Журнал `Компьютерра` N749

ТЕХНОЛОГИИ: Оцифровыватели

Автор: Юрий Ревич

Величина 4800 dpi (189 точек на мм) только на вид кажется огромной: это примерно соответствует плотности упаковки фотодатчиков на современной 10-12-мегапиксельной матрице формата APS-C (вполовину пленочного кадра). Если же взять какую-нибудь компактную камеру с "разогнанной" в маркетинговых целях 10-мегапиксельной матрицей, вроде популярной Panasonic Lumix DMC-FS20 (типоразмер 1/2,3”, около 6 мм по длинной стороне кадра), то там плотность упаковки, по идее, должна достигать 600 точек на миллиметр, или 15 тысяч с хвостиком dpi.

Потому технология изготовления фоточувствительных линеек уже не служит лимитирующим фактором, и вроде бы никто не мешает сканеры делать с еще большим разрешением.

Но на самом деле эти величины нельзя сравнивать, и вот почему: в CCD-сканерах линейку не делают во всю ширину поля сканирования, это невозможно технологически (представьте себе матрицу, пусть и узкую, длиной 20 сантиметров). Взгляните на рис. 1: длина линейки, на которую проецируется изображение через объектив, выглядит заметно меньше ширины оригинала, и в действительности это так и есть — например, в Epson V700 длина светочувствительной линейки всего лишь 56 мм, так что плотность упаковки датчиков примерно в пять раз больше, чем декларированное разрешение, и даже выше, чем в матрицах тех самых "разогнанных" мыльниц. Чтобы облегчить себе задачу и не утонуть в чувствительности, шумах и прочих бедах слишком плотно упакованных матриц, производители ставят не одну линейку, а две — параллельно со сдвигом на половину ширины чувствительного элемента относительно друг друга. Всего таких линеек шесть (по паре на каждый основной цвет RGB).

Но обеспечить аппаратное разрешение в строке чувствительных элементов еще полдела. Другим важнейшим элементом, о котором часто забывают, здесь является объектив. Сами посудите: если в цифромыльнице надо всего лишь обеспечить четкое изображение на малюсенькой (4-5 или 7-9 мм) матрице, то здесь надо всю ширину сканирования (как правило, 216 мм, если сканер формата А4) без искажений спроецировать на 56 мм длины линейки.

Поэтому объектив у CCD-сканеров обязан представлять собой довольно качественный широкоугольник. Давайте разберемся, насколько это так.

В Epson V700 Photo[Я останавливаюсь здесь именно на продукции Epson не потому, что питаю какие-то особо нежные чувства к этой компании — хотя упомянутые тут сканеры высочайшего качества, но можно, конечно, найти и другие марки того же уровня. Но дело в том, что на сайте Epson приведены достаточно подробные характеристики разбираемой далее Dual Lens System, которым можно верить, и сделать из них выводы, похожие на правду.] применена двухобъективная система (рис. 2). Причем один объектив (с увеличением 0,26, High Resolution Lens) предназначен для сканирования непрозрачных оригиналов и пленок на стекле формата до А4 (ширина сканируемой области 216 мм), а другой (с увеличением 0,34, Super Resolution Lens) — пленок в рамке шириной до 150 мм. Линейки CCD датчиков разбираемой модели содержат 20400 элементов каждая, в результате мы получим 2400 dpi для непрозрачных оригиналов и 3200 dpi для пленок (для них не только область сканирования, но и охваченное число датчиков несколько меньше)

Если учесть, что на каждый цвет приходится по паре линеек со сдвигом на половинку ширины датчика, как мы говорили, то суммарное физическое разрешение формально и окажется тем, что указано в характеристиках: 4800 dpi для формата А4 и 6400 dpi для пленок.

Но не все так просто. Я сознательно употребил выражение "физическое разрешение", так как разрешение оптическое должно включать в себя и характеристики используемой оптики. Края любого отверстия, через которое проходят лучи света, будут их немного отклонять — вследствие дифракции. Из-за этого явления никакой объектив теоретически не может дать абсолютно резкой картинки: изображение точечного источника света будет немного размываться. И тот, кто еще не пол ностью забыл школьную геометрическую оптику, может взять справочник по физике и подсчитать теоретическую разрешающую способность указанных объективов (вместо неизвестной апертуры объектива можно подставить относительное отверстие, которое, по сведениям фирмы, равно f/6,2). Такой расчет покажет нам, что при длине волны 0,5 мкм, близкой к максимуму чувствительности человеческого зрения, радиус пятна от точечного источника составит около 6 мкм.

Две точки зрительно сольются, если они находятся на расстоянии менее радиуса (а не диаметра, потому что два кружка, только касающиеся краями, будут различаться, как раздельные). Если теперь мы возьмем величину разрешения (3200 dpi или 126 точек на мм для одной линейки) и поделим его на величину увеличения (0,34), то обратная величина даст размер одного датчика — 2,7 мкм. Таким образом, увы, оптически различимых точек придется по одной на каждые два элемента линейки, а реальное оптическое разрешение должно составить примерно 1600 dpi. Практические эксперименты показывают, что реальное разрешение сканера V700 в режиме сканирования пленок несколько выше полученного нашими грубыми прикидками, и по крайней не хуже 2400 dpi[См. статью "Epson Perfection V700 Photo" в разделе "Публикации" на сайте epson.ru (прямую ссылку не привожу ввиду ее длины).], что, впрочем, все равно заметно меньше заявленных величин.

Отсюда, кстати, понятно, почему многие модели профессиональных слайдсканеров (не барабанных, конечно, а таких же, на основе линейки датчиков), имеют меньшее разрешение, чем универсальные планшетники вроде разобранного V700. Например, ArtixScan 120tf фирмы Microtek (ценой более 2500 у. е.) декларирует разрешение "всего" в 4000 dpi, но это величина честная, полученная и с учетом многих других обстоятельств, ухудшающих реальное разрешение, о которых мы здесь не упоминали — коробление пленок, образование колец Ньютона в местах соприкосновения со стеклом и т. п. Для преодоления каждой из этих проблем требуются свои ухищрения, которые и обуславливают пятикратную стоимость ArtixScan 120tf по сравнению с V700.

Абсолютно все современные сканеры имеют аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), который выдает результат с глубиной цвета как минимум 36 бит, а для фотосканеров стала нормой величина в 16 бит на каждый цветовой канал, то есть в сумме не менее 48 бит.

Это может показаться излишеством, и сканировать обычные документы с такой глубиной цвета, конечно, нецелесообразно — бумажные оригиналы никогда не достигают глубины и в 24 бита, да и на экране вы никакой разницы не увидите, и не всякий редактор "умеет" работать с 48-битным цветом. Но на самом деле такая величина, кроме снижения расчетных ошибок при обработке, служит еще одной важнейшей цели — увеличению реального динамического диапазона, то есть достижимой разницы в яркости самых светлых и самых темных тонов оригинала.

Между тем, обычная трехцветная модель RGB с глубиной цвета 24 бита имеет теоретический динамический диапазон[Динамический диапазон измеряется в логарифмических единицах: например, 2D есть отношение яркостей в 100 раз, 3D — в 1000 раз и т.п. Для изображений на бумаге величина эта редко превышает 2D, а вот для слайдов может достигать и 4D.] всего 2,4 D (логарифм от числа градаций по каждому основному цвету, равчественный слайд или негатив с недостаточным динамическим диапазоном, то потом уже его воспроизвести в том же виде не удастся никогда. И недостающие оттенки в тенях или в светах сразу выявятся, например, при попытках осветлить или притемнить изображение. Кроме того, следует учитывать, что младшие одиндва бита все равно "утонут" в неизбежных шумах АЦП (если бы оно было, скажем, 8-разрядным, как в первых моделях сканеров, то реальная глубина цвета не превышала бы 18 бит, то есть 262144 оттенка вместо номинальных 16,7 млн.), так что в соответствии с упомянутым во врезке "правилом избыточности" лишние биты никогда не помешают.

Но, как и в случае с пространственным разрешением, динамический диапазон определяется не только возможностями АЦП, но и всей остальной системой в целом. И здесь начинают вылезать всякие тонкости — качество стекла, зеркал, линз объектива, — в результате чего реальный диапазон самых дешевых "домашних" сканеров не вылезает за 3-3,5 D. CIS-модели имеют еще меньший реальный динамический диапазон, потому при наличии такого сканера, даже если он имеет слайд-адаптер, лучше отдать ваши негативы для сканирования в руки профессионалов. А вот более дорогие современные модели, вроде все того же V700, реально (и независимые измерения это подтверждают) могут достигать диапазона 4 D, хотя, признаться, на практике мне так никогда и не удалось это преимущество оценить.

Резюмируя, повторим, что любой современный плашетник, даже самый дешевый, имеет характеристики, значительно перекрывающие требования, которые к нему предъявляются в большинстве повседневных задач, включая и сканирование пленочных оригиналов. Ну а у перфекционистов после чтения этой статьи, надеюсь, появится возможность более объективно подходить к выбору необходимой модели.

Объявленное для Perfection V700 Photo физическое разрешение 6400 dpi, коли оптика теоретически его не вытягивает, на первый взгляд кажется только лишь плодом маркетинговых ухищрений, вроде "гонки мегапикселов", но это не совсем так. Чтобы реабилитировать в ваших глазах уважаемую фирму, мне придется на пальцах объяснить одно из фундаментальных положений инженерной физики, которое можно условно назвать "правилом избыточности".

Чтобы понять, о чем идет речь, представим себе задачу из области звукотехники — предположим, есть кассета с магнитной лентой, имеющей частотный диапазон до 14 кГц, и усилитель с такой же верхней частотой диапазона. Какова будет максимальная частота, которая воспроизведется такой системой?

Навскидку кажется, что она тоже будет равна 14 кГц (и усилитель и пленка в отдельности это позволяют), но на самом деле, увы, она окажется равной всего лишь около 70% от максимальной величины для каждого компонента в отдельности, то есть равной приблизительно 10 кГц. Это приблизительный расчет, результаты которого сильно зависят от формы частотных характеристик каждого компонента, но в общем случае мы должны этот закон учитывать: каждое промежуточное звено ухудшает качество всей системы в целом.

Для того, чтобы избежать такого эффекта, следует выявить самое слабое звено системы, на которое мы повлиять не можем (в случае сканера это оптическая система), и постараться сделать все остальные компоненты такими, чтобы они вносили минимум собственных искажений. Если бы в Epson подогнали физическую разрешающую способность под разрешение оптики, то суммарное качество оказалось бы хуже и того и другого. Разрешение большее, чем реально требуется, полезно и еще в одном отношении — при любых преобразованиях полученного изображения (то есть при его цифровой обработке) запас абсолютно необходим — чтобы избежать ошибок при расчетах.