打印设备进化的有趣历程

By | 2016年3月18日11:42:26

在今天人们享受手机屏幕视网膜的精细画质的时候,其实有一个领域的产品,打印设备,它们的输出精度一直非常高,并且为此无数人发明了一系列办法来让我们得到更好的输出质量。几十年竞争的结果是一个年度产值达千亿美圆的文印市场。打印的产品从历史上来看产品类型众多,受到篇幅的限制不可能写的太长,所以这里我们尽可能简化,来看看不同的打印类型以及他们怎么进化到今天的。

由于历史的原因,很多产品的图片我们能找到的并没有达到今天“高清大图”的质量,还请诸位读者见谅。

打印机的鼻祖

在 打印出现之前,只有复印。为什么?因为打印的另一头,也就是计算机,还没太多图形能力,作为一种稀有的产品,价格昂贵,因此只是用来执行计算。这时候的计 算机,其实输出的并不是今天常见的文字与图形,而是一串串有空的卡片,这种输入输出设备在个人看来是打印机的鼻祖。

早期计算机的输入输出与存储设备:打孔卡片

这些孔的意义本身不是今天去形成图案,而是数据存储和打印指令的输入输出,这种东西叫做Punched Card,中文就是打孔卡片。从这个意义上讲,用沟槽深浅来纪录数据的光盘,算是早期输入输出设备的另外一个方向的进化。

打孔卡片孔位的定义打孔的卡片对人来说基本很难识别,需要寻找方法让计算机输出人能识别的字符。我们这篇文章基本都是讲留存到今天的主流打印设备如何进化的,基本包括两个方面,一方面是打印技术本身,另一方面则是打印语言,我们希望能够系统的说出它们出现的历史进程。、

针式打印机的出现

针式打印机是中文的形象化说法,如果说学名,可能还是称之为点阵式打印机(Dot Matrix Printer)。针式打印机的原理很简单,针头敲击有色料的色带,就会像复写一样在纸面留下一个点,这些点的组合之后形成图案,这个道理上很多打印设备都是一样的。

最原始的针打:OKI Wiredot,现在看起来充满了机械感

世 界上第一台针式打印机的发明企业是日本的OKI,产品名字叫做OKI Wiredot,诞生于1968年。在2013年,因为这个发明,OKI获得了日本 的Information Processing Society of Japan的奖项。针式打印机的工作原理决定了速度并不快。

Centronics找日本兄弟OEM的针打上面最早出现了并口

并口旁边都带有打印机的图标,成为了后来工业标准

苹果早期的Dot Matrix Writer针式打印机,那时候苹果的商标是彩色的

早 期的针式打印机速度是180cps,今天的产品其实也就几百cps,将近半个世纪打印速度也没质变,究其原因,恐怕现在的高速针打应该已经接近机械的极 限。针式打印机打印机带给行业的大贡献是1970年的Centronics找日本的兄弟OEM针打的时候,为了面向低端市场,所以推出了一个成本很低接口 -并口。在之后很多年,并口一直都是连接打印机的主要接口,直到USB的出现。

撞击的力度,也就是能穿透多少层单据保障最下面一层的清晰度,依旧是重要指标

针打由于噪音、清晰度、速度的问题,已经淡出了主流的打印领域。但是由于其独有的撞击压力形成图案的特性,在多练票据等行业非常受欢迎。

激光打印及发展(一)

说起激光打印的起源,就必须得说到施乐这个伟大的公司,它在Pala Alto发明了太多影响到今天的划时代意义产品。图形界面接口、鼠标、复印机以及我们今天使用的激光打印机。甚至在美国英语里面,Xerox这个施乐的商标就有复印的意思。

在激光蓬勃发展的时代,施乐的研究员Gary想到了用激光直接成像的方式

故 事从1960年代说起。那时候的施乐在静电复印机领域处于市场的绝对优势地位。1969年,在施乐研发部门的Gary Starkweather想出了将 激光束直接投射在感光鼓上绘图的方式。而在当时,激光器也就发明了不到10年。Gary Starkweather很快就在施乐的PARC研究如何用激光 束直接在施乐7000的感光鼓上成像,这种方式被称之为扫描激光输出终端(Scanned Laser Output Terminal,SLOT),当 时并没有今天打印语言这些概念,所以还要加一个字符的库,才能实现打印。

IBM早期的激光打印机3800,速度非常快,这一点可能是有些人没想到的,会以为早期的激打很慢

早期激打的纸路,那时候的感光鼓巨大,且使用的是连续纸,而非今天切割过的A4纸

然 而第一台商用的激光打印机并不是施乐推出的,而是IBM在1976年发布的3700,当然IBM现在早已经剥离了打印机业务,变成了利盟,这是后话。很多 人认为最开始激光打印机一定很慢,这并不正确。IBM 3700是给数据中心设计的,目标是进行快速的连续纸打印。后续版本IBM3800,具有 215PPM的超高速度,打印精度240dpi(今天普遍是600dpi或是更高),这个打印速度就是放在今天依旧是非常快的,属于生产级的产品才有的指 标。

打印设备进化的有趣历程

施乐9700打印机,同样体积巨大

虽然IBM的3700发布的更早,但是卖的最好的却是施乐1977年的9700激光打印机。这种打印机是基于当时施乐9200复印机升级,使用激光引擎成像的新产品,具有一定的字体文件加载能力,当时施乐9700的销售非常火爆。

激光打印及发展(二)

70 年代末到80年代初,计算机正在小型化,比如Mac和初代IBM PC的诞生。那么问题来了……能否将打印机也小型化?在太平洋西边的佳能也在研究如何使 用激光打印技术成像,并且也推出了自家的第一代打印产品佳能LBP-10。佳能的工作不止于此,佳能还积极的研究如何将激光打印引擎小型化,前面一章的图 片大家都看到了,最早的激光打印机都很大……

打印设备进化的有趣历程

佳能第一代激打LBP10,体积和今天的复印机差不多,依旧很占地方

打印设备进化的有趣历程

当时价值17000美元的施乐工作站,显示器右边是当时捆绑佳能CX引擎的激光打印机

1979 年佳能在小型化的工作取得了进展,开发出来名为Canon-CX的打印引擎。不过当时佳能在美国没有什么计算机领域的客户,为了把激光打印机卖给客户,所 以当时佳能在硅谷找了三个企业合作,为他们提供打印引擎,这三个企业中一个是惠普,一个是苹果,另外一个是施乐的一个分支机构。当是施乐也做计算机工作 站,叫Xerox Star 8010,用了佳能CX引擎的打印机是搭伴销售的,但是价格非常昂贵,达到了17000美元,那时候美元的购买力要比今天高 得多。

打印设备进化的有趣历程

已经小型化的使用佳能CX的惠普初代LaserJet

知 道1984年,佳能与惠普合作的结晶LaserJet才正式发布,这是第一款面向大众的小型化桌面激光打印机,打印引擎依旧是佳能的CX,惠普开发控制软 件,因此直到今天惠普的正品硒鼓,依旧Made in Japan……佳能的CX打印引擎在设计的思想上并未脱离复印机,因此感光鼓的直径很大,鼓的周长 要比纸长一些,不像今天的硒鼓在打印一张A4纸的时候要转好几圈,后面涂层技术的改进才让今天的感光鼓直径变细。

打印设备进化的有趣历程

贴标苹果LaserWriter的佳能CX,可以看到几个产品基本长相相似度很高,毕竟核心是一样的

1985 年,划时代意义的产品与应用出现了,苹果发布了同样基于佳能CX引擎核心的激光打印机LaserWriter,在硬件的发布的同时,苹果还发布了 PostScript页面描述语言。这种语言能够支持复杂的软件,PS允许进行文字、图像、色彩、字体等多种多样的输出方式,并且是一个独立的软件,可以 支持苹果LaserWriter之外的打印机品牌与产品。

打印设备进化的有趣历程

惠普LaserJet5L上面的激光发射与控制单元,可见集成度已经很高了

使 用过Windows显示器的都知道,Windows的显示器Gamma是2.2,而苹果的电脑从一开始到现在都是1.8,而苹果的打印机也是1.8,这样 就相当于有了个“色彩管理”,显示和输出的一致性比PC高很多,从那个时候开始苹果就在制图等领域牢牢确立了领先。

激光打印机及发展(三)

光栅引擎,是一种把计算机内部的数字图像,转换成感光鼓上激光放电点阵图像的工具。计算机处理的时候很多时候都并非点阵化的图像,而光栅引擎就负责从各种数学曲线到点阵位图的转化。

打印设备进化的有趣历程

内置Motorola的处理器,让苹果打印机的处理速度超过当时的电脑,价格自然也贵

当 时除了苹果的PS之外,惠普开发出来了今天著名的PCL。这些渲染的引擎都集中在打印机内部,比如LaserWriter内部使用的处理器就是一颗摩托罗 拉68000处理器,频率12MHz,这个处理器的速度其实比当时的Mac电脑还要快……这与今天很多高级打印机是一样的,里面有CPU、内存、硬盘。

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到今天打印的时候也不是覆盖完整纸面而是有白边不打印

前 面说了,激光打印当时的鼓很大,必须一次就生成整个页面,如果以600dpi的精度输出,一个黑白打印的光栅化之后的页面文件容量为4MB。当时的问题 是:能不能用1MB的内存存储一个整个300dpi的A4页面?如果满页面输出,8.5X11英寸点阵对存储的要求超过了1MB,所以当时的办法是纸张留 一圈0.25英寸的白边区域不是打印区域,这样能做到1M内存存储下1张300dpi的页面,4MB存储CMYK的彩色图像。为什么这么纠结?因为当时的 内存价格非常昂贵,桌面或者说个人来说打印的产品显然不能价格因为内存的原因过于价格高昂。

打印设备进化的有趣历程

Adobe的PS3打印语言在今天依旧足够强大,尤其是字体用贝塞尔曲线生成

因 为PS打印语言依赖处理器这些硬件,所以直到今天,依旧只有高级一些的、机身带有渲染引擎的打印机才会配置PS打印功能。第二代的 PS(PostScript Level2)打印语言在1991年发布,提供了可用性等性能指标,加入了解压缩的能力(可以直接打印Jpeg这种压缩过的 图片),支持复合字体,并且能够让打印机缓存有用的数据。在1997年发布的PostScript3,加入了允许使用色彩空间等特性,一直用到了今天。

从喷墨打印到PCL打印语言

我 们先要定义什么是喷墨Print,因为Print本身除了今天的打印,也有印刷、印制等等含义。早期就发明了用虹吸的办法连续纪录电报的机械,真正商业化 的机器则是1951年西门子销售的。当时以施乐9700为代表的激光打印机又大又贵,所以想要寻找一种更便宜的打印方式。

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佳能最早的喷墨打印机,设计结构上还有针打的遗风

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热发泡打印的原理:红色的电阻加热墨水到沸腾

上 世纪七十年代末期,惠普与佳能都开展了基于热发泡基于微小墨滴组合图案打印设备的研究。惠普的Vaught发现用薄的电阻可以产生足够的热量进行喷墨打 印,这种方式成本更低、速度也可能更快。到了1980年,惠普和佳能才发现对方都在从事这方面的研究。而我们熟知今天爱普生和兄弟则是使用微压电技术进行 打印,在喷嘴后面用压电元件造成形变,进行微小墨水的挤出。

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1985-2006:惠普喷墨产品热发泡打印头的进化历程,后面已经实现模块化

跟激光打印不同,喷墨打印不存在要一次生成整个页面的问题,因此就不需要多大的内存。第一代产品到今天的变化只是工艺的进步,让墨滴更小(目前最小1pl),精度更高,并且可以通过更多墨水的配置实现极高的照片打印质量,这是激光打印永远也做不到的。

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惠普给早期的ThinkJet配置了PCL1打印引擎

惠 普在发布ThinkJet2225的时候,给这款产品配置了初代的PCL1打印语言,可以打印字母和图形,打印精度150dpi。PCL2则加入了电子数 据传输处理的功能。而到了PCL3的时候,则是伴随初代LaserJet激光打印机出现的,加入了位图字体并将打印分辨率支持到当时的300dpi,当时 的LaserJet能一张纸打印各种字体,惠普一举奠定了在打印领域的霸主地位直到今天。

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早年惠普彩色激光打印机当中负责渲染PCL5c以及PS3的引擎

从 这个时候起,惠普PCL打印语言作为关键的光栅化引擎,就在一直在不断进化。1985年发布的PCL4支持了更大的位图,到今天很多设备还在使用 PCL4。PCL5发布在五年之后的1990年,则增加了字体字体构建等功能。1992年发布了今天我们都熟悉的PCL5e,e则表示enhanced, 是一种增强版本,加入了对Windows字体的支持。同年的PCL5c则加入了对彩色的支持。

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技术的进步:惠普现在的一体机主板,各种打印与运算都从容处理

今天很多惠普打印机使用的PCL6则是在1995年发布的,到今年已经21年,这之后并未有什么进步。PCL6在当时是完善作用,因为在1995年的时候, 内存的价格已经下降很多,不再成为束缚PCL这种渲染引擎的因素。PCL6进一步对打印性能进行了优化,可以让打印复杂图形的速度更快,并优化在网络打印 的时候数据流的传输效率,在那个时代的LAN的速度也不快,尤其有的还是局域网还在使用广播式的Hub而非交换机

Windows与GDI

Windows最早我们用过的版本是3.1,但是并不成熟。虽然之后的Windows95、98也都有容易蓝屏的糟糕体验,但是毕竟已经是个独立的操作系统。GDI就是伴随Windows产生的图形设备接口,凡是与图形有关的设备都要使用GDI。

打印设备进化的有趣历程

早期的激打里面有处理器等配件,所以价格一直很贵

打印机当然也不能例外。当时GDI的作用是通过设备环境函数来决定把图像发给显示器还是打印机。还记得之前我们说过苹果的LaserWriter激光打印机的处理器比当时的Mac电脑还快吗?GDI可以解决打印机硬件成本高的问题。

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GDI的打印流程

打 印机如果收到的就是渲染好的光栅化的位图,那么就可以节约大量的成本,不用在打印机内部进行这些处理,节约大量的处理器等硬件成本。而GDI打印机正是这 样工作的,打印的渲染引擎从打印机内部被转移到了PC,渲染好之后的图像再传输到打印机,这也是为什么现在市面上有只有几百元的黑白激光打印机的原因,这 种打印机的硬件成本很低,价格也便宜,加上今天的计算机能力已经严重超出了应用的需求,所以光栅渲染打印页面的速度极快,GDI也可以比较好的工作,实现 速度很快的打印。

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GDI的机制下,可以通用打印驱动,这也是GDI打印成本低的一个原因

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GDI语言驱动的激打价格相对来说非常便宜

GDI 的另外一个好处就是由于它本身是Windows的一部分,因此可以很容易的制作一个通用打印驱动,因为Windows发送给打印机的GDI信息是一样的, 打印设备企业只要做一个几行TXT文档式的一般性设备描述即可,而不像PCL或是PS打印语言一样要从核心开始开发。GDI打印唯一的缺陷在于我们实测对 比的时候,GDI驱动的产品字体看着没有PCL或是PS打印语言的那么锐利,当然这并不影响阅读体验。

就打印引擎来说,基本上世纪 90年代从打印速度、打印精度等方面到今天,并没有太多的进化,更多的是在用户体验这些方向进行优化。但是高级打印机本身的系统正在变得越来越复杂。从过 去的进行PCL、PS这些高级打印语言的优化,到今天已经变成了通过RISC或是ARM处理器,来构建一个机内的嵌入式系统,最近的新产品当中三星又嵌入 了安卓系统,这些都在让这些产品更易用。

(原标题:历史的有趣历程:打印设备进化简史)

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