Детальная точность при полиграфическом воспроизведении изобразительной информации - оценка шумов

УДК 778.182.4.01

ДЕТАЛЬНАЯ ТОЧНОСТЬ ПРИ ПОЛИГРАФИЧЕСКОМ ВОСПРОИЗВЕДЕНИИ ИЗОБРАЗИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ - ОЦЕНКА ШУМОВ

Ю.С. Андреев, А.Ю. Гнибеда

В работе описан метод оценки шумов изображений, формируемых в полиграфическом репродукционном процессе, включая оценку шумов печатных оттисков, учитывающий восприятие изображений зрительной системой человека, проведена оценка шумов оттисков, полученных разными способами печати, на разных бумагах и с использованием различных растровых структур.

Ключевые слова: детальная точность, шумы изображения, структурные свойства, зрительное восприятие человека, репродукционная система, автотипное растрирование.

В работе [1] обоснована актуальность разработки методов оценки детальной точности при полиграфическом воспроизведении изобразительной информации. Составляющими компонентами детальной точности являются резкость и шумы изображения. Там же описаны разработанные методы оценки резкости на основе спектрального анализа и показана важность оценки шумов, возникающих в полиграфическом процессе, их влияние на детальную точность воспроизведения.

Шумы - нежелательные флуктуации и нарушения структуры изображения [2-5], которые неминуемо ведут к снижению качества репродукции. Шумы в полиграфическом процессе оказывают существенное влияние на детальную точность изображения. Причиной возникновения могут быть:

1. Дискретная структура, которая возникает при пространственной дискретизации изображения, главным образом, вследствие необходимости автотипного растрирования. Дискретная структура в условиях нормального восприятия должна быть интегрирована зрительной системой человека и превращена в равномерный тон. Однако вследствие наличия низкочастотной составляющей автотипная растровая структура полиграфической репродукции может восприниматься визуально с остаточными флуктуа-циями [6, 7].

2. Автотипная растровая структура в печатном процессе может воспроизводиться нестабильно - может происходить изменение размеров и формы растровых точек, их непропечатка и т.д. В результате равномерное растровое поле преобразуется в неравномерное по светлоте с более низкочастотными флуктуациями.

Таким образом, возникая на стадии растрирования, шумы могут трансформироваться и усиливаться на стадии печатного процесса. Шумовые характеристики полиграфической репродукции зависят от множества

245

факторов - типа и линиатуры растровой структуры, параметров печатного процесса, применяемой бумаги, краски, технологии нанесения красочного слоя. В то же время соблюдение постоянства тона больших фоновых участков является важнейшим критерием качества полиграфической продукции. Поэтому разработка методологии оценки, оценка факторов, влияющих на величину визуально воспринимаемых флуктуаций на растровом поле, которое должно быть постоянным по оптической плотности, являются актуальной задачей для полиграфии. Разработка метода оценки позволит правильно выбирать технологию воспроизведения - процесс растрирования, применяемые материалы, условия проведения печатного процесса и т.п. [1-6]. Цель данной работы — реализация этой возможности с использованием доступных для технолога программно-технических средств.

Разработка методов оценки шумов осуществлялось с опорой на методику, предложенную ранее в работе [6], в которой был предложен метод оценки визуально воспринимаемых флуктуаций, создаваемых автотипной растровой структурой в цифровом файле изображения или на фотоформе. Метод оценки основан на вычислении среднего значения и дисперсии гистограммы равномерного растрового поля [8,9]. Методология включает в себя:

1. Расчет распределения светлоты в изображении равномерного растрового поля с учетом фильтрации визуальным приемником человека в условиях нормального наблюдения.

2. Построение гистограммы для отражения исследуемого растрового поля. Гистограмма моделирует распределение светлот в изображении при восприятии его человеческим глазом с расстояния 30 см.

3. Определение дисперсии значений пикселей для растрового поля

[8, 9]:

а2 = ^ - Ш)2р

где 2 — значение светлоты конкретного пикселя; р(2) — гистограмма изображения; т — среднее значение светлоты:

т = ^ р2)

Дисперсия описывает перепад светлот в оцениваемой структуре, т. е. визуально воспринимаемое отклонение от средней светлоты. Это отклонение характеризует величину флуктуации, т. е. шум в изображении [5,6,9].

По этому методу была оценена величина шумов, формируемых в соответствии с упомянутой выше первой причиной, то есть остаточные флуктуации, создаваемые в частотном диапазоне восприятия человека самой растровой структурой.

В качестве объектов исследования использовался клин, растриро-ванный с применением регулярной растровой структуры с круглой формой точки и частотами 30 и 60 см-1, а также стохастической структуры со средними размерами растрового элемента 17 и 50 мкм. Результаты исследований представлены на рис. 1.

30

25

<и

В 1- 70

о

к к 15

о

а

о с 10

о

к

4 5

Т-^-ч

/ 1 г > ( А

1 / 1 ) 2 / ( 1 ч 1

! 1 ? \

) ( ( ! 1 \ \ Л *

Г Г- Л—1 1. А- 7 «"М 1

40.8

5 0.6

к

к

§-0.4

с о

ч:о.2

0 20 40 60 80 100 Растровое поле, %

/ / 4 /

О-} • < 1 • < ГТГ!^ И

—•—V

20 40 60 80 Растровое поле, %

100

Рис. 1. Значение дисперсии для растровых структур: 1 - стохастической 50 мкм; 2 - регулярной 30 см 3 - стохастической 17 мкм; 4 - регулярной 60 см

-1. >

-1

Анализ результатов оценки шумов для регулярных и стохастических растровых структур позволяет установить зависимость дисперсии от частоты, типа растровых структур и формы растровой точки.

Но главный интерес вызывает шум, полученный на конечной стадии репродуцирования, то есть возникший в печатном оттиске по упомянутой выше второй причине.

Разработка методов оценки параметров шумовой структуры печатного оттиска, воспринимаемой зрительной системой человека на расстоянии нормального рассматривания как отклонения однородности (флуктуации) запечатываемого равномерного поля, уже описано в работе [5]. Опи-

санная методика основана на использовании традиционных полиграфических систем - промышленных сканеров, фотовыводных устройств и т.д. Но традиционные полиграфические системы, используемые в рамках описанного метода, должны обеспечивать высокие требования к разрешению сканирования. Может возникать необходимость восстановления структуры сканируемого изображения, что в свою очередь может приводить к искажениям истинных размеров и формы растровых точек.

Учет ФПМ зрительного анализатора на стадии считывания позволяет смягчить требования к разрешению считывания и избежать необходимости восстановления структуры считываемого изображения. В связи с этим для оценки шумов печатного оттиска в данной работе в качестве системы считывания использовалось цифровое фотографирование, моделирование визуального восприятия осуществлялось посредством коррекции фильтра зрительного анализатора с учетом размытия, вносимого системой считывания.

Зеркальные цифровые фотоаппараты в настоящий момент обладают относительно высоким разрешением, гибкой системой настройки параметров съемки и являются вполне доступными.

Объектами исследования являлись печатные оттиски клина, рас-трированного с использованием следующих структур:

1. Регулярные растровые структуры с круглой и эллиптической формой растровой точки, линиатура 150, 175, 200 lpi. Оборудование для получения фотоформ — Aqfa Avantra 25S.

2. Нерегулярные растровые структуры Heidelberg Satin Screening, Creo Scitex Fulltone, Creoturbo FM.

Оттиски получены способом офсетной плоской печати на машине Heidelberg GTO52 на бумагах мелованных

(300 г/м2) и без покровного слоя

(280 г/м2).

3. Регулярные растровые структуры с круглой, эллиптической и квадратной формой растровой точки с линиатурой 139 и 156 lpi, растриро-ванные с помощью программ и оборудования фирмы Esko. Оттиски данных структур получены флексографским способом печати на машине flex-press 8 на пленке «полипак».

Съемка осуществлялась с использованием объектива Nikon 40mm f/2.8G AF-S DX Micro NIKKOR и цифровой зеркальной камеры Nikon D5100 с CMOS - матрицей 23,6x15,6 мм. и разрешением 4928x3264. Режим съемки - диафрагма - f/10, выдержка - 1/50 с. Условия съемки - равномерное освещения со стандартной цветовой температурой (5000К).

Обработка данных осуществлялась с использованием следующего программного обеспечения: Matlab, sfrmat3, Adobe Photoshop.

С помощью цифрового фотографирования были получены цифровые файлы изображений. Дальнейшая оценка уровня шума осуществлялась по светлотному каналу.

Как уже было сказано в [1,2,5], наиболее сложная задача, которую необходимо решить - моделирование зрительного восприятия, которое необходимо реализовать в условиях, когда система считывания имеет свою частотную характеристику, создающую размытие. Задача моделирования визуального восприятия сводится к получению ФПМ этого восприятия с учетом ФПМ фотографирования.

Для измерения ФПМ системы фотографирования был изготовлен тест-объект, моделирующий край полуплоскости - изображение плашки с максимальной оптической плотностью, записанной на контрастную фототехническую пленку с помощью фотовыводного устройства. Производилось фотографирование края полуплоскости, и по методу [10] рассчитывалась ФПМ фотографирования.

Данные по ФПМ человеческого глаза были взяты из [6,7]. ФПМ, необходимая для моделирования зрительного восприятия, была получена делением ФПМ зрительного анализатора на ФПМ системы (рис. 2). По полученной ФПМ была получена ФРТ, с которой осуществлялась свертка изображений оттисков [8,9].

и

к н о

к к а

0,6

£ 0,4 о

•е 0,2

о «

0

„1

2 3

0 2 4 6 8 10 12 14 Частота, см-1

1

Рис. 2. Получение ФПМ, обеспечивающей моделирование зрительного восприятия: 1- ФПМ системы фотографирования;

2 - ФПМ зрительного анализатора; 3 -необходимая ФПМ, учитывающая характеристики системы фотографирования и

зрительного анализатора

На основании полученных значений дисперсии для различных растровых полей были построены зависимости значений дисперсии для анализируемых структур от 8отн (рис. 3 - 7):

249

« е

к 6 ,то6

§ 4

с р

е

п2 сп2

s « 0

i ^ [ -Д.3 I » 1

y

0

« е

к 6

то,

§ 4

с р

е п2

с

s « 0

b>3f

J r

4 /

]

20>

40 60 астровое поле,

•i80

100

0

20>а

100

40 60 -"астровое поле,

а б

Рис. 3. Значение дисперсии для регулярных структур с круглой формой растровой точки, отпечатанных офсетным способом печати на мелованной бумаге 300 г/м2 (а) и на бумаге без покровного слоя 280 г/м2 (б): 1 -150 lpi; 2 -175 lpi; 3 - 200 lpi

8

«

е

X т 6

о

§ 4

o

р

е 2

п

с

s

« 0

^ 3

Л У Г< Г—р—1

20 40 60 Растровое поле

а

8

е

X 6

т

о

¡3 4

о

р

е п 2

с

s

0

0 100

ж

fa Y ^ Л

20Р

40 60 о астровое поле, %

б

100

Рис. 4. Значение дисперсии для регулярных структур с эллиптической формой растровой точки, отпечатанных офсетным способом печати на мелованной бумаге 300 г/м2 (а) и на бумаге без покровного слоя 280 г/м2 (б): 1 -150 lpi; 2 -175 lpi; 3 - 200 lpi

10 8

6

«

S л

о 4 р

е п с

s « 0

2

2 2 1

3 /у i t\

L M k ТкЛ

Ç* h [

0

.10

«

S 8

к т

° 6

S 4

р

е п с

s «

П

A с К

^ î 6 \ ^ A \

(У

2Ра

40 60

100

0

2Ра

40 60

астровое поле, i Растровое поле,

Рис. S. Значение дисперсии для нерегулярных структур, отпечатанных офсетным способом печати на мелованной бумаге З00 г/м : 1 - HDS Super 42 мкм; 2 - Super Fine 11 мкм; З -Creo Turbo FM; 4 - HDS Coarse 26; S - Heidelberg Satin Screening; 6 - Creo Scitex Fulltone

100

8

0

0

1G

«

: s

& б «

S 4 р

п2 пс

s

« G

1G

«

S s

к

т 0 б

о 4 р

к

п2 с2

s

l=í n

5

4

G

2Р,

4G 6G о астровое поле, %

1GG

G 2Û 4G 60 nBG 1GG Растровое поле, %

Рис. б. Значение дисперсии для нерегулярных структур, отпечатанных офсетным способом печати на бумаге без покровного слоя

2S0 г/м : 1 - HDS Super 42 мкм; 2 - Super Fine 11 мкм; 3 -Creo Turbo FM; 4 - HDS Coarse 2б; S - Heidelberg Satin Screening;

б - Creo Scitex Fulltone

4

«

<u X

то,

«

S

с р

пс2

S «

G

) i Д Г—-л л

1—в—Е iг Г"*^ <

л 2

^ A еб

X

ë « 4

s

с р

cd о п2 с

S «

G

• 1

f/л в4* л »

fc*

G

20 40 60 so Растровое поле, %

100

G

2Ра

100

40 60 -"астровое поле,

а б

Рис. 7. Значение дисперсии для регулярных структур с линиатурой

1391рЬ (а) и 1561р1 (б), отпечатанных флексографским способом

печати на пленке «Полипак» и имеющих различную форму растровой

точки: 1 - круглая; 2 - эллиптическая; 3 - квадратная

s

s

Результаты эксперимента показывают зависимость дисперсии от частоты растровых структур, от применяемого материала, от размера и формы растровых точек. Как и в полученных ранее результатах [5], высо-колиниатурный растр (200 1р1) при одинаковых условиях печатания дает большие отклонения по сравнению с низколиниатурными структурами, что подтверждает предположение о увеличении нестабильности процесса воспроизведения формы и площади растровых точек при увеличении линиа-туры и при одинаковых условиях проведения печатного процесса. Также выявляется ожидаемый результат - зависимость уровня шума от типа используемого запечатываемого материала - уровень дисперсии выше для оттисков, напечатанных на материале без покровного слоя.

251

Как и можно было ожидать, анализ результатов для нерегулярных структур показывает, что уровень шума выше для крупнозернистых структур по сравнению с мелкозернистыми.

Для флексографской печати на гладкой пленке значения шума меньше сравнительно с шумами для офсетной плоской печати на бумажном носителе.

Разработанная методика дает инструмент для выбора оптимальных технологических решений, по выбору оборудования и режимов его применения, обеспечивающих наименьшие флуктуации на равномерном растровом поле, а следовательно, получение высококачественной репродукции по одному из важнейших рабочих критериев качества печатной продукции.

Список литературы

1. Андреев Ю.С., Гнибеда А.Ю. Детальная точность при полиграфическом воспроизведении изобразительной информации - оценка резкости // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 12. Ч. 2. С. 139 - 150.

2. Фризер Х. Фотографическая регистрация информации. М.: Мир, 1978. 670 с.

3. Андреев Ю.С., Каныгин Н.И., Позняк Е.С., Решетникова Е.Р. Технология обработки изобразительной информации. Моделирование и исследование процессов Методическое руководство. М.: МГУП, 2000. 70 с.

4. Ismo Heikkila. Resolution management in image reproduction: part 1

- characterization of the resolution profile of the device // Journal of Imaging Science and Technology. 2001. Vol. 45, №. 5. P. 495-502.

5. Гнибеда А. Ю., Андреев Ю.С. Разработка метода оценки визуального восприятия однородности печатного изображения // Известия ВУЗов. Проблемы полиграфии и издательского дела, 2016. №4. С. 63-70.

6. 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. C. 78 - 87.

7. Андреев Ю.С., Позняк Е.С., Андреева В.И. Об оценке структуры растровых изображений в фоторепродукционном процессе // Журнал научной и прикладной фотографии и кинематографии. 1973. Т. 4. № 3. С. 163

- 170.

8. Гонсалес Р., Вудс Р., Эддинс С. Цифровая обработка изображений в среде MATLAB. М.: Техносфера, 2006. 616 с.

252

9. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. М.: Техносфера, 2012. 1072 с.

10. Quick mtf [Электронный ресурс]. URL: http://ru.quickmtf.com/ (дата обращения 24.09.2017).

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

Гнибеда Артем Юрьевич, асп., artemgnibeda@yandex. ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет.

DETAILED PRECISION IN THE POLYGRAPHIC REPRODUCTION OF IMAGES - EVAL UA TION OF IMAGE NOISE

Y.S. Andreev, A.Y. Gnibeda

The paper presents the methodfor evaluation of image noise formed in the reproduction process including evaluation noise of а printed impressions and considering visual perception of images by the human visual system. Evaluated noise of the printed impressions obtained by different printing methods, on different papers and using different raster structures.

Key words: detailed precision, image noise, structural properties of images, visual perception by the human visual system, reproduction process, halftone screening.

Andreev Yurij Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, andreev.yury. s@,mail. ru, Russia, Моscow, Moscow polytechnic university,

Gnibeda Artem Yur'evich, postgraduate, artemgnibeda@yandex. ru, Russia, Моscow, Moscow polytechnic university