国产喷墨墨水的色彩品质控制与评价方案分析研究

赵永光 仇久安 王文杰

（1.天津职业大学，天津 300410；2.天津兆阳纳米科技有限公司，天津 300000）

一、喷墨墨水历史和现状

喷墨墨水的介质适应面广，应用领域众多：如广告喷绘、数字印刷、桌面彩色打印、织物印花、陶瓷瓷砖、壁纸、建筑材料打印等。

喷墨工业的发展在国内按照发展的年代可以简单划分为几个时段：

1.1990年～2008年 桌面连供时代，喷墨自从进入国内起，由于国际厂商采用墨水和打印机捆绑销售策略，曾经一度墨水贵于血液，业界戏言为“液态黄金”。国产厂家开发替代耗材主要是采用连供系统或者兼容墨盒形式抢占低端市场。自代用墨诞生起就以打破国外厂商高价暴利垄断的面目出现；

2.2008年～2018年 国内代工厂家技术逐渐成熟，墨水理化指标稳定，表面张力稳定在30～50mN/m（20℃）、PH值7～9之间、粘度1.5～4mPa.S（20℃）、电导率103～104μs/cm，墨水胶体性质稳定，堵头和腐蚀喷头现象减少，市场得到蓬勃发展。

目前，预计每年4800 亿左右的市场规模，其中印刷行业采用高速喷墨数字印刷机的发展趋势十分明显。用户对于墨水耗材品质的要求和色彩的再现力、稳定性、质量标准化有着强烈的需求。

喷墨技术的发展受到几个领域因素的共同推动：

（1）数字印刷：出版社采用短版印刷降低库存，推动高速喷墨印刷发展；

（2）大幅面广告喷绘，采用连供系统降低成本；

（3）环保挤压，需要无污染VOC排放低的工艺，喷墨数字印刷更适合；

（4）个性化包装印刷、基于数据库的可变数据印刷，标签喷印等传统印刷无法低成本实现；

（5）喷头企业的竞争。

由于长期以来喷头制造的核心技术门槛高，国际大型厂家对于墨水质量标准推动动力不足，而国内厂家质量、技术水平参差不齐，国产墨水需要稳定的色彩控制体系，天津兆阳纳米科技有限公司多年来专业从事生产纳米喷墨墨水，形成较好的质量口碑。

目前高速喷墨印刷已经占据了出版市场的不小的份额，文献认为：高速喷墨印刷技术的演进使得传统经验型的印刷产业跨越到全新数字型的媒体产业，已造成成本降低、倾销式市场扩张以及恶性竞争的新业态。

伴随着我国环保要求的提高，喷墨印刷以其绿色环保、污染小的特点必将得到更多的青睐，未来数字印刷的市场份额必将上升，这其中耗材墨水的国产化是数字喷墨印刷的核心瓶颈环节，墨水的质量稳定性和色彩再现范围以及与国际大厂的兼容性、自身的独立性是一个重要的问题，这些离不开大量的基础测试数据和实验支持。

本文就喷墨墨水的色彩质量测试方法进行了一些基础实验，提出了基本的一些测试指标和分析过程，为墨水测试评价软硬件系统开发提供基本框架及指标。

二、墨水标准分析

墨水的种类：按照色料类型和喷印介质的不同可以分为：塑料类溶剂型、紫外光固化型、纸张型水性染料墨、染料型织物类水性墨、颜料型纺织物水性墨水。墨水的颜色数目不确定，一般4色、6色、7色、8色、11 色、12 色都有，为了简化起见，初步只考虑4色墨水。

根据《数字印刷·喷墨印刷墨水使用要求及检验方法》2018年版国家标准编制说明，一般地，密度数据稳定时所测量的色度数据可以代表色彩测试中基准数据。测试数据要剔除系统性偏差数据，取平均值，计算出数据集中度后，剔除非集中数据，剩余数值为基础，处理后取整得到如表1、2、3、4、5所示，分别代表国产墨水的标准色彩特征。

表1 不同类型墨水的密度数据

表中墨水基本色度数据值的测试，使用爱色丽Exact密度计测量。

表2 塑料类溶剂型墨水的色度值

表3 染料型织物类水性墨水的色度值

表4 颜料型纺织物水性墨水的色度值

表5 纸张型颜料类水性墨水的色度值

纸张型染料类墨水数据离散性大，不建议设置标准数据。紫外光固化由于引发机理不一致，数据离散性大，未形成国家标准。

因此在实际应用中，企业内部的染料墨水质量标准控制就十分重要。生产过程的品质控制离不开每一批次的色度测试数据，来保证每一个批次色彩质量再现一致。

三、实验

说明:本实验针对纸张型染料墨水进行实验，根据文献研发控制评价指标、设计相应主观、客观评价成套测试图表和对应检测软件、硬件，故而选用了价格低廉的染料型墨水入手实验，数据无普遍意义，但方法通用，数据作为企业内部色彩品控使用。

1.测试条件

（1）纸张普通70g/cm2齐心晶纯打印纸

（2）Epson 4168四色打印机

（3）爱色丽xrite i1pro 分光色度仪，exact 密度计

（4）Icc软件i1profiler，colorport，Imatest gamutvision

（5）打印软件 illustrator cs6，Photoshop cs6，CorelDraw X4

（6）墨水：国产四色兼容墨水

2.色差公式的选择

普遍通用的色差计算公式为CIE 1976 Lab 公式，其中色差可以表示为：

一般印刷企业采用的色差数值为2.5 以下，最大色差要求不超过5，由文献研究结果认为CIEDE2000 和CIE94 色差公式在性能上要优于CMC 和CIELAB 公式，故而采用CIEDE2000 的色差评价更加准确。

由于计算和分析数据量大，色差公式一般编制为函数，采用c/c++或者matlab 代码进行测算试验，github上专门有c/c++编制的计算函数。

生产过程中的品质控制以图像数据为RGB 格式为主，而用户使用时喷墨印刷机是CMYK 四色模型，墨水的CMYK基础数值与印刷油墨的CMYK存在较大的差异，介质特性不一样，最大墨量不一样。

由于色彩的复杂性，商业喷墨打印机的驱动会对传输过来的数据做调整。喷墨属于调频网点，胶印属于调幅网点，分色算法集成到打印机固件或者驱动之中，对用户是黑盒状态。喷墨开发一度SDK 难以获取，用户只能从外部更改图像文件中RGB数据值来控制图像的再现。

国内学者对于超出4色以上多通道喷墨打印机图像分色方法作了很多探讨。文献[4]采用ONYX Production-House10.2 软件输出6 原色的油墨梯尺数据的方法，文献[5]采用的HPZ3200 CMYKRGB七色喷墨打印机为例进行了7色分色算法试验，文献基于光谱特性化，做了大量的研究，但都未达到商用地步。

在高速分色算法实现商用前，兼容国际品牌墨水的色彩就十分重要，否则基础墨色不正确，其他颜色都会整体偏色。颜色的测量需要先设置测试图表，测试图表的意义在于：通过计算机定义的色块输出，测量数据以Lab 格式展现色域，Lab作为色彩转换的计算空间，从而为品质控制提供基础数据。

客观测试颜色色块应该包含的基本数据有：c100%、m100%、y100%、k100%、cm100%、my100%、cy100%、w100%、cmy100%色块9 个，包含求解纽介堡方程的基础色块。根据文献可知图中色块的设计可以参考IT8.7/3 或者ISO12647、Fogra39 等标准，或者直接采用该文献自定义的mini-chart 测试图表，并按照文献的方法添加文字和测试线条，作为文字质量对比。

自定义图表的生成：一般地可以使用Photoshop 直接绘制TIFF 图，本例为了方便测试采用Xrite Colorport软件生成自定义图表，存储为TIFF格式，再用Photoshop 编辑合成主观图像。这些色块可以通过分光色度计Eyeone pro 扫描，得到对应的LabCMYK数据。

然后使用Colorport测试数据，保存后写出数据格式txt 或者csv 格式简单易用。数据写入MySQL数据库(或PostgreSQL）后长期存储，在长期品控追踪提供数据保障。

3.测色仪器的选定

要考虑不同分光密度计的特点，有文献认为，Xrite500 最为稳定，色差值非常小，变化平稳；i1 测量的色差值较高，均大于2，并且色差变化较大；Spectrolino 和Spectoreye 测量数据计算出的色差值均小于1。但文献认为“SpectroEye、i1和eXact 三种颜色测量仪器测量X-rite ColorChecker24标准色卡的光谱反射率，通过光谱反射率的标准差σ、色差△Eab*分布特征分析三种测量仪器的稳定性、测量重复精度等特性。研究表明三种分光光度仪测量的样品光谱标准差均小于0.001，比较所有样本的平均色差均小于△Eab*≤1，仪器间测量样本的平均色差约ｌ。仪器间的测量误差在可接受范围内，在实际颜色测量时可根据测量波长的范围选择对应的仪器。”

本文为方便起见（不考虑停产仪器），采用的是Eyeone pro 作为测试仪器，采信文献的研究结果，但由于测试仪器光源和测试条件、数据量的不一致，后期应该进行爱色丽、特强、柯尼卡美能达FD-9 仪器的对比验证，从准确性、稳定性、一致性和SDK 完善性，测试自动化、幅面等多方面综合考虑。

一般地仪器应选用SDK接口公开，API调用方便，文档说明准确无误，实际效率高，二次开发。研发过程中原始数据的分析采用GNU Octave（语法Matlab 兼容）进行数据分析，绘制图表简单方便。

4.样张数码印刷过程中ICC profile 的提取的测试

文献可知颜色的再现依赖ICC准确提取，试验中profile文件的提取采用i1profiler软件，该软件提供了快速模式，可以直接进行图表打印和profile提取，选用400色块的小型图表进行试验。

ICC 文件在客户处需要观察和比较色域范围，可以使用Imatest 公司的gammuvision 软件，地址http://www.imatest.com/gamutvision/，是一款免费开源的matlab开发的icc profile分析工具。

5.不同应用软件中的对比分析

关闭色彩管理的条件下打印测试同一图表，采用Adobe illustrator 打印分析和CorelDraw，Photoshop输出，观察数据，和对比效果分析。对于明显存在色差，原图在室内中午光线下观察即可看出明显色差，其中（photoshop 在管理喷墨墨水打印时与其他软件存在很大差异），目视即可发现色差较大，故而未采用标准光源箱，手机拍摄对比效果图，如图1所示。

图1 不同打印参数对比软件输出色外貌

虽然Icc 特征文件在印刷、数字印刷领域应用广泛，但是并不能涵盖喷墨墨水在其他领域，其有效性正如文献［12］中分析：ICC不适用陶瓷喷墨打印非标准CMYK墨水极窄色域范围，颜色显示偏差等需要手工分色调图，值得在墨水品控中考虑。

四、结论

1.墨水基色密度和色域范围，可以代表墨水颜色质量。自定义图表评价喷墨打印质量是可行的，测试数据可以记录到数据作为长期品控使用；同时考虑文献［13］研究结论，测试图表中要包含主观评价图。

2.Photopshop直接控制打印机时发送的数据不同于其他软件，即使是关闭色彩管理。品控中图片的打印和测试尽量不要直接采用photoshop 输出，防止色彩偏差太大。

3.Imatest gamutvision 免费软件适合用户观察对比profile 文件，分析色空间，其在github 上面的源码也适合研究；

4.测试仪器数据的选择需要多方考虑，数据需要检验能否达到客户要求；

5.为了方便用户使用、扩大销量，墨水厂家应逐步设立网站，为用户提供测试好的典型材质的Icc 特性文件，帮助没有仪器、专业知识的用户快速应用。

本文初步证实开发墨水色彩检测软硬件系统的必要性和可行性，分析了色彩特点，结合不同工具软件，通过设立合理的指标体系，打印图像数据的测试，建立可追溯的色彩质量控制体系，使得颜色数据准确再现和积累，有具体的确切数值分析，从而为喷墨印刷墨水质量提升给出合理的指标。