2020标准中的感知分辨率测量方法

感知分辨率，即感知细节的能力，是衡量整个输出系统能力的一个质量测度。它取决于输出系统的特性（不仅是寻址特性）、基材的特性、视觉条件以及观察者的特性。从形成的印刷图像对象看，感知分辨率主要取决于图像元素之间的色对比（差异），当图像中没有色对比时，便没有可测量的分辨率，也就没有感知的细节了。

影响印刷系统分辨率的三个主要因素是：输出系统能否保持印刷在承印物上邻近元素间所需要的空间分隔（输出系统的可寻址性表明最小空间分隔可达到的程度）；输出系统能否传递邻近元素间的色对比；人眼视觉系统能否感知印刷图像的细节。因此，感知分辨率测试图标的设计和测量评估过程必须反映这些因素。

1.对比度—分辨率测试图标

图5-11表明了人眼感知细节能力对空间频率的依赖性，图5-12则表明了对比度对人眼这种感知能力的绝对影响，图5-11和图5-12都显示了峰值视觉灵敏度在中等空间频率的特性。

基于此，ISO/TS 18621-31：2020标准采用如图5-13所示的感知分辨率测试图标。图中，每个圆环对称图案具有特定的采样（原稿数字）对比度和空间频率；同一行圆环图案单元具有相同的空间频率和不同的明暗圆环对比度，同一列圆环单元则具有相同的明暗圆环对比度和不同的空间频率，且每列圆环的空间频率和每行圆环的对比度数值分别以等对数间隔变化，以模拟人眼视觉的对数反映特性。该图标称为“对比度—分辨率测试图标”。

由于对比度—分辨率测试图标中的明暗圆环径向间的明暗过渡为非正弦变化的规律，而是“方波”变化的规律，所以一对明暗圆环周期对应的空间频率不是严格意义上的周/毫米（cy/mm），而是“线对数/毫米”，记为lp/mm。

对比度—分辨率测试图标中，圆环对涵盖的空间频率范围为0.63～6.23lp/mm，处于300mm和400mm视距下视觉感知的峰位频率与截至频率之间，环圆对的对比度则涵盖了采样可取的最大数值范围构成的对比，如100%的实地与0%的基材之间构成的对比度100，以及约58.43%与57.64%之间构成的约为1的最小对比度。该空间频率和对比度取值涵盖了一个印刷或打印系统感知分辨率的绝大部分空间频率和对比度的贡献。

该测试图标单元圆形对称的形状和对比度、空间频率取值范围非常适合数字印刷质量特征分析。

在很多印刷系统，全部的色调范围须由加网实现，而这种加网过程会严重影响输出的细节再现能力。因此，在使用图5-13的对比度—分辨率测试图标评估印刷图像质量时，不仅由图5-13中A列所示展示了实地色与基材对比构成的完全对比情况，且其他非实地加网的对比情况也得到了充分展示。

图5-13　对比度—分辨率测试图标

在印刷和打印输出过程中，成像原稿中细节的空间频率（对应于对比度—分辨率测试图标中的垂直轴信息）、印刷加网的空间频率（加网线数），或打印设备的寻址分辨率，它们相互作用，都对承印物上印刷图像的空间频率特征产生影响。为了减少这些因素对输出图像空间频率特征的不利影响，如图5-13所示的对比度—分辨率图标原稿为矢量稿。

对比度—分辨率测试图标首先可用于对印刷图像质量的视觉评估。采用的方法是：对输出的图标样品，从A列的顶部开始（最高的对比度）向下移动，找到能够辨认出圆形线的最高空间频率区域——没有线或空间缺失或重叠，云纹干涉的程度不使圆形变得模糊，记录下该区域对应的行号，为该列视觉感知的空间频率阈值。如此，在图标中可由各列空间频率阈值位置构成一个阈值曲线，阈值曲线包围的左上部图标区域面积即可作为印刷图像的视觉分辨率评分。如图5-14所示为一对矢量模式的对比度—分辨率测试图标以133l/inch加网后在1200dpi寻址精度的设备打印输出图样的视觉评估结果，标出了阈值曲线（白线）和其封闭区域（白线以上区域）。

图5-14　对比度—分辨率测试图样的视觉评估

2.感知分辨率分值

基于上述对比度—分辨率测试图标，ISO/TS 18621-31：2020标准提供了一种自动、客观的印刷图像感知分辨率的测量方法。

该方法最初由Liensberger开发，提出了视觉分辨率的单一分值评价法，该评分与主观印象具有较好的相关性。Uno 和Sasahara提出了这一方法的改进，完善了分辨率评分，成为该国际标准的基础，并进行了测试验证，包括使用这一改进方法对各种打印系统的图样进行了客观测量和主观评价，客观评分与主观感知显示了非常好的相关性。

自动、客观的印刷图像感知分辨率测量方法需借助高分辨率的扫描系统对印品图样数字化，再采用数字图像处理的方法得到感知分辨率评分分值。

该标准方法从原稿的选用与输出，到扫描成像与处理等，各个环节、步骤都给出了详细要求。

（1）图标原稿

印刷或打印输出的图像质量与设备应用方式和工作流程密切相关。

印刷和打印系统以固有的分辨能力实现单一着色剂（油墨、墨粉或墨水）的印刷成像，因此使用单一着色剂印刷输出的感知分辨率评估常用如图5-13所示的单色（常是黑色）的测试图标，标准提供的测试图标原稿名称为“ISO_ConRes20_SepK.pdf”。这一图标原稿常用于评估黑色文本输出的感知分辨率。

印刷和打印实际输出常是彩色图像，反映这类图像输出分辨能力的合理表征应使用所有印刷原色形成的对比度—分辨率测试图标，标准提供了相应的测试图标，原稿文件为“ISO_ConRes20_sRGB.pdf”。其中，每个圆环图案仍为非彩色的中性灰，只是由R=G=B并按照sRGB标准8位编码，输出时会由设备控制方式转换为各个减色着色剂的适当配比实现输出的非彩色，而不是像“ISO_ConRes20_SepK.pdf”原稿中仅对应一个着色剂的数量信息。原色间的套印精度对该感知分辨率评估影响显著。

印刷或打印系统输出阶调曲线的非线性化将导致对比度—分辨率测试图标的某些列（对比度）输出效果很好，而其他列则可能受损，从而导致分辨率测量值的整体降低。对印刷和打印系统的线性化是一个补偿阶调曲线非线性的过程，使系统的阶调输出表现为近乎一致的明度L*差异。一旦系统实现了线性化输出，可对对比度—分辨率测试图标的对比度数值提供最大可能的输出空间信息，图标图样的对比度变化更加符合人眼的感知特征，更能体现输出系统的分辨能力。因此，标准给出了具有等间隔明度L*变化的“ISO_ConRes20_Lab.pdf”图标，其中的中灰色CIELAB色度信息，可在色彩管理技术支持下输出与其L*值线性对应的色度，达到线性化输出的效果。

“ISO_ConRes20_SepK.pdf”和“ISO_ConRes20_sRGB.pdf”原稿的使用，反映的是输出系统实用条件下的分辨能力，不需对系统实施线性化过程。

对比度—分辨率测试图标的三个版本均以PDF格式提供，实现图案结构的底层代码为矢量规范，很大程度上独立于被评估打印系统的可寻址性。

（2）评估意图

设置了六种不同的评估意图，用于评价不同印刷或打印系统工作流程和评价目标的感知分辨率。前四种用于评价正常印刷或打印系统的分辨能力，后两种为用于工程评价的涉及线性化的评估意图。

第一种为特定设备系统的评估。是对单个印刷或打印系统在不同设置条件下输出分辨能力的工程评价，需要使用单一的扫描成像系统测评。该方法仅适用于单个印刷或打印系统不同状态的评估和比较，常用于评估系统稳定性决定的输出一致性。该评估意图可使用前述三种对比度—分辨率测试图标中的任何一种。

第二种为单色固有分辨能力的评估。此时，印刷或打印系统工作流程是提供由“ISO_ConRes20_SepK.pdf”原稿对应一个原色输出的对比度—分辨率测试图标，反映印刷单原色（通常选黑色）的本征分辨能力。这一评估过程避免了任何由于多个着色剂套印不准引起的分辨率的降低，并与文本内容或黑白图形输出的感知分辨能力表征相一致。该评估意图的实际输出过程中，需保证使用了单一原色着色剂。在大多数印刷系统中，这一过程可完全绕过系统的色彩管理系统，并使用印刷特定的单一黑色着色剂。如果信息没有绕过色彩管理系统，则可能会在测试图标的某些区域印刷或打印一些非预期的着色剂。因此，在该评估意图实施中，需注意测试图标印样的图像结构，以核实所有元素都为单一着色剂所印制。

第三种为彩色印刷实际分辨能力的评估。该评估使用“ISO_ConRes20_sRGB.pdf”图标原稿，评估实际的彩色图像输出分辨能力。该测试图标为sRGB编码，输出过程中由RIP的色彩管理系统将图稿中的RGB中性色解释为印刷或打印原色，由印刷或打印原色着色剂的组合形成输出的中性灰色（而不是仅仅使用K色着色剂）。因此，该评估结果与任何特定输出操作相关的色彩管理工作流程和再现意图直接相关。为了保证该评估的准确性，需为被评估的印刷或打印系统建立自定义的ICC配置文件，并应用于输出的色彩管理流程中。若输出的色彩管理流程中使用了非自定义的ICC配置文件，很可能造成输出的测试图样中灰色的色偏，将影响后续感知分辨率分值评价的准确性。(www.xing528.com)

在该评估意图的实施中，同样需注意测试图标印样的图像结构，以核实测试图使用了多种着色剂工艺印制。

第四种为标准化印刷彩色输出分辨能力的评估。标准化印刷如商业印刷、包装印刷等。该评估用于评价印刷系统模拟标准化印刷时的彩色输出分辨能力，而模拟的目的是利用被评估的印刷或打印系统的色彩复制能力，尽可能复制标准化印刷应有的色彩性能。该评估亦使用“ISO_ConRes20_sRGB.pdf”图标原稿。其sRGB编码被RIP中的色彩管理系统解释为标准印刷的中性灰色作为被模拟的颜色输出，进而由色彩管理流程进一步解释为被评估印刷或打印系统原色着色剂的组合而输出。其中，需用到标准印刷和被评估输出系统的ICC配置文件。标准印刷的ICC配置文件如商业胶印的“ISOcoated-v2.icc”、新闻印刷的“ISOnewspaper26v4.icc”、凹版印刷的“PSR_papertyp_V2_M1.icc”等。为了准确性，被评估输出系统需建立自定义的ICC配置文件。该评估意图的实施中，同样需注意测试图标印样的图像结构，以核实测试图印样使用了多种着色剂工艺印制。

第五种为印刷系统分辨能力的线性化单色评价。输出系统的线性化，最大化了测试图标的信息内容，更能体现输出系统的分辨能力。该评估以印刷单色体现，使用“ISO_ConRes20_SepK.pdf”图标原稿。在印刷或打印系统工作流程中，“ISO_ConRes20_SepK.pdf”图标中信息规范的线性化输出可在多个过程节点上完成。很多印刷或打印系统有一个内置的线性化系统（有时称为校准），可用于线性化输出目标的实现，通常由一个查找表（LUT）完成。如果不使用这个内置的环节保证输出的线性化，也可根据适当的测量过程提供线性化输出结果。在该线性化单色固有分辨率评价中采用的线性化方法是在“ISO_ConRes20_SepK.pdf”图标输出印样中以式（5-6）计量图标的目标明度：

式中，和分别为“ISO_ConRes20_SepK.pdf”图标印样中0%（基材）和100%（最大着色剂）色块的明度测量值，%dot则为图标上0%与100%之间的任意网点值。式（5-6）的应用，将图标印样上的测量明度转换为了与图标原稿信息线性化对应的目标明度值。针对该目标明度信息实施的感知分辨率的评估表征了单一着色剂在线性化印刷或打印系统的终极分辨率。线性化不代表印刷或打印系统的正常操作过程，此处的线性化应用仅为输出系统一方面分辨能力的评估而已。

第六种为印刷系统线性化过程的彩色分辨能力评估。与第五种评估意图使用了线性化过程的非正常输出阶调性能不同，这里使用CIELAB编码的“ISO_ConRes20_Lab.pdf”图标原稿，通过输出图样的测量L*值与原稿L*值间自然的线性化对应关系，用来实现等效线性化条件下彩色输出的分辨能力评价。“ISO_ConRes20_Lab.pdf”图中中性灰色的L*信息经输出的色彩管理系统作用，解释为印刷或打印原色着色剂的组合信息，实现与原稿L*值线性对应的中性灰输出，其中的色彩管理流程要求使用相对色度再现意图，被评估的设备需建立自定义的ICC配置文件。

（3）印制输出和扫描成像

根据评估意图选择相应的测试图标印刷或打印输出。输出应确保没有应用几何缩放和任何空间增强措施（锐化等），且输出系统应按与评估意图相符合的方式进行配置。

使用高分辨率的平板扫描系统对印制输出的测试图样扫描成像。成像时要确保扫描系统能准确地捕获图样的高分辨率光度信息，确保图样与扫描面板对齐放置，扫描控制参数需关闭任何空间滤波和色彩校正功能。

由于打印和扫描系统噪声的存在，评价采用多个打印样本的统计结果，以能更好地反映真正的分辨率性能。

该感知分辨率测量方法使用扫描仪为分析测量装置，替代人眼来评估。但只有扫描仪的能力足够高，且扫描仪的控制程序配置为提供原始图像，测试才能准确评估印刷图像的分辨率特性。

类似于5.2.2节中第2项内容（ISO/IEC TS 29112：2018标准的SFR倾斜刃边测量法）中对测试用扫描仪的要求，ISO/TS 18621-31：2020标准对使用的扫描仪及其控制方法的要求同样包括：传感器阵列的内插效应、阶调特性或光电转换函数（OECF）特性、扫描均匀性和时间稳定性、MTF特性和可用寻址能力，以及扫描仪的校准及精准提供CIELAB中L*值测量的能力等。有所不同的是，这里扫描仪的光电转换函数（OECF）不再是扫描图像数值与输出图样反射系数间的对应关系，而是扫描图像数值与输出图样的L*值的对应关系，且要求校准的误差小于1 个CIELAB-L*单位。此外，此处明确给出了对扫描仪细节捕获能力的要求，要求按照ISO 16067-1摄影规定方法评估扫描仪的MTF特性，并保证其空间频率为12cy/mm时的调制传递值为0.2以上。

在扫描实施的过程中，还要求扫描仪视场足够大，图样需放置于扫描面板中央三分之一面积处，以避免扫描仪MTF特性可能发生的重大变化。

此外，扫描采样分辨率至少为1200dpi，为了比较不同扫描系统的测量结果，所使用的扫描仪在可寻址性、光照、阶调范围、空间响应和光谱响应等方面均要具有相似的特性。

（4）扫描图像的转换

测试图样的感知分辨率分值计算基于图样本身的CIELAB的L*信息。因此，针对扫描获得的印刷检测图样的数字图像，需利用扫描仪的标定关系（光电转换函数——OECF），将数字图像的RGB数字值转换为L*明度值。

根据选用的测试图标原稿的不同，需使用不同的光电转换函数（OECF）。对于使用单一着色剂的“ISO_ConRes20_SepK.pdf”图标评估应用，应使用单一扫描通道信息（如绿色通道G值）的标定关系，即此时的光电转换函数（OECF）为校准色阶的扫描G值与其输出图样的L*明度值之间的函数关系，类似于图5-7（b）的一维关系，只是横、纵坐标分别为G值和L*值。对于使用彩色工艺的“ISO_ConRes20_sRGB.pdf”图标评估应用，需根据色度法形成校正后的L*a*b*图像来获得L*信息供分辨率评分使用。通常，由扫描图像RGB对应L*a*b*值的转换需采用色彩管理技术，由扫描仪的ICC配置文件将RGB扫描图像转换为L*a*b*图像。扫描仪ICC配置文件的制作可采用标准的摄影染料制作的色标（如柯达Q-60），或印刷输出IT8.7/4色标。IT8.7/4色标真正反映了印刷彩色工艺，以及印刷系统的UCR/GCR特性，能避免使用摄影的三色染料色标对四色印刷色彩扫描的同色异谱现象，测试图标印刷图样扫描转换的L*a*b*值更加准确。

（5）感知分辨率分值计算

与PDF格式的三个版本对比度—分辨率测试图标原稿一起提供的还有一个位图参考图像“ISO_ConRes20_Reference_1200.tif”，代表一台1200dpi记录精度的完美印刷或打印机的输出，由一台1200dpi分辨率的完美扫描仪扫描的图标数字图像，用于与1200dpi扫描的真实印样进行比较。此参考位图图像用于分析任何版本的对比度—分辨率测试图标。

针对扫描并转换为L*信息的测试图标数字图像，分析、计算得到感知分辨率分值的过程如下：

（a）单元识别。对于1200dpi扫描的图标印样图像，需确定每一个圆环单元的确切位置，以便将每个单元与参考位图图像中的相应单元进行比较。圆环单元位置及其感兴趣区域（ROI）的提取基于测试图中提供的相同的基准标记（每个圆环单元四周顶点处的圆点），这一单元位置的确定与对应参考位图图像中相应单元位置的重大误差将降低分析结果的准确度。

（b）空间滤波。为了模拟人眼视觉系统在40cm标准视距下的空间响应特性，对扫描的图标位图图像进行适当尺度的高斯空间滤波，使图像稍微模糊，并消除了印刷或打印系统可能呈现的结构，其在这个标准视距下人眼是看不到的。针对位图参考图像“ISO_ConRes20_Reference_1200.tif”实施同样的高斯滤波。

（c）归一化2-D互相关计算。针对空间滤波及对准后的图标印样扫描图像单元和相应的参考位图图像单元，进行两者间归一化二维互相关的计算，以度量两者间的相似度。互相关计算利用了一定范围的水平和垂直像素偏移值，足以容纳扫描图像单元和相应的参考图像单元之间的对准误差。

计算结果的互相关系数矩阵中，峰值的位置定义了扫描图像单元与参考单元对准应该使用的水平和垂直像素偏移量。同时，这个峰值的大小也反映了两个比较单元间的相似性。参考单元代表的是完美打印、完美扫描的图像，因而与之比较的相似性也作为被测单元的一个自有质量表征。

互相关计算的公式为

式中，α和β分别是扫描单元图像的水平和垂直偏移量，单位为整数像素； h和v分别参考单元图像的水平和垂直偏移量，单位为整数像素；g（h，v）和f（h，v）分别是扫描单元图像和参考单元图像；和分别是扫描单元图像和参考单元图像的平均值。求和中的x、y为对图像单元的全部像素求和。

（d）感知分辨率分值计算。由式（5-8）计算印刷或打印图标图样的感知分辨率分值：

式中，i、j为测试图像中圆环单元的行、列编号，Cpeak（i，j ）为第i、j个图样单元与对应参考单元互相关系数的峰值，简记为Cp，Rscore即为感知分辨率分值。

如上感知分辨率分值的计算过程也可针对未经空间滤波的测试图标扫描图样进行，则结果对应未计入人眼视觉空间响应特性的设备系统输出分辨能力。