Оптическая плотность и разрешение изображения. Оптическое разрешение сканера. Основные элементы конструкции сканеров

Конечно же, при покупке сканера вам придется обратить внимание на основные характеристики, указанные в руководстве пользователя и паспорте на приобретаемое устройство.

Оптическое разрешение

Именно этот параметр является решающим при покупке сканера. Обращайте основное внимание на величину оптического разрешения. При величине оптического разрешения, скажем 8000 ppi, можно получить информацию только о структуре зерна, а вовсе не лучшую детализацию изображения. Для негативов этот порог еще меньше - около 1200 ppi. Сканирование качественных цветных фотографий с разрешением более 600 ppi также не представляется целесообразным.

Следует различать разрешение оптическое и интерполяционное (программное). Величина интерполяционного разрешения может многократно превышать величину оптического. При интерполяции число пикселей повышается за счет программной обработки алгоритма в программе сканирования. Несмотря на всю интеллектуальность алгоритма интерполяции, повысить детальность изображения при сканировании с разрешением, превышающим оптическое, невозможно. В последнее время в маркетинговых целях многие производители указывают величину оптического разрешения по вертикали вдвое большую, чем по горизонтали. Однако завышенная величина говорит только об улучшенной механике устройства. У сканера «600?1200» реальное оптическое разрешение составляет только 600 точек, а все, что выше, - это интерполяция.

В цифровых изображениях для дальнейшего использования в Интернет достаточно разрешения 72 ppi (стандартное разрешение монитора). Для использования в полиграфии достаточно разрешения 300 ppi. To есть при сканировании с разрешением 600 ppi изображение для печати можно увеличить в 2 раза, а для Web - в 8 раз.

В традиционной фотографии разрешение определяется максимальным количеством раздельно передаваемых штрихов, приходящихся на 1 мм изображения. В цифровой фотографии разрешение определяется количеством точек в изображении. Чем выше разрешение, тем меньшие детали объекта способна передать фотокамера.На разрешающую способность цифрового изображения влияют характеристики оптики, свойства ЭОП, программные преобразования, производимые процессором ЦФК. Определяется стандартно - путем съемки тест-объектов, как предельная пространственная частота, воспроизводимая ЦФК.

Для матриц вводятся понятия «оптическое разрешение» и «интерполяционное разрешение».

Оптическое разрешение матрицы характеризует шаг дискретизации фиксируемого изображения. Оптическое разрешение выражается в пикселях на дюйм,ppi(pixelsperinch).

Оптическое разрешение фотоматрицы задают двумя способами:

Ее размером в пикселях по горизонтали и по вертикали;

Общим количеством пикселей, которые она содержит. Например: изображение 1600х1200 пикселей или 1.92 млн. пикселей.

Увеличение оптического разрешения достигают или увеличением размеров ПЗС-матрицы, или уменьшением размеров ячейки.

Большинство любительских фотоаппаратов имеют разрешение 8-10 млн пикселов. Для сравнения, оптическое разрешение человеческого глаза составляет порядка 120 млн пикселов, традиционные 35-мм слайды, по разным оценкам, содержат от 10-20 млн элементов изображения.

Интерполяционное разрешение – это программное повышение оптического разрешения. Оно не повышает степень детализации изображения, а лишь понижает его зернистость. При интерполяции ПЗС-матрица считывает графическую информацию на пределе своего оптического разрешения. После этого каждый пиксель изображения разбивается на несколько более мелких пикселей, которым присваиваются усредненные значения цвета соседних, реально считанных пикселей.

4. Шумы матриц

Физический размер матрицы и размер каждого пикселя в отдельности значительно влияют на кол-во шумов. Чем больше физический размер матрицы, тем больше ее площадь и тем больше света на нее попадает, в результате чего полезный сигнал матрицы будет сильнее и соотношение сигнал / шум будет лучше. Это позволяет получать более яркую, качественную картинку с естественными цветами. Так же при большом размере каждого отдельного пикселя, слой изоляции, разделяющий пиксели друг от друга, толще и меньше зарядов ее пробивает, т.е. токов утечки меньше, а соответственно шумов меньше.

Аналогом шумов ПЗС-матрицы у пленок является зернистость.

Все цифровые изображения можно описать несколькими характеристиками, которые определяют их физический размер (число битов памяти, необходимое для хранения файла изображения) и качество. Эти характеристики взаимосвязаны. Так, например, чем выше качество фотографии, тем, как правило, больше размер файла , в котором она хранится. Для того, чтобы определить с чем связано качество цифрового изображения необходимо познакомиться с такими понятиями, как разрешение и графические форматы.

Разрешение

Цифровое изображение формируется из крошечных элементов, называемых пикселами. Пиксел является основным элементом (кирпичиком) растровых изображений. Это единица измерения , принятая в компьютерной графике, аналогичная привычным для нас метру, килограмму или литру в повседневной жизни. Именно количество пикселов в изображении и обозначают термином разрешение .

Чем выше разрешение, тем большее количество пикселов содержит изображение и тем, соответственно, выше качество такого изображения, поскольку изображение с более высоким разрешением характеризуется большим количеством деталей.

При сканировании, а также съемке цифровым фотоаппаратом или видеокамерой осуществляется преобразование аналогового изображения в цифровую форму (оцифровка). В настоящее время для этой цели в основном используются сенсорные устройства.

Сенсоры представляют собой интегральные микросхемы, в которых реализован набор фоточувствительных элементов, конструктивно выполненных в виде линеек (как в планшетных сканерах ) или матриц (как в случае цифровых камер). Чем больше количество элементарных фоточувствительных элементов в сенсоре , тем большее разрешение он обеспечивает.

Сенсоры с небольшим количеством фоточувствительных элементов не позволяют получить изображение с высоким разрешением. В таком изображении отдельные элементы (пикселы) могут быть видны невооруженным глазом, что приводит к проявлению ступенек, т.е. эффекта пикселизации (рис. 2.4).

И наоборот, большое количество очень маленьких cветочувствительных элементов позволяет получать цифровую модель изображения, близкую к оригиналу. В технической документации по эксплуатации сканеров в качестве единиц, определяющих их разрешающую способность, обычно используют количество точек на дюйм - dpi ( dots per inch ). То есть, при установке режима сканирования необходимо задавать разрешение сканера в этих единицах, например, 300 dpi .

ПРИМЕЧАНИЕ

В литературе вместо термина dpi (точек на дюйм) вы можете встретить термин ppi ( pixels per inch ) - пикселов на дюйм. Точка имеет форму круга, а пиксел - квадрата . Однако, для того, чтобы в дальнейшем избежать терминологической путаницы, будем считать единицы измерения разрешения ppi и dpi синонимами.

Разрешение оптическое (физическое) и программное (интерполяционное)

Оптическое разрешение указывает реальное количество светочувствительных элементов в квадратном дюйме (1 дюйм = 2,54 см).

Интерполяционное разрешение является не физической характеристикой цифрового устройства, а характеристикой его программного обеспечения. Поэтому качество изображений, полученных с использованием интерполированного разрешения, зависит от качества алгоритмов интерполяции, реализованных в программе.

Например, в паспорте сканера может быть указано оптическое разрешение 1200 dpi , а разрешение программное - 24000 dpi ..

ПРИМЕЧАНИЕ

Многие профессиональные фотографы отрицательно относятся к увеличению разрешения фотоизображений не аппаратным, а программным путем, так как при уменьшении разрешения данные отбрасываются, а при увеличении - программа их "придумывает". Другими словами, интерполяция искусственно добавляет элементы цифрового изображения, но не увеличивает количество деталей изображения.

Разрешение монитора

Разрешающая способность монитора связана с максимальным количеством точек, которое он может генерировать и их размером, а измеряется числом точек в одной горизонтальной строке и числом горизонтальных строк экрана. При обычном на сегодня размере точки ("зерне") 0,2 мм для 17-дюймовых мониторов стандартным является разрешение 1024x768.

Разрешение принтера

Разрешающая способность лазерного принтера определяется количеством точек, которые принтер может напечатать на одном дюйме ( dpi - dots per inch ). Так, если лазерный принтер имеет разрешение 300 точек на дюйм, то в одном дюйме он может напечатать 300 точек.

Вы можете посмотреть разрешение установленного у вас принтера, выполнив команду Пуск Панель управления Принтеры и факсы (рис. 2.5).

Разрешение цифровой камеры

В цифровой камере свет, прошедший через объектив, попадает на светочувствительную матрицу (занимающую место пленки) - совокупность сенсоров CCD (ПЗС) или CMOS (КМОП), которые и выполняют оцифровку изображения. В процессе оцифровки изображения с цифровой камеры содержащаяся в нем информация конвертируется в набор чисел, организованных в виде матрицы, называемой битовой матрицей ( bit-map ). При этом каждой фотоячейке сенсора соответствует определенный числовой элемент в битовой матрице .

Светочувствительная матрица (сенсор) является главным (и самым дорогим) компонентом цифровой камеры. Качество снимаемого камерой изображения зависит в основном от разрешения сенсоров и качества оптики фотокамеры.

В цифровых камерах основной единицей измерения разрешения является пиксел и его величина определяется размером отдельной ячейки ПЗС-матрицы.

Для изображений, введенных в компьютер с помощью цифровой камеры, разрешение может быть задано или в виде конкретного числа мегапикселов (мегапиксельный сенсор содержит 1 миллион фоточувствительных ячеек) или как растровое изображение с указанным числом пикселов по горизонтали и вертикали. Например, цифровая камера, имеющая 2,1 мегапиксельное сенсорное устройство, создает файл изображения размером 1792*1200 пиксел (сохраненный в JPEG формате).

Форматы графических изображений

После того, как кадр в цифровом фотоаппарате снят, полученную картинку необходимо записать в память . Для этого чаще всего используются графические форматы JPEG или TIFF . Причем, для фотографа не столько важен формат записи, сколько возможности используемых в них режимов сжатия (желательно - с минимальной потерей качества), а также количество памяти в камере. Поговорим об этом подробнее.

Каждый из существующих сегодня форматов прошел естественный отбор, доказал свою жизнеспособность и практическую ценность. Все они имеют характерные особенности и возможности, делающие их незаменимыми в конкретных сферах применения: Web-дизайне, при печати, ретуши фотографий и других.

Все множество форматов, используемых для записи изображений, можно условно разделить на две категории:

• хранящие изображение в растровом виде ( BMP , TIFF , JPEG , PNG , GIF и др.);
• хранящие изображение в векторном виде ( WMF , CDR , AI, FH9 и др.);

Какому формату отдать предпочтение? Профессионалы знают, что лучше сохранять результаты работы в формате, который является "родным" для используемой программы. Например, в Photoshop - PSD, CorelDRAW - CDR , Flash - FLA . Это позволит в максимальной степени реализовать возможности программы и застраховаться от неприятных сюрпризов. Однако в данной лекции мы уделим внимание в основном растровым форматам, поскольку с фотографией приходится работать именно в растровых графических редакторах .

Растровые форматы

Растровое изображение (растр) напоминает сетку (таблицу) пикселов, которая в простейшем черно-белом варианте состоит из двух типов клеточек: белые или черные, и которые могут быть закодированы, соответственно, ноликом или единичкой. В отличие от черно-белого, в цветном RGB -изображении, например, глубиной 24 бита, каждый пиксел кодируется 24-битовым числом, поэтому в каждой ячейке битовой матрицы хранится число из 24 ноликов и единичек.

Теперь перейдем к рассмотрению наиболее распространенных форматов растровых изображений.

BMP

Формат BMP (от слова bitmap ) - это родной формат Windows. Он поддерживается всеми графическими редакторами, работающими под управлением этой операционной системы. Применяется для хранения растровых изображений, предназначенных для использования в Windows, например, в качестве фона вашего рабочего стола . С помощью этого формата вы можете задать глубину цвета от 1 до 24 бит. Предоставляет возможность применения сжатия информации по алгоритму

Оптическое разрешение. Является основной характеристикой сканера. Сканер снимает изображение не целиком, а по строчкам. По вертикали планшетного сканера движется полоска светочувствительных элементов и снимает по точкам изображение строку за строкой. Чем больше светочувствительных элементов у сканера, тем больше точек он может снять с каждой горизонтальной полосы изображения. Это и называется оптическим разрешением. Оно определяется количеством светочувствительных элементов (фотодатчиков), приходящихся на дюйм горизонтали сканируемого изображения. Обычно его считают по количеству точек на дюйм - dpi (dots per inch). Нормальный уровень разрешение не менее 600 dpi, увеличивать его еще дальше - значит, применять дорогую оптику, дорогие светочувствительные элементы, и увеличивать время сканирования. Для обработки слайдов необходимо более высокое разрешение 1200 dpi.

Разрешение по X. Этот параметр показывает количество пикселей у фоточувствительной линейки, из которых формируется изображение. Разрешение является одной из основных характеристик сканера. Большинство моделей имеет оптическое разрешение сканера 600 или 1200 dpi (точек на дюйм). Его достаточно для получения качественной копии. Для профессиональной работы с изображением необходимо более высокое разрешение.

Разрешение по Y. Этот параметр определяется величиной хода шагового двигателя и точностью работы механики. Механическое разрешение сканера значительно выше оптического разрешения фотолинейки. Именно оптическое разрешение линейки фотоэлементов будет определять общее качество отсканированного изображения.

Скорость сканирования. Скорость сканирования зависит от разрешения при сканировании и от размера оригинала. Обычно производители указывают этот параметр для формата А4. Скорость сканирования может измеряться количеством страниц в минуту или временем, необходимым для сканирования одной страницы. Иногда измеряется в количестве сканируемых линий в секунду.

Глубина цвета. Как правило, производители указывают два значения для глубины цвета - внутреннюю глубину и внешнюю. Внутренняя глубина - это разрядность АЦП (аналого-цифрового преобразователя) сканера, она указывает на то, сколько цветов сканер способен различить в принципе. Внешняя глубина - это количество цветов, которое сканер может передать компьютеру. Большинство моделей используют для цветопередачи 24 бита (по 8 на каждый цвет). 24 бита соответствует 16 777 216 оттенков. Для стандартных задач в офисе и дома этого вполне достаточно. Но если вы собираетесь использовать сканер, для серьезной работы с графикой, попробуйте найти модель с большим числом разрядов.

Максимальная оптическая плотность. Максимальная оптическая плотность у сканера - это оптическая плотность оригинала, которую сканер отличает от «полной темноты». Чем больше это значение, тем больше чувствительность сканера и, тем выше качество сканирования темных изображений.

Тип источника света.

Ксеноновые газоразрядные лампы отличаются чрезвычайно малым временем прогрева, высокой стабильностью излучения, небольшими размерами и долгим сроком службы. С другой стороны, они требуют высокого напряжения, потребляют большой ток и имеют неидеальный спектр, что пагубно сказывается на точности цветопередачи.

Люминесцентные лампы с горячим катодом обладают очень ровным, управляемым в определенных пределах спектром и малым временем прогрева. В качестве недостатков можно назвать крупные габариты и относительно короткий срок службы.

Люминесцентные лампы с холодным катодом служат в десять раз дольше предшественниц с горячим катодом, имеют низкую рабочую температуру и ровный спектр, однако время прогрева у них велико - от 30 секунд до нескольких минут. Именно такие лампы используются в большинстве современных CCD-сканеров.

Светодиоды (LED) применяются, как правило, в CIS-сканерах, не требуют времени для прогрева и обладают небольшими габаритами и энергопотреблением. В большинстве случаев используются трехцветные светодиоды, меняющие с большой частотой спектр излучаемого света. Светодиоды имеют довольно низкую интенсивность светового потока и неравномерный, ограниченный спектр излучения, поэтому у сканеров с таким источником света страдает качество цветопередачи, увеличивается уровень шума на изображении и снижается скорость сканирования.

Тип датчика сканера. В сканерах МФУ обычно используется один из двух типов датчиков: контактный (CIS) или ПЗС (CCD). CIS представляет собой линейку фотоэлементов, которая равна ширине сканируемой поверхности. Во время сканирования она перемещается под стеклом и строка за строкой передает информацию об изображении на оригинале в виде электрического сигнала. Для освещения обычно используются светодиоды, которые расположены в непосредственной близости от фотолинейки на той же подвижной платформе. Сканеры на базе CIS имеют простую конструкцию, тонкий корпус и небольшой вес, они обычно дешевле сканеров на базе CCD. Основной недостаток CIS состоит в малой глубине резкости.

Сканер - это устройство, позволяющее вводить в компьютер в графическом виде текст, рисунки, слайды, фотографии, графики, статьи, рукописи и др. Все скеры можно разделить на несколько классов: ручные (протяженные), настольные или планшетные, сканеры для прозрачных материалов. Главные различия между устройствами - стоимость, качество изображения и метод использования.

Сканеры относятся к SAD-системам (Source Attenuator Detector - детектор иочника затухания, или средство определения изменений). Когда свет в сканере будет отражаться от документа или проходить через него, амплитуда сигнала света немного ослабеет, что зарегистрируют датчики сканера, которые измеряют разницу между световыми значениями. Есть различные виды датчиков. В большинстве скеров используются CCD-датчики (Charged-coupled devices) - устройства с заровой связью или приборы с зарядовой связью (ПЗС), преобразующие свет в пиелы. Каждый сканер имеет линейный массив, состоящий из нескольких тысяч CCD-устройств, расположенных в ряд вдоль сканирующего механизма. В некотых сканерах применяются датчики на комплементарных металлооксидных полроводниках, CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), которые вначале появились в цифровых камерах. Устройства CMOS отличаются от CCD-датчиков тем, что они существуют в виде отдельного блока. CCD- и CMOS-устройства во вря сканирования сравнивают величину электрического заряда до и после его отражия от сканируемого оригинала. Разница преобразуется в оттенок и определяет цвет пикселов.

Скорость сканирования - одна из характеристик сканера.

Отсчет времени сканирования начинается с нажатия кнопки Scan и заканчивтся моментом, когда изображение доступно для редактирования в Adobe Photoshop. Если сканирование производится с включенным режимом автокалиовки, выполняемым перед каждым сканированием, то время сканирования увеливается на 6-8 с.

Исследования показывают, что время сканирования с разрешениями 1200 и 2400 dpi оказалось одинаковым, что говорит о том, что разрешение по вертикали, корое многие производители в последнее время в рекламных целях заявляют вдвое большим, чем по горизонтали, - скорее всего, просто интерполяционное разрешие, а цифра 2400 свидетельствует лишь об улучшенной механике сканера.

Современные сканеры имеют довольно большой буфер памяти : при сканирании картинок размером 50 Мбайт в процессе парковки линейки (движение скирующих устройств в исходное положение) сканер продолжает обсчитывать и передавать изображение.

Динамический диапазон - один из важнейших параметров сканера. Динамичкий диапазон вычисляется по формуле: D = Dmax – Dmin, где D - разница между максимальной и минимальной оптическими плотностями, различаемыми сканером. Обычно минимальная оптическая плотность Dmin, воспринимаемая сканером, ставляет 0,07-0,08 D.

Оптическая плотность равна отрицательному десятичному логарифму коэициента отражения (пропускания). Если оптическая плотность равна 1, 2, 3 и т. д., то отражается (или проходит) соответственно одна десятая, сотая или тысячная часть падающего света. На прозрачных изобразительных материалах (слайдах) и фотормах оптическая плотность может достигать 4,0.

Оптическое разрешение сканера

Основная характеристика сканера - оптическое разрешение . Оно измеряется в ppi - пикселах на дюйм (pixels per inch), часто, однако, пишут dpi - точки на дюйм. Понятие "точка" означает элемент, не имеющий конкретной формы и слащий для измерения разрешения печатающих устройств. Сканеры и растровые графические файлы оперируют пикселами, имеющими всегда форму квадрата.

Оптическое разрешение указывает, сколько пикселов сканер может считать в квадратном дюйме. Оно записывается так: 300´300, 300´600, 600´1200 и т. п. Первое число говорит о количестве считывающих информацию датчиков, именно на него стоит обращать внимание. Часто производители и продавцы любят указывать в кестве разрешения что-нибудь вроде 4000, 4500 dpi. Это интерполированное раешение является свойством не сканера, а программы, его поддерживающей. Качтво изображений, полученных таким образом, зависит не только от сканера, но и от качества функций интерполяции, реализованных в программе.

Разумеется, сканирование максимального диапазона оптических плотностей совсем не обязательно, а иногда и не желательно - при нормальном, а не тестовом сканировании.

Еще одна единица измерения оптического разрешения - spi (samples per inch) - количество выборок, сделанных сканером в одном дюйме. В этом случае разрешение показывает, сколько раз сканер просматривает изображение при скировании. Если в линейном массиве планшетного сканера на каждом дюйме в ряд расположены 600 крошечных датчиков, то оптическое разрешение сканера равно 600 spi.

Оптическое разрешение в dpi, как правило, указывают производители сканеров, хотя логичнее указывать в spi.