Что определяет разрешающая способность сканера
Оптическое разрешение сканера
В современном мире основную часть разработок занимают компьютерные технологии. Они вошли в нашу жизнь и нашли применение практически во всех областях человеческой деятельности. Всё оборудование делится на устройства для ввода и вывода информации, а также центральный процессор.
При взаимосвязанной работе они способны быстро выполнять различные задачи. Для того чтобы ориентироваться в большом разнообразии техники, необходимо знать технические характеристики и особенности функционирования. Это поможет сравнить различные модели, чтобы выбрать лучшую из них.
Одним из устройств для ввода информации в базу компьютера являются сканеры. Они обеспечивают загрузку данных в графическом формате с печатного носителя информации. В зависимости от технических характеристик, используемых материалов, качества сборки получаемое качество будет отличаться у разных версий оборудования. Это стоит учитывать при выборе и покупке сканера.
Что такое оптическое разрешение?
Существует много параметров, играющих важную роль в обеспечении качественного переноса данных в электронный формат. Одним из наиболее значимых критериев выбора является оптическое разрешение. Прежде чем сравнивать модели по данному показателю, необходимо узнать его основное предназначение. В этом поможет разобраться определение понятия.
Оптическое разрешение является одним из наиболее показательных критериев, используемых для оценки качества работы сканера. Данный параметр показывает количество распознаваемых точек цельного участка изображения. Этот показатель говорит о максимально допустимом количестве точек, которые может распознать сканирующее устройство с площади печатной страницы.
Все электронные файлы и печатные документы состоят из множества мелких точек(пикселей), от их количества зависит равномерность распределения цвета по поверхности экрана или бумажного листа в зависимости от вида представления данных. Каждый пиксель несёт в себе кодировку с информацией об одном цвете или его оттенке. Поэтому чем больше количество пикселей, задействованных для кодировки, расположено на листе, тем ярче и насыщеннее будет отображение документа или фотографии.
Важно! Помимо яркости и насыщенности, оптическое разрешение влияет на четкость отображения.
Большое количество точек сглаживают края, формируя четкую картинку. Если точек мало, то картинка будет состоять из квадратиков с неровными краями, что существенно ухудшит качество.
В каких единицах измеряется?
Для понимания основного принципа оценки стоит изучить единицы измерения, предназначенные для определения его величины. В классическом описании существуют два типа измеряемой величины:
Важно! При выборе сканера с обозначением разрешения в формате dpi стоит обращать внимание на первое число, именно оно показывает возможность сканирования данных.
Данное понятие является обобщающим термином для оптической и интерполяционной разрешающей способности. В совокупности они показывают максимально допустимое количество точек, которое может распознать и закодировать прибор для перенесения на матрицу. Чем выше данные показатели, тем лучше будет формироваться конечное изображение.
Также от данного параметра зависит возможность изменения масштаба полученного изображения на экране монитора без изменения качества, с сохранением четкости контура и границ.
Разрешающая способность. Интерполяция. Глубина цвета
Характеристиками сканера, определяющими область его применения, являются режимы сканирования, тип механизма сканирования оригиналов и некоторые другие технические данные.
Физическое разрешение характеризует конструктивные возможности сканера в оцифровке изображения по горизонтали и вертикали. Оптическая (горизонтальная) разрешающая способность сканера характеризует максимальный объем дискретной информации, вводимой оптической системой устройства. Оптическое разрешение планшетных (плоскостных) сканеров, имеющих фиксированное фокусное расстояние, определяется как отношение количества отдельных светочувствительных элементов в линейке (или линейках) фотоприемника к максимальной ширине рабочей области сканера и характеризует шаг дискретизации сканируемого изображения по горизонтали.
Высокое значение оптического разрешения достигается за счет увеличения плотности регистрирующих элементов или одновременного использования нескольких фотоприемников. В последнем случае автоматически или вручную перед сканированием объединяются отдельные части вводимого изображения.
Расстояние, на которое с помощью шагового механизма смещается сканирующая головка, определяет разрешающую способность сканера по вертикали, т.е. его механическую (вертикальную) разрешающую способность. Разрешение вводимого изображения в вертикальном направлении определяется скоростью перемещения оригинала относительно фотоприемника. При уменьшении скорости увеличивается разрешение сканирования и наоборот, чем выше разрешающая способность сканера, тем детальнее будет информация, считанная с оригинала. В проекционных сканерах, а также в цифровых фотоаппаратах оптическое разрешение обычно выражается не в точках на дюйм, а в точках, поскольку степень детализации зафиксированного ими изображения зависит от удаленности объекта сканирования от регистрирующей камеры, и для выражения разрешающей способности используют размер фотокадра.
При интерполяции сканер считывает с оригинала графическую информацию на пределе своего физического разрешения и включает в формируемый образ изображения дополнительные элементы, присваивая им усредненные значения цвета соседних, реально считанных точек. Несмотря на то, что алгоритмы интерполяции не добавляют деталей в изображение, во многих случаях применение подобной технологии представления изображений позволяет добиваться хороших результатов: сглаживаются границы растровых объектов и четче прорабатываются мелкие детали.
Для интерполяции в процессе сканирования важно, чтобы механическое разрешение сканера превышало оптическое. Легко выполняется интерполяция между смежными точками вдоль горизонтальной линии сканирования, поскольку сканер получает информацию о ней в полном объеме. Сложнее выполнять интерполяцию вдоль вертикальной оси, так как для этого необходимо сканировать несколько горизонтальных линий. Применяя меньший шаг считывания информации вдоль вертикальной оси, можно избежать интерполирования данных по вертикали. В сканерах с интерполяционным разрешением, превышающим оптическое и механическое, интерполирование производится с помощью специализированного программного обеспечения.
Рис. 3.2. Сигнал (пример), характеризующий распределение оптической
плотности в точках (х) линии сканирования.
Следует отметить, что в некоторых сканерах используются 10-битовая (1024 уровня серого) и 12-битовая (4096 уровней серого) или даже 16-битовая шкалы градации яркости. Однако все программы обработки изображений, включая PostScript-приложения, оперируют только 8-разрядными данными. Более того, вывести на печать свыше 256 оттенков серого цвета не удается. Преимущество этих сканеров заключается в возможности использования избыточной информации для предварительной программной настройки тоновой кривой, передаваемой из компьютера в сканер в виде инструкции по выполнению конкретной процедуры сканирования.
Основные технические параметры сканеров
Разрешающая способность
Разрешающая способность, или разрешение, — один из наиболее важных параметров, характеризующих возможности сканера. Самая распространенная единица измерения разрешающей способности сканеров — количество пикселов на один дюйм (pixels per inch, ppi). Не следует отождествлять ppi c более известной единицей dpi (dots per inch — количество точек на дюйм), которая используется для измерения разрешающей способности растровых печатающих устройств и имеет несколько иной смысл.
Различают оптическое и интерполированное разрешение. Величину оптического разрешения можно вычислить, разделив количество светочувствительных элементов в сканирующей линейке на ширину планшета. Несложно сосчитать, что количество светочувствительных элементов у рассматриваемых нами сканеров, имеющих оптическое разрешение 1200 ppi и формат планшета Legal (то есть ширину 8,5 дюйма, или 216 мм), должно составлять не менее 11 тыс.
Говоря о сканере как об абстрактном цифровом устройстве, нужно понимать, что оптическое разрешение — это частота дискретизации, только в данном случае отсчет идет не по времени, а по расстоянию.
В табл. 1 приведены требуемые значения разрешающей способности для решения наиболее распространенных задач. Как можно заметить, при сканировании в отраженном свете в большинстве случаев вполне достаточно разрешения в 300 ppi, а более высокие значения требуются либо для масштабирования оригинала на больший размер, либо для работы с прозрачными оригиналами, в частности с 35-миллиметровыми диапозитивами и негативами.
Таблица 1. Величины разрешающей способности для решения наиболее распространенных задач
Требуемое разрешение, ppi
Сканирование в отраженном свете
Иллюстрации для Web-страниц
Распознавание текста
Штриховая графика для печати на монохромном принтере
Черно-белое фото для печати на монохромном принтере
Цветное фото для печати на струйном принтере
Текст и графика для передачи по факсу
Цветное фото для офсетной печати
Сканирование в проходящем свете
35-миллиметровая пленка, фото для Web-страниц
35-миллиметровая пленка, фото для распечатки на струйном принтере
60-миллиметровая пленка, фото для Web-страниц
60-миллиметровая пленка, фото для распечатки на струйном принтере
Многие производители, стремясь привлечь покупателей, указывают в документации и на коробках своих изделий значение оптического разрешения 1200*2400 ppi. Однако вдвое большая цифра для вертикальной оси означает не что иное, как сканирование с половинным вертикальным шагом и дальнейшей программной интерполяцией, так что в данном случае оптическое разрешение этих моделей фактически остается равным первой цифре.
Интерполированное разрешение — это повышение количества пикселов в отсканированном изображении за счет программной обработки. Величина интерполированного разрешения может во много раз превышать величину оптического разрешения, однако следует помнить, что количество информации, полученной с оригинала, будет таким же, как и при сканировании с оптическим разрешением. Другими словами, повысить детальность изображения при сканировании с разрешением, превышающим оптическое, не удастся.
Разрядность
Следует отметить, что более высокая разрядность далеко не всегда означает более высокое качество изображения. Указывая 36- или 48-битную глубину цвета в документации или рекламных материалах, производители зачастую умалчивают о том, что часть битов используется для хранения служебной информации.
Динамический диапазон (максимальная оптическая плотность)
Как известно, более темные участки изображения поглощают большее количество падающего на них света, чем светлые. Величина оптической плотности показывает, насколько темным является данный участок изображения и, следовательно, какое количество света поглощается, а какое отражается (или проходит насквозь в случае прозрачного оригинала). Обычно плотность измеряется для некоего стандартного источника света, имеющего заранее определенный спектр. Значение плотности вычисляется по формуле:
где D — величина плотности, R — коэффициент отражения (то есть доля отражаемого или проходящего света).
Например, для участка оригинала, отражающего (пропускающего) 15% падающего на него света, величина плотности составит log(1/0,15) = 0,8239.
Чем выше максимальная воспринимаемая плотность, тем больше динамический диапазон данного устройства. Теоретически динамический диапазон ограничен используемой разрядностью. Так, восьмибитное монохромное изображение может иметь до 256 градаций, то есть минимальный воспроизводимый оттенок составит 1/256 (0,39%), следовательно динамический диапазон будет равен log(256) = 2,4. Для 10-битного изображения он будет уже немного больше 3, а для 12-битного — 3,61.
Фактически это означает, что сканер с большим динамическим диапазоном позволяет лучше воспроизводить темные участки изображений или просто темные изображения (например, передержанные фотоснимки). Следует оговориться, что в реальных условиях динамический диапазон оказывается меньше вышеуказанных значений из-за влияния шумов и перекрестных помех.
В большинстве случаев плотность непрозрачных оригиналов, сканируемых на отражение, не превышает значения 2,0 (что соответствует участку с однопроцентным отражением), а типичное значение для высококачественных печатных оригиналов составляет 1,6. Слайды и негативы могут иметь участки с плотностью выше 2,0.
Источник света
Источник света, используемый в конструкции того или иного сканера, в немалой степени влияет на качество получаемого изображения. В настоящее время используются четыре типа источников света:
Как уже упоминалось выше, сканер с 24-битной разрядностью теоретически способен воспроизводить даже довольно темные оригиналы. Однако на практике этому мешают некоторые факторы, обусловленные применямой технологией получения изображения, и в первую очередь регулярный и случайный шум. Рассмотрим эти шумы подробнее.
Увеличенные фрагменты оригинала (справа) и его отсканированного изображения (слева). На левом фрагменте заметен случайный шум
Увеличенные фрагменты оригинала (справа) и его отсканированного изображения (слева). На левом фрагменте заметны проявления регулярного шума в виде вертикальных полос
Случайный шум проявляется в виде «снега», гранулярности или хаотически расположенных инородных точек на изображении и возникает как вследствие нестабильности работы полупроводниковых приборов (при изменении температуры и с течением времени), так и в результате искажений, вносимых электронными компонентами. Наиболее заметен такой шум на темных областях изображения, поскольку при равном абсолютном уровне шума отношение «сигнал/шум» на них будет гораздо меньше, чем на светлых участках. Для минимизации случайного шума перед сканированием выполняется процедура калибровки, во время которой измеряются пороговые значения и смещение базового напряжения для каждого светочувствительного элемента.
Регулярный шум возникает вследствие перекрестных помех (наводимых с соседних светочувствительных элементов), кратковременных изменений базового напряжения в ПЗС-матрице, воздействия высокочастотных электрических полей, изменения яркости источника света и т.п. Регулярный шум, в отличие от случайного, очень хорошо заметен, поскольку проявляется в виде горизонтальных, вертикальных либо диагональных полос.
Источник: Компьютер Пресс
Что определяет разрешающая способность сканера
В системе допечатной подготовки изданий для оцифровки изобразительной информации, т.е. представления изображений в цифровом виде, и ввода в нее используются специальные устройства: сканеры и цифровые фотоаппараты.
Сканеры позволяют вводить в компьютер изображения, представленные в виде текста, рисунков, слайдов, фотографий на плоских носителях (обычно на бумаге, пленке или фотобумаге), а также изображения объемных объектов небольших размеров. Сканер при считывании изображения представляет его (дискретизирует) в виде совокупности отдельных точек (пикселов) разного уровня оптической плотности — основной характеристики изображения. Информация об уровнях оптической плотности этих точек анализируется, преобразуется в двоичную цифровую форму и вводится для дальнейшей обработки в систему. Анализ изображения осуществляется методом сканирования (отсюда название устройства — сканер).
Процесс сканирования при анализе изображения заключается в том, что, перемещая сфокусированный световой луч, можно произвести поэлементное считывание двумерного изображения, рассчитанного на наблюдение в отраженном или проходящем свете. Световой поток, приобретающий при этом амплитудную модуляцию вследствие взаимодействия с изображением, можно собрать и преобразовать в электрический сигнал, пригодный для передачи, обработки и записи.
В основном применяется метод прямоугольного линейного растрового сканирования. При растровом сканировании одиночный сканирующий луч перемещается (разворачивается) по последовательности близко расположенных прямых линий с быстрым переходом от конца одной линии сканирования (строки) к началу следующей.
Основными параметрами технической характеристики сканеров являются: разрешение (разрешающая способность), глубина цвета, порог чувствительности, динамический диапазон оптических плотностей, максимальные размеры сканирования, коэффициент увеличения. Характеристиками сканера, определяющими область его применения, являются режимы сканирования, тип механизма сканирования оригиналов и некоторые другие технические данные.
Физическое разрешение характеризует конструктивные возможности сканера в оцифровке изображения по горизонтали и вертикали. Оптическая (горизонтальная) разрешающая способность сканера характеризует максимальный объем дискретной информации, вводимой оптической системой устройства. Оптическое разрешение планшетных (плоскостных) сканеров, имеющих фиксированное фокусное расстояние, определяется как отношение количества отдельных светочувствительных элементов в линейке (или линейках) фотоприемника к максимальной ширине рабочей области сканера и характеризует шаг дискретизации сканируемого изображения по горизонтали.
Высокое значение оптического разрешения достигается за счет увеличения плотности регистрирующих элементов или одновременного использования нескольких фотоприемников. В последнем случае автоматически или вручную перед сканированием объединяются отдельные части вводимого изображения.
Расстояние, на которое с помощью шагового механизма смещается сканирующая головка, определяет разрешающую способность сканера по вертикали, т.е. его механическую (вертикальную) разрешающую способность. Разрешение вводимого изображения в вертикальном направлении определяется скоростью перемещения оригинала относительно фотоприемника. При уменьшении скорости увеличивается разрешение сканирования, и, наоборот, чем выше разрешающая способность сканера, тем детальнее будет информация, считанная с оригинала.
В проекционных сканерах, а также в цифровых фотоаппаратах оптическое разрешение обычно выражается не в точках на дюйм, а в точках, поскольку степень детализации зафиксированного ими изображения зависит от удаленности объекта сканирования от регистрирующей камеры, и для выражения разрешающей способности используют размер фотокадра.
При интерполяции сканер считывает с оригинала графическую информацию на пределе своего физического разрешения и включает в формируемый образ изображения дополнительные элементы, присваивая им усредненные значения цвета соседних, реально считанных точек. Несмотря на то, что алгоритмы интерполяции не добавляют деталей в изображение, во многих случаях применение подобной технологии представления изображений позволяет добиваться хороших результатов: сглаживаются границы растровых объектов и четче прорабатываются мелкие детали.
Для интерполяции в процессе сканирования важно, чтобы механическое разрешение сканера превышало оптическое. Легко выполняется интерполяция между смежными точками вдоль горизонтальной линии сканирования, поскольку сканер получает информацию о ней в полном объеме. Сложнее выполнять интерполяцию вдоль вертикальной оси, так как для этого необходимо сканировать несколько горизонтальных линий. Применяя меньший шаг считывания информации вдоль вертикальной оси, можно избежать интерполирования данных по вертикали. В сканерах с интерполяционным разрешением, превышающим оптическое и механическое, интерполирование производится с помощью специализированного программного обеспечения.
Существует выведенная практическим путем формула, которая позволяет определить максимально возможное увеличение отсканированного изображения. Для простоты запоминания мы ее представим следующим образом:
Из этой формулы легко определить максимальное увеличение, которое без потери качества может обеспечить сканер. Допустим, наш сканер имеет максимальную разрешающую способность 600 точек на дюйм, а выводить фотоформы и соответственно печатать мы будем с линиатурой растра 60 линий на сантиметр, или 150 линий на дюйм. Такая линиатура растра в нашей полиграфической промышленности является обычной при печати цветных журналов, проспектов и другой подобной литературы. Подставив эти значения в формулу, мы получим:
Мы видим, что, пользуясь таким сканером, мы можем только в два раза увеличить наше отсканированное изображение.
Однако все программы обработки изображений, включая PostScript-приложения, оперируют только 8-разрядными данными. Более того, вывести на печать свыше 256 оттенков серого цвета не удается. Преимущество этих сканеров заключается в возможности использования избыточной информации для предварительной программной настройки тоновой кривой, передаваемой из компьютера в сканер в виде инструкции по выполнению конкретной процедуры сканирования.
Динамический диапазон (диапазон оптической плотности) сканера характеризует его способность различать переходы между смежными тонами на изображении. Понятие оптической плотности D используется для характеристики поглощательной способности непрозрачных (отражающих) оригиналов и степени прозрачности прозрачных оригиналов и выражается через десятичный логарифм:
Из-за несовершенства оптической системы сканера и неравномерности спектральной характеристики фотоприемника значения параметров реальных устройств сканирования всегда ниже теоретически возможных. На практике динамический диапазон сканера определяется как разность между оптической плотностью самых темных Dmax и самых светлых Dmin тонов, которые он может реально различать. Максимальная (минимальная) оптическая плотность оригинала характеризует наиболее темную (светлую) область оригинала, распознаваемую сканером, более темные (светлые) области воспринимаются сканером как абсолютно черные (белые).
Чем шире динамический диапазон сканера, тем больше градаций яркости он сможет распознать и соответственно зафиксировать больше деталей изображения. Практически невозможно получить цифровое изображение с плотностью тона, превышающей 4,0. Видимо, исходя из этого, диапазон оптических плотностей сканера часто ограничивают именно этим значением.
Некоторые сканеры обладают способностью автокалибровки, т.е. настройки на динамический диапазон плотностей оригинала.
Рассмотрим это на конкретном примере. Допустим, мы имеем ПЗС-сканер, воспринимающий оптический диапазон плотностей до 3,2. С его помощью нам нужно отсканировать слайд, имеющий максимальную оптическую плотность 4,0. Сканер выполняет предварительное сканирование для анализа оригинала и получения диаграммы оптических плотностей. После анализа диаграммы сканер производит автокалибровку с целью сдвига своего динамического диапазона восприятия оптических плотностей. Таким образом, в данном конкретном случае минимизируются потери в «тенях» благодаря несущественным потерям в «светах».
Область сканирования определяет максимальный размер оригинала в дюймах или миллиметрах, который может быть сканирован устройством. Иногда используется также термин максимальный формат.
Коэффициент увеличения показывает (обычно в процентах), во сколько раз можно увеличить изображение оригинала в процессе сканирования. В зависимости от типа и класса сканера требуемый коэффициент увеличения либо определяется автоматически, либо устанавливается пользователем вручную перед сканированием. В автоматическом режиме драйвер сканера вычисляет требуемое входное разрешение, учитывая размер оригинала и выбранный коэффициент увеличения.
Технология сканирования определяет количество, тип и параметры используемых фотоприемников (фотоэлектрических преобразователей).
В современных сканерах в основном применяются фотоприемники двух типов: фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и приборы с зарядовой связью (ПЗС). Иногда применяются фотодиоды (ФД).
Фотоэлектронные умножители в качестве светочувствительных приборов используются в барабанных сканерах. ФЭУ усиливают свет ксеноновой или вольфрамово-галогенной лампы, промодулированный изображением, который с помощью конденсорных линз или волоконной оптики фокусируется на чрезвычайно малой области оригинала. Фототок, возникающий в фотоэлементе под воздействием света, прямо пропорционален интенсивности падающего на него светового потока. Особенность ФЭУ как фотоприемника заключается в том, что благодаря системе динодов коэффициент пропорциональности удается увеличить в миллионы раз (до восьми порядков). Спектральный диапазон ФЭУ для полиграфических целей также безупречен, так как он полностью перекрывает видимый спектр световых волн.
В одной линейке ПЗС может быть от нескольких сотен до нескольких тысяч фоточувствительных ячеек. Размер элементарной ячейки ПЗС является критичным параметром, так как от него зависит не только разрешающая способность сканера, но и максимальная величина удерживаемого заряда, а следовательно, и динамический диапазон устройства. Увеличение разрешающей способности сканера приводит к сужению его динамического диапазона. Хотя и считается, что спектральный диапазон ПЗС может перекрывать весь видимый спектр, но, как и у большинства полупроводниковых фотоприемников, синяя область спектра для них труднодоступна, а наибольшая чувствительность наблюдается ближе к красной области.
ПЗС используют в основном в планшетных и проекционных сканерах, а также в цифровых фотоаппаратах. В последних двух случаях используются как линейные, так и матричные ПЗС.
Механизм сканирования оригиналов. Устройство сканера во многом определяется применяемым фотоприемником. Профессиональные сканеры для использования в системах допечатной подготовки изданий можно классифицировать по следующим признакам:
Планшетные сканеры для сканирования прозрачных оригиналов могут комплектоваться слайд-модулем. Слайд-модуль имеет свой источник света, расположенный сверху. Такой слайд-модуль устанавливается на плоскостной сканер вместо простой крышки и превращает сканер в универсальный (плоскостной сканер с установленным слайд-модулем).
Основное отличие барабанных сканеров состоит в том, что оригинал закрепляется на прозрачном барабане, который вращается с большой частотой. Считывающий элемент располагается максимально близко от оригинала. Данная структура обеспечивает высокое качество сканирования. Обычно в барабанные сканеры устанавливают три фотоумножителя и сканирование осуществляется за один проход. Некоторые барабанные сканеры используют вместо фотоумножителя в качестве считывающего элемента фотодиод. Барабанные сканеры способны сканировать непрозрачные и прозрачные оригиналы.
Проекционные сканеры применяются для сканирования с высоким разрешением и качеством слайдов небольшого формата (как правило, размером не более 4х5 дюймов). Существует две модификации: с горизонтальным и вертикальным расположением оптической оси считывания. Наиболее популярным является вертикальный проекционный сканер. Существуют также проекционные сканеры, работающие на отражение, для сканирования непрозрачных оригиналов, и универсальные проекционные сканеры, которые позволяют использовать любой вид изобразительного оригинала.
Основные параметры технической характеристики цифровых фотоаппаратов во многом аналогичны параметрам сканеров. Это разрешающая способность, технология сканирования, динамический диапазон, а также выдержка, т.е. время, в течение которого формируется цифровое изображение.