カラー画像評価システム 大瀧 登 画像品質のよしあしを判定する場合，人の視覚系によ でシステムを構築している。スキャナにプリントサンプ る主観的評価法と物理量で表せる客観的評価法がある。主 ル③をセットし，パソコンからの指示によりプリントサ 観的評価法例としては，限度見本を作成し，プリントさ ンプルをスキャンし，プリントサンプルの画像データが れたサンプルと見比べてそのよしあしを判定する方法が デジタルデータに変換される。変換されたデジタルデー あるが，人によってその判定の再現性が異なるという問 タはケーブル④を介してパソコンに取り込む。取り込ん 題や作業能率が劣るという問題がある1）。計測値で表現で だプリントサンプルの画像データをパソコンのソフト処 きれば，その再現性や効率の問題が解消できる。 理で解析し，その計測値を算出する。 特に，画像品質の判定基準を製品の企画，研究，開発， 1 カラースキャナ 設計，製造，保守などの各工程で統一的な計測値で管理 できれば，最終ユーザに常に安定した品質の商品を提供 2 パソコン できることになる。この意味でも，安価で簡易な画質評 3 プリントサンプルを セット 価システムを開発することは我々にとって重要な課題で あった。 4 接続ケーブル 一方で，カラーの画像品質を評価する項目は多岐に渡っ ている。例えば，色再現範囲，階調性，装置の色経時変 化，色の均一性（色ムラ），光沢，粒状性（グレイニネ ス），色ずれ，印刷の位置精度，ピッチバリエーション， 図1 簡易型画像評価システム その他のノイズ系（かぶり，斑点，帯／すじ，残像，か スキャナの解像度は最高で1600dpiのものを採用して すれ，汚れ，など） ，解像度，シャープネス（文字／線の いるが，一般には解像度を高くすればするほどその読み 鮮明さ） ，などがある。 取り速度は遅くなってしまう。そこで，目的ごとに最適 色の測定に関しては，いろいろなものが市販されてい な解像度を設定するようにしている。 る。ハンディタイプの測色計から，X-Yスキャン付きで自 以下，色ずれ，かぶり，粒状性（グレイニネス） ，CTF 動読み取りが可能な測色計，X方向のみであるが1分間に （解像度），およびピッチバリエーションの画質の計測方 約900のパッチもの高速読み取りができるものまである。 法について説明する。 我々もこれらを用途によって使い分けている。 今まで主観的評価に頼っていた項目で，重要と思われ る画質要因を抽出し，定量値で計測できる画像評価シス テムを開発したのでここに紹介する。 この画像システムは現在製品開発／設計の段階で使わ 色ずれ タンデム方式の一つの問題として色ずれがある。カラー 画像を直接媒体に順次形成していくため媒体の送り速度 が均一でないと各色の印刷位置がずれてしまう問題である。 れており，成果を上げている。また，本システムは工場 世の中のタンデム方式カラープリンタ機は色ずれの自動 の試験工程でも使われていて工場出荷時の品質安定化に 補正機能を持ってはいるが，部品の精度の問題などがあっ も貢献している。 て完璧に補正することは困難であり，100μm程度の色ず れが発生していると言われている。 カラー画像評価システムの概要 68 色ずれの要因としては，媒体搬送の速度変動，レジスト 本システムの構成を図1に示す。一般に市販されている 速度変動，定着速度変動，駆動ギヤ精度，感光ドラムの カラースキャナ①を採用し，パソコン②に接続するだけ 偏心，負荷変動，温度上昇による部品の膨張，などが挙 沖テクニカルレビュー 2003年4月／第194号Vol.70 No.2 プリンティングソリューション特集 ● げられる。これら色ずれ要因を分析する上でも色ずれを 100 50 25 22 19 16 1 13 0 Kのみが等間隔に並べられている。 10 ンタ）Y（イエロー）の順に等間隔で並べられ，下部には 150 7 ターンの上部には，K（ブラック）C（シアン）M（マゼ 200 4 色ずれ測定に使用するパターンを図2に示す。色ずれパ 250 Scaner output 高速に測定する手段が必要となっていた。 Dots' position K1 C1 M1 Y1 K2 C2 M2 Y2 K4 C4 M4 Y4 K3 C3 M3 Y3 K5 図3 スキャナ読み取り値 A 160 200 140 図2 色ずれパターン スキャナ解像度は読み取り速度を考慮して400dpi（1 インチ当たり400ドットの解像度）に設定して色ずれパ ターンを読み取る。図2の矢印A位置を読み取り，そのう 180 160 120 140 100 120 80 100 60 80 60 40 40 20 ちK線のみを抽出したものを図3に示す。横軸が400dpi単 20 0 0 1 2 3 1 2 3 位（63.5μm）のドット列，縦軸がこれらドットのスキャ ナ読み取り値（輝度値）を表している。輝度値が高いと 線１の拡大図 線２の拡大図 ころは，色ずれパターンの白色部，輝度値が低いところ はK線を示していることになる。この輝度値が低いドット 各線の位置をミクロン単位で予測できる。これら位置を K1，K2，･･･，Knとして記憶しておく。 矢印A位置で読み取った他色のものも同様にして抽出 して，計測する。例えばC（シアン）線の輝度値が低い3 図5 する。 のを代用する。Kに対するCの色ずれ量ΔK/Ciは，次のよ 51 46 41 36 31 26 位置（mm） 点からC線の各位置C1，C2，･･･，Ci，･･･，Cnを算出 C1位置に相当するK位置は， （K2−K1）を4等分したも 21 16 近似曲線を求め，最小輝度値を計算する。これによって 6 キャナ輝度が小さな3点を抽出し，その3点の輝度値から 40 20 0 -20 -40 -60 -80 1 そこで，色ずれ精度を高めるため，図4に示すようにス 色ずれ量（μm） しては63.5μmになってしまう。 11 図4 線1の拡大図 線2の拡大図 間のピッチを計測して位置を算出してもよいが，精度と 色ずれ周期 れ量と画像評価システムで計測した色ずれ量はほぼ一致 した値を示した。 うになる。 ΔK/Ci ＝Ci−Ki−（Ki＋1−Ki）/4 同様にして，Kに対するM，Cの色ずれ量ΔK/Mi，Δ K/Yiも求めることができる。 かぶり かぶりとは，本来印刷されてはならない用紙の白地部 にトナーが微量転写されてしまい，白地部が多少汚れて ΔK/Mi ＝Mi−Ki−2×（Ki＋1−Ki）/4 灰色に見える現象のことを言う。かぶりは画質の総合評 ΔK/Yi ＝Yi−Ki−3×（Ki＋1−Ki）/4 価値を決定する上で重要な画質パラメータとされている。 このようして計測された色ずれをグラフ上にプロット 下地（Background）の汚れの度合いを表わすものとし すると図5のようになる。図5から，色ずれに周期性があ ては，プリントサンプルの白地部の濃度値と印刷されて ることことがはっきりしている。これをさらに周波数分 いない用紙の白色部の濃度値を相対比較して行う方法が 析すれば，その要因などが解析できることになる。 ある。しかし，極少量のトナーによる灰色であるため，濃 なお，光学顕微鏡を用いてマニュアルで測定した色ず 度値としては本来の白色とほとんど変わらない濃度値を 沖テクニカルレビュー 2003年4月／第194号Vol.70 No.2 69 示し物理量としての比較にならないことが多い。そのため， この関係をパソコンに記憶させておき，計測したσ値 各種段階の限度見本を用意し，プリントサンプルと見比 から限度見本レベル値に置き換えることとした。こうす べて，主観的な評価を行っていることが現実である。先 ることによって，従来から使ってきた限度見本方式の継 に述べた通り，主観的評価方法にはいろいろな問題がある。 承ができるとともに，個人差が現れる主観的評価から，計 また，トナーの粒子サイズが異なると，同じ濃度であっ 測値による客観的判断に委ねることができる。 ても見え方が違ってくるという問題も潜んでいる。 粒状性（グレイニネス） プリントサンプルのかぶり部をスキャナ（解像度 1200dpi，モノクロモード）で読み取って，その読み取 オーディオ機器における音質の劣化要因として，ノイ り値，すなわち輝度値の分布をグラフにすると図6のよう ズがあるのと同じように，画像においてもその品質を劣 になる。かぶり部は微量なトナーが用紙上に分散してい 化させるノイズ問題がある。電子写真においてはトナー るため，そのトナーを読み取った部分の輝度値は白色部 粒径が銀塩や印刷などに比べて大きいため，紙上のトナー の輝度値よりは小さく，逆にトナーが存在しない白紙部 で形成されたドットは粒状に分布している。また，その の輝度値は大きくなって表れる。 大きさがまちまちに分散していて画像上にざらつき感と これらの全輝度値の平均値をDとすれば，標準偏差σは して現れる。このざらつき感のノイズを粒状性（グレイ ニネス）と呼んでいる。カラー画質を評価する中で，最 次式で求められる。 も重要な画質パラメータの一つである。 2 σ＝ ｛Σ （Di−D） ｝/（N−1） この粒状さはトナーの粒状分布のばらつきとして表れ ここで，Nは輝度値の総サンプル数，Diはスキャナで読 ているので，各ドットの濃度分布のばらつき，すなわち み取った各輝度値を示す。σを求めれば，平均値からの 標準偏差σを求められれば，粒状性を計測できることに 散らばり方が得られる。小さい輝度値が増えれば，輝度 なる。 値のばらつきも大きくなり，標準偏差σも大きくなる。 微量なトナーのチリなどを読み取る必要があるため，ス キャナの解像度は最大の1600dpiとする。 図8にスキャナで読み取った画像データの拡大図を示す。 白紙部 300000 200000 このように，実際の印刷物の各ドットはある傾き，いわ ゆるスクリーン角度をもって配列されている。このスク かぶり部 205 210 215 220 225 230 235 240 の最小輝度点（濃度最大点）を求める。図8の塗りつぶし 245 リーン角度を求める必要がある。画像データの中央付近 0 250 100000 255 度数 400000 枠の黒点がこれに該当する。中央のドットはこの塗りつ スキャナ読み取り値 （大←）輝度値 図6 かぶりサンプルの輝度値分布 この標準偏差σでかぶりの物理量を代用できないか検 討した。我々が今までに使用してきたかぶりの限度見本 θ2＝97.125° をこの画像評価システムで読み取り，標準偏差σを求めた。 限度見本レベルとσとの関係をプロットすると図7が得ら 標準偏差（σ） れた。 θ1＝7.125° 14 12 10 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 限度見本レベル値（→良） 図7 70 限度見本レベルと標準偏差σの関係 沖テクニカルレビュー 2003年4月／第194号Vol.70 No.2 図8 画像データの拡大図 プリンティングソリューション特集 ● Ave＝（ΣDn）/N N：総ドット数 2 σ'＝ ｛Σ （Ave−Dn） ｝/（N−1） このσ'値が大きいと言うことは，各ドットのばらつき が大きい，すなわち粒状性（グレイニネス）が悪いとい うことになる。 ここで，濃度値がそれぞれ0.15，0.22，0.29，0.35の 各プリントサンプルをスキャナで読み取り，そのσ'値を 求め，その濃度とσ値の関係をプロットすると図11に示 す結果が得られた。 P(y) 0.020 スクリーンの模式図 標準偏差σ 図9 j=8 0.018 0.016 0.014 0.012 0.010 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 濃度値 I i=8 図11 濃度とσとの関係 図11から濃度値とσは比例関係にある。この比例式 から，求めたσ'を濃度0.30に相当するσ値に換算するよ うにした。同じハーフトーンの画像を各社の装置で印刷 しても，濃度は装置によってかなり異なる。他社機との 図10 枠とピクセルの関係 比較も行えるように濃度0.30のσ値で粒状性（グレイニ ネス）を代表するようにした。 ぶし枠で囲まれることになる。この中央点から各角度の また，我々は今まで粒状性（グレイニネス）の評価は 輝度値の総和を計算し，この中からその最小値を検索す 限度見本との比較で行ってきた。この評価法との継承も ることによって2本のスクリーン線が求まる。図8の例で あるので，レベル3∼10の限度見本のσを求めてみた。そ はθ1＝7.125°とθ2＝97.125°が求まる。 の結果を図12に示すが，反比例関係を示している。 これを模式的に示すと図9のようになる。図8の中央塗 りつぶし部の形をさらに拡大したものを図10に示す。図 かぶりの場合と同様に，計測したσ値を限度見本レベル の値に置き換えて使用することとした。 10に示す一つ一つのマス目がスキャナの画素（ピクセル） Magenta Graininess限度見本と濃度0.30σとの関係 図10の例では，1ドットが8×8＋1＝65ピクセルで構 成される。各ピクセルの輝度値P（i, j）から1ドットの濃度 値D'を計算する。濃度とは光の反射率を対数にしたもの である。その定義から次式が得られる。なお，濃度値は 単位を持っていない。 D'＝−log［｛ΣP（i, j）＋P（y）｝/（65×255）］ （ i＝1∼8, j＝1∼8, P（y）･･･図10参照 ） 濃度0.30σ に相当する。 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 3 4 図12 5 6 7 8 9 限度見本レベル値（→良） 10 限度見本レベルとσとの関係 スクリーン角度が分かっているので，図9に示す各枠の 濃度値も同様にして上式から求めることができる。 求められた各ドットの濃度値Dnから全濃度値の平均値 Aveと，そのばらつきを表す標準偏差σ'を求める。 CTF（解像度） CTFとは，Contrast Transfer Functionの略であり， プリンタの解像度の実力を調べる上で，重要な印刷品質 沖テクニカルレビュー 2003年4月／第194号Vol.70 No.2 71 エーションという。印刷機構の駆動系の部品（例えば の指標である。 CTFの算出方法は，図13に示すような線間距離が小さ モータ，ギヤ，ローラ等）が原因であることが多い。本 く（例えば0.1mm） ，均等間隔で並んだ線郡の画像を印刷 現象が発生した場合，駆動系のどこに問題があるか解析 する。 する必要がある。 Dmin（白地） Dmax（線） ← 主走査方向 → 図13 CTFパターン そのプリントサンプル画像をスキャナで読み取り，黒 色部の線濃度をDmax，線間における用紙の白地部の濃度 図15 ピッチバリエーションサンプル をDminとすると，CTFは Dmax − Dmin CTF＝ ×100 Dmax ＋ Dmin この画像評価システムはピッチバリエーションが発生 したプリントサンプルを読み取り，フーリエ変換を用い て測定データを解析し，現象の発生原因を解析すること で表される。 しかし，上記濃度を一般に使われている濃度測定器で 測定するには高価なマイクロ濃度計が必要になり，また もできる。 ここで，フーリエ変換とは，信号処理の分野でよく使 われているものであるが 2），信号の周波数特性を調べる際 線群が多くなるにつれて作業時間もかかってしまう。 この画像評価システムは，線間距離が小さくても，多 くの線を一括して計測できるシステムである。 に用いられる計算方法である。信号のサンプリングデータ に対して，級数計算を行うことによって，スペクトル図 スキャナから送られたデジタルデータ（輝度値）を濃 度値に変換しプロットすると，図14のような波状形状と が作成され，この図から現象の周波数特性を調べること ができる。 なる。この図の山頂がDmaxに当たり，谷底がDminに当 この画像評価システムではスキャナによって生成され たる。これらDmaxとDminの各々のペアからCTFを求め たデジタルデータをサンプリングデータとし，このデー ることができる。 タをフーリエ変換することにより，画像に発生している 周期的現象を周波数特性から解析する。 濃度 D max 0.700 図16は85μmピッチでドットが形成され，かつ，ピッ 0.600 チバリエーションが発生したプリントサンプルをこの画 0.500 像評価システムで処理し，作成したスペクトル図である。 0.400 グラフ中では，周期85μmにおいて突出した部分が見 0.300 られる。この突出した部分を一般にパワースペクトルと 0.200 呼ぶ。周期85μmにおけるパワースペクトルはプリント 0.100 D min サンプルのドットピッチを示している。理想的にはドッ 0.000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 ←主走査方向→ 図14 線群の濃度 トピッチを示すパワースペクトルのみが現れていれば問 題はないのであるが，それ以外に周期0.37mmでパワース ペクトルが見られ，これがピッチバリエーションを示し ている。このことから，周期0.37mm特性を持つ，駆動系 ピッチバリエーション 印刷品質の問題の一つに，図15のように細かな周期の すじや帯が現れるという問題がある。これをピッチバリ 72 沖テクニカルレビュー 2003年4月／第194号Vol.70 No.2 の部品（ギヤ，ローラ等）が印刷画像に何らかの影響を 与え，ピッチバリエーションの原因となっていることが わかる。 プリンティングソリューション特集 ● 周期0.37mm （ピッチバリエーション） 周期0.085mm 16.000 パワースペクトル 14.000 12.000 10.000 8.000 6.000 4.000 2.000 0.000 0.01 0.1 1 周 期（mm） 図16 スペクトル図 お わ り に カラー画像評価システムにより，主だった画像評価項 目は計測できるようになった。今後は，さらに評価項目 を増やしていくとともに，心理要因による画質のよしあ し（きれい−きたない，コントラストの良否，立体的− 平面的など）を本システムで計測した定量値で判定でき るような画質総合評価システムへと進化させていく予定 である。 ◆◆ ■参考文献 1）電子写真学会編：電子写真技術の基礎と応用，コロナ社， p.704 2）中村尚五：デジタルフーリエ変換，東京電機大学出版局， pp.2-7 ●筆者紹介 大瀧登：Noboru Otaki.株式会社沖データ アーキテクトグループ チームリーダ 沖テクニカルレビュー 2003年4月／第194号Vol.70 No.2 73