CN107944131A - 一种印刷网点覆盖率模拟测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种印刷网点覆盖率模拟测量方法，包括以下步骤：步骤（1）,确定模拟所需光学特性参数;步骤（2）,建立网点模拟流程;步骤（3），模拟网点形状设计;步骤（4），信息统计与转化;步骤（5），建立印刷网点模拟测量系统。本发明的网点模拟测量系统无需实际上机印刷，只需借助计算机仿真技术，模拟光在印刷网点中传播过程，实现对多种网点形状的模拟测量，降低对印刷材料的消耗，经济环保。

Description

一种印刷网点覆盖率模拟测量方法

技术领域

本发明涉及IPC分类G01B不规则表面或轮廓的计量技术，属于印刷网点质量控制领域，具体涉及一种印刷网点覆盖率的模拟测量方法。

背景技术

印刷品是一种重要的信息载体，根据印刷品功能不同，可分为书籍、画册、包装盒等五大门类。印刷品种类丰富，形式多样，关系着办公、生活诸多方面。印刷品记录、承载、传播的信息占信息总量的80％，是推动信息复制、传播的重要一环。

印刷质量品质是决定印刷品有效传播信息的关键要素。结构上，印刷品是由承印物及油墨构成，油墨以网点的形式规则地分布在承印物上并通过多色油墨叠合呈现不同光谱颜色。网点是印刷的最小复制单元。根据加网原理的不同，可分为调频网点、调幅网点以及混合加网网点；根据形状的差异，又可分为圆形、椭圆、菱形等网点。在印刷领域，调节印前与实际印刷工艺是控制印刷质量的主要方式。印前过程包括图像处理、分色加网、打样；实际印刷过程主要包括晒制菲林片、制版、上机印刷等步骤。无论是印前控制还是实际印刷阶段控制，目的均是控制网点的准确转移，因此本质上控制印刷品质量的过程就是控制印刷网点转移复制的过程。

网点覆盖率也称网点面积率，即单位面积内网点所占比率。原稿分色加网后的面积率称为加网面积率；印版及印刷样张上的面积率分别称为印版网点面积率、印刷网点面积率，控制三种网点面积率保持一致是控制印刷质量的常用方式。然而准确控制这一过程并非易事，主要原因包括：1、网点转移过程复杂性。从最初分色加网阶段确定不同区域的加网面积率，到最终印刷到承印物的网点面积率，网点期间通常要经过激光照排机、制版机、印刷机等多种工序的多个步骤，且在转移过程中常借助主观经验判断网点转移好坏。2、网点可控参数多，可选材料广。加网方式有调频与调幅之分，即使在同一加网方式下，比如同样是采用条幅加网的网点，又有圆形网点、椭圆网点等形状差别。不同的加网方式具有不同印刷优势，调频加网可以有效避免龟纹的产生；印刷用纸多种多样，从克重为28g的轻薄纸到克重高于200g的铜版纸，可选种类较多；印刷机械有胶印、凹版及数码印刷机等多种。对于同一印刷原稿，加网方式、印刷材料及印刷机械的多样化导致较多选择空间，每一种组合工艺都有特定网点转移特性。3、纸张特殊的物理化学特性。印刷品具有多层次物理属性，当油墨被转移墨棍转印到纸张表面后，纸张表面凹凸铺平导致油墨铺展不均衡，且纸张表面的纤维空隙对油墨有虹吸作用，油墨颜料会渗透到纸张内部。不同纸张的铺展、渗透特性均不同，导致网点形态轮廓出现差异，影响网点覆盖率转移。此外，任何形状的网点转移到纸张表面后，都会发生光学网点扩大现象，其主要由光散射引起的，很难使用光学仪器精确地测定网点的边缘。

印刷中，现有的测量网点覆盖率方法分为两种，图像转换法和仪器测量法。图像转换法的其原理是先使用光学传感器采集印张表面图像，采用数字图像处理方式，放大、提取网点轮廓边缘最终计算得到网点面积率。比如中国专利申请CN104742516A适于印刷全程的高倍图像网点覆盖率数字化测量方法以及CN102878958A一种平版印刷的印版网点面积的测量方法，均是采用图像转换法间接获取网点面积率。这主要得益于该方法能够有效减少光学网点扩大的影响。但该方法需要依赖高分辨率图像，网点图像清晰度及网点边界提取算法决定网点面积率精度。仪器测量法即首先采用光学测量仪器如光光度计及密度计，测定不同区域网点区域的反射率或密度值，然后根据数学模型转换为网点面积率。该方法测量速度较快，但需要人工手动测量且无法避免光学网点扩大影响。

随着大数据及虚拟现实技术发展，模拟光在介质中传播过程成为可能，印刷品是多层状传播介质，借助计算机模拟仿真印刷品上网点信息，具有经济、快速优势，为测量网点面积率及控制印刷质量提供新思路。

发明内容

本发明的目是建立一种印刷网点覆盖率模拟测量方法及系统。通过计算机虚拟仿真技术，模拟光在印刷网点中传播过程并获取网点形态信息，建立网点面积率模拟测量方法。

本发明的目的将通过以下技术步骤实现：选取代表光传播特性关键参数，针对光在网点中传播轨迹建立模拟流程，根据加网原理设计模拟网点形状，仿真模拟并统计信息，建立印刷网点模拟测量系统。

步骤(1),确定模拟所需光学特性参数

根据油墨、纸张的结构属性及光学参数易测量性，确定表征油墨的特性参数为：油墨透射率T_i，油墨表面反射率R_i，油墨层厚度H_i。确定表征纸张的光学特性参数为：纸张厚度p_t，纸张表面反射率R_p，纸张各项异性g，纸张的折射率n_p，纸张光散射吸收σ_s以及纸张光吸收系数σ_α。

步骤(2),建立网点模拟流程

根据Monte‐Carlo法，选用直角坐标系，以三维纸张为中心，建立网点基本模拟流程。主要包括模拟初始化设置，判断入射位置，确定光子的移动步长，平均移动距离与衰减系数的倒数成反比，根据Beer定律确定移动步长Δs，其公式如下

其中ε[0,1]为随机数，σ_s为光散射系数，σ_a为光吸收系数。

根据Henyey‐Greenstein相函数，确定光子每次偏转角度，其公式如下，其中β为偏转角度，g为各向异性系数

根据全反射发生条件，判断光子撞击到纸张表面是否返回纸张内部，光子沿方向(u_x,u_y,u_z)，以移动步长s，从原位置(x,y,z)移动到新位置(x',y',z')时，如果位置坐标|z'|≤纸张厚度p_t/2，光子新位置在介质内，未撞击到界面；当|z'|>p_t/2，光子若沿方向(u_x,u_y,u_z)移动会撞击到界面。全反射临界角α_c小于光子移动方向与界面的撞击夹角α_i，此时光子发生内反射，其中n_i和n_t分别为光子所在介质和出射介质的折射率，全反射临界角α_c与撞击夹角关系α_i如下

α_i＝cos^-1(|u_z|)

α_c＝sin^-1(n_t/n_i)

当未满足全反射的条件时，根据Fresnel反射系数R(α_i)确定光子在界面处是否发生内反射，Fresnel反射系数计算见公式如下

根据Snell准则，出射角α_t与撞击夹角α_i关系公式如下

n_isinα_i＝n_t sinα_t

当满足|z'|>pt/2情况下，取随机数ε∈[0,1]与R(αi)比较，判断光子出射还是内反射。如果ε>R(αi)时，光子发生出射，光子离开纸张；如果ε≤R(α_i)时，光子发生内反射。若光子发生内反射，内反射后其在界面处的坐标点可通过求经过点(x,y,z)且方向余弦为(u_x,u_y,u_z)的直线与界面的焦点得到，光子对应的移动方向相应地变为(u_x,u_y,‐u_z)。当光子因出射而离开纸张介质，光子由下界面出射，则被视为透射光子，光子由纸张上界面出射，则被视为反射光子。

步骤(3)，模拟网点形状设计

根据印刷加网基本原理，分别设计圆形、椭圆、方形、菱形等常用调幅印刷网点形状。将网点形状信息添加到步骤3中，判断光子最初到达纸张内部时，是否经过油墨层吸收，当光子入射位置在网点形状内，光子要经过油墨层吸收；反之，光子直接进入纸张内部。

步骤(4)，信息统计与转化

光子在纸张中移动每一步都伴随着统计概念上能量损失，设光子最初能量为w，移动单个步长后能量为w'，能量损失量关系如下

统计模拟后光子能量信息，反射光子总能量S_r，全部光子总能量S_a，两者比值即为网点模拟反射率值，根据修正后的Clapper‐Yule模型计算得到模拟网点面积率。光学网点扩大由光散射引起，具体表现为光子由油墨层入射，经散射后由非油墨层出射，或者非油墨层入射而油墨层出射，统计散射光子的能量和，经转换后最终得到光学网点扩大量。

步骤(5)，建立印刷网点模拟测量系统。

在计算机中按照步骤2的模拟流程以及统计信息，编写印刷网点模拟测量程序，建立印刷网点模拟测量系统。借助计算机软件仿真特性，根据反射光子出射时位置及能量信息，输出显示网点模拟二维、三维效果图。

本发明的优势在于以下几点：

1，本发明的网点模拟测量系统无需实际上机印刷，只需借助计算机仿真技术，模拟光在印刷网点中传播过程，实现对多种网点形状的模拟测量，降低对印刷材料的消耗，经济环保。

2，印刷复制过程是一个系统过程，加网种类、网点形状及材料的属性都会对最终印刷效果产生影响。在实际印刷过程中，为了获取最佳印刷效果，不可能对每种工艺组合测试，通过本模拟测量系统，可实现对不同网点印刷效果的模拟，测量周期短，灵活快速。

3，本模拟测量系统不仅可以模拟测量网点面积率，还可获得不同网点的光学网点扩大量，实现网点二维及三维印刷效果的仿真模拟，拓宽了印刷质量控制评价方式。

附图说明

图1为本发明测量方法主流程图；

图2为本发明模拟方法程序图；

图3为本发明圆形网点设计示意图；

图4为本发明方形网点设计示意图；

图5为本发明椭圆形网点设计示意图；

图6为本发明菱形网点设计示意图；

图7为本发明同心圆网点设计示意图；

图8显示输出调频网点模拟效果图.

具体实施方式

本发明原理在于，根据印刷加网定义，网点是再现印刷效果的最小复制单元，准确控制网点的转移复制是控制印刷质量的有效方式。网点覆盖面积即印刷单元网格中网点着墨区域面积，单元网格中着墨区域面积与网格面积之比即为网点面积率。印刷稿中不同的网点面积率最终体现不同的印刷阶调。传统测量网点面积率方式为：测量入射光通量与反射光通量，后经转换计算得到网点面积率。计算机虚拟现实技术发展实现了光在不同介质中传播过程模拟。根据物理光学定义，光具有波粒二象性，本发明基于光的粒子属性，采用Monte‐Carlo法，模拟光在印刷网点中传播过程，实现对不同网点形状大小的模拟测量。

如图1所示，本发明的主要流程为：选取代表光传播特性关键参数，针对光在网点中传播轨迹建立模拟流程，根据加网原理设计模拟网点形状，仿真模拟并统计信息，建立印刷网点模拟测量系统。以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

步骤1,确定模拟所需光学特性参数

根据油墨、纸张的结构属性及光学参数易测量性，确定表征油墨的特性参数为：爱普森黑色油墨透射率T_i＝0.145，表面反射率R_i＝0.204，油墨层厚度H_i＝0.8μm。确定表征纸张的光学特性参数为：178g铜版纸张厚度p_t＝0.014cm，纸张表面反射率R_p＝0.91，纸张各项异性g＝0.8，纸张光散射吸收σ_s＝50以及纸张光吸收系数σ_α＝0.3。

步骤2,建立网点模拟流程

根据前述的Monte‐Carlo法，选用直角坐标系，以三维纸张为中心，建立网点基本模拟流程。主要包括模拟初始化设置，判断入射位置，确定光子的移动步长，平均移动距离与衰减系数的倒数成反比，根据Beer定律确定移动步长Δs，其公式如下

其中ε[0,1]为随机数，σ_s为光散射系数，σ_a为光吸收系数。

根据Henyey‐Greenstein相函数，确定光子每次偏转角度，其公式如下，其中β为偏转角度，g为各向异性系数

根据全反射发生条件，判断光子撞击到纸张表面是否返回纸张内部，光子沿方向(u_x,u_y,u_z)，以移动步长s，从原位置(x,y,z)移动到新位置(x',y',z')时，如果位置坐标|z'|≤纸张厚度p_t/2，光子新位置在介质内，未撞击到界面；当|z'|>p_t/2，光子若沿方向(u_x,u_y,u_z)移动会撞击到界面。全反射临界角α_c小于光子移动方向与界面的撞击夹角α_i，此时光子发生内反射，其中n_i和n_t分别为光子所在介质和出射介质的折射率，全反射临界角α_c与撞击夹角关系α_i如下

α_i＝cos^-1(|u_z|)

α_c＝sin^-1(n_t/n_i)

当未满足全反射的条件时，根据Fresnel反射系数R(α_i)确定光子在界面处是否发生内反射，Fresnel反射系数计算见公式如下

根据Snell准则，出射角α_t与撞击夹角α_i关系公式如下

n_isinα_i＝n_t sinα_t

当满足|z'|>pt/2情况下，取随机数ε∈[0,1]与R(αi)比较，判断光子出射还是内反射。如果ε>R(αi)时，光子发生出射，光子离开纸张；如果ε≤R(α_i)时，光子发生内反射。若光子发生内反射，内反射后其在界面处的坐标点可通过求经过点(x,y,z)且方向余弦为(u_x,u_y,u_z)的直线与界面的焦点得到，光子对应的移动方向相应地变为(u_x,u_y,‐u_z)。当光子因出射而离开纸张介质，光子由下界面出射，则被视为透射光子，光子由纸张上界面出射，则被视为反射光子。

步骤3，模拟网点形状设计

根据印刷加网基本原理，分别设计圆形、椭圆、方形、菱形等常用调幅印刷网点形状。将网点形状信息添加到步骤3中，判断光子最初到达纸张内部时，是否经过油墨层吸收，当光子入射位置在网点形状内，光子要经过油墨层吸收；反之，光子直接进入纸张内部。

⑴圆形网点设计

圆形网点比同心圆网点结构简单，其结构设计图如图3所示，根据圆形网点结构可确定圆形网点面积率与半径r的关系，公式如下

对圆形网点，当时，墨层对光子有吸收作用，当时，光子不会经历墨层的吸收。

⑵方形网点设计

根据向量判断法，在加网线数为L，网点面积率为a的情况下，求出方形网点四个顶角的位置坐标，见如下公式。

将所述的a点坐标减去光子m(x，y)坐标即可得出向量同理可得出向量的坐标表示式。根据向量理论，当点m与四边形顶点组成的向量相互叉乘大于0时，点m在四边形内，反之，入射点m在四边形之外，形状设计如图4所示。

⑶椭圆网点设计

图5显示离心率为0.6的椭圆网点结构。椭圆长轴为a，离心率为e，加网线数为L，则网点面积率β与长轴a的关系如下

将所述的光子位置坐标(x，y)带入如下公式，当公式成立时，光子从墨层入射，否则，光子不需经过表面墨层的吸收作用。

⑷菱形网点设计

菱形网点是规则的四边形网点，图6显示菱形网点设计图。当菱形网点的较小的顶角为2θ，加网线数为L，菱形网点面积率与边长k的关系式见如下公式

入射位置M与所述的四边形网点的顶点组成的向量如下

将所述的入射位置与四个顶点组成的向量进行叉乘运算，大于0时墨层入射，小于0时不从墨层入射。

⑸同心圆网点设计

图7显示了同心圆网点设计，根据同心圆网点面积与网点面积率之间的数学关系，可推导出条和空的宽度为t、k与网点面积率a的表达式，具体见如下公式

其中L为加网线数，条空之比为m/n。

光子在内圆环时，油墨层吸收所述光子的部分能量；外圆环时，光子直接进入纸张内部。

步骤4，信息统计与转化

光子在纸张中移动每一步都伴随着统计概念上能量损失，设光子最初能量为w，移动单个步长后能量为w'，能量损失量关系如下

统计模拟后光子能量信息，反射光子总能量S_r，全部光子总能量S_a，所述的两者比值即为网点模拟反射率值，根据修正后的Clapper‐Yule模型计算得到模拟网点面积率。统计所述散射光子的能量和，经转换后最终得到光学网点扩大量。

步骤5，建立印刷网点模拟测量系统。

在计算机中按照所述步骤2的模拟流程以及统计信息，在Matlab中编写印刷网点模拟测量程序，建立印刷网点模拟测量系统。借助计算机软件仿真特性，根据反射光子出射时位置及能量信息，建立模拟测量系统，图8显示输出调频网点模拟效果图。

Claims (6)

1.一种印刷网点覆盖率模拟测量方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1),确定模拟所需光学特性参数

根据油墨、纸张的结构属性及光学参数易测量性，确定表征油墨的特性参数为：油墨透射率T_i，油墨表面反射率R_i，油墨层厚度H_i。确定表征纸张的光学特性参数为：纸张厚度p_t，纸张表面反射率R_p，纸张各项异性g，纸张的折射率n_p，纸张光散射吸收σ_s以及纸张光吸收系数σ_α；

步骤(2),建立网点模拟流程

根据Monte-Carlo法，选用直角坐标系，以三维纸张为中心，建立网点基本模拟流程。主要包括模拟初始化设置，判断入射位置，确定光子的移动步长，平均移动距离与衰减系数的倒数成反比，根据Beer定律确定移动步长Ds，其公式如下

其中e[0,1]为随机数，s_s为光散射系数，s_a为光吸收系数；

根据Henyey-Greenstein相函数，确定光子每次偏转角度，其公式如下，其中b为偏转角度，g为各向异性系数

根据全反射发生条件，判断光子撞击到纸张表面是否返回纸张内部，光子沿方向(u_x,u_y,u_z)，以移动步长s，从原位置(x,y,z)移动到新位置(x',y',z')时，如果位置坐标|z'|≤纸张厚度p_t/2，光子新位置在介质内，未撞击到界面；当|z'|>p_t/2，光子若沿方向(u_x,u_y,u_z)移动会撞击到界面。全反射临界角α_c小于光子移动方向与界面的撞击夹角α_i，此时光子发生内反射，其中n_i和n_t分别为光子所在介质和出射介质的折射率，全反射临界角α_c与撞击夹角关系α_i如下

α_i＝cos^-1(|u_z|)

α_c＝sin^-1(n_t/n_i)

当未满足全反射的条件时，根据Fresnel反射系数R(α_i)确定光子在界面处是否发生内反射，Fresnel反射系数计算见公式如下

根据Snell准则，出射角α_t与撞击夹角α_i关系公式如下

n_isinα_i＝n_tsinα_t

当满足|z'|>pt/2情况下，取随机数ε∈[0,1]与R(αi)比较，判断光子出射还是内反射。如果ε>R(αi)时，光子发生出射，光子离开纸张；如果ε≤R(α_i)时，光子发生内反射。若光子发生内反射，内反射后其在界面处的坐标点可通过求经过点(x,y,z)且方向余弦为(u_x,u_y,u_z)的直线与界面的焦点得到，光子对应的移动方向相应地变为(u_x,u_y,-u_z)。当光子因出射而离开纸张介质，光子由下界面出射，则被视为透射光子，光子由纸张上界面出射，则被视为反射光子。

步骤(3)，模拟网点形状设计

根据印刷加网基本原理，分别设计圆形、椭圆、方形、菱形等常用调幅印刷网点形状。将网点形状信息添加到步骤3中，判断光子最初到达纸张内部时，是否经过油墨层吸收，当光子入射位置在网点形状内，光子要经过油墨层吸收；反之，光子直接进入纸张内部；

步骤(4)，信息统计与转化

光子在纸张中移动每一步都伴随着统计概念上能量损失，设光子最初能量为w，移动单个步长后能量为w'，能量损失量关系如下

统计模拟后光子能量信息，反射光子总能量S_r，全部光子总能量S_a，两者比值即为网点模拟反射率值，根据修正后的Clapper-Yule模型计算得到模拟网点面积率。光学网点扩大由光散射引起，具体表现为光子由油墨层入射，经散射后由非油墨层出射，或者非油墨层入射而油墨层出射，统计散射光子的能量和，经转换后最终得到光学网点扩大量；

步骤(5)，建立印刷网点模拟测量系统。

在计算机中按照步骤2的模拟流程以及统计信息，编写印刷网点模拟测量程序，建立印刷网点模拟测量系统。借助计算机软件仿真特性，

根据反射光子出射时位置及能量信息，输出显示网点模拟二维、三维效果图。

2.根据权利要求1所述的一种印刷网点覆盖率模拟测量方法，其特征在于：步骤(2)中采用圆形网点设计：圆形网点比同心圆网点结构简单，其结构设计图如图3所示，根据圆形网点结构可确定圆形网点面积率与半径r的关系，公式如下

对圆形网点，当时，墨层对光子有吸收作用，当时，光子不会经历墨层的吸收。

3.根据权利要求1所述的一种印刷网点覆盖率模拟测量方法，其特征在于：步骤(2)中采用方形网点设计

根据向量判断法，在加网线数为L，网点面积率为a的情况下，求出方形网点四个顶角的位置坐标，见如下公式。

将所述的a点坐标减去光子m(x，y)坐标即可得出向量同理可得出向量的坐标表示式。根据向量理论，当点m与四边形顶点组成的向量相互叉乘大于0时，点m在四边形内，反之，入射点m在四边形之外，形状设计如图4所示。

4.根据权利要求1所述的一种印刷网点覆盖率模拟测量方法，其特征在于：步骤(2)中采用椭圆网点设计

采用离心率为0.6的椭圆网点结构，椭圆长轴为a，离心率为e，加网线数为L，则网点面积率β与长轴a的关系如下

将所述的光子位置坐标(x，y)带入如下公式，当公式成立时，光子从墨层入射，否则，光子不需经过表面墨层的吸收作用。

5.根据权利要求1所述的一种印刷网点覆盖率模拟测量方法，其特征在于：步骤(2)中采用菱形网点设计

菱形网点是规则的四边形网点，当菱形网点的较小的顶角为2θ，加网线数为L，菱形网点面积率与边长k的关系式见如下公式

入射位置M与所述的四边形网点的顶点组成的向量如下

将所述的入射位置与四个顶点组成的向量进行叉乘运算，大于0时墨层入射，小于0时不从墨层入射。

6.根据权利要求1所述的一种印刷网点覆盖率模拟测量方法，其特征在于：步骤(2)中采用同心圆网点设计

根据同心圆网点面积与网点面积率之间的数学关系，可推导出条和空的宽度为t、k与网点面积率a的表达式，具体见如下公式

其中L为加网线数，条空之比为m/n。

光子在内圆环时，油墨层吸收所述光子的部分能量；外圆环时，光子直接进入纸张内部。