4.3 Анализирующие устройства

Различие в стоимости и соответственно в эффективности современных систем ввода изображений составляет несколько порядков. Они отличаются по:

• типу считываемых изображений;
• конструкции развертывающего устройства;
• траектории сканирующего пятна;
• размерам обрабатываемых оригиналов;
• типу фотоэлектрического преобразователя;
• числу оптических каналов;
• разрешающей способности;
• разрядности АЦП и т. д.

Выбирая сканирующее оборудование, учитывают прежде всего характер выпускаемого издания, его объем и периодичность. В качестве примерарассмотрим два случая, в одном из которых используются только черно-белые непрозрачные оригиналы, в том числе и цветные прозрачные.
Основным иллюстрационным материалом однокрасочных газет являются черно-белые фотографии, поступающие от корреспондентов, рекламных и информационных агентств по почте, фототелеграфу или другими доступными способами. Масштаб таких изображений в полосе составляет в среднем 70-90%. Репродуцирование без увеличения резко снижает требования к разрешающей способности считывающего устройства. К тому же, интервал плотностей подобных оригиналов, как правило, не превышает 2,0 ед. Это значит, что для ввода можно использовать недорогой и надежный в работе планшетный настольный сканер с разрешающей способностью порядка 12 лин/мм (300 т/дюйм) и линейкой ПЗС в качестве ФЭП.
Оригиналы цветного иллюстрированного еженедельника - это, большей частью, слайды, интервал плотностей у которых достигает, как уже указывалось, 3~4 ед., а размер в полосе издания может оказаться во много раз большим. Не исключаются и другие оригиналы, например непрозрачные рисованные, фотографические и живописные, имеющие, как правило, значительно больший, чем слайды, исходный формат. К тому же, общий объем иллюстраций, подлежащих переработке, может потребовать от устройства ввода высокой производительности. Подготовке издания такого типа лучше отвечает, несмотря на большую стоимость, устройство с креплением и сканированием оригиналов на прозрачном цилиндре, с плотностью линий развертки порядка 200 лин/мм (5000 точек на дюйм) и ФЭУ в качестве фотопреобразователя.

4.3.1 считывание

на Рис. 4.4 схематически представлено устройство считывания закрепленного на цилиндре 1 оригинала 2 анализирующей головкой, установленной на каретке 3, имеющей возможность перемещения вдоль образующей цилиндра 1 с помощью ходового винта 4 по высокоточным направляющим (на Рис. не показаны). Анализирующая головка содержит расположенные на каретке 3 осветители 5, конденсоры 6, объектив 7, апертурнуюдиафрагму 8 и ФЭП 9. Конденсоры б установлены таким образом, чтобы обеспечивать максимальную освещенность в считываемой точке 10 оригинала 2, изображение которой объектив 7 строит в плоскости апертурной диафрагмы 8. Быстрая, или, пользуясь термином телевидения, строчная, развертка обеспечивается вращением цилиндра 1. Медленная, или кадровая, развертка происходит за счет перемещения анализирующей головки и ее считывающего пятна вдоль цилиндра и неподвижного в этом направлении оригинала.
Свет источников 5, отраженный оригиналом 2, создает в электрической нагрузке R_н преобразователя 9 напряжение видеосигнала u_c пропорциональное коэффициенту отражения, усредненному по площади проекции апертурной диафрагмы 8 на оригинал 2. Чувствительный слой самого ФЭП в подобных случаях работает как бы по световому потоку, поэтому именно величиной апертурной диафрагмы задается элемент разложения изображения на пространственные дискреты в процессе сканирования.

Рис. 4.4 Одноканалыное считывающее устройство

В качестве осветителей 5 в современных устройствах используют выходы трех-пяти стекловолоконных световодов, подающих световую энергию на считываемый участок с разных сторон, чтобы исключить флуктуации сигнала, обусловленные фактурой поверхности оригинала.
При освещении считываемого пятна непрозрачного оригинала только с одной стороны (см. Рис. 4.5) величина энергии, поступающей к фотоприемнику, зависит, кроме прочего, еще и от угла отражения, непостоянство которого вызвано микронеровностями поверхности. Если же пятно освещено с разных сторон множеством источников, флуктуации усредняются, поскольку результирующий световой поток оказывается суммой нескольких излучений, по разному отраженных неровной поверхностью оригинала в сторону ФЭП.

Рис. 4.5 Изменяя угол отражения однонаправленного освещения, рельеф подложки оригинала вызывает нежелательные флуктуации в считанном сигнале изображения

Плотность линий развертки (частоту разложения изображения на отдельные строки) при фиксированной скорости вращения цилиндра изменяют, управляя скоростью перемещения считывающей головки и соответствующим образом подбирая размер апертурной диафрагмы.

4.3.2 элемент и частота разложения, объем иллюстрационного файлаа

Величина d элемента и шага строк разложения определяются с учетом линиатуры L получаемого астрового изображения и его масштаба М как

4.1

а необходимая частота считывания оригинала в сканере соответственно как

4.2

Числовой коэффициент в этих выражениях иногда называют коэффициентом растрирования (screening factor). Для печати иллюстрации с линиату-рой 80 лин/см и увеличением относительно оригинала в три раза последний рекомендуется сканировать, например с частотой разложения f = 2 x 8 x 3 = 48 лин/мм и считывающим пятном d = 1/(2LM) = 1/f = 20 мкм.
С учетом этих соотношений может быть легко рассчитан такой важный технологический параметр, как объем иллюстрационного файла, подготовленного к печати и подлежащего переработке в растровом процессоре устройства вывода фото- или печатных форм, а также систем цифровой цветопробы или цифровой печати:

4.3

где m - число цветоделенных изображений многокрасочной печати, a s_отт - площадь оттиска. В соответствии с данным выражением числовой массив, представляющий на допечатной стадии четырехкрасочный оттиск формата A3 (30 х 40 см²) с линиатурой 70 лин/см составит N_ф = 4 х (30 х 40) х (2 х 70)² = 96 Мбайт.
Коэффициент 2 учитывает положение теории дискретизации, согласно которому частота несущего колебания должна как минимум в два раза превышать ту частоту в спектре исходного сообщения, которая подлежит воспроизведению.

Рис. 4.6 Апертура, много меньшая расчетного шага разложения, снижает представительность выборки: при совпадении пятна, сканирующего оригнал, со случайным вкраплением (а) значение отражения последнего присваивается всей зоне отсчета (б)

Масштаб изображения в современном полиграфическом ЭЦК может изменяться от 20% до 3000% с шагом в 1% при б~8 растровых линиатурах со значениями от 20 до 120 лин/см. Использовать единые для всех режимов плотность линий развертки и элемент разложения, размер которого минимален, выбран для предельного случая максимального увеличения и максимальной линиатуры и заведомо удовлетворяет рассмотренному выше условию, не имеет смысла не только в связи с неоправданным избытком числового массива. При величине сканирующего пятна много меньшей, чем предусмотрено выражением 4.1, в сигнале, а затем и на копии появляются высокочастотные помехи, обусловленные микронеровностями подложки, зернистостью эмульсии оригинала и т. п. Положения сканирующего пятна, много меньшего зоны отсчета, среднее значение отражения которой оно считывает при выборке, показаны на Рис. 4.6 для некоторого фонового светлого участка, имеющего редкие мелкие и незаметные на оригинале темные вкрапления. В тех случаях, когда на момент выборки (такта аналого-цифрового преобразования) пятно совпадает с вкраплением (см. Рис. 4.6, а), считанное значение отражения может оказаться близким к уровню «черного». На копии, воспроизводимой в соответствии с полученными таким образом значениями, темной оказывается площадь всей соответствующей зоны (см. Рис. 4.6, б). Такая помеха вполне различима и уже уверенно воспринимается зрением. Необходимо, таким образом, обеспечить хотя бы приближенное соответствие размера считывающего пятна расчетной зоне отсчета. Тогда тон подобных вкраплений усредняется и несущественно сказывается на считанном значении. На практике применяют набор из нескольких диафрагм, каждая из которых используется для определенной группы масштабов и линиатур. Их устанавливают, например, на вращающемся диске (см. Рис. 4.7) и вводят в оптический канал вручную или автоматически.

Рис. 4.7 Установка апертурной диафрагмы в оптический канал 1 считывающего устройства

В ряде случаев элемент разложения намеренно устанавливают больше расчетного во избежание ложных узоров на текстурах или для подавления фактуры подложки оригинала. Нежелательные мелкие детали устраняются в этом случае благодаря той же низкочастотной фильтрации - усреднению яркостей по площади сканирующего пятна. Подобное действие аналогично расфокусировке объектива при фотосъемке.

4.3.3 сканер с линейным дискретным ФЭП

На Рис. 4.8 схематически представлен «планшетный» сканер - устройство электрооптического анализа непрозрачного оригинала 1 линейкой 2 ПЗС, содержащей несколько тысяч чувствительных элементов. Оригинал 1 прижимается крышкой 3 к стеклянному основанию 4, освещается газосветной трубкой 5, перемещаемой совместно с зеркалами 6 в направлении, указанном стрелкой 7, с помощью электромеханического шагового привода. Крайние исходные положения считывателя детектируются фотодатчиками 8. В одном из этих положений линейка 2 считывает калибровочную метку 9 - равномерную белую матовую полосу протяженную по всей проекции линейки 2 ПЗС в плоскости стекла 4. Считанный с нее сигнал записывается в память и вычитается из видеосигнала при сканировании оригинала для компенсации погрешностей, обусловленных разбросом чувствительности элементов линейки ПЗС, неравномерностью освещенности вдоль считываемой строки и т. п.

Рис. 4.8 Плоскостной сканер с дискретным линейным фотоэлектрическим преобразователем

Менее дорогие цветные устройства такого типа оснащены лишь одним оптическим каналом и фотопреобразователем. Цветоделенные сигналы формируют в них последовательно по кадрам путем трехкратного сканирования оригинала со сменой цветных фильтров.
Планшетные сканеры, работающие и на просвет, оснащаются дополнительным перемещающимся осветителем, смонтированным в откидывающейся верхней части 3.
Особое внимание уделяют при этом плотности контакта эмульсионной стороны слайда со стеклянным основанием, поскольку многократные внутренние отражения в воздушном зазоре могут послужить причиной искажений в виде колец Френеля. Для устранения этих явлений зону контакта заполняют, например, прозрачными гелями.
Апертурные диафрагмы в таких сканерах не используют, поскольку зона отсчета и частота разложения жестко заданы геометрическими параметрами линейки ПЗС. Поэтому в устройствах, использующих дискретные считыватели, т. е. линейки или матрицы, сложнее изменять пространственную частоту разложения оригинала, например, некратно числу элементов считывателя. Такие изменения необходимы для учета величин масштаба и растровой ли-ниатуры. Считанные значения элементов изображения приводят при этом в соответствие с величиной «виртуальной» диафрагмы (расчетной зоны отсчета) путем относительно сложных и длительных процедур двухмерного преобразования числовых массивов. Их осуществляют либо «аппаратно», схемотехнически в реальном времени сканирования, либо «программно», т. е. пересчетом числового массива изображения после считывания.

4.3.4 четырехканальное анализирующее устройство

Модуль электрооптического анализа, схематически представленный на Рис. 4.9, содержит прозрачный цилиндр 1 с закрепленным на его поверхности прозрачным или непрозрачным оригиналом 2. Для вращения цилиндра 1 используется двигатель 3. На основании - каретке 4, имеющей возможность перемещения вдоль образующей цилиндра 1 по прецезионным направляющим 5 с помощью ходового винта 6 и двигателя 7, установлена считывающая головка с необходимыми оптическими и фотоэлектронными компонентами. Это:

• источник света 8, поворотное зеркало 9 и конденсор 10 для освещенияслайдов;
• осветители 11, 12 и конденсоры 13, 14 для оригиналов, считываемыхв отраженном свете;
• объектив 15;
• полупрозрачное 16, дихроические 17,18 и поворотное 19 зеркала;
• апертурные диафрагмы 20 основного оптического канала и 21 каналанерезкого маскирования;
• цветные фильтры 22, 23 и 24;
• фотоэлектронные умножители 25, 26, 27 и 28.

Как видно из схемы, элементы 8-9 расположены внутри кронштейна, который во время сканирования движется внутри цилиндра. Последний в ряде новых моделей сканеров такого типа установлен вертикально на вращающемся основании.
В процессе развертки, обеспечиваемой вращением цилиндра 1 и движением каретки 4, световой поток, отраженный или прошедший через освещенный участок оригинала 2, поступает на объектив 15, а затем разделяется на две неравные части светоделительным зеркалом 16. Объектив 15 строит в равноудаленных от него плоскостях апертурных диафрагм 20 и 21 изображение освещенного участка оригинала. Первая из них имеет обсуждавшийся выше расчетный размер, а вторая в 2-3 раза больший. Во вспомогательном оптическом канале нерезкого маскирования электрический ток нагрузочного сопротивления RH ФЭУ 25 создает напряжение пропорциональное коэффициенту отражения или пропускания оригинала 2, усредненному по площади проекции большой диафрагмы 21. Этот видеосигнал соответствует несколько расфокусированному изображению и поэтому называется «сигналом нерезкой маски». Его использование обсуждается в шестом разделе.
В нагрузках ФЭУ 26,27 и 28 основных оптических каналов формируются цветоделенные (КЗС) сигналы, каждый из которых соответственно пропорционален коэффициентам отражения или пропускания оригинала в красной, зеленой и синей областях видимого спектра. В пространственном отношении каждое из этих значений усреднено по площади, задаваемой расчетной величиной апертурной диафрагмы 20.
Оптическая плотность полупрозрачных слоев зеркал 16,17 и 18 подбирается из условия приблизительного равенства амплитуд сигналов от нейтрально серого поля на выходах всех четырех ФЭП с учетом соотношений величин диафрагм 20 и 21.

Рис. 4.9 Четырехканальное цветоделительное устройство с креплением слайдов и оригиналов отражения на прозрачном цилиндре

Интересными в отношении обеспечения стабильности баланса сигналов являются одноканальные цветоделительные системы, использующие лишь один ФЭУ и генерирующие КЗС сигналы последовательно по элементам или по строкам. Для поочередной во времени фильтрации светового потока, отражаемого оригиналом, они используют эффект изменения спектра пропускания кристаллов под воздействием приложенного электрического поля [4.4]. Такой однока-нальной цветоделительной системой был оснащен Linoscan 3040 [4.5].

4.3.5 спектральные характеристики цветоделителя

Спектральный состав каждого из цветоделенных оптических сигналов, получаемых за широкополосными (спектрозональными) КЗС фильтрами, характеризуется зависимостью поступающего на соответствующий ФЭП интенсивности излучения, от длины его волны. Как видно из схемы на Рис. 4.8, эти характеристики связаны не только со спектральным составом (цветом) считываемого участка оригинала ρ(λ).
Здесь учитываются также и спектральные характеристики излучения осветителя ρ(λ), пропускания τ_i(λ) и отражения τ_k(λ) дихроических зеркал, пропускания α(λ), β(λ), γ(λ) цветокорректирующих фильтров в трех оптических каналах и чувствительности ФЭП η(λ). В общем виде значения цветоделенных сигналов могут быть выражены как

4.4

Пределы интегрирования заданы в этих выражениях граничными длинами волн чувствительности фотоприемника, а безразмерные коэффициенты a, b, c обеспечивают определенный баланс сигналов в цветоделительных каналах при считывании нейтрального серого поля. На практике такого баланса добиваются юстировкой интенсивности световых потоков в оптических каналах серыми фильтрами переменной оптической плотности и регулировкой усиления выходных сигналов.
Если из приведенных выше выражений исключить характеристику отражения (цвет) оригинала ρ(λ), то они представляют собою спектральные характеристики чувствительности цветоделительных каналов устройства электрооптического анализа.
Последующим нелинейным преобразованиям цветоделенных сигналов сопутствуют потери информации, обусловленные действием шумов репродукционной системы. Чтобы исключить или свести к минимуму эти преобразования, характеристики трех каналов должны быть оптимально согласованы с характеристиками оригиналов и предполагаемых средств их отображения.
Довольно часто в ряде источников технической информации утверждается, что современные сканеры «работают в цветовой системе RGB». Однако для того, чтобы значения получаемых цветоделенных сигналов представляли собою координаты цвета какой-либо колориметрической системы, спектральные характеристики сканера должны соответствовать так называемым кривым сложения (смешения) глаза для основных цветов этой системы. Трем основным монохроматическим цветам (700; 546,1 и 435,8 нм) системы RGB, принятой Международной комиссией по освещению (МКО) в 1931 г., соответствуют, как известно, кривые сложения, одна из которых имеет достаточно протяженный участок отрицательных значений [4.6]. Получить подобную характеристику чувствительности цветоделительного канала сканера технически невозможно. Поэтому реальный колориметрический сканер может быть ориентирован на цветовую систему, которой соответствуют только положительные кривые сложения. Ею может быть, например, стандартная система XYZ, в основу которой положены нереальные основные цвета. Таким образом, колориметрические значения RGB могут быть получены в сканере или компьютере лишь опосредовано, т. е. путем их вычисления из значений XYZ.
Однако большинство сканеров работает не колориметрически, а денси-тометрически, осуществляя спектрозональное цветоделение по трем основным (красному, зеленому и синему — КЗС) участкам видимого спектра. При этом характеристики чувствительности цветоделительных каналов подбирают с учетом базового назначения сканера, т. е., прежде всего, с учетом:

• спектральных характеристик красителей используемого типа оригиналов (фотографические отпечатки, диапозитивы или негативы; оттиски полиграфической, термопереводной или другой печати);
• характеристик основных цветов предполагаемого затем воспроизведения (на мониторе, посредством фотографической записи, полиграфической или «цифровой» печати и т. д.);
• освещения, при котором будет рассматриваться копия.

В этом случае значения сигналов оказываются напрямую связанными с цветами синтеза (количествами красок, интенсивностей возбуждения люминофоров и т. п.) и не нуждаются в существенных дополнительных преобразованиях, влекущих за собой потери информации.
Необходимых характеристик спектральной чувствительности каналов цветоделительного устройства добиваются графическим или табличным расчетом характеристик цветокорректируюших фильтров с учетом взятых из справочников или технических паспортов характеристик других спектральнозависимых компонентов оптического канала.