第三节 采用色度检测的控制系统

一、色度测控的优胜之处

　　色彩作为视觉现象在印刷工业中一直扮演着重要的角色，可是，色彩作为印刷工艺中的特性值或参考值使用到目前为止仍不习惯。

　　不可否认，色彩的定义和测量的确是不简单的，正因为如此，迄今只有少数人不怕麻烦地去研究它。到目前为止，印刷工业之所以不大注意色彩测量，是由于密度测量强有力地统治着印刷工业。许多印刷者至今还相信只有密度测量适用于监控印刷过程，然而对于多色印刷而言，密度测量是有缺点的。它跟人眼的彩色视觉不相吻合，人们无法用密度测量语言明确、有效地跟顾客交换色彩信息。但是，这样的信息交换在目前变得越来越重要了。必须用顾客能领会的方法说明产品的规格，色彩测量已经成为印刷者义不容辞的研究对象。只有色彩测量才能表达眼睛看到的是什么色彩和什么样的色差是容许的。

　　当今国际上公认的色彩分类系统是1931年由CIE制订的CIE色彩空间，CIE标准色度图包括了全部色相，色彩的饱和度自内向外依次渐增。

　　可以通过数学变换把CIE坐标变换成三维CIELAB和CIELUV色彩空间。这两种色彩空间把数学方法的精确性和视觉色彩等距分布的优点结合起来了。这些系统已被用在海德堡CPC色彩控制系统中，它的好处最主要的有三点：

　　第一，足以使被复制色眼样本色达到客观的匹配，跟照明条件的变化和人对色彩的主观感受无关；

　　第二，这些系统在工业上的任何配色工艺中都是适用的，没有任何限制；

　　第三，它们是印刷工人确保印刷质量的极好工具。

　　观察色彩是一码事，印刷这个色彩则是另一码事。选择色彩是一个主观行为，而为待复制的色彩确定公差却要求客观的标准，印刷着应该怎样跟顾客就色彩问题交换意见并同时对它们所看到的色彩做出正确的说明呢？通常在印刷过程控制中所使用的是密度测量语言，在印刷中仍然局限于标准油墨，而且不认为这是肤浅的。事实上油墨密度测量有一个缺点：它不是像人的眼睛那样评价色彩，而只提供墨层厚度的结论。对于客观的以视觉为基础的色彩匹配来说，分光测色是一个先决条件。正像指纹是一个人的独有特征那样，每个色彩的特征是由它的波长位置决定的。借助于色度测量可以把光谱波长转换成CIELAB色彩空间中一个 确定的点并可以对色彩进行客观的比较。

　　在这个系统中，色差表现为色彩位置的不同，用ΔE表示，若主观评价时具有大的色差，那么ΔE值亦大（即位置偏差也大），而不管它是什么颜色。

　　把色相值从原稿传递到印刷品需要有关人员具有丰富的经验和熟悉其间的各个工序，因此分色、加网、打样、印刷等各个工序必须正确地配合。但由于需要把印前设备中的RGB系统转换到胶印工艺的CMYK系统，因而产生了一些特殊的困难。若把色度测量引进印刷过程，那么在印刷车间就可以直接确定色彩，对任何一张反射图像，如照相原稿、预打样样张、在印刷机上抽取的样张都可以进行测量（只要这些被测量的色度值是可以比较的）。这样，就可以利用印刷机的输墨控制和调节系统进行快速调节，使印刷中的色彩波动保持在公差范围之内。

　　尽管印刷生产的标准化和自动化程度已经很高，但生产高质量印刷图像仍然是一个复杂的问题。因此，色彩的客观匹配和与图像有关的油墨调节可以使印刷工人更容易控制印刷过程，使与此有关的各种参数优化。

　　印刷效果是否良好的主要判断标准是各单色的同目调值、墨层厚度（实地密度），各原色之间的关系（色彩平衡）和油墨叠印特性。即使精美的淡色调、灰色区域等易于出现色差的色彩，通过光谱测色和色度学原理也可以可靠地进行控制。在灰色块上出现最轻微的输墨波动和色彩平衡的最小破坏都能被检测出来，自动输墨控制将自动进行精确地校正。如果采用印刷控制条，如海德堡CPC系统的4GS或6GS型印刷控制条，那么专门的印刷软件就会检测出可能产生的甚至是最轻微的色差，并马上为四色油墨和专色油墨计算出各自的校正值，各个印刷机组直接根据这些值对输墨进行控制。

　　CPC测试条是根据实地块和中性灰块自动进行色度控制，能提供各原色印刷油墨（实地、网目调、油墨叠印块）、专色油墨、承印材料（白纸）、三色灰平衡块等全部必要的图像样本信息，也包含有为了检测重影和滑版的测试决。

　　测色系统由测量头、光导纤维、分光光度计、计算机和专门的软件组成。扫描头扫描印在纸上的控制条，测量的光线经光导纤维直接进入分光光度计，分光光度计上的一行光电二极管接受射来的光波（波长间隔10nm），计算机据此计算被测色在CIELAB空间的位置，然后跟参考值比较，再把出现的色差转换成恢复色彩平衡的校正值，计算的结果用图形表达并对印刷机进行直接控制。

　　操作人员无需精通胶印的数学逻辑和CPC2-S分光光度测量的细节，所要做的只是理解色差ΔE的定义，恰可觉察色差为ΔE=1。

　　表5－3

	高质量	良好	合格
实施	1.5	2.0	2.5
中性灰块	2.0	3.5	5.0

　　随着经验的增加，操作者会迅速地得到ΔE值的感性认识及各色的色差。该系统按三种公差进行：高质量、良好的质量、合格的质量。为了确保按挑选的公差运行（见表5－3），海德堡CPC输墨控制系统是有效的机构，它跟CPC2-s质量控制系统结合进一步满足统计质量控制的各种要求和保证印刷产品的质量。

　　同色异谱现象经常在机器重新运转时出现，这是由于改变油墨中的有关配料引起的，尤其是专色油墨更易发生。色度测量可以鉴别这种变化，对同色异谱作出评价，并把同色异谱指数显示在电子表格中。

　　标准化的四色印刷已经优化到如此的水平，即使用一般的原色油墨也能印刷出质量很好的图像。但为了给图像一种特殊的感染效果可以附加青色油墨，譬如附加纯净、亮丽的红色、绿色油墨，那么一只草莓的颜色就成为更逼真的草莓红，绿叶的高光部分变得闪闪发光，这些特殊效果使印刷图像产生自然的反差和新鲜感。

　　这样高质量的印刷复制，需要色彩有优等的逼真度和稳定性，用分光光度计控制的六色或更多种色彩的印刷是不可缺少的。

　　高保真色彩是为了用六色或更多色彩印刷而创造的术语。

　　采用六色或更多种色彩印刷的技术条件是存在的，具有六个或更多个印刷机组的印刷机是可以得到的，借助于色度测量和数字技术能可靠地控制这种印刷工艺。

　　通过在CMYK的基础上增加纯净、明亮的红、绿和蓝紫色，印刷者可以得到近乎完美的印刷图像，当然，增加色彩就意味着增加印前工序的工作量（见书末的彩图8）。

　　已经为这样的多色分色开发了合格的扫描软件，在高保真印刷中色序仍然是影响最后图像效果的一个重要因素。在湿压湿印刷中，叠印率随着色序的改变而改变，标准四色印刷的色序是黑、青、品红和黄，当印刷六色或更多的色彩时，在不同情况下的最佳色序要通过反复做机械打样实验来决定。海德堡公司高保真六色印刷采用的色序是Bk、C、M、R、Y和G。对每一个专色来说，用CPC 6GS质量控制条和光谱测色方法可确保正确的色彩平衡。

二、色度测控中的基本数学公式

　　L^*a^*b^*色彩空间CIE1976（CIELAB）

　　亮度L^*=116 Y^*-16

　　表5－4

直角坐标	极坐标
绿－红轴a*＝500（X*－Y*）	彩度C*ab＝(a*2+b*2)1/2
蓝-绿轴b*＝200（Y*－Z*）	色相角hab＝acrtan（b*/a*）

　　X^*=3(X/Xn)^1/2, X/Xn＞0.008856

　　X^*=7.787(X/Xn)+0.138,X/Xn≤0.08856

　　对于Y^*和Z^*来说，算式同X^*。

　　Xu、Yn、Zn是绝对白的标准色度值。

　　表5－5

	2°标准观察者				10°标准观察者
光源	D50	D65	C	A	D50	D65	C	A
Xn	96.42	95.05	98.07	109.85	96.72	94.81	97.20	111.15
Yn	l00.00	l00.00	100.00	100.00	100.00	100.00	100.00	100.00
Zn	82.53	108.90	118.22	35.58	81.44	107.34	116.14	35.20

　　在L^* a^* b^*色空间中色差 ΔL^*= L测－L0

　　表5—6

直角坐标	极坐标
Δa*＝a*测－a*0 Δb*＝b*测－b*0 Δa*b*=(Δa*1+Δb*2)1/2 ΔE*ab＝(ΔL*2+Δa*2+Δb*2)1/2	ΔC*ab＝C*ab测－C*ab0 ΔH*ab＝E*2ab-ΔL*2-ΔC*2ab 若aΔ*2测b*20－a*20b*2测≤0取正值 若a*2测b*20－a*20b*2测＞0取负植 ΔE*2ab＝(ΔL*2+ΔC*2ab+H*2ab)1/2

　　对于L^*u^*v^*色空间具有类似的公式。

　　表5—7

色差	正	负
ΔL*	更亮	更暗
Δa*	更红 更少的绿	更绿 更少的红
Δb*	更黄 更少的蓝	更蓝 更少的黄

　　其它质量参数：

　　实地密度 D_s＝log 1/β_s

　　网点密度 D_t=log1/β_t

　　印刷品阶调值 F_D=1-10^-D_t/1-10^-D_s·100％

　　调值增大 Z＝F_D－F_F（％）

　　F_F＝软片上的调值

　　叠印率 Fa₂₁＝D_S1+2-D_S1/D_S2 100％

　　滑版／重影 S＝|F_DIII－F_D≡|（％）

三、色度测控基本原理

　　在印刷过程中，输墨控制是影响画面质量的重要因素，印刷图像的质量还要根据视觉评价或根据对控制条的密度测量分析，判断输墨的效果。

　　实践证明，单单根据密度测量结果控制输墨往往是不够的。经常可以发现在实地密度调节完全相同的情况下，在打样和印刷品之间产生显著的色差，然后还不得不通过手工对输墨进行调整，校正这个色差。引起此种色彩变异的原因，一般是因为印刷与打样工艺存在差别和所用的原材料存在色彩差别。另外，即使色密度，特别是实地色密度保持常量的情况下，由于橡皮布脏污及其它因素的影响而使调值发生了变化，印刷图像的视觉色彩是不能保证不变的。所以改进传统的输墨控制技术，使印刷与打样之间具有较高的一致性，使印刷色彩保持稳定及正确估计印刷中的色彩变异是对传统密度测控技术提出的挑战。

　　改进的关键就是放弃色密度检测的原则，由光谱测色技术取代。即首先确定调试范围（范围由实验测定）内的光谱漫反射率，然后根据光谱漫反射率或据此推导出来的一些色度特征参数实现输墨控制，而不是根据密度测量（至少在印刷机预调阶段是如此）。按此种方法也可以使印刷图像中难以处理的重点部位的色彩跟打样保持一致，借此也把因调值增加、材料差异和工艺影响造成的色差补偿到某个已知的程度。色彩测量本身既可以在控制条上进行，也可以在画面中任选的位置进行。

　　图5－14是印刷机输墨控制系统简图，包括光谱测量与处理装置10，控制台20，和带有输墨遥控系统的印刷机30。由印刷机30产生的印刷品40用光谱测量与处理装置10进行光电测量，由此得到的测量数据被换算成控制数据11。这些控制数据是跟各个墨区中参加印刷的油墨和印刷材料造成的色差相对应的，并作为输入数据供给控制台20。控制台20根据控制数据11产生控制信号21，控制信号按色差最小的原则调节印刷机的输墨元件。



图5－14

　　图5－15是测量值处理装置10的结构原理图。测量头101借助于步进电机102相对于被测样张运动，还有一个附加的手持测量头103，它可以用手放在印张上希望测量的地方定位。这两个检测头都包括测量装置，它按通常标准以45°角照明要测量的区域，接受0°返回的光线并把它耦合在一个光导纤维中，再通过光导纤维供给分光光度计105，在分光光度计中反射的光被色散和被测量，由此得到的测量值被传到计算机106，由计算机算出控制台20所需要的控制数据11，计算机还操纵和控制步进电机102的驱动器107、测量头101和103中光源的电源、一个显示器108、打印机109和键盘110。这个光谱测量值处理装置的特点是：①对测量区进行光谱色度分析，②在输墨控制方面应用光电测量数据。



图5－15



图5－16

　　图5－16是分光光度计结构原理图。来自测量头101和103的光经光导纤维104和缝隙（光圈）落在全息光栅151上。在此，入射光被调整成在空间按波长次序排列的光。这些按光谱被色散的光落在行阵光电二极管152上，每个光电二极管只是接受一个波长范围相对很窄的光能，由35个光电二极管产生的测量信号跟被测量光在35个离散点上的光谱强度分布相对应，接口153把测量信号放大井数据化成为计算机106可以理解的形式，接口当然也可以按空间形式布置在计算机中。

　　测量值处理装置10、控制台20和印刷机30构成了一个闭合调节回路。以往，此类系统是根据密度测量值进行输墨调节，在算出相对于“应该值”的偏差后，通过对输墨元件的相应调节使偏差等于零，从而使图像在许可的阶调范围内。然而这种输墨控制方法无论如何不是完全令人满意的。所以应当放弃仅靠色密度测量控制输墨的原则，而补充以光谱测色和以色度测量为基础的控制方式。也就是说，对每个测量点进行光谱测量，算出光谱反射率，然后再确定它在已选定色度系统中的色值并跟相应的基准反射率或基准色值比较得出色差，印刷机的输墨控制就根据光谱反射率偏差或色差进行，而不再根据色密度的测量结果进行。特别重要的是输墨调节要遵循的原则是：

　　①每个测试块的色差达到最小；

　　②由各个测试块的色差得出的总色差达到最小；

　　③计算总色差时各单个色差作加权处理；

　　④区域性控制数据的计算要由区域搭接的测试块的色差得到。

　　表色系统的选择是任意的，然而以选用CIELAB和CIELUV系统为直。相应的色差就是ΔE_Lab、ΔE_Luv或（ΔL^*、Δa^*、Δb^*）、（ΔL^*、Δu^*、Δv^*）。各测试块的标准值可通过键盘110输入。然而用测量头测量打样样张，把测量值和由此算出的数据作为相应的标准值存贮更简单更实用。

　　计算机110算出每个测试块的色差参数ΔEn，每个ΔEn再用权重参数gn加权，这样每个测试块可以分别考虑。典型图像用一个较大的权重加权，较不重要的图像用较小的权重加权。当然不加权也是可以的，各测试块都按平权对待。

　　这些加权或不加权的色差参数，用一个变换矩阵，例如据经验算出的转换矩阵相乘和考虑到某种质量规范，由此得出一个色密度改变参数。这个参数是由各油墨密度变化和墨层厚度变化组成的，借此表达有关印刷区的控制数据，并引起输墨元件位置的相应改变，达到各色差平方和为最小。转换矩阵的元素主要由各油墨色密度坐标的偏导数组成，它们可以通过对相应实验印刷品的测量经验地算出，也可以通过模型算出。

　　对于三色印刷而言，密度改变向量有三个，由表明这三个向量的色差向量进行计算，计算起来不算复杂。但在多于四色时，各个测试块色差的总额要以适当的方式分配给密度改变向量的各个分量，从而相应得到一个多维向量。

　　输墨元件的位置信号也直接由色差算出而毫无困难。这里仍然把总色差最小作为计算的基础，也可以把各测试决的权重参数考虑进去。

　　印刷过程一般分为三个阶段。首先根据印版扫描器的测量值对印刷机进行粗调；接着是调整阶段，包括色彩匹配、套准调节，在这个阶段，要根据打样细调输墨直到得到令人满意的印刷品；最后进行正式印刷。印刷过程中的调节集中于尽量保持调机时达到的结果不变，通常人们不再把打样作为参考，而是把认为“好”的印张作为参考，根据“好”印张的色密度测量值进行调节。在这样的密度调节阶段，把光谱反射率换算成滤光色密度（与密度测量相对应），然后把换算得到的结果跟由“好印张”算出的结果进行比较，色密度的差值就直接表达控制数据11。

　　标准化监控的一个重要因素是测试条。不同颜色、不同调值叠印的网点块、特别是关键的阶调应当适当的出现，也可以把图像上的关键阶调放在测试条上。

　　在打样过程中，输墨不再是按区控制的，每种测量块只附带印刷一个，把它们的测量值作为整张或部分印品的标准值就足够了。

　　对于分区控制输墨的印刷机来说，可以按区分别监控。对于色控制至关重要的测量块，如对于密度控制输墨调节的单色测量块和对于色度控制的多色网点块来说要以尽可能小的间隔循环出现，为监控油墨叠印和网点增大的控制块可用稻大一些的距离安排。

　　在三色印刷中，可印刷的色空间受纸张、单色实地、双色及三色实地叠印块（白、青、品红、黄、红、绿、蓝和黑）等色彩的色度点位置的限制，所有的网点调值被限制在这个色空间内。对于印刷品来说，其色差虽然不是在所有色调都是均衡的，但优化平均色差是可能的。人们可以考虑把一些有用的双色或三色网点块，如发平衡块或难以处理的阶调也包罗到测试块中去。

　　在四色印刷中，消色可以由黑墨或三个彩色油墨形成，所以测试块可以是黑色、双色或三色网点块。若利用四色网点块，则必须把其中一色作为自由参数预先确定，或附加一个单色块，首先确定这个单色块的测量值。

[时间：2001-11-05  作者：刘世昌  来源：《印刷品质量质检测与控制》·第五章　印刷图像质量测控技术]