Частоты и детали изображения

В предшествующих разделах понятие частоты применялось, в первую очередь, к световым и звуковым волнам, так что его смысл уже известен. Частота указывает число колебаний в единицу времени. Но его значение можно расширить и использовать частоту для описания числа колебаний как в единицу времени, так и на единицу протяженности. При оцифровке может быть задана, например, частота измерений. При оцифровке изображений частота измерений может выражать число точек (на которое оцифровыватель раскладывает изображение), приходящихся на единицу протяженности. Можно продвинуться еще на шаг вперед и рассматривать информационное содержание изображения как состоящее из частот его деталей.

В связи с этим обратимся к рис.22. Здесь представлено изображение, которое содержит набор черных линий, сканируемое светочувствительным датчиком. В результате замеров яркости получаем сигнал, напряжение которого периодически нарастает и спадает.

Частота этого сигнала, очевидно, зависит от тонкости линейчатого узора. Чем плотнее линии следуют одна за другой, тем больше деталей содержится в изображении и тем выше получаемая частота. Таким образом, детали изображения могут быть представлены частотами, и чем тоньше деталь, тем выше соответствующая ей частота. Такой способ описания изображения отнюдь не ограничен теоретическими соображениями. Он весьма важен при математической обработке видеоинформации, например для получения определенных эффектов, использующих цифровую фильтрацию, или для сжатия видеоинформации. Для обработки видеоинформации может быть применено преобразование Фурье.

Получить представление о такой альтернативной возможности описания видеоинформации необходимо, поскольку во многих публикациях постоянно используют понятие частоты деталей изображения. Это также поможет понять, почему фильтры верхних и нижних частот, которые скорее можно было встретить в частотных разветвителях для блоков громкоговорителей, ныне стали играть важную роль и в обработке изображений. Мы вернемся к этим проблемам еще не один раз в главах, сжатию данных и цифровой фильтрации.

Планшетные сканеры.

Все планшетные сканеры работают по одному принципу: считывающая каретка перемещается вдоль неподвижного оригинала. Оригинал помещается на стеклянный столик и прижимается к нему крышкой. Под стеклом движется каретка, в которую вмонтирована подсвечивающая оригинал лампа и подвижное (относительно оригинала, а не каретки) зеркало. Есть еще и неподвижное зеркало, направляющее отраженный оригиналом и подвижным зеркалом световой поток в объектив. Объектив фокусирует изображение на линейке фоточувствительных элементов (CCD — Couple Charge Device — прибор с зарядовой связью, ПЗС). Снятый с элементов ПЗС электрический сигнал оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Разумеется, за годы упорного соревнования между производителями планшетных сканеров было придумано много усовершенствований. В частности, в современных моделях на каретке расположено не только подвижное зеркало, но и сама ПЗС-линейка вместе с объективом и электронной схемой АЦП. Таким образом, вне каретки остается только шаговый электродвигатель, обеспечивающий перемещение каретки, контроллер управления приводом и интерфейсный модуль отвечающий за передачу данных в компьютер. Обычно выпускается несколько взаимозаменяемых интерфейсных модулей с портами SCSI, USB и LPT.

Для освещения оригинала в старых моделях использовались флюоресцентные лампы, близкие родственницы обычных ламп дневного света. Из-за присущих им недостатков — нестабильность параметров светового потока, ограниченный срок службы — на сегодня их полностью вытеснили лампы с холодным катодом. Они служат дольше, и характеристики у них не так «плавают», меньше времени уходит на прогрев лампы перед сканированием.

Планшетные сканеры применяются для считывания как непрозрачных (в отраженном свете), так и прозрачных (на просвет) оригиналов. Для сканирования слайдов необходимо иметь специальное приспособление. Это или прижимная крышка, в которой расположен источник света, или пирамидка из двух зеркал, поворачивающая на 180 градусов свет от лампы в каретке.

При вводе цветных изображений поочередно оцифровывается отраженный от цветного оригинала красный, зеленый и синий свет. Раньше многие сканеры сканировали за полный проход сначала один цвет, затем второй и, наконец, третий. Но эта схема устарела, сегодня трехпроходный сканер найти непросто. При однопроходном сканировании каждая строка оригинала считывается тремя ПЗС-линейками, расположенными параллельно и оснащенными разными светофильтрами. После этого каретка перемещается на шаг, и все повторяется. Этот метод ускоряет сканирование и улучшает приводку основных цветов (цветовые каналы изображения состыковываются точнее).

Главная особенность планшетных сканеров — использование в них ПЗС-элементов, количество которых в каждой линейке и определяет оптическое разрешение сканера по горизонтали. В большинстве моделей в линейке собрано порядка 5 тысяч фоточувствительных элементов, причем эта линейка раза в четыре уже максимальной ширины сканируемого оригинала. В ряде современных планшетных сканеров используют и более «мощные» CCD-матрицы Например, в моделях UMAX Mirage II (8000 элементов), Astra 4000U (10 500 элементов), PowerLook III (10600 элементов), HEIDELBERG Circon BasicPack (10 500 элементов), LinoScan 1200/ 1800/2400 (10 500 элементов), LinoScan 1400/ 1450 (10 600 элементов), AGFA DuoScan T2000 (8000 элементов), Т2500 (10 000 элементов), Т5000 (10 200 элементов). В ряде дорогих моделей реализованы еще более современные решения. Например, в моделях SCITEX EverSmart Supreme или HEIDELBERG Topaz (3х8000 элементов).

У планшетного сканера формата А4 полоса отраженного от оригинала света шириной в 210 мм (примерно 8,3 дюйма) разделяется на 5 тыс. пикселей, что соответствует оптическому разрешению в 600 пикселей на дюйм (ppi). Если на эту же матрицу сфокусировать полосу света, равную ей по ширине, то есть примерно двухдюймовую, разрешение составит порядка 2500 ppi. Поэтому дорогие планшетные сканеры оснащаются несколькими переключаемыми объективами и способны при считывании небольших оригиналов (фотографий или слайдов) обеспечить разрешение, достаточное для профессиональных полиграфических работ. Такие решения реализованы, например, в моделях UMAX PowerLook 3000, Mirage II, HEIDELBERG LinoScan 1800/2400, AGFA Scan Т5000. Пока речь шла о разрешении по горизонтали, зависящем от оптической части устройства. Вторая составляющая — вертикальное разрешение — определяется механикой и электроникой сканера. Чем выше точность привода каретки и чем больше остановок, чтобы прочитать строку, способен сделать шаговый мотор при перемещении каретки на дюйм, тем выше разрешение по вертикали. Когда написано, что аппаратное разрешение сканера составляет 300х600 ppi, это означает, что оптика отвечает за считывание 300 ppi в строке, а механика — за 600 строк при перемещении на один дюйм.

В профессиональных планшетных сканерах аппаратное разрешение, как правило, значительно (в несколько раз) превышает 600 ppi. Например, в AGFA Scan T5000 Plus оно составляет 5000 ppi. При использовании недорогих сканеров также есть возможность получить оцифрованные изображения с разрешением 4800, 9600 ppi и выше. Но это другое разрешение — интерполяционное. Оно ничуть не увеличивает количество полезной информации в отсканированной картинке. В этом случае между реально считанными сканером пикселями вставляется один или несколько пикселей, для которых берется промежуточный тон. Интерполяционное разрешение позволяет получить изображение большего размера, но с менее четкими цветовыми переходами и ослабленной проработкой деталей. На практике редко имеет смысл выходить за пределы максимального оптического разрешения сканера. Если понадобится, картинку можно с не меньшим успехом растянуть в графическом редакторе.

Тот, кто знаком с фотографией, конечно, знает, что разрешение объектива неодинаково в центре и по краям. Это справедливо и для сканеров Чем дешевле модель, тем слабее установленный в ней объектив, то есть меньше глубина резкости, больше разброс разрешений. Чтобы определить оптимальную для сканирования небольших оригиналов область, надо изображение, отсканированное на одноцветном сером листе полного формата, проверить в графическом редакторе (например, в Adobe PhotoSnop). Где разброс цвета меньше, там и есть зона оптимального сканирования.

Глубина резкости планшетных сканеров тоже важна, несмотря на то что оригинал плоский. Случается, что лист кое-где отгибается (у корешка журнала, например). Бумага (чаще это тонкая меловка) тоже бывает неровной, что при плохой оптике сказывается на резкости изображения. К тому же сканер с большой глубиной резкости дает возможность получать изображения не только с фотографий, но и непосредственно с предметов — монет, компакт-дисков, плат от компьютера.

Часто думают, что способность планшетных сканеров считывать оригиналы с меньшей оптической плотностью (меньший динамический диапазон сканера), чем это позволяют делать барабанные сканеры, связана с применением ПЗС и менее яркой лампы. Это не так. Максимальная оптическая плотность определяется качеством ПЗС и разрядностью АЦП. Шкала оптических плотностей от 0,0D (абсолютная прозрачность) до 4,0D (абсолютная непрозрачность или чернота) — логарифмическая, так что оригинал с плотностью 3,0D темнее оригинала с плотностью 2,0D не в полтора, а в десять раз. При плотности 2,0D через слайд проходит только 1% света, а при 3,0D — 0,1%.

Динамический диапазон — это разность максимальной (D_max) и минимальной (D_min) оптических плотностей. Фоточувствительный элемент сканера плохо различает самые темные полутона, ему мешает электрический шум в АЦП и ПЗС. Но и самые светлые области точно воспроизвести не удается — при большой яркости ПЗС «слепнет». Например, при обычных для полупрофессиональных планшетных сканеров значениях D_max = 3,3D и D_min = 0,3D динамический диапазон составляет 3,0D.

24-битные сканеры, которые еще сравнительно недавно преобладали на рынке, были пригодны для сканирования оригиналов с оптической плотностью 2,0—2,2D. Этого достаточно для непрозрачных документов. Такие сканеры довольно дешевы и вполне удовлетворяют требованиям широкого круга неприхотливых пользователей. Поэтому на рынке не только присутствует, но и пользуется хорошим спросом ряд дешевых моделей с заявленным динамическим диапазоном от 1,8D до 2,2D. Например, модели AGFA SnapScan 1212 (1,8D, $115—150), SnapScan 1236 (1,8D, $235—300), SnapScan Touch (1,9D, $150-170), MICROTEK Phantom 636 (2,2D, $160—180).

В сканерах с 30- и 36-битным внутренним представлением уже достигается динамический диапазон порядка 3,0D, и они способны справиться с прозрачными оригиналами, у которых типовое значение плотности также составляет 3,0D. Однако это не распространяется на негативы — у тех плотность выше (порядка 3,6D). Самые дорогие профессиональные планшетные сканеры обеспечивают сканирование оригиналов с оптической плотностью до 3,7D, приближаясь по этому показателю к барабанным. К таким моделям относятся HEIDELBERG Circon BasiePack/Color Edition (3,7D, $6990—9990), LinoScan 1800— 2400 (37D, $5900-6180), Topaz (3,7D, $32 300-41 600), AGFA Scan T5000 (3,7D, $20 500-21 870). Однако надо учитывать, что производители планшетных сканеров часто или вообще не указывают динамический диапазон, или приводимые ими в документации цифры сильно отличаются от реальных возможностей аппарата. Причина обычно не в злом умысле, а в разных методиках определения максимальной оптической плотности.

Для сканирования обычных деловых документов, печатных материалов и иллюстраций из журналов подходят любые планшетные сканеры. Максимальная оптическая плотность в этом случае не играет большой роли (обычно хватает и 2,0D), а слишком высокое разрешение может привести к сильному муару, избежать которого будет сложно.

Модели средней ценовой категории, отличающиеся оптикой более высокого качества, повышенной разрядностью АЦП и т.д., пригодны для профессиональных графических и рекламно-издательских работ. Они качественно считывают фотоснимки, могут справиться и со слайдами. Но если необходимо сканировать прозрачные оригиналы в большом объеме, следует обратить внимание на самые дорогие модели. В них предусмотрен ряд специальных возможностей, включая, например, пакетное сканирование слайдов. Компания Agfa разработала технологию TwinPlate, суть которой сводится к движению одной каретки вдоль двух параллельных рабочих столов — для непрозрачных и прозрачных оригиналов. Естественно, применяются разные объективы. Кроме того, слайды не прижимаются к стеклу, что избавляет от возникновения эффекта колец Ньютона, пылинок-ворсинок и т.п. Реализация технологии TwinPlate в серии сканеров Agfa DuoScan (T1200, Т2500) сделала их заметным явлением на российском рынке сканеров 1999 года. Конструкции со встроенными модулями для прозрачных оригиналов применяются и в моделях других фирм, например в моделях Microtec ScanMaker4.

CIS-сканеры.

Наряду с традиционными CCD-сканерами на мировом рынке представлены и упрощенные (и более дешевые) планшетные сканеры, в которых вместо ПЗС используются сенсоры CIS (Contact Image Sensor). На самом деле в этих моделях сканеров никакого контакта с изображением не происходит. Нет и принципиальной новизны в конструкции. Просто ПЗС-линейка растянута на всю ширину оригинала. Подобные считывающие устройства уже много лет применяются в факсах.

Достоинство CIS-сканеров, с точки зрения производителей, заключается в возможности обойтись без дорогого объектива и зеркал, что существенно удешевляет производство. Отраженный свет считывается непосредственно CIS-линейкой. Такой сканер стоит дешево и доступен большому кругу потребителей, для которых сканирование документов не является постоянно выполняемой работой. Но по качеству считанного изображения эти сканеры зачастую заметно уступают моделям с обычными ПЗС-линейками.

У CIS-сканеров меньше глубина резкости, хуже передача близких по оттенку деталей картинки. И еще такой важный показатель, как долговечность. Если обычные ПЗС-сканеры обеспечивают стабильное качество работы в течение 10 тысяч часов, то у CIS-сканеров, по статистике, отмечается существенное (до 30%) падение яркости спустя всего 500 часов.

Одними из наиболее характерных моделей CIS-сканеров, представленных на российском рынке, являются MUSTEK ScanExpress 600СР/1200СР ($48-62/58-76). Эти модели довольно компактны и могут быть рекомендованы для ввода и распознавания текстов, подготовки факсов, выполнения мелких офисных работ. Сканеры вполне подходят и для сканирования фотографий с целью последующего просмотра на мониторе или помещения на Web. Оба сканера не оснащены дополнительным оборудованием и предназначены преимущественно для домашнего использования или непрофессионального офиса.

Более мощные модели MUSTEK ScanExpress A3 SP/P ($195—225/159—185) также реализуют CIS-технологию. Они не столь чувствительны к оттенкам, имеют маленькую глубину резкости по сравнению с традиционными CCD-сканерами. Кроме того, они значительно более чувствительны к паразитной подсветке, то есть при сканировании с открытой крышкой существенно нарушается цветопередача.

Пользуются популярностью на российском рынке и другие дешевые модели планшетных CIS-сканеров — MICROTEC Phantom С6 EPP/USB ($129—135), CANON CanoScan FB 320P ($65-76)/330P ($70-82)/620U ($100-106).

Часть II