CN104614385A - 打印制版成像的微观质量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种喷墨打印制版成像的微观质量检测方法，属于绿色印刷技术领域。首先制作含有印版成像微观质量检测图样的数字原稿，并打印成像，作为检测图板；采用光学显微放大和彩色CCD成像系统，CCD成像器件对所用成像白光光源调整到白平衡，并在显微成像条件下，标定CCD所成数字影像的物面尺度分辨力；在相同的显微成像条件下，利用校准色板，对CCD成像进行印版光反射率的校准；在相同的显微成像条件下，对检测图板的单元图样成像，形成RGB数字影像；由光反射率校准关系，得到图板单元图样的光反射率灰度影像；通过数字图像处理技术得到图样印迹的质量属性指标值。该检测方法可用于打印制版成像的微观质量检测及其质量控制。

Description

打印制版成像的微观质量检测方法

技术领域

本发明涉及一种喷墨打印制版成像的微观质量检测方法，属于绿色印刷技术领域。

背景技术

印刷技术正朝着数字化和绿色环保方向发展。包括喷墨、静电等多种成像体系已在最终印刷品的生产中得到应用和快速发展。同时，这种新技术也在不断改变着传统印刷的制版工艺。目前，不仅由激光扫描成像的CTP技术摒弃了菲林和晒版，且出现了喷墨成像等直接制版技术，进一步省略了激光CTP制版的液体显影过程，大大提高了制版技术的绿色、环保性。

喷墨打印工艺的制版技术，与CTP制版的激光扫描成像相比，因墨滴大小、喷射方向等因素的控制方式不同于激光扫描光点，成像的微观质量有其特有的性能。版面成像的微观质量将直接决定印品的成像质量，因而，版面成像微观质量的测量，成为制版成像控制中不可缺少的一环。但打印制版工艺尚在起步阶段，尚没有成型的质量测评方法，建立印版成像的微观质量属性指标和检测方法显得尤为重要。

国际标准ISO/IEC 13660和ISO/IEC TS 24790，针对打印和复印等办公设备硬拷贝输出在白色背景上的非彩色单色成像质量，定义了体现文本质量的线条和大面积成像印迹等质量指标体系及其测量方法，可对该领域的硬拷贝成像质量进行客观测量和评价。

打印制版成像亦为数字硬拷贝输出过程，与办公硬拷贝成像的质量元素具有一定的相似性。因此，可借鉴该系列标准中的质量元素，构建打印制版成像的质量测评体系。但印版的成像与办公设备的有所不同：一是印版成像的目的是控制印刷过程中的着墨量，而不是打印品的为用于人眼视觉感知；另一是印版成像精度高，要求的测试精度也高。这样，则不能像上述标准中以视觉量为基础测评量，也不能用上述标准中基于1200dpi扫描仪的影像来提取测评量，而是要根据印版的应用和测评要求构建其特有的成像质量测评体系。

发明内容

本发明的目的在于建立一种适于喷墨打印制版版面图文成像微观质量的检测方法，为喷墨打印制版产品的质量测控打下基础。该检测方法可用于打印制版成像的微观质量检测及其质量控制。

打印制版的打印墨水，具有一定的印刷着墨力，墨水量越大，印刷时的着墨量就越大。墨水中加入呈色染料，既可由其呈色暗度体现墨量多少，进而体现印刷时的着墨量，还可由呈色图形的质量特征体现印版图文的成像质量。该发明即基于打印墨水成像颜色暗度的光反射率信息，体现印版图像的微观成像质量。

本发明的打印制版成像微观质量检测方法，通过获取版面图像印迹的高分辨率数字影像，得到印迹微米级面元的光反射率信息；进一步，基于光反射率信息建立图像印迹的质量特征量及检测方法。

一种打印制版成像的微观质量检测方法，包括以下步骤：

(1)制作含有各印版成像微观质量检测图样的数字原稿，并打印成像，作为检测图板；

(2)采用一光学显微放大和彩色CCD成像系统，该系统包括CCD成像器件、显微镜和环形光源。CCD成像器件对所用成像白光光源调整到白平衡，并在选用的显微成像条件下，标定CCD所成数字影像的物面尺度分辨力，以数字影像单像素所对应的物面尺寸表征，称为尺度标定；

(3)在相同的显微成像条件下，利用校准色板，对CCD成像进行印版光反射率的校准，即建立此时CCD成像的响应值与印版光反射率间的数学关系；

(4)在相同的显微成像条件下，对印版检测图板的某一单元图样成像，形成RGB数字影像；

(5)对步骤(4)形成的RGB数字影像，由步骤(3)得到的光反射率校准关系，得到图板单元图样的光反射率灰度影像；

(6)对步骤(5)得到的光反射率灰度影像，通过数字图像处理技术得到图样印迹的质量属性指标值。

步骤(1)中，所述的印版成像微观质量检测图样的数字原稿，采用*.GIF或*.bmp格式，分辨率与打印制版的打印分辨率相同。

所述的检测图板中包括水平与竖直方向排列的不同像素宽度的线条、不同像素直径的圆点，水平、竖直方向放置的单像素宽度线条等单元图样。

步骤(2)中，对CCD所成数字影像的物面尺度分辨力(CCD成像分辨率)的标定，包括如下步骤：

1)由CCD成像器件拍摄双圆点标尺图标，形成标尺图标的数字影像；双圆点标尺图标包括两个直径相同的圆点，圆点的直径和两圆点圆心距可根据需要进行设计和调整。

2)由双圆点标尺图标数字影像中两圆点圆心距对应的像素数计算该成像条件下数字影像的分辨力。

其中，CCD成像器件显微成像所用照明光为D65白光环形光源，即环形光源发出环形白光，该环形白光以一定的倾斜角度照射到光场中心表面的样品上，且光场中心被拍摄表面内光照均匀；所述的CCD成像器件为CCD相机，CCD相机的颜色响应对所用D65白光达到白平衡；所选用的显微成像条件需使CCD相机的像元数目，在显微放大倍率配合下达到CCD所成数字影像的每个像素对应成像物面上的线度不大于3μm。

步骤(3)中，显微成像条件与步骤(2)相同，即CCD成像器件对所用成像白光光源调整到白平衡，选定相同的成像放大倍率和光强。对CCD相机的光反射率校准，包括如下步骤：

1)由积分球分光光度计测试校准色板各色块和标准白板的可见光光谱反射率，分别记为ρ₀(λ)和ρ_s(λ)；

2)根据印版成像墨水的颜色特征，在其补色光波段内选取一个合适的波长范围，如对于蓝绿色墨水，不同墨量色块的光反射率差异主要发生在其补色光-红光波段，则可选择的波长范围在600nm～700nm之间。之后，分别求取所选波长范围内校准色板色块和标准白板的光反射率总和，并以(1)式表征校准色板各色块的光反射率：

$\mathrm{\ρ}=\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\ρ}}_0\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\ρ}}_s\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}---\left(1\right)$

式中λ₁和λ₂分别为所选取波长范围的起止波长；该光反射率相当于在该波段内样品对等能白光的反射量与标准漫反射体对等能白光反射量的比值。

3)由CCD成像系统对校准色板各色块成像，对数字图像的中部求取RGB响应的平均值，选取出随校准色板色块变化最大的颜色值，并归一化，记为d；

4)根据校准色板所有色块的ρ和d值，由一维拟合方法建立ρ与d之间的数学关系，即在该成像状态下CCD影像响应值与印版印迹光反射率间的校准关系。

所述的校准色板包含有不少于15个不同网点面积率的色块，每个色块的形状为正方形，边长不小于10mm。控制色块打印墨量多少的网点面积率值从0％～100％间均匀取值，选取15个以上不同网点面积率的色块作为数字原稿，采用*.GIF或*.bmp格式，分辨率与打印制版的打印分辨率相同，打印输出后得到校准色板。

步骤(4)中，所述的显微成像条件与步骤(2)相同。所拍摄图样印迹的RGB数字影像，需存为*.GIF或*.bmp格式。

步骤(5)中，对检测图板图样印迹的RGB数字影像，根据选择的归一化颜色值d，经由步骤(3)的校准关系计算得到图样印迹的光反射率灰度影像。

步骤(6)中，图样印迹的质量属性指标包括线质量属性指标、点质量属性指标，以及模量传递函数MTF等。

线质量属性指标包括直线原稿在印版上成像印迹的宽度、边缘粗糙度、边缘模糊度、光反射率，以及断线数目和线内空洞数目等。

点质量属性指标包括圆点原稿在印版上成像印迹的面积、圆度、边缘拟合椭圆的长短轴长度、长轴方向、边缘粗糙度，以及圆点的光反射率等。

模量传递函数MTF为印版上明暗线条的光反射率对比度随明暗线条空间周期的变化关系。

各质量指标的计算和评价方法如下：

一、线质量属性指标的计算和评价方法

(1)选取线条印迹光反射率灰度影像中的一段，采用自校正方法，将线条方位校正到其接近的水平或竖直方向；

(2)对方位校正后的图像进行预处理，去除掉影像中线迹之外的噪声；

(3)在印迹线影像的所有垂线方向上，按照一定的光反射率变化量规则，确定线迹两边的边界点、内边界点和外边界点；

(4)求取印迹线方向上，线两边各自边界点的拟合直线，两拟合直线间的距离为线宽；各自线边界点与其拟合直线间距离的标准方差为线边缘粗糙度；

(5)计算线迹两边各自垂线方向上内、外边界点间的距离，线迹所有垂线方向上内、外边界点间距离的平均值，为线边缘模糊度；

(6)计算线迹两边线边界点间的平均光反射率，为线光反射率；

(7)找出印迹线方向上某一小段没有墨迹的区域，为断线区，并计算所取线迹段上的总断线(区)数及平均每厘米长度内的断线数；

(8)计算线迹两侧线边界点内光反射率大于某一阈值的区域数，并设定一定的区域尺寸阈值，求取超过该阈值的区域数，为线内空洞。

线质量属性代表着印版上由喷墨墨点形成直线线条的成像质量。文字主要由线条状笔划组成，因此，线条的成像质量直接与文本的成像质量相关。

用线宽表征印版线迹尺度及与原稿比较的差异和变化；用线边缘粗糙度表征印版线迹边缘的平直性；用线边缘模糊度表征印版线迹墨量在印版基材上的浸润铺展特征；用光反射率表征线迹墨量的多少，是其印刷着墨量的一种体现方式；用断线数目及线内空洞数目表征印版上线条成像的缺陷。

二、点质量属性指标的计算和评价方法

(1)选取印版圆点印迹光反射率灰度影像中包含圆点印迹影像的一个矩形区域，对矩形区域图像进行预处理，去除掉被测圆点之外的图像噪声；

(2)按照一定的光反射率变化量规则，确定圆点边缘的边界点和内边界点；

(3)计算圆点边缘边界点所围面积，为圆点面积；计算圆点边缘内边界点所围面积的平均光反射率，为圆点光反射率；

(4)对确定的圆点边缘边界点进行椭圆拟合，计算得到椭圆的长轴、短轴长度及短轴与长轴的比值，该比值称为圆度，并计算出长轴方向与水平正方向间的夹角，为拟合椭圆方向角；

(5)计算圆点边缘边界线与拟合椭圆线在与椭圆切线垂直方向上的距离差异，并计算得到所有距离差异的标准方差，为圆点边缘的粗糙度。

点质量属性代表着印版成像的形状规则性和变形的方向性特征。用圆点面积及与设计原稿面积的比较表征成像圆点的大小变化特征；用圆点的圆度和方向性表征成像圆点的形状规则性及取向性；用圆点边缘的粗糙度表征圆点形状边缘的平滑性；用圆点的光反射率表征印版成像圆点的墨量多少。

三、模量传递函数MTF计算和评价方法

(1)选取单像素原稿线条印版成像印迹光反射率灰度影像中的一段，采用自校正方法，将线条方位校正到其接近的水平或竖直方向；

(2)对方位校正后的图像进行预处理，去除掉线迹之外的图像噪声；

(3)计算印迹线垂线方向上所有垂线的平均光反射率，作为线扩展函数；

(4)对线扩展函数进行滤波降噪处理；

(5)对降噪处理后的线扩展函数进行傅里叶变换，得到MTF曲线。

MTF曲线代表着印版图像的细节表达能力，即清晰度性能。

本发明的技术特点是：一方面以显微放大的印版印迹影像对印版成像进行高分辨率的形态分析，保证了所确定成像微观质量指标的较高精度；另一方面，形态分析基于印版成像印迹的光反射率客观参量，保证了对印版成像质量分析的客观性。此外，所检测项目含有表征文本笔划特征的线条质量指标、表征形状规则性的圆点质量指标，以及表征成像清晰度的模量传递函数MTF，能够较全面地表征印版成像的微观质量特征，适于印版成像的质量检测，以及相关材料开发和工艺研究。

附图说明

图1为本发明检测方法的流程图。

图2为本发明实施例所用测试系统结构示意图。

图3(a)至图3(d)为本发明实施例所用印版测试图标各单元图样；其中，图3(a)为不同宽度线条图样；图3(b)为不同大小圆点图样；图3(c)为单像素点图样；图3(d)为单像素宽线条图样。

图4为本发明实施例所用成像系统物面尺度分辨力标定用双圆点标尺图。其中，图4(a)为不同尺度的双圆点标尺；图4(b)为一个双圆点标尺CCD成像的影像。

图5为本发明实施例所用成像系统光反射率校准色标图。

图6为本发明实施例所用校准函数关系图。

图7(a)至图7(c)为本发明实施例所用线迹影像预处理过程示意图；其中，图7(a)为线迹的光反射率灰度影像；图7(b)为自校正旋转后的光反射率灰度影像；图7(c)为裁切掉边缘无关像素的校正后光反射率灰度影像。

图8(a)至图8(c)为本发明实施例所用线迹影像降噪和线边界示意图；其中，图8(a)为去掉线迹背景噪声的光反射率灰度影像；图8(b)为提取了线迹边界点的示意影像；图8(c)是图8(b)的局部放大图。

图9(a)至图9(d)为本发明实施例线属性指标测试结果；其中，图9(a)为线宽结果；图9(b)为线边缘粗糙度结果；图9(c)为线边缘模糊度结果；图9(d)为线光反射率结果。

图10为本发明圆点边界特征示意图。

图11(a)和图11(b)为本发明实施例单墨点方向指标的统计分布图；其中，图11(a)为1^#版拟合椭圆长轴方向对应墨点数统计分布图；图11(b)为2^#版拟合椭圆长轴方向对应墨点数统计分布图。

图12(a)至图12(d)为本发明MTF检测方法示意图；其中，图12(a)为印版成像的原始线扩展函数；图12(b)为拟合的线扩展函数及与原始线扩展函数的比较；图12(c)为零基线的拟合线扩展函数；图12(d)为拟合线扩展函数的傅里叶变换函数-MTF曲线。

图13(a)和图13(b)为本发明实施例两个印版样品的MTF函数曲线图；其中，图13(a)为1^#版两个方向的MTF曲线；图13(b)为2^#版两个方向的MTF曲线。

主要附图标记说明：

1  显微镜          2  CCD成像器件

3  环形光源        4  计算机

5  显示器          6  电源

7  xy移动置物平台  8  测试样品

具体实施方式

以下结合附图和实施例进一步说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

喷墨打印制版的质量与所用墨水、基材、打印控制工艺参数等紧密相关。本实施例针对1800dpi打印输出的印版成像微观质量检测过程予以说明。

所用检测系统含硬件和软件两部分。硬件包括显微放大光学系统、CCD彩色成像器件和计算机等；软件为图像采集及各微观质量指标的计算工具。如图2所示，该测试系统包括显微镜1、CCD成像器件2、环形光源3、计算机4、显示器5、电源6、xy移动置物平台7和测试样品8等。

其中，所用显微镜1为重庆奥特SZ66-TR，具有放大倍率和焦距连续调节功能，物镜的放大倍率从0.68倍到4.5倍，目镜的放大倍率为10，总放大倍率为6.8倍到45倍。显微镜1成像端接CCD成像器件2，品牌型号为COOLSNAP3.3M，具有2048×1536个CCD单元，即形成的数字影像具有2048×1536个像素。CCD成像器件2与计算机4相连，由计算机4控制成像。显微镜1物方端固定有环形光源3，环形光源3与电源6连接，发射D65环形白光照明，照射下方可x、y方向移动的xy移动置物平台7。被检测印版测试样品8放置在置物台上，显微成像后由CCD采集影像，计算机软件对影像进行处理实现检测。

如图1所示，为本发明检测方法的流程，包括图板、色板制作及印制，图样的显微放大及CCD成像，对CCD成像进行尺度标定及校准，图样影像像素值转换，图像预处理和质量指标求解。

首先设计和制备体现打印制版成像微观质量特征的图样标板；采用高分辨率的显微成像系统及CCD数字成像器件，获取标样图像印迹的高分辨率数字影像。设计和利用了双圆点标尺，对显微放大和CCD成像系统进行尺度标定；建立了成像系统由印迹成像的响应值到光反射率值的校准关系；通过对成像系统的尺度标定和校准，获得了印迹图像微米级面元的光反射率信息，并以此进行微观质量特征量的提取。定义和建立了基于光反射率信息影像的线条、圆点和模量传递函数等微观质量指标及求解方法。线质量指标包括线宽、线缘边粗糙度和模糊度，以及线的光反射率等，代表印版文本成像的质量特征；圆点质量指标包括圆度、拟合椭圆特征、圆迹边缘粗糙度等，可用于表征宏观图形的形状规则性，以及单墨点的统计形状特征；模量传递函数MTF曲线则可表征成像的清晰度特征。

具体的检测过程如下：

步骤1，制作印版检测图样数字原稿，包括宽度不同的明暗线条，分别沿水平和竖直方向放置；直径不同的明暗圆点；以及分别沿水平和竖直方向放置的单像素宽度线条。数字原稿为*.GIF影像格式，分辨率与打印输出分辨率相同，即1800dpi，且线条宽度设计为打印分辨率对应像素宽度的整数倍，简单标记为1px、2px、3px等，px代表像素pixel，分别对应14.11μm、28.22μm、42.33μm等。图样单元如图3(a)至图3(d)所示。

之所以设计检测图样数字原稿的分辨率与打印分辨率相同，且线条宽度为打印分辨率对应像素宽度的整数倍，是因为数字线条宽度为打印分辨率对应像素宽度的非整数倍时，形成的打印像素数信息会对数字线条宽度进行四舍五入的取舍，会造成实际打印信息与数字原稿的不匹配。

检测图标数字原稿经1800dpi打印输出后，形成印版的检测图板。

步骤2，选择上述放大成像系统某一放大倍率条件固定不变，由CCD成像器件拍摄双圆点标尺图标，由一定的算法求解该数字影像的分辨力。

该实施例中设计了几种不同圆心距的标尺，圆点直径在0.3mm～0.5mm之间，分别记为A、B、C、D、E号标尺，每个号码的标尺有3个。用CTP制版技术制作了标尺图标，其扫描影像如图4(a)所示。标定应用中，因放大倍率较高，仅能也仅需要拍摄一个号码的双圆点标尺，如图4(b)所示。

计算数字影像分辨力的过程为：求取两个圆点的圆心像素坐标；根据两圆心坐标进行两圆心连线的方位校正，即成为水平线，并确定此时的像素圆心距；由设计的圆心距与该像素圆心距比值表征影像的分辨力。

实验检验了该标尺应用的精度。方法是分别在不同的显微放大倍率下拍摄可应用的标尺(当标尺的两个圆点不能同时在视场中时，则不可使用该标尺)，且拍摄时两圆点的圆心连线与水平线有不同程度的偏离。表1汇总了各放大倍率下由不同号码的3个标尺求解出的影像分辨力，即一个像素对应物面上的尺度，记为微米/像素，简记μm/px。

表1 不同放大倍率下标尺标定的成像分辨力(μm/px)

从表1结果看出，应用不同号码的标尺、同号码的不同标尺，以及拍摄时不同的方位放置，影像单像素所对应的物面尺寸在0.01μm位上是一致的，误差仅发生在0.001μm量级上。

该实施例选择了显微镜的最大放大倍率，视场范围约为1.6mm×1.2mm，适于选用E号标尺，形成的数字影像如图4(b)所示，单像素所对应的物面尺寸为0.781μm，影像分辨率相当于32522dpi。

步骤3，设计色块暗度控制值网点面积率从0％～100％间均匀取值，共15个不同的色块数字原稿，每个正方形色块的边长为12毫米，分辨率亦为1800dpi的*.GIF影像，如图5所示；经1800dpi打印输出后，形成印版的校准色板。

用积分球分光光度计按顺序测量校准色板每个色块及标准白板在可见光内的光谱反射率，分别记为ρ₀(λ)和ρ_s(λ)。

由于该印版打印成像使用了蓝绿色的墨水，校准色板上不同墨量色块的光反射率主要差异发生在红光波段。经选择，在640nm～700nm内，(1)式决定的色块间反射率的差异相对较大，这样，可由最大的差异体现和表征不同色块墨量的不同。此时，(1)式为：

$\mathrm{\ρ}=\frac{{\∫}_{640\mathrm{nm}}^{700\mathrm{nm}}{\mathrm{\ρ}}_0\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{640\mathrm{nm}}^{700\mathrm{nm}}{\mathrm{\ρ}}_s\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}---\left(2\right)$

之后，由CCD成像系统在所用显微成像条件下对校准色板各色块成像，并求取色块中部的RGB平均值。由于R响应值主要反映红光的变化，各色块间R值的差异最大，因而选择R值作为CCD成像对印版不同墨量的响应标志值，标记为归一化数值 $d=\stackrel{\‾}{R}/255.$

最后，建立d和ρ间的数学关系。该实施例中选择了3阶多项式，所用放大成像条件下，该多项式关系为：

ρ＝0.176d³-0.042d²+0.986d+0.001   (3)

关系曲线如图6所示。

步骤4，在所用放大成像条件下，对检测图板上欲测试项目对应的图样拍摄成像，存储为*.GIF格式的RGB影像为测试影像。

步骤5，将测试影像中的R值提取出来，根据步骤3确定的(3)式，将R值变换为代表图样印迹本身光反射率值的灰度影像。

步骤6，对步骤5得到的光反射率灰度影像进行相应的处理，得到对应的质量指标值。

各质量属性指标的求解过程如下：

一、线属性质量指标的求解

1)拍摄检测图板上的各线条图样，存为*.GIF格式RGB影像。拍摄时，线条方向尽量接近水平或竖直；因图板上的线条较长，显微系统放大倍率又较高，会仅有一部分(一段)进入成像视场。

2)将线条影像的R值单层影像由(3)式转换为光反射率灰度影像。

3)采用自校正方法使线条的方位校正为其接近的水平或竖直方向。

该实施例中采用的自校正方法是：将线条灰度影像在线条接近的水平或竖直方向上均分为两部分；对每部分在该方向进行光反射率灰度值的积累，并确定其积累光反射率的最小值；求解两部分最小值位置的坐标，由两个坐标值求解出其连线的方位，并由该方位角度进行影像旋转，即实现线条影像的方位自校正。

该方法效果如图7(a)至图7(c)所示。其中图7(a)为所选择一段线条的初始光反射率灰度影像，图7(b)为按自校正方法确定的角度旋转后的灰度影像，图7(c)为裁切掉因旋转产生的边缘非正常信息后的影像。此时得到的图7(c)影像为方位校正后的光反射率灰度影像。

4)对校正后的灰度影像进行预处理，去掉线条区域之外的噪声，选出只含有线条部分的感兴趣区域。

该实施例采用的方法是：以图7(c)的情况为例，首先以上下边缘5行的平均反射率灰度值确定为印版背景的平均光反射率，为图样中的最大光反射率值，记为ρ_max；之后，沿水平方向平均求取竖直方向上每一位置的灰度平均值，得到沿线迹垂线方向的平均光反射率变化曲线，线迹中心区域的光反射率值最小，记为ρ_min。确定一个反射率阈值ρ_oth，使得从线迹中心开始往两线边缘的光反射率变化过程中，达到(4)式反射率阈值的点，确定为线边缘的界限点。式(4)为：

ρ_Lth＝ρ_max-ρ_oval   (4)

该实施例中ρ_oval为0.02。

最后，将线边缘外边界点之外的印版背景区域光反射率灰度值变为所求的印版背景平均反射率值。如此，得到处理后的光反射率影像如图8(a)所示。

比较图8(a)和图7(c)可以看到，通过上述预处理技术，保留了线条印迹本身的光反射率灰度值，又去掉了线迹之外不属于线迹内容的印版背景噪声，以及图7(c)中易看到的飞墨造成的墨点噪声。

事实上，这样确定的线迹外边界点之外的区域，仍有小部分为线迹墨层到印版的过渡区，但从作用程度和界定方法论的角度看，总是要舍掉这一部分。因此，只要外边界点阈值选取合适，舍去的这一部分不会对线迹性能的分析造成影响。此外，因ρ_oval数值很小，均能够保证取出线迹区域，若线迹区域的光反射率不能满足(4)式大于0的要求，则该线迹不必检测。

5)求解线质量属性指标

对预处理后的影像，以图8(a)为例，确定一个线边缘边界点界定阈值ρ_th，对光反射率值符合(5)式的点界定为线边界点，(5)式如下：

ρ_th＝ρ_min+50％(ρ_max-ρ_min)   (5)

对线迹的每个垂线方向应用(5)式，得到白色点表示的线边界点如图8(b)所示。

求取图8(b)中两边白色线边界点曲线的拟合直线，两拟合直线间的距离为线迹的宽度，线边缘每侧拟合线边界线与其拟合直线间的距离方差为各侧线边缘粗糙度，两侧粗糙度的平均值为线粗糙度。

线边界内部的平均光反射率为线的光反射率。

进一步，确定线的内边界点和外边界点。内、外边界点光反射率阈值ρ_ith和ρ_oth分别符合(6)式和(7)式：

ρ_ith＝ρ_min+20％(ρ_max-ρ_min)   (6)

ρ_oth＝ρ_min+80％(ρ_max-ρ_min)   (7)

定义所有线条垂线方向上，线条每侧边缘内边界点到外边界点的平均距离为各侧线边缘的模糊度，两侧模糊度的平均值为线模糊度。

应用：

针对一个1800dpi打印印版水平、竖直两个方向上，由打印墨水形成的8个不同宽度线迹进行了指标检测，结果如图9(a)至图9(d)所示。

图9(a)所示为两个方向8个线条宽度与其设计线宽的比较。可以看出，无论是水平还是竖直方向，印迹的线宽都较设计线宽大，且竖直线的线宽增量大于水平线。具体表现为，竖直、水平线宽平均增量分别约为16μm和7μm，其中小于100μm的小线宽线条增量更多。这种变化具有普遍性。

不同字号的文字，笔划宽度不同。常用字体的汉字，六号以下文字笔划宽度多小于100μm。因此，印版线迹的增宽会影响到文字印品的质量，特别是六号以下小字号文本的质量。量化印版上线迹的宽度特征是分析其应用质量的基础。

图9(b)和图9(c)所示分别为两个方向8个线迹的粗糙度和模糊度。可以看出，无论是粗糙度还是模糊度，都有水平线数值大于竖直线，表明水平线线迹的边缘质量更不好。此外，随着线迹宽度的增加，线迹边缘的粗糙度和模糊度都随之增加；其中，模糊度的增加速度高于粗糙度。

图9(d)给出了两个方向线迹的光反射率随线宽的变化。线迹的光反射率决定于线迹本身的墨量多少，而印版上墨量的多少又决定着印刷时的着墨多少。

由图9(d)看出，随着线宽增大，线迹的光反射率逐渐降低。小线宽的线迹，因墨点重叠较少、整体墨量较少，对光的吸收也较少；大线宽线迹，则因为墨点重叠较多、线墨量较多，对光的吸收也较多；当线迹宽度达100μm以上时，墨点的重叠达到墨滴大小和打印分辨率共同决定的饱和状态，墨量和对光的吸收也达到饱和而不再变化；两个方向情况基本相当。这些结果直接决定着其印刷的小字号、大字号文本笔划的暗度。

上述测试的主要线质量指标，能够从印版上线迹宽度与设计宽度的差异、线迹边缘的质量缺陷、线迹本身的墨量表征，以及线质量随方向变化的特征等方面反映印版线条成像的质量特性，以作为其印刷应用效果的一种表征。

二、点属性质量指标的求解

1)拍摄测试图板上的圆点图样，存为*.GIF格式RGB影像。

2)将圆点影像的R值单层影像由(3)式转换为光反射率灰度影像。

3)对反射率灰度影像进行预处理，去掉圆点区域之外的噪声，同时筛选出圆点像素。方法是：选取含有圆点、四周为印版背景的一个矩形区域，由四周的像素灰度均值作为印版背景的光反射率值，亦记为ρ_max。同样，由(4)式确定的光反射率阈值筛选出光反射率小于该阈值的区域。进一步求解出每个独立区域的边界和所围面积，保留最大面积区域，即测试目标圆点区域，而将其他区域设置为印版背景光反射率ρ_max，即消除了圆点区域之外的噪声。

4)求解点质量属性指标

对上述第3)步得到的去噪声影像，同样由(5)式确定出圆点的边界点，计算边界点内圆点的面积及平均光反射率。进一步，对圆点边界点闭合曲线进行椭圆拟合，并求解出椭圆长、短轴、短轴与长轴的比值圆度、长轴与水平正方向的夹角等指标，以及圆边界点曲线与其拟合椭圆线间距离差的均方差，即圆点边缘粗糙度。如图10所示，为一圆点边界及其拟合椭圆线示意图。

应用一：

针对研究过程中两种不同打印工艺参数成像的6个相同设计尺寸的圆点(设计直径为296.33μm，面积为68969μm²)印迹进行点质量属性指标的测量，取平均数值表征，结果如表2所示。其中，拟合椭圆的方向各不相同，平均值已没有意义，没有列入。

表2 两种版材的圆点质量指标测试值

从表2数据看出，两种版圆点印迹的直径及面积都有所增加，2^#版的增量大于1^#版。正是因为面积的增加较多，使得相同打印墨量下，2^#版较1^#版的圆点印迹墨量散得更开，反射率更高。两个版的圆度基本相当，但2^#版的边缘较1^#版粗糙。因此可以断定，虽然在保持圆形的基本形状上，两者间差异不大，但2^#版面打印墨水铺展得更厉害，圆边缘更加不光滑。这些差异为不同工艺条件所致。

应用二：

圆点的质量指标同样适于评价由单像素点控制的单墨滴在印版上的成像质量。针对上述1^#、2^#版单墨滴在印版上形成的单墨点成像质量进行了测试，各印版上80个单像素墨点质量指标的平均值、最小和最大值如表3所示。其中，拟合椭圆的方向未列入，见后面分析。

表3 单墨点质量指标测试值(80个墨点统计结果)

首先，从表3数据看出，所有指标都有较大的变动范围，表明这些单墨点的大小和形状差异较大。其次，就单项指标来看，单墨点的圆度较小，远小于表2所示较大圆点的情况；若以拟合椭圆长、短轴的均值表征单墨点的大小，则所测1^#、2^#版单墨点的“直径”分别约为31.37μm和32.42μm。单墨点是印版成像的基元，是决定印版成像质量的根本因素。从圆度和大小看，2^#版的成像基元质量不及1^#版。进一步从粗糙度看，虽然绝对值不大，但相对于其“直径”而言，1^#、2^#版情况分别为0.98/31.37＝3.12％和1.45/32.42＝4.47％，明显大于表2中1^#版的3.48/308.28＝1.13％结果，表明单墨点的边缘更加粗糙。此外，从圆点反射率看，其反射率较表2大圆点情况大得多，体现出单墨点较低的印刷着墨力。

最后，分析单墨点形状的方向特性。80个墨点拟合椭圆长轴方向的墨点数统计分布如图11(a)和图11(b)所示。

拟合椭圆长轴方向的变化分为以-90°～90°为计。从图11(a)和图11(b)看到，1^#、2^#两个版均有绝大部分墨点的方向在0°附近，即其拟合椭圆的长轴基本沿水平方向。在拍摄单墨点影像时，基本保持了与印版打印水平和竖直方向的一致。因此，单墨点的这种统计行为表明，印版水平方向对墨水的铺展程度要大于竖直方向。这对版面处理的应用效果及改进提供了量化的分析和依据。

三、模量传递函数MTF求解

1)同于线属性质量指标求解过程：拍摄测试图板上的单像素宽线条印迹，存为*.GIF格式RGB影像；将线条影像的R值单层影像由(3)式转换为光反射率灰度影像；使线条的方位校正为其接近的水平或竖直方向。

2)对校正后的灰度影像在沿线条方向进行平均，获得沿线条垂线方向的光反射率变化曲线。

3)针对步骤2)获得的光反射率曲线值进行y＝1-ρ变换，结果如图12(a)所示。该曲线的物理意义即成像理论中的线扩展函数，这里称为初始线扩展函数y，代表着印版成像基元线度成像的精细程度。

4)对初始线扩展函数进行降噪处理。采用的方法是三个高斯函数的组合拟合。高斯函数拟合公式为(8)式：

$y_{\mathrm{fit}}=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{e}^{[-{(x-b_i)}^2/c_i^2]}+a_4---\left(8\right)$

其中，y_fit为拟合后的y值，a_i、b_i和c_i为拟合系数，且a₄＝1-ρ_max。

该实施例中，采用模拟退火算法求解(8)式中的各个系数。图12(b)中同时给出了初始线扩展函数y和用虚线表示的拟合的线扩展函数y_fit。可以看到，拟合线扩展函数很好地保持了线迹区域信息的函数形状，而在印版背景区域去除了印版背景波动较大的反射率噪声。

5)对拟合线扩展函数y_fit保留线扩展函数的变化部分，即保留y_fit-a₄部分，如图12(c)所示；对此函数进行傅里叶变换，得到归一化的模量传递函数，即MTF曲线，如图12(d)所示。

应用：

针对上述1^#、2^#版各自不同位置处水平、竖直方向的6条单像素线迹进行了MTF测试，平均MTF曲线分别如图13(a)和图13(b)所示。

MTF值随空间频率变化衰减得越慢，表明成像的细节越清晰，即成像清晰度越高。比较图13(a)和图13(b)看到：两个版都有竖直方向MTF曲线的衰减快于水平方向；水平方向上两个版的MTF曲线相当，但竖直方向上则是1^#版的明显好于2^#版的。

由于水平方向放置的单像素宽线条，其线扩展方向为竖直方向，即其MTF反映的是竖直方向上的清晰度性能；竖直方向放置单像素线的情况则对应水平方向清晰度。因此，上述结果表明，竖直方向上两个版的清晰度相当，但水平方向上2^#版明显不如1^#版。2^#版也因两个方向差异较大，整体清晰度不如1^#版。

联系到上述单墨点的方向性统计数据，两个版都有单墨点的拟合椭圆长轴方向基本沿水平方向，因此造成了水平方向上墨点有相对更多的铺展和MTF曲线的过快衰减。此外，2^#版单墨点较小的圆度，即墨点两个方向较大的尺度差异，也与这里2^#版两个方向MTF曲线较大的差异直接相关。

综合上述三方面质量指标的应用看到：利用不同设计宽度线迹的质量指标，可以表征不同字号文本的质量特性；利用圆点的质量指标，可以表征一定大小图形的形状规则性质量特征，特别地，针对单墨点圆点的指标，可以反映印版成像基元的质量及某些统计规律，进而分析其相关技术成因；利用模量传递函数MTF曲线，可表征印版对细节成像的清晰度性能。

进一步，还可以将这些微观质量指标进行关联性分析和研究，以指导成因分析和质量改进。

上述分析表明，该微观质量指标的检测，不仅可用于产品质量的测评和控制，还可用于材料研发和工艺优化等相关研究。

Claims (10)

1.一种打印制版成像的微观质量检测方法，包括以下步骤：

(1)制作含有印版成像微观质量检测图样的数字原稿，并打印成像，作为检测图板；

(2)采用光学显微放大和彩色CCD成像系统，该系统包括CCD成像器件、显微镜和环形光源，CCD成像器件对所用成像白光光源调整到白平衡，并在显微成像条件下，标定CCD所成数字影像的物面尺度分辨力；

(3)在相同的显微成像条件下，利用校准色板，对CCD成像进行印版光反射率的校准，建立CCD相机的响应值与印版的光反射率间的数学关系；

(4)在相同的显微成像条件下，对检测图板的单元图样成像，形成RGB数字影像；

(5)对所形成RGB数字影像，由得到的光反射率校准关系，得到图板单元图样的光反射率灰度影像；

(6)对得到的光反射率灰度影像，通过数字图像处理技术得到图样印迹的质量属性指标值。

2.根据权利要求1所述的打印制版成像的微观质量检测方法，其特征在于：所述的印版成像微观质量检测图样的数字原稿采用*.GIF或*.bmp格式，分辨率与打印分辨率相同。

3.根据权利要求1所述的打印制版成像的微观质量检测方法，其特征在于：所述的检测图板中包括水平与竖直方向排列的不同像素宽度的线条，不同像素数直径的圆点，以及水平、竖直方向放置的单像素宽度线条的单元图样；所述的校准色板包含不少于15个不同网点面积率的色块，每个色块的形状为正方形，边长不小于10mm。

4.根据权利要求1所述的打印制版成像的微观质量检测方法，其特征在于：CCD所成数字影像的物面尺度分辨力的标定，包括如下步骤：

1)由CCD成像器件拍摄双圆点标尺图标，形成标尺图标的数字影像；

2)由双圆点标尺图标数字影像中两个圆点圆心距对应的像素数计算该成像条件下数字影像的分辨力。

5.根据权利要求1所述的打印制版成像的微观质量检测方法，其特征在于：CCD成像器件所用照明光为D65白光环形光源；在显微镜的放大倍率下CCD所成数字影像的每个像素对应成像物面上线度不大于3μm。

6.根据权利要求1所述的打印制版成像的微观质量检测方法，其特征在于：所述的光反射率校准，包括如下步骤：

1)由积分球分光光度计测试校准色板各色块和标准白板的可见光光谱反射率，分别记为ρ₀(λ)和ρ_s(λ)；

2)根据印版成像墨水的颜色特征，在其补色光波段内选取一个波长范围，求取该波长范围内校准色板色块和标准白板的光反射率总和，以(1)式表征校准色板各色块的光反射率：

$\mathrm{\ρ}=\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\ρ}}_0\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\ρ}}_s\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}---\left(1\right)$

式中λ₁和λ₂分别为所选取波长范围的起止波长；

3)由CCD成像系统对校准色板各色块成像，并对数字图像的中部求取RGB响应的平均值，选取出随校准色板色块变化最大的颜色值，并归一化，记为d；

4)根据校准色板所有色块的d和ρ值，由一维拟合方法建立ρ与d之间的数学关系，即在该成像状态下CCD影像响应值与印版印迹光反射率间的校准关系。

7.根据权利要求1所述的打印制版成像的微观质量检测方法，其特征在于：所述的图样印迹的质量属性指标包括线质量属性指标，点质量属性指标，以及模量传递函数MTF。

8.根据权利要求7所述的打印制版成像的微观质量检测方法，其特征在于：所述的线质量属性指标的计算和评价方法，包括如下步骤：

(1)选取印版线条印迹光反射率灰度影像中的一段印迹，采用自校正方法，将线条方位校正到其接近的水平或竖直方向；

(2)对方位校正后的图像进行预处理，去除掉影像中线迹之外的噪声；

(3)在印迹线的所有垂线方向上，按照光反射率变化量规则，确定线两边的边界点、内边界点和外边界点；

(4)求取印迹线方向上，线两边各自边界点的拟合直线，两拟合直线间的距离为线宽；各自线边界点与其拟合直线间距离的标准方差为线边缘粗糙度；

(5)计算线迹两边各自垂线方向上内、外边界点间的距离，线迹所有垂线方向上内、外边界点间距离的平均值，为线边缘模糊度；

(6)计算线迹两边线边界点间的平均光反射率，为线光反射率；

(7)找出线迹上某一垂线位置上没有线边界点的线段，为断线，并计算所取线迹段上的总断线数及平均每厘米长度内的断线数；

(8)计算线迹两侧线边界点内光反射率大于某一阈值的区域数，设定一定的区域尺寸阈值，求取超过该阈值的区域数，为线内空洞。

9.根据权利要求7所述的打印制版成像的微观质量检测方法，其特征在于：所述的点质量属性指标的计算和评价方法，包括如下步骤：

(1)选取印版圆点印迹光反射率灰度影像中包含圆点印迹影像的一个矩形区域，对矩形区域图像进行预处理，去除掉被测圆点之外的图像噪声；

(2)按照光反射率变化量规则，确定圆点边缘的边界点和内边界点；

(3)计算圆点边缘边界点所围面积，为圆点面积；计算圆点边缘内边界点所围面积的平均光反射率，为圆点光反射率；

(4)对确定的圆点边缘边界点进行椭圆拟合，计算得到椭圆长轴、短轴长度及短轴与长轴的比值，该比值称为圆度，并计算出长轴方向与水平正方向间的夹角；

(5)计算圆点边缘边界线与拟合椭圆线在与椭圆切线垂直方向上的距离差异，并计算得到所有距离差异的标准方差，为圆点边缘的粗糙度。

10.根据权利要求7所述的打印制版成像的微观质量检测方法，其特征在于：所述的模量传递函数MTF的计算和评价方法，包括如下步骤：

(1)选取单像素原稿线条印版成像印迹光反射率灰度影像中的一段，采用自校正方法，将线条方位校正到其接近的水平或竖直方向；

(2)对方位校正后的图像进行预处理，去除掉线迹之外的图像噪声；

(3)计算印迹线垂线方向上所有垂线的平均光反射率，作为线扩展函数；

(4)对线扩展函数进行滤波降噪处理；

(5)对降噪处理后的线扩展函数进行傅里叶变换，得到MTF曲线。