Сканирование как способ получения цифровых изображений

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).

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).

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.

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.

Оптическое (аппаратное) разрешение сканера — это реальное количество пикселов, которое в состоянии «разглядеть» светочувствительная матрица сканера и его можно легко вычислить, разделив количество элементов матрицы на ширину области отображения. Производители качественной техники, как правило, указывают количество элементов матрицы в спецификации сканера.

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.

Интерполяция представляет собой программный алгоритм, принцип работы которого основан на вычислении характеристик точки изображения на основе ближайших точек-соседей (Например, между черной и белой точкой изображения, будет вставлена серая). Понятно, что такое «угадывание» не добавляет реальных деталей к изображению и всегда «размывает» изображение, уменьшая его четкость.

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:

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.

Термин разрешение тесно связан с другим термином — размер изображения, который определяет физическую длину и ширину изображения. В специальной литературе, связанной с компьютерной графикой, терминология по этому вопросу не однозначна. В зависимости от устройства, на котором выводится изображение, возможно использование следующих единиц измерения разрешения: spi (sample per inch ) — элементов на дюйм; dpi (dot per inch ) — точек на дюйм; ppi (pixel per inch ) — пиксел на дюйм; lpi (Line per inch ) — линий на дюйм.

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).

Источник

Сканирование мира: как оцифровывают различные объекты

С помощью современных технологий сканирования можно оцифровать самые разнообразные объекты — от произведений искусства до вертолетов и даже небоскребов. Мы расскажем, как это делается.

Век цифровых технологий поставил перед человеком серьезную задачу — перенести окружающий мир в электронный формат. Для этого используются и сканирование собранных предками текстов и изображений, и оцифровка местности для навигации, и перенос макетов для проектирования, и даже сканирование отдаленных объектов нашей Вселенной. Технологии, предназначенные для достижения данной цели, существуют как в виде дорогостоящих промышленных решений, так и вполне доступных, которые можно изготовить своими руками. В этой статье мы расскажем о различных вариантах.

2D-сканирование

История оставила нам множество культурных ценностей, значительную часть из которых представляют картины народов мира. XXI век позволяет взглянуть на них любому желающему с помощью цифровых технологий.

Перевести произведение искусства в «цифру», не потеряв в процессе качество оригинала, — задача не из простых. Давайте разберемся, как это делается.

Для получения высококачественных цифровых копий изображения используются сканеры. Принцип их работы довольно прост: излучаемый лампой свет отражается от поверхности изображения через серию зеркал на ПЗС-матрицу. Сканирование обычной бумаги для таких устройств — дело нехитрое.

Однако задача осложняется, когда речь заходит об оцифровке картин, написанных маслом. Тут в силу вступает целый ряд обстоятельств, препятствующих нормальному процессу сканирования. В частности, подлинники картин легко повредить при сканировании, они имеют нестандартные габариты (вспомните хотя бы «Явление Христа народу» Александра Иванова) и к тому же масляная краска имеет рельеф, что также может значительно ухудшить результат.

Первое, что приходит на ум в таком случае, — это использование обычной фотографии, особенно если учесть успехи в технологиях производства матриц высокого разрешения. Но и тут не все гладко. Разрешение фотоматриц редко превышает 30 мегапикселей, что при съемке картины площадью 1 метр даст четкость 140 точек на дюйм — этого слишком мало.

Также стоит учесть, что, в отличие от линейной ПЗС-матрицы сканера, фотоаппарат снимает из одной точки, ввиду чего обязательно возникнут искажения. Однако из этой ситуации был найден выход: картину фотографируют не целиком, а по частям.

Грандиозное сканирование

В 1994 году руководство крупнейшего в мире книгохранилища — Библиотеки Конгресса США — приняло решение оцифровать все имеющиеся у них бумажные издания и рукописи. Чтобы представить масштаб работ, заметим, что на начало 2000-х годов в библиотеке содержалось свыше 130 млн объектов. К текущему моменту оцифровано немногим больше 10%. Часть уже сейчас доступна общественности в Интернете на сайте archive.org. Стараются не отставать от зарубежных коллег и сотрудники Российской государственной библиотеки (бывшей Библиотеки им. Ленина), сканирование фондов которой началось в конце 1990-х. Но увидим ли мы когда-нибудь эту коллекцию в свободном доступе, пока остается загадкой.

Сканирование сокровищ культуры

Для автоматизации этой задачи, отечественная компания «Эпос» разработала специальный комплекс. Он состоит из фотокамеры, оснащенной специальным вращающимся объективом, который позволяет автоматически спроецировать нужный сегмент картины на ПЗС-матрицу. Таким образом, задав требующуюся степень разбивки, можно получить серию снимков сегментов картины, а затем сшить их воедино программными методами.

Комплекс от компании «Эпос» позволяет создавать изображения с разрешением 250 мегапикселей.

«Эпос» позволяет решить и другую проблему современных фотоаппаратов — невысокий динамический диапазон. Он характеризуется оптической плотностью (D) — мерой ослабления света прозрачными объектами или отражения света непрозрачными. При значении D равном «0» свет отражается (или проникает) полностью. D равное «4» означает, что объект полностью черный.

У большинства современных моделей оптическая плотность не превышает 1,7 D, из-за чего некоторые участки кажутся пересвеченными, а другие — слишком темными. Однако отечественная установка позволяет сделать последовательно несколько снимков с разной выдержкой и затем, собрав все кадры воедино, получить изображение с широким динамическим диапазоном (HDR).

Таким образом, например, была произведена оцифровка японских гравюр XVIII–XIX веков из собрания Государственного музея изобразительных искусств им. А. С. Пушкина. С результатом любой желающий может ознакомиться на сайте japaneseprints.ru.

Методы объемного сканирования

Устройства, сканирующие двухмерные изображения, давно и прочно вошли в нашу жизнь. Но что делать, если вам необходимо оцифровать объемную фигуру? С современными технологиями и это не проблема. На рынке вы можете встретить устройства, позволяющие сканировать самые различные предметы — от бижутерии до целых зданий.

Вопрос о возможности создания цифровых образов объемных объектов возник довольно давно, однако существовавшая на тот момент потребность не оправдывала массовое производство подобных устройств. 3D-сканеры выпускались в единичных экземплярах и стоили чрезвычайно дорого.

Серьезным толчком к их развитию стал переход крупнейших компаний на полностью трехмерное проектирование своих изделий. Оценивать качество деталей в условиях их массового производства на полностью автоматизированных станках с числовым программным управлением по старинке, сверяя размеры с чертежами, стало попросту невозможно. На выручку пришли технологии объемного сканирования.

Как это работает?

Первые 3D-сканеры были контактными, то есть предполагали, что по поверхности модели, установленной на специальной вращающейся подставке, перемещался «щуп», информация с которого записывалась и обрабатывалась ЭВМ. Такие установки для оцифровки сложной детали могли потребовать до месяца работы.

Лазерно-дальномерный промышленный 3D-сканер FARO Focus3D за несколько минут воссоздаст трехмерную модель любого помещения или открытого пространства.

Все изменилось с развитием полупроводниковых лазеров и цифровых фотоматриц. На сегодняшний день применяются три основных метода объемного сканирования.

Лазерно-дальномерное (лидарное) сканирование базируется на определении расстояния до точки на объекте путем вычисления времени прохождения луча лазера до нее и обратно. Современная электроника позволяет рассчитать это время с высочайшей точностью. Однако есть и обратная сторона медали: сканирование происходит в одной точке, поэтому построение модели таким способом занимает довольно много времени.

Современный лазерно-дальномерный сканер способен считывать до 100 000 точек в секунду. Полученный массив точек аппроксимируется численными методами в поверхности. А программные алгоритмы позволяют затем воссоздать теоретическую поверхность объекта, устранив все ненужные шероховатости и неточности.

В триангуляционном лазерном сканере измерению подвергается отклонение отраженного луча от оптической оси линзы детектора (см. схему ниже). Существенным преимуществом такого метода является возможность сделать луч плоским и с помощью двухмерной матрицы сканировать сразу всю проекцию луча на объект, а не точки по отдельности. Это значительно ускоряет процесс оцифровки и упрощает последующую обработку данных.

В то же время у метода есть и свои недостатки: так, отверстия, расположенные в стороне от оптической оси лазера, могут затеняться, что требует уточняющего сканирования и особых алгоритмов сведения сканированных участков.

Схема работы триангуляционного лазерного сканера. Лазерный луч на приемнике изменяет положение в зависимости от расстояния до сканируемой поверхности.

Оптические сканеры состоят из проектора (может использоваться лазер), транслирующего на поверхность объекта сетку, и камеры, находящейся под некоторым углом к проектору и регистрирующей искажения линий сетки. ПО сканера анализирует искривление сетки и составляет на ее основе карту глубины. Этот метод уступает в точности лазерным сканерам, однако значительно превосходит их по скорости сканирования и дешевизне изготовления.

Подобный сканер легко создать практически в домашних условиях: все компоненты можно найти в продаже, а ПО давно доступно на просторах Интернета. Дополнительной возможностью подобных сканеров является восприятие цвета объекта.

Оптический сканер — самодельная конструкция, доступная каждому.

В областях, где точность не столь важна и существует необходимость сканировать крупные объекты, применяются также ультразвуковые и радарные виды сканирования.

Для чего это нужно?

Контроль качества — самый очевидный, но далеко не единственный вариант применения технологий объемного сканирования. Сегодня 3D-сканирование используется во многих областях — от медицины до астрономии (так, космические объекты сканируют с помощью радиоволн для составления их подробных объемных портретов). Находят применение трехмерные сканеры и в таких сферах, как проектирование и творчество.

Сканирование в проектировании

При проектировании предметов обихода, средств управления и вообще всего того, чего человек касается руками, в виртуальной среде довольно сложно обеспечить должную эргономичность. Это приводит к появлению на рынке широкого спектра устройств и приборов, красивых на вид, но не слишком удобных в использовании. В качестве примера можно привести обычные компьютерные мыши: их существуют тысячи разновидностей, а по-настоящему удобных — единицы.

Процесс оцифровки древней пряжки пояса викинга с помощью ручного сканера VIUscan

В такой ситуации 3D-сканер просто незаменим. Оцифровав вылепленный вручную макет, его легко перевести в подходящий формат и, сгладив неточности, неизбежно возникающие при ручном изготовлении, получить готовую для производства модель, благо все необходимое для этого программное обеспечение уже представлено на рынке. Например, программный пакет RapidWorks от компании NextEngine позволяет осуществить весь процесс в полуавтоматическом режиме.

3D-сканеры и творчество

Областью, в которой трехмерные сканеры совершили революцию, стала компьютерная графика. Раньше художникам нужно было тратить сотни часов на моделирование реалистичных людей для фильмов и компьютерных игр. Теперь же стало возможным просто найти подходящего человека и оцифровать его с помощью 3D-сканера.

Значительно упростили эти устройства и массовое производство различных фигурок. Сейчас достаточно вылепить одну фигурку, отсканировать ее — и можно изготовить тысячи таких же на станках с ЧПУ.

Масштабный эффект

При упоминании об объемном сканировании для контроля качества на ум в первую очередь приходят относительно небольшие объекты. В наше время промышленники этим не ограничиваются. Например, на заводе «Прогресс» в Арсеньеве, где производятся известные отечественные вертолеты «Ка-52», сканирование отдельных деталей уже считают вчерашним днем. Сейчас завод осваивает сканирование готовых вертолетов после сборки. Это позволит поднять контроль качества сборки на абсолютно новый уровень.

Настольный автоматический 3D-сканер Next-Engine 3D Scanner HD

Однако и такой порог уже не является чем-то сверхъестественным. Сегодня лидеры рынка предлагают устройства для объемного сканирования целых зданий. Такому контролю в процессе постройки подвергли самый высокий небоскреб в мире — «Бурдж-Халифа» в Дубае.

Но и это не предел. На орбите Земли вращается уже не один десяток геологических спутников, составляющих трехмерный портрет нашей планеты. Подобные устройства позволяют создавать карты сверхвысокой точности со всеми возможными объектами на них. Эта информация в дальнейшем используется как в геологических исследованиях, так и для вполне прикладных задач обеспечения навигации и планирования инфраструктуры.

И наконец, вершиной объемного сканирования являются беспилотные космические корабли, предназначенные для исследования удаленных объектов Солнечной системы. В частности, уже существуют трехмерные модели поверхности Марса, которые в текущий момент дополняются результатами точного сканирования с помощью робота-марсохода Curiosity, также использующего в своем арсенале 3D-сканер.

Текст: Сергей Яковлев
Фото: компании-производители; TNG Visual Effects/Facebook

Источник