Печать в цвете

Технологии цветной печати

26.10.2009
12:15
Виктор Редный

 

Несмотря на то, что нас окружает разноцветный мир, в офисах до недавних пор господствовали черно-белые документы. Однако развитие технологий цветной печати коренным образом изменило эту печальную ситуацию – теперь практически в каждом уважающем себя офисе есть цветной принтер (или многофункциональное устройство), причем где-то он давным-давно вытеснил своих монохромных собратьев, а где-то уже очень серьезно наступает им на пятки.

 

Что же происходит внутри светло-серых ящиков, поглощающих чистые листы бумаги и выдающих яркие многоцветные распечатки? И что означают эти таинственные надписи на корпусах – PhotoREt, Bubble-Jet или даже PhotoRealism? Ответам на эти и многие другие вопросы и посвящен данный материал.

 

Цветная печать – основы

 

С физической точки зрения, то, что мы воспринимаем как цвет, - это набор электромагнитных волн определенного диапазона частот (различаемого человеческим глазом). Сумма световых волн всего видимого диапазона вызывает ощущение белого цвета, отсутствие света – черного. Такая схема образования цветов именуется аддитивной и используется во всех светоизлучающих (монитор, телевизор) и светопринимающих (сканер, видеокамера и т.д.) приборах. Наиболее распространенная цветовая модель, построенная по этой схеме, называется RGB (Red – красный, Green – зеленый, Blue – синий) по названиям трех базовых цветов, используемых в ней для образования всех прочих. В сумме красный, синий и зеленый дают белый.

 

Однако схема RGB неприемлема для печати, поскольку обыкновенные краски не излучают свет. Когда мы смотрим на бумагу, информацию о ее цвете мы получаем из отраженного, а не излучаемого света. Следовательно, единственным способом окрашивания в данном случае является нанесение на поверхность бумаги покрытия, которое бы задерживало световые волны, соответствующие одному цвету, и пропускало другие. Этот процесс лежит в основе субтрактивной цветовой модели, именуемой CMY (Cyan – голубой, Magenta – пурпурный, Yellow – желтый). Если нанести на бумагу краски этих трех цветов, то вместе они будут задерживать свет во всем видимом диапазоне, что соответствует в нашем представлении черному цвету.

 

Однако эта идеальная математически точная картина не учитывает существующих проблем с чистотой оттенков красителей. В результате хорошего черного цвета не получается, и приходится использовать отдельный черный краситель. Отсюда появилась дополнительная буква в названии самой распространенной цветовой модели – K (blacK – черный).

 

Схемы RGB и CMYK не являются эквивалентными, поэтому проблема соответствия цветов на экране монитора и на листе бумаги и по сей день не решена окончательно. Для этих целей иногда применяют специально сконструированные модели, которые включают все оттенки из RGB и CMYK (например, CIE Lab), однако это тема совершенно другого разговора, касающегося, по большей части, профессионалов издательского дела.

 

Исходя из методов образования цветов и оттенков технологии печати делятся на три базовые категории:

- растровые (Bi-level) – каждая точка на бумаге может быть только цвета используемых чернил, все прочие цвета и оттенки появляются в результате процесса растрирования (dithering);

- полноцветные (Continuous tone) – цвет точки изображения может свободно варьироваться в рамках используемой цветовой модели;

- комбинированные (Contone) – цвет точки может изменяться в узком диапазоне значений, а необходимый оттенок получается путем растрирования.

 

Напомню, что растрирование – это процесс представления одной точки исходного изображения несколькими точками конечного. Например, получить 256 оттенков серого на черно-белом устройстве вывода можно используя при выводе для каждой исходной точки миниатюрную матрицу из 16×16 элементов, каждый из которых может быть только белым или черным. Если элементы невелики, то для человеческого глаза они сливаются в одну точку. Закрашивая больше или меньше элементов, можно добиться ощущения появления оттенков серого на черно-белом изображении. Точно так же, смешивая точки различных цветов в одной матрице, можно получить различные их оттенки. Естественно, использование растрирования снижает разрешающую способность устройства печати, поскольку теперь каждая эффективная точка изображения состоит, к примеру, из 256 физических, т.е. эффективное разрешение падает в 16 раз по вертикали и горизонтали (!). В действительности такого не происходит лишь благодаря различным хитроумным методам наложения растров.

 

Совсем по-другому обстоят дела с полноцветными технологиями. Тут каждая исходная точка преобразуется в единственную конечную, составленную из нескольких красителей.

 

Комбинированная технология также предполагает получение точек разных оттенков, но в данном случае может воспроизводиться лишь ограниченная палитра, которую получают с применением какой-либо упрощенной схемы смешения. Чтобы реализовать другие цвета и оттенки, используется растрирование, но теперь размер матрицы существенно уменьшается, поскольку каждый ее элемент несет больше цветовой информации.

 

Но довольно теории, перейдем к главной теме статьи – конкретным технологиям и их особенностям.

 

Четыре кита, на которых стоит цвет

 

Первым китом, не по времени изобретения, а по распространенности, является струйная печать. Вторым – лазерная, третьим – термосублимационная, четвертым – матричная.

 

Если попытаться привести в соответствие перечисленные технологии и описанные базовые категории цветообразования, получается следующая картина. Струйная, лазерная и матричная печать относятся к растровым, а термосублимационная – к полноцветным. Новые модификации струйных и термосублимационных технологий лежат на границе и относятся к комбинированным.

 

Струйные технологии

 

Bubble-Jet

 

Старейшая технология, разработанная фирмами Canon и Hewlett-Packard. Используются жидкие чернила, которые подаются в печатающую головку, оснащенную множеством сопел миниатюрного диаметра. Каждое сопло имеет крохотный нагревательный элемент, который при включении практически мгновенно испаряет некоторый объем чернил. Образуется пузырек газа, который выталкивает оставшуюся в сопле жидкость. Капелька чернил попадает на бумагу и впитывается. Для цветной печати используются головки с несколькими наборами сопел, каждый из которых распыляет краску определенного цвета. Базовые красители помещаются в нескольких емкостях – это могут быть отдельные картриджи или отделения в общем корпусе.

 

Недостатков у печатающих механизмов, основанных на струйной технологии, достаточно много. К ним относятся невысокая скорость полноцветной печати, проблемы с засыханием чернил в головке, недостаточное качество фотографических изображений, «водобоязнь» отпечатков, излишняя чувствительность к сорту бумаги и существующий риск выцветания краски. Для исправления этих недостатков используется целый букет дополнительных технологий.

 

Drop Modulation

 

Эта методика позволяет несколько увеличить эффективную разрешающую способность принтера, а также существенно усовершенствовать процесс растрирования. Сопла печатающей головки снабжаются двумя нагревателями: когда включается один – получаем каплю малого размера, другой – большего. Авторство методики принадлежит компании Canon. Недостаток, общий для всех технологий с изменением размера капли, - на обычной офисной бумаге нанесенные чернила расплываются, что в значительной мере может нивелировать как высокое разрешение, так и различия в диаметре точек.

 

PhotoREt II, ColorSmart II

 

Hewlett-Packard, которую всегда причисляли к лидерам рынка принтеров, тоже сделала вклад в совершенствование струйной технологии, предложив две модификации исходного процесса. PhotoREt II применяется для увеличения цветового диапазона каждой точки изображения в отдельности. При печати по этой технологии получается малый размер капли, что позволяет «выстреливать» в одну точку до шестнадцати порций чернил разных цветов. Это не избавляет от необходимости растрирования, однако существенно уменьшает размер матрицы. Как вы, наверное, уже догадались, инженеры HP задействовали принцип contone. Качество изображений получается отменным, а при печати текста используется вторая часть этой технологии – REt (Resolution Enchancment technology), т.е. учитывается возможность генерации капель малых объемов, следовательно, текстовые распечатки тоже выигрывают в качестве.

 

Что касается ColorSmart II, то это куда менее революционное нововведение, которое реализуется чисто программно и применяется для оптимизации цветов исходного изображения на этапе его обработки драйвером принтера. Функция SmartFocus, являющаяся неотъемлемым атрибутом этой технологии, улучшает цветовую гамму изображений низкого разрешения (например, фотографий из интернета) и повышает качество растрирования.

 

PhotoRealism

 

Право на использование этого названия принадлежит Canon, чего нельзя сказать о технологии, которая не является новым словом в полиграфии. Просто специалисты японского гиганта учли одну из общеизвестных особенностей человеческого восприятия фотографий. Человек судит о качестве изображения, в первую очередь, исходя из достоверности воспроизведения светлых оттенков, а именно светлые оттенки недоступны для обычного печатающего механизма, построенного на струйной технологии. Дело в том, что если для насыщенных полутонов растровая методика работает хорошо – точек в матрице много, они сливаются, образуя обманчиво сплошную закраску, то чтобы изобразить светлые участки, приходится оставлять незакрашенными слишком большое количество точек растра. Отдельные его элементы становятся легко различимыми, цельное изображение превращается в россыпь точек. Чтобы избежать этого эффекта, в Canon решили к четырем базовым цветам (CMYK) добавить светлые варианты голубых, пурпурных и желтых чернил. Теперь, используя чернила разной насыщенности, можно создавать практически плавные переходы от темных к светлым тонам.

 

P-POP

 

Эта аббревиатура довольно странного вида расшифровывается не менее загадочно - Plain-PaperOptimized Printing, что в переводе на русский звучит как «единообразная печать с настройкой на бумагу». Тем не менее, замысловатое название обозначает незамысловатую технологию, согласно которой перед нанесением точки на бумагу распыляется специальный реагент (Ink Optimizer). Впитавшись, он образует особое покрытие, на которое и будет наноситься изображение. Таким образом, удается изменить свойства обычной бумаги, получая водостойкие и яркие отпечатки вне зависимости от ее сорта.

 

Повышение физического разрешения

 

Если не использовать преимуществ tone-continuouse и contone технологий, то единственным способом повысить качество конечного изображения является увеличение разрешения принтера. Довольно тривиальное решение, требующее, однако, нетривиальных усилий со стороны производителя. Например, Lexmark, следующая по этому пути, использует лазерный луч для вырезания сопел в печатающих головках. 400 сопел позволяют не только осуществлять высококачественное растрирование с разрешением 1200×1200 точек на дюйм, но и существенно повысить скорость печати. К недостаткам можно отнести только предполагаемое быстрое и частое засорение столь миниатюрных сопел. Косвенно об этом свидетельствует тот факт, что Lexmark совмещает в своих изделиях чернильный картридж и головку, следовательно, головки подлежат частой замене.

 

Micro Piezo

 

Выдающееся изобретение компании Epson, которое стало, без сомнения, важным этапом развития струйных технологий. Оно основывается на обратном пьезоэлектрическом эффекте, суть которого состоит в процессе деформации некоторых материалов под воздействием внешнего электрического поля. Чернила выталкиваются из сопла уже не пузырьком пара, а своеобразным «поршнем», изготовленным из пьезоэлектрика. Технология Micro Piezo свободна от традиционных недостатков термопузырьковой технологии: разбрызгивания красителя и появления капель-сателлитов. Способность пьезоэлектрических керамик реагировать на изменение приложенного электрического потенциала на высоких частотах (в данном случае до 12 КГц) дает возможность достигать более высоких скоростей, чем при использовании термопузырькового принципа. Кроме того, степень деформации «поршня» достаточно просто регулируется величиной приложенного напряжения, что в какой-то степени и применили в модификации этой технологии. Благодаря Micro Piezo разрешение струйных принтеров Epson поднялось на небывалую высоту.

 

Variable Dot Size

 

Абсолютно естественный этап развития пьезоэлектрической технологии, предпосылки к которому лежат в самой природе обратного пьезоэффекта. «Пьезопоршнями» управляют с помощью электрических импульсов двух амплитуд: малой и большой. Таким образом, получается два типовых объема чернильной капли: 6 и 10 пиколитров. Если же использовать комбинацию этих импульсов, то сформируется капля объемом 19 пиколитров. Плотно закрашенные области изображения можно быстро прорисовывать с помощью сверхбольших капель, менее насыщенные участки – средними и малыми. Благодаря варьированию размера точки и высокой скорости работы пьезоэлектрической головки удается избежать характерного для струйных принтеров существенного снижения темпов при печати с высоким разрешением. Кроме того, повышается качество растрирования, поскольку точки разного размера позволяют достигать большей степени беспорядка, что в данном случае является достоинством. Свою лепту в «растровый хаос» вносит специальная математическая методика обработки растра – Error Diffusion.

 

Технологии Variable Dot Size и Micro Piezo были объединены фирмой Epson в одно непобедимое целое под названием Advanced Micro Piezo, что дало возможность выполнять фотопечать четырьмя цветами вместо шести, хотя это можно считать сомнительным усовершенствованием. Светлые варианты чернил невозможно заменить никакими улучшенными методами растрирования. В подтверждение этому Epson продолжает оснащать принтеры, в названии которых есть приставка Photo, шестицветными картриджами.

 

Сублимационная технология

 

Основана на эффекте сублимации, когда какое-либо твердое вещество превращается в пар, минуя фазу жидкости. В данном случае твердые чернила трех или четырех цветов находятся на ленте, с которой их с помощью специальных микронагревателей испаряет печатающая головка. Облачко «взорвавшихся» чернил осаждается на бумаге. Чтобы сформировать четкую точку, на пути облачка помещается диафрагма, отсеивающая лишние испарения. Сублимационная технология относится к классу полноцветных (continuous tone) – все оттенки получаются путем «честного» смешения цветов. Однако за это приходится платить не слишком высоким разрешением (обычно 300 dpi, хотя есть и исключения) и крайне медленным выводом. Да и стоимость печатающих механизмов достаточно велика. К серьезным проблемам сублимационной печати можно отнести чувствительность применяемых чернил к ультрафиолету. Если изображение не покрыть специальным слоем, блокирующим ультрафиолет, то краски вскоре выцветут.

 

Невысокое разрешение не является недостатком при выводе изображений, поскольку при термосублимационной печати растр как таковой отсутствует.

 

Можно говорить о линиатуре (полиграфический термин, означающий количество линий, состоящих из точек, соответствующих исходным, на единицу длины, как правило, дюйм) в 270-300 lpi, которая пока недостижима даже для офсетной печати. При струйном, лазерном и матричном способах печати линиатура зависит от разрешающей способности устройства и количества получаемых полутонов (следовательно, от размера матрицы), и ее значение меньше (50-80 lpi), но они позволяют получать качественный текст. Поэтому наиболее массовое применение термосублимационная технология находит в видео- и фотопринтерах. Принтеры такого типа лучшее, если не единственно правильное решение для выполнения цветопроб.

 

Технологии термической восковой печати и изменения фазы

 

Родственные технологии, которые занимают по качеству вывода промежуточную позицию между сублимационным и всеми прочими методами. Для термической восковой печати (thermal wax transfer) используется многокрасочная лента, на которой нанесены твердые чернила. Лента протягивается между бумагой и термической печатающей головкой. Чтобы сформировать точку, чернила необходимого цвета расплавляются и наносятся на бумагу. Застывшие капельки чернил образуют на ее поверхности узор растра (обычно четырехцветного). К достоинствам технологии следует отнести полную независимость от типа бумаги (чернила не впитываются, а застывают) и высокую четкость отпечатков. К недостаткам – необходимость применения растрирования.

 

Печать с изменением фазы (phase change) комбинирует в себе черты самых разных технологий. Твердые чернила на восковой основе плавятся и наносятся сначала на… барабан, выполняющий ту же роль, которую играет селеновый барабан лазерного принтера, а с него – на бумагу. Преимуществом такой технологии является возможность более точного управления размещением красителей на барабане, чем при непосредственном нанесении их на бумагу.

 

Существенный недостаток термосублимационной печати – также низкая механическая устойчивость оттиска, что определяется поверхностным характером наложения краски (практически без адгезии – проникновения в поры материала).

 

Лазерные технологии

 

Не буду подробно останавливаться на общих принципах лазерной технологии печати, напомню лишь основные моменты. Фотопроводящий барабан по ходу своего вращения получает электростатический заряд, который затем частично снимается лазерным лучом, последовательно «прорисовывающим» строки будущего изображения. Потом на барабан наносятся частицы положительно заряженного тонера, концентрирующиеся на тех участках его поверхности, где отрицательный заряд барабана был заранее «удален» лазером (существует и обратная методика). Далее тонер переносится на предварительно заряженную бумагу и фиксируется (плавится) горячими валками.

 

Цветная печать с помощью лазерного механизма реализуется в несколько этапов по числу базовых цветов. Во время каждого из проходов (всего их, как правило, четыре – CMYK) на бумагу наносится тонер какого-либо одного цвета. Преимущества перед всеми прочими технологиями цветной печати очевидны: высокая скорость и разрешение, независимость от сорта бумаги, экономичность, отличные качество, четкость и долговечность отпечатков.

 

Переменный размер точки и больше оттенков

 

Для создания этой модификации инженерам не было нужды даже пальцем шевелить, поскольку решения уже существовали в монохромной печати. К примеру, REt, детище Hewlett-Packard, позволяет варьировать размер точки за счет модуляции мощности лазерного излучения и соответственно частичного снятия заряда с фотопроводящего барабана (аналог этой техники для цвета называется ImageREt 1200). Благодаря этой же технологии стало возможным применение contone методики повышения качества печати цветных изображений. Чтобы получить больше оттенков в одной точке, необходимо дозировать нанесение тонеров разных цветов. Для этого достаточно в каждом проходе соответствующим образом изменять интенсивность лазерного луча в момент прорисовки точки. Вместе с приходом эры цвета аналогичные методики появились и в арсеналах Apple (PhotoGrade), Lexmark (ColorGrade), Xerox (Intelligent Colour) и Tektronix. Хотя многие производители и объявили о реализации полноцветной (continuouse tone) печати (8-битовая градация насыщенности для каждого из четырех образующих цветов), тем не менее, специалисты утверждают, что речь идет максимум о 3- или 5-битовых градациях.

 

Direct-to-Drum

 

Используя эту методику, можно забыть о проблеме совмещения отпечатков разных цветов, которая была весьма специфичной для лазерной цветной технологии. Смысл ясен из названия: цветное изображение формируется прямо на поверхности фотопроводящего барабана, т.е. тонеры разного цвета смешиваются на барабане, а затем разом переносятся на бумагу. В процессе участвуют специальные магнитные частички порошка-проявителя, которые налипают на вращающийся магнитный валик и «доставляют» на себе тонер к барабану. Право на Direct-to-Drum принадлежит компании Hewlett-Packard, однако некоторые другие фирмы также используют аналогичные модификации.

 

ЧМ-растрирование

 

Алгоритмы частотно-модулированного, или стохастического, растрирования повышают степень однородности полутоновых заливок, улучшают передачу деталей и теней на изображении, снимают проблему муара. Суть очень проста – расстояние между точками растра варьируется случайным образом.

 

Повышение скорости печати

 

Здесь получила возможность отличиться японская корпорация Oki, в принтерах которой применяется эксклюзивная технология с использованием четырех девелоперов (механизмы по формированию изображения в лазерном принтере). Вам наверняка известно, что в принтерах этой корпорации в качестве элемента, создающего «электрический образ» на фотопроводящем барабане, используется вместо лазера линейка миниатюрных светодиодов. Благодаря простоте и компактности светодиодного узла инженеры смогли разместить в одном устройстве сразу четыре девелопера, вписавшись как в размеры, так и в ценовой диапазон стандартного цветного лазерного принтера. Расположенные последовательно светодиодные узлы поочередно выполняют все четыре этапа образования цветного изображения за один проход. Итог – восемь цветных страниц в секунду и невысокая стоимость принтеров.

 

Матричные технологии

 

«Электромагниты + иглы + красящая лента + бумага» – эта неизменная последовательность составляет основу рабочего процесса любого матричного механизма. Печатающая головка следует вдоль строки будущего изображения, электромагниты выталкивают иглы, которые переносят краситель с ленты на бумагу. При цветной печати применяется многоцветная лента, на которой нанесены несколько полосок разных красителей. Для получения оттенков изображение растрируется. Высокая четкость элементов растра, низкое разрешение, относительно небольшая скорость вывода, невозможность изменения размера наносимых точек и их насыщенности – все это серьезные недостатки цветной матричной печати. Невероятная экономичность – одно из немногих ее достоинств, особенно заметное на фоне «прожорливости» цветных струйных принтеров.

 

Также следует отметить неприхотливость по отношению к бумаге. Если струйная и лазерная технологии отлично справляются как с текстом, так и с изображениями, а термосублимационная – с фотографиями, то матричную технологию лучше применять исключительно для печати текста (например, для бухгалтерских документов, где необходим красный цвет, свидетельствующий о превышении расходов над доходами). Кроме того, матричная технология позволяет реализовать печать металлизированными красителями – мечту дизайнеров (вспомните любовь Густава Климта к золотому фону!). Поговаривают, что можно ожидать и струйные принтеры, оснащенные дополнительным картриджем, но это пока только проекты. А корпорация Citizen давно выпускает линейку матричных принтеров Printiva и металлизированные ленты к ним.

 

Что же будет?

 

Трудно сегодня предсказать судьбу вышеописанных технологий в далеком будущем. Во многом она зависит от усердия и таланта инженеров, работающих над их усовершенствованием, поскольку потоку модификаций конца-края не видно. Потенциал, заложенный во всех технологиях, за исключением, пожалуй, стандартной матричной, невероятно велик, и проникновение самых последних достижений технической мысли «в массы» сдерживается пока чисто экономическими причинами. Единственное, о чем можно высказаться со значительной степенью уверенности, так это о скором и неотвратимом вторжении цветных лазерных принтеров в офисы и дома пользователей всего мира. Высокое качество и скорость, минимальные затраты на обслуживание – все это сыграет свою решающую роль, когда заоблачные цены на лазерные агрегаты падут очередной жертвой «азиатских тигров».