创刊50周年优秀文章:印刷质量的主观评价和客观评价——标准与质量

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如果说产品质量定义为对于特定标准和客户需要的满足,那么印刷品质量就是对于印刷标准和客户需求的满足,必须通过评价过程才能得出结论。大多数工业产品质量建立在客观评价基础上,对客户需求的满足由售后服务等非生产性环节实现。然而,印刷品的特殊性却决定了不能仅仅靠客观评价得出结论,主观评价或许更重要,可见印刷质量评价应分成主观评价和客观评价两大类。主观评价的必要性表现在印刷品是提供给人看的,因而印刷质量也应该由人通过主观上的判断评价。不过,主观评价结果却往往受观看条件、观察者以往的经验、图像类型以及眼睛疲劳等因素而变化,重复性较差。以物理测量为基础的客观评价有良好的可重复性,决策和判断也比较容易,因为客观评价过程和结果以数字方式表示。许多研究者发现,物理描述与主观评价呈现很高的相关性。

1、引言

印刷品是图文复制的结果,原稿、材料、设备、成像和转印工艺等因素的综合作用结果形成印刷图像。图形和文字的矢量属性对页面描述、排版和RIP解释至关重要,尤其在输出时必须区别对待图形/文字和图像这两类不同性质的对象,才能得到最合理的结果。但是,图形和文字的矢量属性对印刷结果而言却已经变得没有实质性的意义了,因为这些对象一旦转印到纸张表面后就失去了它们的矢量特征。因此,评价印刷质量时无需区分对象的点阵描述和矢量描述特征,认为印刷质量评价等价于印刷图像质量评价(以下简称图像质量评价)也完全说得过去。

 

图像质量评价经历了相当长的发展历史,方式也多种多样。测量是评价的基础,而评价则是心理或物理指标与测量数据比较的结果,为此需要建立比较基准或衡量指标。有时客观评价与主观评价很难分清,也可能使用同样的指标,但结果可能不同。比如,颗粒度是图像质量的衡量指标之一,以图像物理特征为基础的测量数据有客观性的量值,用经过标定的仪器多次测量能得到相当接近的结果,或者说重复性相当高。基于同一特征的视觉“测量”属于主观评价的范畴,结果往往因人而异,重复性很差,原因在于视觉检查与人的心理特征(期望)和视觉敏锐度有关。

 

因此,理想评价模式应该是客观测量与主观检查的结合,物理指标与心理指标的结合,在此基础上得出图像质量的整体评价结果。印刷品的特殊属性决定了不能孤立地使用客观尺度,因为客观尺度常常关系到视觉特征,应该通过描述人类视觉系统功能的模型使主、客观评价相关联。此外,图像质量的视觉特征可能与客户认同的整体质量相关联,也需要通过视觉系统模型描述两者的关系。

 

印刷工艺链中充满着成像过程,例如原稿扫描(数字摄影)、胶片输出、晒版或计算机直接制版属于成像过程,打样、传统印刷和数字印刷也属于成像过程,因而“成像”一词描述了印刷工艺链在特定介质上记录操作或处理结果的共同特征。显然,图像质量评价的根本目的在于改善图像质量或通过成像系统设计改善图像的输出质量,使成像系统的物理描述与图像的质量要求相适应,与眼睛的视觉感受相适应。由于这一原因,长期以来成像技术领域广泛开展着系统物理描述与主观评价间的相关性研究,以构造出与主观评价结果高度相关的客观评价方法,使客观评价与眼睛的信息处理结果关联起来。图1为主观评价与客观评价相结合的图像质量评价系统。

 

传统成像系统(以油墨/纸张组合形成的复制系统最为典型)大多通过比较原稿和印刷品,或比较原稿和打样稿评价图像质量,归类于主观评价方法。绝大多数电子成像系统(例如数字印刷系统)以数字方式建立和复制图像,无法沿用常规的比较法评价成像质量。电子成像系统的操作者往往通过控制成像工艺保证获得良好的图像质量,利用标准测试图和参考图像评价成像系统的性能。

 

人类对图像质量评价技术的研究和应用从来没有停止过,由于成像技术领域图像质量改善活动的不断开展而取得了不少进步。比如传统印刷、卤化银摄影、彩色电视和静电照相数字印刷等领域的图像质量评价技术,其中不少评价方法表现出与物理特性和主观评价结果有较好的相关性,也开发出了适用于不同领域的图像质量评价系统。但仅仅用主观评价一个尺度很难被普遍接受。

 

2、图像质量主观评价与国际标准

质量评价离不开标准,任何评价技术若不能形成标准,则其实用价值将大打折扣。与客观评价相比,图像质量主观评价的国际性标准化活动是开展较早的领域。一方面是由于主观评价结果随被评价图像、观看条件和评价方法不同而变化的缘故,另一方面也说明主观评价对判断图像质量的重要性。

 

主观评价结果的可变性体现在许多方面。仅以测量和观看图像的几何条件为例,密度计和某些分光光度计对试验样本的照明角度为45°,并以90°方向测量反射系数(称为45°/90°组合);然而评价图像质量的几何条件却刚好相反,大体上是90°照明和45°观看(称为90°/45°组合)。在严格意义上,只有测量几何条件采用90°/45°组合时才能与评价结果取得较好的一致关系。计算机成为印刷的重要生产工具后,情况变得更复杂,计算机工作在典型的暗环境下,而印刷品的阅读环境与此差异极大。1.国际标准制定图像质量国际标准的主要目的在于定义公共评价条件,涉及原稿、照明条件、测量方法、复制材料和工艺等方方面面。由于图像主观质量评价技术的研究和标准化活动开展较早,已取得了不少成果。参与制定图像主观质量评价标准的国际组织(机构)有不少,例如国际标准化组织、国际照明委员会、国际通讯联合会和国际电工委员会等。这些国际组织制定的标准(直接或间接的)涉及视觉产品的各种领域,总数超过30种。下面列出主要标准的制定机构、颁布年份和名称。

 

1931年(国际照明委员会):CIE 1931标准色度系统(XYZ);

1975年(国际通讯联合会):ITU R BT.500电视图片质量主观评价方法;

1975年(国际标准化组织):ISO 2846胶印油墨的色度特征;

1975年(国际标准化组织):ISO 3664摄影—彩色底片及复制品观看照明条件;

1976年(国际照明委员会):CIE 1976 L*a*b*色彩空间,L*u*v*色彩空间;

1983年(国际标准化组织):ISO 5-4摄影—密度/第四部分/反射密度几何条件;

1988年(国际照明委员会):CIE光适应视觉2°视场光谱光效率函数;

1991年(国际标准化组织/国际照明委员会):ISO/CIE 10526 CIE标准色度照明体;

1991年(国际标准化组织/国际照明委员会):ISO/CIE 10527 CIE标准色度观察者;

1996年(国际标准化组织):ISO 13665印刷技术—印刷图像光谱测量与色度计算;

1996年(国际照明委员会):CIE S003 CIE日光空间分布—标准多云与晴天;

1997年(国际标准化组织):ISO 12640印刷技术—印前数据交换—CMYK标准彩色图像数据(CMYK/SCID);

1997年(国际标准化组织):ISO 12641印刷技术—印前数据交换—扫描仪输入彩色测试图;

1998年(国际标准化组织):ISO 12645印刷技术—工艺控制—透射密度计不透明区域标定参考材料;

1998年(国际标准化组织):ISO 12639印前数据交换—图像技术的加标签图像文件格式(TIFF/IT);

1999年(国际电工委员会):IEC 61966-2-1:多媒体系统与设备—彩色测量与管理—第二部分:色彩管理—默认RGB色彩空间—sRGB;

2000年(国际标准化组织):ISO 13656印刷技术—反射密度计和色度计对工艺控制或印刷品或打样稿评价的应用;

2000年(国际标准化组织):ISO 14981印刷技术—工艺控制—反射光线的光学、几何和度量要求。

 

必须说明,在上面列出的国际标准中,有的用来规定测量或主观评价的标准环境条件和几何条件,有的标准定义数据交换方法和基准,真正属于主观评价的标准并不多,或许只有国际通讯联合会制定的“ITU R BT.500电视图片质量主观评价方法”才是真正意义上的主观评价标准。那些用于物理属性测量的标准既可用作主观评价的比较基础,也能用作客观评价指标。

 

作为主观评价的单元,值得一提的内容包括主观评价方法、主观评价使用的标准图像和观看条件等,在各种领域都展开了标准化工作。尽管已经开发了许多称为心理尺度的主观评价方法,但除了ITU R的无线电通讯分会外,标准化活动似乎开展得并不活跃。

 

2.主观评价标准图像

ISO/TC130建立了以青、品红、黄、黑四色网点百分比表示的高精度彩色数字图像,每种颜色以8位描述,习惯上称为CMYK/SCID,意谓CMYK标准彩色图像数据,已经在1997年5月形成ISO 12640标准文本,广泛用作彩色印刷的标准图像。

 

CMYK/SCID由8幅非彩色图像和10幅人工合成图像组成,包括5种分辨力测试图和5种彩色测试图,分成主测试图和替换测试图集合,网点百分比范围和分辨力不同。非彩色图像的输出尺寸可达到128mm×160mm;主测试图集合非彩色图像的输出尺寸设置为2560像素×2048像素,假定印刷机分辨力等于每毫米16像素;替换测试图集合的非彩色图像输出尺寸规定为1920像素×1536像素,假定印刷机分辨力为每毫米12像素。

 

3.主观评价方法

电视图像质量评价方法值得印刷业借鉴,可称得上是完整的主观质量评价系统。国际通讯联合会的一系列努力归结为ITU R BT.500建议标准。在BT.500的基础上,国际通讯联合会又制定了针对不同专业领域的主观评价方法,例如传统电视系统标准BT.1128、高清晰度电视标准BT.710、立体电视图片标准BT.1438、数字有线电视标准J.140以及多媒体标准P.911等,都作为建议性标准使用。

 

ITU R BT.500将主观评价法细分为两类,第一类是在优化条件下确定系统性能的质量评价结果,第二类则是在非优化条件下作出系统保持质量能力的允许缺陷评价。对于上述两种评价方法,ITU R BT.500都定义了单一刺激法、刺激比较法、双刺激法和连续评价法等四种主观评价方法,以及观看条件、观察者数量和评价结果分析方法等。由于每一种评价方法有各自的优缺点,应根据需要选择适合于应用目标的评价方法。

 

3、图像质量客观评价国际标准

长期以来,成像技术领域一直没有图像质量客观评价的国际标准。从1931年到2000年长达近70年的时间内,国际标准化组织、国际照明委员会、国际通讯联合会和国际电工委员会等机构制定的30多个标准虽然也包含物理属性测量方法,但大多以服务于主观评价为主要目标,也没有形成系统的客观评价方法。直到2001年9月,这种状况才有所改变,其时ISO/IEC 13660标准正式发布。

 

ISO/IEC 13660标准由国际标准化组织和国际电工委员会联合制定,全称为Information technology-Office equipment-Measurement of image quality attributes for hardcopy output -Binary monochrome text and graphic images,通常省略IEC而简写为ISO 13660,是迄今为止首个国际性的图像质量客观评价标准。ISO 13660以逐步缩小范围的方式命名,第一组主题词Information technology说明标准制定者将它归类于信息技术,不再像以往那样分属于摄影、印刷或电视等;第二组主题词Office equipment指示该标准的主要适用范围是办公设备,但标准制定者明确注明它适用于数字印刷。历届国际数字印刷年会曾对此展开过热烈的讨论。以后的分类主题说明ISO 13660用于指导硬拷贝输出结果的图像质量属性如何测量,并在此基础上评价二值单色文本和具有图形属性的矢量图像输出质量。

 

在ISO 13660标准的引言部分有这样一段话:若借助于控制成像工艺仍然不能控制输出图像质量,且手头没有现成的标准测试图和参考图像可用,那么就只能依赖于图像本身属性的直接评价方法了。这段话点明了ISO 13660的本质是客观评价,事实上也并不在于想说明客观评价是无奈的选择,因为一方面成像工艺控制和图像质量评价是两个独立的过程,质量评价总是需要的;另一方面,标准测试图和参考图像的获取并不困难,关键问题还是评价原则,无论是标准测试图还是参考图像都可为客观评价所用。

 

客观评价的对象是图像的固有特征,因而必须考虑输出图像的本质。无论采用何种硬拷贝输出技术(传统印刷也属此列),产生的结果图像总是空间信息以某种方式组织起来的结果。人们有理由假定图像信号带有特定的目的,或代表着某种程度的传播意图,事实也确实如此。换言之,如果输出图像质量好,则该图像容易阅读,即图像的数据组织和图像承载的信息能够被理解,意味着图像有令人愉悦的外观表现。

 

客观评价必须以物理测量为基础,需要规定与图像质量有关的物理度量指标。为此,ISO 13660标准起草工作组定义了字符/线条图像质量属性8种、大面积填充区域质量属性6种(见表1),希望使这些属性与人眼对于印刷品质量的视觉感受关联起来。与此同时,工作组也开发了测量图像属性的方法,能通过简单的系统自动执行。

印刷图像的可阅读性和外貌包括四个方面,即细节容易检测,图像单元与背景隔离得很好,图像的总体缺陷最小,成像系统有很好的几何保真度。然而,并不是所有的这些要素能够为图像质量固有的量化属性评价所覆盖,因为大量的心理和文化成分难以评价。

 

ISO 13660标准在起草时遵循简单性原则,即该标准要求定义的测量规程尽可能简单和清晰,依靠14种属性自身就能实现自动测量。虽然ISO 13660针对纸张黑白印刷品制定,但显然可扩展到彩色印刷品。ISO 13660标准与设备无关,被测量图像可以是激光打印机印刷品、喷墨打印机产品和铅笔画等,目标对象为文本、图形和实地填充区域,因而规定的测量规程适用于任何字符、线条和大面积区域。这样,测量和评价时无需专门的测试图像,也不需要专用测量设备,但要求设备符合四种适应性试验要求。

 

标准起草工作组选择了简单的方法和有效的度量指标,并不在于要证明用本标准建议的方法对给定作业测量和评价时总能得到最准确的结果。在如何实现标准方面,起草小组认为,一个完整的评价系统应该由图像捕获设备、评价软件和针对应用的质量标准(包括样本采集计划)三部分构成,终端用户可以自己开发评价系统整体,或者购买其中的一部分。任何能收集到合理测量数据的仪器均可理解为具备完整的仪器功能,但本标准工作小组并不打算探求仪器功能间的关系,而是为测量仪器定义了参考图像和目标数值。如果仪器能达到这些目标值,则认为标定结果应该接受。

 

因此,ISO 13660标准假定被分析图像将由数字方式获取,实现途径包括平板扫描仪、微观密度计和带有数字图像捕获卡的CCD照相机等,只要设备能获得600dpi的数字图像并通得过一定的标定适应试验,则该设备就能用来测量。

 

图像获取设备的选择虽然说是相对自由的,但却是投资者在精度要求与测量成本间权衡和折衷的结果。空间分辨力等于600dpi的平板扫描仪种类不少,其主要优点是设备投资成本低,且可测量区域能覆盖整个页面区域。尽管如此,这类扫描仪提供的分辨力不能准确地测量特定的线条属性,例如粗糙度和颗粒度。微观密度计的精度和分辨力都很高。缺点是价格较贵,工作速度也太慢。以CCD光电转换技术为基础的测量系统是精度和成本的良好组合,特别适合于印刷质量分析,分辨力相当高。例如科研用30万到200万像素的数字照相机价格不高,结果捕获为单帧图像,成本合理。由于这种CCD相机通常在很近的距离范围内拍摄,一次只能捕获印刷页面的小部分,因而有必要使用CCD相机与定位工作台组合,后者能够由计算机精确控制在二维方向上的移动距离。这样,在模式识别技术的帮助下,测量系统可以从印刷图像内抽取出必要的几何特征,通过计算机控制定位工作台,移动到目标测量位置,确定兴趣区域后进行测量、分析与评价。

 

图像的质量属性、测量方法和分析规程依赖于图像的固有属性,无需标准测试图和参考图像。ISO 13660标准不适用于硬拷贝输出外的其它记录介质图像(例如视频终端上显示的图像)或只能用特殊设备阅读的图像(比如条形码)。

(本文刊载于《印刷杂志》200507期)

 

 

 

2022年3月8日 10:22
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