Принципиальные схемы работы планшетного и барабанного сканеров

Для получения информации об изображении в пригодной для компьютерной обработки форме оригинал разбивается на микроэлементы, расположенные в вершинах прямоугольной сетки, и информация о цвете каждого микроэлемента кодируется для передачи в компьютер. Для «наложения» сетки отсчетов на оригинал существуют три способа. Рассмотрим два из них:

1. проецирование оригинала на линейку считывающих элементов с одновременным взаимным перемещением считывающего узла и оригинала;
2. поточечное считывание единственным воспринимающим элементом с перемещением его относительно оригинала в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

В планшетных сканерах используется первый вариант организации считывания информации.

Световой поток от источника со стабильным спектром излучения, близким к дневному свету (как правило, специальная люминесцентная лампа с цветовой температурой 5000 или 5500 К), проходит через размещенный на прозрачной поверхности (обычно на стекле) оригинал и диафрагму в виде узкой щели, параллельной источнику света (на рисунке не показана). Диафрагма позволяет ограничить размер элемента изображения, считываемый каждым элементом ПЗС-линейки. При сканировании в отраженном свете оригинал освещается «снизу» (при расположении системы считывания в соответствии с рисунком), а специальная ширма препятствует попаданию прямого света от источника в оптический тракт.

«Полоса» света, прошедшая через диафрагму, фокусируется объективом и пропускается через систему полупрозрачных зеркал, распределяющих световой поток на три части, приблизительно равные по интенсивности. Каждый из трех световых пучков пропускается через один из трех светофильтров, соответствующих трем составляющим в аддитивной модели смешения цветов (красный, синий, зеленый).

Некоторые фирмы вместо зеркал используют специальные призмы, обеспечивающие разделение светового потока на три части, а в отдельных моделях эти призмы реализуют и функции светофильтров, направляя разные части видимого спектра в разные стороны.

В барабанных сканерах используется второй способ считывания, для которого требуется обеспечить взаимное перемещение единственного считывающего элемента и оригинала в двух взаимно перпендикулярных направлениях движения — отсюда идея «спиральной развертки». Оригинал монтируется на поверхности вращающегося цилиндра, а считывающий узел поступательно движется вдоль его оси, разворачивая спираль на поверхности барабана.

Световой поток от источника света с эталонным спектром (так как здесь источник точечный, обычно используются галогеновые лампы мощностью 30-50 Вт) проходит через оригинал, фокусирующий объектив и отверстие диафрагмы, затем сфокусированный луч попадает на расщепленную систему (призму или блок зеркал) и через три светофильтра попадает на светочувствительные элементы — фотоэлектронные умножители (ФЭУ) или фотодиоды, где происходит процесс, известный как оптическое усиление. Возникающее при этом усиление позволяет преобразовывать свет в электрические сигналы. Далее эти сигналы идут в электронную схему, где они оцифровываются. Как правило, считывающий узел расположен снаружи цилиндра, а источник для сканирования прозрачных оригиналов — внутри. При сканировании в отраженном свете освещение обеспечивается со стороны объектива.

В матричных сканерах реализован первый способ, что требует применения матрицы однотипных светочувствительных элементов, в качестве которых сегодня используются матрицы приборов с зарядовой связью (ПЗС, в англоязычной литературе — ССД). Так как для сколько-нибудь качественного считывания такая матрица должна включать несколько миллионов элементов, суммарная надежность оказывается весьма низкой. Практическое применение такая схема считывания нашла лишь в цифровых камерах для оперативной съемки. Изображение проецируется на матрицу ПЗС одновременно, затем поэлементно считывается и запоминается для последующей обработки.

Прошедший фильтр пучок света попадает на линейку элементов с зарядовой связью, расположенных в фокальной плоскости объектива. Таким образом, в каждый момент времени для считывания доступна информация об одной «строке» изображения. Перемещение оригинала относительно тракта «источник света — линейка ПЗС» обеспечивает второе направление развертки изображения.

Принципиально необходимым для правильной работы планшетного сканера является параллельность источника света, оригинала, диафрагмы и линейки ПЗС. Кроме того, все три линейки ПЗС должны одновременно попадать в фокальную плоскость.

Для планшетного сканера фундаментальной характеристикой является число элементов в линейке ПЗС. Вне зависимости от записанного в технических данных максимального разрешения это число определяет максимальное количество пикселов (точек, англ. pixels), которое может быть физически считано с изображения — естественно, в направлении, параллельном линейке ПЗС. Так, если сканер имеет максимальный размер оригинала вдоль оси, перпендикулярной движению считывающего узла, «ширину» 10 дюймов, а линейка ПЗС состоит из 6000 элементов, эти 6000 элементов и являются верхним пределом количества считанных точек. Разделив 6000 на 10, получим оптическое разрешение сканера для максимального формата — 600 точек/дюйм. Если сканер предлагает вам больше, то дополнительные точки получаются путем интерполяции.

Для сканера с фиксированным фокусным расстоянием это разрешение также фиксировано — вне зависимости от размеров оригинала вся ширина рабочего пространства проецируется на всю длину линейки ПЗС. Возможность изменить фокусное расстояние позволяет проецировать на считывающий элемент не всю рабочую область, а только ее часть, содержащую оригинал. При этом разрешение, естественно, повышается, но за счет сокращения рабочей области.

Использование щелевой диафрагмы, рассчитанной на максимальное разрешение, для меньших разрешений приведет к потере информации — часть изображения, находящаяся «между» слишком тонких строк, в поле зрения прибора просто не попадает. Усреднение информации при физическом считывании с разрешением больше требуемого возможно, но приводит к потере времени — ожидаемого ускорения считывания при снижении разрешения не происходит.

Преимуществом плоских сканеров является возможность работы с негибкими оригиналами. Некоторые модели позволяют сканировать достаточно толстые журналы и книги, не разрезая их. При этом нужно обеспечить плотное прилегание оригинала к стеклу — глубина резкости у большинства сканеров не слишком велика. Исключение составляют сканеры с большим разрешением и соответственно узкой щелью диафрагмы.

На отдельных моделях допустимо даже сканирование объемных предметов — медалей, мелких украшений и т.д. Естественно, рассчитывать на получение перспективы и объемности в таких условиях не приходится.

Еще одно преимущество многих плоских сканеров — удобство работы. Не требуется никаких вспомогательных операций для того, чтобы зарядить оригинал для сканирования в отраженном свете, да и монтаж слайдов существенно легче (исключение составляют работы с очень высоким разрешением, когда требуется использование монтажного геля и особо тщательная очистка — здесь преимущество плоского расположения оригинала заметно меньше). Разумеется, для сканеров с размещением оригиналов в специальных кассетах монтаж оригиналов ненамного легче, чем на барабанном сканере.

Существенным параметром конструкции сканера является наличие автоматической фокусировки и ее способ. Сканеры без автоматической фокусировки (а ручная здесь не используется в принципе), т. е. имеющие фиксированную настройку фокусного расстояния, более критичны к нарушению заводских регулировок, вызванных вибрациями при транспортировке и другими подобными причинами. Модели, имеющие автоматическую фокусировку, используют для нее специальную разметку, наносимую на стеклооригиналодержатель или на специальные кадрирующие маски для прозрачных оригиналов. Поскольку автофокусировка осуществляется путем нахождения максимума разности между сигналами на выходах смежных ячеек ПЗС-линейки, принципиально является возможной автофокусировка по оригиналу, однако использующие ее модели на рынке практически не представлены.

В барабанных сканерах считывающий элемент имеет достаточно малые линейные размеры, требования к точности изготовления узла с ФЭУ не такие строгие, как для планшетного сканера, — нет требований к параллельности элементов. Вместе с тем значительно повышается роль диафрагмы — если для планшетного сканера малый размер элемента линейки ПЗС в принципе позволяет ограничиться точной фокусировкой, то для вполне макроскопических размеров активной зоны фотодиода, а тем более ФЭУ, ограничение «видимой» площади микроэлемента изображения с помощью диафрагмы приобретает принципиальный характер.

Поскольку именно диафрагма (иногда ее еще называют апертурой) в барабанном сканере определяет размер микроэлемента изображения, или пиксела, каждому разрешению сканирования в идеальном случае должна соответствовать своя диафрагма. Если диафрагма слишком велика, соседние микроэлементы перекрываются, что ведет к снижению резкости изображения, а при малой диафрагме между соседними пикселами образуется зазор, что приводит к потере части информации при считывании и одновременно увеличивает шумовую составляющую.

В реальности, разумеется, количество апертур сканирования ограничено. При необходимости сканировать с разрешением, для которого нет точно соответствующей ему апертуры, выбирается ближайшая — важно лишь, чтобы эта ближайшая диафрагма была не слишком далеко от требуемого в действительности значения. Иначе говоря, апертур сканирования должно быть достаточно много, чтобы перекрыть весь диапазон рабочих разрешений, а разумное количество разных диафрагм — 8-10 вариантов для каждого из режимов сканирования (т. е. отдельно для проходящего и отраженного света).

У барабанных сканеров практически нет препятствий к регулированию разрешения — оно достигается лишь изменением шага перемещения считывающей системы (вдоль одной оси) и частоты опроса светочувствительных элементов (вдоль другой). Если быстродействия электроники не хватает для обработки считанной информации, для больших разрешений снижается частота вращения барабана.

Реальное ограничение на диапазон изменения разрешений накладывается набором апертур сканирования и (в значительно меньшей степени) качеством изготовления оптики и механизма перемещения считывающего узла. Весьма существенно, что для любых барабанных сканеров максимальное разрешение никоим образом не зависит от размеров оригинала — и 35-миллиметровый слайд, и изображение размером во весь цилиндр могут быть отсканированы с одним и тем же разрешением.

Поскольку непрозрачные оригиналы в подавляющем большинстве случаев монтируются тыльной стороной к цилиндру, фокусировка по специальным рискам, нанесенным на сам барабан, практически не используется (а в тех сканерах, где используется такой режим автофокусировки, крайне сложно говорить о качественном сканировании в отраженном свете). Для наводки на резкость в сложных моделях используется режим автофокусировки по оригиналу, когда под правильным понимается положение объектива, дающее максимальное значение высокочастотной составляющей сигнала на выходе считывающего элемента. В более простых системах, а также в качестве вспомогательного в сканерах с автофокусировкой используется режим ручной наводки на резкость.

Очевидным недостатком барабанных сканеров является необходимость монтажа оригиналов на поверхность цилиндра, представляющего собой работу кропотливую и малопроизводительную. Для повышения суммарной производительности оборудования большинство фирмпроизводителей комплектует свои барабанные сканеры специальными монтажными столами и дополнительными цилиндрами, что позволяет разместить оригиналы на цилиндре, не занимая время самого сканера.

Еще одним существенным ограничением является требование к гибкости и массе оригиналов, исключающее сканирование объемных оригиналов.

Таким образом, планшетные сканеры удобнее в работе, но обладают меньшей свободой в выборе разрешения при сканировании, чем барабанные.

Основными достоинствами барабанных сканеров являются:

• возможность сканирования высокохудожественных работ. Барабанные сканеры, разрешающая способность которых достигает 4 000 dpi, а динамический диапазон более 4,0, наиболее предпочтительны для сканирования цветных высококачественных художественных оригиналов с максимально широким тоновым диапазоном;
• возможность сканирования как отражающих, так и прозрачных оригиналов. Носителем изображения могут быть практически любые прозрачные и отражающие материалы, достаточно гибкие, чтобы их можно было прикрепить к барабану сканера;
• развитые средства повышения производительности. К ним относятся: пакетное сканирование, автоматическая корректировка апертуры и освещенности в зависимости от плотности оригинала, автоматизированное управление заданиями, использование сменных барабанов и др.;
• возможность изменения фокусного расстояния. Позволяет автоматически или вручную изменять разрешение сканирования в зависимости от требуемой степени детализации изображения.

К недостаткам барабанных сканеров следует отнести:

• невозможность сканирования переплетенных оригиналов, например книг, журналов;
• большие габариты и масса. Барабанный сканер - это, за редким исключением, тяжелый крупногабаритный аппарат;
• невозможность сканирования оригиналов на жесткой основе. Поскольку оригиналы прижимаются к цилиндрической поверхности барабана, принимая ее форму, оригиналы на жесткой основе (стеклянные пластины, книги, слайды в рамке) закрепить на барабане не удается;
• сложность загрузки оригинала. Оригинал закрепляется на барабане, который вращается с большой частотой. Чтобы не допустить смещения оригинала во время вращения, он должен быть жестко закреплен.

Выбор сканера.

При выборе сканера прежде всего необходимо иметь четкое представление о качестве продукции, которую вы собираетесь выпускать. Высокие требования к качеству печатной продукции, а также предполагаемый ее ассортимент во многом определит тип требуемого сканера и, безусловно, его стоимость.

В общем случае, прежде всего необходимо определиться с общими параметрами сканируемых оригиналов:

• соответствует ли оригинал требованиям полиграфического воспроизведения;
• в каком объеме потребуется цветокоррекция;
• на какой подложке выполнен оригинал;
• изображение оригинала имеет вид негатива или позитива (слайда).

Далее необходимо определить основные параметры системы, в условиях которой будет воспроизводиться сканируемый оригинал:

• способ печати (офсетная, высокая, глубокая, флексографская, трафаретная или цифровая), так как каждый способ предъявляет свои специфические требования;
• в каком цветовом пространстве (RGB или CMYK) предполагается использование многокрасочной печати;
• останется ли изображение цифровым или будет использоваться для полиграфического воспроизведения.

Кроме того необходимо определиться по следующим моментам:

• требованиям, предъявляемым к растровому процессору;
• этап преобразования изображения RGB в CMYK;
• момент передачи на верстку и необходимость применения OPI-систем;
• выбор технологии цветопробы;
• значения предельных значений уменьшения или увеличения изображения.

Главный параметр, который определяет качество сканирования, это битовая глубина сканера или разрядность. Битовая глубина определяет динамический диапазон, который называют плотностью, и она измеряет чувствительность сканера при распознавании деталей в самой светлой и самой темной зонах изображения. Динамический диапазон имеет большее влияние на качество сканирования, чем разрешение. Безусловно, уровень плотности сканера должен быть выше, чем у оригинала, иначе невозможно будет распознать многие детали изображения.

Сканер, имеющий битовую глубину 8 бит обеспечивает 256 оттенков каждого цвета, а динамический диапазон не будет превышать 2.4. Плотность же отпечатка на фотобумаге лежит в диапазоне от 2.0 до 2.8, а слайды имеют плотность 3.0. Таким образом сканер с глубиной бит не обеспечит высокого качества сканирования для многих оригиналов. Однако для оригиналов, не содержащих слишком темных или слишком светлых деталей, он сможет обеспечить хорошее качество. Стоимость такого сканера естественно ниже.

Сканеры с глубиной 10 бит (210) обеспечивают 1024 оттенков и у них динамический диапазон порядка 3.0. Эти сканеры позволяют обеспечить качественное воспроизведение темных и светлых участков, но стоимость их существенно выше, но профессиональное качество работы на должном уровне не обеспечивается.

Динамический диапазон сканера на уровне 3.6 — 4.2 обеспечивается битовой глубиной — 14 бит. Стоимость сканеров высока, но зато обеспечивается профессиональное качество работы.

Увеличение битовой глубины сканера позволяет увеличить точность передачи самых сложных участков изображения с одновременным увеличением количества передаваемых полутонов, т.е. улучшается общее качество сканирования. Качество сканирования существенно зависит от другого важного параметра сканера — его оптического разрешения. Этот параметр зависит от линиатуры печати, масштаба воспроизведения и коэффициента качества.

• Для сканирования шрифтов необходимо разрешение порядка 600 dpi или больше. В случае сканирования черно-белого изображения минимальное разрешение должно быть порядка 800 dpi.
• При сканировании фотографий необходимо иметь сканер с разрядностью не менее 12 бит и диапазоном оптических плотностей порядка 2.4 — 2.7 , а разрешение должно быть не ниже 600 dpi.

Для выпуска информационных бюллетеней, книг, брошюр с черно-белыми или двухцветными иллюстрациями небольшого формата можно применить планшетные сканеры среднего класса. В случае же выпуска многоцветных иллюстраций больших размеров (художественные каталоги, глянцевые журналы и др.) можно применить планшетные сканеры высокого класса или же барабанные сканеры.

Муар

Муар — видимый, периодически повторяющийся посторонний рисунок в виде сетки, возникающий при наложении двух или более растровых изображений. Муар может возникнуть при неправильном выборе поворота растра, при повторном репродуцировании растровых изображений (оттисков), при печати на материале с регулярной структурой на поверхности. Муар на оттиске присутствует всегда, но может быть как четко выраженным, так и мало заметным. В идеальном случае в четырехкрасочной печати муар превращается в малозаметную структуру, так называемую полиграфическую розетку. Большое значение имеет частота муара и в случае, если она высока, то муар будет практически не заметен. Если же частота муара низкая, то любая ошибка совмещения фотоформ при печати приведет к появлению муара низкой частоты. Наиболее сильно муар проявляется в области полутонов.

Особую трудность представляет собой изображение, имеющее регулярную структуру, как, например, фактура ткани. Особенности печатной машины или нарушение технологии печати тоже могут быть причиной появления муара. В случае использования сырой бумаги наблюдается ее деформация в печатной машине и тогда возникает искажение точки в направлении движения бумаги. Точка как бы «вытягивается», а в ряде случаев появляется ее слабо различимая копия. Муар может возникнуть и в случае неудачного сочетания бумаги и неподходящей к этой бумаге печатной краски.

Частным случаем появления муара является сканирование с отпечатанного оттиска. В этом случае оригинал уже имеет отрастрированное изображение и повторное его растрирование равноценно наложению двух растровых структур друг на друга.

Поскольку полиграфические оттиски весьма часто применяются как оригиналы, то необходимо предусмотреть мероприятия, уменьшающие проявление муара. Для этого в сканере имеется функция дерастеризации, которая позволяет преобразовать растровый рисунок в изображение с непрерывными тонами. Применение этой функции позволяет заменить растры однородными цветами. Поскольку проблема появления муара при сканировании весьма актуальна, то алгоритм удаления муара изготовители часто включают в программное обеспечение сканера.

Дерастеризация влечет за собой потерю ряда важных деталей исходного изображения и поэтому ее лучше применять к отпечаткам, выполненным с высоким разрешением и на хорошей бумаге. К сожалению, универсального способа по устранению муара при сканировании нет, а есть ряд приемов, которые позволяют решить эту проблему более или менее успешно. Поэтому при выборе сканера необходимо учесть этот фактор и отдать предпочтения этой модели сканера, который имеет более надежную и проверенную опытом систему дерастеризации.

Избежать муара можно при помощи частотно-модулированного (стохастического) растрирования, это объясняется нерегулярным, случайным характером формируемого растра.