Что такое фотопечать

Что такое фотопечать

Использован материал: Hard'n'Soft
Автор: Антон Шарапов. Дата: август 2006

Нам следует разобраться - а что же такое, собственно, фотографическое изображение? Фотография, как способ получения неисчезающих изображений, возникла около 170 лет назад. С тех пор ее технологии непрерывно совершенствовались, но главный принцип оставался тем же: под действием света частицы фотоэмульсии на пленке, пластинах или бумаге изменяли свои свойства, а последующий химический процесс проявления и закрепления делал изображение видимым. Поскольку фотоэмульсия как на фотопленке, так и на фотобумаге имела достаточно большую толщину по сравнению с размерами образовывающихся при проявлении видимых частиц (групп молекул) солей серебра, то они распределялись не только по ее поверхности, но и на различной глубине, частично перекрываясь и образуя нерегулярную структуру, тем самым обеспечивая плавность тоновых переходов. В цветной фотографии светочувствительные слои располагаются в эмульсии друг под другом, при этом частицы, окрашенные в красный, зеленый и синий цвета, тоже имеют возможность перекрываться, обеспечивая получение широкого цветового охвата и плавные цветовые переходы. Поэтому "истинное" фотоизображение, то есть полученное фотохимическим способом, до сих пор является эталоном изображения с непрерывным распределением полутонов (continuous tone).

Почему же так важно получать на отпечатке именно "непрерывные полутона"? Потому что иначе мы не сможем увидеть реалистичную игру света на полированном металле, блестящий шелк не будет выглядеть таким "живым", как в жизни, вместо нежного румянца на щеках девушки окажутся неприглядные красноватые пятна с рваными краями, а белоснежные кучевые облака, занимающие полнеба, потеряют свое величие и объем. Тонкие розовые оттенки восхода и нежные пастельные тона мы тоже сможем увидеть только на истинно полноцветном изображении с непрерывным распределением тонов.

Фотопринтеры, как особый класс, предназначены именно для получения отпечатков, которые не уступают по качеству фотографиям, изготовленным классическим способом. Кроме "умения" воспроизводить визуально непрерывные тоновые переходы, настоящий фотопринтер еще способен печатать изображение без полей, т.е. "в край", а также выдаваемые им отпечатки отличаются от "обычных" более высокой сохранностью, зачастую превышающей жизненный цикл традиционных фотографий.

Этапы развития печатного дела

С момента изобретения печатного станка и до настоящего времени в полиграфии в основном используются рельефные печатные формы, с помощью которых можно получить дискретное изображение, т.е. изображение, формирующееся из отдельных областей на бумаге, на которые с печатной формы была перенесена краска. Долгое время для получения качественного изображения на оттиске самым распространенным способом являлось создание гравюры, на которой оно формировалось из большого количества тонких линий, расположенных так. как задумал художник, т.е. достаточно произвольным образом. Создание рельефных линий на печатной форме было долгой и кропотливой ручной работой, для которой необходима очень высокая квалификация.

Для того чтобы быстро подготавливать к выпуску книги с большим количеством иллюстраций требовалась новая технология. Нужно было найти способ механически разбить изображение на отдельные области, отражающие плотность тонов оригинала, и создать соответствующие им рельефные "островки" на печатной форме. Выход был найден в использовании растров - регулярных структур из элементов одинаковой формы (например, круглой, эллипсоидной или ромбовидной).

Передача полутонов монохромного изображения при помощи изменяющегося размера точек

В докомпьютерную эру для преобразования фотографии в такую структуру применялось оптическое растрирование в специальных репрокамерах, где изображение экспонировалось на печатные формы через стеклянную пластину с выгравированным растром. Изготавливаемые в основном методом фотолитографии печатные формы были рельефными, а на отпечатке получалась регулярная структура из точек разного размера, нанесенных на бумагу краской. Изменяющаяся плотность покрытия листа такими точками позволяла передавать полутона монохромного изображения. Для печати цветного изображения требовалось изготовить 4 печатные формы (по количеству красок в цветовой модели CMYK). Для каждого из цветов применялся соответствующий светофильтр и пластина с растром, расположенным под строго определенным углом (стандартно - 0° для Yellow, 15° для Cyan, 45° для blacK и 75" для Magenta). После последовательного нанесения (с совмещением) каждой из красок на бумаге получалась характерная "розеточная" структура, образованная точками разных цветов.


Характерная "розеточная" структура, образованная точками разным цветов при совмещении растров

Хотя при печати как одной, так и четырьмя красками получается изображение с дискретной структурой, при определенных условиях человек может воспринимать его, соответственно, как полутоновое или полноцветное (см. "Как обмануть зрение").

По мере развития вычислительных машин и периферийного оборудования для растрирования фотоснимков стали использовать электронные устройства для оцифровки изображения (сканеры), а в процессе изготовления печатных форм - лазерные фотонаборные автоматы, что значительно повысило разрешающую способность полиграфического процесса. Отметим, что вычислительные машины добавили в полиграфический процесс возможность программно обрабатывать визуальную информацию и, применяя разнообразные алгоритмы стохастического растрирования, получать на печатных формах растры с нерегулярными структурами.


Пример структуры, полученной методом стохастического растрирования

Все, о чем говорилось выше, касалось полиграфического оборудования и печати большими тиражами, но принципы создания фотоизображений при настольной печати были заимствованы именно оттуда. С широким распространением персональных компьютеров, а вслед за ними - доступных по цене настольных принтеров у пользователей появилась возможность распечатывать текст и изображения в единственном экземпляре. Однако "полиграфическое" качество было достигнуто принтерами только через весьма продолжительный отрезок времени.

Как обмануть зрение

Возможность использования дискретного изображения вместо непрерывного объясняется свойствами человеческого зрения. Как и любой искусственный оптический прибор, глаз имеет предельное разрешение, примерно равное 1 угловой минуте. Это означает, что любые объекты, угловой размер которых при наблюдении с определенного расстояния не превышает указанную величину, будут сливаться в точку. При рассматривании изображения с так называемого "расстояния наилучшего видения", равного 25-30 см, диаметр еще различаемой точки находится в пределах 0,07-0,09 мм. Исходя из этого, принято считать, что человек воспринимает изображение как "безрастровое", если оно напечатано с разрешением в 300 dpi (что соответствует диаметру точки 0,0846 мм).

Но дело не только в оптических свойствах человеческого зрения. Наш мозг анализирует полученную визуальную информацию, сопоставляет ее с уже известными ему образами и дополнительно "сглаживает" дискретное изображение. В случае с гравюрой человек получает лишь информацию о расположении объектов и их рельефе, а все остальное домысливает наш "процессор". В случае с растровым изображением объем получаемой информации зависит от размеров и способа формирования растровой ячейки, что определяет уровень детализации и количество полутонов. Чем меньше элементы растровой структуры и незаметнее ее регулярность, тем меньше мозг отвлекается непосредственно от изображенного предмета. В более сложной ситуации, когда на растрированной фотографии запечатлено что-то незнакомое человеку или требуется рассмотреть все мелкие детали, "домысливание", скорее всего, будет неэффективным.

Печать на персональном уровне

В самом начале компьютерной эпохи, когда существовали только громоздкие вычислительные центры, обслуживающие их принтеры еще не "умели" распечатывать изображения и служили только для быстрого вывода текстовой информации на бумагу. Появившись в середине 50-х годов прошлого века, они представляли собою устройства, работающие наподобие печатных машинок - при помощи головок с рельефными символами и красящей ленты (в СССР для них придумали термин АЦПУ - алфавитно-цифровое печатающее устройство). К 70-м годам самыми распространенными стали другие принтеры - матричные, в которых символы формировались из комбинации точек, наносимых на бумагу через красящую ленту иголками, объединенными в матрицу (отсюда и название). Принтеры этого типа издавали при печати сильный шум и имели почти столь же ограниченное применение, как и АЦПУ, поэтому разработчики устройств печати не прекращали поиска менее шумных и более совершенных в плане качества распечаток технологий.

К середине 80-х годов появились первые коммерческие устройства, основанные на струйной технологии, формирующей на бумаге точки путем "выстреливания " микрокапель чернил из серии сопел, объединенных в печатающую головку. Сначала количество сопел было невелико (например, в головке струйного монохромного принтера HP Thinkjet их было всего 12), но с каждым поколением их становилось все больше. Практически одновременно на рынок вышли лазерные принтеры, в которых краситель представлял собой твердые частицы тонера, а для формирования изображения использовался лазерный луч.

Принципиальное отличие струйных и лазерных принтеров от матричных состояло в том, что их программное обеспечение уже не отсылало в печатающее устройство набор кодов, соответствующих отдельным символам, а формировало страницу в виде образа, который мог включать в себя как форматированный текст, так и иллюстрации, в том числе фотографические. Однако передавался в принтер и выводился на бумагу этот образ по-разному. У струйных принтеров - "порциями", зависящими от объема буфера памяти. У лазерных - методом полной загрузки в память принтера и последующей распечатки страницы целиком. Изображения оба типа устройств воспроизводили при помощи уже знакомого нам метода растеризации - путем создания массива точек с регулярной структурой. Однако пока не были придуманы и освоены технологии модуляции размера капель и смешивания их в одной точке изображения (растровой точке, ячейке растра), передача полутонов происходила не как в полиграфии - изменением размера растровой точки, а по другому принципу - изменением плотности нанесения точек на отпечаток.

Спешивая в одной ячейке большие капли всего двух-трех цветов, можно получить лишь небольшое количество цветовых оттенков


Повышение разрешения печати дает возможность создать в ячейке растра матрицу из микроточек


Располагая в ячейке растра точки разного размера и цвета, можно усилить ощущение непрерывности тонов или получить большее количество цветовых оттенков

Развитие струйной фотопечати

С момента своего появления струйная технология развивается по двум направлениям, принципиально отличающимся способом образования капли - термоструйная печать и пьезоэлектрическая. Первая из них основана на принципе выталкивания капли из сопла за счет нагревания и расширения паров чернил в расположенной рядом с ним камере. Эта технология с середины 80-х годов прошлого века применяется компаниями Canon (под названием Bubble Jet), HP (под названием Ink Jet), а также Lexmark.

В картриджах Lexmark применяются печатные головки с парами сопел разного диаметра, позволяющими получать большие (10 пл.) и малые капли (3 пл.)

Вторая технологическая ветка, пьезоэлектрическая, была предложена и до сих пор развивается компанией Seiko Epson (а также Brother). В этом варианте печати выталкивание капли из сопла происходит за счет изменения размеров пьезоэлемента под действием короткого электрического импульса. Расширяясь и сужаясь, пьезоэлемент передает движение расположенной в камере каждого сопла мембране, выталкивающей каплю чернил наружу.


В принтерах от Seiko Epson модуляция объема капли осуществляется подачей и пьезозлементы электрических импульсов с разной амплитудой

В конце 80-х годов на рынке появилась технология цветной струйной печати, позволяющая получать цветное изображение так же, как в полиграфии, при помощи субтрактивной цветовой модели (CMYK), т.е. смешиванием точек голубого (Cyan), желтого (Yellow), пурпурного (Magenta) и черного (blacK) цветов, но цветовые оттенки поначалу также передавались плотностью нанесения точек.

Струйные принтеры, достигнув разрешения печати 300 dpi, казалось бы, стали способны выводить изображения, тона которых воспринимались как непрерывные при рассматривании с расстояния в 30 см. Но в этих моделях принтеров капли имели слишком большой объем (десятки пиколитров), поэтому получаемые точки практически занимали всю ячейку растра. В такой ситуации в одной ячейке можно было воспроизвести лишь небольшое количество оттенков, смешав капли не более двух-трех цветов, а для получения большего количества оттенков требовалось размещать точки разных цветов в соседних ячейках. В данном случае точность цветопередачи и плавность переходов сильно зависела от совершенства программного обеспечения, занимающегося подготовкой образа страницы для печати.

Совершенствование струйных технологий шло параллельно по нескольким направлениям. Для увеличения разрешения печати минимизировался объем капли, за счет как уменьшения размеров сопел, так и улучшения свойств чернил и покрытия бумаги (для снижения впитываемости и растекаемости капель). Совершенствовались и механизмы принтеров (для повышения точности позиционирования головок и протяжки бумаги).

К тому моменту, когда струйные принтеры достигли разрешения печати 600 dpi, они уже довольно сносно позволяли передавать насыщенные цвета за счет программной обработки изображения и смешивания в одной ячейке растра нескольких капель, (например, в технологии HP PhotoRet II - до 16 капель объемом по 10 пл.).

Запланированный беспорядок

Повышение разрешения печати в несколько раз по сравнению с минимально необходимым (300 dpi) дает возможность в каждой ячейке растра создать матрицу (регулярную структуру) из микроточек. При помощи программного обеспечения можно распределить в ней капли одного цвета, изменяя его интенсивность, или разных цветов, получая большее количество оттенков (как в технологии HP PhotoRet II). Но при рассматривании изображения с близкого расстояния регулярная структура все же будет заметна. Одним из способов ее маскировки, который взяли на вооружение все ведущие производители принтеров, является изменение объема капли (модуляция). Располагая внутри ячейки растра точки разного размера (за счет изменения объема капель), можно значительно усилить ощущение непрерывности тонов в монохромном изображении или получить большее количество цветовых оттенков за счет применения капель с разным объемом и цветом.

Модуляция объема капли позволяет оптимизировать сирость печати. Быстрая заливка участков и передача мелких деталей возможны за один проход

На объем капли могут влиять как диаметр и конфигурация сопла, так и выталкивающая сила. Компания Canon для осуществления модуляции поместила в чернильную камеру 2 нагревателя. Нормальный объем капли получается при использовании обоих, а когда задействован только 1 из них, размер точки составляет 1/3 от номинального. Компания Lexmark в картриджах своих струйных принтеров, созданных по технологии PrecisionPhoto, применяет печатные головки с расположенными рядом парами сопел разного диаметра, позволяющими получать большие (10 пл.) и малые капли (3 пл.). В принтерах от Seiko Epson модуляция объема капли по технологии Variable-Sized Droplet осуществляется благодаря возможности подавать на пьезоэлементы электрические импульсы с разной амплитудой, вследствие чего выталкивающая мембрана перемещается на различное расстояние.

Модуляция объема капли полезна также для оптимизации скорости печати. Капли большого объема необходимы для быстрой заливки участков с насыщенными цветами (однородно окрашенных поверхностей, теней), а малые капли позволяют лучше передавать мелкие детали и светлые тона изображения.

Эти сложные светлые тона

Долгое время "больным местом" струйной технологии оставались светлые тона, поскольку увеличение разрешения и маскировка регулярной структуры в этом случае неэффективны, ведь единственным способом для передачи светлых оттенков точками насыщенных цветов является разреженное нанесение капель, что по восприятию глазом слишком далеко от идеала.

В определенный момент производители принтеров пришли к необходимости использования для фотопечати "светлых" вариантов чернил, т.е. отличающихся от обычных меньшей плотностью красителей (см. "Типы чернил для струйной печати"). Например, по исследованиям Canon, печать чернилами с насыщенностью красителя в 1/6 от обычной каплями объемом в 4 пл. так же эффективна, как печать насыщенными чернилами при разрешении 1800 dpi каплями в 0,67 пл. Такие маленькие капли пока еще не используются, но это и не нужно, ведь оптимальным является достигнутый к настоящему времени объем капли в 1 пл. Дальнейшее уменьшение капли становится нецелесообразным из-за того, что при слишком малой массе сопротивление воздуха начинает заметно влиять на точность ее позиционирования на бумаге за счет отклонения от прямолинейной траектории.

Что имеем на сегодняшний день

В результате непрерывных исследовательских работ, направленных на увеличение разрешения и повышение скорости печати, к настоящему моменту компании HP и Canon обладают технологиями по созданию печатающих головок методом фотолитографии. Это дает возможность размещать в головке невиданное ранее количество микросопел, получать капли объемом в 1 пл., а за счет большой площади головки и высокой частоты выброса капель - значительно повысить скорость печати (см. "Технологии струйной печати"). Применение капель с таким объемом позволяет достаточно точно передавать светлые оттенки даже при использовании только 4 "насыщенных" чернил (CMYK).

Получение безрастрового изображения - это главная задача, решаемая в процессе печати, но не конечный пункт, а только промежуточный, ведь мало создать качественный фотоотпечаток - надо еще позаботиться о его высокой стойкости и сохранности. Происходит одновременное совершенствование чернил и разработка новых типов фотобумаги, так как именно их оптимальное сочетание влияет на увеличение срока жизни фотоотпечатков.

Денежки счет любят

Для увеличения спроса на свою продукцию производители принтеров кроме качества печати и сохранности отпечатков также заботятся и о повышении ее экономичности. Первые цветные струйные принтеры имели 2 картриджа: с черными чернилами и с 3 резервуарами для чернил голубого, пурпурного и желтого цветов (CMY). Причем в картриджи HP и Lexmark была встроена печатающая головка, что повышало их надежность, но в то же время и стоимость. Очень часто чернила одного цвета заканчивались раньше, чем остальные, и пользователю приходилось приобретать новый цветной картридж, выбрасывая со старым часть еще не израсходованных чернил. Сегодня в фотопринтерах от Canon, Seiko Epson и HP используются раздельные картриджи (по сути - контейнеры с чернилами) всех цветов, а печатающая головка является отдельной деталью с длительным сроком службы. В современные картриджи встроены датчики уровня чернил, что позволяет заранее узнать о том, что они скоро закончатся, и не испортить большой отпечаток. Для выбора оптимального расхода чернил принтеры также оснащаются датчиками для автоматического определения типа бумаги.

Есть пи альтернатива?

Существуют ли кроме струйной печати другие способы воспроизводить полноцветные изображения с непрерывными тонами? Параллельно со струйными развивались и такие технологии, как лазерная и термосублимационная.

К настоящему моменту цветные лазерные принтеры тоже получили широкое распространение. В них применяются технологии модулирования точки (HP ImageREt 1200 и ее аналоги у других производителей) и стохастического растрирования (для получения нерегулярных растровых структур). Поскольку цветное изображение формируется последовательным нанесением тонера 4 цветов (CMYK), то долгое время проблемой являлась точность совмещения красок. Однако за счет таких технологий, как HP Direct-To-Drum, когда цветное изображение формируется прямо на барабане, была решена и эта проблема. Тем не менее, предел разрешения лазерных принтеров, сдерживаемый рядом факторов, находится на уровне 2400 dpi, а интенсивность окраски твердых частиц тонера невозможно уменьшить. Поэтому, несмотря на заявления производителей о том, что достигнут уровень передачи полутонов в 8 бит на цвет, независимые эксперты склонны давать более сдержанные оценки (3-5 бит на цвет).

Другая хорошо зарекомендовавшая себя технология для полноцветной печати - термосублимационная - заслуженно считается наиболее точной по цветопередаче. Недаром до недавнего времени только она применялась для получения цветопроб в полиграфии. Твердый краситель, расположенный на ленте, путем нагревания и испарения переносится на специальную бумагу. Его частицы проникают в поры бумаги и дополнительно оплавляются, создавая в результате изображение с гладкой поверхностью и непрерывными тонами, которое наиболее близко к традиционному фотоотпечатку. К недостаткам сублимационной технологии следует отнести необходимость применения дорогих расходных материалов, а также ограниченное разрешение (300 dpi) в силу невозможности сверхплотного расположения нагревательных элементов. Последний недостаток присущ и родственным технологиям термической восковой печати (thermal wax transfer) и печати с изменением фазы красителя (phase change).

С момента изобретения печати на бумаге человечеством было придумано немало технологий, предназначенных для получения реалистичных изображений, и, возможно, через какое-то время нас ждет появление совершенно нового и более эффективного способа их формирования. Однако на сегодняшний день наиболее перспективными с точки зрения передачи непрерывных тонов выглядят струйные технологии, которые по этому параметру начали вплотную приближаться к эталону - традиционной фотопечати. Видимо, через какое-то время и они достигнут предела своих возможностей в плане повышения однородности изображения, но, несомненно, после этого у них еще останется запас в плане улучшения цветопередачи, увеличения скорости и повышения экономичности печати, продления срока жизни отпечатков. Правы мы или нет - покажет время, а пока для пользователей персональных компьютеров струйная фотопечать, особенно, если дело касается больших форматов, находится вне конкуренции.