Общие сведения и техническая характеристика

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.

Растровая развертка образуется из двух ортогональных составляющих - строчной развертки (х-развертки) и кадровой развертки (у-развертки), создающей интервал между соседними строками для последовательного перекрытия всего изображения в целом.

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.

Разрешение (разрешающая способность) - величина, характеризующая количество считываемых элементов изображения на единице длины. Обычно размерность этой величины указывают в точках на дюйм. Разрешающую способность сканера определяют как физическое (аппаратное) разрешение и как интерполяционное разрешение.

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.

Разрешающая способность барабанных сканеров в отличие от сканеров других типов выражается как оптическое разрешение (в точках на дюйм), поскольку в них реализован точечный способ получения информации об изображении. Разрешающая способность таких сканеров зависит от характеристик шагового двигателя и апертуры объектива, а также от яркости используемого источника света и максимальной частоты вращения барабана. Во многих сканерах предусматривается возможность программного повышения разрешения - интерполяции. Однако это не повышает степени детализации представления изображения, а лишь понижает его зернистость.

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:

dpi = 2*lpi*K_у, где

• dpi - разрешающая способность сканера, которая обычно измеряется в количестве точек на дюйм;
• lpi - линиатура растра при выводе фотоформ для офсетной печати, которая обычно задается в программе в линиях на дюйм;
• К_у - коэффициент увеличения изображения.

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:

К_у = dpi/2*lpi = 600/2*150 = 2

Мы видим, что, пользуясь таким сканером, мы можем только в два раза увеличить наше отсканированное изображение.

Глубина цвета - это количество битов, которые сканер может назначить при оцифровывании точки. Сканер с глубиной точки 1 бит может регистрировать только два уровня - белый и черный, сканер с глубиной точки 8 бит может регистрировать 256 уровней, 12 бит - 4096 уровней.

При сканировании считывается аналоговый сигнал, характеризующий значение оптической плотности изображения. Аналоговый сигнал может принимать произвольные значения из диапазона допустимых значений. Сигнал, преобразованный в цифровой эквивалент, является дискретным по множеству принимаемых значений. Для 8-разрядного преобразования (28) таких значений всего 256, для 12-разрядного (212) - 4096, для 16-разрядного (216) - 65536. Во всех случаях преобразование аналогового сигнала в цифровую форму дает ошибку округления, составляющую иногда половину веса младшего разряда, названную шумами квантования. Поэтому важным параметром всех без исключения сканеров является количество информации, приходящееся на один цвет.

Цветное сканирование - не что иное, как сканирование в сером режиме с разными фильтрами (красным, синим, зеленым). В итоге 256 оттенков по каждой компоненте 256*256*256 дают 16,7 млн. возможных комбинаций, т. е. цветов (24-битовое изображение). 24-битовый цвет формата RGB стал стандартом для сканирования и редактирования изображений потому, что число 256 соответствует максимальному числу градаций яркости на цветовой канал, который может воспроизводить PostScript — цифровой издательский стандарт для печати. Казалось бы, этого достаточно для точной печати любого оттенка, однако при дальнейшей корректировке гаммы, яркости или контрастности размер палитры значительно уменьшается, особенно по краям спектра, и часть данных теряется. Именно по этой причине ведущие производители уже выпускают модели с глубиной цвета 30 bit, передающие более одного миллиарда цветов, и даже 36-битовые устройства.

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.

Порог чувствительности. При полутоновом сканировании яркость каждой точки может принимать одно из множества возможных значений (градаций яркости), а при бинарном - только одно из двух. В бинарном режиме сканер преобразует данные путем сравнения их с определенным порогом (уровнем черного). Поскольку сканер способен различать оттенки серого, можно установить порог чувствительности так, чтобы сканер мог произвести классификацию элементов изображения на черные и белые. Яркость каждой точки полутонового 8-битового изображения выражается числом от 0 до 255 (0 - белый, 255 - черный). Чтобы преобразовать полутоновое изображение в бинарное, сканер должен "знать" уровень (число), выше которого точка считается белого цвета (0), а ниже - черного (1). Этот уровень и называется порогом чувствительности.

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:

D = lg(1/τ) = -lgτ или D = lg(1/ρ) = -lgρ, где

• τ = Ф_τ/Ф_о - коэффициент пропускания материала (изображения на прозрачной основе), характеризующий его способность поглощать световой поток;
• ρ = Ф_ρ/Ф_о - коэффициент отражения, характеризующий способность материала (изображения на непрозрачной основе) отражать световой поток Ф0;
• Ф_τ и Ф_ρ - соответственно световой поток, прошедший материал, и световой поток, отраженный от материала.

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 D_max и самых светлых D_min 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.

Датчик на основе ПЗС - это твердотельный электронный компонент, состоящий из множества крошечных светочувствительных элементов, которые формируют электрический заряд, пропорциональный интенсивности падающего на них света. В основу работы ПЗС положена зависимость проводимости p-n-перехода обыкновенного полупроводникового диода от степени его освещенности.

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:

• по характеру расположения оригинала - плоскостные (планшетные), проекционные, барабанные сканеры;
• по характеру перемещения - сканеры с движущимся и с неподвижным оригиналом;
• по виду считываемых оригиналов - сканеры цветные и черно-белые;
• по режиму сканирования - сканеры однопроходные (черно-белые и цветные, в которых сканирование цветного оригинала осуществляется за один проход) и трехпроходные;
• по технологии сканирования - сканеры с ФЭУ, с одной или тремя линейками ПЗС, с матрицей ПЗС;
• по виду движущихся при сканировании оптических деталей (только для плоскостных сканеров) - с движущимся считывателем, с движущимися зеркалами и гибридный, когда перемещаются и считыватель и зеркала.

Наиболее распространенный тип сканеров - планшетный (плоскостной). Почти все модели имеют съемную крышку, что позволяет сканировать "толстые" оригиналы (журналы, книги). Дополнительно некоторые модели могут оснащаться механизмом подачи отдельных листов, что удобно при работе с программами распознавания текстов - OCR (Optical Characters Recognition).

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.

Цифровой фотоаппарат (цифровая камера) - это устройство для фотографической съемки, в котором изображение регистрируется не на пленку, а на одну или несколько линейных или прямоугольных матриц ПЗС и сохраняется в цифровом виде. В зависимости от конструкции цифровые камеры подразделяются на камеры с задней разверткой; трехкадровые камеры; однокадровые камеры с одной матрицей; однокадровые камеры с тремя матрицами.

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.