Разработка метода контроля качества печатных оттисков с использованием объемного моделирования печатных изображений

Актуальность исследования.

Во всех областях, связанных с обработкой и воспроизведением изображений, проблема повышения качества изображения занимает важнейшее место. Это отчасти связано с появлением нового, усовершенствованного оборудования, которое на первый план выдвигает задачу определения новых критериев качества. Однако задача количественной оценки качества изображения усложнена тем, что трудно найти эффективную меру субъективно воспринимаемых искажений, а так же из-за принципиального различия физических и субъективно воспринимаемых человеком искажений.

Основной задачей и условием качественного протекания процесса воспроизведения изображений является получение идентичных оттисков на протяжении всего процесса воспроизведения. Соответственно одной из основных задач по стандартизации и контролю качества печатной продукции является разработка и определение критериев качества и идентичности печатных изображений, которые бы позволяли сделать однозначный вывод о соответствии одного изображения другому в рамках определенных допусков на изменение исследуемого критерия качества.

На сегодняшний день существуют различные методы определения качества полиграфической продукции, которые включает как техническую, так и эстетическую сторону вопроса. Разработка методов определения качества печати представляет определенные трудности в связи с тем, что само понятие «качество печати» для разных людей различно, и меняется в течение жизни человека. Таким образом, это понятие является в большей степени субъективным, а установление аналитических определений качества печатных изделий встречает существенные затруднения. Поэтому с практической точки зрения целесообразно говорить об относительном качестве печатной продукции (ее идентичности оригиналу), имея в виду однородное, в пределах допусков, получение оттисков внутри тиража.

Формирование изображения на оттиске преследует цель воспроизвести средствами полиграфии по возможности точную копию оригинала. Соответствие точности копии оригиналу характеризуют показателями или критериями качества печатного изображения. Показатели качества, как правило, характеризуют лишь одно из свойств печатного изображения и по этой причине называются единичными показателями качества. Соответственно под качеством печатного изображения понимают совокупность единичных показателей, которые показывают степень пригодности печатной продукции для использования по назначению. Совокупность единичных показателей определяется требованиями нормативных документов: стандартов, технологических документов и инструкций. Причем указываются не только номинальные значения единичных показателей, но и допустимые отклонения от номинала. В зависимости от вида печатной продукции может меняться как набор единичных показателей, так и конкретные требования к ним, которые регламентируются определенными стандартами.

Но существующие методики по определению качества печатной продукции имеют ряд недостатков. Данные показатели характеризуют лишь одно из свойств анализируемого изображения. Очевидно, что анализ качества изображения по предложенным показателям достаточно сложен из-за большого количества переменных и небольшого интервала допустимых значений для каждой из них. Так же необходимо отметить, что традиционный контроль качества печатного изображения выполняют, используя контроль единичных показателей на тестовых объектах. Использование которых имеет ряд недостатков: высокая стоимость и быстрый износ, не всегда есть возможность разместить тест-объекты на оттиске, необходимость учета свойств тест-шкал.

В итоге традиционный контроль осуществляется за пределами самого изображения, исследуются единичные показатели, что не позволяет получить комплексную оценку соответствия качества исследуемого печатного изображения эталонному.

Крупнейшие производители печатного оборудования попытались решить эту проблему путем создания автоматизированных комплексов контроля и управления качеством. В результате было предложено три варианта: автоматизированный контроль тест-шкал, контроль «ключевых» точек изображения, а так же сплошной контроль всего изображения. Но и эти решения так же имеют ряд ключевых недостатков: они являются аппаратно зависимыми и могут использоваться только с новым печатным оборудованием конкретного производителя, имеют высокую стоимость.

Таким образом, в настоящее время, являются актуальными исследования направленные на разработку способов контроля соответствия качества воспроизведения печатного изображения оригиналу, а также идентификации печатных изображений с применением аппаратно-независимых методик, позволяющих проводить анализ оттисков воспроизведенных различными видами печати.

Актуальность проведения исследований по данной тематике подтверждается также значительным количеством публикаций по исследуемому направлению. Среди них необходимо отметить работы В. В. Лихачева, Г. Кипхана, Н. Б. Качин-Хрисимовой, Н. И Каныгина, Б. А. Сорокина, С. А. Гуляева, Ю. С. Андреева.

Связь работы с крупными научными программами, темами.

Диссертационная работа выполнена на кафедре полиграфических производств УО «Белорусский государственный технологический университет» в 2005;2008 гг. Диссертационная работа выполнялась в рамках следующих научно-исследовательских программ: Научно-исследовательская работа по криминалистическому исследования объектов полиграфии на установление факта заимствования изображений (фрагментов изображений) (2007 г.) выполненной в ГУ «НИИ КиСЭ МЮ РБ" — Научно-исследовательская работа по разработке методических рекомендаций по проведению криминалистического исследования изображений с помощью сканера (2008 г.) в ГУ «НИИ КиСЭ МЮ РБ». По теме диссертационного исследования в 2008 г., был получен грант Министерства образования РБ, ГБ 28−028 «Использование объемного моделирования печатного оттиска для оценки качества полиграфической продукции».

Цели и задачи исследования.

Главной научной задачей данной работы является разработка объективной методики оценки качества воспроизведения печатного изображения (подходящей для всех способов и видов печати) и установление его соответствия оригиналу.

Для решения главной задачи исследования необходимо решить следующие задачи:

• Провести анализ технологических и технических характеристик контролируемого объекта (оттиска).

• Определить параметр, который будет определять способ контроля идентичности оттисков.

• Определить условия и требования к получению трехмерной цифровой модели печатного изображения. Выполнить анализ свойств полученной модели.

• Выполнить анализ существующих способов сегментации цифровых изображений. Разработать алгоритм сегментации анализируемого изображения на участки с одинаковыми яркостно-хроматическими характеристиками.

• Разработать алгоритм количественного анализа свойств выделенных сегментов изображения. Выполнить расчет площадей сегментированных участков с одинаковыми яркостно-хроматическими характеристиками.

• Разработать зоны допустимых отклонений от абсолютного значения для исследуемого показателя (величина площадей сегментированных участков).

Решив перечисленные задачи, следует определить форму сравнения исследуемых показателей для подготовки вывода о соответствии качества анализируемого изображения эталонному образцу.

Научная новизна исследований.

В диссертационной работе впервые предложено для комплексной оценки соответствия качества печатного изображения эталонному образцу использовать цифровую трехмерную модель анализируемого изображения.

• В диссертационной работе впервые предложено для оценки соответствия качества печатного изображения эталонному образцу использовать цифровую трехмерную модель анализируемого изображения.

• Разработан алгоритм сегментации цифровой модели анализируемого изображения на основе порогового преобразования цифрового изображения, отличающийся от известных тем, что на изображении выделяются замкнутые области с одинаковыми яркостно-хроматическими показателями.

• Разработан алгоритм количественного анализа свойств выделенных сегментов изображения.

• Впервые предложено для оценки качества печатной продукции использовать значение площадей, занимаемых участками с одинаковыми яркостно-хроматическими показателями.

• Разработана методика контроля соответствия качества печатного изображения оригиналу, а также идентификации печатных изображений, позволяющая проводить анализ оттисков воспроизведенных различными видами и способами за минимальный отрезок времени.

Положения выносимые на защиту.

1. Обоснование использования трехмерной цифровой модели печатного изображения для анализа качества его воспроизведения.

2. Метод сегментации предложенной модели на участки с одинаковыми яркостно-хроматическими характеристиками.

3. Методика оценки соответствия качества воспроизведенного изображения оригиналу.

4. Метод определения зон допустимых значений контролируемого показателя для оригинального изображения.

5. Обоснование возможности использования предложенного метода для оценки соответствия качества, исследуемого печатного изображения оригиналу.

Практическая значимость работы.

Результаты выполненного исследования могут найти практическое применение в сфере оценки качества полиграфической продукции и степени соответствия конечного результата (печатного оттиска) — эталонному изображению. Разработанная методика может быть применена для любой существующей технологии печати, с небольшими изменениями на стадии получения цифровой модели печатного изображения, а так же корректировкой интервала допустимых значений для сравниваемого показателя. Предложенный метод оценки качества является оперативным и основан на использовании цифровых моделей исследуемых изображений, и поэтому для его реализации используется оборудование, которое поддается поверке и стандартизации.

Разработанные алгоритмы используются в государственном учреждении «Научно-исследовательский институт криминалистики и судебной экспертизы Министерства юстиции Республики Беларусь» в сфере судебно-технического исследования документов при решении задач по установлению соответствия качества воспроизведения полиграфической продукции утвержденному оригинал-макету, стандартам в области качества печати, действующим в отрасли.

Методика исследования качества печатной продукции была программно реализована и передана в типографии ОДО «Геопринт» и ООО «Поликрафт» где используется для технического исследования полиграфической продукции при решении задач по установлению соответствия качества воспроизведения печатных оттисков утвержденному оригинал-макету, стандартам в области качества печати, действующим в отрасли.

Методика исследования качества печатной продукции была программно реализована и передана HI III «Регула» для применения в системе контроля подлинности и автоматической идентификации анализируемых изображений.

Личный вклад соискателя.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту, получены лично автором. Все алгоритмы, обсуждаемые в работе, были разработаны и экспериментально исследованы автором самостоятельно. Автор самостоятельно разработал и экспериментально проверил и внедрил в произодство оригинальный программный продукт. Научный руководитель принимал участие в постановке цели и задач исследования, их предварительном анализе, планировании экспериментов, а также в обсуждении полученных результатов.

Апробация результатов исследования.

Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на следующих конференциях с последующей публикацией материалов:

Международная научно-техническая конференция «Автоматизированный контроль и автоматизация производственных процессов», работа «Разработка методики контроля печатной продукции с использованием многомерного сканирования печатных элементов». 6−8 июня 2006 г. Минск.

• 71 научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава БГТУ, работа «Метод идентификации изображений основанный на морфологической обработке исследуемых изображений». 5−9 февраля 2007 г. Минск.

• 11-й Международный молодежный форум «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке», работа «Идентификация изображений с использованием сегментации по морфологическим водоразделам». 10−12 апреля 2007 г. Харьков, Украина.

• Международная конференция молодых ученых «Printing Future Days 2007», работа «Использование 3-D моделирования печатного оттиска для оценки качества полиграфической продукции», 4−9 ноября 2007 г., Хемниц, Германия.

• 72 научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава БГТУ, работа «Новые подходы к оценке качества полиграфической продукции». 4−8 февраля 2007 г. Минск.

• 8-я Международная научно-техническая конференция молодых ученых «Друкарство молоде», работа «Использование цифрового моделирования печатного оттиска для оценки качества печатной продукции», 16−18 апреля 2008 г.

В ГУ «НИИ Криминалистики и судебной экспертизы при Министерстве юстиции РБ в период с 2007;2008 гг. было выполнено 4 многообъктных экспертизы особой сложности.

Опубликованность результатов.

Результаты проведенных исследований опубликованы в 12 печатных работах и 4 отчетах по судебно-техническому исследованию документов. Из них: 5 научных статей в рецензируемых изданиях, 5 в трудах международных конференций, и 2 методики (в соавторстве) в ГУ «НИИ КиСЭ МЮ РБ».

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из общей характеристики работы, пяти глав с выводами, заключения, списка литературы (насчитывает 125 наименований) и приложений, изложенных на 162 страницах, включая шесть таблиц и 34 иллюстрации.

Выводы к главе 3.

1. Для изготовления пробных оттисков были выбраны основные печатные материалы: краска Sun Chemical Eco Lith и бумага Magno Star с плото ностью 115 г/м. Данные материалы являются одними из наиболее распространенных на отечественном рынке.

2. Были определены методы исследования пробных оттисков.

3. Определен перечень требований к получению цифровой панхроматической модели исследуемого объекта.

4. Определены условия необходимые для осуществления объективного контроля качества печати по предложенному методу.

5. .В качестве лабораторно-приборной базы были выбраны современные приборы, оборудование и программное обеспечение, удовлетворяющие требованиям научного исследования и находящие широкое применение в качестве методов цифрового моделирования изобразительной информации и контроля качества печатной продукции.

• Для изготовления печатных оттисков — Heidelberg РМ 52−2.

• Для измерения оптической плотности — спектрофотометр Gretag Macbeth S 19С.

• Для измерения величины несовмещения— измерительный микроскоп Peak, с 50-кратным увеличением.

• Для измерение оптических характеристик оттиска по всему полю оттиска — сканер Epson Perfection 4990 Photo.

ГЛАВА 4.

МЕТОДИКА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПЕЧАТНЫХ ОТТИСКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИФРОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ АНАЛИЗИРУЕМЫХ ОТТИСКОВ.

4.1. Исследование возможности использования цифровой модели печатного оттиска для контроля качества и идентификации печатных изображений.

При исследовании возможности использования цифровой модели печатного оттиска для контроля качества и идентификации печатных оттисков методом программного сравнения панхроматических цифровых моделей были решены следующие задачи:

• Определено соответствие общих признаков цифровых моделей оттисков общим признакам оттисков.

• Определена возможность идентификационного сравнения электронного оригинал-макета, содержащего изображение оттиска, с цифровой моделью оттиска, полученной путем сканирования.

• Определена возможность идентификационного сравнения яркост-но-хроматических характеристик анализируемых печатных изображений.

• Выполнена оценка яркостно-хроматических искажений между исследуемыми оттисками.

При проведении экспериментов получаемая модель исследуемого объекта наблюдается визуально. Подобный процесс получения информации визуальным путем называется восприятием. Анализ качества изображения касается части информации, которая может быть получена при использовании данной изображающей системы [103].

Различают три этапа восприятия: обнарулсение, опознание и идентификация. Обнаружение означает уверенность наблюдателя в том, что местные вариации в структуре цифровой модели объекта являются результатом реальных вариаций в структуре объекта, а не шумовыми эффектами. Опознание — это первая ступень классификации обнаруженных вариаций объекта, отличающих его от естественного фона. Идентификация включает опознание существенных деталей (общих признаков) объекта и комплекса частных признаков объекта, характеризующих исследуемый объект из данного класса объектов. Предложенная Джонсоном шкала восприятия для специального военного применения (приборы ночного видения, аэрокосмическая разведка) включает в себя четыре этапа: обнаружение, ориентация объекта, форма объекта, детальное опознание. Подобная шкала обладает значительной универсальностью и может быть применена для проведения аналитического исследования печатного изображения.

Для того чтобы отсеять посторонние шумы и артефакты на изображении вводится предел Найквиста. Для систем сканирования предел Найквиста vs отражает максимальную частоту дискретизации изображения, при которой полученная ЦПМ не будет содержать шумов, и любая деталь изображения, имеющая размер более двух интервалов дискретизации, будет разрешена.

Через теорему отсчетов Шеннона-Котельникова [12] становиться возможным получить минимальный размер детали изображения, которая может быть идентифицирована.

Очевидно, что повышение степени восприятия требует улучшения качества изображения, но, в отличие от систем, реализованных на традиционной оптике (микроскоп), при использовании сканера не обязательно увеличение количества принимаемого света. Это обусловлено природой света и свойствами приемников изображения, которые преобразуют световое изображение в вид энергии, который может быть зарегистрирован. Поэтому при исследовании печатного изображения важнейшую роль играет способность vs = l/2d,.

4.1).

D = l/2nf,.

4.2) сканера идентифицировать и с определенной точностью воспроизводить детали оцифрованного изображения.

Предельное разрешение. Активно используемое в спецификациях оптическое (неинтерполированное, геометрическое) разрешение в dpi характеризует лишь первый компонент этого определения. Точность воспроизведения отражает интегральная характеристика — функция передачи модуляции (Modulation Transfer Function, MTF). В графическом представлении — это зависимость уровня контраста сканируемого изображения от частоты дискретизации (геометрического разрешения сканера).

Оценку точности воспроизведения и расчет MTF производят сканированием синусоидальных или резольвометрических контрольных шкал. Фактически, расположенные по вертикальной оси значения от 0 до I представляют собой уровень контрастности (способности различать рядом расположенные линии по критерию Спарроу или Рэлея), получаемый при сканировании шкалы с разным разрешением. В верхней точке, при нулевой дискретности, контраст стопроцентный, далее он понижается. Пользуясь графиками MTF (см. рисунок 4.2), можно производить анализ характеристик различных сканеров на предмет сравнительной оценки их предельного разрешения. Ниже предлагается сравнительное исследование несколькими методами геометрических и колористических характеристик сканера Epson Perfection 4990 Photo. Результаты измерений сведены в таблицу 4.3. Используемые методы соответствуют стандарту ISO 12 233. 79] lllll.

Рисунок 4.1 — Синусоидальная контрольная шкала, используемая для построения фунгцни MTF.

1-ый способ. Синусоидальные контрольные шкалы состоят из вертикальных линий, расстояние между которыми меняется по синусоидальному закону, как например, на рисунке 4.1. Зная исходные величины контраста шкалы Ми определяемые как отношение разности амплитуд отраженного от шкалы света {1тах и Imin) к их сумме.

М = (1щах Imin) l (Jmm) (4.3) а также аналогичные величины Ма, полученные сканером для соответствующих уровней дискретизации (разрешений), по полученным точкам.

MTFj = MJMi (4.4) строим окончательный график MTF. При помощи переводных таблиц находим предел Найквиста и предельное разрешение.

2-ой способ. Используется резольвометрическая мира производства AGFA. Мира сканировалась эмульсией вверх и вниз. Разрешение сканирования 2400 и 4800 dpi. Лучший результат приведен на рисунке 4.3 и соответствует примерно разрешению 2300 dpi (предел Найквиста).

Рисунок 4.3 — Разрешение сканирования 2400 и 4800 dpi.

3-ий способ. В работах Джонсона [100] в качестве тест-объекта используются трехшпальные миры низкого и высокого контраста, являющиеся стандартом в США. Предельное разрешение находят путем визуального распознавания трехшпальной миры минимального размера. Обратной величиной предельного разрешения будет являться предел Найквиста. Расчет MTF производим при помощи переводных таблиц.

4-ый способ. В качестве тест-объекта использовался гибкий магнитный диск от 3,5″ дискеты. По методике, предложенной Захаровым И. Л., основанной на оценке передачи контраста края диска, и с использованием разработанной им утилиты произведен расчет MTF и получена предел Найквиста, с помощью которой было получено предельное разрешение [8-А].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основании изучения технологических особенностей процессов контроля качества печатной продукции, а так же вопросов связанных с идентификацией печатного изображения поставлена актуальная задача — разработка новой методики идентификации и контроля соответствия качества печатного изображения утвержденному образцу.

2. Поведен анализ показателей качества печатной продукции, в результате которого определено, что для подготовки вывода о соответствии качества воспроизведения печатного изображения эталонному образцу можно использовать значения градационно-хроматических характеристик ограниченных определенным периметром, имеющим фиксированные координаты на плоскости изображения. Контроль изображения с помощью значений определенных таким образом, площадей с одинаковой яркостью элементов, более согласуется с процессом зрительного восприятия, чем контроль количественного анализа яркости или координат цвета по отдельным элементам изображения. Наблюдатель скорее стремится отыскать в изображении наиболее важные, отличительные характеристики такого типа, как контуры или текстурные области и образовать из них комбинации, поддающиеся распознаванию.

3. Предложен и проверен экспериментально параметр, определяющий способ контроля соответствия качества анализируемых оттисков — набор величин площадей участков с одинаковыми яркостно-хроматическими показателями.

4. Предложен и реализован экспериментально способ сегментации модели печатного изображения на участки с одинаковыми яркостно-хроматическими показателями.

5. Предложен и проверен экспериментально метод расчета зоны допустимых значений для исследуемого показателя и проведена экспериментальная проверка получаемых результатов.

6. Разработан программный продукт, осуществляющий комплексную обработку данных и визуализацию результатов исследования, необходимых для подготовки вывода о качестве печатного изображения.

7. По результатам экспериментального моделирования определена правомерность использования разработанной методики контроля качества и идентификации печатного изображения с использованием сравнения цифровых моделей исследуемого и эталонного изображения.

8. Разработана и внедрена методика контроля качества и идентификации печатного изображения с использованием сравнения предложенного показателя для цифровых моделей исследуемого и эталонного изображения.