Multiscale impact of the addition of a coating layer on the color of halftone prints
Impact multi-échelle de l'addition d'une couche transparente sur la couleur d'une impression en demi-ton
Résumé
The addition of a transparent coating layer over a halftone print can significantly change its color, even if the layer is perfectly clear and of similar roughness as the uncoated print. The objective of the present work was to understand, model, and evaluate the impact of the optical phenomenon at the origin of this color change for color management purposes in the printing industry.This color change is caused by the interreflections of light in the coating layer between the diffusing substrate and the coating-air interface. This lateral light propagation has a very specific ring-shaped point spread function caused by the angular dependency of the Fresnel reflectance at the interface between the coating layer and air. This ring-shaped lateral propagation enables light to meet various inked areas of the printed halftone pattern and be absorbed by them, which induces a darkening and a saturation of the color which can be seen as an additional optical dot gain for coated prints. We proposed a reflectance model for this optical phenomenon (that we have called halation phenomenon) which relies on multiple convolutions between the ring-shaped point spread function, function of the thickness of the coating layer, and the spatial and spectral intrinsic reflectance of the non-coated print.Two macroscale experiments were performed for verification of the model: the reflectance factor of centimetric and millimetric printed halftone patterns coated with various coating thicknesses were measured. These experiments enabled to validate the theory behind the halation phenomenon, both in the spectral and in the spatial dimensions.Simulations with the multi-convolutive model allowed to evaluate the impact of various printing parameters in the color change caused by the addition of a coating layer. In particular, simulations through a microfacet-based BRDF showed that the roughness of the coating-air interface had almost no impact on the halation phenomenon. The multi-convolutive model may then be applied to both glossy and matte coatings by adjusting, for each surface roughness, a parameter in the model which accounts for the light portion externally reflected by the interface towards the sensor.The halation phenomenon has been studied at the microscale for electrophotographic and inkjet prints. At this scale, the intrinsic reflectances of prints are impacted by mechanical and optical dot gains. To calibrate the multi-convolutive model, an apparatus was developed to measure the spatial and spectral reflectance factor of the prints: a multispectral microscope. This microscope captured pictures through rather small wavelength bandpass optical filters (25 nm), allowing to characterize the prints both spectrally and spatially. This apparatus was calibrated to find an agreement between microscale measurements, performed with the multispectral microscope, and macroscale ones, performed with a spectrophotometer.This setup allowed to calibrate the multi-convolutive model and to evaluate its accuracy for microscale prints coated with a 25 µm-thick lamination layer. The color difference between the predictions given by the model and the reflectance factor measurements of coated prints was in average ΔE=0.95±0.39 for electrophotographic prints and ΔE=0.68±0.28 for inkjet prints. These fairly accurate results make the multi-convolutive model a rather promising tool for color management in the printing industry. As the multispectral microscope used to calibrate the multi-convolutive model is a rather rare instrument, preliminary simulations are presented which attempt to use classical RGB microscopic measurements to calibrate the model.Knowing how the halation phenomenon impacts the color of various halftone patterns also paves the way towards security applications. An application is presented where it is shown that images can be hidden and revealed only by adding or removing a clear coating layer.
Ajouter une couche transparente (vernis, ou pellicule) sur un imprimé en demi-ton peut changer sa couleur, et ce même si cette couche est non-absorbante et de même rugosité de surface que l’imprimé sans couche transparente. L’objectif est de comprendre, de modéliser, et d’évaluer l’impact du phénomène optique à l’origine de ce changement de couleur afin d’améliorer la gestion de la couleur en impression.Notre théorie est que ce changement de couleur est dû à des interréflexions de la lumière au sein de la couche transparente, entre le support imprimé diffusant et l’interface avec l’air. Cette propagation latérale a une fonction d’étalement de point (PSF) très spécifique en forme d’anneau causée par la dépendance angulaire de la réflectance de Fresnel à l’interface. Elle permet à la lumière de se propager d’un motif imprimé à un autre et augmente la probabilité que la lumière soit absorbée par de l’encre. Ce phénomène, que nous avons appelé halation, sature et assombrit les couleurs de l’imprimé et peut être vu comme un dot gain optique additionnel causé par la couche transparente. Nous proposons un modèle optique permettant de prédire le facteur de réflectance d’un imprimé couvert d’une couche transparente prenant en compte ce phénomène. Il repose sur des convolutions multiples entre la PSF en forme d’anneau, qui dépend de l’épaisseur de la couche transparente, et sur la réflectance intrinsèque spatiale et spectrale de l’imprimé qui peut être évaluée avant ajout de la couche transparente.Deux expériences ont été réalisées à l’échelle macroscopique pour valider la théorie du phénomène de halation et sa modélisation multi-convolutive à la fois spatialement et spectralement. Elles ont consisté à mesurer le facteur de réflectance de motifs de demi-tons larges pour différentes épaisseurs de couche transparente.Des simulations via le modèle multi-convolutif ont permis d’estimer l’influence de différents paramètres d’impression sur le changement de couleur causé par l’ajout d’une couche transparente. Il a été en particulier établi que la rugosité de surface de la couche transparente n’avait pratiquement aucun impact sur le phénomène de halation et qu’ainsi le modèle multi-convolutif peut s’appliquer aussi bien à des couches brillantes qu’à des couches mattes.Ce phénomène de halation a été étudié à l’échelle microscopique pour des impressions électrophotographiques et en jet d’encre. A cette échelle les réflectances intrinsèques des impressions sont impactées par le dot gain optique et mécanique. Pour calibrer le modèle multi-convolutif un instrument a été développé pour mesurer le facteur de réflectance spatial et spectral des impressions : un microscope multispectral. Celui-ci prend des photos à travers des filtres optiques colorés de faible bande passante spectrale (25 nm). Il a été calibré de façon à avoir un accord entre les mesures microscopiques du microscope et celles macroscopiques d’un spectrophotomètre.Cet instrument a permis de calibrer le modèle multi-convolutif et d’évaluer ses performances sur des impressions de dimensions microscopiques pelliculées avec une couche transparente de 25 µm d’épaisseur. La différence de couleur entre les prédictions du modèles et les mesures était en moyenne ΔE=0.95±0.39 en électrophotographie, et ΔE=0.68±0.28 en jet d’encre. Ces résultats relativement précis font du modèle multi-convolutif un outil prometteur pour la gestion des couleurs en impression. Comme le microscope multispectral est un outil rare, des simulations préliminaires sont présentées pour essayer de calibrer le modèle à partir de mesures microscopiques RGB classiques.Les connaissances sur le phénomène de halation et sur son impact sur les couleurs de différents motifs de demi-ton imprimés pourraient amener à de nouvelles solutions anti-contrefaçon. Une application est présentée montrant que des images peuvent être cachées ou révélées simplement en ajoutant ou en enlevant une couche transparente sur une impression.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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