Получение цифровых изображений сканированием. Создание газеты

Основы цветоведения для сканирования

Все растровые изображения условно можно подразделить на три вида:

1. однобитное изображение (bitmap),
2. полутоновое однобитное изображение (grayscale),
3. цветное изображение (color).

При работе с цветным изображением сканер использует процессы, основанные на передаче трех основных составляющих любого изображения - красной, зеленой, синей (RGB - red, green, blue) и отраженный оригиналом свет воспринимается сканером как комбинация этих трех цветов в некотором процентном соотношении. В зависимости от типа сканера изображение может быть передано в цвете как 24-битное 42-битное или 48-битное. Количество бит определяет число оттенков цвета. Например, 24-битное изображение передает 16,7 млн. оттенков - столько, сколько видит глаз человека.

Определение цвета в моделях RGB и CMYK

Сканирование, редактирование и цифровой вывод невозможны без описания цвета в точных универсальных терминах с помощью цветовых моделей. Сегодня работу с растровыми изображениями трудно себе представить без программы Adobe Photoshop. На рис. 9.1 изображение натюрморта с виноградом в цветовой модели RGB разбито на три канала: красную, зеленую и синюю составляющие. Их сумма и даст нам итоговую полноцветную картинку (составное цветное RGB изображение).

Рис. 9.1. Цветное изображение RGB и составляющие его каналы Red, Green, Blue на палитре Channels (Каналы) в программе Adobe Photoshop

Если в программе Adobe Photoshop вы инструментом Eyedropper Tool (Пипетка) щелкните на каком либо участке цветного изображения, то цветовая палитра Color Picker тут же отобразит цифровое значение выбранного цвета в цветовой модели RGB ( рис. 9.2).

Рис. 9.2. Пипеткой указан цвет R=241. G=191, B=93

Модель CMYK более актуальна для описания цвета не при сканировании (вводе цветного изображения), а при его выводе на печать. Когда составное цветное изображение готовиться для печати в CMYK, его можно разбить на голубую (Cyan), пурпурную (Magenta), желтую (Yellow) и черную (Black) составляющие. Распределение цветов по этим каналам зависит от печатающего устройства, типа бумаги и параметров краски для печати. Человеческий глаз видит гораздо больше цветов, чем может воспроизвести сканер, монитор или принтер. Узость цветового охвата модели CMYK - одна из основных проблем полиграфии.

От чего зависит качество сканирования?

Планшетный сканер является наиболее универсальным инструментом, подходящим под большинство задач. Модели авторитетных производителей неприхотливы и надежны, просты в установке и использовании, а разнообразие выпускаемых модификаций позволяет подобрать сканер практически под любые требования. В настоящее время, планшетные сканеры по качеству воспроизводимого изображения достигли уровня барабанных моделей среднего класса и вплотную приблизились к профессиональным: разрешение планшетных сканеров доходит до 3000 dpi, разрядность цвета - до 48 bit, динамический диапазон D - до 3.6 (что это за характеристики - поговорим ниже). В ручных, планшетных и слайдовых сканерах изображение сканируется построчно: строка оригинала освещается специальной лампой, обычно газоразрядной, отраженный непрозрачным или пропущенный прозрачным оригиналом световой поток при помощи системы зеркал и объектива фокусируется на светочувствительной матрице, которая делает "фотоснимок" строки и выдаёт электрический сигнал на Аналогово-Цифровой Преобразователь (АЦП), где снимок строки преобразуется в двоичные данные, понятные компьютеру. Последовательность таких "снимков", производимых по мере движения вдоль оригинала, и создает изображение. Лампа, оптическая система и светочувствительная матрица объединены в единую конструкцию, называемую оптическим блоком. В зависимости от конструкции сканера, оптический блок может быть неподвижным, когда оригинал, по мере сканирования, перемещается вдоль матрицы, либо подвижным и перемещаться вдоль оригинала. В качестве светочувствительного элемента используются матрицы ПЗС (Приборы с Зарядовой Связью), что по-английски - CCD (Charge-Coupled Device), которые состоят из набора датчиков, расположенных в одну линию для черно-белого сканирования или трехпроходного цветного, либо в три линии для сканирования в цвете (RGB) за один проход. Разобраться в конструкции сканера хотя бы в самом общем виде необходимо для того, чтобы понять от чего будет зависеть качество сканирования. Конструкция планшетного сканера изображена на рис. 9.3.

Рис. 9.3. Конструкция планшетного сканера

Источник света (а) отражает свет от оригинала (b). Зеркала (с) передают отраженный свет на линзу (d), которая фокусирует информацию изображения на кристаллы ПЗС (е), содержащие одну или три строки датчиков (изображены черными прямоугольниками). ПЗС регистрирует свет как изменение аналогового заряда, который затем направляется на АЦП (f) для преобразования в цифровые данные, которые будут выведены на экран монитора.

Технические характеристики сканеров

Разрешение сканирования

Разрешение сканирования (scanning resolution) является основной характеристикой сканера и указывает, сколько пикселов изображения может вводить сканер на единицу площади оригинала. С увеличением разрешения возрастает четкость и детальность получаемого со сканера изображения. Разрешение сканирования измеряется в пикселях на дюйм (Dots Per Inch), сокращенно - DPI. К примеру, разрешение 600 x 600dpi обозначает, что квадратный дюйм изображения будет содержать 600 пикселов по вертикали и 600 по горизонтали, т.е. 360.000 пикселов. Разрешение изображения при сканировании находится в прямой зависимости от количества содержащихся в матрице ПЗС светочувствительных элементов, что накладывает существенные ограничения на увеличение разрешения аппаратным путем, потому что для этого приходится уменьшать размеры датчиков и как можно плотнее "паковать" их на линейке матрицы, что приводит к взаимным искажениям сигнала от соседних датчиков и, вследствие этого, нарушениям четкости и цветопередачи. Такое аппаратное разрешение, определяемое его конструктивными возможностями, называют иначе оптическим разрешением сканера.

Оптическое разрешение - очень важная характеристика для любого сканера. Для современных устройств эта величина составляет не менее 600 dpi. Для профессиональных планшетных сканеров оптическое разрешение составляет не менее 1200 dpi, а для слайд-сканеров - от 1800-2400 dpi и выше.

Наряду с оптическим (аппаратным, реальным) разрешением в спецификации сканера указывается его интерполяционное (программное) разрешение. Интерполяция это способ изменения разрешения посредством специальной программы. При уменьшении разрешения лишние данные отбрасываются, а при увеличении - программа их добавляет. Таким образом, интерполяция искусственно добавляет (или удаляет) элементы цифрового изображения.

Следует быть внимательным при изучении спецификации сканера и отличать реальное оптическое разрешение сканера от интерполяционного, программного разрешения (interpolating resolution). Если в спецификации сканера указано разрешение, например 1200/24000 dpi, то реальное разрешение сканера - 1200 dpi, а 24000 dpi - результат работы специальной программы. Иногда вы в паспорте сканера можете столкнуться с такой записью: оптическое разрешение 1200 x 2400 dpi. В этом случае 1200 dpi - горизонтальное, а 2400 dpi - вертикальное разрешение сканера. Дело в том, что двигаясь вдоль оригинала, линейка матрицы делает сотни "фотоснимков" строки оригинала, на основе которых формируется целое изображение. Ничто не мешает делать такие "снимки" с шагом, меньшим шага матрицы получая, таким образом, изображение, содержащее по вертикали вдвое больше пикселов, нежели по горизонтали. Такое аппаратное интерполирование по вертикали позволяет получить в результате разрешение, вдвое превышающее реальные возможности матрицы. С этим методом связано то, что в спецификациях сканеров очень часто указываемое вертикальное разрешение превышает горизонтальное в два раза, например, 300 x 600 или 600 x 1200 dpi. Здесь, как и во всех случаях интерполяции указано математическое разрешение, которое может увеличить продажи, но отнюдь не качество. Существует всего один реальный показатель разрешения - истинное или оптическое разрешение, как правило, это меньшая из указанных в рекламе цифр. Так, например, сканер ColorPage-HR7 имеет оптическое горизонтальное и вертикальное разрешение 1200 и 2400 dpi соответственно, а программное интерполяционное разрешение этой модели достигает 24.000 x 24.000 dpi.

DPI сканера и LPI принтера

Итак, разрешение определяет уровень детализации объекта при сканировании и определяется в точках на дюйм (dpi). Чем выше этот показатель, тем более детально будет передан объект, но тем больше будет и размер выходного файла. Показатели разрешения сканера и принтера указываются в одних и тех же dpi, из-за чего возникает путаница. Для того, чтобы разобраться в этом, давайте представим цветовые точки, полученные со сканера и струйного принтера.

Точка сканера (dpi, lppi, ppi) - это некая физическая область (прямоугольный пиксел), равномерно окрашенная определенным оттенком цвета. Если мы говорим о полноцветном сканировании, это один из 16,7 млн. тонов, которые передает сканер. Оптическое разрешение сканера указывает, сколько пикселов сканер может сосчитать в квадратном дюйме (600, 1200 и т.д.).

Точка цветного принтера (lpi) - это совокупность нескольких, в зависимости от способа печати, цветовых пятен, которые, сливаясь на бумаге или в нашем глазу, дают ощущение одного из цветовых оттенков.

Предположим, что в струйной технологии печати точкой, указанной как разрешение, является цветовое пятно одного из цветов, имеющихся в картридже. Но, по сути, не совокупностью ли трех пятен, дающих оттенок цвета, следует считать на самом деле такую точку? Если приведенные выводы верны, то показатель разрешения принтера в dpi следует разделить на количество цветов, которые используются при печати. Следовательно, рассуждая теоретически, если показатель струйного принтера, печатающего в три цвета, равен 300 dpi, то соответствующий показатель сканера равен 300/3=100 dpi. Если вы располагаете струйным принтером с разрешением 600dpi с печатью в четыре цвета, то сканировать нужно с разрешением 600/4=150 dpi. На рис. 9.4 приведет пример того, как пространственная частота растра (число точек на дюйм) определяет количество мелких деталей в напечатанном изображении:

Рис. 9.4. Влияние LPI на качество печатного изображения

Таким образом, отпечатанные изображения имеют собственные показатели разрешения, измеряемые в линиях на дюйм (lpi). Эти показатели отличаются от показателей электронного изображения в точках на дюйм (dpi).

С каким разрешением сканировать?

Для того, чтобы определить с каким разрешением следует сканировать изображение, существует выведенное эмпирически путем правило: для определения требуемого разрешения при сканирования выясните, какой показатель lpi у выходного устройства (принтера), и умножьте его на 2. Вы получите оптимальный показатель в точках на дюйм (dpi), необходимый для наилучшей передачи изображения. Так, при высококачественной полиграфической печати, параметр lpi обычно равен 133. Следовательно, при сканировании необходимо разрешение 133 x 2 = 266 dpi. Можно, конечно, отсканировать изображение и с большим разрешением. Однако из-за ограничения полиграфического показателя lpi при печати вы не добьетесь большего качества, а лишь увеличите размер файла. Самые роскошные полиграфические издания печатаются с lpi не выше 300. Поэтому для них вполне достаточно сканирования при 600 dpi. При печати газет параметр lpi равен 85. Следовательно, для газетного макета вполне достаточно разрешения сканирования 170 dpi.

Если вы сканируете изображение для того, чтобы смотреть на него на мониторе, достаточно всего 72 dpi. В большинстве мультимедийных программ и рисунков для WWW изображения отсканированы именно с таким разрешением.

Оптическое (аппаратное) разрешение сканера измеряется в ppi (pixels per inch) - пикселях на дюйм. Хотя с физической точки зрения правильнее было использовать spi (samples per inch) - элементы (или дискреты) на дюйм. Однако, как уже отмечалось, реальность такова, что на практике и в литературе более распространен термин dpi - точки на дюйм. Поэтому, чтобы в дальнейшем избежать терминологической путаницы, при работе со сканером будем считать единицы измерения разрешения ppi и dpi синонимами.

Глубина цвета

Разрядность обработки цвета, еще называемая глубиной цвета (color depth) описывает максимальное количество цветов, которое может воспроизвести сканер. Этот параметр обычно выражается в битах на цвет или в битах на цветовой канал. Вычислить количество воспроизводимых цветов просто - достаточно возвести двойку в степень разрядности цвета сканера, либо, если разрядность представлена в битах на канал, возвести двойку в степень разрядности цвета в канале и полученное значение возвести в куб. Например, количество цветов, воспроизводимых 24х-битным сканером (8 бит на канал) равно 256 в кубе, т.е. 16 777 216 (16,7 млн. цветов).

Разрядность битового представления цвета (глубина цвета), выбранная для сканирования, влияет как на размер файла, так и на уровень серого в сканированном изображении: размер файла прямо пропорционален глубине цвета, а уровень серого в сканированном изображении увеличивается в экспоненциальной зависимости от разрядности (рис. 9.5).

Рис. 9.5_1. Изображение в режиме RGB 24bit (3 канала по 8 бит на канал) - файл 1,15Мб

Рис. 9.5_2. Изображение в режиме Grayscale 8bit (1 канал 8 бит) - файл 390Кб

Динамический диапазон сканера (D) и оптическая плотность оригинала (OD)

Важной характеристикой любого оригинала для сканирования является его оптическая плотность, определяющаяся способностью оригинала отражать или пропускать свет. Оптическая плотность лежит в пределах от 0, что соответствует белому цвету, до 4, что соответствует черному цвету и обозначается OD (Optical Density) или просто D (Последнее вводит путаницу в термины и оптическую плотность оригинала пользователи начинают путать с динамическим диапазоном сканера).

Типичные значения оптической плотности различных оригиналов:

• OD=0.9 бумага газетная,
• OD=1.5-1.9 бумага мелованная,
• OD=2.4-2.7 фотопозитивы,
• OD=2.6-2.8 фотонегативы,
• OD=2.8-2.9 для любительских слайдов,
• OD=3.0 - 4.0 цветные слайды коммерческого (профессионального) качества.

С оптической плотностью оригинала перекликается термин "динамический диапазон оригинала и сканера".

Итак, D - разница между максимальной и минимальной оптическими плотностями, различаемыми сканером, т.е. динамический диапазон сканера, характеризует его способность различать близкие по тону оттенки. Разные производители указывают данную характеристику по-своему. Одни пишут величину динамического диапазона, а другие - максимальной оптической плотности. На самом деле эти параметры сканера связаны напрямую. Так, для сканера с динамическим диапазоном от 0,1 до 3,4 значение максимальной оптической плотности будет 3,4 D, а величина самого диапазона 3,4-0,1=3,3 D. Однако ясно, что если оригинал имеет распределение оптических плотностей 0,7 - 4,0 D, то сканер не различит детали, соответствующие плотностям 3,3 - 4,0, хотя диапазон оптических плотностей оригинала и равен динамическому диапазону сканера. Кроме того, разные фирмы вычисляют динамический диапазон своих сканеров по-разному, а некоторые просто указывают теоретически возможный предел (он определяется разрядностью CCD-матрицы сканера и зачастую превышает реальные возможности аппаратуры).

Производители качественной техники, указывают значения Dmin и Dmax в спецификации сканера. С увеличением динамического диапазона сканера возрастает количество вводимых градаций яркости и, следовательно, плавность переходов в смежных тонах изображения. Для сканеров с D=3,0 и D=3,6 градации яркости по шкале "черно-белое" отличаются в четыре раза: для первого значения их число пропорционально 1000, а для второго - 4000. Неудивительно, что и цена двух таких устройств может различаться в разы. Недостаточный динамический диапазон сканера (рис. 9.6) ведет к неизбежным потерям деталей, причем преимущественно в наиболее оптически-плотных областях, а также к появлению шума в светах и тенях изображения, и к более резким тоновым переходам.

Рис. 9.6_1. Изображение неба, отсканированное со слайда на сканере с низким показателем динамического диапазона

Рис. 9.6_2. Изображение, отсканированное со слайда на сканере с высоким показателем динамического диапазона

Типичные значения динамического диапазона для устройства ввода изображения:

Разрядность обработки цвета и динамический диапазон находятся в прямой связи друг с другом: динамический диапазон возрастает с увеличением разрядности цвета. Это объяснимо тем, что чем выше разрядность сканера, тем выше детализация вводимого сканером изображения. Для 24-битного цветного офисного сканера показатель оптической плотности обычно 2.4 - 2.6. Для сканера 42-бит этот показатель 2.6 и 3.0. Для модели 48-бит - от 3.0 и выше.