Kolorowy druk atramentowy
Kolorowy druk atramentowy, będący rozszerzeniem druku czarno-białego, wymaga skomplikowanego połączenia różnych dziedzin nauki: fizyki, mechaniki i chemii, a także informatyki i techniki programowania. Poniższe informacje mają na celu przybliżenie podstawowych zasad obowiązujących w technologii kolorowego druku atramentowego.
Z komputera na papier
Zadaniem kolorowej drukarki atramentowej jest drukowanie wysokiej jakości reprodukcji grafiki utworzonej przy pomocy komputera lub zeskanowanej grafiki kolorowej. Grafika w komputerze jest zapisywana najczęsciej w postaci odwzorowania trzech kolorów: czerwonego, zielonego i niebieskiego (red/green/blue - RGB). Kolor w odwzorowaniu RGB jest określany przez 24 bity: 8 dla czerwieni, 8 dla zieleni i 8 dla koloru niebieskiego. Wynika to z faktu, że urządzenie emitujące promieniowanie świetlne - np. monitor kolorowy - tworzy kolory w procesie addytywnym, który wykorzystuje te właśnie trzy podstawowe kolory. Proces ten polega na dodawaniu fal świetlnych w poszczególnych kolorach w różnych proporcjach. Kolor czarny jest uzyskiwany poprzez brak światła. Połączenie wszystkich długości fal tworzy kolor biały.
W przeciwieństwie do powyższych urządzeń, materiały odbijające światło, jak na przykład kartka papieru, tworzą kolor w procesie subtraktywnym. Niezadrukowana kartka papieru odbija wszystkie długości fal świetlnych i dlatego jest biała. Nie można więc drukować opierając się bezpośrednio na odwzorowaniu RGB.
Druk kolorowy jest oparty na modelu kolorów dopełniających: niebieskozielony/purpurowy/żółty (cyan/magenta/yellow - CMY), które powodują absorpcję - lub odejmowanie - fal o określonych długościach, co tworzy różne kolory. Atrament niebieskozielony pochłania światło czerwone, dając kolor szafirowy. W podobny sposób atrament purpurowy pochłania światło zielone, dając kolor purpurowy.
Strona wyświetlana w komputerze przy pomocy modelu RGB musi zostać wydrukowana przy pomocy modelu CMY. Wymaga to konwersji kolorów z jednego modelu do drugiego. Co więcej, dysze w głowicy drukarki otrzymują ze sterownika sygnał zerojedynkowy, ponieważ nie ma możliwości regulacji wielkości kropli. Dlatego poza konwersją z modelu RGB do modelu CMY obraz musi zostać przekształcony na serię komend włączone-wyłączone, osobno dla każdego koloru. Drukarki, które drukują jednocześnie przy pomocy głowicy kolorowej i czarno-białej, muszą otrzymać także serię komend dla czarnego atramentu. Dodanie koloru czarnego do modelu CMY przekształca go w model CMYK, gdzie K oznacza kolor czarny.
Sterownik przekształca obraz z 24-bitowego odwzorowania RGB na 4-bitowe komendy CMY(K) używane przez głowicę czarną i kolorową w dwóch etapach.
Konwersja koloru
Oprogramowanie najpierw przekształca odwzorowanie RGB na CMY. Proces konwersji określa względne ilości atramentu dla każdego koloru podstawowego używanego przy drukowaniu.
Tworzenie półtonów
Proces nazywany tworzeniem półtonów polega na przekształceniu odwzorowania CMY na serię komend włączone - wyłączone dla dysz w głowicy kolorowej (jeden zestaw dysz na każdy kolor). Tworzy on również serię komend dla dysz w głowicy monochromatycznej (najczęściej czarnej), która drukuje tekst i wszystkie czarne obszary w drukowanej grafice.
Konwersja koloru
Pierwszy proces, konwersja z RGB do CMY, polega na zwykłym odwzorowaniu koloru każdego piksla poprzez tablicę. Decyduje on o kolorze poprzez określenie względnych ilości atramentu dla każdego z drukowanych kolorów.
Tablica, z której korzysta ten proces, nie jest zwykłym odwzorowaniem "jeden do jednego". Wymaga ona wielu subiektywnych ocen. Na przykład jedna część koloru niebieskozielonego i jedna część purpury teoretycznie powinny dawać kolor niebieski. Niestety tak nie jest. W rzeczywistości pomiędzy odwzorowaniami RGB i CMY trudno uzyskać dokładne dopasowanie kolorów.
Bardzo ważną sprawą w konwersji kolorów jest tworzenie czerni przy użyciu jedynie trzech kolorów w modelu CMY. Teoretycznie powinna być możliwość uzyskania czystej czerni poprzez wymieszanie kolorów niebieskozielonego, purpurowego i żółtego. Nazywa się to "czerń triadowa".
Proces tworzenia półtonów
Proces konwersji kolorów określa, ile należy wydrukować plamek, a proces tworzenia półtonów określa, gdzie je wydrukować na papierze. Przypatrzmy się procesowi tworzenia półtonów, w którym drukarka może wydrukować miliony kolorów na stronie przy pomocy zaledwie trzech kolorowych atramentów.
Tradycyjne monochromatyczne tworzenie półtonów
Na początek weźmy monochromatyczną drukarkę binarną, na przykład atramentową lub laserową. To, że drukarka jest binarna, oznacza, że plamki mogą być drukowane lub nie; nie można wydrukować mniejszej lub jaśniejszej plamki. Na każdej pozycji na stronie (pikslu) drukarka drukuje plamkę lub nie. Jest to wystarczające do drukowania tekstu, który składa się wyłącznie z czerni. Ale aby wydrukować grafikę, która zawiera również odcienie szarości, sterownik musi użyć techniki zwanej tworzeniem półtonów. Jest to ta sama technika, której używa się do drukowania fotografii w gazetach; jeżeli przyjrzeć się im bliżej, można zauważyć, że składają się one z czarnych plamek ułożonych we wzór w taki sposób, że oko automatycznie łączy je w plamę szarości.
Aby wydrukować półtony, sterownik dzieli stronę na komórki. Piksel jest to pojedynczy punkt, komórka zaś to prostokątna matryca piksli. Aby wydrukować w komórce czerń, wszystkie pola muszą być czarne. Aby wydrukować biel, wszystkie pola powinny być puste. Drukowanie odcieni szarości polega na zadrukowaniu niektórych pól w komórce. Im jaśniejszy ma być odcień szarości, tym mniej plamek należy wydrukować w komórce. Na przykład obszar o 25-procentowej szarości powinien być zadrukowany w jednej czwartej, a obszar o 50-procentowej szarości - w połowie. Komórki zostają następnie rozmieszczone na stronie w szachownicę, która tworzy żądany obraz.
Liczba piksli w komórce określa liczbę odcieni szarości, jakie można wydrukować w każdej komórce. Komórka 4 x 4 umożliwia wydrukowanie 16 + 1 odcieni szarości; komórka 8 x 8 umożliwia wydrukowanie 64 + 1 różnych odcieni.
Tworzenie półtonów na wydrukach kolorowych
W podobny sposób jak w przypadku tworzenia półtonów w wydrukach czarno-białych przy użyciu tylko czarnego koloru, tworzenie półtonów w wydrukach kolorowych umożliwia drukowanie pełnej gamy kolorów przy pomocy jedynie trzech kolorów atramentu. Tworzenie półtonów na wydrukach kolorowych przypomina poprzedni proces, z tym wyjątkiem, że zamiast matrycy czarnych plamek tworzone są trzy oddzielne warstwy, lub płaszczyzny koloru, składające się z matryc: niebieskozielonej, purpurowej i żółtej.
Nakładając te płaszczyzny na papier można uzyskać nieograniczoną liczbę kolorów, w tym kolor czarny. Tworzenie półtonów na wydrukach kolorowych odbywa się w podobny sposób, jak separacja kolorów w technologii druku offsetowego.
Aby utworzyć matrycę dla każdej płaszczyzny koloru, proces tworzenia półtonów wykorzystuje jedną z dwóch technik: rastrowanie tradycyjne i dyfuzja obrazu. Techniki te zostaną omówione poniżej.
Tworzenie półtonów na wydrukach kolorowych wymaga skomplikowanych algorytmów i ma ogromny wpływ na jakość obrazu. Dlatego jakość druku kolorowych drukarek atramentowych pochodzących od poszczególnych producentów jest bardzo zróżnicowana.
Techniki tworzenia półtonów
Jak wspomniano wyżej, tworzenie półtonów polega na podzieleniu strony na cztery płaszczyzny koloru - jednej dla każdego koloru i jednej dla czerni. Problem polega na tym, że w wyniku tego procesu zamiast realistycznego obrazu o płynnych przejściach pomiędzy kolorami, mogą powstać zauważalne wzory składające się z poszczególnych plamek. Aby tego uniknąć, oprogramowanie musi utworzyć wzory w poszczególnych płaszczyznach w sposób możliwie losowy, unikając korzystania z regularnych wzorów.
Istnieją dwie techniki tworzenia półtonów: rastrowanie tradycyjne i dyfuzja obrazu. Większość producentów kolorowych drukarek atramentowych wybiera dyfuzję obrazu, ponieważ tworzy ona bardziej jednolite wzory.
Aby lepiej zrozumieć metodę dyfuzji obrazu, omówimy najpierw rastrowanie tradycyjne, ponieważ jest prostsze. Aby jeszcze bardziej uprościć sprawę, przyjrzymy się tej technice na przykładzie drukarki monochromatycznej. Ta sama zasada odnosić się będzie do czterech płaszczyzn koloru w drukarce kolorowej.
Rastrowanie tradycyjne
W tej metodzie każda płaszczyzna zostaje podzielona na komórki, z których każda ma inny wzór plamek. Komórki zostają następnie rozmieszczone na stronie w szachownicę, która tworzy obraz. Liczba piksli (plamek) w komórce określa liczbę odcieni szarości, jakie można wydrukować przy pomocy drukarki.
Przyjrzyjmy się czarno-białej komórce 4 x 4, w której chcielibyśmy wydrukować szarość o wartości 64. (Czerń jest określana liczbą 255, a biel - 0). Aby określić, które piksle należy wydrukować, użyjemy tzw. rastra. Raster przypomina materiał używany do drukowania obrazków na tkaninach. Dzięki niemu niektóre obszary zostają zadrukowane, inne nie. Każdy punkt w rastrze ma określoną wartość od 0 do 255. Aby określić, czy w danym miejscu drukowana jest plamka, porównujemy wartość, jaka ma zostać wydrukowana (64 w tym przykładzie) z wartością odpowiedniego punktu w rastrze. Jeżeli wartość w rastrze jest większa lub równa wartości, jaka ma zostać wydrukowana, nie drukujemy plamki. Jeżeli natomiast jest ona mniejsza, plamka jest drukowana.
W drukarce kolorowej procesowi rastrowania tradycyjnego podlega każda płaszczyzna koloru osobno. Liczba pikseli w komórce określa liczbę odcieni koloru, który może zostać wydrukowany. Im więcej plamek jest drukowanych w komórce dla określonej płaszczyzny, tym bardziej intensywny jest dany kolor.
Dyfuzja obrazu
Rastrowanie tradycyjne często tworzy widoczne gołym okiem wzory. Dlatego większość producentów drukarek stosuje metodę dyfuzji obrazu. Tworzy ona bardziej realistyczne obrazy dzięki temu, że eliminuje powtarzalne wzory.
Dyfuzja obrazu polega na analizie każdej plamki, tak jakby było możliwe wydrukowanie jej w wielu odcieniach szarości. Oczywiście jest to niemożliwe. Możemy wydrukować tylko czarną (255) lub białą (0) plamkę. Dyfuzja obrazu określa "błąd" pomiędzy tym, co jest w rzeczywistości drukowane w danym miejscu (czarna plamka lub jej brak), a tym, co było zamierzone - szarą plamką.
Opisując dyfuzję obrazu, skorzystamy z tego samego przykładu druku czarno-białego. Zakładany odcień szarości to 64. Jeżeli w danym miejscu (pikselu) nie zostanie wydrukowana żadna plamka, rzeczywista wartość będzie wynosić 0, czyli kolor biały, podczas gdy potrzebna jest wartość 64. Błąd, jaki występuje w tym miejscu, będzie wynosił 64 minus 0, czyli 64. Jeżeli plamka zostanie wydrukowana, rzeczywista wartość będzie wynosić 255, czyli kolor czarny, podczas gdy w tym miejscu potrzebna jest wartość 64. Błąd w tym miejscu będzie wynosił 64 minus 255, czyli minus 191. Następnie rozpraszamy ten obliczony błąd na sąsiednie piksele (na ekranie sterownika nazywa się to "Aerograf". Polega to na zmniejszeniu prawdopodobieństwa wydrukowania czarnych plamek w sąsiednich pikselach, jeżeli błąd był ujemny (wydrukowano czarną plamkę), lub zwiększaniu tego prawdopodobieństwa, jeżeli błąd był dodatni (nie wydrukowano plamki). Dlatego dyfuzję obrazu określa się mianem rastrowania stochastycznego.
Atrament - kluczowy składnik
Atrament jest bardzo ważnym czynnikiem przy drukowaniu w kolorze, ma on wpływ na kolor, szybkość i jakość wydruku. Od niego zależy konstrukcja niemal każdego elementu głowicy drukującej, to jest zbiornika atramentu, płytki z dyszami, kanalików i elementów grzejnych. Dlatego atrament jest integralną częścią konstrukcji drukarek atramentowych.
W określaniu cech drukarki rolę odgrywają trzy główne właściwości atramentu: napięcie powierzchniowe, lepkość i czynnik pH. Napięcie powierzchniowe atramentu ma wpływ na wiele parametrów, na przykład zwilżalność wszystkich powierzchni głowicy, które mają styczność z atramentem, to jest zbiornika i kanalików, decydując o ich konstrukcji. Napięcie powierzchniowe i zwilżalność mają z kolei wpływ na podciśnienie utrzymywane w zbiorniku atramentu, które z kolei decyduje o czasie ponownego napełniania komór po wyrzuceniu kropelki atramentu. Czas ten jest głównym czynnikiem wpływającym na częstotliwość wyrzucania kropelek z dyszy i bezpośrednio wpływa na szybkość drukowania.
Napięcie powierzchniowe atramentu decyduje o średnicy plamki, ponieważ powstaje ona z kropelki o określonej objętości. Napięcie powierzchniowe atramentu wpływa również na czas schnięcia, od którego zależy również wydajność drukarki. Im krócej schnie atrament, tym szybsze może być drukowanie. Decyduje ono także o optycznej gęstości kropli atramentu, co z kolei wpływa na jakość wydruków. Wreszcie, od napięcia powierzchniowego zależy ilość energii potrzebnej do utworzenia się pęcherzyka na powierzchni elementu grzejnego, a co za tym idzie - jego konstrukcja.
Lepkość atramentu ma znaczący wpływ na budowę kanalików, a w związku z tym - czas ponownego napełniania komór. Od niej zależy też rozmiar plamki w momencie uderzania kropli o papier - to z kolei decyduje o jakości druku.
Potrzebny odczyn pH zależy od wymagań dotyczących rozpuszczalności poszczególnych składników atramentu, w szczególności barwnika. Większość barwników jest rozpuszczalna w roztworach pomiędzy 2 a 10 pH. Chemicy firmy Lexmark opracowali specjalny czarny barwnik, który jest czuły na odczyn pH. Oznacza to, że jego rozpuszczalność maleje w miarę wzrostu odczynu pH. Dzięki temu jest on rozpuszczalny w momencie zetknięcia się z papierem. W miarę wysychania staje się coraz mniej rozpuszczalny, a coraz bardziej wodoodporny.
Prędkość lotu kropli, która wpływa na jakość druku, zależy od atramentu. Jeżeli jest zbyt niska, plamki mogą znaleźć się w niewłaściwych miejscach na papierze. Zbyt duża prędkość powoduje rozszczepianie i rozpryskiwanie się kropli.