EP1291179B1

EP1291179B1 - Prüfmittel und Verfahren zur Kontrolle des Offset- und Digitaldrucks

Info

Publication number: EP1291179B1
Application number: EP02405744A
Authority: EP
Inventors: Kurt Münger; Karl Heuberger; Markus Dättwyler; Herbert Janser
Original assignee: Wifag Maschinenfabrik AG
Current assignee: Wifag Maschinenfabrik AG
Priority date: 2001-09-07
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2022-08-30
Also published as: EP1291179A2; US20030063302A1; DE50214696D1; EP1291179A3; ATE483584T1; DE10143942A1

Description

Konventionelle Druckkontrollstreifen sind normalerweise für densitometrische oder visuelle Prüfungen ausgelegt. Druckkontrollstreifen sind in Testelemente unterteilt, welche es gestatten, die einzelnen Funktionen des Druckprozesses zu prüfen. Dies resultiert in Kontrollstreifen von beträchtlicher Grösse, typischerweise 12mm x 150 mm. Diese Art von Kontrollstreifen ist nicht generell anwendbar für Prozesskontrollen, zumal wenn es an Platz zur Positionierung fehlt. Der Einsatz der konventionellen Kontrollmittel ist gleichermassen eingeschränkt, wenn das Wegschneiden nach dem Druck nicht möglich ist und somit das Kontrollmittel beim Betrachter störend in Erscheinung tritt.
Es bieten sich prinzipiell zwei aussichtsreiche Verfahren an, um dieser Problematik zu begegnen:

Messungen im Bild
Miniaturisierung des Kontrollstreifens

Messungen im Bild, welche sich auf die originalen Bilddaten beziehen, werden vorzugsweise zur Qualitätsbeurteilung des Druckergebnisses angewendet. Im Gegensatz dazu liefern auf Testelementen basierende Kontrollen Informationen über den Druckprozesses. Eine Übersicht des aktuellen Standes der Technik ist im IFRA-Bericht wiedergegeben (Ifra, 2001).
Das von Künzli et al beschriebene MiniTarget Messsystem verfolgt das zweitgenannte Verfahren (Künzli, 1998). Es stellt einen grossen Schritt in Richtung Miniaturisierung von Qualitätskontrollmitteln dar. Mit seinen Dimensionen von 7mm x 10mm ist es möglich, durch Einzelmessung mit einer CCD-Kamera die gesamte Bildinformation des MiniTargets zu erfassen und daraus die drucktechnischen Parameter rechnerisch abzuleiten. In den wesentlichen Ausprägungen versteht sich das MiniTarget Konzept als eine Fortsetzung einer Idee, welche bereits bei den konventionellen Druckkontrollstreifen angewendet wird. Im besonderen ist es analog wie Druckkontrollstreifen auf Testelementen aufgebaut, welche kleinflächig angeordnet sind. Mit den vorhandenen Dimensionen tritt beim Leser das MiniTarget nach wie vor störend in Erscheinung. Um unsichtbar, oder treffender gesagt "nicht wahrnehmbar" zu sein, ist eine Grösse gefordert, welche signifikant unter 1mm² liegt.
DE 197 38 992 A1 beschreibt einen Messfeldblock zur Erfassung von Qualitätsdaten im Mehrfarben-Auflagendruck gemäß der Präambel des Anspruchs 1.
EP-A 0 847 859 beschreibt einen Kontrollstreifen für Medien, die der Bildaufnahme zugänglich sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine weitergehende Miniaturisierung des Testtargets in einem Ausmass, dass dieses zumindest nicht augenfällig wahrgenommen wird. Dazu ist ein neuer methodischer Ansatz erforderlich.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das TestTarget gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 10. Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen bestimmt.
Die Bildanalyse wurde bislang insbesondere für integrale Flächenmessungen von Rastern angewendet. Diese Anwendung schöpft allerdings das Potenzial der Bildanalyse für die Qualitäts- und Prozesskontrolle bei weitem nicht aus. Ortsauflösende Bildanalyse in Kombination mit hochentwickelter Analyse der Daten sind der Schlüssel zu zwei Verfahren, welche sich grundlegend von den integralen Messverfahren wie Densitometrie und Spektralfotometrie unterscheiden:

• Mustererkennung: Schafft die Voraussetzungen für die Ermittlung von Punktcluster Positionen und für die Adaption der Messblende an das Punktmuster der Messprobe
• Charakterisierung von Punktclustern: Damit ist es möglich, die drucktechnischen Parameter aus Punktclustern anstatt aus Rastertonflächen abzuleiten

Es wurden ein neues Prüfmittel und Verfahren zur Ermittlung drucktechnischer Parameter entwickelt. Die Erfindung betrifft ein Muster von Aufzeichnungspunkten, wie Linien und Flächen mit Vieleck oder Rundbegrenzungen, welches derart verkleinert wird, dass es als Teil des gedruckten Bildes für den Beobachter nicht oder nahezu nicht mehr ersichtlich ist.
Dieses Testtarget wird mikroskopisch vergrössert und vorzugsweise via CCD-Kamera erfasst. Das Signal zu Rausch Verhältnis der Messung wird vorteilhafterweise erhöht, was indem über mehrere aufeinanderfolgende Druckmuster gemittelt wird. Mittels hochentwickelter Bildanalyse ist es möglich, die drucktechnischen Parameter direkt aus den miniaturisierten Mustern zu bestimmen. Die Massnahmen zur Verkleinerung des Testtargets werden beschrieben. Sodann ist beispielhaft die Anwendung auf den Typus einer Prozesskontrolle skizziert, welche im wesentlichen beispielshaft auf den geometrischen Merkmalen eines bestimmten Punktmusters gründet.
Das Punktmuster bzw. das TestTarget ist so klein, dass es für den Beobachter mit dem bloßen Auge praktisch nicht mehr wahrnehmbar ist. Das Punktmuster (dot pattern) wird von einer Mehrzahl von Punktclustern in einer typischen Anordnung, vorzugsweise ohne Punktschluss der Punktcluster untereinander gebildet. Die Anordnung der Punktcluster ist typisch in dem Sinne, dass das Punktmuster als solches im Druckexemplar identifizierbar ist. Vorzugsweise ist die Anordnung der Punktcluster im TestTarget, also das Punktmuster, periodisch. Das TestTarget weist eine Gesamtfläche, d.h. Fläche der Punktcluster + Fläche der Zwischenräume, von höchstens einem Quadratmillimeter auf und ist vorzugsweise quadratisch. Vorzugsweise beträgt seine Fläche weniger als 0.5 mm². Die Größenangaben bezüglich der Fläche gelten vorteilhafterweise auch dann, wenn um die Gesamtheit der Punktcluster des TestTargets ein virtueller Rahmen gezogen ist, d.h. die Größenangabe gilt für die Fläche innerhalb des Rahmens. Jedes der Punktcluster ist vorzugsweise in genau einer Druckfarbe gedruckt und wird bevorzugt von wenigstens zwei Aufzeichnungspunkten in X-Richtung und zwei Aufzeichnungspunkten in Y-Richtung, d.h. von vorzugsweise wenigstens vier Aufzeichnungspunkten, die in X- und Y-Richtung unmittelbar benachbart sind, gebildet. Im Rotationsdruck entsprechen die X- und Y-Richtung der Umfangs- und der Seitenrichtung. Im Sinne der grösstmöglichen Miniaturisierung kann als Aufzeichnungspunkt vorteilhaft das gedruckte Pixel verstanden werden.
Mittels einer hochentwickelten Bildanalyse können aus dem TestTarget vorteilhafterweise sowohl die Dichte, der Farbort und die Flächendeckung jeder der Einzelfarben der Punktcluster, wie auch im Mehrfarbendruck der Passer ermittelt werden. Außerdem wird auch eine zuverlässige Diagnose in Bezug auf Schieben und Dublieren ermöglicht. Im Mehrfarbendruck kann das Punktmuster über dies auch zur Kontrolle der Graubalance eingesetzt werden.
Die Punktcluster sind wenigstens so groß, dass sie planimetrisch auswertbar sind. Die Auswertung erfolgt vorteilhafterweise in der Druckmaschine während des Druckens.
Zur Ermittlung von Farbdichten und Farborten im Übereinanderdruck von mehreren Farben kann das erfindungsgemäße TestTarget (Dot Pattern) mit einem ergänzenden TestTarget (Trapping Pattern) erweitert werden. Das ergänzende Target hat vorzugsweise die gleiche Größe und Gestalt wie das auf dem Punktmuster basierende TestTarget. Im Vierfarbendruck kann das ergänzende TestTarget beispielsweise, je nach Farbreihenfolge, folgende vier Farbfelder enthalten: C/M, C/Y, M/Y und C/M/Y. Das Trapping Pattern kann entweder Seite an Seite zum Dot Pattern oder aber auch unabhängig davon auf der Seite des Druckexemplars plaziert werden.
Die Erfindung ist mit Vorteil im Offsetdruck, insbesondere im Nassoffsetdruck, einsetzbar. Ein besonders bevorzugtes Anwendungsgebiet ist der Zeitungsdruck auf Rollenrotationsdruckmaschinen. Ein erfindungsgemäßes TestTarget kann vorteilhafterweise im Bild oder an bildfreien Stellen, insbesondere an einem Seitenrand, eines Druckexemplars der Zeitungsauflage mitgedruckt werden. Die größten Vorteile bietet die Erfindung im Mehrfarbendruck, obgleich sie auch mit Vorteil im einfarbigen Druck zum Einsatz gelangen kann.

Design von Punktmustern

Nachstehend ist ein bevorzugtes Design eines Punktmusters am Beispiel des Vierfarbendrucks ausgeführt und bezugnehmend auf die oben erwähnten Gesichtspunkte erläutert.
Das Testtarget basiert wie in Abbildung 1 gezeigt auf einem spezifischen Punktmuster.
Spezifikationen des Punktmusters im "invisible TestTarget"

a) Anordnung der Punktcluster C, M, Y und K
b) Darstellung von a) für p=q=2 im quadratischen Raster
c) Druckbeispiel des Musters gemäß b)

C, M, Y und K in Abbildung 1a symbolisieren Cluster von Aufzeichnungspunkten in den entsprechenden Farben, n ist die gesamte Anzahl von Punktclustern in horizontaler bzw. vertikaler Richtung. Die Cluster sind aus vorzugsweise in x-und y-Richtung gleich vielen, d.h. 1x1, 2x2, 3x3, ..., p x p benachbarten Aufzeichungspunkten aufgebaut. Die Punktgrösse entspricht der Adressierbarkeit des Ausgabegerätes, welche in dpi (dots pro inch) angegeben ist. Der unbedruckte Zwischenraum im TestTarget beträgt q Pixel sowohl in x- wie auch y-Richtung.
Abbildung 1b zeigt beispielhaft eine Realisierung von 1a für die Parameter n=4, p=2 und q=2. Die Punktcluster sind in Matrixschreibweise durch Elemente mit den Indices (i,j) bezeichnet.
Das für den Fall des Vierfarbendrucks gezeigte Punktmuster ist auf den Mehrfarbendruck übertragbar. Die Anordnung der Farben ist vorzugsweise so, dass die von links oben nach rechts unten diagonal verlaufenden Punktcluster gleiche Farbe haben und in der obersten Linie der Reihe nach alle Primärfarben angeordnet sind.
Für auf Punktmustern basierende Testtargets wird ein fiktiver Rahmen vorzugsweise in der Weise definiert, dass eine Zelle mit einer periodischen Regelmässigkeit resultiert. Diese Massnahme wird hinsichtlich der Auswertung getroffen, welche nicht von der Positionierung der Messblende abhängen soll. Auf diese Thematik wird weiter unten eingegangen.
Das Kontrollverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass aus den in Abbildung 1 an einem Beispiel beschriebenen Testmustern sowohl die Passerabweichungen wie auch die drucktechnischen Parameter entnommen werden können. Hierbei ist speziell erwähnt, dass mittels ortsauflösender Bildanalyseauswertung nicht nur Schieben, Dublieren, Flächendeckung ermittelt werden können, sondern Punktcluster basierende Kenngrössen ermittelbar sind, welche in der konventionellen Densitometrie bzw. Spektralfotometrie nicht zugänglich sind.
Die vorgestellte Art von Punktclustern zeichnet sich durch eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft aus. Die Punktmuster entsprechen kleinflächigen Rasterpunkten, welche charakteristische Informationen des Druckprozesses beinhalten. Kleinflächige Punktcluster wie in Abbildung 1 gezeigt reagieren auf prozessbedingte Abweichungen des Druckes bedeutend empfindlicher als Rasterpunkte in konventionellen Kontrollstreifen oder im MiniTarget. Der wichtigste Einflussfaktor ist der Tonwertzuwachs, der sich darin äussert, dass Punkte im Vergleich zur theoretischen Flächenbelegung in der Regel zu gross wiedergegeben werden. Der Effekt ist in Abbildung 1b/c visualisiert. Der Tonwertzuwachs vergrössert den Punkt um einen festen Betrag, welcher nicht vom Punktdurchmesser abhängt. Infolgedessen nimmt der Effekt umgekehrt proportional zum Punktradius zu. Die Art von Punktmustern wie in Abbildung 1 gezeigt reagieren infolgedessen besonders empfindlich auf Prozessschwankungen.
Die Seitenlänge des Testtargets in Abbildung 1b wird folgendermassen berechnet: $Seitenlänge (in μm) = \frac{25400 μm}{dpi} (n * p + (n - 1) q)$
Die prozentuale Punktfläche A beträgt $A (in %) = \frac{p^{2}}{{(p + q)}^{2}} * 100 %$
Typische Werte für A sind 25% mit p = q, 16% mit p = 2 und q = 3, 11.1% mit p = 2 und q = 4.
Für das Punktmuster in Abbildung 1b beträgt die Seitenlänge bei 635 dpi Ausgabe 0.56 mm. Die Fläche beträgt 0.31 mm2. Dies ist mehr als hundert mal kleiner als das MiniTarget nach Künzli, 1998.
Speziell für die Dichte- und Farbmessungen wurde ein ergänzendes Testtarget entwickelt. Dieses Testtarget hat bevorzugt die gleiche Grösse und Gestalt wie das auf einem Punktmuster basierende Target. Es ist im Falle des Vierfarbendrucks in vier Quadranten unterteilt, welche übereinandergedruckte Farbfelder enthalten. Es sind dies im Falle des Vierfarbendrucks, je nach Farbreihenfolge, beispielsweise, C/M, C/Y, M/Y, und C/M/Y. Das Target kann Seite an Seite zum auf einem Punktmuster basierenden Target, oder auch unabhängig davon platziert werden. Es wird speziell eingesetzt, um die Farbdichten im Übereinanderdruck und die Farbannahme zu ermitteln. Hierzu wird ein Verfahren angewendet, welches in (Künzli, 2000) vorgestellt ist.
Bei der Konzeption des "Invisible TestTargets" muss auf die Wahl der Parameter in Gleichung (1a/b) geachtet werden, n sollte aus Rücksicht auf die Forderung nach einem kleinflächigen Testtarget klein gewählt werden. Andererseits ist sicherzustellen, dass die gedruckten Punktcluster für den Druckprozess repräsentativ sind. Bei der Festlegung von p und q ist speziell auf die Tonwertzunahme zu achten. Es sollte vermieden werden, dass sich Punktcluster der gleichen Farbe auf der Probe berühren, da dann die bildanalytische Beurteilung nicht mehr punktcluster spezifisch vorgenommen werden kann oder zumindest erheblich erschwert wird. Aus diesem Grund mag ein Testmuster mit 16% oder 11.1% Flächendeckung statt 25% Flächendeckung vorteilhaft sein.

Herstellung der Messproben

Für die Untersuchungen wurden vier Proben hergestellt. Die Punktmuster wurden in der Programmiersprache PostScript programmiert. Die Spezifikationen sind in Tabelle 1 aufgelistet.

Tabelle 1: Spezifikationen der Proben im Überblick

Probe Nr.: Produktion	Substrat	Punktmuster
Nr. 1: Elektrofotografischer Drucker	Gestrichenes Papier	p = 2, q = 2
(CMYK, 400 dpi)
Nr.. 2: Elektrofotografischer	Recyclingpapier	p = 1, q = 2 (A = 11.1%)
Drucker (einfarbig, 600 dpi)		(vgl. Abbildung 3)
Nr. 3: Zeitungsdruck	Zeitungspapier	p = 4, q = 8 (A = 11.1 %)
(einfarbig, 1200 dpi)		(vgl. Abbildung 3)
Nr. 4: Computersimulation		Punktmuster zur Auswertung von Schieben/ Dublieren
		(vgl. Abbildung 4)

Messeinrichtung

Die Komponenten des Bildanalysesystems schliessen vorzugsweise eine 3-CCD-Kamera, ein Mikroskop, eine Framegrabber-Karte und eine Bildanalysesoftware ein. Bei der Messung muss insbesondere durch korrektes Einstellen des Mikroskops, der Beleuchtung und der Kamera dafür gesorgt werden, dass ein stabiles und kontrastreiches Bild erhalten wird. Eine zu hohe Verstärkung des Messsignals resultiert in einem starken Rauschen des Bildes.
Zur Ermittlung von Farbwerten kann das Bildanalysesystem anstelle einer nach dem Dreibereichsverfahren arbeitenden Kamera, auch mit einem, nach dem Spektralverfahren arbeitenden, Spektralphotometer ausgerüstet werden.
Kritisch ist ausserdem sowohl die Grösse der Messblende wie auch deren Positionierung auf der zu messenden Probe. Wenn die Messblende klein eingestellt ist, werden nur wenige Punktcluster erfasst. Es muss somit riskiert werden, dass die Stichprobe nicht repräsentativ ist, d.h. die verschiedenfarbigen Punktcluster nicht entsprechend ihrem anteilmässigen Auftreten in der Messprobe berücksichtigt werden. Daraus resultiert ein systematischer Messfehler (Romano, 1999). Dieser ist besonders gross, wenn das Verhältnis der Messblendengrösse und der Punktclusterperiode einen niedrigen Wert hat und zwischen zwei aufeinanderfolgenden ganzen Zahlen liegt, also z.B. 1.5 ist. Aus diesem Grund wird der erfasste Bildausschnitt softwaremässig an den fiktiven Bildrahmen angepasst, welcher ein ganzzahliges Vielfaches einer Periode darstellt. Dadurch werden Parameter erhalten, welche unabhängig von der Messblendeneinstellung sind. Im Grunde genommen genügt ein einziger Punktcluster pro Druckfarbe zur Charakterisierung des Druckprozesses. Aus Gründen der Probenherstellung und der Messtechnik ist jedoch empfehlenswert, dass für die Messung zumindest vier Punktcluster pro Druckfarbe vorgesehen werden.
Die beiden vorgestellten Testfelder sind trotz der extrem kleinen Abmessungen geeignet, um Farb- und Dichtemessungen durchzuführen. Die Messung der Volltondichte und der Farbwerte der Einzelfarben wird an Punktclustern vorgenommen. Für die Messungen von übereinandergedruckten Farben wird das auf Farbfeldern basierende ergänzende Testfeld verwendet, welches weiter vorne beschrieben ist. Dazu ist erforderlich, dass die Messbereiche softwaremässig errechnet werden. Für die Messungen ist eine Kalibration der 3 Chip CCD-Kamera erforderlich (Künzli, 2000).

Methoden

Die Beurteilung der digitalisierten Bilder erfolgt mittels Bildanalyse (Demant Ch., 1998; Jähne B., 1997). Die Bildanalyse geht vom RGB-Bild des Testmusters aus, welches in genügend hoher Auflösung dargestellt ist. Der Durchmesser eines Punktclusters sollte durch mindestens 30 Pixel aufgenommen worden sein. Die meisten Messungen werden für jede Druckfarbe separat vorgenommen. In diesem Fall wird der Kanal mit derjenigen Farbe ausgewertet, welche komplementär zur beobachteten Druckfarbe ist. Die Festlegung des Schwellenwertes ist ein grundlegender Bildanalyseprozess, um die Punktcluster vom Papierweiss zu unterscheiden (Barratte Ch., 1995). Im Grauwerthistogramm des Grauwertbildes werden die Signale von Papierweiss und von der Druckfarbe ermittelt. Als Schwellenwert wird der arithmetische Mittelwert der Modalwerte von Papierweiss und der Druckfarbe genommen. Artefakte werden bei der Messung ausgeschieden, indem kleinflächige Gebilde ausserhalb der Punktclusterpositionen bildanalytisch entfernt werden.
Eine bevorzugte Auswertung verläuft wie folgt:

Berechnung der Mittelpunkte für alle Punktcluster als arithmetisches Mittel aus den x-und y-Koordinaten der zu den Punktclustern gehörenden Pixel
Unterteilung des Punktmusters in Punktcluster mit periodischer Regelmässigkeit wie z.B. in Abbildung 1 und anschliessende Berrechnung der Passerabweichungen
Ermittlung der Parameter der Punktcluster, insbesondere Fläche, Gestalt (elliptisch oder rund), die Gleichmässigkeit des Randes
Berechnung des Schiebens und Dublierens

Mittelung der Signale

Konventionelle Druckkontrollstreifen zeichnen sich dadurch aus, dass die drucktechnischen Parameter in genügender Genauigkeit aus den Testelementen entnommen werden können. Im Gegensatz dazu unterliegen miniaturisierte Kontrollmittel diesbezüglich Einschränkungen, da die Probenfläche nur eine niedrige Anzahl Punktcluster enthält. Diese Punktcluster unterliegen zufälligen Schwankungen, welche druck- und materialtechnisch bedingt sind. Zum kleineren Teil rühren zufällige Schankungen vom optischen Messprozess her. Durch Signalmittelung können diese Schwierigkeiten grossenteils behoben werden.
Eine Mittelung über N Signale erhöht das Signale zu Rausch Verhältnis um den Faktor $\sqrt{N}$
(Bovik, 2000). Im Zusammenhang mit der vorliegenden Untersuchung werden zwei unterschiedliche Arten betrachtet, welche verschiedene Zwecke verfolgen:

Bestimmung der Eigenschaften eines individuellen Punktclusters in hoher Genauigkeit
Bestimmung der mittleren Geometrie von Punktclustern

Um die Eigenschaften eines individuellen Punktclusters in hoher Genauigkeit zu bestimmen, wird der Messvorgang bei konstant gehaltenen Einstellungen wiederholt. Hierbei wird angenommen, dass die Rauschanteile der Signale gaussförmig verteilt sind (Al Bovik, 2000). Die Mittelung erfolgt nach Gleichung 2a. Es stellte sich heraus, dass diese Art der Mittelung nicht relevant ist, da das Signal zu Rausch Verhältnis ausreichend ist. $\begin{matrix} I (x, y) = \frac{1}{N} \sum_{i = 1}^{N} I_{i} (x, y) & i = i - te Messung \end{matrix}$
Im zweiten Fall werden Signale unterschiedlicher Punktcluster verwendet, um die mittlere Geometrie S(x,y) eines Punktclusters zu berechnen (Gleichung 2b). Dazu werden die Lichtintensitäten I von N unterschiedlichen Punktclustern aus Testmustern der gleichen oder aufeinanderfolgender Drucke erfasst. Sodann werden die Signale logarithmiert. Damit wird berücksichtigt, dass die optische Dichte mit der Farbschichtdicke korreliert. Schliesslich werden die Bilder der N Punktcluster mit gemeinsamem Mittelpunkt überlagert und durch N dividiert. Daraus resultiert ein Bild, welches die mittlere Geometrie von Punktclustern darstellt (Abbildung 2). $\begin{array}{l} S (x, y) \propto \frac{1}{N} \sum_{i = 1}^{N} \log (I (x_{i} + x, y_{i} + y)) & i = i - ter Punktcluster \\ (x_{i}, y_{i}) : Zentrum des i - ten Punktcluster \\ (x, y) ε Fläche des Punktclusters \end{array}$
Die physikalische Bedeutung des ersten Mittelungsprozesses ist offensichtlich, wogegen die physikalische Bedeutung des zweiten Mittelungsprozesses kommentiert werden muss. In der realen Welt existiert eine nach dieser Art berechnete mittlere Geometrie eines Punktclusters nicht. Allerdings enthalten die Ausprägungen der mittleren Geometrie druckprozess spezifische Merkmale, welche am einzelnen Punktcluster wegen Unregelmässigkeiten der verwendeten Materialien und der Wiedergabe nicht ersichtlich sind. In analoger Weise können Prozessparameter durch statistische Behandlung der numerischen Daten sämtlicher N Punktcluster erhalten werden (Tabelle 2). Eine Übereinstimmung zwischen den am gemittelten Punkt gemessenen Parametern und den Mittelwerten der an den einzelnen Punktclustern gemessenen Parametern ist im Falle der Fläche, der Gestalt, der Dichte und Farbwerte zu erwarten.

Passerabweichungen

Für das Testtarget in Abbildung 1b werden die Mittelpunkte der einzelnen Punktmuster für C, M, Y und K gemäss Gleichung (3a-d) berechnet. (i,j) bezeichnen den Mittelpunkt des Punktclusters in Matrixschreibweise in Bezug auf Abbildung 1b. $\begin{array}{r} X - Cyan = 0.25 (X - Cyan (1, 1) + X - Cyan (2, 2) + X - Cyan (3, 3) + X - Cyan (4, 4)) \\ Y - Cyan = 0.25 (Y - Cyan (1, 1) + Y - Cyan (2, 2) + Y - Cyan (3, 3) + Y - Cyan (4, 4)) \end{array}$
$\begin{array}{r} X - Magenta = 0.25 (X - Magenta (1, 2) + X - Magenta (2, 3) + X - Magenta (3, 4) + X - Magenta (4, 1)) \\ Y - Magenta = 0.25 (Y - Magenta (1, 2) + Y - Magenta (2, 3) + Y - Magenta (3, 4) + Y - Magenta (4, 1)) \end{array}$
$\begin{array}{r} X - Yellow = 0.25 (X - Yellow (1, 3) + X - Yellow (2, 4) + X - Yellow (3, 1) + X - Yellow (4, 2)) \\ Y - Yellow = 0.25 (Y - Yellow (1, 3) + Y - Yellow (2, 4) + Y - Yellow (3, 1) + Y - Yellow (4, 2)) \end{array}$
$\begin{array}{r} X - Black = 0.25 (X - Black (1, 4) + X - Black (2, 1) + X - Black (3, 2) + X - Black (4, 3)) \\ Y - Black = 0.25 (Y - Black (1, 4) + Y - Black (2, 1) + Y - Black (3, 2) + Y - Black (4, 3)) \end{array}$
Schliesslich werden die Passerabweichungen DX und DY gemäss Gleichung (3e-g) berechnet, wobei Schwarz als Referenz genommen wird. $\begin{matrix} DX (Cyan / Black) = X - Cyan - X - Black \\ DY (Cyan / Black) = Y - Cyan - Y - Black \end{matrix}$
$\begin{matrix} DX (Magenta / Black) = X - Magenta - X - Black \\ DY (Magenta / Black) = Y - Magenta - Y - Black \end{matrix}$
$\begin{matrix} DX (Yellow / Black) = X - Yellow - X - Black \\ DY (Yellow / Black) = Y - Yellow - Y - Black \end{matrix}$
Die absoluten Werte der Passerabweichungen werden aus den Distanzmassen in den Punktclustermustern gleicher Farben erhalten, welche in dpi Einheiten des Ausgabegerätes definiert sind.

Die Ermittlung charakteristischer Grössen der Punktcluster

Einige Parameter lassen sich direkt aus den Grauwertbildern der Punktmuster in Figur 3a ermitteln. Hierbei wird durch das Schwellenwertverfahren das Grauwertbild in eine binäre Darstellung umgerechnet, um die Punktcluster vom Papierweiss zu separieren.
Die prozentuale Flächendeckung ist ein massgebender Faktor im Druckprozess. Im Gegensatz zur konventionellen Densitometrie basiert die bildanalytische Flächenmessung auf dem Prinzip der Planimetrie. Zunächst werden die Flächen der Punktcluster individuell bestimmt. Sodann werden für sämtliche Farben die Punktclusterflächen aufsummiert und durch die Fläche der fiktiven Messblende dividiert. Der resultierende Wert entspricht der prozentualen Flächendeckung.
Vorzugsweise werden nachstehende Parameter aus den geometrischen Flächen der Punktcluster ermittelt:

Umfang des Punktclusters
grösster/kleinster Durchmesser des Punktclusters
Lagewinkel (α)

Für die Punktcluster werden aus den obigen Kennwerten weitere Parameter berechnet.
Der Parameter E beschreibt die Geometrie des Punktclusters bezüglich einer Ellipsengestalt. Dieser Parameter wird weiter unten benutzt, um Schieben und Dublieren zu ermitteln. $E (in %) = (\frac{kleinster Durchmesser}{grösster Durchmesser}) * 100 %$
Je nach resultierendem Wert von E neigt der Punktcluster zu einer kreisrunden Gestalt (E = 1), zu einer Ellipsenform (E innerhalb 0% und 100%) oder zu einer geraden Linie (E=0%).
Der sogenannte Faktor R ist ein Mass für die Glätte des Randverlaufes von Punktclustern (Haberäcker, 1995), welche eine charakteristische Grösse des Druckprozesses darstellt. R ist das Verhältnis der Punktclusterfläche zum Quadrat des Umfanges (Geichung 5): $R = \frac{4 π * gemessene Fläche}{{Umfang Punktcluster}^{2}}$
Je nach resultierendem Wert von R wird der Randverlauf als glatt (R=1), fransig (R innerhalb von 0 und 1) oder als fraktal (R=0) eingestuft.

Prozessparameter mit Diagnosefunktion

Schieben und Dublieren sind zwei typische Effekte im Druckprozess, welche auf eine gestörte Prozessführung hinweisen (Romano F., 1998). Schieben kann durch unterschiedliche Umdrehungsgeschwindigkeiten der beiden Zylinder verursacht werden und äussert sich in verbreiterten Linien quer zur Druckrichtung. Der Effekt äussert sich visuell in senkrecht verlaufenden Linien, welche verbreitert sind und dadurch dunkler erscheinen.
Dublieren wird durch Registerprobleme zwischen verschiedenen Druckwerken von Mehrfarbendruckmaschinen verursacht und äussert sich darin, dass der Punkt seitlich versetzt und abgeschwächt nochmals erscheint. Visuell erkennt man den Effekt daran, dass Linienfelder in einer Richtung infolge der Verbreiterung dunkler erscheinen. Im Gegensatz zum Schieben kann Dublieren in irgend einer Orientierung auftreten.
Beide Arten von Abweichungen werden visuell oder messtechnisch anhand von Schiebe- oder Dublierfeldern ermittelt. Abbildung 4 zeigt eine Computersimulation des Effektes.
Mittels Bildanalyseverfahren können beide Effekte aus dem Punktmuster abgeleitet werden, welches bereits für die Messung des Passers und der Farbe verwendet wurde.
Ein Vorhandensein von Schieben wird entsprechend Gleichung (4) aus dem Faktor E in Verbindung mit dem Lagewinkel der Punktcluster abgeleitet. Aus der statistischen Behandlung werden diesbezügliche Trends sichtbar. Eine Vorzugsrichtung ist dann erwiesen, wenn die Standardabweichung des Winkels hinreichend klein ist.
Dublieren äussert sich im Histogramm der Grauwerte. Dieses zeigt im wesentlichen zwei Signale, welche vom Papierweiss und den gedruckten Punktclustern herrühren. Beim Dublieren wird das Signal der Punktcluster leicht verbreitert oder zeigt sogar ein Seitenmaximum. Das Ausmass des Dublierens wird gemäss den nachstehenden Schritten ermittelt:

Transformation des originalen Grauwertbildes mittels Schwellenwertverfahren in ein binäres Bild. Der Schwellenwert wird in der Weise gesetzt, dass eine durch dublieren bedingte Punktverbreiterung eingeschlossen wird. Sodann werden die Koordinaten (x,y)-2 der Mittelpunkte der Punktcluster berechnet
Transformation des originalen Grauwertbildes mittels Schwellenwertverfahren in ein binäres Bild. Der Schwellenwert wird in der Weise gesetzt, dass eine durch dublieren bedingte Punktverbreiterung nicht eingeschlossen ist. Sodann werden die Koordinaten (x,y)-1 der Mittelpunkte der Punktcluster berechnet

Der Dubliereffekt D ergibt sich aus der Differenz beider Vektoren nach Gleichung 6: $D = (x, y) - 2 - (x, y) - 1$

Resultate und Diskussion

Die im vorangegangenen Kapitel beschriebenen Methoden wurden experimentell überprüft. Hierzu wurden die Proben 1-4 in Tabelle 1 verwendet. Die Testergebnisse der Proben 1 und 2 sind in Tabelle 2 zusammengefasst.

Tabelle 2

Ergebnisse der Bildanalyse im Vergleich zu den spezifizierten Werten eines einfarbigen Testmusters, das auf einem elektrofotografischen Drucker und im Zeitungsdruck hergestellt wurde. Notation in " (s)
Elektrofotografie	Bildanalyse	Spezifikation
Absolute Fläche Punktcluster (in µm ²)	1416(127)	1792
Flächendeckung Punktcluster in %	8.7 (0.8)	11.1
Umfang Punktcluster (in µm)	159(14)	169
Durchmesser kleinster/grösster Punktcluster (in µm)	39/46 (3/2)	42.3/42.3
Winkel in Grad	73 (59)
Ellipsoidfaktor E in %	87 (4)	Gleichung (4)
Randglätte R in %	0.72 (0.04)	Gleichung (5)
Absolute Fläche Punktcluster (in µm ²)	10769 (990)	7174
Flächendeckung Punktcluster in %	16.8 (1.5)	11.1
Umfang Punktcluster (in µm)	458 (33)	339
Durchmesser kleinster/grösster Punktcluster (in µm)	110/124 (6/7)	84.7
Winkel in Grad	71 (50)
Ellipsoidfaktor E in %	88 (2)	Gleichung (4)
Randglätte R in %	0.65 (0.06)	Gleichung (5)

Repräsentative Ergebnisse der Bildanalyse sind in den Abbildungen 2 und 3 dargestellt. Abbildung 2 zeigt eine dreidimensionale Auftragung eines Punktclusters vor und nach der Mittelung.
Reliefdarstellung eines Punktclusters: elektrofotografisch gedruckt (links: 126µm·126µm) und im Zeitungsdruck (rechts: 250µm ·250µm). Die vertikale Achse stellt Grauwerte dar.
Reliefdarstellung gemittelter Punktcluster: elektrofotografisch gedruckt (links: Probenumfang 36, 126µm·126µm) und im Zeitungsdruck (rechts: Probenumfang 41, 250µm ·250µm). Die vertikale Achse stellt Grauwerte dar.
Abbildung 3 zeigt Grauwertbilder von Punktclustern vor und nach dem Schwellenwertprozess.
Grauwertbilder von vier Punktclustern, elektrofotografisch gedruckt. (links: 250 µm·250µm) und im Zeitungsdruck (rechts: 500µm·500µm).
Binärbilder nach der Schwellenwertbildung der Grauwertbilder in Abbildung 3a.
Die Flächendeckung des Testmusters von Probe 1 beträgt 8.7%. Der Stichprobenumfang beträgt 36 Punktcluster. Die Standardabweichung von 0.8% resultiert aus zufälligen Prozess- und Materialschwankungen, welche unterschiedlich grosse Punktcluster ergeben. Orientierende Messungen zeigen, dass densitometrische Flächenmessungen generell grössere Werte ergeben. Dies wird mit dem optischen Lichtfang begründet, welcher bei der Bildanalyse nicht berücksichtigt wird. Überdies wurde festgestellt, dass die Genauigkeit der Messungen wesentlich von der Beleuchtung sowie von der Wahl des Schwellenwertes abhängt. Es ist deshalb besonders auf reproduzierbare Messbedingungen zu achten. Die nachstehenden Parameter betreffen geometrische Punktcluster und Parameter, welche numerisch aus den Flächen der Punktcluster erhalten werden. Der Punktumfang ist 159 µm, was gegenüber dem spezifizierten Wert von 169 µm aufgrund der kleineren Flächendeckung etwas kleiner ausfällt. Der Ellipsoidfaktor E beträgt 87%, woraus auf eine rundliche Geometrie geschlossen wird. Dieser Befund wird aus der gemittelten Struktur in Abbildung 2 bestätigt. Dies erklärt denn auch, dass der Winkel stark streut und somit keine Vorzugsrichtung erkennen lässt. Der Mittelwert beträgt 73 Grad und hat eine Standardabweichung von 59 Grad. Der Faktor R von 0.72 zeigt eine ungleichmässige Randstruktur an. Dieser Befund stimmt visuell mit der Reliefdarstellung in Abbildung 2a und den Grauwertbildern in Figur 3 überein. Die Ergebnisse der Zeitungsdruckmuster zeigen ein ähnliches Verhalten wie Probe 1.
Dichte- und Farbmessungen können gleichermassen am Testmuster in Abbildung 1 durchgeführt werden. Zuvor wird das Bildanalysesystem nach einem Verfahren kalibriert, welches in der Literatur beschrieben ist (Künzli, 1998). Es ermöglicht die Umrechnung von RGB-Werten in farbmetrische und Dichtewerte. Für die Messungen werden Blenden rechnerisch ermittelt, welche die Punktcluster selektiv erfassen.
Die Mittelung von Signalen wurde am elektrofotografisch (Probe 2) und im Zeitungsdruck (Probe 3) hergestellten Druckmuster untersucht. In Abbildung 2 sind die Punktcluster vor und nach der Mittelung wiedergegeben. Es ist offensichtlich, dass die gemittelten Strukturen verglichen zu den Strukturen von Einzelpunkten glättere Verläufe aufweisen. Die gemittelten Strukturen in Abbildung 2 lassen erkennen, dass die elektrofotografisch hergestellten Punktcluster zu einer quadratischen Struktur neigen. Im Gegensatz dazu haben die Punktcluster im Zeitungsdruck eine rundliche Gestalt. Aus dem Vergleich der Ergebnisse in Tabelle 2 geht hervor, dass die aus den Einzelwerten errechneten Kenngrössen der Punktcluster gut mit den Kenngrössen übereinstimmen, welche aus den gemittelten Strukturen ermittelt wurden. Dies trifft für die absoluten Flächen, die prozentuale Flächendeckung, den Ellipsoidfaktor E und den grössten und kleinsten Durchmesser zu. Im Falle der Randglätte R werden für die gemittelten Strukturen 0.92 im Zeitungsdruck und 0.91 für Elektrofotografie erhalten. Diese Werte sind wie erwartet deutlich höher im Vergleich zu den entsprechenden Mittelwerten von 0.65 und 0.72 in Tabelle 2. Diese Differenz rührt vom Glättungseffekt, welcher sich durch die Mittelung ergibt.
Die Passerdifferenzen wurden nach Gleichung (3a-g) aus dem Testmuster des Farbdruckers ermittelt (Probe 1). Es wurden Abweichungen erhalten, welche zwischen 15 und 55 µm liegen. Dieser Wert liegt unter dem spezifizierten Durchmesser des Punktclusters, welcher 63 µm beträgt. Die ermittelten Werte liegen innerhalb der Toleranzen des Offsetdrucks, welche in ISO 12647-2 zu 83.3 µm für 60 l/cm angegeben sind. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Analyse der Passerabweichungen an einem Testmuster vorgenommen werden können, welches nicht augenfällig in Erscheinung tritt.
Abbildung 4 zeigt die Computersimulation des Schiebens und Dublierens.
Beurteilung von Schieben und Dublieren (Computersimulation)

a) Muster von runden Punktclustern
b) Schieben
c) Dublieren

Die Analyse des Schiebens wurde an einer Probe vorgenommen, welche durch Computersimulation hergestellt wurde (vgl. Abbildung 4b). Die Auswertung basiert auf dem Ellipsoidfaktor E in Gleichung 4. Der kleinste und grösste Durchmesser wurden zu 1.72 und 1.77 relative Einheiten, und der Winkel zu 172 Grad ermittelt. Diese Werte stimmen gut überein mit den Eingabewerten der Computersimulation. Damit ist ein Schieben quantitativ nachgewiesen. Die Analyse des Dublierens in Abbildung 4c erfolgt nach der Gleichung 6. Die resultierende Vektordifferenz wird als Abstand und Winkel bezüglich der Mittelpunktskoordinaten des Punktclusters ohne Dublieren berechnet. Es werden eine Distanz von 0.18 relative Einheiten und ein Winkel von 145 Grad erhalten. Geringe Schankungen dieser Werte werden auf digitales Rauschen zurückgeführt, welches beim Modellieren eingeführt wurde.

Schlussfolgerungen und Ausblick

Die vorliegende Studie zeigt, dass das neu entwickelte Testmuster bzw. TestTarget in Verbindung mit der beschriebenen Auswertemethodik für die Kontrolle des Mehrfarbendrucks eingesetzt werden kann. Das Verfahren ist speziell dort angesagt, wo eine Prozesskontrolle erforderlich ist, aus Platzgründen jedoch keine Kontrollstreifen eingesetzt werden können. Mit einer Testmusterfläche, welche deutlich unter 1mm² liegt, ist ein nahezu uneingeschränkter Einsatz möglich. Insbesondere kann nun eine gezielte Positionierung nahe an ausgewählte Bildstellen vorgenommen werden. Mit dem beschriebenen Verfahren wurden konsequent die Grenzen des Machbaren ausgelotet. Sie gipfeln in der Feststellung, dass die drucktechnisch relevanten Parameter letztendlich aus einem Testmuster entnommen werden können, welches aus einem Punktcluster pro Druckfarbe aufgebaut ist. Vorteilhaft ist jedoch eine Mittelung über mehrere aufeinanderfolgend gedruckte Druckmuster. Sämtliche beschriebenen Massnahmen, welche in ihrer Gesamtheit eine derartige Miniaturisierung des Testtargets ermöglichen, wurden experimentell oder durch Simulation getestet.
Mit der Anwendung von Prädiktionsmethoden, wie sie derzeit bei der EMPA, St. Gallen, Schweiz, entwickelt werden, ist eine Extrapolation der Ergebnisse über den gesamten Bereich der Tonwertkurve aussichtsreich (Mourad, 2001).

Referenzen

1. Barratte Ch., Dalphond J.E., Mangin P.J. and Valade J.L, (1995), An Automatic Determination of Threshold for the Image Analysis of Prints. Proceedings of the 23rd Research Conference of IARIGAI, Paris, 451-469
2. Bovik Alan C., (2000), Handbook of Image and Video Processing, Academic Press, New York
3. Demant Ch., Streicher-Abel B. and Waszkewitz P., (1998), Industrielle Bildverarbeitung, Springer Verlag, Heidelberg
4. Haberäcker P., (1995), Praxis der digitalen Bildverabeitung. 4. Auflage, Hanser, München
5. Ifra, (2001), Closed loop printing quality control for coldset web offset (to be published), Darmstadt
6. Jähne B., (1997), Digitale Bildverarbeitung, Springer Verlag, Heidelberg
7. Künzli H., et al, (1998), MiniTargets: A new dimension in print quality control, SPIE Conf. Proc., vol 3300, pp 286-91
8. Künzli H., (2000), How to convert RGB signals to colorimetric and densitometric values, Proceedings of SPIE, Vol. 3963, 70-76
9. Künzli H., (2000), MiniTarget for Quality Control in Newspaper Printing, TAGA Proceedings, 509-520
10. Mourad S., et al (2001), Predicting Transmittance Spectra of Electrophotographic Color Prints, Proceeding of SPIE, Vol. 4300, 50-57
11. Romano D., (1999), Recorder spot size and its effect on image quality and halftone reproduction, 280-293
12. Romano F. J., Romano R.M., (1998), Encyclopedia of graphic communications, GATF, Prentice Hall, London

Claims

TestTarget zur Ermittlung drucktechnischer Parameter, das mehrere Punktcluster umfasst, die je von mehreren benachbarten Aufzeichnungspunkten gebildet werden und in Form eines als solches identifizierbaren Punktmusters auf ein Druckexemplar gedruckt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
das TestTarget weiter unbedruckte Zwischenräume zwischen benachbarten Punktclustern umfasst, wobei die Ausdehnung der unbedruckten Zwischenräume einer gleichen ersten Anzahl von Aufzeichnungspunkten sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung entspricht.
TestTarget nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es mehrere Punktcluster einer Druckfarbe enthält.
TestTarget nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es von mehreren Einzelfarben, vorzugsweise von allen Einzelfarben des Drucks, je wenigstens ein Einzelfarben-Punktcluster enthält.
TestTarget zur Ermittlung drucktechnischer Parameter gemäß Anspruch 1, wobei jedes der mehreren Punktcluster von einer gleichen zweiten Anzahl benachbarter Aufzeichnungspunkte sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung gebildet wird.
TestTarget nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass keines der Punktcluster in einem Punktschluss mit einem benachbarten Punktcluster des TestTargets steht.
TestTarget nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Punktcluster als Punktmuster eine Matrix bilden, deren Zeilen und Spalten mit dem Punktclustern als Matrixelemente vollbesetzt sind.
TestTarget nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Punktcluster eine Matrix bilden, in deren Zeilen die Einzelfarben des Drucks der Reihe nach angeordnet sind.
TestTarget nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Punktcluster eine Matrix bilden, in deren Spalten die Einzelfarben des Drucks der Reihe nach angeordnet sind.
TestTarget nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Punktcluster in Form einer Matrix angeordnet sind, deren Diagonalen je von Punktclustern nur einer Einzelfarbe des Drucks gebildet werden, wobei jede Einzelfarbe des Drucks wenigstens eine Diagonale mit vorzugsweise wenigstens zwei Punktclustern bildet.
Verwendung des TestTargets nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Ermittlung drucktechnischer Parameter, bei dem:
a) das TestTarget automatisch erkannt,

b) ausgemessen

c) und zur Ermittlung der drucktechnischen Parameter, wie beispielsweise Flächendeckung, Volltondichte und/oder Farbwert und/oder zur Diagnose in Bezug auf Schieben und/oder Dublieren, ausgewertet wird.
Verwendung des TestTargets nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das TestTarget bildanalytisch als TestTarget erkannt wird.
Verwendung des TestTargets nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Punktcluster des TestTargets planimetrisch ausgemessen werden.
Verwendung des TestTargets nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Durchmesser, Umfang und Form (Lagewinkel α, Ellipsenparameter E, Faktor R) der Punkcluster ermittelt werden.
Verwendung des TestTargets nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten drucktechnischen Parameter zur Kontrolle und vorzugsweise zur Steuerung und/oder Regelung des Druckprozesses in einer Steuerung und/oder Regelung verwendet werden.