Dot Gain Tool Invention White Paper (v1.1)

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1 Dot Gain Tool Invention White Paper (v1.1) Hintergrundinformationen zum Tonwertzuwachs Werkzeug Hintergrund Klassischer Offsetdruck In klassichen Druckverfahren werden für den Prozess Druckplatten erstellt, die in die Druckmaschiene eingespannt werden. Eine Druckplatte ist im wesentlichen ein schwarz/weißes Abbild an den Stellen, wo Farbe auf das Papier übertragen werden soll. Für einfarbige Bilder reicht eine Druckplatte, für vollfarbige Bilder werden mehrere Druckplatten benötigt. Typischerweise sind dies die Farben Cyan, Magneta, Gelb und Schwarz. Sonderfarben werden mit zusätzlichen Druckplatten abgebildet. Der Druckprozess ist im Kern ein binärer Prozess man kann entweder Farbe auf ein Papier aufbringen oder nicht. Dies bedeutet man hat 100% Cyan auf dem Papier oder nicht. Um einen 50%-tigen Tonwert einer Farbe auf das Papier zu bringen bedeckt man eine Fläche nur zur Hälfte mit dieser. Um dies beispielsweise bei Cyan zu erreichen bedeckt man die Hälfte der Fläche mit 100% der Farbe und die andere Hälfte mit 0% Farbe. Hier ein Beispiel, indem mittels eines Schachbrettmusters ein 50% Tonwert erreicht wird. 50% Schachbrettmuster Um eine Druckplatte mit druckenden und nicht druckenden Anteilen herzustellen gibt es im wesentlichen zwei Wege. CTF (ComputerToFilm) ist der Weg über eine Filmbelichtung und eine photochemische Reaktion zur Druckplatte. Immer stärker setzt sich heute der direkte Weg mit speziellen Druckplattenbelichtern durch (CTP = Computer To Plate). Dabei wird die Druckplatte direkt mittels Laserstrahl beschrieben / gebrannt. Screening = Rasterung Da der Druckprozess ein rein binärer Prozess ist (0% oder 100% Farbe) braucht es geignete Methoden um Zwischentöne abzubilden. Die im Anfang beschriebene 50% Methode ist dazu nicht ausreichend. Es bedarf mehrerer Abstufungen um Bilder - egal ob schwarz/weiß oder farbigwiederzugeben. Die Lösung besteht darin einen Bereich aus mehreren kleinsten, noch reproduzierbaren Punkten zusammenzusetzen und dann wie benötigt über das gesamte Bild zu verteilen. Einen solchen Bereich nennt man Superzelle (oder Halbtonzelle) und das Verfahren wird als Rasterung (oder Halbtondarstellung) bezeichnet. Als Beispiel: Um 50% zu erreichen bleiben 50% unbedeckt. Copyright Hamillroad Software, Page 1 of 13 Andy Cave. January, 2005

2 Einzelne Rasterzelle (50%) Wiederholung mit 0 Der Raster beschreibt Druckpunkte mit einer bestimmten Form (Rasterpunktform), welche sich in regelmäßigem Abständen in einem bestimmten Winkel wiederholen (Rasterfrequenz und Rasterwinkel). Normalerweise werden runde, eliptische oder euclidische Punktformen verwendet - aber auch Linien und Kreuze kommen vor. Ein Rasterwinkel von 0 erzeugt ein vertikales/horizontales Muster das vom Auge leicht zu erkennen ist. Mit einer Drehung des Rasters um 45 wird dieser Effekt vermindert. Schwarz/Weiss Bilder werden in der Regel so reproduziert. Einzelne Rasterzelle (50%) Wiederholung mit 45 Bei farbigen Reroduktionen wird dies weit komplizierter. Wären alle Farben mit dem gleichen Winkel gerastert (z. Bsp. 0 ) würden alle Druckpunkte aufeinander liegen. Gibt es in der Druckmaschine einen leichten Versatzt der Druckplatten oder Probleme beim Zusammendruck hat man am Ende Druckbögen wo die Farben sehr stark voneinander abweichen. Wenn man die einzelnen Farben (Separationen) um verschiedene Winkel dreht vermindert sich dieses Problem. Dafür entstehen unerwünschte Muster (Moiré), die sich bei einem Abstand von 30 je Farbe minimieren lassen zumindest bei 3 Farben. Raster mit Moiré Raster mit Rosettenbildung Copyright Hamillroad Software, Page 2 of 13 Andy Cave. January, 2005

3 Nachdem heute meist mit 4 Farben (CMYK) druckt wird, bleibt für eine Farbe das Problem bestehen. Die 3 starken Farben (CMK) werden mit 30 Abstand zueinander gewinkelt und Gelb wird, als schwächste Farbe, zwischen 2 beliebigen Farben plaziert. Gelb produziert zwar Moiré, dieser ist aber Aufgrund der hellen Farbe kaum zu sehen. Druckraster werden durch Rasterpunktform, Rasterweite und Rasterwinkel beschrieben. Typische Winkel für 4-farbige Druckaufträge sind: Accurate Screening = Exaktes Rastern Cyan Magenta Yellow Black Ein weiteres Problem ist es die angestrebten Winkel-Abstände möglichst genau zu erreichen. Ein Raster von 60 lpi (lines per inch), bei einer Auflösung von 300 dpi (dots per inch) und einem Winkel von 15 ergibt Folgendes: r2 = 300 / 60 * sin(15 ) r1 = 300 / 60 * cos(15 ) Einzelne Rational Tangent Rasterzelle Da das Verfahren digital ist (ausgeführt von Computern) müssen die Werte für r1 und r2 ganzzahlig sein. Nimmt man r1=5 und r2 = 1 erhält man einen Winkel von statt des gewünschten 15 Winkels. Dieses Resultat nennt man rational tangent screening (RT-screening). Um dieses Resultat zu verbessern gibt es zwei Lösungen: Die erste Technik wird IRT-Screening (irrational tangent screening) genannt und versucht über die gesamte Seite folgende Werte in der Wiederholung beizubehalten: r1 = 4,82962 r2 = 1,29409 Wie man sich vorstellen kann liegt hier eine sehr zeitaufwendige und rechenintensive Mathematik mit Kommazahlen zugrunde. Deshalb werden solche Lösungen oftmals in spezieller Hardware mit speziellen Chipbausteinen realisiert. Die zweite Lösung beruht darauf größere rationale Zellen mit kleineren Subzellen zu berechnen und dadurch die notwendige Genauigkeit zu erzielen. Dies geht mittels Software und wird Super Cell Screening genannt. Copyright Hamillroad Software, Page 3 of 13 Andy Cave. January, 2005

4 2x2 Superzelle r2 = 300 / 60 * sin(15 ) r1 = 300 / 60 * cos(15 ) Beispielzahlen bei einem Raster von 133 lpi,15 bei 1200 dpi sind: super-cell r1 r2 Rasterweite Winkel 1x x x x x Wie im obigen Beipiel zu erkennen ist,ergibt eine Superzelle von 3x3 das beste Ergebnis. Würde man die Werte über 5x5 hinaus weiterverfolgen findet man noch genauere Ergebnisse. Der Vorteil dieser Technik liegt daran, dass, nachdem die optimale Superzelle errechnet wurde, diese mit der gleichen Mathematik des RT-Screenings über das ganze Bild gelegt wird und somit aufgrund der Ganzzahlen viel schneller berechnen ist. Einen Raster wie bisher beschrieben, nennt man AM Raster (Amplitude Modulated), da hier die Amplitude (Wiedergabeintensität) des zu zeichnenden Druckpunktes modifiziert wird, um verschiedene Tonwerte zu erhalten. Um noch bessere Ergebnisse beim Rastern zu erreichen wurde eine Reihe anderer Techniken ausprobiert. Dies sind unter anderem die FM Raster (Frequenz Modulated) und die XM Raster (Cross Modulated) Raster, die error diffusion und dithered screening zugrunde legen. Besonders populär sind hier die FM Ratser. Bei FM Rastern bleibt die Größe des einzelnen Ratserpunkts gleich (meist die kleinstmögliche druckbare Größe), während sich die Anzahl der Punkte wird mit steigendem Tonwert erhöht. Zahlreiche Firmen unter anderem auch Harlequin mit seinem HDS Raster haben solche Raster entwickelt und im Angebot. 20% 40% 60% 80% HDS Medium Copyright Hamillroad Software, Page 4 of 13 Andy Cave. January, 2005

5 Obwohl in der Theorie der FM Raster keine Einschränkungen hat wird diese in der Praxis ebenso mittels einer großen Superzelle berechnet und dann über das gesamte Bild gelegt. Das bedeutet die meisten FM Raster benutzen RT-Screening mit einem Winkel von 0, wenn auch diese sehr groß ist und eine sehr komplizierte Struktur hat. Da bei FM Rastern keine sich wiederholenden Strukturen mit Rasterwinkeln verwendet werden, kann es auch kein Moiré entstehen. Dies ist einer der Vorteile, vor allem bei schwer zu reproduzierenden Farbkombinationen wie beispielsweise Hauttönen (diese sind aus Cyan, Magenta und Gelb aufgebaut). Darüberhinaus ist die Detailschärfe aufgrund der kleinen Rasterpunkte um ein vielfaches besser. D ot Gain = Tonwertzuwachs Bei der Belichtung von Film oder Platte wird das Bild von einem Laserstrahl auf das Material geschrieben. Dabei fährt der Laser über das Material (Film/Platte) und wo benötigt wird der Laserstrahl Ein bzw. Aus geschaltet. Das digitale Bild, das belichtet werden soll ist aus quadratischen Pixeln aufgebaut, die das Ein / Aus beschreiben. Der Laserstrahl hingegen ist nicht quadratisch sondern rund. Um einen Lichtpunkt ( Ein ) voll zu beschreiben bedarf es eines Laserstrahls der groß genug ist diesen Lichtpunkt voll d.h. ohne Lücken - auszufüllen. Idealerweise wäre der Radius r = (0.5), jedoch ist er meist gößer. r r r 0.5 Laser zu klein Laser OK Laser zu groß (r = 0.5) (r = /0.5) (r > /0.5) Eine Reihe von belichteten Pixeln sieht deshalb meist wie folgt aus: Pulsierender Laser In der Praxis wird der Laserstrahl nicht für jeden Pixel einzeln eingeschaltet. Vielmehr wird er am Start der Reihe aktiviert und am Ende dann ausgeschaltet. Eine Reihe von Pixeln sieht dann so aus: Konstanter Laser Copyright Hamillroad Software, Page 5 of 13 Andy Cave. January, 2005

6 Wie im vorherigen Beispiel zu sehen wird eine größere Fläche als erwünscht belichtet, sobald der Laserstrahl größer als der einzelne Pixel ist. In manchen Fällen kann diese Abweichung signifikant größer sein. Wird Beispielsweise das 50% Schachbrett Muster (mit den wechslenden an/aus Pixeln) belichtet bekommt man nicht selten ein mit100% voll deckendes Ergebnis zurück. Sogar bei kleinerem Überlappen der Laserpunkte erhält man nicht selten ein Ergebnis mit 60% Deckung. Dieser Effekt wird DotGain = Tonwertzuwachs genannt. 50% Tonwert erscheinen wegen des Zuwachses als deckend Wie auch immer ist dies nicht das Ende der Geschichte: Wenn der Laserstrahl aktiviert (eingeschaltet) wird baut er seine volle Leistung erst langsam auf bis er die für die Belichtung notwendige Energie erreicht hat. Das Verhalten ist abhängig vom Plattentyp manche belichten erst wenn ein bestimmter Wert überschritten wurde, andere belichten in proportionaler Abhängigkeit zur Energie des Laserstrahls schwächer oder stärker. Dadurch können die Pixelreihen auch wie folgt aussehen. oder Der Zuwachs kann sich trotz Steigerung der Leistung verringern wenn Pixel ineinander greifen. Ein einzelner isolierter Pixel wächst in alle Richtungen wohingegen aneinander berührende Pixel nur in die Richtung wachsen in der keine benachbarten belichteten Pixel liegen. In der Regel werden Laser mit einem größeren Durchmesser als der einzelne Pixel verwendet. Ein Beispiel aus der Praxis: Pixelgröße ist 20 Laserstrahl ist 35. Darüberhinaus ergibt sich im Druck ein zusätzlicher Tonwertzuwachs aufgrund des verwendeten Bedruckstoffs, der Farbe und der Gummitücher (und anderer Faktoren). Der Druckpunkt nimmt hier nochmals zu. Calibration/Linearisation = Kalibrierung Die soeben beschriebenen Probleme mit Tonwertzuwachs haben alle Rasterverfahren gemeinsam. Im Ergebnis erhält man immer eine nicht lineare Ausgabe (Ergebnis im Druck). Die ist ein reales und großes Problem - vor allem wenn es sich um massive Zuwächse handelt. Dabei wird die Bandbreite an reproduzierbaren Tonwerten verkleinert und das Druckbild erscheint zu dunkel. (Bilder die daraufhin optimiert wurden sind die Ausnahme). Copyright Hamillroad Software, Page 6 of 13 Andy Cave. January, 2005

7 Will man hochqualitative Ergebnisse erzielen muss die Ausgabe des Film oder Plattenbelichters deshalb angepasst = linearisiert werden. Traditionell wurde dazu die Ausgabe mittels Transferkurve so angepaßt, das auf Platte oder Film lineare Werte aller Abstufungen erreicht werden. Dabei werden Messfelder belichtet, vermessen und deren Ergebnis in das System als Korrekturkurve hinterlegt. Hierzu als Beispiel den Messtreifen von Harlequin RIPs. Die ermittelten Messwerte werden dann in einem ähnlichen System wie dem folgenden hinterlegt und die Transferkurve wird berechnet. Es ist abzulesen, das bei einem Zielwert von 40% (horizontale Achse) ein Istwert von 52,6% (vertikale Achse) gemessen wurde. Anhand der Kurve errechnet das System einen Korrekturwert von ca. 29%. Aufgrund der gesamten Physik im Druck sind dies nie exakt gespiegelte Werte und bedürfen der Annäherung und Rundung. Copyright Hamillroad Software, Page 7 of 13 Andy Cave. January, 2005

8 Soft Proofing = Korrekte Darstellung am Monitor Da die Kalibrationssoftware im RIP System effektiv die Eingangsdaten vor der Belichtung aufhellt ensteht ein optischer Unterschied, wenn man die Daten am Monitor anzeigt. Der Monitor zeigt hellere Farben als im späteren Druck an mangels Tonwertzuwachs. Dieser Effekt kann sehr stark auftreten. Das läßt sich an den beiden folgenden Darstellungen gut erkennen. Die Daten im Original PDF Job sind farblich intensiver als die Darstellung der gerippten Daten im Softproof. Die Anpassung dieser Darstellung durch hinzufügen geeigneter Kalibrationskurven ist für ein korrektes Softproof unbedingt notwendig.. Original PDF Job Soft-proof of normal RIP data Invention = Lösungsansatz Wie in den vorherigen Überlegeungen erkennbar wird bei der Belichtung nicht der digitale Pixel wiedergeben und es gibt zusätzliche Bereiche, die zum Tonwertzuwachs führen. In der Praxis wird dieser Zuwachs mittels Tonwertkurve als Korrektur wieder zurückgenommen. Wenn wir in der Lage sind diesen Zuwachs und dessen Korrektur am Monitor mit darzustellen erhalten wir eine Darstellung, die das wiedergibt was im Druck als Ergebnis zu erwarten ist. Copyright Hamillroad Software, Page 8 of 13 Andy Cave. January, 2005

9 Physical Model = Physikalisches Model Betrachtet man einen einzelnen Pixel, so kann dieser in verschiedene Bereiche aufgeteilt werden: G1v G2 G0 G1h Einzelner belichteter Pixel Wenn wir wissen welche Werte G1v, G1h und G2 sind können wir die Darstellung anpassen und den Zuwachs dazurechnen. Genauso wie für einen einzelnen Pixel, müssen wir uns Gedanken machen, was bei sich berührenden Pixeln passiert. G2 G1v G1v G1h G0 G0 G1h Zwei sich in der Horizontale berührende Pixel Anhand des vorhergehenden Bildes können wir erkennen, das die sich überlappenden Bereiche ignoriert werden können. In der Darstellung werden die Bereiche G1v oben und unten, G1h links und rechts und G2 in der Diagonale hinzugefügt. Alle sich berührenden Pixel haben solche sich überlappenden Strukturen jedoch sind diese in der Vertikalen umgekehrt angeordnet als in der Horizontalen. Wenn man alle theoretisch machbaren Konstellationen an Pixeln betrachtet erkennt man, dass es ebenso sich diagonal berührende Pixel mit abweichenden Überlappungen gibt: Copyright Hamillroad Software, Page 9 of 13 Andy Cave. January, 2005

10 G1v G2 D1 G0 G1h D2 G3 Zwei sich diagonal überlappende Pixel Wenn man den Pixeln einen Zuwachs nach den vorhergehenden Regeln hinzufügt ergibt es sich, dass ein bestimmter Bereich doppelt verrechnet wird (G3 rot). Dieser Bereich würde einmal bei G1v und ein zweitesmal in der Diagonale rechts unten von G1h berechnet werden. Deshalb ist es notwendig G3 bei der Berechnung nicht mit einzubeziehen. In der Folge ergibt sich bei einem bestimmten Muster an Punkten mit diversen Überlappungen folgende Vorgehensweise: G0, G1v, G1h und G2 werden addiert und G3 wird im Falle einer diagonalen Überlappung dann abgezogen. Tatsächlich ist es etwas einfacher, wenn man das ganze invertiert und dann den Zuwachs des Pixels zu sich selbst und der Umgebung betrachtet. Laut Definition kann ein Pixel nur nichts (wenn aus ) oder G0 (wenn an ) - in Bezug auf sich selbst- abbilden. Wenn also der Punkt G0 in Bezug auf sich selbst abbildet gibt es keinen weiteren Zuwachs der Teilpunkt ist 100% Vollton. In dem Fall wo der Punkt leer ist müssen wir nur den Zuwachs der Umgebungspunkte addieren. Dies kann mit dieser einfachen Formel erfolgen: a) Ein diagonaler Nachbarpunkt addiert den Teil G2, wenn der gegenüberliegende Teilpunkt leer ist (bei einem Muster von 2x2 Teilpunkten) b) Ein vertikaler und ein horizontaler Teilpunkt ergibt immer einen Zuwachs (G1v oder G1h) c) Wenn zwei diagonale Teilpunkte sich berühren muss immer G3 subtrahiert werden. Bei einer gegebenen theoretischen Stärke des Laserstrahles kann man sich eine Formel für G0, G1v, G1h, G2 und G3 ermitteln. Dieses Beispiel bezieht sich auf einen modulierten Laser (ein/aus für jeden Pixel). Wenn der Laser am Beginn ein und am Ende der Zeile ausgeschaltet wird so verändert sich die Mathematik leicht. Das physikalische Prinzip bleibt aber bestehen. Dieses Fallbeispiel ist korrekt, wenn der Laserstrahl eine Staärke kleiner 1 Pixel aufweist. Sollte der Laserstrahl größer sein, so kommt es bei gleicher Physik - zu einer Mehrfachzählung der sich überlappenden Bereiche. Copyright Hamillroad Software, Page 10 of 13 Andy Cave. January, 2005

11 Application = Die Anwendung Für ein gegebenes 1bit Bild, welches die zu belichtenden Daten wiederspiegelt (via Film/Platte/DI), kann man bei einer bestimmten Stärke des Laserstrahls die Parameter für {G0 bis G3} berechnen und hinzufügen. Das Resultat ist ein 8-bit Bild, welches die Wiedergabe auf Film/Platte/DI am Bildschirm wiederspiegelt inklusive Zuwachs. Dieses Bild kann am Monitor dargestellt werden. Softproof angepasster RIP Daten Wenn man sich einen Farbauszug in der Vergrößerung betrachtet sieht man den vom Progarmm berechneten und hinzugefügten Zuwachs deutlich. Vergößerung angepasster Darstellung der RIP Daten Copyright Hamillroad Software, Page 11 of 13 Andy Cave. January, 2005

12 Configuration = Konfiguration Es bleibt eine finale Frage zu beantworten: Wie finden wir für die Konfiguration die passende Laserstrahlstärke heraus. Die Lösung ist bei näherer Betrachtung sehr einfach. Betrachten wir den vorhergehend genannten Kalibierstreifen. Wenn dieser belichtet, gedruckt und vermessen wurde kann man die Daten im RIP hinterlegen und einen kalibrierten Streifen ausgeben. Da dieser Streifen auf dem gleichen Weg wie die Produktion- ausgegeben wurde spiegelt er sämtliche Parameter des Prozesses wieder. 50% Feld des kalibrierten Streifens, Am Messwert ist die erfolgte Korrektur abzulesen Es ist im obigen Bild folgendes zu erkennen: Der Tonwert des 50% Feldes ist aufgrund der Tonwertkurve im RIP auf 37,8% reduziert worden. Bei Ausgabe und Druck sollte das Resultat aufgrund der Tonwertzunahme wieder 50% sein. Wenn wir nun die Theoretische Lasertrahlgöße so verändern, dass im Programm 50% gemessen werden haben wir das System so geeicht, dass alle Parameter der Tonwertzunahme mit berücksichtigt wurden (Film, Platte, Papier, Farben, Chemie ). Copyright Hamillroad Software, Page 12 of 13 Andy Cave. January, 2005

13 Im folgenden Bild kann man sehen, dass der Laserstrahl auf einen Wert von 0,75 eunzustellen ist, um den korrekten Zuwachs zu simulieren. Da unser System jetzt exakt das wiedergibt, was im gesamten Prozess auf das 50% Feld einwirkt sollten alle anderen Tonwerte ebenso korrekt sein. Dies kann man leicht mit dem FirstProof Tonwert-Werkzeug nachprüfen. Im folgenden Beipiel gibt es für alle Tonwertfelder eine maximale Abweichung von ± 1% vom Zielwert. Im Mittel ist das ± 0,35% Abweichung. Das kommt im wesentlichen durch Rundungsfehler und kleine Messfehler zustande. 50% Messfeld mit der Darstellung des korrekten Messwerts im Tonwert-Werkzeug Summary = Zusammenfassung Der Vorteil in der Verwendung des Inverse Dotgain Tools in FirstProof ist es nun vor der Ausgabe auf Film/Platte/DI einen korrekten Softproof am Monitor vornehmen zu können. Dadurch erhält man Sicherheit und genauere Kontrolle im Prozess. Jetzt gibt es keine Entschuldigung mehr, es nicht gleich richtig zu drucken. Es gilt also: Before you print it, FirstProof it! ( German translation courtesy of Lacuna Solutions ( Hamillroad s dealer for Germany & Austria. Copyright Hamillroad Software, Page 13 of 13 Andy Cave. January, 2005