Тема 5.4. Характеристики сканера

К основным параметрам, характеризующим качество сканера, относятся разрешение, глубина цвета, динамический диапазон сканируемых оригиналов, величина цветового шума, область отображения и коэффициент увеличения изображения. Однако не только этим определяется конечный результат оцифровки изображения. Вполне естественно, что на результат сканирования, помимо технологических возможностей сканера, влияет исходное состояние, вид и качество оцифровываемого оригинала.

С этой точки зрения различаются оригиналы на непрозрачномили прозрачном носителе. В первом случаем это типографские оттиски, распечатки с различных печатающих устройств, фотоснимки или рисунки на бумаге. Во втором – это негативы или позитивы на пленке.

Изображения, состоящие из непрерывных линий, называются штриховыми. К ним относятся отпечатанные разными способами тексты, чертежи и эскизы, планы и карты, гравюры и рисунки. Изображения, состоящие из совокупности множества маленьких точек, называются растровыми. Размер, расположение и цвет точек не случайны, они подчиняются строгим правилам и определяются в процессе подготовки изображения к печати – при растрировании. Фотографическое изображение, полученное при использовании не цифрового фотоаппарата, также состоит из точек (при большом увеличении на снимке легко разглядеть зерно), которые расположены хаотически и физически примыкают друг к другу (растр отсутствует). Аналогичный эффект достигается при печати на твердочернильных фотопринтерах. Поскольку за счет слияния точек образуются плавные переходы от одного цвета к другому, подобные изображения называются полутоновыми.

Разрешение относится к одной из самых неоднозначных характеристик сканера, поскольку существуют различные подходы к количественной оценке этого параметра. Так как данный параметр сканера имеет конкретное количественное выражение, многие производители, стараясь произвести впечатление на пользователей, ставят разрешение сканера на первое место при оценке его качества и декларируют все большие значения этого параметра. При развитии этой тенденции появились такие понятия как: оптическое разрешение, механическое разрешение, интерполированное разрешение и входное разрешение сканера. Для сравнения разрешения сканеров различных форматов значение этого параметра приводится в нормированных величинах (обычно количество пикселей на дюйм или на сантиметр, чаще всего пикселей на дюйм (ppi)).

Несмотря на это, существует определенная путаница в терминах, используемых для описания разрешения устройств, используемых для оцифровки изображений. Это связано с тем, что понятие пиксель имеет несколько вариантов использования.

Так, полный объем информации, которую содержит оцифрованное изображение по горизонтали и по вертикали задается двумя числами, например, 800×600 пикселей. В данном случае речь идет о разрешении изображения. Также термин пиксель используется для описания экранного разрешения монитора, т.е. числа горизонтальных и вертикальных дискретных визуальных элементов, которые может отображать компьютерный монитор, например, 1024×768 пикселей. И, наконец, этот же термин используется для описания плотности информации, которую сканирующее устройство может вводить на дюйм оцифровываемого оригинала.

Наиболее распространенное некорректное использование терминов связано с описанием разрешения сканера в dpi, т.е. в точках на дюйм. С технической точки зрения число точек на дюйм описывает выходное разрешение, показывая горизонтальную плотность меток (точек), которые, например, формируют лазерные принтеры типа PostScript в ходе печати.

Оптическое разрешение (горизонтальное разрешение). Оптическое разрешение определяется числом элементов в горизонтальной линейке светочувствительной матрицы и размером оцифровываемого оригинала. Так, например, светочувствительная матрица с числом элементов 10000 при сканировании оригинала размером 21 см (ширина стандартного оригинала формата А4 ≈ 8,3 дюйма) обеспечивает максимальное оптическое разрешение примерно 1200 dpi (10000/8.3 ≈ 1200).

Чем больше число элементов светочувствительной матрицы, тем большим может быть эффективный коэффициент увеличения сканера, что позволит оцифровывать небольшие прозрачные оригиналы (слайды, негативы) и увеличивать небольшие отражающие оригиналы во много раз.

Механическое разрешение (вертикальное разрешение). Механическое разрешение сканера определяется точностью работы шагового привода, перемещающего каретку с оптикоэлектронным преобразователем вдоль оцифровываемого оригинала (для планшетного сканера). Если число шагов на дюйм оригинала 1200, то и механическое разрешение оценивается величиной 1200 dpi.

В характеристиках планшетных сканеров часто приводится вертикальное механическое разрешение вдвое большее, чем горизонтальное, например, например, 600×1200 ppi. В этом случае механизм перемещения каретки выполняет "полушаги", сдвигая каретку с оптикоэлектронным преобразователем на половину пикселя за шаг, что приводит к перекрыванию пикселей. Для получения окончательного значения уровней цвета сканер программно усредняет цвет перекрывающихся пикселей.

Интерполированное разрешение (программное разрешение). Интерполированное разрешение получается путем программного разбиения исходного оцифрованного изображения с соответствующим оптическим и механическим разрешением на более мелкие точки. Далее цвет каждой новой точки вычисляется программно как среднее значение цвета смежных точек. Таким образом, необходимо учитывать, что алгоритмы интерполяции не добавляют новых деталей в изображении, они просто усредняют значения цвета соседних пикселей и добавляют между ними новый пиксель. В современных сканерах программное обеспечение допускает интерполированное разрешение до 19200 dpi и более.

Входное разрешение. Входное разрешение отражает плотность, с которой сканирующий узел производит выборку информации в оригинале в ходе оцифровки. Входное разрешение является регулируемым параметром, максимальное значение которого не может превышать оптическое разрешение сканера (без учета возможностей интерполяции), при этом размер пикселя уменьшается с увеличением входного разрешения.

Качество и эффективность сканирования в значительной мере зависят от степени согласования входного разрешения с исходным разрешением оригинала и потенциальными возможностями дальнейшего вывода изображения, т.е. согласование с выходным разрешением, например, принтера.

Глубина цвета (разрядность оцифровки цвета). Изготовители сканеров иногда измеряют глубину цвета двумя способами. Аналоговая глубина цвета указывает, сколько исходных градаций яркости могут считывать светочувствительные элементы с учетом шума и всех прочих факторов. Однако на практике чаще всего под глубиной цвета понимается количество разрядов аналого-цифрового преобразователя (АЦП), преобразующего аналоговый сигнал, величина которого пропорциональна интенсивности отраженного от оригинала света в цифровой код. Разрядность АЦП достигает 16 бит для каждого базового цвета (т.е. 65536 оттенков каждого цвета), поэтому полная глубина цвета с учетом трех цветовых каналов составляет 48 бит. В этом случае максимальное число оттенков, которые может считывать сканирующее устройство для каждого вводимого пикселя, составит 2⁴⁸ ≈ 2,8*10¹⁴.

Теоретически с увеличением разрядности битового представления увеличивается и количество деталей изображения, которые может вводить сканирующее устройство.

Формата RGB с 24-битным представлением цвета стал стандартом для сканирования и редактирования изображений отчасти потому, что число 256 соответствует максимальному числу градаций яркости на цветовой канал (8 бит), который может воспроизводить PostScript – цифровой издательский стандарт для печати.

Необходимо учитывать, что большая разрядность представления цвета не ведет автоматически к более высокому динамическому или тоновому диапазону. Отношение сигнал/шум светочувствительных элементов, используемых в конкретном планшетном сканере, определяет, насколько чисто осуществляется выборка цвета. В более дорогих сканерах влияние шумов уменьшают с помощью дополнительной электроники и лучшей обработки сигнала. На практике планшетный сканер с высоким отношением сигнал/шум и 30-битной глубиной цвета может воспроизводить цвет лучше, чем сканер с 36-битной глубиной цвета, но более высоким уровнем шума.

Тени и свет. Как уже отмечалось, цифровое изображение состоит из пикселей, отличающихся не только цветовыми оттенками, но и яркостью. Для каждого цифрового изображения можно составить диаграмму распределения яркости (гистограмму). По горизонтальной шкале такой гистограммы откладываются значения яркости пикселей от наименьшей (черный цвет) до наибольшей (белый), а по вертикальной – количество пикселей с определенной величиной яркости. Принято разделять гистограмму на три участка. Первый участок, примыкающий к черному краю, называют тенями; второй, примыкающий к белому краю – светами, а средний участок называют средними тонами. Важной является способность сканера или камеры фиксировать небольшие отличия яркостей в тенях и светах. От нее, например, зависит, будут ли на цифровом изображении различимы светлые облака на небе или скрытые в глубокой тени предметы.

Оптическая плотность и динамический диапазон. Любой оригинал оцифровываемого изображения состоит из светлых и темных участков, отличающихся оптической плотностью. Этот параметр изображения определяется как десятичный логарифм отношения количества исходного света к количеству света, отраженному непрозрачным оригиналом или прошедшему через прозрачный носитель. Значения оптической плотности принято указывать числами с пометкой D (от density – плотность). Минимальная величина оптической плотности равна нулю, что соответствует полному пропусканию или отражению света (Dmin = 0D). Для существующих сегодня оригиналов за максимум принята величина Dmax = 4.0D, соответствующая практически непрозрачному участку, через который проходит лишь 1/10000 часть светового потока.

Если оригинал характеризуется оптической плотностью, то одним из важнейших параметров для сканера является диапазон плотностей оригиналов, считываемых устройством. Эта величина называется динамическим диапазоном, вычисляется как D_max-D_min, и практически всегда меньше 4.0D. При недостаточном динамическом диапазоне теряются детали в тенях и светах, получается цифровое изображение с завышенной контрастностью. Так, если для считывания непрозрачных оригиналов достаточно динамического диапазона 3.0D, то для пленочных негативов требуется 3.8D.

При слишком малом динамическом диапазоне становится бессмысленной большая глубина цвета, поскольку детали изображения в тенях и светах все равно пропадут. При динамическом диапазоне 2.4D отношение количества пропускаемого света между самыми светлыми и темными участками составит примерно 250 раз. Соответственно, такому устройству вполне достаточно 8-разрядной оцифровки и 24-битной глубины цвета. Сканер с динамическим диапазоном 3.6D раскрывает все свои возможности, если оснащен 12-битными АЦП и поддерживает, как минимум, 36-битный цвет на выходе.

Цветовой шум. Цветовой шум проявляется в виде неодинаковой окраски соседних пикселей на однотонных участках изображения. Например, рассматривая при увеличении в несколько раз фрагмент цифровой фотографии, соответствующий однородно окрашенной серой стене, можно обнаружить на нем и голубоватые, и красноватые пиксели. Чем их больше, и чем сильнее их оттенок отличается от исходного цвета, тем выше уровень цветового шума. Основной причиной его появления считают электрические помехи, влияющие на работу светочувствительной матрицы и АЦП. Действительно, если АЦП различает уровни напряжения с точностью 0,015 мВ, а под влиянием температурных изменений и других внешних и внутренних факторов в фотодиодах матрицы присутствует электрический шум с амплитудой порядка 0,1 мВ, цвет получаемых пикселей будет случайным образом отличаться на десятки градаций. Уменьшить цветовой шум помогают программные алгоритмы фильтрации, усредняющие цвет соседних пикселей (например, в случае если отличие между ними не превышает заданной величины – порога срабатывания фильтра). Однако при этом может пострадать четкость картинки.

Коэффициент увеличения. Коэффициент увеличения – это кратность увеличения оригинального изображения в ходе сканирования, необходимая для достижения желаемого размера выводимого изображения.

Область отображения. Размер самого большого оригинала, который может оцифровывать сканер, определяет его область отображения, называемая эффективной областью сканирования. Ручные сканеры стоят недорого, отчасти вследствие ограниченности их областей отображения. Для планшетных сканеров максимальная область отображения обычно находится в пределах от 8.5×11 дюймов до 11×17 дюймов. Сканеры для обработки слайдов и диапозитивов имеют фиксированную область отображения, основанную на размерах стандартной пленки или диапозитива, хотя в некоторых моделях можно использовать несколько различных форматов области отображения.

Область отображения, оптическое разрешение и размеры исходного изображения совместно ограничивают максимальное число пикселей, которые может выделить сканер, а также максимальный размер, с которым может быть напечатано цифровое изображение.