СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ РАСХОДА КРАСКИ ПРИ ПЕЧАТИ
METHOD AND SYSTEM FOR REDUCING INK CONSUMPTION WHEN PRINTING

Изобретение относится к области цифровой печати, в частности к системам и способам экономии краски при выводе текста или изображения на принтер, и может найти применение в операциях, связанных с выполнением значительного объема печатных работ.
В описании изобретения в качестве синонима краски употребляется также термин тонер, который следует понимать как обобщенное название любых типов красок, используемых при печати, включая красящий порошок, жидкие чернила и т.п.
Из уровня техники известны различные подходы к решению проблемы экономии тонера в устройствах печати, из которых наибольший интерес представляют технические решения, основанные на специальной обработке растеризованного изображения печатаемой страницы. Общей практикой при печати в черновом режиме является уменьшение оптической плотности всего изображения при его растеризации. Для электрофотографических и струйных устройств печати уменьшение оптической плотности достигается путем увеличения яркости пикселов растеризуемых графических объектов до их растеризации, при которой используется полутонирование, или путем изменения порогов полутонирования. Например, патент США 5646670 предлагает устройство и метод для уменьшения расхода чернил путем уменьшения оптической плотности для всего печатаемого цветного изображения. Патент США 5946450 описывает способ уменьшения расхода тонера или чернил в растеризуемом изображении путем изменения функции передачи уровней, которая осветляет изображение в целом. Патент США 6476836 описывает устройство формирования изображения, в котором пикселы изображения, имеющие значения больше порога, конвертируются в предопределенный шаблон, полученный в результате широтно-импульсной модуляции, а пикселы изображения, имеющие значения меньше порога, не печатаются. Уменьшение оптической плотности для всей страницы значительно ухудшает качество печати: текстовые символы приобретают рваные края, текст выглядит заметно хуже напечатанного в нормальном режиме, глаза устают читать подобный текст, иногда такой текст не распознается программами оптического распознавания символов, заметно искажаются фотографии.
Для улучшения внешнего вида напечатанных страниц и, в первую очередь, улучшения качества текста существует несколько подходов для предохранения краевых точек печатаемых областей и уменьшения оптической плотности только для внутренних пикселов этих областей. Патент США 5483625 предлагает обнулять значения точек в растрированном изображении согласно заданному (регулярному) шаблону, но краевые точки связных областей, в том числе и символов, остаются без изменений. Таким образом, внутри связных областей получается регулярная структура (текстура), образованная фрагментами фона. Патент США 6266153 и патент США 7330288, который выбран в качестве прототипа заявляемого изобретения, описывают способы для уменьшения оптической плотности только для внутренних точек связных областей. Напечатанные посредством перечисленных методов страницы выглядят лучше, но текстура внутри областей хорошо заметна, иногда обработанный таким образом текст не распознается программами оптического распознавания символов, полутоновые фотографии и регионы, заполненные градиентными заливками, искажаются, причем особенно сильно искажаются при цветной печати, так как вероятным становится возникновение цветовых искажений.
Для экономии тонера был предложен специальный TrueType шрифт с названием Ecofont. Благодаря заложенным в описание данного шрифта отверстиям внутри символов шрифта достигается до 20% экономии по сравнению со сплошными символами. Ecofont можно считать удачным решением для черновой офисной печати, но в остальном этот шрифт имеет множество недостатков: Ecofont содержит только одну гарнитуру и поддерживает только европейские языки, основанные на латинице, Ecofont плохо смотрится на экране PC и на напечатанных документах для размера символов более 30 типографских пунктов, кроме того, символы размером более 30 типографских пунктов не распознаются программами оптического распознавания символов, степень экономии тонера никак не регулируется.
Существующие подходы имеют два основных недостатка:
- внешний вид документа, напечатанного в режиме экономии, заметно хуже, чем документа, напечатанного в нормальном режиме;
- обработка целой растеризованной страницы требует значительных вычислительных ресурсов или дополнительного оборудования.
Большинство возникающих дефектов перечислено выше. Наиболее серьезными можно назвать следующие: полутонированные фотографии и области, заполненные градиентными заливками, искажаются, текст остается читаемым, но выглядит значительно хуже, чем сплошной черный текст. Фиг.1 показывает пример текста размером в 14 пунктов, напечатанного различными способами. Страница с текстом была сканирована с разрешением 600 точек на дюйм, соответственно на Фиг.1 текст показан увеличенным приблизительно в 6 раз. Фиг.1.1 демонстрирует результат повышения яркости всего изображения на 25%, что для электрофотографических и струйных принтеров достигается посредством полутонирования; Фиг.1.2 - это результат повышения яркости на 25% только для внутренних точек символов, а краевые точки не изменяются; Фиг.1.3 - это текст, напечатанный шрифтом Ecofont; Фиг.1.4 - результат печати сплошным черным цветом без экономии тонера. Все вышеприведенные способы модификации символов хорошо заметны по сравнению с нормальным режимом печати.
Фиг.2 показывает упрощенную схему обработки для экономии тонера в существующих методах. Как правило, обрабатывается все растеризованное изображение, а в случае цветного изображения обрабатываются битовые карты для каждой используемой при печати краски. Данная схема соответствует схеме растрирования в стандартных протоколах печати, таких как Postscript и PCL. Изображения, векторные примитивы, такие как прямые и кривые, текст растеризуются отдельно друг от друга, а затем копируются в битовые карты страницы. Растеризация шрифта из векторного описания, такого как TrueType и PS Type 1, в битовую карту требует значительных вычислительных ресурсов. По этой причине растровые процессоры (RIP) и для Postscript и для PCL применяют кэш шрифтов для хранения битовых карт растеризованных символов. Дополнительная обработка, направленная на экономию тонера, осуществляется после того, как будут сформированы битовые карты для целой страницы или ее значительной части. Битовая карта для всей страницы имеет большой размер, для ее обработки требуется значительное время.
Предлагаемое изобретение решает задачу снижения расхода тонера при сохранении высокого качества печати.
Технический результат достигается за счет разработки усовершенствованного способа растеризации шрифтов и системы, реализующей заявляемый способ. При этом предложена система, включающая в себя:
- растеризатор шрифта, выполненный с возможностью растеризации символа из описания, содержащегося в шрифте, в битовую карту на основе текущих параметров шрифта, таких как матрица трансформации и эффекты текста; при этом на вход растеризатора поступают код символа, шрифт и параметры шрифта; битовая карта передается в модуль перекрашивания фрагментов в цвет фона, а размеры битовой карты передаются в генератор случайных чисел;
- модуль перекрашивания фрагментов в цвет фона, выполненный с возможностью перекрашивания в цвет фона маленьких фрагментов в случайных координатах битовой карты символа в соответствии с заявляемым способом; на вход модуля поступают битовая карта символа из растеризатора шрифта, случайные координаты в битовой карте символа из генератора случайных чисел, маски M1 и M2, определяемые разрешением печати, параметр N, задающий степень экономии краски; при этом модуль перекрашивания фрагментов выполнен с возможностью передачи запроса на получение случайных координат в генератор случайных чисел; битовая карта с перекрашенными фрагментами фона передается в кэш шрифтов;
- кэш шрифтов, выполненный с возможностью осуществления функций оперативной памятью для хранения битовых карт символов, растеризующихся для печатаемой страницы или всего задания на печать.
Такая система предназначена для реализации заявляемого способа снижения расхода краски при печати посредством растеризации шрифтов, заключающегося в выполнении следующих операций:
- конвертируют символ из векторного описания, содержащегося в шрифте, в битовую карту;
- генерируют N пар случайных координат (x, y) в битовой карте, где x - номер столбца, y - номер строки;
- сравнивают для каждой пары координат (x, y) первый фрагмента битовой карты F1 с центром в точке с координатами (x, y) и размера N1 на N2 с первой маской M1; и заменяют второй фрагмент битовой карты F2 с центром в точке с координатами (x, y) и размера K1 на K2 на вторую маску M2, если F1 и маска M1 совпадают;
- сохраняют битовую карту символа в кэш шрифтов.
Иными словами, заявляемый способ преодолевает основные недостатки существующих решений благодаря добавлению маленьких фрагментов фона на случайные позиции битовой карты во внутренних областях символов в процессе растеризации символа и сохранения данной битовой карты в кэш шрифтов.
Далее существо заявляемого изобретения раскрывается более детально с привлечением графических материалов.
Фиг.1 - сканированные фрагменты текста, напечатанного с использованием известных и заявляемых способов экономии тонера.
Фиг.2 - упрошенная схема традиционного подхода к экономии краски за счет специальной обработки в растровом процессоре изображений (RIP).
Фиг.3 - схема экономии краски за счет заявляемой растеризации шрифтов в растровом процессоре изображений.
Фиг.4 - основные этапы метода экономии краски при печати посредством заявляемой растеризации шрифтов.
Фиг.5 - блоки системы экономии краски при печати посредством заявляемой растеризации шрифтов.
Фиг.6 - схема модуля перекрашивания фрагментов битовой карты символов в цвет фона.
Фиг.3 демонстрирует предлагаемую схему экономии шрифтов в растровом процессоре изображений (RIP). Обрабатываются только символы текста, более того, обработка каждого символа для данного шрифта и размера выполняется только один раз, что позволяет достичь очень высокой скорости обработки. Выигрыш в скорости особенно заметен для цветных изображений, так как существующие способы обрабатывают большие битовые карты страницы для каждой краски, а в предлагаемом способе обрабатываются только маленькие битовые карты растрированных символов. Данный подход не искажает полутоновые изображения и векторную графику. Уменьшение расхода краски является адаптивным к содержимому страницы и может достигать 20% для типичных офисных документов. В отличие от известных способов предлагаемый способ автоматически без введения каких-либо дополнительных порогов не выполняет экономию тонера для символов маленького размера. Качество маленьких символов не ухудшается. По внешнему виду обработанные символы почти неотличимы от символов сплошного черного цвета. Это происходит благодаря случайным координатам маленьких фрагментов фона, внедренных во внутренние области символов. Фиг.1 (вид 1.4) демонстрирует пример обработки для экономии тонера предложенным способом, Фиг.1 (вид 1.5) показывает символы сплошного черного цвета. На напечатанной странице разница между Фиг.1 (вид 1.4) и Фиг.1 (вид 1.5) почти не заметна невооруженным глазом: маленькие фрагменты фона заметны только при внимательном рассмотрении, читаемость текста почти не ухудшилась, программы оптического распознавания символов нормально распознают обработанный предложенным способом текст. Степень экономии тонера или яркость/контраст символов могут быть гибко настроены. В отличие от шрифта Ecofont предлагаемое решение работает для шрифтов любых гарнитур и символов любых языков.
Фиг.3 показывает место предлагаемого способа в процессе растеризации печатаемой страницы. Текстовые символы обрабатываются на шагах 304, 305 и 306. Шаг 304 - это растеризация символа из растрового описания в битовую карту требуемого размера. Добавление маленьких фрагментов фона в случайные позиции внутри символов выполняется на шаге 305. Растеризованная битовая карта символа с внедренными фрагментами фона сохраняется в кэш шрифтов на шаге 306.
Способ экономии краски при печати посредством заявляемой растеризации шрифтов показан на Фиг.4. Конвертирование символа шрифта из векторного описания в битовую карту выполняется на шаге 401. На шаге 402 происходит генерация N пар случайных координат (x, y) внутри битовой карты символа. На шаге 403 для каждой пары (x, y) координат сравнивается первый фрагмент битовой карты F1 с центром в точке с координатами (x, y) и размера N1 на N2 с первой маской M1 и заменяют второй фрагмент оптовой карты F2 с центром в точке с координатами (x, y) и размера K1 на K2 на вторую маску M2, если фрагмент F1 и маска M1 совпадают. Сохранение битовой карты символа в кэш шрифтов выполняется на шаге 404.
Изобретение может быть реализовано во встроенном программном обеспечении растровых процессоров изображений (RIP) принтеров и многофункциональных устройств или может быть реализовано в виде электронной схемы. Фиг.5 демонстрирует общую схему предлагаемой системы. Растеризатор шрифта (501) растеризует символ из векторного описания, содержащегося в шрифте, в битовую карту, принимая во внимание текущие параметры шрифта, такие как матрица трансформации и эффекты текста, например подчеркивание или перечеркивание. На вход растеризатора поступают код символа, шрифт и параметры шрифта. Битовая карта символа передается в модуль перекрашивания фрагментов в цвет фона (502), а размеры битовой карты передаются в генератор случайных чисел (503).
Модуль перекрашивания фрагментов в цвет фона перекрашивает в цвет фона маленькие фрагменты в случайных координатах битовой карты символа в соответствии с заявляемым способом. На вход модуля поступают битовая карта символа из растеризатора шрифта, случайные координаты в битовой карте символа из генератора случайных чисел, маски M1 и M2, которые зависят от разрешения печати, параметр N, который регулирует степень экономии краски. Модуль перекрашивания фрагментов в цвет фона передает запрос на получение случайных координат в генератор случайных чисел. Битовая карта с перекрашенными фрагментами фона передается в кэш шрифтов (504). Кэш шрифтов - это оперативная память для хранения битовых карт символов, которые растеризуются для печатаемой страницы или всего задания на печать.
Возможная реализация модуля перекрашивания фрагментов битовой карты символов в цвет фона показана на схеме на Фиг.6. Вычитающий счетчик (601) генерирует N запросов на случайные координаты (x, y). Запрос передается через компаратор (602) и инвертор 603. Счетчик тактируется синхрогенератором (604). Компаратор сравнивает выход счетчика с нулем. Инвертор инвертирует выходной сигнал компаратора, и этот сигнал и является запросом на случайные координаты. Оперативная память (605) хранит битовую карту символа. Из памяти можно извлечь фрагмент битовой карты F1 размера N1 на N2 с центром в точке с координатами (x, y) и можно заменить фрагмент битовой карты F2 размера K1 на K2 с центром в точке с координатами (x, y) на маску M2, если сигнал, поступающий от компаратора масок (606), равен логической единице. На вход оперативной памяти поступают битовая карта символа, маска M2, случайные координаты (x, y) и сигнал от компаратора масок. Компаратор масок сравнивает фрагмент битовой карты F1 с центром в точке с координатами (x, y) и размера N1 на N2 с маской M1 и выдает на выход логическую единицу, если F1 и M1 совпадают. Выход компаратора масок связан с оперативной памятью. На вход компаратора масок поступают фрагмент битовой карты символа F1, маска M1 и случайные координаты (x, y). Также отметим, специалисту ясно, что любой из перечисленных модулей может быть реализован как микропроцессорная система, содержащая процессор и память.
В предпочтительном варианте реализации данного изобретения присутствует ряд важных дополнительных характеристик. Размеры и апертура масок M1 и M2 зависят от разрешения печати и типа печатающего устройства. Размеры маски M1 всегда больше размеров маски M2. Маска M2 содержит фрагмент фона. Например, для разрешения печати 600 точек на дюйм маска M1 имеет следующий вид:
х111х
11111
11111
11111
х111х,
где x может иметь любое значение, 1 обозначает печатаемую точку, а 0 обозначает непечатаемую точку, то есть фон.
маска M2 имеет следующий вид:
101
000
101.
Начальное число генератора случайных чисел зависит от размеров битовой карты символа. N равно числу пар случайных координат, которые генерируются итеративно. Изменение N позволяет управлять степенью экономии тонера. Значение N лежит в диапазоне от W/64 до 2W, где W - это общее количество пикселов в битовой карте символа.
Следует отметить, что в определяемом пользователем шрифте, например в Postscript Type 3, символом может являться любая часть печатаемой страницы, в том числе и вся печатаемая страница.
Предлагаемые способ и система предназначены для использования, в первую очередь, в цветных и черно-белых электрофотографических и струйных принтерах и многофункциональных устройствах. Кроме того, изобретение может использоваться в любых устройствах печати. Уменьшение расхода тонера достигает 20% для типичных офисных документов без заметного уменьшения скорости печати. Предлагаемый способ не приводит к возникновению видимых артефактов в векторной графике и фотографиях. Не происходит заметного ухудшения качества символов: буквы выглядят резкими и контрастными.
Хотя указанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.