных методов контроля печатного процесса, а также новых подходов к управлению оптимизацией этих процессов.

Статья подготовлена при поддержке ООО «РИКО Рус».

Список литературы

1. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений; пер. с англ. М.: Техносфера, 2006. 1072 с.

2. Андреев Ю.С.,Пухова Е.А. Применение гистограммной коррекции для устранения градационных искажений при цифровой обработке изображений // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2014. №6. С. 40-46.

3. Пухова Е.А., Андреев Ю.С. Коррекция цвета изображений методом приведения гистограммы по закону нормального распределения // Известия Тульского государственного университета.Технические науки. 2017.Вып. 6. С. 335-347.

4. Гурьянова О. А., Андреев Ю.С. Метод оценки флуктуационных характеристик растровых структур по статистическим параметрам гистограммы // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2015. №3. С. 78 - 87.

5. Гурьянова О. А., Андреев Ю.С. Метод оценки воспроизведения деталей изображения в процессах автотипного растрирования по статистическим параметрам гистограмм растрового поля // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2015. №4. С. 105-117.

6. Андреев Ю.С., Гурьянова О.А., Пухова Е.А. Методы гисто-граммных преобразований и контроля в процессах полиграфического воспроизведения изображений // Информация: передача, обработка, восприятие: материалы международной научно-практической конференции (Екатеринбург, 12-13 января 2016 г.). Екатеринбург: УрФУ, 2016. С. 68-80.

7. Гнибеда А.Ю., Андреев Ю.С. Разработка метода оценки визуального восприятия однородности печатного изображения // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела,

2016. №4. С. 63-70.

8. Андреев Ю.С., Гнибеда А.Ю. Детальная точность при полиграфическом воспроизведении изобразительной информации - оценка шумов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки.

2017. № 12-2. С. 245-253.

9. Пухова Е.А., Андреев Ю.С., Винокур А.И. Анализ и сопоставление методов градационных коррекций изображений, предназначенных для полиграфического воспроизведения // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2016. №3. С. 28-34.

Пухова Екатерина Александровн, канд. техн. наук, доцент, ea.puhova@mail.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,

Андреев Юрий Сергеевич, д-р техн. наук, профессор, Andreev.yury.s@mail.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,

Панкин Олег Викторович, канд. техн. наук, руководитель департамента продуктового маркетинга, Oleg.pankin@ricon.ru, Россия, Москва, ООО «РИКО Рус»

EVAL UA TION OF HISTOGRAM TRANSFORMA TIONS IN THE PRINTING PROCESS

E.A. Pukhova, Y.S. Andreev, O.V. Pankin

The possibility of using the method of histogram analysis to estimate the process of reproducing raster images in a printing process was studied. The process of image histogram transformation at all stages of the technological process of printing production is considered. Histogram transformations in printing are estimated for the first time, using imprints obtained on a printing machine using the dry electrostatic transfer technology of Ricoh Pro C7110SX

Key words:histogram, rasterization, printing, histogram conversion.

Pukhova Ekaterina Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, ea.puhova@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,

Andreev Yury Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, An-dreev.yury.s@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,

Pankin Oleg Viktorovech, candidate of technical sciences, Head of Product Marketing Department, Oleg.pankin@ricon.ru, Russia, Moscow, Ricoh Rus, Ltd.