Хант Р.В.Г. Цветовоспроизведение

Подождите немного. Документ загружается.

32 ОЦИФРОВЫВАЮЩЕЕ

СКАНИРОВАНИЕ

32.1 ВВЕДЕНИЕ

29й главе мы говорили о методах сканирования и об устройствах, разработан

ных в свое время специально для нужд полиграфического сектора индустрии

изображений (и нацеленных на выход исключительно аналоговых сигналов). В теку

щей главе мы поговорим о сканировании, ориентированном на работу с сигналом циф

ровым — оцифровывающем сканировании, — и, в том числе, о принципе работы недоро

гих аппаратов категории настольных издательских систем.

Напомним, что аналоговые сканеры использовались для преобразования простран

ственно и тонально непрерывных оптических входных данных в непрерывные же оп

тические выходные сигналы (разделенные в определенной временно#й последователь

ности на строки).

Оцифровывающее сканирование преобразует пространственно и тонально непре

рывные оптические входные данные в пространственно и тонально дискретные

электрические выходные сигналы.

На входе цифрового сканера могут оказаться живописные полотна, графики и диа

граммы, тексты, отражающие фотоотпечатки, слайды, а также полутоновые полигра

фические оттиски; на выходе — пакет дискретных электрических сигналов, образую

щих в конечном итоге собственно цифровое изображение.

В контексте работы с изображениями выходные данные сканера можно использо

вать самыми разнообразными способами: их можно непосредственно (т.е. в электрон

ной форме) отправить на вход самосветящихся дисплеев (CRT и LCD), на вход компью

теров (обычных и ноутбуков), цифровых проекторов, а также опосредованно

(т.е. в виде преобразованных электрических сигналов либо даже дискретных оптиче

ских сигналов) подать на вход принтеров и визуализировать при этом с помощью твер

дых носителей, давая либо отражающие отпечатки, либо слайды (см. гл. 33).

Твердую копию цифровых изображений можно получить на фотопленке или фото

бумаге, используя экспонирующие лазеры или светодиоды; на обычных поверхно

стях — применяя движущиеся термосублимационные или термовосковые головки,

струйные технологии, электрофотографические технологии, а также традиционную

полутоновую печать CMYKкрасителями.

При оцифровке текстов сигналы цифрового сканера можно даже конвертировать

в исходную текстовую форму с помощью программ, реализующих т.н. оптическое рас

познавание символов.

32.2 МЕТОДЫ СКАНИРОВАНИЯ

Цифровые сканеры используют либо точечный, либо строчный, либо плоскостной

световой потоки.

741

При точечном световом потоке оригинал движется так, что сканирование идет по



строчно: по длинной стороне он смещается при помощи микровинта, строки же обра

зуются либо за счет вращения барабана, либо за счет хода планшета в поперечном на

правлении.

Строчный световой поток осуществляет построчное сканирование, а покрытие

поля изображения реализуется за счет хода каретки CCDсенсоров в поперечном на

правлении.

Когда используется плоскостной поток, механического движения оригинала (либо

сенсора) не требуется.

Сканеры, использующие точечный свет (современные барабанные сканеры), дают

высокое пространственное разрешение сканирования и большой динамический диа

пазон, но при этом работают медленно и очень дороги. Аппараты, задействующие

строчный сканирующий поток, дешевле барабанных в десятки раз, работают намного

быстрее, но при этом дают меньшее пространственное разрешение, меньший динами

ческий диапазон и много бо#льшую зашумленность изображения.

32.3 ИСТОЧНИКИ СВЕТА

При трихроматической оцифровке изображений световой поток сканера должен

состоять из трех спектральных компонент: длинноволновой («красной»), средневол

новой («зеленой») и коротковолновой («синей»).

В сканерах, задействующих точечный источник, применяются обычные вольфра

мовые либо ксеноновые лампы накаливания, дающие стабильный ровный спектр.

Аппаратам, использующим строчный поток (планшетные сканеры), больше подхо

дят люминесцентные лампы (несмотря на некоторую нестабильность последних). Так

же в них применяются ксеноновые лампы с люминофорным покрытием и светодиоды

(в последнем случае наряду с красным, зеленым и синим иногда применяется инфра

красный диод, позволяющий выявлять грязь и царапины на поверхности оригиналов).

Общей интенсивностью ламп обычно управляют с помощью т.н. контуров обрат

ной связи, а некоторую неравномерность в освещенности линейки устраняют с помо

щью специальных корректирующих сигналов.

Для повышения стабильности работы ламп их часто держат включенными в тече

ние всего срока службы сканера (что несколько затрудняет детекцию темнового тока

сенсора).

32.4 СЕНСОРЫ

Барабанные сканеры, т.е. аппараты, задействующие точечный световой поток, в

качестве сенсоров используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ), обладающие

очень высокой светочувствительностью. Темновой ток ФЭУ очень низок, и поэтому

сенсор способен давать бесшумовой отклик в диапазоне световых интенсивностей (ди

намическом диапазоне) свыше 1000:1 (>3D).

Сканеры, задействующие строчный или плоскостной световой потоки, в качестве

сенсора обычно используют линейку или матрицу CCDэлементов. В сравнении с ФЭУ

CCDэлементы не столь чувствительны,темновой ток у них выше, и, соответственно,

динамический диапазон меньше.

При использовании CCDэлементов необходимо определять уровень темнового

742

ГЛАВА 32 ОЦИФРОВЫВАЮЩЕЕ СКАНИРОВАНИЕ

тока и усиление по каждому элементу сенсора. Последнее вынуждает применять

т.н. PRNUсигнал (PhotoResponse NonUniformity signal — сигнал неравномерности

оптического отклика сенсора), позволяющий устранить (или, как минимум, сгладить)

межэлементные отличия в отклике.

32.5 ПОЛУЧЕНИЕ ТРИХРОМАТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

В барабанных сканерах точечный свет после прохода через оригинал раскладыва

ется с помощью светоделительных призм на трихроматические составляющие.

В планшетных сканерах, использующих в основном строчный свет, трихроматиче

ские сигналы получают разными способами:

— в трехпроходных аппаратах материал сканируется последовательно за тремя

фильтрами (при этом данные, полученные при первых двух проходах сохраняются

в памяти аппарата);

— в однопроходных аппаратах применяются либо связка из трех CCDлинеек (каж

дая из которых покрыта соответствующим фильтром), либо же светоделители, на

правляющие отраженный свет на три линейки CCDсенсоров.

В сканерах, использующих световую плоскость, матрица CCDэлементов покрыта

мозаикой красного, зеленого и синего фильтров.

32.6 КОЛОРИМЕТРИЯ

Требования, предъявляемые к спектральным чувствительностям аналоговых ска

неров, уже обсуждались нами в разделе 29.18, отметим поэтому лишь то, что сходные

требования предъявляются и к сканерам цифровым.

Если сканер предназначен к сбору высокоточных колориметрических данных об

оригинале, а значит призван выступить в роли фотоэлектрического колориметра, не

обходимо, чтобы его спектральные чувствительности отвечали требованию Лютера —

Айвса, то есть представляли бы собой трихроматические кривые Стандартного наблю

дателя (либо их линейную комбинацию).

Поскольку колориметрические данные зависят от спектрального состава исполь

зуемого источника света, необходимо согласовывать этот состав со спектральными

чувствительностями сенсора. Однако же на деле выбор источника определяют сугубо

прикладные соображения: стабильность, светоотдача, цена и удобство. Плюс к тому

изготовить детектор, отвечающий требованию Лютера — Айвса, довольно сложно,

а если и удается, то его сигналы требуют, как говорят, «тяжелого» матрицирования,

снижающего соотношение «полезный сигнал/шум».

Вместе с тем изготовить узкополосные фильтры довольно легко: они не нуждаются

в применении специфического источника света, а результирующие сигналы сенсора

не требуют тяжелого матрицирования. Однако же характеристики фильтров зависят

от свойств оригинала.

Следовательно, выбор между условием Лютера — Айвса и применением узкополос

ных фильтров строится на анализе достоинств и недостатков обоих технологических

вариантов. Провести такой анализ поможет следующая таблица:

743

ГЛАВА 32 ОЦИФРОВЫВАЮЩЕЕ СКАНИРОВАНИЕ

Кривые спектральных чувствительностей сенсоров эквивалентные

трихроматическим кривым Стандартного наблюдателя

Достоинства: Результат не зависит от красочного состава оригинала (аппаратная

независимость)

Недостатки:

Достижение точного соответствия спектральных чувствительностей сенсоров

трихроматическим кривым Стандартного наблюдателя технологически

затруднено.

Полученные трехстимульные значения зависят от спектрального состава

источника света.

Соотношение «полезный сигнал/шум» снижено «тяжелым» матрицированием.

Узкополосные фильтры

Достоинства:

Фильтры просты в изготовлении.

Соотношение «полезный сигнал/шум» не снижено «тяжелым»

матрицированием.

Недостатки: Результат зависит от красочного состава оригиналов (аппаратная зависимость);

при разных составах требуются разные алгоритмы пересчета сигналов сканера

в трехстимульные значения.

Поскольку кривые спектральных чувствительностей сканеров редко совпадают

с трихроматическими кривыми Стандартного наблюдателя, результаты сканирова

ния двух визуально одинаковых, но выполненных разными колорантами оригиналов

могут оказаться разными, и наоборот: результаты сканирования двух несколько от

личных друг от друга вариантов оригинального изображения, выполненных разными

колорантами, могут оказаться одинаковыми. Степень выраженности сего эффекта

у разных сканеров разная.

Следовательно, когда мы хотим, чтобы сканер выступил в роли цветоизмеритель

ного устройства, то есть когда нам требуются высокоточные колориметрические циф

ровые данные об оригинале, необходима т.н. колориметрическая характеризация ап

парата, затрагивающая в том числе его световой источник, учитывающая колоримет

рические свойства оригинальных колорантов, чувствительности сенсоров, а также

спектральный состав осветителя, используемого при финальных колориметрических

расчетах.

Напомним, что характеризацию выполняют с помощью т.н. тесткарты характе

ризации и соответствующего программного обеспечения.

32.7 ТЕСТ>КАРТЫ ХАРАКТЕРИЗАЦИИ

Большинство оригиналов представляют собой фотографические изображения, по

строенные из голубого, пурпурного и желтого красителей, а синтез последних в слоях

фотоматериала проходит по схемам, принадлежащим пяти ведущим производителям:

Kodak, Fuji, Agfa, Konica и Polaroid (о чем мы рассказывали в разделе 29.19.1, текст

которого повторяем ниже).

Перечисленные компании в свое время разработали общий формат отражающих

и прозрачных тесткарт характеризации сканеров, получивший название «Q60». В ос

нову формата положена слегка переработанная система Film Reproduction Guide ком

пании Kodak. Отметим также, что все перечисленные фирмы выпускают Q60карты

на своих фотоматериалах.

744

ГЛАВА 32 ОЦИФРОВЫВАЮЩЕЕ СКАНИРОВАНИЕ

По международной классификации Q60формат называется «IT8.7/1 Graphic

Technology Color Transmission (or Reflection) Input Target for Scanner Calibration», что

значит «Входная цветовая полиграфическая мишень IT8.7/1 на пропускание (или от

ражение), предназначенная для калибровки сканеров». Мишень эта (тесткарта) несет

в себе шкалы одно, двух и трехкрасочных комбинаций, а также нейтральную шкалу.

Плюс к тому в тесткарте имеются окрашенные патчи двенадцати цветовых тонов на

трех уровнях светлоты и при четырех степенях насыщенности.

Спецификация всех образцов мишени дается в системе CIELAB (см. раздел 8.8).

Три равноотстоящих друг от друга контура насыщенности задают фигуру общего хро

матического охвата всех известных фотоматериалов, а четвертый контур — максимум

хроматического охвата данного фотоматериала.

Прозрачные тесткарты обычно выпускаются в размер 4´5" либо 24´36 мм; отра

жающие — 4´5".

RGBзначения сканера, полученные при сканировании тесткарты, с помощью

специализированных программ ставятся в соответствие перцепционным координатам

(CIELABзначениям). Результат такого сопоставления фиксируется в виде специаль

ной трехмерной таблицы — таблицы цветовых соответствий (CLUT — Color Look Up

Table).

32.8 ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАЗРЕШЕНИЕ

По общей логике чем выше детализация сканирования, тем дольше идет процесс

и тем больший объем данных приходится обрабатывать. Следовательно, уровень дета

лизации должен быть достаточным, но не избыточным. Действительно, нет никакой

необходимости регистрировать те элементы оригинала, что в силу своего малого раз

мера невоспроизводимы ни одним из устройств визуализации.

Таким образом, т.н. частота пространственной выборки сканирования, то есть его

пространственное разрешение зависит от частоты пространственного разрешения ви

зуализации (например, печати). Если, положим, пространственное разрешение печати

составляет 300 dpi (dots per inch — точек на дюйм), то максимально необходимое про

странственное разрешение сканирования составит не более 300 dpi (если, конечно,

пространственный размер отпечатка равен пространственному размеру оригинала).

Такое разрешение вполне подходит для оцифровки текстов, но у изображений непре

рывного тона, таких, в частности, как обычные фотоотпечатки (где краевые контра

сты элементов намного ниже, чем у текстов), максимально необходимое пространст

венное разрешение сканирования лежит в диапазоне 100—200 пикселов на каждый

дюйм предполагаемой печати.

Мотивом повышения пространственной частоты сканирования текстов является

опасность появления паразитной зубчатости наклонных линий, возникающая как

следствие попиксельной визуализации цифровых изображений, в частности их печа

ти. Отметим при этом, что в некоторых сканерах паразитная зубчатость успешно ниве

лируется аппаратной и/или программной интерполяцией.

В сканерах, использующих точечный световой поток (барабанные сканеры), про

странственное разрешение сканирования меняется довольно легко за счет изменения

диаметра апертуры луча.

В планшетных сканерах, использующих строчный свет и блок оптического увели



чения, пространственное разрешение вдоль линейки сенсоров может меняться за счет

745

ГЛАВА 32 ОЦИФРОВЫВАЮЩЕЕ СКАНИРОВАНИЕ

изменения кратности увеличения, а в поперечном направлении — за счет изменения

скорости хода линейки.

В тех сканерах, у которых кратность увеличения фиксирована, изменить про

странственное разрешение сканирования по направлению линейки много труднее:

разрешение можно уменьшить (т.н. субсэмплинг) вдвое за счет исключения из процес

са сигналов от каждого второго пиксела сенсора (либо в любое иное целое число раз пу

тем исключения большего числа пикселов). Однако субсэмплинг с коэффициентом,

скажем, 2/3 весьма затруднителен: понятно, что пропуск каждого третьего пиксела

приведет к ощутимому падению качества результирующего цифрового изображения,

поэтому обычно поступают так — интерполируют двойное пространственное разреше

ние, а потом исключают каждый третий пиксел.

Итак, пространственное разрешение сканера как способность фиксировать мелкие

детали оригинала определяется рядом факторов, в частности: оптическими свойства

ми объектива (образующего на поверхности сенсора первичное оптическое изображе

ние оригинала, а в случае барабанных сканеров свойствами оптики, фокусирующей

точку на поверхности оригинала), уровнем паразитной подсветки в оптической систе

ме, пространственной частотой выборки по длине линейки (зависит от количества све

точувствительных элементов в линейке), диаметром точки сканирующего луча и рав

номерностью вращения барабана (либо скоростью хода каретки CCDсенсоров или ко

личеством элементов в светочувствительной матрице).

Наконец, отметим, что понятие «пространственное разрешение сканера» часто раз

деляют на две составляющих: оптическое пространственное разрешение, задаваемое

геометрией сенсора и скоростью движения каретки, и интерполяционное (логическое)

пространственное разрешение, представляющее собой оптическое разрешение, под

вергнутое интерполяции.

32.8.1 Правило Найквиста

В заключение раздела стоит сказать, что существует такое понятие, как предельная

пространственная частота (частота Найквиста, найквистова частота), представ

ляющая собой максимальную пространственную частоту элементов оригинального

изображения, которые еще поддаются адекватной регистрации при данном простран

ственном разрешении сканирования. Правило Найквиста, в приложении к обсуждае

мой ситуации, гласит, что:

Предельная пространственная частота всегда равна половине пространственной

частоты сканирования.

Элементы изображения, частота которых превышает предельную, сканируются

некорректно, что проявляет себя в возникновении разного рода артефактов (т.н. али

айзинг). Примером может служить появление т.н. муаровых паттернов при оцифров

ке полутоновых (растрированных) оттисков (однако программное обеспечение некото

рых сканеров имеет функцию подавления данного эффекта).

746

ГЛАВА 32 ОЦИФРОВЫВАЮЩЕЕ СКАНИРОВАНИЕ

Гарри Найквист (1907 — 1976) — американский ученый шведского происхождения. Один

из пионеров теории информации. — Прим. пер.

32.9 ТОНАЛЬНОЕ РАЗРЕШЕНИЕ

Мы помним, что изображения непрерывного тона (фотоотпечатки, слайды, негати

вы), которые чаще всего выступают в роли сканируемых оригиналов, в рамках своего

динамического диапазона (т.е. между максимальной и минимальной оптическими

плотностями) имеют неограниченное количество тональных уровней. Однако в циф

ровых изображениях количество тональных уровней ограничено разрядностью коди

рования этого изображения, к примеру: 256 уровнями при 8битном кодировании,

1024 уровнями при 10битном, 16384 при 14битном.

Как было показано в разделе 30.6, если уровни эти распределены по принципу пер

цепционной равномерности (т.е. равномерности тонового градиента от черной до бе

лой точки), то большинству изображений требуется всего лишь 90 яркостных уровней

на диапазон. Иными словами, кодирование в 6.5 бит на каждый трихроматический

канал вполне достаточно.

Сигналы, выдаваемые сенсорами сканеров, линейно зависимы от интенсивности

света, падающего на эти сенсоры. Но мы помним, что линейное кодирование представ

ляет перцепционные уровни крайне неравномерно. По этой причине большинство ска

неров кодируют изображение как минимум в 10 бит, а некоторые в 14 бит и выше,

вплоть до 16, и стоит обязательно отметить, что высокая разрядность кодирования при

сканировании, то есть высокое тональное разрешение сканирования исключительно

важно в контексте оцифровки слайдов и негативов.

ПРЕДМЕТНЫЕ ССЫЛКИ

Giorgianni, E.J. and Madden, T.E., Digital Color Management: Encoding Solutions,

AddisonWesley Longman, Reading, Mass. (1998).

747

ГЛАВА 32 ОЦИФРОВЫВАЮЩЕЕ СКАНИРОВАНИЕ

33 ЦИФРОВАЯ ПЕЧАТЬ

33.1 ВВЕДЕНИЕ

ассовое распространение компьютеров, цифровых сканеров и цифровых

принтеров дало возможность высококачественного воспроизведения текстов

и изображений с помощью компактного и весьма недорогого настольного оборудова

ния. Иными словами, в конце XX века на рынке изображений появились настольные

издательские системы (настольные печатающие системы).

33.2 ТОНАЛЬНОЕ РАЗРЕШЕНИЕ

В разделе 30.2 было показано, что уход от паразитного дробления (оконтуривания)

серой шкалы цифровых изображений требует минимум 90 тональных уровней (тоно

вых градаций). Поскольку у большинства цифровых печатающих систем характер пе

реноса краски на поверхность постоянен (один уровень), используется т.н. полутоно

вый (автотипный) принцип запечатки этой поверхности (см. раздел 26.2).

Цифровые системы визуализации, оперирующие дискретными пикселами, реали

зуют автотипию (полутон) за счет различных комбинаций т.н. печатных субэлемен

тов (микроточек).

Чтобы формировать из субэлементов (микроточек) растровые точки девяти десят

ков возможных размеров, необходима логическая опора на т.н. растровую ячейку раз

мером 9´10 субэлементов (см. рис. 33.1). Паттерн субэлементов, собранный внутри

растровой ячейки и образующий растровую (полутоновую) точку, именуется печат

ным элементом (кластером субэлементов), а сам процесс формирования печатного

элемента — растрированием (или оптической дискретизацией).

На рис. 33.1 показаны 9 из 91 возможных уровней растрирования: от 0 (нет краски)

до 90 (полное заполнение растровой ячейки). Однако напомним, что 90 уровней рас

трирования будут адекватны тон репродукционным задачам только в том случае, если

уровни эти распределены, как говорят, перцепционно равномерно. Ниже нам предстоит

изучить пути обеспечения такого распределения.

749

Рис. 33.1 Сборка кластера печатных субэлементов в растровой ячейке 9´10. Позиции субэле

ментов подобраны так, что образовавшиеся печатные элементы по форме аппроксимируют тра

диционные полутоновые точки 90 возможных размеров, что в итоге дает 91 тоновую градацию

(91 тональный уровень) на диапазон.

33.3 РАСТИСКИВАНИЕ

Размер полутоновых печатных элементов (растровых точек) в полиграфии принято

обозначать в показателях их относительной площади. К примеру 50% ая точка — это

точка, размер которой (при данной линиатуре растра) таков, что если все точки в рас

тровой картине данного участка запечатанной поверхности окажутся того же диамет

ра, то краска заполнит половину площади этого участка; 25% — то же, но краска при

этом заполнит четверть площади.

Однако же доля света, поглощенного запечатанной поверхностью, обычно не про

порциональна доле заполнения поверхности красочными точками и, как правило, не

сколько больше последней. Сей эффект принято именовать растискиванием (dot gain).

Растискивание бывает двух видов: механическое и оптическое.

Механическое растискивание — это процесс паразитного увеличения размера

растровой точки (против задаваемого печатной формой) как следствие натиска

печатного вала.

Оптическое растискивание — это процесс паразитного роста оптической плот

ности запечатанной поверхности, возникающего в результате вторичного погло

щения красочным слоем света, прошедшего в толщу запечатываемого материа

ла и рассеянного этим материалом.

Легко догадаться, что эффекты растискивания должны учитываться при настрой

ке печатающего оборудования (см. раздел 28.15). Учет механического растискивания

не представляет сложности, и его описание не входит в задачу данной главы, но фено

мен оптического растискивания требует детального обсуждения.

33.3.1 Оптическое растискивание

Характер и степень оптического растискивания можно показать, рассуждая о све

торассеянии запечатываемой поверхностью. На рис. 33.2 даны три возможных ситуа

ции: без светорассеяния (слева); с полным светорассеянием (справа); с частичным све

торассеянием (в середине).

33.3.1.1 Оптическое растискивание

без светорассеяния запечатываемой поверхностью

Слева на рис. 33.2 показана ситуация, исключающая какое либо светорассеяние

(сие случается, к примеру, когда краска ложится на металлическую поверхность, в ча

стности алюминиевую, либо же на прозрачную поверхность, как, скажем, в эпидиа

скопе). Если сделать условное допущение, что краска полностью поглощает свет, то

доля отраженного света (или пропущенного) будет равной

1 100- А /

, где «А» — про

цент заполнения поверхности растровыми точками. К примеру, если А = 50%, то отра

зится половина упавшего света; если А = 75%, отразится 25% упавшего света.

Таким образом, величина оптического растискивания в данном случае равна нулю.

Соответствующие оптические плотности можно вычислить по уравнению:

()

[]

{}

DA=-lg / /1 1 100

750

ГЛАВА 33 ЦИФРОВАЯ ПЕЧАТЬ