CN111366560A - 一种印品视觉清晰度的检测与表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种印品视觉清晰度的检测与表征方法，属于印刷及打印输出技术领域；包括如下步骤：(1)以N×N(N≥10)个空间频率从小到大变化、数字对比度从小到大变化的等间距明、暗圆环图案正方形图像单元进行二维密排，并在四周设置定位圆点图构成的图像为检测用数字原稿；(2)输出数字原稿，得到印品的清晰度检测图样；(3)对成像系统进行光反射率校准；(4)获得印品检测图样的RGB数字图像；(5)得到光反射率灰度图像；(6)对步骤(5)得到的光反射率灰度图像，进行印品视觉清晰度质量属性特征的提取和量化表征。本发明的检测与表征方法，能够量化印品的视亮度对比度与空间频率和数字对比度间的对应关系、一定数字对比度下刚可辨视亮度对比度的空间截止频率和空间细节呈现的视清晰度质量因子，以及各种数字对比度综合的空间细节分辨极限能力的综合分辨力和空间细节呈现质量的综合清晰度，对印品的视觉清晰度进行多维度的量化测评。

Description

一种印品视觉清晰度的检测与表征方法

技术领域

本发明涉及一种印品视觉清晰度的检测与表征方法，属于印刷及打印技术领域。

背景技术

无论是传统印刷品还是数字成像方式的打印印品，图像的视觉清晰度都是其重要的质量因素。而印品图像的清晰度受到所用油墨、纸张以及工艺过程等各方面因素的影响，因此，在材料开发和工艺过程控制中都需适宜的测评方法和技术。

目前，印刷质量测控条中，常用不同疏密程度的等间距黑白线条等图案供视觉观测，来评价印品的视觉清晰度，但测评结果会因个体差异而不稳定。此外，目前的观测图案内容较为简单，尚不足以全面地反映所成图像的视觉清晰度特征。

因此，开发一个具有较全面地量化和表征图像视觉清晰度性能的测评(检测与表征)方法具有现实的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种印品视觉清晰度的检测与表征方法，量化印品视觉清晰度的质量测评，通过获取包含不同空间频率、不同数字对比度圆环图案的检测图标印品的数字图像，利用图像分析技术，提取印品检测图样中各圆环图案的对比度特征，以印品的视觉对比度与空间频率及与数字对比度的关联特征量表征印品的视觉清晰度质量属性。

本发明的上述目的通过以下技术方案达到：

一种印品视觉清晰度的检测与表征方法，包括以下步骤：

(1)以N×N个空间频率从小到大变化、数字对比度从小到大变化的等间距明、暗圆环图案的正方形图像单元的二维密排的灰度数字图像，作为检测图标数字原稿，N≥10；

(2)按照印刷、数字印刷或打印输出的实用条件，输出检测图标数字原稿，得到检测图标数字原稿的印品检测图样；

(3)选择一个数字图像成像系统，对该成像系统进行光反射率校准；

(4)由步骤(3)中的数字图像成像系统对步骤(2)得到的印品检测图样成像，得到印品检测图样的RGB数字图像；

(5)对步骤(4)获得的印品检测图样的RGB数字图像，由步骤(3)的校准关系，得到印品检测图样的光反射率灰度图像；

(6)对步骤(5)得到的印品检测图样的光反射率灰度图像，进行清晰度质量属性特征的提取和量化表征。

优选地，步骤(1)中，灰度数字图像的分辨率为印刷/打印输出设备输出分辨率的整数倍；其中，每个正方形图像单元由等径向宽度的明、暗相间圆环构成，圆环的圆心位于正方形的中心；一对明暗圆环径向宽度的倒数对应圆环疏密程度的空间频率(每毫米包含的圆环对儿数，单位为周/毫米-c/mm)；明、暗圆环灰度值的数字之差与数字之和的比值的绝对值称为明暗圆环的数字对比度；二维密排的正方形单元图案中，每一行的圆环图案具有相同的数字对比度和不同的空间频率，而每一列圆环图案具有相同的空间频率和不同的数字对比度。

优选地，步骤(1)中，在二维密排的灰度数字图像的四周分别扩充一个正方形图像单元尺寸的白背景，做为四周单元图案；在白背景中与各行和各列对应的等同于一个正方形图像单元的中心位置，形成一个黑色圆点作为定位圆点。

优选地，步骤(1)中，所述灰度数字图像存储为*.tif或*.bmp格式。

优选地，步骤(1)中，利用程序语言产生检测图标数字原稿；正方形图像单元的边长为6mm～8mm；四周单元图案中定位圆点的直径为1mm～1.5mm。

优选地，步骤(3)中，所述数字图像成像系统的分辨率须满足分析精度的要求，要求不小于1200dpi。

优选地，步骤(3)中，所述光反射率校准包括下述步骤：

1)分别制作青、品红、黄、黑由浅到深变化的数个色块组成的色阶图像并印刷或打印输出

色阶图像包含有不少于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；网点面积率的值从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，印刷或打印输出；

2)测量并计算出色阶图像各色块的光反射率ρ

由分光光度计分别测量青、品红、黄、黑各色块的视觉密度D_V，进一步，由密度的定义式(1)的逆运算公式(2)计算对应的光反射率ρ；如下：

D_V＝log₁₀ρ (1)

3)计算各色块的归一化响应值d

由数字图像成像系统对各色块成像，对数字图像中各色块的中部求取RGB响应的平均值，选取RGB值中随不同色块变化最大的颜色值，具体为：青色阶选取R值，品红色阶选取G值，黄色阶选取B值，黑色阶亦选取G值；将该值归一化，记为d；

4)建立各色阶由d到ρ值的计算关系

根据色阶中所有色块的ρ和d值，建立两者间的数学关系，即在该数字成像状态下图像数值与印品光反射率间(即印品光反射率与成像响应值间)的校准关系。

优选地，步骤(4)中，成像时，检测图案的四边方向尽量横平竖直，偏离角度(印品检测图案上下外边长方向与水平方向的偏离角度)不大于2°；将得到的印品检测图样的RGB数字图像存为*.tif或*.bmp格式。

优选地，步骤(6)中，所述清晰度质量属性特征的提取和量化表征包括：进行各正方形图像单元中的圆环反射率对比度数值的提取，用视亮度对比度灵敏度函数对每个圆环的光反射率对比度进行加权处理，得到每个圆环的视亮度对比度，进一步形成印品视觉清晰度的质量属性表征量。

优选地，步骤(6)中，所述印品视觉清晰度的质量属性表征量(清晰度质量属性特征)的定义如下：

1)光反射率对比度与空间频率及数字对比度的变化关系

在检测图标数字原稿中，每行正方形图像单元的明、暗圆环的数字对比度不随空间频率变化；但经输出形成印品后，由于色料在印品基材上的浸润和扩散，圆环边缘会变得模糊，高空间频率的明、暗圆环会相互影响，使印品上的光反射率对比度随空间频率的增高而逐渐降低，直至明、暗圆环在视觉上无法再区分；

因此，在一定的数字对比度下，光反射率对比度随空间频率的变化过程是光反射率对比度随空间频率衰减的完整信息，包含视觉上不能再分辨的阈值对比度及对应的空间频率；光反射率对比度随空间频率的增高衰减得越慢，则表明该数字对比度输出印品的清晰度越高；

同时，检测图标数字原稿中的每列正方形单元图案的明、暗圆环具有相同的空间频率和不同的数字对比度，因此，每列正方形单元图案的信息可反映一定空间频率下光反射率对比度随数字对比度的变化过程；光反射率对比度随数字对比度的减小衰减得越慢，表明该空间频率图案输出印品图像的明暗层次越清晰；

无论是从行信息的光反射率对比度随空间频率的变化过程，还是从列信息的光反射率对比度随数字对比度的变化过程，都能穷尽检测图标数字原稿的所有正方形图像单元中的圆环单元，即都反映正方形图像单元包含的所有光反射率对比度与空间频率及数字对比度的变化特征；

2)光反射率对比度的视灵敏度加权

人眼对不同空间频率的亮度对比度具有不同的感应灵敏度；一定光源下，光反射率对比度等同于样品反射光的亮度对比度；因此，将上述求得的光反射率对比度用对应空间频率的视亮度对比度灵敏度加权(相乘)，则可得到代表视觉感知的视亮度对比度；

3)截止频率H_th、视清晰度质量因子M、综合分辨力F和综合清晰度Q

由印品检测图样(指印品检测图样的光反射率灰度图像)行信息得到的一定数字对比度下的视亮度对比度随空间频率的变化关系，反映印品图像中该数字对比度的不同疏密度空间细节的清晰度性能；

在一定的照明条件和观测距离下，人眼对视亮度对比度的感知具有一个最小极限阈值，低于阈值的视亮度对比度则视觉上不再可辨；因此，在一定数字对比度下阈值视亮度对比度对应的空间频率称为截止频率，记为H_th；H_th的物理含义在于高于该频率的图像空间细节视觉不再能分辨；

同时，定义在小于截止频率范围内视亮度对比度与空间频率的积分，即两者间关系曲线与空间频率轴间的面积，来表征一定数字对比度下图像不同疏密度空间细节的综合呈现能力，称为视清晰度质量因子，记为M；

此外，由于截止频率H_th反映了一定数字对比度下印品图像清晰呈现空间细节密集程度的极限能力；定义由所用各数字对比度下截止频率H_th的均值表征图像呈现各种灰度层次空间细节的综合极限能力，称为综合分辨力，记为F；同理，视清晰度质量因子M反映了一定数字对比度下印品图像清晰呈现空间细节密集程度的综合质量；定义由所用各数字对比度下视清晰度质量因子的均值表征图像呈现各种灰度层次空间细节的综合质量，称为综合清晰度，记为Q。

优选地，步骤(6)中，印品视觉清晰度的质量属性表征量(清晰度质量属性特征)的求解方法和步骤如下：

1)以适当的方法确定印品检测图样数字图像(即印品检测图样的光反射率灰度图像)中每一圆环单元图案的中心坐标；

2)对二维排列的每一圆环单元图案，以其中心坐标为圆心，截取边长为90％单元设计边长的正方形图像单元；

3)对截取出的正方形图像单元，按其在整体检测图像中二维排列的行、列编号，确定其空间频率和数字对比度；根据其空间频率确定其明、暗圆环的半径，分别在明、暗圆环宽度中心处取圆环宽度的40％宽度区域内求解其平均光反射率值，记为ρ_{明_0}和ρ_{暗_0}，再分别求取所有明环光反射率ρ_{明_0}和所有暗环光反射率ρ_{暗_0}的均值，记为ρ_明和ρ_暗，以此确定该圆环单元图案的光反射率对比度C；

4)求取印品检测图样二维排列的所有圆环单元图案的光反射率对比度C；

5)针对印品检测图样二维圆环图案中的每一行圆环单元图案，由各圆环单元图案的光反射率对比度确定出该行数字对比度下输出印品的光反射率对比度随空间频率的变化关系曲线；类似地，针对印品检测图样二维圆环图案中的每一列圆环单元图案，由各圆环单元图案的光反射率对比度可确定出该列对应的空间频率下输出印品的光反射率对比度随数字对比度的变化关系曲线；该两个曲线关系分别表征了印品光反射率对比度随空间频率和数字对比度的变化特性；

6)对5)中的两种光反射率对比度变化关系，由人眼的视亮度对比度灵敏度函数加权(即各个频率对应数值相乘)，得到代表视觉感知的印品光反射率对比度(称为视亮度对比度)随空间频率和数字对比度变化的特性，以此为基础，求解表征印品视觉清晰度的质量指标。

优选地，光反射率对比度C，由公式(3)确定。

C＝(ρ_明-ρ_暗)/(ρ_明+ρ_暗) (3)

优选地，步骤(6)中印品视觉清晰度的质量属性表征量的求解方法中，步骤1)中确定印品检测图样数字图像中每一圆环单元图案中心坐标的适当方法如下：自动提取出印品检测图样四周定位圆点的圆心坐标，再确定各行两侧或各列上下对应定位圆点连线间距的N+1份均分点为每个圆环单元的中心坐标。

有益效果：

本发明的方法，通过设计表征印品清晰度的检测图案，并对印品检测图样进行数字成像，利用成像系统的响应值与印品光反射率之间的关系，形成印品检测图样的光反射率数字图像；通过定位印品检测图样图案中各圆环单元的中心坐标和明、暗圆环的径向位置，分别求得各圆环单元的明环、暗环光反射率均值及对比度；最终，以不同数字对比度下印品光反射率对比度随空间频率的变化关系及同一空间频率下印品光反射率对比度随不同数字对比度的变化关系，以及经人眼的亮度对比度灵敏度函数加权的视亮度对比度变化特性构建印品的清晰度质量表征量，多维度地表征印品的视觉清晰度质量特征。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1为本发明实施例中所用带有行列定位标记的检测图标数字原稿图样。

图2为本发明实施例所用数字图像成像系统光反射率校准用四色色标。

图3为本发明实施例所用数字图像成像系统中黑色阶的光反射率校准关系曲线。

图4(a)至图4(e)分别为本发明实施例中的1^#至5^#样品的印品检测图样。

图5(a)为本发明实施例中1#样品印品检测图样确定的四周定位圆点圆心坐标示意图。

图5(b)为本发明实施例中1#样品印品检测图样确定的图标右上角上方和右侧定位圆点圆心坐标示意图。

图6为本发明实施例中1#样品印品检测图样中确定的左下角9个圆环单元中心坐标示意图。

图7(a-1)至图7(e-1)分别为本发明实施例中1^#至5^#样品印品检测图样中第M行、第2个圆环单元所确定的表征元素位置示意图。

图7(a-2)至图7(e-2)分别为本发明实施例中1^#至5^#样品印品检测图样中第M行、第2个圆环单元明、暗圆环的所确定的表征元素位置示意图。

图8(a)和图8(b)分别为本发明实施例中数字对比度分别为1和0.083时1^#至5^#样品的光反射率对比度与空间频率间的对应关系曲线。

图9(a)和图9(b)分别为本发明实施例中空间频率分别为0.630c/mm和1.788c/mm时1^#至5^#样品的光反射率对比度对数值与数字对比度对数值间的对应关系曲线。

图10为本发明实施例所用的人眼亮度对比度灵敏度与空间频率间的函数关系曲线。

图11(a)和图11(b)分别为本发明实施例中数字对比度分别为1和0.083时1^#至5^#样品经视亮度对比度灵敏度函数加权后的视亮度对比度与空间频率间的对应关系曲线。

图12为本发明实施例中1^#至5^#样品的截止频率与数字对比度的对应关系曲线。

图13为本发明实施例中1^#至5^#样品的视清晰度质量因子与数字对比度的对应关系曲线。

图14为本发明实施例中1^#至5^#样品的可分辨数字对比度与空间频率对应的柱状分布图。

图15为本发明实施例中1^#至5^#样品可与图1比对的视觉可分辨圆环单元位置分布图。

具体实施方式

本实施例为不同的数字印刷和打印及不同纸张上输出印品视觉清晰度的检测与表征。

本发明印品视觉清晰度的检测与表征方法，包括以下步骤：

一、检测图标数字原稿的制作

如图1所示，是本发明实施例中所用带有行列标记的检测图标数字原稿图样，为*.tif格式；利用程序语言如Matlab语言产生检测图标数字原稿：制作一个包含12×12的正方形单元图案二维密排的灰度数字图像，分辨率为印刷/打印输出设备输出分辨率的整数倍(1、2、3倍均可)；该检测图标(检测图标数字原稿)中的圆环图案(正方形图像单元)由12行、12列等间距的含有明圆环和暗圆环的正方形图案单元构成；每行圆环单元对应同一数字对比度和不同的明环空间频率、暗环空间频率，每列圆环单元对应同一空间频率和不同的数字对比度；每行12个圆环单元的空间频率从左到右分别为[0.630，0.776，0.956，1.178，1.451，1.788，2.203，2.714，3.343，4.118，5.073，6.25]周/毫米(c/mm)，即每毫米含有的圆环对儿数，其相邻值具有相同的空间频率对数值差异；每列12个圆环单元从上至下的明环数字值与暗环数字值以“/”符号分隔表示分别为[161/158，162/157，163/156，165/154，167/150，170/144，172/134，177/120，184/101，197/76，220/45，255/0]，对应的数字对比度(数字之差与数字之和的比值的绝对值)分别为[0.009，0.016，0.022，0.035，0.054，0.083，0.124，0.192，0.291，0.443，0.660，1.000]，其相邻值具有相同的数字对数值差异；在四周分别扩充一个单元图案尺寸的白背景，在白背景中与各行和各列对应的等同于一个正方形单元图案的中心位置，形成一个黑色圆点作为定位圆点；定位圆点的直径为1mm～1.5mm(本实施例为1mm)；该灰度数字图像存储为*.tif或*.bmp格式，将该灰度数字图像称为检测图标数字原稿；

该检测图标数字原稿分别作为C(青)、M(品红)、Y(黄)和K(黑)单色输出；

二、检测图标的输出

如表1所示，选择HpIndigo5500数字印刷机及纸张的组合输出K色检测色标，形成5个印品检测图样，分别记为1^#至5^#样品。

表1印品检测图样编号及输出条件

三、数字图像成像系统的光反射率校准

校准色标的制备：制作成像系统光学密度校准用的青、品红、黄和黑四色色阶，其中，决定每色色阶的各个色块深浅的网点面积率分别为0％、5％、10％、15％、...、85％、90％、95％和100％，共21级；每个色块为边长不小于10mm的正方形；该色阶图像存储为*.tif格式，为四色色阶原稿文件；同时，以白卡纸在各设备上输出四色色阶。

测量并计算出色阶图像各色块的光反射率ρ

针对表1所列各种输出情况的白卡纸上的四色色阶，用X-rite i1分光光度计分别测量青、品红、黄、黑色阶色块的视觉密度D_V，

进一步，由密度的定义式(1)的逆运算公式(2)计算对应的光反射率ρ；如下：

D_V＝log₁₀ρ (1)

通过色阶中最深色的密度值比较，选择出最大密度值的色阶用于数字图像成像系统的光反射率校准，确定为使用施乐V80数字印刷机在白卡纸上印刷的色阶，如图2所示，自上至下依次为黄、品红、青、黑。

选用专业级彩色扫描仪Epson GT-X970作为印品图样的数字图像成像系统，该扫描仪支持1200dpi以上的扫描分辨率，检测选用1200dpi成像，其他成像参数为24位彩色，不做任何图像增强、优化等处理，数字图像文件存为*.tif格式。

对白卡纸上的色阶印品图样进行扫描成像，对青、品红、黄和黑色色阶情况，分别求取其数字图像各色块中部一定大小面积的R、G、B和G均值及归一化响应值，记为d，如黑色色阶情况为d＝G/255。之后，建立光反射率ρ和归一化响应值d之间的对应关系。

该实施例中黑色阶的情况，得到ρ与d的关系如公式(4)和图3所示。

ρ＝-0.165d³+1.028d²+0.214d+0.009 (4)

公式(4)所示拟合关系预测的光反射率值ρ的平均误差为0.001，满足光反射率的预测精度要求。

四、印品视觉清晰度质量的检测与表征

1、印品图样的数字成像及光反射率转换

在同于校准色阶扫描所用条件下，扫描表1中的5个黑色印品图样，得到其数字图像(即印品检测图样的RGB数字图像)分别如图4(a)至图4(e)所示；成像时，印品检测图样图案的四边方向尽量横平竖直，偏离角度不大于2°；光反射率对比度C，由公式(3)确定。

C＝(ρ_明-ρ_暗)/(ρ_明+ρ_明) (3)

提取图4(a)至图4(e)图像的G值进行归一化处理，并利用公式(3)转换为光反射率图像(即印品检测图样的光反射率灰度图像)。

2、各圆环单元光反射率对比度的确定

印品检测图样图案中包含144个圆环单元，需测定每一个圆环单元的明、暗圆环的光反射率。采用的方法是：首先确定每一圆环单元的中心坐标；再根据设计原稿的单元尺寸提取出各个圆环单元的数字图像；最后，逐个确定每一圆环单元中明、暗圆环的光反射率。

具体方法和过程如下：

1)确定印品检测图样图像四周定位圆点的圆心坐标

在检测图标数字原稿中，正方形密排的12×12个圆环单元的上、下、左、右外边缘均在等同于一个密排圆环单元的中心放置了一个实心圆点为定位圆点。因此，对印品检测图样的数字图像，首先确定所有定位圆点的圆心坐标，采用的方法是：在印品检测图样图像的四周，利用定位圆点与圆环图案间的空白信息，分别截取出上、下、左、右四部分含有多个圆点的图像；之后，再针对每一多圆点图像，利用相互间的空白信息，分别依次提取出各个单个圆点图像，并建立一定的圆心确定算法确定出圆心坐标(参考赵明炎，徐艳芳等.基于数字图像处理的套印误差检测方法，北京印刷学院学报，2009，vol.17(2)：1-4)，且将各个单一圆点的圆心坐标还原到整体印品检测图样图像中。如图5(a)和图5(b)所示，为1#样品情况各个定位圆点的圆心确定示意图。其中，图5(a)因高分辨率图像显示时的压缩导致了有些圆心白点看起来偏离圆心较大，但放大后各个圆点的圆心均如图5(b)所示的右上角2个圆点的情况没有明显偏离。

2)确定圆环单元的中心坐标

由1)结果，将每行圆环单元两侧对应的两个定位圆点圆心连成直线。由于数字原稿中该两个定位圆点圆心与相邻圆环单元圆心的距离相同，因而两侧对应定位圆点连线上的间距进行13份均分，均分点即对应该行各个圆环单元的圆心坐标。同理，可利用同一列圆环单元上下两个定位圆点的圆心连线间距的13份均分，得到同一列上各个圆环单元的圆心坐标。为弱化图案输出及扫描成像过程对整个图案尺寸的影响，每一圆环单元圆心的坐标以上述两个过程结果的均值表征。如图6所示，为1#样品图样中确定的左下角9个圆环单元中心坐标示意图。

3)确定圆环单元的光反射率对比度

在上述步骤确定了各圆环单元的中心坐标后，根据图标设计原稿的单元尺寸和该数字成像的分辨率，从整体图案数字图像中以设计边长的90％为边长截取出各个正方形单元图像；再根据单元位置对应空间频率决定的明、暗圆环半径和宽度，取圆环设计宽度的0.4倍作为明、暗圆环表征元素的提取宽度，分别求取各明环和各暗环所取表征元素的光反射率值，并以其均值作为所求明、暗圆环的光反射率ρ_明和ρ_暗。如图7(a-1)至图7(e-1)所示，为5个实验样品第M行、第2个圆环单元所确定的表征元素位置示意图；如图7(a-2)至图7(e-2)所示，为5个实验样品第M行、第2个圆环单元明、暗圆环所确定的表征元素位置示意图。其中，明环的表征元素位置以白色表示，暗环的表征元素位置以中灰色表示。

进一步，由求取的明、暗圆环光反射率和公式(3)计算出该圆环单元的光反射率对比度C值(具体见图4(a)至图4(e))。

4、视觉清晰度的质量表征

按照上述过程，对所实验5个样品进行了各圆环单元的光反射率对比度测试，以从不同的角度对其视觉清晰度进行了表征和比较。具体如下：

1)光反射率对比度与空间频率及数字对比度的变化关系

检测图标中的任一行圆环单元均对应着同一个数字对比度，则该行所测从左到右圆环单元的光反射率对比度分别对应从小到大的圆环空间频率。如上所述，其光反射率对比度会随空间频率的增高而降低，降低到一定程度则不能为视觉所分辨。不同的印品，光反射率对比度随空间频率的该变化过程不同。如图8(a)和图8(b)所示，分别为所实验的5个样品在数字对比度为1(图1中的M行)和0.083(图1中的F行)情况的结果。

由图8(a)和图8(b)看到，如前所述，均表现为光反射率对比度随空间频率的增大而减小，但不同样品的这一变化过程有所不同。

图8(a)所示的最高数字对比度(为1)情况下，在低频处，5^#样品的光反射率对比度最高，但其较其他样品衰减得最快；1^#和2^#样品的光反射率对比度在低频处几乎相同，仅在高频处有细微差异；5个样品中，4^#样品的光反射率对比度为最低，且衰减也较快。

但在图8(b)所示的较低数字对比度(为0.083)情况下，在低频处，光反射率对比度最高的样品变为2^#，其在低频处也有几乎最好的表现；此时，1^#样品虽然相对也较高，但在低频处降低明显，已不再和2^#样品相当；5^#样品的情况则是由最高数字对比度时的最高，变为第四；没有变化的是，4^#样品的光反射率对比度仍为5个样品中的最低。

此外，检测图标中任一列从上至下圆环单元的数字对比度是从小到大成对数等差变化的。由检测结果可考察光反射率对比度随数字对比度变化的过程。如图9(a)和图9(b)所示，分别为所实验的5个样品在空间频率为0.630c/mm(图1中左数第1列)和1.788c/mm(图1中左数第6列)情况下光反射率对比度随数字对比度变化的过程。其中，数字对比度和光反射率对比度均采用以10为底的对数表征。因数字对比度设计为对数等间隔的数值，则对数表示可均匀分布数据点。

从图9(a)和图9(b)不难看到，两种情况都表现为光反射率的对数与数字对比度的对数成近似的线性关系，不同的是直线位置和斜率不同。近直线的竖直位置越高，表明对应的光反射率对比度数值越大。因此，总体来看，2^#样品最佳，4^#样品最差。

总是希望各种数字对比度输出的印品图像有较高的光反射率对比度。因此，直线斜率越小越好，意味着随着数字图像对比度的衰减，印品光反射率对比度的衰减相对较小，即衰减得较慢。从这点看，1^#、2^#样品有相对较好的表现，两种情况下3^#和5^#样品分别衰减较快。

如此，该变化关系可从印品对数字原稿图像数字对比度形成的光反射率对比度绝对大小，以及对图像数字对比度衰减的快慢程度两方面对不同输出特征进行清晰度特性分析。

2)光反射率对比度的视灵敏度加权

人眼对视亮度对比度的灵敏度随空间频率而变化，其函数关系曲线如图10所示。

考虑到人眼的这种视觉特性，对图8(a)和图8(b)所示关系曲线进行该灵敏度函数的加权处理(即图8(a)中的曲线与图10所示曲线各对应点数值相乘)，得到加权后的视亮度对比度关系曲线如图11(a)和图11(b)所示。

比较图11(a)、图11(b)和图8(a)、图8(b)发现，加权后的视亮度对比度随空间频率的变化中更加保留了低频部分，且关系曲线的整体形状与图10相近。但5个样品的相对大小关系仍类似于图8(a)和图8(b)，因此，仍具有该项目下1)中所分析的特征。

图9(a)和图9(b)所示结果分别对应同一空间频率，因而视亮度对比度灵敏度加权处理成为乘以一个常数的计算，并不改变图9(a)和图9(b)所示关系的形状及样品间的比较特征。

3)截止频率H_th、视清晰度质量因子M、综合分辨力F和综合清晰度Q

图11(a)和图11(b)所示加权后的视亮度对比度变化关系，对应了印品图像中不同疏密度空间细节的呈现清晰度性能。

如前所述，一定的照明条件和一定的观测距离下，人眼对视亮度对比度的感知存在一个极限，称为阈值，记为C_th，则低于C_th的视亮度对比度视觉上不再可分辨。针对图11(a)和图11(b)所示加权后的视亮度对比度变化关系，可求解C_th对应的截止频率H_th。

该实施例中取C_th＝0.02，分别对5个样品对如同图11(a)和图11(b)所示的各个数字对比度情况求解截止频率H_th，得到其与数字对比度的对应关系，如图12所示。容易看到，所有样品的空间截止频率H_th都随数字对比度的降低而减小，但不同的印品这一减小规律有所不同。数字对比度为1时，5^#样品具有最高的截止频率H_th，意味着可看清图像更密集的空间细节；1^#、2^#、3^#样品的这种表现也相对较好；相比较下，4^#样品的这种性能差强人意。但数字对比度为0.192时，5^#样品的截止频率已落后1^#、2^#样品。

图11(a)和图11(b)所示的视亮度对比度变化关系中，由该曲线与水平轴小于截止频率H_th内的积分面积定义为视清晰度质量因子M。显然，图11(a)和图11(b)求解的M值不同，表明了空间细节清晰度与数字对比度的关系，即图像深浅的层次差异影响其疏密细节的呈现清晰性。所有数字对比度情况的M值与数字对比度V间的对应关系如图13所示。

从图13看到，随着数字对比度的降低，M值也逐渐降低，但不同的样品，这一降低规律也不同。在数字对比度为1的情况(灰度层次差异最大，为最亮和最暗)，5^#样品的整体清晰度最好，但其随数字对比度降低而衰减得最快，数字对比度为0.192时已降为第四。这说明样品呈现空间细节的效果与图像原稿的数字对比度相关。而目前常用的清晰度表征图案只是数字对比度为1的情况，且仅视觉测评，其他数字对比度的情况则没有任何表现。图13所示结果，包含了各种数字对比度情况印品图像呈现各种疏密度空间细节的清晰性特征，因此，具有灰度差异的层次细节和各种疏密度的空间细节的清晰度性能整体表征能力。

进一步，可分别由图12和图13所示12个不同数字对比度的截止频率和视清晰度质量因子的均值得到综合分辨力F和综合清晰度Q。该实施例5个样品的计算结果如表2所示(数值放大了10倍)。

表2印品样品的综合分辨力和综合清晰度

印品检测图样	1<sup>#</sup>	2<sup>#</sup>	3<sup>#</sup>	4<sup>#</sup>	5<sup>#</sup>
						综合分辨力F	25.55	26.59	20.24	18.09	23.99
综合清晰度Q	37.74	40.50	30.91	18.99	37.79

从表2数据看，2^#样品具有最高的综合分辨力和综合清晰度，视觉清晰度为最优；1^#样品的综合分辨力和综合清晰度均较高，可排第二；其后排序是5^#、3^#和4^#样品。1^#、2^#样品为目前市场主流的数字印刷设备系统，5^#样品为写真喷墨打印机和专业的照片打印纸，无疑，它们对图像空间细节的优良表现是其共同的质量要求；3^#样品为使用墨粉静电成像技术的办公打印设备和配套纸张，主要用于文本输出；而4^#样品的表现差强人意，是因为用了不合适的设备和纸张组合，这也恰好表明，设计用于接收墨粉成像的办公打印纸并不适于喷墨打印机的墨水成像。表2所示结果与视觉比较的优劣顺序相一致。

进一步，还可由图13所示的关系曲线进行视觉清晰度性能的直观表征。过程如下：

(1)由图13的关系曲线求解检测图标中使用的12个空间频率对应的可分辨极限数字对比度(对应极限分辨力)，可得到5个样品刚可辨数字对比度随空间频率的变化关系，结果如图14柱状图所示。

图14的柱高表明，对于检测图标中左侧数起的第1列而言，2^#样品的具有最小的刚可辨数字对比度(位置越高，数字对比度值越小)，意味着可分辨的数字对比度范围最大，即能看清图像中低频变化的空间区域更多的层次；同时2^#和5^#样品的这种表现也相对较好；3^#、4^#样品的这种性能则较差。类似地的分析表明，在图14中频率为4.12c/mm的高频端，5^#样品反而具有最好的层次分辨能力，1^#、2^#样品次之；4^#样品则相对最差。

(2)由于图14的横、纵坐标与图1相同，也可将图14的纵坐标值四舍五入取整，则其柱高所处位置的所有圆环单元可视觉分辨，其余位置的圆环单元则因对比度低于阈值而不足以视觉分辨。结果如图15所示，可方便地与检测图标图1直接比对。

综上所述，利用所设计的检测图标印品的数字成像和图像处理技术，可建立反映印品图像视觉清晰度的定量检测和表征方法。一定数字对比度下，视亮度对比度随空间频率的变化特征，可反映印品呈现数字原稿图像不同疏密程度空间细节的视觉质量特征；而一定空间频率下，视亮度对比度随数字对比度的变化关系，可反映印品呈现数字原稿图像不同灰度变化的层次细节的视觉质量特征；由视亮度对比度阈值决定的截止频率，可反映印品传递数字原稿图像空间细节的极限能力；用小于截止频率内的视亮度对比度之和，即视清晰度质量因子表征一定数字对比度下的整体清晰度质量；由所有数字对比度截止频率和视清晰度质量因子的均值，即综合分辨力和综合清晰度分别表征所有数字对比度图像细节的综合分辨极限能力和呈现质量。因此，本发明的检测及表征方法，可从多个维度对印品图像的清晰度质量给予量化表征和分析，可为不同工艺、不同基材，以及不同的印刷/打印技术提供输出印品清晰度质量的一种表征和分析手段，增强研发和生产质量的认知能力。

图像处理技术应用广泛，在印刷品质量分析中也得到应用。本发明利用图像处理技术对印品图像的视觉清晰度质量进行量化和测评，是一个有效、可行的技术手段。

Claims (10)

1.一种印品视觉清晰度的检测与表征方法，包括以下步骤：

(1)以N×N个空间频率从小到大变化、数字对比度从小到大变化的等间距明、暗圆环图案的正方形图像单元的二维密排的灰度数字图像，作为检测图标数字原稿，N≥10；

(2)按照印刷、数字印刷或打印输出的实用条件，输出数字原稿，得到检测图标数字原稿的印品检测图样；

(3)选择一个数字图像成像系统，对该数字图像成像系统进行光反射率校准；

(4)由步骤(3)中的数字图像成像系统对步骤(2)得到的检测图标数字原稿的印品检测图样成像，获得印品检测图样的RGB数字图像；

(5)对步骤(4)获得的RGB数字图像，由步骤(3)的校准关系，得到光反射率灰度图像；

(6)对步骤(5)得到的光反射率灰度图像，进行清晰度质量属性特征的提取和量化表征。

2.根据权利要求1所述的印品视觉清晰度的检测与表征方法，其特征在于：步骤(1)中正方形图像单元为正方形，边长为6mm～8mm；在二维密排的灰度数字图像的四周分别扩充一个单元图案尺寸的白背景，在白背景中与各行和各列对应的等同于一个正方形单元图案的中心位置，形成一个黑色圆点作为定位圆点，定位圆点直径为1mm～1.5mm，所述灰度数字图像存储为*.tif或*.bmp格式。

3.根据权利要求1所述的印品视觉清晰度的检测与表征方法，其特征在于：步骤(3)中的光反射率校准，包括如下步骤：

1)印制青、品红、黄、黑各自一个由浅到深变化的数个色块组成的印刷原色色阶并印刷或打印输出色阶图像；

所述色阶图像包含有不少于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；网点面积率的值从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，印刷或打印输出；

2)由分光光度计测量并计算出色阶各色块的视觉密度Dv，由密度的定义式(1)的逆运算式(2)计算光反射率ρ，

D_V＝log₁₀ρ (1)

3)由数字图像成像系统对色块成像，对数字图像的各色块中部求取RGB响应均值，选取RGB值中随不同色块变化最大的颜色值并归一化，记为d；

4)根据色阶所有色块的ρ和d值，建立两者间的数学关系，即在该成像状态下印品光反射率与成像响应值间的校准关系。

4.根据权利要求3所述的印品视觉清晰度的检测与表征方法，其特征在于：步骤(4)中，RGB数字图像为*.tif或*.bmp格式，成像分辨率不小于1200dpi，印品检测图样的图案上下外边长方向与水平方向的偏离角度不大于2°。

5.根据权利要求1所述的印品视觉清晰度的检测与表征方法，其特征在于：步骤(6)中，清晰度质量属性特征的求解方法和步骤如下：

1)以适当的方法确定印品检测图样的光反射率灰度图像中每一圆环单元图案的中心坐标；

2)对二维排列的每一圆环单元图案，以其中心坐标为圆心，截取边长为90％单元设计边长的正方形单元图案；

3)对截取出的正方形图像单元，按其在整体检测图像中二维排列的行、列编号，确定其空间频率和数字对比度；根据其空间频率确定其明、暗圆环的半径，分别在明、暗圆环宽度中心处取圆环宽度的40％宽度区域内求解其平均光反射率值，记为ρ_{明_0}和ρ_{暗_0}，再分别求取所有明环光反射率和所有暗环光反射率的均值，记为ρ_明和ρ_暗，以此确定该圆环单元图案的光反射率对比度C；

4)求取检测图案二维排列的所有圆环单元图案的光反射率对比度C；

5)针对检测图案二维圆环图案中的每一行圆环单元图案，由各圆环单元图案的光反射率对比度确定出该行数字对比度下输出印品的光反射率对比度随空间频率的变化关系曲线；类似地，针对检测图案二维圆环图案中的每一列圆环单元图案，由各圆环单元图案的光反射率对比度可确定出该列空间频率下输出印品的光反射率对比度随数字对比度的变化关系曲线；该两个曲线关系分别表征了印品光反射率对比度随空间频率和数字对比度的变化特性；

6)对5)中的两种光反射率对比度变化关系，由人眼的视亮度对比度灵敏度函数加权，得到代表视觉感知的印品光反射率对比度随空间频率和数字对比度变化的特性，以此为基础，求解表征印品视觉清晰度的质量指标。

6.根据权利要求5所述的印品视觉清晰度的检测与表征方法，其特征在于：光反射率对比度C，由公式(3)确定。

C＝(ρ_明-ρ_暗)/(ρ_明+ρ_明) (3)

7.根据权利要求5或6所述的印品视觉清晰度的检测与表征方法，其特征在于：步骤1)中确定检测图像中每一圆环单元图案中心坐标的适当方法如下：自动提取出检测图标四周定位圆点的圆心坐标，再确定各行两侧或各列上下对应定位圆点连线间距的N+1份均分点为每个圆环单元的中心坐标。

8.根据权利要求1所述的印品视觉清晰度的检测与表征方法，其特征在于：步骤(6)所述的清晰度质量属性特征包括视亮度对比度灵敏度加权前后的光反射率对比度与空间频率及数字对比度的变化关系、截止频率H_th、视清晰度质量因子M、综合分辨力F和综合清晰度Q。

9.根据权利要求8所述的印品视觉清晰度的检测与表征方法，其特征在于：各个印品清晰度质量属性特征的定义如下：

1)光反射率对比度与空间频率及数字对比度的变化关系

包括一定数字对比度下印品的光反射率对比度随空间频率的变化关系和一定空间频率下印品的光反射率对比度随数字对比度的变化关系曲线；

一定数字对比度下印品的光反射率对比度随空间频率的变化关系，反映印品传递数字原稿图像不同疏密度空间细节的性能；一定空间频率下，光反射率对比度随数字对比度的变化特征，反映印品传递数字原稿图像不同灰度变化的层次细节的性能；

2)光反射率对比度的视灵敏度加权

指将印品的光反射率对比度与人眼视灵敏度函数中同一空间频率的视亮度对比度灵敏度值的相乘处理，加权后的光反射率对比度称为视亮度对比度；

类似地，一定数字对比度下印品的视亮度对比度随空间频率的变化关系，反映印品呈现数字原稿图像不同疏密度空间细节的视觉质量特征；一定空间频率下，视亮度对比度随数字对比度的变化关系，反映印品呈现数字原稿图像不同灰度变化的层次细节的视觉质量特征；

3)截止频率H_th、视清晰度质量因子M、综合分辨力F和综合清晰度Q

由视亮度对比度阈值对应的空间频率为截止频率H_th，反映印品传递数字原稿图像空间细节的极限能力；定义用小于截止频率内的视亮度对比度之和表征一定数字对比度下的整体清晰度质量，称为视清晰度质量因子M；定义所有数字对比度的截止频率均值表征所有数字对比度的整体细节分辨极限能力，称为综合分辨力F；定义所有数字对比度的视清晰度质量因子均值表征所有数字对比度的整体细节呈现质量，称为综合清晰度Q。

10.根据权利要求8或9所述的印品视觉清晰度的检测与表征方法，其特征在于：所述的清晰度质量属性特征的获得方法包括如下步骤：

(1)以确定的圆环圆心为中心，从整体图案数字图像中以设计边长的90％为边长截取出各个正方形单元图像；根据单元位置对应的明、暗圆环半径和宽度，取圆环设计宽度的0.4倍作为明、暗圆环表征元素的提取宽度，分别求取各明环、暗环所表征元素的光反射率值，并以其均值作为所求明、暗圆环的光反射率ρ_明和ρ_暗；

(2)根据明、暗圆环的光反射率ρ_明和ρ_暗星得到对应圆环的光反射率对比度C；

(3)设定一亮度对比度阈值C_th，在视亮度对比度与空间频率的关系曲线上由C_th，对应的空间频率确定为截止频率H_th；

(4)在视亮度对比度与空间频率的关系曲线上，定义由曲线与水平轴小于截止频率H_th内的积分面积为视清晰度质量因子M，表征一定数字对比度下印品图像的整体清晰度质量；

(5)定义检测图标中所有数字对比度下截止频率的均值为综合分辨力F，表征图像呈现各种灰度层次空间细节的综合极限能力；

(6)定义检测图标中所有数字对比度下视清晰度质量因子的均值为综合清晰度Q，表征图像呈现各种灰度层次空间细节的综合质量。

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