ТЕХНОЛОГИИ: Оцифровыватели

Автор: Юрий Ревич

Еще лет двадцать назад слово "сканирование" употреблялось в сугубо технических текстах (и еще, может быть, в фантастических романах), где оно означало последовательный, поэлементный обход какого-то объекта: скажем, в радиолокации - сканирование участка неба радиолучом; в кинескопе - сканирование экрана электронным пучком строка за строкой. Поскольку компьютерной графики как таковой еще не существовало, приборы, которые преобразовывали плоское изображение (о трехмерном тогда и не мечтали) в набор цифр, именовавшиеся дигитайзерами[От англ. digitizer - букв. "оцифровыватель".], были устроены совсем иначе, нежели современные сканеры.

В тех дигитайзерах - графических планшетах - роль механизма для сканирования играл человек, который направлял специальное перо в нужную точку изображения (обычно карты, графика или чертежа), а планшет по команде записывал в цифровом виде координаты пера. В конце концов, получался некий массив чисел, который описывал контуры объектов с точностью, зависящей от размеров планшета, оригинала и нервной системы оператора.

Результаты такого "сканирования", размноженные затем на принтере или плоттере, были по меньшей мере не хуже, чем при ручном калькировании чертежей.

Идея современных планшетных сканеров, считывающих оригинал поточечно и формирующих из полученных данных растровое изображение (то есть, по сути, выполняющих операцию, обратную той, что выполняет принтер), пришла в голову Рэю Курцвейлу[Более известному своими футорологическими предсказаниями (экстремально-технократической направленности), а также музыкальными синтезаторами Kurzweil, системами распознавания речи и пр. Основатель группы компаний Kurzweil Technologies.] больше тридцати лет назад. Но использование этого прибора еще долго оставалось уделом специалистов. Широкому распространению мешала дороговизна, капризность и фантастическая "задумчивость" ранних образцов сканеров - только представьте себе, сколько времени займет одна лишь передача в компьютер 30-мегабайтного файла (что примерно соответствует оригиналу А4, сканированному с 24-битным цветом и стандартным ныне разрешением 300 dpi) через COM-порт с максимально возможной для него скоростью 115 200 бит/с (подсказка: примерно 45 минут). Но камнем преткновения было не только это - не меньше времени отнимала и обработка изображения. Даже сейчас в сканерах устанавливают отнюдь не Core Duo, перекладывая большую часть работы на центральный процессор "главного" компьютера, а в те времена с этим делом и вовсе вынуждены были управляться 16-битные контроллеры.

Так что, перефразируя знаменитый перл Кена Ольсена, основателя компании DEC, который в конце 1970-х заявил, что "вряд ли кому-то захочется иметь компьютер дома", скажем с полным на то основанием: вряд ли кому-нибудь захотелось бы иметь дома такой сканер. Правда, изображения с перечисленными выше характеристиками тогда сканировали редко: сканеры были в основном черно-белыми, а их разрешение едва достигало указанных 300 dpi. Компания Mustek утверждает, что выпустила первый в мире цветной 24 битный планшетный сканер с достаточно высоким разрешением (1200 dpi) лишь в 1992 году, причем он формировал изображение в три прохода - для каждого цвета в отдельности.

В середине 1990-х получили распространение профессиональные цифровые камеры, использующие принцип сканирования. У них за объективом стояла линейка фотодатчиков, которая медленно (процесс занимал минуты) проходила в плоскости изображения, формируя довольно приличные даже по сегодняшним меркам картинки. Так, выпущенная в 1995 году камера Leaf Lumina имела разрешение 2700х3400 (10 мегапикселов), а цифровой задник[Задник - сменная задняя стенка фотокамеры, позволяющая менять размеры кадра, форматы используемой пленки или заменять ее цифровой матрицей.] PhotoPhase от фирмы Phase One - аж 5000х7200 (36 мегапикселов). Другая сканирующая приставка от Phase One под названием PowerPhase, выпущенная в 1997 году, переплюнула по разрешению большинство современных матриц, кроме появившихся в самое последнее время 50–60-мегапиксельных, - она давала изображение 7000х7000 точек. Любопытно, что цена монстров, позволяющих получать подобные разрешения, и составляющая десятки килобаксов, и по сей день осталась на том же уровне и даже немножко выросла (например, PowerPhase в свое время стоила $30К, а современная 60-мегапиксельная камера P65+ от той же Phase One - $42K), но, конечно, с переходом на двухмерные матрицы время выдержки сократилось до обычных в фотографии величин. Хотя личные впечатления тех, кому довелось попользоваться фотоаппаратурой с такими экстремальными разрешениями, далеки от восторженных: задники греются, виснут и вообще глючат со страшной силой.

Неизбежно должно было возникнуть и противоположное явление: появились сканеры, использующие вместо линейки матрицу фотодатчиков. Такие сканеры получили наименование проекционных и поначалу имели небольшое разрешение, так как использовали сенсоры от видеокамер.

Но затем положение изменилось, и сейчас проекционные сканеры применяют там, где требуется большая глубина резкости. Например, в Российской государственной библиотеке подобные устройства ценой около $100 тысяч (производства все той же датской фирмы Phase One, которая вот уже больше десяти лет лидирует в области цифровой фотографии уровня hi-end) используются для перевода в цифру оригиналов, которые нельзя раскрывать полностью (cм. фото).

Прогресс в сканировании шел так быстро, что опомниться не успели даже журналисты профильных изданий: уже в начале тысячелетия настольные сканеры достигли практических вершин, и писать о них - по крайней мере из сектора SOHO ("для дома или малого офиса") - стало фактически нечего. Сейчас любой планшетник не старше лет шести-семи от роду справится со сформулированной выше задачей (А4, 300 dpi, 24 бита) играючи, и вы не успеете сигаретой затянуться, как все 30 мегабайт улетят в компьютер.

Столь стремительный прогресс легко объ ясним: сканер во всем, кроме механической системы протяжки каретки, представляет собой младшего брата цифровой фотокамеры, но устроен гораздо проще. В сканерах используются не матрицы, а гораздо более дешевые линейки светочувствительных датчиков, им не требуется энергонезависимая память для хранения файлов, и значительную часть деятельности по обработке изображений можно возложить на компьютер. После повсеместного внедрения USB 2.0 цена таких устройств при практически идеальном качестве снизилась до отметки "это может позволить себе каждый".

Тут бы статью можно было и закончить: все современные массовые сканеры примерно одинаковы по качеству и никаких подводных камней не скрывают (разве что за небольшими исключениями в области "удобства пользования", на которых здесь не имеет смысла останавливаться). Тем не менее рассмотрим конструкции сканеров поподробнее, поскольку тут действует известное правило: 95 пользователей из сотни даже не заметят, какую марку сканера они использовали, а вот остальным могут встретиться задачи, на которых качество девайса скажется самым непосредственным образом. А иначе зачем, как вы думаете, та же Epson выпускает модель Expression 10000XL, внешне мало отличимую от обычных офисных машинок (кроме большего формата - до А3), только стоящую около 90 тысяч рублей?

Схема работы обычного планшетного сканера типа CCD показана на рисунке слева.

В разных конструкциях ход лучей может немного отличаться, но принцип остается неизменным: на подвижной каретке установлена лампа и система зеркал с объективом, благодаря чему в каждый момент времени на линейку светочувствительных элементов проецируется одна строка изображения. Затем каретка сдвигается на небольшую величину, и на линейку проецируется следующая строка, и так далее.

В качестве фотодатчиков в таком сканере используются CCD-элементы (порусски ПЗС, "приборы с зарядовой связью"), аналогичные тем, что составляют матрицы большинства цифровых камер.

Другой тип фотоприемников - CMOS, по сути представляющий собой набор обычных фотодиодов или фототранзисторов, используется в более простых и дешевых конструкциях, известных под названием CIS (Contrast Image Sensor). В них нет никакой оптики, а линейка датчиков непосредственно воспринимает свет, отраженный от оригинала. Поэтому CIS-сканеры значительно тоньше и легче, и в целом дешевле (хотя и не настолько, чтобы имело смысл давить в себе жабу, мучительно выбирая между технологиями). Считается, что они хуже передают цвет (о чем далее), но в рамках обычных офисных задач вы разницы не почувствуете. Единственный серьезный недостаток CIS-сканеров с точки зрения домашнего/офисного потребителя - глубина резкости у них стремится к нулю, поэтому малейшее отставание оригинала от стекла недопустимо. Так что книги и вообще любые коробленные оригиналы (например, произведения живописи) на таких сканерах оцифровывать совсем непросто, что следует учитывать, выбирая сканер.

Собственно, разница между CCD- и CIS моделями и есть единственный момент при покупке сканера "для дома для семьи", который стоит принимать во внимание. Однако все оказывается несколько сложнее уже тогда, когда вы задаетесь, например, целью приобрести сканер, "умеющий" оцифровывать негативы или слайды. Сразу отметим, что CIS-сканеры, даже если они предусматривают такую возможность, для оцифровки прозрачных оригиналов не годятся решительно, по упомянутой причине недостаточной глубины резкости: в бытовых планшетных конструкциях негатив, и тем более слайд в рамке, невозможно прижать к стеклу так, чтобы он не коробился и от стекла не отставал. Есть у них и другие недостатки в этом плане, о которых далее, потому результаты сканирования прозрачных оригиналов на CIS-сканерах могут не устроить даже самого непривередливого фотолюбителя. Но и использование CCD-сканеров для этой цели тоже имеет свои тонкости. Чтобы понять, в чем тут дело, придется немного углубиться в суть процесса сканирования.

Разрешение сканеров оценивают в двух разных величинах. В паспортных данных обычно указывают величину, имеющую значение для пользователя, - количество пикселов (то есть элементарных частей изображения, могущих принимать любые оттенки) в конечном изображении на единицу длины. Оно традиционно записывается как ppi (pixels per inch, "пикселы на дюйм"), однако в технических характеристиках вы скорее всего встретите dpi (dots per inch, то есть "точки на дюйм"). Это хотя и не совсем точно, но, на мой личный взгляд, более правильно - меньше запутывает пользователя, привыкшего к знакомой и универсальной аббревиатуре, означающей одно и то же и для сканеров, и для мониторов, и для принтеров, а также цифровых изображений вообще. В конце концов, что такое пиксел, как не точка?

На самом же деле под "точкой" в сканерах понимают несколько иное - элемент сканирующей системы. Ясно, что в общем случае число таких элементов (оптическое разрешение) может отличаться от числа пикселов в конечном изображении.

Далее я постараюсь еще больше запутать читателя, показав, что реальное разрешение сканера может отличаться и от той и от другой величины.

Начнем с конца. Вообще говоря, у сканеров (далее мы рассматриваем только CCD-конструкции с оптической системой)есть не одно, а целых три характерных величины разрешения. Одна из них - максимально возможное разрешение в пикселах на дюйм полученной картинки, то, что указывается в технических характеристиках в самой нижней (или верхней) строке ряда допустимых разрешений и часто называется "максимальным интерполированным разрешением". На эту величину обычно никто и не глядит, потому что она соответствует тому, что в фотографии называется "цифровым зумом", - результату простой растяжки изображения, притом по неизвестному алгоритму.

Такое понятие разрешения мы с негодованием отбросим.

Вторая величина - так называемое механическое разрешение, то есть шаг каретки по длине оригинала, а третья - то самое число фотодатчиков на единицу длины линейки, или оптическое разрешение. В большинстве сканеров (по крайней мере - фотосканеров, в сканерах для документов бывает иначе) оптическое разрешение (поперек оригинала) обычно в 1,5–2 раза меньше механического (вдоль оригинала)[Что отличает сканеры от принтеров, где чаще бывает наоборот: из-за несовершенства механизма позиционирования бумаги обеспечить достаточно мелкий шаг по длине носителя труднее, чем позиционировать каретку с картриджами или луч лазера по ширине.]. Общее разрешение сканеров в технических характеристиках записывают так, что оптическое разрешение указывается первым: например, 2400х4800.

Для того чтобы получить одинаковое разрешение по длине и ширине (квадрат должен остаться квадратом), каждую строку изображения при сканировании с механическим разрешением точно так же интерполируют, как и при простом зуммировании. И для надежности при определении реального разрешения следует ориентироваться на меньшую цифру - хотя надо учитывать, что по крайней мере по одному из измерений при сканировании с механическим разрешением величина его все же соответствует заявленной.

Сейчас, однако, обе величины выросли настолько, что значительно превышают потребности среднего фотолюбителя - к примеру, Epson в последних, даже самых что ни на есть "домашних" моделях (вроде Perfection V350 Photo) довела оптическое разрешение до 4800 dpi, а в сканерах подороже (модели V500 или V700) - до 6400 dpi. Даже первая цифра позволяет получить из 35-миллиметрового слайда изображение размером 4536х6804 точки, то есть соответствующее примерно 30-мегапиксельной матрице. Ясно, что ни один слайд или негатив, даже сделанный супер-пупер-профессиональной камерой, не будет иметь таких разрешений (почти 200 линий на миллиметр). Для обычных прозрачных фотооригиналов в любительской практике необходима и достаточна величина разрешения при сканировании в 2400 dpi, что соответствует примерно 8-Мп матрице и с запасом перекрывает возможности объективов любительских пленочных зеркалок класса "Зенита" или "Практики". Конечно, запас карман не тянет, но тут важно другое - а на самом ли деле эти сканеры обеспечивают подобные разрешения? Или тут мы имеем дело с явлением из маркетологической области, наподобие 12-мегапиксельной матрицы в мыльнице карманного размера?

Окончание следует