喷墨打印彩墨互渗程度的表征与检测方法

张碧芊，石丽丽

（北京印刷学院 印刷与包装工程学院 北京 102600）

0 引言

市场上常用的喷墨打印墨水主要是以水作为溶剂，黏度较小，流动性较大。在使用纸张类吸收基材时，墨滴喷射至基材上时往往会沿着基材表面的纹路流动，使墨滴的沉积面积增大，浸染到邻近的墨滴。当邻近墨滴为其他原色时，就形成了相邻不同原色的互渗，邻接处产生出两个原色的混合色彩边。这一现象不仅影响色彩的还原质量，也会降低图文的清晰度。因此，需从墨水、基材性能及工艺过程等因素的改进加以克服。同时，也需对此给予量化表征，以期在材料开发、生产控制、产品质量检验等过程中的墨色互渗程度给予正确评估。

目前，还缺少针对喷墨输出颜色互渗程度测评的国际标准。我国的国家标准GBT 36598-2018（数字印刷喷墨印刷图像质量属性的测试方法-Digital printing-Test method for image quality attribute of inkjet printing）[1]，以及相关研究[2]，均参照了Briggs提出的方法[3]，通过测量印品线条的宽度，以无底色时色墨的线条宽度与有底色时相应的色墨线条宽度之差，表征线条色墨和底色色墨间的互渗程度。其中，线条宽度的求解遵循国际标准ISO/IEC TS 24790:2012[4]。但实践表明，对于亮度接近的两个彩墨情况，该方法往往无法确定有底色时色墨线条的宽度，从而无法给出互渗数值，国家标准GBT 36598-2018中也明确互渗程度的测量不包含某些彩墨情况。为此，需建立更为有效的方法克服这一困难，使互渗程度的测量适应所有彩墨情况。

1 互渗程度的表征与检测方法

鉴于不同的彩墨互渗总会在互渗区域形成第三色的特点，本文采用的印品彩墨互渗程度，用彩墨邻接区域两彩墨混合而成的第三色宽度来表征。在这一宽度的求解技术中，与Briggs及国家标准相类似，亦是基于印品图像的数字图像及图像处理技术，提取出彩墨互渗形成的第三色宽度，但在具体的检测图案，以及相应的互渗宽度求解算法等方面具有特色。

1.1 互渗图案设计

设计含有至少一条两个彩墨实地色块（墨量为100%）无缝邻接的直边矢量图案，为检测用互渗图。如图1所示，为本文所用含有两个彩墨邻接直边的数字原稿图，即彩墨1实地色，两边紧密邻接彩墨2实地色。其中，两个实地彩墨区域相邻接的直边长L为6 mm，彩墨1与彩墨2的非接触边的长度为W1，两侧的彩墨2在彩墨1两边的非接触边长为W2，W1=W2=3 mm。彩墨1和彩墨2的不同组合，可构成M（品红）-C（青）、C-M、M-Y（黄）、Y-M、C-Y和Y-C共六种互渗图案，将该数字原稿图像存储为pdf格式。

图1所示图案的特点是：1）彩墨1与彩墨2相接触的两个邻边间有足够的距离（即距离W1），使彩墨1与彩墨2的两个邻边均能充分地展现其互渗程度，同时，足够长的邻边长度L也能充分地展现互渗性能；2）彩墨1与彩墨2的两个邻边同时用于互渗性能的测试与表征，提高了测试效率和结果的稳定性。

1.2 互渗宽度和求解

将互渗检测图案的pdf原稿文件打印输出后的印品图像，由一个性能稳定、颜色响应符合sRGB标准、分辨率不小于2 400 dpi的数字成像系统成像，所称数字图像称为检测图像。成像时，要求互渗图案中邻接直线段的方向尽量横平竖直，偏离角度不大于0.2°。获得的检测图像需存为*.tif或*.bmp格式。

利用检测图像，求解彩墨互渗所成第三色宽度的方法和步骤如下：

1）将成像获得的检测图像按照sRGB与CIE色度的标准关系[5]，由RGB转换为色相角h灰度图像；

2）在色相角h灰度图像中，由图像的非邻近边缘区域确定墨色1的平均色相角h1和墨色2的平均色相角h2，并在h1和h2之间确定两个色相角阈值hth1和hth2，分别如式（1）和式（2）；

3）对色相角h灰度图像中的每一行（沿彩墨互渗方向）像素值，确定h变化曲线中互渗区域内阈值hth1和hth2对应的像素位置X1和X2，如图2所示，由式（3）确定该行位置彩墨互渗对应的第三色宽度，即该行的互渗宽度Di；

式中，p为图样数字图像每个像素对应的物理尺寸，单位为“μm/pixel（微米/像素）”。

4）对色相角h灰度图像中所有行的互渗宽度Di求平均，得到式（4）所示的两彩墨互渗宽度D。

式中，i为色相角h灰度图像的行标记，N为色相角h灰度图像的总行数。

2 检测应用

2.1 互渗图案的打印输出

选用EpsonL1800喷墨打印机和四种喷墨专用纸张，纸张类型及对应的样品编号如表1所示。

表1 互渗检测实验用纸张Table 1 Papers for color ink interpenetration test

每种纸张分别包括图1所示的M-C、C-M、M-Y、Y-M、C-Y和Y-C六个图案的打印图样。

2.2 互渗印品图样的数字成像

选用彩色扫描仪Epson GT-X970作为互渗印品图样的数字成像系统，该扫描仪具有稳定的、专业级的成像性能，颜色响应符合sRGB标准，能够有效区分打印用C、M、Y原色的色彩特性。此外，该扫描仪支持2 400 dpi以上的高扫描分辨率，获得检测图像的扫描成像即选用2 400 dpi，其他扫描参数为24位彩色、不做任何图像增强和优化等处理，图像存为*.tif格式。

2.3 互渗宽度的检测

首先认识互渗检测图像。如图3所示，为实验的4#样品品红色墨和青色墨互渗的检测图像及其不同色度和变化图。从图3（a）不难看出，两个彩墨邻接的两条直边处，出现了两条色墨互渗形成的视觉可见的蓝色线条，而其蓝色正是该两个墨色混合所具有的色相，该蓝色线条的宽度即为式（4）定义的互渗宽度。此时，=10.58（μm/pixel）（扫描分辨率为2 400 dpi）。

直观上，该互渗宽度表征的是两个彩墨在邻接处互渗形成的第三色区域尺度，实质上，反应的是因彩墨互渗所导致两个颜色区因紧密相邻形成的色彩缺陷，这正是将彩墨互渗性能给予量化考量的目的所在，因此，本文方法确定用互渗宽度表征色墨互渗的程度，是对该图像缺陷的一种量化表征。

按照2.2所述方法，首先获得检测图像的色相角h灰度图像，如图3（b）所示，为图3（a）的h灰度图像，其行平均的h变化曲线如图3（c）所示。同时给出了检测图像的亮度图像，如图3（d）所示，其行平均的亮度变化曲线如图3（e）所示。

按式（1）～式（3），可由图3（b）求解出图像每行的两个互渗区域的互渗宽度，其宽度界点标识图及其原图对比图如图4所示；其中，上半部分为标识了互渗宽度边界点位置的图像，下半部分为原图。上、下对比着观测，互渗宽度的边界点与视觉上宽度的截取位置较为一致。

若按照Briggs和国家标准GBT 36598-2018采用的方法，需基于检测图像的亮度变化特征，将中间的品红色（彩墨1）视为一段竖直方向的线条，求解其宽度，并将其与背景为基材时的宽度做比较表征互渗宽度。但若按照国际标准ISO/IEC TS 24790:2012的线宽求解方法，中间品红色墨到两侧青色墨的过渡，需要亮度值为单调的变化过程。但由图3（e）所示的亮度变化曲线看到，在两侧由品红色墨到青色墨的过渡区域，亮度值均出现了突变（向下的尖峰），不具备单调变化的特性，因而也就无法求解品红色墨线条的宽度，互渗宽度也就无法求解。

理论上，两个彩墨（颜色）混合色的色相角一定处于两个彩墨（颜色）色相角之间[5]，因此，无论哪两个彩墨（颜色）组合，其互渗形成的第三色色相角均会在两个彩墨色相角之间变化，而随着混合墨色靠近哪个彩墨色，色相角就接近哪个彩墨的色相角，不会出现突变。这就是说，无论哪两种彩墨组合，在互渗方向上色相角的变化都是单调、连续的渐变过程，都能满足图2所示的求解要求。此外，对比图3（b）和图3（d）还易看出，色相角h图像较亮度图像噪声小得多，对应形成的图3（c）所示的行平均h变化曲线在非互渗区域非常平滑，易于位置点X1和X2的确定。无疑，这两个特征使得本文求解互渗宽度的方法更加可行和稳定。

2.4 结果与分析

对每个样品图样中的左、右两侧互渗区域的互渗宽度平均，并对中间彩墨1和两边彩墨2及其互换色样的结果再次平均，作为彩墨1和彩墨2的互渗宽度。如此，所测四个样品的测量结果如表2所示。其中，为方便比较和说明，将表1中的纸张类型也列在了最后一行。几个有代表性色样互渗宽度的定位对比图像如图5所示。

表2 样品的互渗宽度 单位：μmTable 2 The interpenetration width of test samples Unit: μm

从表2数据看，2#样品的三个原色彩墨组合均有相对最小的互渗宽度，1#样品的与2#样品相当，表明这两个品牌的高光照片打印纸具有性能相当的涂层。3#样品M与C色墨和M与Y色墨的互渗宽度不及1#、2#样品，而C与Y色墨的互渗宽度与1#、2#样品相当，表明这种纸张对打印机M色墨铺展的程度较1#、2#纸张大。4#样品三组互渗宽度均较前三个样品大得多，表明该纸张对打印机三个原色彩墨都有大得多的横向（沿表面方向）铺展，特别是对Y色墨，铺展程度更大。合理的解释应是，4#样品为普通的喷墨打印纸，其表面对墨滴吸附的横向收敛性不及前三种纸张。

上述测量结果，由彩墨互渗宽度表征的彩墨互渗程度，与视觉感知的彩墨互渗程度相一致，也与纸张的表面质量等级相符合。

3 结语

本文方法充分利用两个彩墨与其互渗区域颜色的色相变化规律，利用色相值变化特征点的间距表征色墨互渗宽度，并以此表征互渗程度。进一步，通过获取互渗图案印品图像的标准色度数字图像，确立了基于色相角信息求解互渗宽度的计算方法。实践应用表明，所测互渗宽度与视觉感知宽度相符合，能够量化表征彩墨互渗现象。此外，本文方法克服了基于亮度信息的互渗程度检测技术缺陷，对任何彩墨组合，均能有效求解互渗宽度，且因彩墨色相角图像噪声较亮度图像低得多，测量结果更加可靠和稳定。