Принтеры изнутри: обзор технологий струйной печати
Если задать простой вопрос: «Кто сегодня больше всего думает о рисовании?» — кроме очевидных ответов (дети, художники), появится еще один. Это создатели принтеров, люди самых разных профессий, от физиков и конструкторов до химиков и программистов. Они готовят краски, «холсты», придумывают рисующие машины и всевозможные способы точного воспроизведения самых различных картин.
Поставим общую задачу создания изображения на бумаге. У нас есть распылитель — некое устройство, выстреливающее капли чернил. Есть сами чернила. И, наконец, программа — часть драйвера, которая управляет распылителем, и «говорит» ему, в какой момент времени какую краску надо наносить на бумагу.
Отсюда выводятся частные задачи. Распылитель должен быть как можно более точен. Его характеристики — разрешение печати и размеры капли, причем он должен уметь создавать капли разных размеров. Сегодня каждый производитель нашел свой подход к этой задаче, но суть фирменных технологий остается неизменной — распылитель должен быть гибким и точным.
Технология Epson Variable Droplet позволяет сплошные массивы быстро заливать крупными точками, а мелкими тщательно прорабатывать тонкие цветовые переходы и детали изображения в максимальном разрешении. Чуть позже для термопечати аналогичную задачу решили Canon и Hewlett-Packard. У Canon технология Drop Modulation предполагает использование двух нагревателей в каждой форсунке, при одновременном включении их образуется капля втрое меньшего объема, нежели в стандартном режиме. Скорость и точность «полета» капли были отдельным предметом исследования Canon, в результате чего дюзы форсунок получили звездообразную форму, а нагреватель перенесли к самому краю трубки. У компании Lexmark — свой оригинальный подход. Картриджи к современной линейке принтеров Zx5 имеют форсунки двух диаметров — маленькие, стреляющие 3-пикалитровыми каплями и большие — на 10 пиколитров.
P7049488.jpg
Точность распыления напрямую связана с разрешением печати. Которое, в свою очередь, зависит от точности механизма, количества дюз в распылителе и скорости выстреливания капель. Несмотря на разные подходы к формированию картинки, все производители вынуждены наращивать и точность механики и «скорострельность» печатной головки. Epson и Canon в последние годы увеличили разрешение до 2800 dpi, Lexmark — до 3600, а Hewlett-Packard — до 4800. Хотя в последних моделях НР этот режим используется только в случае высокого разрешения исходного файла-фотографии, от 1200 dpi.
Скорость печати нечасто бывает предметом отдельных исследований, считается, что по мере совершенствования головок и механики принтера постепенно растет и скорость (особо шустрые модели уже обогнали недорогие лазерники). Тем интереснее, реализованное в принтерах Canon BJC-5000/5100 решение. Две печатающие головки в них получили независимую «подвеску». Поставив два одинаковых картриджа можно вдвое ускорить печать. Допускаются и сочетания чернильниц — черная с цветной и цветная с фотокартриджем.
Параллельно с решением задачи оптимального размера капель, решается другая — «как наносить». Эту задачу выполняет драйвер — именно он определяет в реальном масштабе времени, сколько и куда надо «накапать» чернил. Наиболее оригинальный подход, пожалуй, предложила Hewlett-Packard — ее технология PhotoRet (Resolution Enhancement Technology) развивается уже не первый год и сегодня появилась четвертая версия — PhotoRet IV. Смысл этого подхода таков: перед тем, как распылять краску, неплохо подумать, как ее оптимально распылять. И НР предложила рисовать картину относительно большими точками, но цвет каждой точки выбирать из большой палитры. Для этого большая капля, попадающая на бумагу, формируется из нескольких мелких. Причем компоненты дозируются очень точно. Например, 9 частей черного, 3 — маженты, 5 — циана и 1 — желтого. В последних моделях принтеров HP печать ведется в шести цветах, и в итоге цвет каждой точки можно выбирать из палитры в 1,2 миллиона цветов. Конечно, это намного меньше, чем в стандарте TrueColor (16 млн. цветов), но в том-то и секрет, что, гибко выбирая цвет каждой точки, можно сохранить общую палитру, но значительно увеличить скорость печати. Мысль здравая. Но конечный результат НР примерно такой же, как у других производителей, а значит — это не единственный работающий метод.
| Вместе или раздельно? Позиция Seiko Epson такова: лучшая на свете технология не просто струйная, а пьезоструйная. То есть та, в которой основным двигателем распыления служит пьезокристалл — вещество, меняющее форму и объем под воздействием электрического тока. Если подать на кристалл импульс тока, он создаст в чернилах волну, которая достигнет дюзы и выплеснется из нее в виде микроскопической капельки. После чего сразу запускают обратный процесс (обратная волна), которая всасывает паразитные брызги, чтобы на бумаге получилась ровна капля, а не клякса. Главная достоинство технологии — повышенная долговечность печатной головки, поэтому ее встраивают в принтер (или совмещают с ним). По заявлениям Epson, ресурс печатающей головки равен ресурсу принтера. И это действительно так, если принтер используется регулярно, «голова» также регулярно промывается чернилами. Но, если по какой-то причине, принтер долго (больше месяца) не использовался, чернила в каналах засыхают. После чего их приходится долго промывать. В особо запущенных случаях штатные средства принтера не справляются, и тогда приходится менять в сервис-ценре засохшую намертво головку примерно за полцены принтера. Если засохла недорогая модель (до $100) проще сразу купить новую. Другой подход представляют Hewlett-Packard и Lexmark. Они, напротив, полностью отказываются связывать судьбу принтера с судьбой головки. Отчасти это объясняется применяемой технологией распыления — термоструйной. Здесь двигателем является нагревательный элемент, в последних моделях даже два элемента. Это микроскопическая «печка» мгновенно нагревает чернила, увеличивая их объем, от чего, по всем законам физики, чернилам становится тесно в канале и они вырываются из дюзы. А для подавления паразитных капель применяются разные способы — в частности, звездообразная форма дюзы. В принципе, на нагревателях также можно сделать головку с большим ресурсом, но это намного сложнее, чем в случае пьезотехнологии. Поэтому сторонники раздельного подхода создают относительно дешевые головки с маленьким ресурсом и встраивают их в картридж. Разумеется, это удорожает производство картриджей, но как показывают текущие цены, пользователю в любом случае приходится много платить. Кроме того, на рынке нет поддельных картриджей со встроенными головками, мошенники их не подделывают, а перезаправляют другими, явно неродными чернилами :). А главное достоинство такой схемы — если в печатной головке намертво засыхают чернила, пользователь в худшем случае лишается картриджа, а не принтера. Третий подход выбрали Canon и Xerox (не во всех моделях). Они предпочитают делать термоструйные головки с большим ресурсом (он также, по заявлениям производителя равен ресурсу принтера), но не жестко встраивать их в принтер, а «мягко» — головка снимается достаточно легко, и пользователь, в случае чего, может просто купить новую и самостоятельно ее заменить. Ее цена, конечно, не половина принтера, а гораздо меньше — примерно пятая часть. Так что в случае «мертвого засыхания» больших убытков не будет. |
Умный подход к формированию изображения на способе подготовки точек не заканчивается, а только начинается. И здесь, пожалуй, у струйной печати — самый большой резерв развития. Драйверы становятся все более «думающими». Они не просто распыляют чернила по шаблону из файла, но тщательно анализируют исходную картинку. Основной подход Epson к этой проблеме называется PhotoEnhance. При этом человек доверяет драйверу выстраивание цветов, отказывается от точной передачи цвета по какому-либо стандарту цветокоррекции. И надо сказать, что часто PhotoEnhance оправдывает высокое доверие. Есть примеры, когда анализ картинки позволял вытягивать совершенно неожиданные элементы изображения (подобная работа в Photoshop’е требует высокой квалификации). Мой личный пример — фотография старинного рояля. На исходном кадре крышку практически не видно, она находится в полном затемнении. Но PhotoEnhance так перераспределил свет, что на крышке проступил резной узор. Я даже не догадывался, не помнил, что он есть.
Т.е. получается, что драйвер «додумывает» за человека, как представить изображение наилучшим образом. И над алгоритмами «додумывания» трудится целая армия математиков. В частности, их труд направлен на восстановление при печати недостающих элементов, которые пропадают в низком разрешении. По сути, эта задача эквивалентна экстраполяции, но на практике решается более тонко — программа не просто анализирует ход имеющихся линий и продолжает их, она выделяет объекты изображения и стремится придать им определенную форму. В той же технологии Epson PhotoEnhance иногда можно наблюдать интересный результат, как драйвер, допустим, «подчищает» кожу, убирает ее мелкие дефекты. Т.е. он знает, что на картине присутствует человек. И его надо сделать красивым.
Hewlett-Packard решает эту задачу по частям. В состав последних принтеров НР входит соответствующий набор утилит: Contrast Enhancement, Digital Flash, SmartFocus, Sharpness и Smoothing (усиление контраста, цифровая вспышка, интеллектуальная фокусировка, резкость и разглаживание). Если выставить в этих утилитах режим «Auto», общая работа будет напоминать то, что делает Epson PhotoEnhance.
hp.jpg
Canon ограничивается вытягиванием оттенков и деталей картинки на особо темных и очень светлых участках с помощью своей Color Image Processing System (CCIPS). Для фотографий можно включить отдельную опцию фото-оптимизатора, где кроме традиционной цветокоррекции с учетом условий освещения и настройки контраста, есть и нетривиальные алгоритмы. Всем знакомы дефекты фотографий, сделанных против света — неестественно белое небо и, хуже того, сам объект съемки на первом плане бледный и неконтрастный. Или — цветовой шум, особенно заметный при съемке цифровой камерой в условиях низкой освещенности, когда однородный в оригинале фон замусоривается лишними точками. Полностью исправить такие дефекты сложно даже вручную (или придется повозиться над каждым фото час-другой-третий), но получить визуально приятные отпечатки можно автоматически.
Ни один производитель не решится утверждать, что его умные драйверы полностью устраняют проблему цветокалибровки — до этого еще очень далеко. Но, оказывается, если речь идет о печати фотографий, цепочку калибруемых устройств можно сократить до двух — принтера и цифровой камеры. Технология Epson PRINT Image Matching (PIM) фактически представляет особый язык, на котором общаются эти два устройства. Если точнее, цифровая камера сохраняет свои настройки вместе с кадром (гамма, цветовой баланс, насыщенность, яркость, резкость и т. п.) и передает эти данные принтеру. Все данные записываются в заголовке стандартного jpg-файла. Думаете, что для PIM’а нужен особо хитрый принтер, вроде Epson Stylus Photo 895, читающий кадры прямо с флэшек»? Спешу успокоить — технология работает и в привычном режиме, файлы можно загрузить с камеры в компьютер и затем уже вывести на печать. Только обрабатывать такие файлы в графических редакторах не стоит. Потому что еще одно преимущество «непосредственной печати» — в сохранении цветовой палитры YCbCr цифровой камеры, заметно более широкой, нежели цветовое пространство монитора (sRGB). Технологию PIM пока поддерживают исключительно последние модели Epson, то с цифровыми камерами дело обстоит проще — на инициативу откликнулись Casio, Nikon, Olympus, Sony и многие прочие известные.
Химия
Тот факт, что вслед за основным производителем совместимые чернила начинают смешивать десятки фирм, добиваясь вполне приличных результатов, не означает, что задача получения «правильной краски» проста, и в картридж можно залить чернила «Радуга». То есть залить-то можно, но на бумаге такие чернила расплывутся, а печатную головку очень скоро засорят. А ведь мы в требуем от чернил многого — достоверной цветопередачи, влаго- и светостойкости, они не должны сыпаться или наоборот насквозь пропитывать бумагу (в обоих случаях придется либо покупать очень дорогую бумагу с фирменным покрытием, либо без всякого удовольствия смотреть на отпечатки, сделанные на обычной). Наконец, любой современный принтер, обладающий большой скоростью печати, нуждается в быстросохнущих чернилах, иначе они просто-напросто смажутся в выходной стопке.
Чернильные проблемы каждая фирма решает по-своему. Например, Epson для повышения стойкости отпечатков экспериментирует с пигментными чернилами. Они давно и широко используются в черных картриджах, по атмосферной стойкости их можно сравнить с тонером для лазерных принтеров. Но цветные пигментные чернила проигрывают традиционным водорастворимым (dye-based) в части цветопередачи, да и механическая прочность покрытия получается невысокой. Крупные частицы пигмента плохо впитываются бумагой, и слой получается неравномерной толщины. Чтобы избавиться от этих недостатков Epson в своих чернилах ColorFast предложила измельчать пигмент до среднего размера частицы 0,1 мкм и заключать каждую частицу в оболочку из прозрачного полимера. Срок службы отпечатков заявлен нешуточный — до 200 лет, против 15 — у прежних водорастворимых чернил Epson Quick Dry.
Конечно, нужно делать скидку на вероятное рекламное завышение характеристик и существенно разнящиеся условия службы одних и тех же отпечатков. Пока могу только отметить, что чернила прежнего поколения были использованы мною для печати этикеток на принтере Epson Stylus Photo 700. Этикеток для домашних солений и вина, которые в условиях достаточно холодного, а потому сырого погреба совершенно потеряли краску. И на них уже нельзя было бы, не будь других отметок. Тогда как старые черно-белые «пигментные» отпечатки HP Deskjet 600 остаются читабельными в тех же условиях уже пять лет. Словом, если компания Epson добьется такой же стойкости и для цветных чернил, то честь ей и хвала.
HP, тем временем, продолжает «химичить», и в последнем Photosmart 7550 количество разных чернил доведено до семи! Считайте сами — один картридж с черными пигментными чернилами предназначен для быстрой печати стойкого ко всему текста, второй — с водорастворимыми чернилами трех основных цветов CMY-модели — для цветной графики, для печати фотографий служит третий картридж, содержащий светло-голубые, светло-малиновые и черные водорастворимые (!) чернила. При необходимости достоинства пигментных и водорастворимых чернил могут быть в прямом смысле слиты воедино.
Не менее круто замешивает чернила Canon. Чего стоит один только «оптимизатор чернил» — прозрачное вещество, заливаемое в отдельный отсек черного картриджа! При нанесении его на обычную бумагу перед печатью (естественно, точечно, в те же самые позиции, что будут покрыты чернилами) повышается водостойкость отпечатков, а более всего выигрывает режим черно-белой текстовой печати1.
Сервис
Как только в принтерах Hewlett-Packard появилось автоматическое выравнивание картриджа, оно казалось чем-то надуманным, почти ненужным. Не так часто необходима эта функция, чтобы серьезно к ней относиться. А сегодня, когда встречается принтер без автоматического выравнивания, смотришь на него как на недоделанного. Пока только Epson не стала применять эту технологию, Canon и Lexmark поняли, что это особенно полезно в принтерах, где приходится черный картридж менять на фото и наоборот. Думаю, если эту процедуру придется проделать всего два раза в день, вспомнишь автоматику добрым словом. А листа и чуть-чуть краски не жалко.
Кстати о Lexmark (поводов вспомнить ее до сих пор было немного): пока первая и единственная озаботилась автоматическим выравниванием бумаги, поставив вертикальный ряд роликов для «разворачивания» листа.
Не совсем к механической части принтера, а скорее к электронике, можно отнести встраиваемые уже во многие модели датчики типа бумаги. Два детектора определяют степень отражения и преломления света, заправленного в принтер материала, и передают результаты замеров в драйвер. А драйвер не только удивляет пользователя своей осведомленностью, но и автоматически подстраивает параметры печати.
Универсальные принтеры имеют дело с разными носителями будущей твердой копии документа: тут и рулонная бумага, и фотокарточки, и даже компакт-диски (например, для принтера Epson Stylus Photo 950). В идеале принтер должен иметь несколько входных лотков, дабы пользователь не тратил времени на смену бумаги, а для выбора нужного неплохо бы предусмотреть пару кнопок на передней панели принтера (чтобы не лезть в настройки драйвера).
Не такая эффективная в работе, но не менее любопытная технология Relay Feeding ASF — релейный узел автоподачи бумаги от Canon. Принтер запоминает длину первого листа печатаемого документа и подает последующие листы, не дожидаясь полной выгрузки предыдущего. Не бог весть, какое изобретение, и лазерные принтеры давно научились прогонять листы друг за другом, но секунду-другую в расчете на страницу этот способ экономит.
Никак нельзя и без мелочей, доставляющих приятные эмоции тестерам и пользователям (первым, пожалуй, даже в большей степени, потому что докапываться до иной особенности принтера — далеко не всякому человеку любопытно). Но, например, печать без полей, реализованная в отдельно взятых принтерах Canon, Epson и Hewlett-Packard — вещь крайне полезная. Причем не только для печати фотографий (здесь есть альтернатива для ленивых — встречается фотобумага с отламывающимися полями, так что даже и резак не нужен). Получить какой-нибудь чертеж или плакат метрового калибра, можно хоть на принтере формата А4 (разумеется, если делать это приходится эпизодически и «правильного» плоттера нет под рукой). Только традиционный способ омрачается потраченным на обрезку полей временем, «бесполевой» же метод прост — достаточно разложить фрагменты и прихватить скотчем.
Кстати, технологическая проблема, мешающая разрешить на всех принтерах печать без полей (по крайней мере, боковых) — в опасности залить чернилами валики, протягивающие бумагу. Epson ее решила напрямую, установив по краям формата поролоновые подушечки, собирающие лишние чернила. Не совсем, на мой взгляд, красивое решение, но у других тоже есть недостатки. У принтеров Hewlett-Packard бумага схватывается посередине, причем так жестко, что потом на отпечатке остаются крошки от резинового прижима. Причем, иногда из-за этого возникают дефекты печати.
Из почти «софтовых» удобств можно отметить HP Ink backup: когда вы доделываете свой проект поздно ночью и нет времени сбегать за новым картриджем, принтер может печатать черный текст, задействуя цветные чернила. Конечно, распечатка будет несколько сероватой, но все же лучше чем ничего, и гораздо логичнее поведения некоторых принтеров, отказывающихся даже опознаваться драйвером, когда одна из чернильниц опустела.
1. Несмотря на заманчивость этой технологии, в домашних устройствах она применения не нашла и используется сегодня в аппаратах бизнес-класса. Прим. ред. [вернуться]