喷墨打印色彩原理

云舒 · 发表于 2004-3-19 17:46:00

喷墨打印色彩原理(上)

从计算机到纸面

　　彩色喷墨打印机的作用是将计算机产生的彩色图像或来自扫描仪的彩色图像高质量地打印出来。在计算机里，图象上每一个点的色彩一般需要用一个24位的RGB（红／绿／蓝）信息存储起来，其中８位表示红色，８位表示绿色，８位表示蓝色。屏幕上的RGB颜色并不能直接打印出来，这是因为发光设备（例如计算机显示器）是通过一个使用红、绿、蓝三原色的附加过程产生色彩的，而色彩显示过程则是把各种波长的色彩以不同的比例迭加起来，进而产生各种不同的颜色，例如，没有光就产生黑屏，所有波长迭加在一起就产生白色。与此相反，反射设备（例如一张纸）通过负过程产生色彩，一张没有打印过的纸将反射所有波长组成的光，从而呈现出白色，彩色打印过程使用了青色／品红／黄色模式（CMY），吸收波长产生不同的色彩。

　　青色墨水吸收红色波长，使打印出来的图像呈蓝绿色；类似地，品红墨水吸收绿色波长，使打印出来的图象呈蓝红色。计算机用RGB模式显示的页面必须用CMY模式打印，这就需要把色彩从RGB模式转换到CMY模式。此外，喷墨打印机上的每一个喷嘴都是二进位的，这也就是说，它只能够被打开或关闭。所以，除了从RGB模式到CMY模式的图像转换以外，图像信息还必须进一步转换成送到打印头的一系列开／关命令，其中包括青色开／关命令、品红色开／关命令和黄色开／关命令。对于双喷墨头（一个黑色打印墨盒+一个彩色打印墨盒）的打印机来说，还必须把一系列的黑色开／关的命令传送给打印机。当在CMY模式中增加了黑色时，这种模式就叫作CMYK模式，其中“K”就是指黑色。软件驱动程序通过 “色彩转换”和“半色调转换” 两个步骤把计算机图象从24位RGB表示转换成单色和彩色打印头所使用的4位CMYK命令。

色彩转换

　　软件驱动程序首先把计算机的RGB表示转换成打印机所使用的CMY表示，这个转换过程确定了打印所要得到的颜色时每一种原色墨水的相对使用量。软件驱动程序首先把计算机的RGB表示转换成打印机所使用的CMY表示，这个转换过程确定了打印所要得到的颜色时每一种原色墨水的相对使用量。

半色调（Halftoning）

　　随后，软件驱动程序使用一个叫做半色调的过程，把CMY表示转换成一系列彩色打印头喷嘴的开／关命令（每一种颜色有一组喷嘴），它还为单色（通常是黑色）打印头喷嘴打印文本及图象产生一系列开／关命令。

色彩生成过程

　　把RGB表示转换成CMY表示的第一个过程是一个简单的、逐像素的表格查对过程，这个过程控制着色彩的表现，它指定了每一种颜色平面打印所需墨水的相对数量。然而，产生转换查对表并不是一个简单的一对一映射过程，还需要大量的主观判断。例如，理论上一份青色加上一份品红就应该产生蓝色，但事实并非如此，人们甚至往往不能得到RGB和CMY表示的精确颜色匹配。色彩转换中的另一个重要问题是仅使用三种CMY颜色产生黑色，从理论上讲，混合青色、品红和黄色应该能够得到纯净的黑色，这被称做“加工黑色”。

半色调过程

　　色彩转换过程确定了需要打印的点数，半色调过程确定了在纸张的什么位置打印。下面，让我们现在来看看半色调过程，打印机通过这一过程，仅使用三种颜色的墨水就在纸张上产生了数百万种颜色。

传统的单色半色调

　　单色二进位打印机（例如单色喷墨打印机或激光打印机）的点只能是开或关两种状态，不能打印一个点的一部分，或降低点的强度。在纸上的每一个点的位置（像素），要么打印点，要么“无点”。对于纯黑色的文本打印来说，这就足够了。但是要打印有不同深浅的黑白图像时，软件驱动程序必须使用一种叫作半色调的技术。这种技术与印照片所用的技术是相同，印出来的图象虽然是一些深浅不同的黑点，但它们能够按照人的视觉能力，自动地用这些点构成具有整体感、层次感的现实图象。为了打印半色调，软件驱动程序需要把页分割成单元。一个像素就是一个点位置，一个单元就是一个矩形的像素矩阵。在一个单元中打印黑色时，该单元中所有的点位置都以黑色打印。要打印一个白色空间时，所有点位置都不打印。打印不同深浅颜色时，该单元中只有一些点位置被打印。颜色越浅，单元中被打印的点数就越少。例如，25%的灰度时，单元中只有四分之一的点被打印成黑色，而50%的灰度时，将有一半的点被打印成黑色。然后在纸上平铺这些单元，这就能够产生所要的图像，单元中像素的数量决定了在这个单元中能够打印的灰度级别的多少。一个4*4的单元可以有16 + 1级灰度，8*8的矩阵可以有64 + 1级不同的灰度。正如单色半色调能够仅用黑色墨水再现具有几种不同深浅的图象一样，彩色半色调能够仅用三种颜色的墨水再现丰富的色彩。彩色半色调与单色半色调类似，但彩色半色调不是用单一黑点模式创建的，而是用三个不同的层或颜色平面创建的：一个是青色点平面，一个是品红点平面，一个是黄色点平面。把这三种平面放在纸上，外加上黑色，就可以再现几乎无限的色彩。彩色半色调与彩色胶印所使用的色彩分离过程有些类似。彩色半色调需要很复杂的软件

云舒 · 发表于 2004-3-19 17:47:00

喷墨打印色彩原理(下) 

喷墨打印机中的规则抖动技术

　　在规则抖动技术中，每一个平面都被分割成单元，每一单元有不同的点模式，然后在纸上平铺这些单元产生图象。一个单元中的像素数（点）决定了单色打印机所能再现的灰度级数。例如，在一个4*4的黑白单元中，我们希望用灰度值64来打印（黑=255；白=0。）我们将用一个阈“筛”来确定哪一个像素要打印，阈“筛”与在织物上印图案所用的丝绸筛很像。它在某些位置允许打印，在某些位置禁止打印。阈“筛”的每一个单元位置都有一个值，其最大允许值为255。为了确定一个具体像素位置是否要打印，我们把要打印的灰度值（在这个例子中灰度值为64）与阈“筛”相应单元位置的值进行比较：如果一个阈“筛”位置的这个值大于或等于要打印的灰度值，相应的单元位置就不打印；如果这个值小于要打印的灰度值，相应的单元位置就要打印。在彩色打印机中，规则抖动过程被分别应用于每一个颜色平面，一个单元中的像素数决定了能够打印的深浅颜色数量。一种颜色的点模式单元中的点越多，这种颜色的深浅层次就越多。

用图像扩散技术提高打印效果

　　规则抖动容易产生有结构的单元模式，人眼能够辨识出来，这就是为什么大多数彩色喷墨打印机制造厂商使用图象扩散筛方法的原因。为了解决这个问题，Lexmark采用图象扩散技术生成更真实的图像。图象扩散技术用于查对每一个点的灰度，就好像它能够用不同灰度打印一样，——当然，实际上这是不可能的，我们实际只能够打印黑色（255）或白色（0）。借助Lexmark的图像扩散技术，我们能够确定特定像素位置的实际打印效果。

　　在上面的黑白单元例子中，要打印的灰度为64。如果在特定像素位置上不打印点，则实际灰度值就是0，或白色，尽管我们希望得到64的灰度值。因此在这个位置上的误差就是64-0，或64。如果有一个点打印在这里，则实际灰度为255，或黑色，虽然我们希望这个位置的灰度为64。在这个位置上的误差因此是64-255，或-199。然后我们把这个计算出来的误差“扩散”到邻近像素（这个过程在驱动器屏幕上称作“Air Brush”过程）。如果误差是负的（即打印了黑点），就减少邻近像素打印黑点的几率；如果误差是正的（即没有打印点），就提高邻近像素打印黑点的几率。因此图象扩散也称作邻近过程。

举足轻重的墨水

　　在彩色喷墨打印中，墨水极其重要，影响色彩、速度和质量。墨水对打印头几乎每一个部件的设计都有重要影响，包括储墨盒、喷嘴板、墨水流动通道和加热器。因此，墨水是喷墨打印机开发过程的一个部分。

　　墨水的一个重要部分是染料，Lexmark根据多种特性为它的彩色喷墨打印机精心选择每一种染料，这些特性包括染料的独特颜色、能够产生的颜色数（称作颜色的全色域）、抗水能力、抗光照射能力以及打印头的性能等。

　　表面张力、速度和pH值是墨水的三个主要特性，在决定打印机特性上起着重要作用。墨水的表张力影响打印机的许多性能，例如，它影响墨水所接触的所有打印头表面（例如储墨盒和墨水流通道）的可湿润性。表面张力和可湿润性又会影响储墨盒中所维持的背压，而背压又严重影响加热一个墨滴后加热室再填充墨水的速率。再填充时间是确定喷嘴加热频率的一个主要因素，它直接影响打印速度。墨水表面张力还影响着由一定大小的墨滴所产生的墨点的直径。Lexmark的工程师研究了各种纸张的影响，以确定Lexmark喷墨打印机的最佳墨滴大小。除此之外，墨水的表面张力还影响墨水干燥时间，而后者又决定着打印机的吞吐量。干燥时间较短，打印速度就可能更快。表面张力还影响墨滴的光学密度，进而影响打印质量。最后，表面张力影响在加热器表面形成气泡核所必须的激活能，而激活能影响着加热器的设计。

　　墨水速度强烈地影响着墨水流通道的几何因素，而几何因素影响着墨水再填充时间，它还影响墨滴打到纸面上形成墨点的大小，从而影响打印质量。所要求的pH值由墨水成分特别是染料的溶解度要求来决定。大多数染料在２到10 pH值范围内可溶。目前，Lexmark的化学家已经研制出了一种特殊的黑色染料，它对pH值非常敏感，也就是说，染料的溶解度随pH值降低而降低。这保持了染料在放到纸上时仍是可溶的；但是，随着墨水变干，其可溶性变小。——这就是Lexmark墨水具有出色防水能力的秘诀。

结束语

　　彩色喷墨技术涉及到从物理到墨水化学等多种科学学科和工程学科，因此，高质量彩色喷墨打印机的开发需要把多种不同技术综合到一起。在开发彩色喷墨打印机的过程当中，Lexmark充分发挥了它在喷墨打印方面积累的几十年经验，推动这些技术向前发展。这些发展的成果就是诞生了买得起的高打印质量、快速性能的彩色喷墨打印机。