Топологическая структура поверхности носителей информации на полимерной основе. 
Регулирование параметров изображения

В материаловедении под топологической структурой понимают совокупность геометрических параметров элементов формирующих объект, каждый из которых обладает уникальными свойствами, а класс подобных элементов — закономерностями в распределении по объему и/или поверхности объекта. Предполагается, что знания о топологической структуре позволяют делать обоснованные выводы об объекте, как едином целом, прогнозировать его реакцию на воздействия различной физической природы, и осознано подходить к улучшению его качественных показателей [1].

Наиболее распространенным материалом для получения твердой копии информации является бумага (носитель информации), чьи поверхностные свойства зависят от типа исходных волокон — как правило, это древесная целлюлоза, метода производства — сульфитный, сульфатный или азотнокислый, а также вида и количества дополнительных технологических операций — массный размол, введение добавок, проклейка, каландрирование и т. д.

Поверхность носителя информации представляет собой сложную систему, элементы которой не являются изолированными структурными единицами, реагирующими на внешнее воздействие в силу своих уникальных характеристик, а обладают синергическим влиянием на свойства материала и механизм его взаимодействия с информацией, веществом и энергией поступающим из внешней среды [2, 3]. В процессе формирования твердой копии информации подобные взаимодействия могут привести к различным девиациям цифрового образа на поверхности материала от экранного оригинала, причем, степень их выраженности находится в существенной зависимости от состояния поверхности носителя [4 — 7]. При этом топографические и оптические характеристики бумаг, определяющиеся совокупностью адсорбционных, геометрических, оптических и механических свойств, носят, в каждом конкретном случае, индивидуальный характер.

Всё многообразие выпускаемых сортов бумаг (более 600) можно условно разделить на следующие группы [7]:

1) бумаги общего назначения, характеризуются минимальной степенью модификации поверхности: писчие и газетные бумаги;

2) бумаги улучшенного качества, характеризуются: введением добавокс целью увеличения гладкости подвергаются дополнительной механической обработке — пигментированные и мелованные бумаги;

3) бумаги для печати фотографического качества, носители с рабочей поверхностью модифицированной полимером — это, как правило, многослойные, композитные системы.

Всё более широкое распространение приобретают материалы с применением модифицирующих поверхность композиций, в которых существенную долю занимают гидрофильные полимеры, например, такие как поливинилпирролидон, катионоакгивный крахмал, производные целлюлозы и т. д. [8−10].

Технологические операции, связанные с введением добавок и увеличением степени гладкости носителя, помимо влияния на топографическую структуру, также определяют и его оптические свойствабелизну, глянец, непрозрачность носителя в целом. Это обеспечивает правильность передачи цветов и тонов оригинального изображения, а также оказывает влияние на контрастность твердой копии [11, 12].

Наиболее распространенные технологии печати предполагают использование всех перечисленных видов носителей на бумажной основе, но материалы с поверхностью модифицированной полимером, в основном, предназначены для применения в рамках струйных методов печати, что связано с особенностями взаимодействия их поверхности с компонентами чернил принтера. Принципы формирования изображения на носителе информации, с использованием этих технологий, основаны на переносе компонент чернил из сопла печатающей «головки» на поверхность, обладающую по отношению к ним соответствующей сорбционной активностью. Среди струйных методов печати наибольшее распространение получил пузырьковый способ (bubble-jet). Эта технология использует направленное распыление капелек чернил на бумагу при помощи мельчайших сопел печатающей головки со встроенными термоэлементами. Тем не менее, большинство фирм производителей печатающих устройств вносит изменения в реализацию струйной технологии печати, что приводит к необходимости выпуска специальных носителей информации ориентированных на уникальные особенности формирования изображения [11,12].

В большинстве случаев чернила струйного принтера представляют собой коллоидную систему, в которой твердая фаза образована частицами пигмента, а жидкая фаза является водным раствором, содержащим стабилизирующие вещества. При этом основными параметрами печатающего устройства, влияющими на качество твердой копии, являются его разрешающая способность, определяющая размер единичного элемента изображения и плотность печати на поверхности носителя, а также колориметрические характеристики используемых в чернилах пигментов.

Стандартные методики испытаний бумаг позволяют количественно определять их единичные показатели, которые, однако, не всегда дают возможность с достаточной вероятностью предсказывать качество печати, так как характеристики твердой копии обуславливаются результатами синергетического процесса взаимодействия компонент чернил и такой комплексной системы как поверхность носителя. В результате чего, выбор материала для получения твердой копии изображений больше основан на интуитивных представлениях, чем на количественной информации, отражающей его обобщенные свойства.

Таким образом, наиболее целесообразно сосредоточиться на количественной оценке топологической структуры материала и её влияния на характеристики изображения сформированного на нем. Это оправдано тем, что в настоящее время отсутствуют стандарты на параметризацию поверхности носителей, в частности на наличие и распределение структурной неоднородности поверхности материала. Так же в достаточной мере не исследованы корреляции между печатными и поверхностными свойствами бумаг, которые могли бы позволить прогнозировать качество печати у существующих и перспективных материалов для струйной печати.

Структура поверхности носителя представляет собой систему с плавными переходами высот, которые, в случае уменьшения степени модифицированное&tradeповерхности, могут принимать более резкий и хаотический характер. Это приводит к повышению структурированности поверхности, и, в сумме со стохастическим характером в распределении поверхностных свойств, делает затруднительным изолированное применение для их параметризации методов математической статистики или теории самоподобных фракталов.

В диссертационной работе для выявления тонких различий в топографической структуре носителей информации, принадлежащих как одной категории, так и качественно различным группам, использовался мультифрактальный (МФ) формализм. При этом предполагалось, что основными факторами, оказывающими влияние на качество твердой копии изображения, являются топографические особенности (сингулярности) поверхности материала, выявляемые на цифровых микрофотографиях I сделанных с увеличениями Х60 [4 — 7]. Выбор цифровой технологии получения изображений поверхности материала, продиктован необходимостью разработки экспресс метода анализа носителя.

Цель диссертационной работы состояла: в обосновании возможности описания топографической структуры поверхности материалов предназначенных для струйных технологий печатив выявлении наличия и вида связи мультифрактальных показателей со структурными особенностями носителя информации для печати фотографического качествав исследовании влияния структурных особенностей на «фотографические» свойства материаловв исследовании влияния степени модифицированное&tradeповерхности материала на его топографические и «фотографические» характеристикисоздание математической модели системы прогнозирования и управления качеством струйной печати. Положения, выносимые на защиту:

1) обоснованность использования мультифрактального формализма для описания топологических структур поверхности носителя;

2) алгоритмы расчета мультифрактальных характеристик и применяемые методы анализа изображений поверхности носителя;

3) результаты исследования топографических особенностей исследуемых носителей, доказательства их статистической значимости;

4) оценка влияния топографии поверхности носителя на контрастно-резкостные характеристики изображения;

5) результаты исследования влияния технологических и структурных особенностей на топографические характеристики поверхности носителя.

Научная новизна.

1) на примере морфологически различных поверхностей широкого круга носителей для струйной технологии печати впервые показана применимость мультифрактального описания и статистически обоснованная значимость полученных мультифрактальных оценок;

2) установлены связи между топологическими и фотографическими свойствами материалов, которые могут быть положены в основу математической модели управления качеством струйной печати;

3) исследования материалов для печати фотографического качества показали высокую чувствительность мультифрактального описания к изменениям в морфологии поверхности;

4) исследовано влияние степени модификации поверхности бумаги, показано влияние дополнительных полимерных слоев на топографические и контрастно-резкостные характеристики изображения сформированного на поверхности исследуемого материала;

5) показана прогностическая ценность мультифрактального описания, как характеристики существующих материалов, так и в целях создания новых перспективных носителей для струйной печати.

Практическая ценность.

Предложен новый подход для получения количественной информации о топологии поверхности носителей информации учитывающей её влияние на качество печати с использованием струйных технологий. Количественно оценено влияние различных технологических методов модификации поверхности носителя на топологические и фотографические свойства материала.

Мультифрактальные характеристики могут быть использованы для обоснованного прогноза качества печати на поверхности исследуемых бумаг, а также позволяют делать предположения об их технологическом прошлом.

Создана система экспресс-анализа поверхности носителей для струйных методов печати, дающая объективную информацию о топографии материала.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех частей, заключения и 3-х приложений, изложена на 103 листах, содержит 14 рисунков, 21 таблицу. Список использованной литературы включает 108 наименований.

ВЫВОДЫ.

Разработанный метод предоставляет возможность оперативно и с достаточной точностью получать оценки, которые в полной мере количественно отражают топографические особенности поверхности носителей и обладают высокой избирательной способностью, позволяющей различать маериалы с близкими по морфологии свойствами.

Полученные количественные данные позволили объективно классифицировать весь спектр носителей для струйной печати: а) бумаги общего назначенияб) бумаги улучшенного качествав) бумаги для печати фотографического качества: i) универсальные материалы на бумажной основеii) специализированные материалы на бумажной основе.

Найдены строгие корреляции полученных МФ оценок и эксплатуационных свойств носителей — количесвенных показателей твердой копии тест-объекта, которые в полной мере характеризуют материалы, имеющие различные технологические параметры.

Выявлено влияние модифицирующих слоев на печатные свойства материала, в частности, проведено сравнение вкладов на топологические и фотографические показатели природы модифицирующих слоев. Так при использовании в композиции полимерной составляющей, которая позволяет полностью (или почти полностью) экранировать влияние волокнистой структуры бумаги, изображение носит непрерывный характер, но с другой стороны, это приводит к заметному снижению фотографических показателей за счёт большего, чем у минеральных составляющих не полимерных композиций, сродства к компонентам чернил принтера. Заметная дискретность изображений на бумагах, не модифицированных полимером, как правило, связана с большей впитывающей способностью определяемой наличием пор переходного и микро размеров.

Разработанный алгоритм, выполняемый в редакторе входного языка интерпретирующего типа, обладает достаточной скоростью (20 е., на обработку 4-х изображений 128×128 пикселей), таким образом, его реализация на языках высокого уровня может позволить проводить экспресс коррекцию типа струйной печати в зависимости от состояния поверхности материала при этом подавляя геометрические искажения и дискретность формируемого изображения.

Результаты сравнительного исследования свойств широкого ряда носителей могут быть использованы при разработке методов модификации воспринимающей поверхности любого материала в зависимости от его назначения и для прогнозирования его экслуатационных характеристик.

Заключение

.

Совокупность полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

1. топографическая структура носителей информации представляет собой множество микронеровностей выраженных в различной степени у каждого класса носителей информации и носящие индивидуальный характер в их распределении по поверхности;

2. модификация поверхности материала приводит к уменьшению размаха микронеровностей и к увеличению степени экранирования волокнистой структуры бумаги, что сказывается на изменении контрастно-резкостных характеристик изображения тест-объекта сформированного на них;

3. мультифрактальные оценки носителей информации с одинаковой морфологией поверхности носят однородный характер и образуют нормально распределенную совокупность, что позволяет характеризовать их распределение средним значением и величиной стандартного отклонения. Причем последний параметр м.б. использован как характеристика степени однородности поверхностных свойств материала;

4. исследования материалов для струйной печати фотографического качества с поверхностью модифицированной полимером позволили выявить статистически значимые различия мультифрактальных и резкостных показателей для материалов модифицированных полиэтиленовой пленкой, что связано с её гидрофобность и сохранением рельефа бумажного основания. Таким образом, можно сделать вывод о предпочтительности использования материалов модифицированных гидрофильными полимерами (желатина, поливиниловый спирт) или дополнительной физической/химической модификации гидрофобного материала.

Необходимо отметить, что полученные количественные характеристики поверхности исследуемых материалов свидетельствуют об отсутствии радикального экранирования волокнистой структуры бумаги, что делает актуальным использование в качестве основы полимерного материала, например, пластифицированных эфиров целлюлозы. На сегодняшний день подобные носители информации выпускаются фирмами Canon и Hewlett Packard, но в основном это прозрачные пленки, предназначенные для подготовки презентаций.

Предложенный в диссертации метод исследования показал высокую чувствительность к незначительным изменениям в топографии материалов, а программная реализация алгоритма может быть положенна в основу автоматической системы распознавания класса носителя и соответствующей коррекции качества струйной печати.

Найденные универсальные зависимости фотографических и топографических свойств могут быть положены как в основу системы прогнозирования печатных характеристик существующих материалов, так и у создаваемыхперспективных носителей для струйных технологий печати.