На правах рукописи

Севрюгин Вадим Рудольфович

НАУЧНЫЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ

БИНАРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ПРОЦЕССАХ ПОЭЛЕМЕНТНОЙ

ЗАПИСИ ПОЛИГРАФИЧЕСКИХ РЕПРОДУКЦИОННЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.02.13 — Машины, агрегаты и процессы

(печатные средства информации)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва — 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова» (МГУП имени Ивана Федорова) на кафедре технологии полиграфического производства

Научный консультант — доктор технических наук, профессор Андреев Юрий Сергеевич

Официальные оппоненты: заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Дроздов Валентин Нилович;

доктор технических наук, профессор Проскуряков Николай Евгеньевич;

доктор технических наук, профессор Самарин Юрий Николаевич.

Ведущая организация — ВНИИ Полиграфии

Защита диссертации состоится 19 декабря 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.147.01 при МГУП имени Ивана Федорова по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, 2а, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУП имени Ивана Федорова

Автореферат разослан « » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного Е. Д. Климова совета Д 212.147.01, д.т.н., профессор 1

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Практически во всех полиграфических репродукционных системах в настоящее время нашли применение процессы поэлементной записи растровых бинарных изображений на регистрирующий материал с использованием лазерного излучения. В частности, на смену технологии форматной записи на формный материал пришла технология поэлементной записи в формовыводных устройствах.

В условиях многообразия видов оборудования и регистрирующего материала специалисты и разработчики испытывают затруднения в выработке единых подходов к комплексной оценке способности процесса поэлементной записи качественно воспроизводить бинарные элементы растровой структуры, во многом определяющие визуальные характеристики полиграфической продукции. Такая оценка необходима при проектировании, сравнении и выборе оборудования и регистрирующего материала, при технологической настройке процесса и его исследовании. Кроме того, недостаточно изучено само воспроизведение элементов изображения в процессах поэлементной записи, и как результат — формный процесс по технологии «компьютер — печатная форма»

до сих пор не стандартизован, несмотря на стремление охватить все полиграфические процессы со стороны международной организации по стандартизации ИСО.

В связи с этим разработка научных и методологических основ воспроизведения бинарных изображений в процессах поэлементной записи, являющихся теоретической базой для оценки, исследования и управления такими процессами, является актуальной задачей.

Степень разработанности темы исследования. Качественные параметры воспроизведения обычно отождествляются с паспортными характеристиками систем поэлементной записи и регистрирующего материала, разработке которых посвящены многие научные работы. Серия стандартов ИСО регламентирует контроль только некоторых параметров качества элементов изображения непосредственно на фотоформах и печатных формах. Достаточно полно исследованы сенситометрические и структурометрические свойства процессов форматной записи на фотографический и формный материал, но применение их к поэлементной записи ограничено из-за различий между этими способами записи, полутоновыми и бинарными изображениями, фотографическим и другими видами регистрирующего материала.

Исследования качества воспроизведения элементов изображения в процессах поэлементной записи носят в основном экспериментальный и фрагментарный характер, не учитывают механизм формирования элементов изображения с учетом всех факторов процесса записи и обработки. Таким образом, до сих пор не разработаны теоретические основы, позволяющие проводить расчет и оценку воспроизведения бинарных изображений в процессах поэлементной записи, а также мало исследован сам процесс с учетом формирования качественных параметров элементов изображения.

Цели и задачи. Цель работы состоит в разработке научных основ воспроизведения бинарных изображений в процессах поэлементной записи и в разработке на их основании комплекса методов расчета, оценки и исследования воспроизведения бинарных элементов изображений в полиграфических репродукционных системах, а также принципов технологического управления таким воспроизведением.

Данная цель определила следующие задачи:

- разработать систему сенситометрии, ориентированную на воспроизведение бинарных изображений и на поэлементный способ записи, обобщенную на различные регистрирующие слои;

- разработать систему структурометрии, ориентированную на дискретный характер построения изображения при поэлементном способе записи из наименьших конечных элементов изображения — пикселей;

- разработать комплекс методов оценки, расчета и исследования способности процесса поэлементной записи воспроизводить бинарные изображения;

- провести исследование способности процесса поэлементной записи качественно воспроизводить бинарные элементы изображения, выявить его закономерности, разработать основные принципы управления.

Научная новизна. Разработана сенситометрическая система, впервые ориентированная на бинаризацию, поэлементный способ записи и обобщение мер действующего излучения и результата действия излучения. Впервые в качестве обобщенной меры результата действия излучения предложено использовать относительный градационный параметр изображения, связанный с основными рабочими свойствами двух его бинарных состояний.

Разработана система структурометрии, в основу которой впервые положено воспроизведение с учетом рассеяния энергии не бесконечно малой точки, а дискретного элемента — конечного наименьшего элемента изображения (пикселя), формируемого при поэлементном способе записи. Впервые определены функции воспроизведения, математическая форма представления, формулы, связывающие их между собой, исследованы свойства. Разработан метод расчета воспроизведения изображения, заданного бинарными данными.

Впервые предложена математическая модель формирования сплошного поля при поэлементной записи, основанная на функциях дискретного аргумента и численных методах вычисления. Предложены аналитические выражения приближенного описания краевых функций в зависимости от радиуса лазерного луча и рассеяния энергии в регистрирующем слое. Получил дальнейшее развитие растровый метод экспериментального нахождения точек краевых функций с учетом возникающих при поэлементной записи колебаний плотности энергии, представлены формулы расчета для большинства используемых на практике методов измерения для позитивного и негативного процессов.

Впервые предложено оценивать качество воспроизведения бинарных элементов по их распределению эффективной плотности энергии с учетом сенситометрических параметров и экспозиции. Разработаны новые методы расчета и исследования способности процесса воспроизводить бинарные элементы с учетом обеспечения их основных рабочих свойств, геометрической и градационной точности и стабильности, резкости края. В результате исследований впервые сформулированы закономерности процесса поэлементной записи.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанные научные и методологические основы воспроизведения бинарных изображений в процессах поэлементной записи — системы сенситометрии и структурометрии, а также комплекс методов оценки, исследования и управления такими процессами являются решением научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение, и создают новое перспективное направление в проектировании, управлении и исследовании полиграфических репродукционных систем.

Применение разработанных основ воспроизведения бинарных изображений позволяет с разных сторон оценивать способность конкретных процессов поэлементной записи, в частности формных процессов по технологии «компьютер — печатная форма», воспроизводить бинарные элементы изображения и проводить исследования таких процессов. Методы и результаты оценки, а также закономерности процесса поэлементной записи могут быть использованы разработчиками репродукционных систем с поэлементной записью и регистрирующего материала при их проектировании, а также в условиях производства при сравнении и выборе технологий, оборудования и материалов. Основные принципы управления процессами поэлементной записи, условия и методики выбора экспозиции могут найти применение при технологической настройке конкретных процессов в условиях реального производства.

Научные и методологические основы воспроизведения бинарных изображений могут быть использованы в учебном процессе при подготовке лекционных и лабораторных курсов, изучающих процессы поэлементной записи.

Методология и методы исследования. При решении поставленных задач были использованы: численные методы вычисления, матричная алгебра, методы математического моделирования с использованием системы математических расчетов MATLAB, методы математической статистики, а также методы сенситометрии и структурометрии теории фотографических процессов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Сенситометрическая система процессов поэлементной записи бинарных изображений, включающая:

- меру действующего излучения, меру результата действия излучения на регистрирующий слой, форму отображения в виде сенситометрической кривой;

- сенситометрические параметры, связанные с обеспечением основных рабочих свойств, геометрической и градационной точностью и стабильностью, резкостью края элементов изображения.

2. Система структурометрии процессов поэлементной записи бинарных изображений, основанная на нормированном распределении плотности энергии наименьшего конечного элемента изображения (пикселя) и включающая:

- определения функций воспроизведения, математическую форму их представления, формулы, связывающие их между собой, основные свойства;

- методику расчета воспроизведения элемента изображения, заданного бинарными данными;

- математическую модель формирования сплошного поля в системах поэлементной записи и свойства такого поля;

- аналитические выражения приближенного описания краевых функций;

- дальнейшее развитие растрового метода экспериментального нахождения точек краевых функций для процессов поэлементной записи.

3. Комплекс методов расчета, оценки и исследования способности процесса поэлементной записи воспроизводить бинарные элементы изображения с учетом обеспечения основных рабочих свойств, геометрической и градационной точности и стабильности, резкости края, основанный на нормированных распределениях эффективной плотности энергии элементов изображения, сенситометрических параметрах процесса и экспозиции.

4. Закономерности процесса поэлементной записи и другие результаты исследований таких процессов с помощью предложенного комплекса методов.

5. Основные принципы технологического управления и условия выбора экспозиции для процессов поэлементной записи, методики выбора экспозиции для нескольких вариантов формных процессов по технологии «компьютер — печатная форма».

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность положений, выводов и результатов основана на применении законов физики и математики, проведении расчетов на основе экспериментальных данных, полученных для конкретных процессов поэлементной записи, достаточно широкой публикации основных положений и результатов в научно-технических и производственно-технических журналах, их обсуждении на конференциях.

Основные положения диссертации были представлены на двух международных и одной всероссийской научных конференциях, в том числе: Китайской научной конференции по печати и упаковке (China Academic Conference on Printing and Packaging), Пекин, 2010 г.; I Всероссийской научно-технической конференции «Исследования в области полиграфии и защиты информации»

Тула, 2013 г.; Научно-практической конференции «Инновации в издательских, печатных и мультимедиа технологиях» (Scientific-practical conference Innovations in Publishing, Printing and Multimedia Technologies), Каунас, 2013; а также на заседаниях кафедры технологии допечатных процессов и кафедры технологии полиграфического производства МГУП имени Ивана Федорова.

По теме диссертации автором самостоятельно и в соавторстве опубликовано 17 научных работ.

Во введении показана актуальность темы исследования и степень ее разработанности, сформулированы цели и задачи работы, а также основные положения, выносимые на защиту, оценена научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, степень достоверности ее результатов и их апробация, описана методология и методы исследования.

В главе 1 проведен анализ основных видов искажений бинарных элементов изображения, необходимый для более осмысленной разработки научных и методологических основ их воспроизведения. Рассмотрены стадии формирования элементов изображения в процессе поэлементной записи, выделены причины возникновения искажений по сравнению с исходными бинарными данными, определены основные виды таких искажений: нарушение основных рабочих свойств, связанных с разделением элементов на два вида; геометрические и градационные искажения; их зависимость от экспозиции и других технологических условий; образование на краях элементов зоны размытости или искажения геометрической линии и профиля края. Эти искажения ограничивают способность процесса поэлементной записи воспроизводить элементы изображения с учетом обеспечения их основных рабочих свойств, геометрической и градационной точности и стабильности, резкости края и связаны с основными параметрами печатного процесса, определяющими визуальные характеристики полиграфической продукции, — диапазонами воспроизводимых значений тона и кривыми усиления тона. Анализ существующих методов оценки и научно-технической литературы показал, что: используемые репродукционно-графические характеристики и тест-объекты не дают всесторонней оценки способности процесса поэлементной записи качественно воспроизводить элементы изображения; отсутствуют научные и методологические основы такого воспроизведения, а исследования качества воспроизведения носят экспериментальный и фрагментарный характер.

Глава 2 посвящена разработке системы сенситометрии процесса поэлементной записи — одной из научных основ воспроизведения бинарных изображений. Проведенный анализ показал ограниченное применение сенситометрических характеристик в фотовыводном и формном процессах. Одна из причин — в отсутствии целостной системы сенситометрии процессов поэлементной записи, в заимствовании только отдельных характеристик из фотографических процессов. Разработка научных основ воспроизведения бинарных изображений потребовала создания обобщенной системы сенситометрии, не зависящей от регистрирующего материала и учитывающей особенности поэлементного способа записи. При разработке такой системы было учтено следующее: сенситометрические характеристики относятся ко всему процессу в целом; использование энергетических величин; направленность сенситометрических характеристик на оценку воспроизведения бинарных изображений;

возможность совместного использования со структурометрическими характеристиками; необходимость выбора: меры действующего излучения, меры результата действия излучения на регистрирующий материал, способа отображения их зависимости и полезных параметров на этой зависимости.

Экспозиция в фото- и формовыводных устройствах задается изменением одной или нескольких управляющих величин: непосредственно самой экспозицией, мощностью излучения лазера или частотой вращения барабана. Применение относительных величин позволяет равноправно использовать в качестве аргументов отношения одну из таких управляющих величин при условии пропорциональности ей экспозиции. В качестве меры действующего излучения предложено использовать отношение управляющей экспозицией величины к ее значению, соответствующему некоторой минимальной экспозиции H min. При осуществлении записи пикселей во все возможные позиции формируется энергетическая плашка, на которой, как показано в главе 3, образуются колебания плотности энергии в направлении и с шагом кадровой развертки (рисунок 1).

Рабочей экспозиции H раб, заданной в выводной устройстве, соответствует средний уровень плотности энергии такой плашки. При нормировании по максимальному уровню в целочисленных координатах, связанных с позициями записи, образуется единичный максимум, а в координатах, смещенных на поmin ловину шага развертки, — минимум hпл. Для перехода к нормированию по среднему уровню (рисунок 1, штриховая линия) используется коэффициент Для использования со структурометрическими характеристиками вычисляются нормированные плотности энергии — энергетические уровни Р и с у н о к 1 — Распределение нормированной плотности энергии плашки:

а — направление кадровой развертки, б — направление строчной развертки Результатом действия излучения на фотопленку c ее последующей обработкой является оптическая плотность почернения, которая определяет основные рабочие свойства элементов фотоформы: для прозрачных — пропускать излучение в формном процессе по технологии контактного копирования, а для непрозрачных — не пропускать. Для формных пластин плоской офсетной печати характерно многообразие видов регистрирующих слоев, основанных на различных физико-химических превращениях под действием световой и тепловой энергии. Проведенный анализ семи видов формных пластин показал, что во всех случаях под действием излучения и в результате последующей обработки формируется некоторая толщина печатающего слоя. Тогда в качестве меры результата действия излучения на офсетный формный материал может быть использована относительная средняя толщина печатающего слоя, оставшегося на экспонированных участках после обработки. Относительная толщина печатающего слоя определяет основные рабочие свойства элементов печатной формы: для пробельных элементов при нулевой толщине печатающего слоя — не переносить краску в печатном процессе, а для печатающих элементов при полной толщине слоя — переносить. И оптическая плотность почернения, и относительная толщина печатающего слоя являются градационным параметром изображения на фотоформе и печатной форме, при этом в существенной мере определяют основные рабочие свойства такого изображения. Будем рассматривать такой градационный параметр как относительную величину где D — оптическая плотность экспонированного поля при экспозиции H раб ;

D0 — оптическая плотность прозрачного участка или подложки;

Dmax — максимальная оптическая плотность непрозрачного участка или оптическая плотность плашки с полной толщиной печатающего слоя.

В качестве обобщенной меры результата действия излучения на регистрирующий слой примем относительный градационный параметр d, связанный с основными рабочими свойствами элементов изображения и равный для фотоформ и офсетных печатных форм относительной оптической плотности.

Для оценки сенситометрических свойств использована сенситометрическая кривая процесса поэлементной записи — графическое представление зависимости относительного градационного параметра d от логарифма по основанию 2 отношения управляющей экспозицией величины к ее значению, соответствующему экспозиции H min. Условия обработки принимаются постоянными. Предложены общие правила оформления графиков сенситометрической кривой (рисунок 2). Ось ординат d проходит через H min, для оси абсцисс используется логарифмический масштаб, а пределы от 0,35H min до 2,83H min выбраны из практических соображений. Экспозиции связаны с H min коэффициентом пропорциональности а, что позволяет находить значения управляющих величин по их значениям для H min.

Р и с у н о к 2 — Сенситометрические кривые процесса поэлементной записи:

а — на фотопленку, б — на позитивную термочувствительную пластину Для оценки ширины участков сенситометрической кривой используются отношения экспозиций, рассчитываемые через коэффициенты пропорциональности а:

Реальные сенситометрические кривые (рисунок 2) не являются пороговыми, т. е. не обладают свойством бинаризации. Для возможности оценки качества воспроизведения бинарных элементов изображения выберем на сенситометрической кривой параметры, связанные с воспроизведением, переходной зоной и контуром формирования таких элементов.

Параметры воспроизведения. Активные элементы формируются в результате целенаправленного действия излучения на регистрирующий слой, начиная с минимальной экспозиции H min, а пассивные — при отсутствии такого действия или при действии, не превышающем пороговую экспозицию H пор.

Если активным элементам соответствует верхний градационный уровень d в, то процесс негативный, если — нижний градационный уровень d н, то процесс позитивный. При задании рабочей экспозиции H раб в максимуме и минимуме энергетической плашки на регистрирующий слой действуют локальные плотmin ности энергии K н H раб и K н hпл H раб (рисунок 1). Тогда основное рабочее свойство пассивных элементов начинает нарушаться при экспозиции H пор, когда в максимумах действует H пор K н H пор, а основное рабочее свойство активных элементов будет достигнуто при экспозиции H min, когда в минимумах дейстлок min вует плотность энергии H min K н hпл H min. Энергетические уровни воспроизведения пассивного и активного элементов рассчитываются по (2) как:

Отношение рабочей экспозиции к минимальной, влияющее на диапазоны обработки и вариации свойств регистрирующего материала, при которых будут сохраняться основные рабочие свойства активных элементов изображения, получило название широты экспозиции по технологическим условиям Lту aраб. Отклонение от бинарности для элементов изображения проH min исходит на участке сенситометрической кривой от H пор до H min, который Параметры переходной зоны. На элементах изображения между градационными уровнями d1 и d 2 образуется переходная зона, соответствующая зоне размытости края для фотоформ и зоне уменьшения толщины печатающего слоя и его разрыва на отдельные фрагменты для офсетных печатных форм.

Градационным уровням d1 и d 2 на сенситометрической кривой соответствуют плотности энергии переходной зоны H1 и H 2 (рисунок 2), для которых по (2) вычисляются энергетические уровни переходной зоны h1 и h2 :

Ширина переходной зоны оценивается отношением L1.

Параметры контура. При измерениях на вещественных носителях принято допущение постоянства градационного параметра (оптической плотности или толщины печатающего слоя) внутри контура элемента изображения, что равнозначно использованию сенситометрической кривой со скачкообразным переходом градационного параметра при плотности энергии формирования контура H (рисунок 2б, штриховая линия). Экспозиции, при которых края изображения энергетической плашки проходят по точному контуру, соответствующему исходным бинарным данным, получили название балансных экспок с зиций направлений кадровой и строчной развертки H 0 и H 0. Как будет показано в главе 3, балансные экспозиции связаны между собой и с H :

Для балансной экспозиции — среднего геометрического балансных экск с min к позиций направлений развертки: H 0 H 0 H 0 hпл K н H 0. Формирование контура при балансных экспозициях происходит по балансным уровням:

При балансной экспозиции искажения элементов изображения миниH мальны, поэтому важным является отношение L0 0 a0. При рабочей экспозиции искажения определяются ее отношением к балансной Lраб, а формирование элемента происходит по уровню Разработана методика построения сенситометрической кривой с помощью аналоговой и цифровой шкал, экспериментальные методы определения пороговой, минимальной и балансных экспозиций. Предложено оценивать энергетическую чувствительность по соответствию минимальной или рабочей экспозиции в Дж·м-2, а спектральную чувствительность при использовании монохроматического лазерного излучения выражать в виде длины волны или диапазона длин волн, в которых она максимальна.

Глава 3 посвящена разработке системы структурометрии процесса поэлементной записи, являющейся еще одной из научных основ воспроизведения бинарных изображений. Анализ применения характеристик и методов фотографической структурометрии показал возможность оценки процесса поэлементной записи с точки зрения рассеяния энергии, но такое применение не является оптимальным по трудоемкости и точности, обладает рядом ограничений из-за ориентированности на форматный способ записи. При разработке системы структурометрии процесса поэлементной записи было учтено следующее: дискретность построения изображения, связанная с дискретными шагами развертки; существование наименьшего конечного элемента изображения — пикселя, распределение плотности энергии которого формируется в результате движения лазерного луча на шаг развертки и рассеяния энергии в регистрирующем слое; значение плотности энергии воспроизводимого элемента изображения в каждой точке может быть рассчитано как сумма плотностей энергии отдельных пикселей, что предполагает дискретный характер разрабатываемой системы; процесс поэлементной записи рассматривается как единое целое.

Нормированное распределение плотности энергии в пикселе названо функцией воспроизведения пикселя (ФВП), определено как P ( y, x ) — функция дискретных аргументов x, y b,b d,,0,, b, связанных с направлениями и шагом строчной и кадровой развертки, где b задает область определения, d — шаг дискретизации, N, b. При этом образуется сетка системы координат (рисунок 3а), в узлах которой функция задана значениями нормированной плотности энергии, образующими матрицу пикселя P, каждый элемент Р и с у н о к 3 — Системы координат: а — ФВП, б — изображения и записи Элемент изображения рассчитывается в системе координат изображегде x b,b d,...,0,..., n 1,..., n 1 b и ния y b,b d,...,0,..., m 1,..., m 1 b. Значения нормированной плотности энергии в узлах координатной сетки образуют матрицу изображения h, каждый элемент которой hij h( yi, xj ), где i ( yi b) N 1 и j ( хj b) N 1.

Система координат записи связана с координатами X 0,1,, n 1 и Y 0,1,, m 1 системы координат изображения, соответствующими позициям записи пикселей, и матрицей бинарных кодов K, содержащей исходные данные элемента изображения.

Для расчета воспроизведения произвольного элемента изображения предложен следующий алгоритм: матрица бинарных кодов K определяет позиции записываемых пикселей, при записи пикселя в позицию ( X J,YI) системы координат изображения каждый элемент подматрицы с номерами строк I н,, I к и столбцов J н,, J к матрицы изображения h суммируется с соответствующим элементом матрицы пикселя P:

Для получения функциональной зависимости предложен другой метод расчета произвольного элемента изображения: плотность энергии в каждой точке может быть найдена как сумма значений в этой точке ФВП всех записанных пикселей, в область определения которых она попадает:

для записи условия, что пиксели не записываются в позиции с отрицательными координатами ( X н 0 и Yн 0 ).

При записи пикселей во все возможные позиции образуется энергетическая плашка; при записи пикселей, смещенных в кадровом направлении на шаг развертки, — столбец, а в случае строчного направления — строка. Нормированные распределения плотности энергии в поперечном сечении строки и столбца определены как функции воспроизведения строки (ФВ) Lк ( y ) и столбца (ФВ|) Lс ( x), а в поперечных сечениях краев энергетической плашки — как краевые функции направлений кадровой (КФК) и строчной (КФС) разверток E к ( y ) и E с ( x) (рисунок 1). Из (9) следуют формулы, связывающие функции воспроизведения:

Для расчета двумерной ФВП из одномерных функций ФВ и ФВ| нет достаточных данных, но можно рассчитать эквивалентную функцию воспроизведения пикселя (ЭФВП), которая по (10) даст исходные ФВ и ФВ|:

Из анализа (9)—(12) следуют свойства функций воспроизведения:

- свойство нормирования: сумма значений в целочисленных координатах ФВП, ФВ и ФВ| равна единице - свойство четности: ФВП принята четной по обоим аргументам, тогда ФВ и ФВ| также являются четными функциями;

- для обоих направлений развертки координате минус 0,5 соответствует половина значения плотности энергии в координате плашки b 0,5 :

- свойство симметричности: КФС и КФК (при постоянном единичном уровне на плашке) симметричны относительно точки (0,5;0,5).

Разработана математическая модель формирования энергетической плашки, основанная на функциях дискретного аргумента и численных методах вычисления:

- для описания распределения наложенной плотности энергии в записывающем пятне (ЗП) на поверхности регистрирующего материала принята гауссоида вращения где g 0 — значение плотности энергии на центральной оси;

r0 — радиус луча в зоне перетяжки по уровню e2 (0,135) от g 0 ;

- для приближенного расчета распределения наложенной плотности энергии в пикселе, формируемого при движении ЗП на шаг развертки, применена формула численного интегрирования - рассчитывается распределение наложенной плотности энергии в поперечном сечении строки и столбца Lк ( y ) и Lс ( x) по (10);

- для приближенного расчета ФВ и ФВ| применена формула численной свертки с функцией рассеяния линии (ФРЛ) L( y ), например для строки где m 2bN 1 — количество элементов функций Lк ( y ) и L( y ) ;

k,2, 2m 1, где 2m 1 — количество элементов функции свертки;

- выражение для ФРЛ, принятое в фотографической структурометрии для слаборассеивающих слоев, распространим на другие регистрирующие слои, адаптировав его для дискретных аргументов и условия сохранения энергии после рассеяния где k1 — параметр рассеяния, равный полуширине функции рассеяния на уровне e 1 максимального значения функции; — доля энергии, поглощенной без рассеяния, d — шаг дискретизации у;

- рассчитываются краевые функции E к ( y ) и E c ( x) по (11), ЭФВП по (13).

Анализ (9) при K IJ 1 для yi, xj b, свойства краевых функций, исследование математической модели позволили выявить полезные свойства энергетической плашки:

1. В общем случае на энергетической плашке образуются колебания уровня плотности энергии в направлении и с шагом кадровой развертки (см.

рисунки 1 и 4). При принятом нормировании по максимальному уровню плашки: в целочисленных координатах образуется единичный максимум, в коордиmin натах, смещенных на половину шага развертки, — минимум hпл, а средней рованию по среднему уровню плашки (рисунок 1).

2. С некоторого значения радиуса лазерного луча в зависимости от параметров рассеяния энергии в регистрирующем слое на плашке образуется поmin стоянный единичный уровень, т. е. hпл 1 и K н 1.

3. Точный контур плашки, заданный исходными бинарными данными, соответствует координатам минус 0,5 и m0,5 для кадрового направления и минус 0,5 и n0,5 для строчного, т. е. позициям, предшествующим началу и послешествующим концу записи на половину шага развертки (рисунок 4).

4. Из (15) следует, что точному контуру соответствует уровень нормироmin ванной плотности энергии 0,5hпл для кадрового направления и колебания уровня от 0,5hпл до 0,5 около средней линии сенситометрии, рассмотренной в главе 2, было принято, что формирование контура элемента изображения с постоянным значением градационного параметра происходит при плотности энергии H. Экспозиции, при которых края энергетической плашки образуют края изображения, совпадающие с точным контуром, получили название балансных экспозиций направлений кадровой и строчной развертки H 0 и H 0. Тогда из рассматриваемого свойства следуют 5. Плотности энергии в каждой точке активного и пассивного элементов, образованных одинаковыми записанными и незаписанными пикселями, связаны через уровень энергетической плашки в этой точке В результате исследования математической модели и на основании свойств краевых функций выбраны аналитические выражения их приближенного описания, зависящие от радиуса лазерного луча r0 и рассеяния энергии в регистрирующем слое:

- при r0 1,2 и большом рассеянии выбрана часть экспоненты - при r0 1,2 и малом рассеянии выбрана часть гауссоиды - для КФК при r0 1,2 и малом рассеянии выбрана сумма гауссоид - для КФК при r0 1,2 и большом рассеянии можно использовать вычисление E к ( y ) и E c ( x) непосредственно по математической модели.

Аналитические выражения описания краевых функций, их свойства и свойства энергетической плашки позволили адаптировать к процессам поэлементной записи применяемый в фотографической структурометрии растровый метод экспериментального нахождения точек краевых функций. Этот метод основан на зависимости ширины штрихов или пробелов от экспозиции. Записываются поля с линейчатым растром, состоящим из штрихов и пробелов равной ширины x0, ориентированных в кадровом и строчном направлении, на пороговый регистрирующий материал с некоторым рядом экспозиций. При достаточной ширине штрихов и пробелов их края формируются аналогично краям энергетической плашки, тогда при балансной экспозиции для направления кадровой развертки H 0 получаем равную ширину штрихов и пробелов, расположенных вдоль направления строчной развертки, и наоборот, при балансной экспозиции для строчного направления H 0 — равную ширину штрихов и пробелов, расположенных вдоль кадрового направления. Такое равенство штрихов и пробелов позволяет определять балансные экспозиции экспериментально.

Абсцисса точки краевой функции, соответствующая рабочей экспозиции H k, рассчитывается по приращению края штриха (негативный процесс) или пробела (позитивный процесс) как 0,5 xk, а само приращение края xk вычисляется на основании измерений:

- ширины xk или значения тона Ak по увеличенному оптическому или оцифрованному изображению как:

- коэффициентов пропускания плашки пл, чистой фотоформы в и поля линейчатого растра kр как - коэффициентов отражения плашки R пл, подложки R п, поля линейчатого растра при рабочей экспозиции Rkр и балансной экспозиции R0 как:

где rk0 — расчетный коэффициент отражения поля с равной ширипл п ной штриха и пробела, r o R — оптическая составляющая коэффициента отражения растрового поля, вычисленная по полю, соответствующему балансной экспозиции. Необходимо учитывать, что наиболее точными являются измерения в максимально узкой зоне спектра, где коэффициент поглощения регистрирующего слоя максимальный.

Для расчета ординат при принятом нормировании по максимальному значению могут быть использованы общие формулы вне зависимости от вида выражения для аппроксимации:

Найденные точки краевых функций при аппроксимации аналитическими выражениями (21)—(23) позволяют получать краевые функции и вычислять по ним и (13) ЭФВП для конкретных процессов, т. е. решена задача экспериментального нахождения функций воспроизведения для конкретных систем.

В главе 4 на основе предложенных систем сенситометрии и структурометрии разработаны методологические основы воспроизведения бинарных изображений в процессах поэлементной записи — комплекс методов расчета, оценки и исследования способности процесса поэлементной записи воспроизводить бинарные элементы. Методы объединены общим подходом — использованием нормированного распределения плотности энергии, формирующего элемент изображения в регистрирующем слое, с учетом сенситометрических параметров и рабочей экспозиции процесса. В целях единообразия оценки предложена балансная растровая структура, для которой по одной матрице балансных точек записанными пикселями формируются активные растровые точки, а незаписанными — пассивные, при этом точки в светах и тенях стремятся к круглой форме, а 50-процентные точки имеют квадратную форму, образуя шахматную структуру. На нормированном распределении плотности энергии элемента изображения выделены энергетические параметры:

1. Энергетическая плотность ядра hя и hя — доля плотности энергии в центре отдельного активного и пассивного элементов относительно максимального уровня энергетической плашки. Для балансной структуры выведены формулы расчета по ФВП значений hя для активных k-пиксельных элементов изображения при k от 1 до 10:

а значения hя для пассивных элементов могут быть рассчитаны по (20).

2. Энергетический контур уровня h. Для оценки геометрических и градационных искажений по уровню h распределения плотности энергии элементов балансной структуры вычисляются:

- энергетическое значение тона где — количество ячеек сетки дискретизации, средний уровень узлов которых не менее h, n — количество пикселей в растровой ячейке, N — количество шагов дискретизации в шаге развертки;

- энергетическое усиление тона Aэ Aэ Aбд, где Aбд 100 — знаn чение тона, а k — количество пикселей, образующих элемент, в исходных бинарных данных;

- коэффициент искажения где — количество ячеек сетки дискретизации, входящих в один контур (точный или формирования); — количество ячеек сетки точного контура.

Градационные искажения при рабочей экспозиции могут быть приблизительно оценены по энергетическому усилению тона 50-процентной круглой точки и краевым функциям:

где H — приращение края при переходе от балансной к рабочей экспозиции, c, к — средние угловые коэффициенты КФС и КФК на интервале энергетических уровней, соответствующих этим экспозициям (рисунок 5б).

3. Ширина переходной зоны — среднее расстояние между изолиниями нормированного распределения плотности энергии, соответствующими энергетическим уровням переходной зоны h1 и h2, рассчитанное как где H 1 и H 2 — параметры переходной зоны сенситометрической кривой, c, к — средние угловые коэффициенты КФС и КФК между h1 и h2.

Ширину переходной зоны можно рассчитать к периоду растра где R — разрешение записи, L — линиатура растра.

Р и с у н о к 5 — Функции воспроизведения: а — ФВП, б — КФК, КФС Зависимости энергетических параметров от двух основных факторов — количества пикселей k, образующих элементы, и от экспозиции H раб — названы пиксельными и энергетическими функциями. Графики пиксельных функций ядра активных и пассивных элементов hя ( k ) и hя (k ) строятся в одной системе координат для первых десяти значений k (рисунок 6а). Абсцисса точки пересечения, округленная в большую сторону, дает пиксельный параметр разрешения для пороговой сенситометрической кривой. Градационные искажения при балансной экспозиции наглядно отображаются балансными кривыми A0 ( Aбд ) и оцениваются значениями усиления тона A0, A0, A0 (рисунок 6б), а геометрические искажения — графиками пиксельных функций коэффициента искажения K (k ) и K (k ).

Р и с у н о к 6 — Пиксельные функции: а — ядра, б — усиления тона Энергетические функции отображаются на графиках с осью абсцисс, подобной графикам сенситометрической кривой с пределами от H min до 2,83H min (рисунок 7). Энергетическая функция пиксельного диапазона — зависимость количества пикселей, формирующих минимально воспроизводимую точку балансной структуры, для активных и пассивных элементов k a и k п от экспозиции (рисунок 7а). Экспозиции, с которой и до которой будут воспроизведены k-пиксельные активные и пассивный элементы, можно найти по (5):

где hя (k ) и hя (k ) рассчитываются по (28), а поправочные коэффициенты K а и K п введены для компенсации не учтенных факторов, например меньшей устойчивости к обработке малых печатающих элементов по сравнению с штрихами линейчатого растра. Воспроизводимые элементы изображения образуют пиксельный диапазон воспроизведения k a k п с шириной k n (k a k п ) 1, где n — количество пикселей в растровой ячейке. Отношение экспозиций, соответствующих верхней и нижней границам диапазона, образует широту эксH (k п ) позиции по диапазону Lk a k п. Для экспозиции H раб будут воспроизвеH (k a ) дены все k-пиксельные активные элементы изображения, точки кривой для которых расположены левее этой экспозиции, и все пассивные элементы, точки кривой для которых расположены правее. Точке пересечения кривых соответствует пиксельный диапазон с равным для активного и пассивного элементов значением k, названным пиксельным параметром разрешения. Пиксельному диапазону соответствует диапазон воспроизводимых значений тона от нижней границы Aн до верхней Aв :

для негативного процесса, и наоборот для позитивного, где n — количество пикселей в растровой ячейке.

Энергетическая функция усиления тона — зависимость энергетического усиления тона от экспозиции для 50-процентной круглой растровой точки (рисунок 7б), рассчитанного по (31) и (32). Средний угловой коэффициент кривой энергетической функции равен усилению тона при двойной балансной экспозиции m A2 H 0 AH 0 A2 H 0 и определяет стабильность воспроизведения значений тона при изменении экспозиции. Тогда энергетическое усиление тона для экспозиции H раб может быть найдено как AH A2 H 0 log 2. Широта экспозиции по тону — отношение верхней и нижней экспозиций, соответствующих изменению значения тона в пределах 1,5 %: L1,5% 2 m 1,5 % выбрано для совместимости с формным процессом по технологии контактного копирования с фотоформ. Положительному значению энергетического усиления тона соответствует отрицательное значение усиления тона на вещественном носителе для позитивного процесса и положительное — для негативного.

Энергетическая функция ширины переходной зоны — зависимость от экспозиции ширины переходной зоны, рассчитанной по (33) (рисунок 7в).

Р и с у н о к 7 — Энергетические функции: а — пиксельного диапазона, б — усиления Наилучшие значения параметров функций в рассматриваемом диапазоне экспозиций названы предельными параметрами качества воспроизведения и могут использоваться для оценки способности процесса воспроизводить элементы изображения: пиксельные параметры разрешения и с учетом обеспечения основных рабочих свойств; коэффициенты искажения K, K, K с учетом геометрической точности; энергетические усиления тона A0, A0, A0 с учетом градационной точности; энергетическое усиление тона при двойной балансной экспозиции A2H 0 и широта экспозиции по тону L1,5% с учетом градационной стабильности при изменении экспозиции;

минимальная ширина переходной зоны min с учетом резкости края. При рабочей экспозиции H раб процесс оценивается рабочими параметрами качества воспроизведения: пиксельным диапазоном k a k п, его шириной и широтой по нему, энергетическим усилением тона AH и шириной переходной зоны.

В качестве примера оценки и сравнения рассмотрены формные процессы по технологии «компьютер — печатная форма» для получивших наибольшее распространение видов офсетных формных пластин. Предельные параметры качества воспроизведения формного процесса с использованием позитивных термочувствительных пластин и ИК лазерных диодов рассчитаны на основе ФВП и краевых функций (рисунок 5), пиксельных и энергетических функций (рисунки 6 и 7) и приведены в таблице 1а.

Т а б л и ц а 1 — Предельные параметры качества воспроизведения формного процесса:

а — для позитивных термочувствительных пластин и ИК лазерных диодов (1000 см1), б — для фотополимеризуемых пластин (1000 см ) Такой формный процесс способен воспроизводить балансную структуру для линиатур от 60 до 80 см1 с диапазоном воспроизводимых значений тона от 1 до 99 % и с нелинейностью менее 1 % без компенсационных кривых. Обращают на себя внимание малые значения отношений рабочих экспозиций к минимальной для предельных показателей линейности и диапазона воспроизведения, а также несколько большая зависимость усиления тона от экспозиции по сравнению с формным процессом по технологии контактного копирования (на рисунке 7б отмечены допустимые диапазоны для 2,83H min ). Предельные параметры качества воспроизведения формного процесса с использованием фотополимеризуемых пластин приведены в таблице 1б. Узкий диапазон воспроизведения и нелинейность воспроизведения тонов требуют обязательной их коррекции в РИП выводного устройства, также обращает на себя внимание большая зависимость усиления тона от экспозиции, т. е. плохая стабильность процесса.

В главе 5 на основе комплекса разработанных методов проведены исследования способности процесса поэлементной записи воспроизводить бинарные элементы изображения с учетом обеспечения основных рабочих свойств, геометрической и градационной точности и стабильности, резкости края, в том числе на основе анализа формул, связанных с основными видами искажений элементов изображения, и по математической модели формирования энергетической плашки с использованием программной среды MATLAB.

По математической модели проведено исследование влияния параметров лазерного луча и рассеяния регистрирующего слоя на параметры энергетической плашки: при радиусе луча r0 1,20 на энергетической плашке образуются колебания плотности энергии, амплитуда которых увеличивается с уменьшением радиуса, при этом растут средние угловые коэффициенты участков краевых функций; рассеяние энергии в регистрирующем слое сглаживает колебания и уменьшает угловые коэффициенты, при этом снижение доли энергии, поглощенной без рассеяния в регистрирующем слое, значительно уменьшает и амплитуду колебаний, и средние угловые коэффициенты, а параметр рассеяния регистрирующего слоя k1 в большей степени влияет на угловые коэффициенты нижнего криволинейного участка краевых функций, чем на амплитуду колебаний и угловые коэффициенты прямолинейных участков.

Из анализа условий воспроизведения элементов изображения (35) следует, что начиная с H min воспроизводятся активные и пассивные элементы, H раб H min — условие наилучшего воспроизведения пассивных элементов и наихудшего активных, а при увеличении H раб относительно H min улучшается воспроизведение активных и ухудшается воспроизведение пассивных элементов. Проведено исследование влияния возможных по (5) значений hпор и hmin на ширину пиксельного диапазона по графикам пиксельных функций ядра (рисунок 6а). Для увеличения ширины пиксельного диапазона пороговая H пор и минимальная H min экспозиции должны быть ближе друг к другу. Максимально возможный пиксельный диапазон соответствует пиксельному параметру k a k п и полностью определяется центральной частью ФВП при заданной растровой структуре. Для реальной сенситометрической кривой пиксельный диапазон с равными нижней и верхней границами не является максимальным, который оказывается смещенным в сторону большей экспозиции, при этом активные элементы воспроизводятся лучше пассивных. Экспериментальная проверка показала, что для офсетного формного процесса необходимо вводить поправки на меньшую устойчивость малых печатающих элементов к обработке по сравнению с линейчатым растром.

Из-за колебаний плотности энергии возможно разделение активных элементов изображения на отдельные части, которое предложено контролировать по центру 2-пиксельного элемента с кадровым расположением пикселей. Исследования показали, что разделение активных элементов изображения возможно при r0 0,9 и рабочих экспозициях, находящихся в пределах от H min до приблизительно 1,41H min, а разделение пассивных элементов в используемом обычно диапазоне экспозиций практически невозможно.

Исследования геометрических и градационных искажений показали, что они есть уже при балансной экспозиции из-за влияния следующих факторов:

1. Колебания плотности энергии, которые приводят к - колебанию линий края для начала и конца строк за счет выпуклости для активных и вогнутости для пассивных элементов (рисунок 8);

- разным балансным экспозициям для кадрового и строчного направлений развертки, тогда при средней балансной экспозиции происходит смещение линий края, обратно пропорциональное угловым коэффициентам краевых функций на прямолинейном участке, внутрь точного контура для направления строчной развертки и наружу — для кадровой (рисунок 1).

Р и с у н о к 8 — Формирование активного и пассивного элементов изображения 2. Положение точки на контуре формирования элемента относительно позиции на точном контуре зависит от количества и позиций записанных пикселей, в область определения которых она попадает, а также от характера распределения ФВП. Точка лежит на точном контуре, если формируется аналогично точкам края энергетической плашки — тем же количеством пикселей в тех же позициях или в позициях с эквивалентным вкладом плотности энергии в эту точку. Последнее условие объясняет существование балансных структур, например шахматной структуры, которые при балансной экспозиции имеют точный контур. Для других элементов точка смещается внутрь точного контура тем сильнее, чем больше в ее плотность энергии не довнесли пиксели, дополняющие край с этой точки до края плашки. Следовательно, чем меньше пикселей формируют элемент изображения и более широким является распределение ФВП, тем сильнее сужается область внутри контура вплоть до полного невоспроизведения элемента. При этом происходит сглаживание ступенчатого края, образованного в бинарных данных квадратными пикселями (рисунок 8).

Усиление тона при двойной балансной экспозиции A2H 0, принятое для оценки градационной стабильности, рассчитывается по (31) через среднее приращение края энергетической плашки H при переходе от балансной экспозиции к двойной балансной (рисунок 5б). Анализ формулы (32) приращения края позволяет исследовать факторы, влияющие на геометрическую и градационную стабильность. Приращение края H пропорционально балансному уровню h0 и обратно пропорционально угловым коэффициентам краевых функций, т. е. полностью определяется характером распределения плотности энергии пикселя (ФВП). С уменьшением радиуса лазерного луча уменьшается h0 и увеличиваются средние угловые коэффициенты прямолинейного участка краевых функций, т. е. улучшается градационная стабильность, однако уменьшение радиуса ограничивается усилением колебаний плотности энергии при формировании изображения.

Анализ формулы расчета ширины переходной зоны (33) позволяет исследовать способность процесса формировать резкий край элементов изображения. Ширина переходной зоны прямо пропорциональна ширине участка сенситометрической кривой от H1 до H 2 и равна нулю при пороговой сенситометрической кривой, обратно пропорциональна рабочей экспозиция H раб и угловым коэффициентам краевых функций, которые минимальны на пологих верхнем или нижнем участках графиков и максимальны на прямолинейном.

Положение переходной зоны на краевых функциях задается рабочей экспозицией, поэтому при экспозиции H min получаем максимальную ширину переходной зоны, которая с ростом экспозиции начинает уменьшаться, а затем вновь может начать увеличиваться из-за попадания на нижний пологий участок краевой функции.

Таким образом, первичными факторами, влияющими на способность процесса поэлементной записи качественно воспроизводить элементы изображения, являются: рабочая экспозиция, характер распределения плотности энергии пикселя (радиус лазерного луча r0 и параметры рассеяния регистрирующего слоя), параметры сенситометрической кривой, количество пикселей, формирующих элемент изображения, позиции их записи, вид элемента — активный или пассивный. Результаты исследований позволили сформулировать следующие закономерности процесса поэлементной записи:

1. Характер распределения плотности энергии пикселя определяет амплитуду колебаний плотности энергии, образующихся при формировании изображения в направлении и с шагом кадровой развертки. Увеличение амплитуды колебаний приводит к изменению параметров сенситометрической кривой:

пороговая экспозиции H пор уменьшается относительно пороговой плотности энергии H пор, а минимальная экспозиция H min увеличивается относительно минимальной плотности энергии H min. Увеличение амплитуды колебаний является причиной необходимости увеличения рабочей экспозиции H раб из-за возможного разделения элементов на части, уменьшения геометрической и градационной точности из-за усиления искажения линий края, образованных началом и концом строк, и их смещения вдоль направлений развертки.

2. Сенситометрические параметры пороговая H пор и минимальная H min плотности энергии должны быть ближе друг к другу для лучшего воспроизведения малых элементов изображения и получения более резкого края. Наилучшее воспроизведение малых элементов и абсолютно резкий края достигалок min ются при пороговой сенситометрической кривой ( H пор H пор ).

3. Более узкое распределение плотности энергии пикселя приводит: к лучшему воспроизведению малых элементов, увеличению геометрической и градационной точности (из-за уменьшения сглаживания и сужения контура) и стабильности, более резкому краю элементов, но и к увеличению амплитуды колебаний с ее отрицательными последствиями. Существует оптимальный радиус лазерного луча, зависящий от параметров рассеяния регистрирующего слоя.

4. Выбор рабочей экспозиции H раб близко к минимальной H min приводит к наилучшему воспроизведению пассивных элементов, но к наихудшему воспроизведению активных элементов с возможным разделением их на части и максимальной размытости края.

5. Существует балансная экспозиция H 0, при которой геометрические и градационные искажения бинарных элементов изображения минимальны. При этой экспозиции наиболее искажены малые элементы, искажения уменьшаются с ростом количества пикселей, формирующих элемент, и имеют наименьшее значение для балансных структур, края которых формируются аналогично краям плашки.

В формных процессах по технологии поэлементной записи получила распространение технология, позволяющая формировать адресуемый пиксель из субпикселей большего разрешения записи (GLV™ и SquareSpot™). Распределение плотности энергии такого пикселя имеет достаточно крутые края, не образует колебаний плотности энергии, приближается к квадратной форме, значительно уменьшая все виды искажений элементов изображения.

В главе 6 проведен обзор и анализ различных технологий офсетного формного процесса и рекомендаций фирм-производителей по его управлению.

В рамках обзора получили дальнейшее развитие терминология формных процессов и классификация видов офсетных формных пластин. На основе материалов фирм-производителей, фирм-поставщиков, статей в научнотехнических и производственно-технических журналах приводятся: технология формирования печатающих и пробельных элементов, рекомендации по управлению формным процессом, ассортимент для основных видов формных пластин для технологии «компьютер — печатная форма»: фотополимеризуемых, серебросодержащих, с термоструктурированием, с плавлением, с термодеструкцией, с термодеструкцией и разделением функций регистрирующего и печатающего слоя, с абляцией. Анализ рекомендаций по управлению формным процессом позволил выявить технологические условия, влияющие на способность формного процесса воспроизводить элементы изображения, и показал отсутствие общего подхода к такому управлению, необходимому для его стандартизации.

В главе 7 показана возможность применения разработанных систем сенситометрии и структурометрии, комплекса методов и результатов исследований процесса поэлементной записи к управлению такими процессами: сформулированы основные принципы управления и условия выбора экспозиции, а также разработаны методики выбора рабочей экспозиции в формовыводных устройствах для нескольких видов офсетных формных пластин.

Сравнительный анализ технологических условий формного процесса показал наличие для технологии поэлементной записи небольшого отношения рабочей и минимальной экспозиции, приводящего к узкому диапазону технологических условий. Такое отношение явилось следствием, с одной стороны, недостаточности соотношения мощности излучения и чувствительности формного материала, а с другой стороны, стремления разработчиков к более линейной градационной передаче, воспроизведению все меньших элементов изображения, к использованию высоколиниатурных и частотно-модулированных растров. Совокупность этих факторов привела к необходимости: применения дорогостоящих аппаратных решений при записи и обработке, разработки новых видов формного материала, в том числе с упрощенной обработкой, повышенных требований к управлению формным процессом.

Системы сенситометрии и структурометрии, комплекс методов оценки, результаты исследований процессов поэлементной записи, а также проведенный анализ технологических условий позволяют сформулировать основные принципы управления процессом поэлементной записи:

1. Основным фактором управления является выбор рабочей экспозиции, при этом другие технологические условия должны поддерживаться в пределах, установленных производителями регистрирующего материала. Выбор рабочей экспозиции должен быть осуществлен в пределах широты экспозиции, определяемой как отношение верхней и нижней границ допустимых экспозиций.

2. Нижней границей выбора является минимальная экспозиция, при которой обеспечиваются основные рабочие свойства протяженных бинарных элементов. Верхняя граница выбора — максимальная экспозиция ограничивается некоторыми нежелательными явлениями, например началом абляции для термочувствительных пластин, или возможностями устройства записи.

3. Рабочая экспозиция должна превышать минимальную на величину запаса, задаваемого широтой экспозиции по технологическим условиям Lту и необходимого для учета возможных вариаций свойств регистрирующего материала и технологических условий процесса поэлементной записи. Должен устанавливаться также запас по отношению к максимальной экспозиции Lmax.

4. При выборе рабочей экспозиции необходимо учитывать достижение установленных или наилучших значений параметров, связанных с диапазоном воспроизведения, геометрической и градационной точностью и стабильностью, резкостью края элементов изображения, которые могут быть оценены по рабочим параметрам качества воспроизведения и энергетическим функциям.

В качестве основного фактора управления принят выбор рабочей экспозиции. Из закономерностей процесса поэлементной записи следуют условия выбора рабочей экспозиции:

1. Отношение рабочей и минимальной экспозиций должно быть достаточно большим для большей широты по технологическим условиям, лучшего воспроизведения малых активных элементов без разделения их на части, меньшей ширины переходной зоны.

2. Рабочая экспозиция должна быть ближе к минимальной для лучшего воспроизведения малых пассивных элементов.

3. Рабочая экспозиция должна быть ближе к балансной для большей градационной точности воспроизведения растровой структуры.

Первое условие ограничивает выбор экспозиции снизу, а второе — сверху, при этом они не могут быть выполнены одновременно. Выполнение третьего условия одновременно с первым или вторым зависит от величины отношения балансной и минимальной экспозиций, которая, в свою очередь, зависит от вида и полярности регистрирующего материала. Так, исследования фирмы AGFA для позитивных термочувствительных пластин показали, что экспозиция, при которой обеспечивается точное воспроизведение шахматной структуры, т. е. балансная экспозиция, близка к минимальной экспозиции.

На основании основных принципов управления, условий выбора экспозиции и требований стандартов к офсетным печатным формам разработаны методики выбора экспозиции в формовыводных устройствах для получивших наибольшее распространение видов формных пластин.

Согласно требованиям ГОСТ Р 54766—2011 (ИСО 12647-2:2004) и ИСО 12218:1997 печатные формы должны обеспечивать кривую усиления тона и диапазон воспроизводимых значений тона для стандартных условий печати, а также декларируемую тиражестойкость для негативных пластин. Для технологии «компьютер — печатная форма» условия печати должны выбираться для совместимости с типом пластин, который используется в производственной практике (для России — это позитивные пластины), а значит, усиление тона для 50-процентных круглых растровых точек на печатной форме должно находиться в пределах от минус 3,5 до минус 5,0 % для линиатуры 60 см1 и от минус 4,5 до минус 6,0 % для 70 см1, а диапазон воспроизводимых значений тона — от 2 до 98 %.

Исследования формных процессов с использованием позитивных термочувствительных пластин и ИК лазерных диодов показали, что установленному стандартами усилению тона соответствует экспозиция, при которой обеспечивается большая широта по технологическим условиям, хорошее воспроизведение малых пробельных растровых точек без разделения их на части, близкие к оптимальным ширина пиксельного диапазона и ширина переходной зоны, но при этом плохо воспроизводятся малые печатающие точки. В таком случае можно рекомендовать следующую методику выбора экспозиции:

1. Выбирается экспозиция, при которой надежно воспроизводятся 2-процентные растровые точки для максимальной из используемых линиатур.

2. Экспериментально определяются минимальная экспозиция H min, а также из практики принимается минимально достаточная широта по технологическим условиям Lту, при которой нет тенения пробельных элементов в печати при всех допустимых вариациях технологических условий.

3. Выбранная рабочая экспозиция не должна оказаться меньше Lту H min, иначе необходимо принимать H раб Lту H min и при этой экспозиции ограничиваться линиатурой, для которой надежно воспроизводятся 2-процентные точки.

4. Для выбранных растровой структуры и экспозиции проводится коррекция кривых усиления тона в РИП выводного устройства для соответствия стандартным условиям печати.

Такой вариант наилучшим образом подходит для типографий, стремящихся работать по ГОСТ Р 54766—2011 (ИСО 126472:2004).

Экспозицию можно выбирать и для наилучшего воспроизведения растровых точек в светах и более линейной градационной передачи. Первому условию соответствует минимальная экспозиция H min, второму — балансная H 0, которая лишь незначительно превышает минимальную. В таком случае рабочая экспозиция выбирается настолько близко к балансной, насколько возможно надежно обеспечивать чистоту пробельных элементов.

Рекомендуется следующая методика выбора экспозиции:

1. Экспериментально определяются минимальная H min и балансная H экспозиции, а также принимается минимально достаточная широта по технологическим условиям Lту для конкретного формного процесса.

2. В качестве рабочей выбирается большая из экспозиций H 0 или Lту H min.

3. Необходимо контролировать воспроизведение 98-процентных растровых точек на формах и при их отсутствии увеличивать рабочую экспозицию, уменьшать линиатуру или проводить коррекцию в РИП выводного устройства.

Такой вариант подходит для нестандартных условий печати при использовании высоколиниатурных и частотно-модулированных растров и требует более строгого контроля технологических условий. Более осмысленный выбор рабочей экспозиции возможен с помощью графиков энергетических функций.

Рассмотрим пример выбора рабочей экспозиции с помощью приведенных методик и энергетических функций для конкретного формного процесса с использованием позитивной термочувствительной пластины и ИК лазерных диодов, оценка которого была проведена ранее. Сенситометрическая кривая приведена на рисунке 2б, графики функций воспроизведения — на рисунке 5, а энергетических функций — на рисунке 9. Для позитивного процесса пассивным точкам соответствуют печатающие элементы, а положительному энергетическому усилению тона — отрицательное усиление тона на печатной форме.

Для линиатуры 80 см1 и разрешения 1000 см1 значению тона менее 2 % по (36) соответствует 3-пиксельная пассивная растровая точка ( k п 3 ). По графику энергетической функции пиксельного диапазона такая точка воспроизводится до экспозиции 1,96 H min (рисунок 9а). Выберем рабочую экспозицию с запасом 15 % от этой границы: H раб 1,70 H min. Выбранной экспозиции H раб на графиках энергетических функций (рисунок 9) соответствуют рабочие параметры качества воспроизведения (таблица 2а), которые показывают способность этого процесса изготавливать печатные формы с линиатурой растра до 80 см-1 для применения в стандартных условиях печати: диапазон воспроизводимых значений тона от 1,8 до 99,4 %, усиление тона минус 3,4 %, ширина переходной зоны к периоду растра 1/46.

Условию лучшего воспроизведения точек в светах соответствует минимальная экспозиция H min, а большей градационной точности — балансная H 0 1,08 H min. Примем широту по технологическим условиям Lту 1,15. Для экспозиции H раб 1,15 H min по энергетическим функциям (рисунок 9) определяем рабочие параметры качества, соответствующие для линиатуры 80 см диапазону воспроизводимых значений тона от 1,2 до 98,8 %, усилению тона минус 0,5 % и ширине переходной зоны к периоду растра 1/28 (таблица 2б).

Р и с у н о к 9 — Энергетические функции: а — пиксельного диапазона, б — усиления тона, в — ширины переходной зоны Т а б л и ц а 2 — Рабочие параметры качества воспроизведения формного процесса с использованием позитивных термочувствительных пластин и ИК лазерных диодов:

а — для совместимости со стандартными условиями печати, Линиатура, по технологиче- воспроизведения, % переходной б — для лучшего воспроизведения растровых точек в светах и более линейной градационной передачи Линиатура, по технологиче- воспроизведения, % переходной Разработаны также методики выбора рабочей экспозиции в офсетном формном процессе с использованием позитивных термочувствительных пластин и технологии SquareSpot™, а также фотополимеризуемых пластин. Для большей объективности методик выбора экспозиции необходимо обоснование значений широты экспозиции по технологическим условиям и допустимого отношения ширины переходной зоны, определяющей резкость края, к периоду растра.

В результате выполнения работы решена научная проблема, имеющая важное хозяйственное значение: разработаны научные и методологические основы воспроизведения бинарных изображений в процессах поэлементной записи полиграфических репродукционных систем, на их основе проведены исследования процессов поэлементной записи, показана возможность практического применения для оценки и управления такими процессами. Решение научной проблемы заключается в совокупности следующих результатов, полученных автором лично:

1. Разработана система сенситометрии процесса поэлементной записи бинарных изображений, ориентированная на бинаризацию, поэлементный способ записи и обобщение мер действующего излучения и результата действия излучения и включающая следующие положения:

- в качестве меры действующего излучения принято отношение управляющей экспозицией величины при условии их пропорциональности к значению, соответствующему минимальной экспозиции;

- в качестве меры результата действия излучения принят относительный градационный параметр, связанный с основными рабочими свойствами и равный для фотоформ и офсетных печатных форм относительной оптической плотности;

- дано определение сенситометрической кривой, предложены общие правила оформления ее графиков;

- определены параметры сенситометрической кривой, связанные с обеспечением основных рабочих свойств, геометрической и градационной точностью и стабильностью, резкостью края элементов изображения.

2. Разработана система структурометрии процесса поэлементной записи, в основу которой положено нормированное распределение эффективной плотности энергии наименьшего конечного элемента изображения — пикселя, при этом:

- определены функции воспроизведения пикселя, строки и столбца, краевые функции кадрового и строчного направлений развертки, выбрана математическая форма их представления в виде функций дискретного аргумента и в виде матриц, заданы системы координат, выведены формулы, связывающие функции между собой, исследованы их свойства;

- разработаны методика и формулы расчета нормированного распределения эффективной плотности энергии произвольного изображения, заданного бинарными данными;

- построена математическая модель формирования сплошного поля при поэлементной записи, основанная на функциях дискретных аргументов и численных методах вычисления, выявлены основные свойства такого поля;

- предложены аналитические выражения приближенного описания краевых функций в зависимости от отношения радиуса лазерного луча и параметра рассеяния к шагу развертки, а также от доли рассеянной энергии;

- адаптирован к процессу поэлементной записи растровый метод экспериментального нахождения точек краевых функций для различных методов измерения, позитивной и негативной технологии, т. е. решена задача нахождения функций воспроизведения конкретных процессов поэлементной записи.

3. На основе предложенных систем сенситометрии и структурометрии разработан комплекс методов расчета, оценки и исследования способности процесса поэлементной записи воспроизводить бинарные элементы изображения с учетом обеспечения их основных рабочих свойств, геометрической и градационной точности и стабильности, резкости края, который заключается в следующем:

- на основе нормированного распределения плотности энергии пикселя рассчитываются нормированные распределения плотности энергии элементов изображения;

- по нормированному распределению плотности энергии, сенситометрическим параметрам и рабочей экспозиции рассчитываются энергетические параметры элементов: плотность ядра, значение тона, усиление тона, коэффициент искажения и ширина переходной зоны;

- энергетические параметры могут быть также рассчитаны с достаточной для оценки точностью непосредственно по функциям воспроизведения, сенситометрическим параметрам и рабочей экспозиции;

- определены зависимости энергетических параметров от экспозиции и количества пикселей, формирующих элемент изображения, которые позволяют находить параметры качества воспроизведения.

4. Показана возможность применения разработанных систем и комплекса методов к оценке и сравнению способности формных процессов плоской офсетной печати качественно воспроизводить растровую структуру для позитивных термочувствительных и негативных фотополимеризуемых пластин.

5. В результате проведенных исследований процесса поэлементной записи выявлены его закономерности и первичные факторы, влияющие на способность процесса качественно воспроизводить элементы изображения.

6. Показана возможность применения разработанных систем и комплекса методов, полученных результатов исследований к управлению процессами поэлементной записи: сформулированы основные принципы управления и условия выбора рабочей экспозиции, разработаны методики выбора рабочей экспозиции в формовыводных устройствах в условиях реального производства при изготовлении офсетных печатных форм для позитивных термочувствительных и негативных фотополимеризуемых пластин.

В заключение необходимо отметить, что отдельные части работы, относящиеся к анализу существующих методов и применению ее результатов, основаны на публикациях, выполненных совместно с научным консультантом Андреевым Ю. С. Перспективы дальнейшей разработки темы связаны с развитием нового направления, открывшегося с разработкой научных и методологических основ воспроизведения бинарных изображений, в проектировании, исследовании и управлении полиграфическими репродукционными системами на основе поэлементного способа записи.

4 Список работ, опубликованных автором по теме диссертации Статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов докторских диссертаций:

1. Севрюгин, В. Р. Управление процессом изготовления офсетных печатных форм. I. Анализ технологических условий / В. Р. Севрюгин, Ю. С. Андреев // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. — 2010. — № 6. — С. 42—46. (0,38 п. л. / 0,19 п. л.) 2. Севрюгин, В. Р. Управление процессом изготовления офсетных печатных форм. II. Анализ условий записи и выбора рабочей экспозиции / В. Р. Севрюгин, Ю. С. Андреев // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. — 2011. — № 1. — С. 59—66. (0,60 п. л. / 0,30 п. л.) 3. Севрюгин, В. Р. Сенситометрическая система формного процесса.

Часть I. Анализ и общие положения / В. Р. Севрюгин // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. — 2011. — № 4. — С. 53—59. (0,53 п. л.) 4. Севрюгин, В. Р. Сенситометрическая система формного процесса.

Часть II. Структура системы для технологии поэлементной записи. Формный процесс плоской офсетной печати / В. Р. Севрюгин // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. — 2011. — № 5. — С. 44—54. (0,83 п. л.) 5. Андреев, Ю. С. Репродукционно-графические свойства формного процесса / Ю. С. Андреев, В. Р. Севрюгин // Известия высших учебных заведений.

Проблемы полиграфии и издательского дела. — 2012. — № 4. — С. 3—12.

(0,76 п. л. / 0,38 п. л.) 6. Севрюгин, В. Р. Система структурометрии процесса поэлементной записи. Пространственные характеристики воспроизведения / В. Р. Севрюгин // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. — 2012. — № 4. — С. 46—59. (0,98 п. л.) 7. Севрюгин, В. Р. Краевые функции процессов поэлементной записи / В. Р. Севрюгин // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. — 2012. — № 5. — С. 44—58. (1,13 п. л.) 8. Севрюгин, В. Р. Методы оценки точности и стабильности воспроизведения элементов изображения в процессах с поэлементной записью / В. Р. Севрюгин // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. — 2012. — № 6. — С. 66—80. (1,06 п. л.) 9. Севрюгин, В. Р. Методы оценки параметров качества воспроизведения элементов изображения в процессах поэлементной записи бинарных изображений / В. Р. Севрюгин // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. — 2013. — № 2. — С. 66—80. (1,06 п. л.) 10. Севрюгин, В. Р. Исследования воспроизведения бинарных изображений в процессах поэлементной записи / В. Р. Севрюгин, Ю. С. Андреев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. — 2013.

— Выпуск 3. — С. 24—33. (1,16 п. л. / 0,58 п. л.) 11. Севрюгин, В. Р. Исследование точности воспроизведения бинарных элементов изображения в процессах поэлементной записи / В. Р. Севрюгин // Вестник Ижевского государственного технического университета имени М. Т.

Калашникова. — 2013. — № 2. — С. 126—129. (0,44 п. л.) 12. Sevryugin, V. Studying the Influence of the Recording Process Factors on the Half-Tone Dots Quality Parameters / V. Sevryugin, Yu. Andreev // International Circular of Graphic Education and Research. — 2008. — № 1. — P. 29—34.

(0,45 п. л. / 0,23 п. л.) 13. Sevryugin, V. Analysis and Suggestions for Process Control of Offset Platemaking / V. Sevryugin, Yu. Andreev // China Academic Conference on Printing and Packaging, Beijing, China. — 2010. — P. 239—242. Trans Tech Publications.

Switzerland. Advanced Materials Research. — 2011. — Vol. 174. P. 239—242, URL:10.4028/www.scientific.net/AMR.174.239. (0,46 п. л. / 0,23 п. л.) 14. Севрюгин В. Р. Сравнительный анализ способности формных процессов по технологии CtP воспроизводить элементы изображения / Scientificpractical conference Innovations in Publishing, Printing and Multimedia Technologies, Kaunas, Litva.— 2013. — P. 78—85. (0,43 п. л.) 15. Севрюгин, В. Р. Система сенситометрии процессов поэлементной записи бинарных изображений / В. Р. Севрюгин // Вестник МГУП им. Ивана Федорова. — 2013. — № 5. — С. 89—100. (0,91 п. л.) 16. Севрюгин, В. Р. Оценка способности формного процесса по технологии CtP качественно воспроизводить растровую структуру / В. Р. Севрюгин, Ю. С. Андреев // Полиграфия. — 2013. — № 5. — С. 40—45. (0,71 п. л. / 0,35 п. л.) 17. Севрюгин, В. Р. Выбор экспозиции в устройствах CtP при изготовлении офсетных печатных форм / В. Р. Севрюгин, Ю. С. Андреев // Полиграфия. — 2013. — № 6. — С. 26—30. (0,59 п. л. / 0,30 п. л.)