Особенности работы CCD-сканеров и анализ их возможностей при сканировании фотонегативов

 

Эта статья рассчитана на специалистов, интересующихся скрытыми от пользователя тонкостями устройства и работы сканеров. Предполагается, что читатель уже имеет представление об устройстве сканера и настройках параметров сканирования. Желательно также определенное знакомство с фотографией и электроникой.

 

В статье обсуждаются следующие вопросы:

 

- Принцип работы и основные характеристики ПЗС-линеек, влияющие на качество сканирования (на примере двух приборов от Sony и Toshiba).

 

- Теоретически возможные и реально используемые алгоритмы работы сканера при калибровке и сканировании, а также применяемая для их реализации схемотехника (на примере специализированной микросхемы LM9833).

 

- Особенности цветного негатива как оригинала для сканирования изображения (на примере пленки Fuji Superia 100).

 

- Пути повышения качества сканирования негативов, в том числе с использованием нештатных источников света и режимов калибровки.

 

При попытке использовать материалы данной статьи для экспериментов со сканерами, Вы делаете это на свой страх и риск.

Разборка сканера и вмешательство в его конструкцию, так же как несоблюдение рекомендованного изготовителем

порядка работы и правил эксплуатации, может повлечь прекращение гарантии и отказ в фирменном обслуживании и ремонте.

Указанные действия также сопряжены с риском поражения электротоком и с риском вывести сканер из строя.

 

 

Основная часть фотографов, по тем или иным причинам еще использующих пленку, снимает на негатив. На слайд работают прежде всего для полиграфии, где это - традиционный и до сей поры часто единственный принимаемый пленочный носитель изображения. Трудности получения хороших слайдов известны. В большинстве городов России слайдовую пленку сложно приобрести и негде проявить, если фотограф не сделает этого сам. В конечном итоге, затраты на изготовление слайдов оправдываются, как правило, только при профессиональной работе «под заказ». Поэтому качественное сканирование негативов является для многих фотографов насущнейшей задачей.

 

Существуют различные модели как планшетных сканеров со слайд-адаптерами, так и специализированных пленочных сканеров. Однако для фотографа, купившего даже пленочный сканер, попытка получить с негатива изображение хорошего качества часто оборачивается разочарованием. Я тоже побывал в подобной ситуации. После неудачных экспериментов с профессиональными, но устаревшими планшетными сканерами Agfa Arcus+ и Umax Power Look II в мои руки попал пленочный сканер Polaroid Sprint Scan 35/LE. Я скачал последнюю версию фирменного драйвера Color Inside, зарядил в сканер пленку, выбрал из меню соответствующий тип эмульсии (Fuji), нажал Preview... и наконец-то получил нормальную резкость и цветопередачу. Однако при детальном рассмотрении отсканированного изображения выяснилось, что радоваться было рано. Помимо довольно приличных, но не смертельных шумов, в зеленом и особенно в синем канале наблюдались регулярные искажения в виде серии полос в направлении сканирования, выглядящих как небольшие колебания яркости. Причем эффект этот наиболее сильно проявлялся в светах изображения, что было совершенно неприемлемо.

 

Дефекты сканирования с негатива в виде полос в светах синего канала

 

Просмотрев гистограмму распределения значений яркости показанного участка, можно убедиться, что она имеет вид «гребенки».

 

 

Отсюда следует, что изображение «вытягивалось» сканером с очень узкого участка диапазона АЦП. С похожими дефектами в каналах я сталкивался когда-то давно при сканировании фотографий на планшетном сканере Agfa Arcus+. Но там они “прятались” в глубоких тенях изображения, а здесь из-за обращения негатива предстали во всей своей красе.

 

Сканер тем не менее был впоследствии успешно использован для оцифровки старых слайдов и сканирования ч/б негативов, но желание разобраться причинах такого «строптивого» его поведения на негативах осталось.

 

Позже мне пришлось более плотно заняться вопросами, связанными с электроникой.

И я решил наконец всерьез разобраться в работе сканеров. Поскольку у нас в России их коммерческих моделей никогда не производилось, то все попытки найти в Рунете достаточно глубокое описание принципов и алгоритмов их работы оказались безуспешными. Почти вся информация была либо научно-популярной, либо рекламно-коммерческой. Поэтому пришлось сначала разобраться в принципах работы и характеристиках ПЗС-линеек на основе фирменной документации их изготовителей, а затем представить себе, что нужно, чтобы «выжать» из них изображение  нормального качества, и сравнить с практическими наблюдениями за работой конкретных моделей сканеров. Дополнительно проверить свои выводы удалось, сопоставляя их с описаниями специализированных «сканерных» микросхем. Не обошлось и без детального «ковыряния» с отверткой в руках во внутренностях конкретных устройств.

 

Вот что в результате удалось выяснить.

 

 

Подробнее о ПЗС-линейках

 

Технология ПЗС (CCD) насчитывает около трех десятков лет, и можно сказать, что эпоха великих открытий и радикальных усовершенствований в этой области уже прошла. Были созданы наиболее оптимальные конструкции линеек и матриц, отработаны технологии, и иногда даже звучит мнение, что выпускаемые сейчас ПЗС-приборы по своим характеристикам подошли к теоретическому пределу. Любое заметное улучшение одной из характеристик прибора достигается либо за счет ухудшения других характеристик, либо за счет существенного увеличения его стоимости. Скажем, для увеличения светочувствительности нужно увеличить размер элементов. Но при этом увеличиваются геометрические размеры кристалла, а соответственно уменьшается выход годных изделий.

 

Структурная схема ПЗС-линейки SONY ILX324K

 

Работа ПЗС-линейки в первом приближении выглядит следующим образом.

 

На каждом из «выстроенных в линейку» фотодиодов, количество которых называется «числом активных элементов», в течение некоторого времени интегрирования t_и под воздействием света накапливается заряд, пропорциональный освещенности этого фотодиода.

По окончании времени интегрирования по специальному управляющему импульсу fROG накопленные заряды передаются из фотодиодов в находящиеся рядом ячейки аналогового регистра сдвига, а затем начинается опрос регистра – под воздействием тактовых импульсов f1 и f2 заряды начинают продвигаться по его ячейкам, как по конвейеру, поочередно «вываливаясь» на выход, к которому присоединен преобразователь «заряд-напряжение» и усилитель. В результате на выходе линейки Vout последовательно появляются уровни напряжения, пропорциональные освещенности каждого из фотодиодов линейки.

Если линейка не оснащена «электронным затвором», позволяющим начать очередной период интегрирования в произвольное время, то он начинается непосредственно после окончания предыдущего, т. е. после начала опроса. Время интегрирования t_и для таких линеек не может быть меньше времени полного «выдвижения» всей информации из регистра сдвига t_о=n´T_c , где n – число ячеек регистра сдвига (обычно на несколько десятков больше числа активных элементов линейки); T_c – период следования импульсов сдвига.

 

«Цветные» ПЗС-линейки – это три линейки, смонтированные параллельно друг другу на одной подложке или кристалле. Каждая из них покрыта тонкой пленкой светофильтра соответствующего цвета. Они отстоят друг от друга на некоторое расстояние, обычно в несколько раз большее, чем расстояние между элементами в каждой линейке.

 

Не так давно появились «двойные» линейки. Это просто две параллельные линейки, установленные друг за другом таким образом, чтобы их чувствительные элементы располагались в шахматном порядке. Такой технический прием позволяет при той же длине линейки увеличить число активных элементов вдвое, не уменьшая существенно площадь, а значит, и светочувствительность единичного элемента. Это, конечно, компромиссное решение, имеющее свои слабые стороны (к примеру, зоны светочувствительности соседних ячеек при сканировании слегка перекрываются, что уменьшает фактическую разрешающую способность сканера). Однако из-за выгодного соотношения «цена/количество активных элементов» двойные линейки завоевали большую популярность у производителей, и нередко их использование рекламируется как достоинство сканера.

Теперь понятно, что когда приходится слышать, к примеру, о «6-линейном CCD-сенсоре», которым оснащен некий сканер XXX, то на самом деле речь идет просто о двойной цветной линейке.

                                                                     

Покопаемся в цифрах

 

Рассмотрим более детально характеристики линейки, примененной в уже упомянутом сканере Polaroid. Это цветной прибор TCD2252D фирмы Toshiba, типичный по своим параметрам. А для того, чтобы сравнить подходы разных производителей, возьмем для примера еще и аналогичную по характеристикам линейку ILX524K от SONY.

 

Обе линейки имеют по 2700*3=8100 активных элементов, что соответствует разрешению 300 dpi при ширине сканируемого документа 22.8 см. Обе относятся к малошумящим моделям с увеличенным динамическим диапазоном. Расстояние между элементами линейки равно 8 микрон, расстояние между соседними линейками разных цветов – 64 микрона, или 8 линий. Таким образом, длина активной области линейки равна 21,6 мм. Корпус тоже один и тот же - 22-выводной керамический DIP. Номинальная частота опроса линеек – 1 МГц, максимальная – 4 МГц у Toshiba и 5 МГц у SONY. Электронный затвор отсутствует, соответственно, минимальное время интегрирования составляет при номинальной частоте опроса около 2,8 мс. Отсюда легко найти минимальное теоретическое время сканирования документа A4 при 300 dpi: чуть более 10 секунд.

Линейки имеют разную цоколевку выводов и различающиеся временные диаграммы подаваемых сигналов.

 

Но нас интересуют главным образом те параметры, которые могут повлиять на динамический диапазон сканера. В этом отношении важны такие приводимые в документации характеристики, как чувствительность по каждому из каналов, выходное напряжение насыщения, экспозиция насыщения, среднее темновое напряжение, неравномерность темнового напряжения, напряжение шумов.

Все эти данные сведены в таблицу. Надо сразу оговориться, что фирмы используют разные источники света для измерения параметров, поэтому прямое сравнение цифр не совсем корректно (см. ниже).

 

 

 

 

Выходное напряжение насыщения – это максимально возможное напряжение полезного сигнала, которое может быть получено на выходе. Оно достигается при определенной экспозиции, называемой экспозицией насыщения. Дальнейшее увеличение экспозиции не дает увеличения выходного сигнала, но может привести к нежелательному «блюминг-эффекту» – «переливанию» избыточного заряда в соседние элементы линейки, что визуально выглядит как появление «ореола» вокруг пересвеченных участков. Типовое выходное напряжение насыщения у обеих линеек равно 3,2 В, но у Sony допустимый минимальный уровень составляет 2 В, а у Toshiba – 3 В.

 

Экспозиция насыщения выражается в люксах в секунду; Sony приводит значения для каждого из цветовых каналов – от 1 до 1,6; Toshiba – общее для всех каналов значение 0,35.

 

Чувствительность по каждому из каналов выражается в вольтах на люкс в секунду, причем надо учитывать, что согласно принятой изготовителями методике измерений, везде указывается освещенность “белым” светом. Toshiba использует нормированный источник света типа А (цветовая температура 2856К), а Sony – источник света цветовой температурой 3200К, имеющий несколько большую мощность в синей части спектра. Возможно, отсюда и несовпадение цифр светочувствительности по каналам: у Toshiba она для синего канала почти в 3 раза меньше, чем для зеленого, тогда как у Sony разброс между каналами сравнительно невелик. Кроме того, на результаты измерений по каналам оказывает влияние и разница в спектральных характеристиках линеек. В целом, светочувствительность линейки Toshiba примерно в 2,5-3 раза выше.

 

Существенно может повлиять на качество изображения неравномерность светочувствительности элементов линейки, типовое значение которой больше у Toshiba – 10% против 4% у Sony, однако для обеих линеек допустимо максимальное значение в 20%. Однако этот разброс, если он является систематическим, может быть скомпенсирован при последующей обработке снятой с ПЗС-линейки информации.

 

Темновое напряжение – важнейший параметр, определяющий динамический диапазон линейки. Собственно говоря, параметр “динамический диапазон” Sony приводит явно и определяет его как отношение типового напряжения насыщения к типовому темновому напряжению. Получается внушительная цифра в 10670, что соответствует как минимум 13-разрядному АЦП с его 8192 уровнями. Однако допустимое минимальное значение - 1000, то есть всего 10 разрядов. И это при комнатной температуре в 25 градусов. А известно, что темновое напряжение ПЗС-приборов имеет неприятное свойство удваиваться при повышении температуры на каждые 7-8 градусов, поэтому и делают, например, охлаждаемые ПЗС-матрицы для астрономических и других научных целей.

Надо учитывать и то, что приводится среднее темновое напряжение, а его неравномерность для разных элементов линейки допускается втрое больше. Такая неравномерность, в отличие от шумов, носит не случайный, а систематический характер и потому более заметна. Именно с ней-то я, очевидно, и столкнулся в виде “полосатости” в светах изображения, отсканированного с негатива. Однако как раз благодаря этой систематичности становится возможным компенсировать неравномерность темнового напряжения отдельных ячеек линейки при дальнейшей обработке полученных с нее данных.

 

Кстати, в документации Sony присутствует любопытная оговорка, что темновое напряжение можно уменьшить, а динамический диапазон – увеличить, сократив время интегрирования по сравнению со значением в 10 мс, для которого приведены все паспортные характеристики, «так как темновое напряжение является функцией времени интегрирования». Это и понятно - ведь темновое напряжение получается в результате интегрирования по времени темнового тока фотодиода. Но сокращение времени интегрирования ограничено минимальным временем опроса линейки (в нашем случае  2,7 мс при номинальной тактовой частоте 1 мГц). При недостаточной яркости источника света речь может идти лишь об удлинении времени интегрирования и, соответственно, увеличении темнового напряжения.

 

Toshiba динамический диапазон не приводит, но вычислить его несложно: типовое значение – 1600, минимально допустимое – около 500. Типовая неравномерность темнового напряжения вдвое превышает его среднее значение. Вообще, для Toshiba характерны более узкие рамки допустимого «ухода» параметров от номинальных. При отставании от Sony в типовом значении динамического диапазона почти в семь раз, в наихудшем допустимом значении проигрыш составляет всего 2 раза, а с учетом максимально допустимой неравномерности цифры получаются почти одинаковые – 375 и 400. Это соответствует, как легко убедиться, диапазону плотностей в 2,6D. Кстати, типовое напряжение случайных шумов, которое приводит только Toshiba, составляет менее четверти от неравномерности темнового напряжения, и поэтому может серьезно повлиять на качество изображения только при полной компенсации воздействия других факторов.

 

Кривые спектральной чувствительности говорят больше о характеристиках светофильтров, чем самой линейки. Однако видно, что длины волн максимального светопропускания красного и синего светофильтров у Toshiba разнесены дальше к краям спектра примерно на 20 нм каждый, что потенциально означает более широкий цветовой охват.

 

 

 

 

 

Важно отметить, что характерной особенностью всех ПЗС-приборов является наличие чувствительности в инфракрасной части спектра, начиная с 700 -750 нм. Повышенная инфракрасная «засветка» по своему действию подобна паразитной засветке фотопленки отраженным и рассеянным внутри камеры светом и вызывает падение общего контраста и «вуаль» на полученном изображении. Поэтому-то в сканерах и стараются применять «холодные» источники света, а все паспортные данные приводятся для измерений за инфракрасным фильтром, а для линеек NEC – еще и за теплопоглощающим фильтром.

 

Рассмотренные выше ПЗС-линейки уже сняты с производства, более того, обе упомянутые фирмы к настоящему времени резко сократили количество моделей цветных ПЗС-линеек, а на первые позиции выдвинулась NEC, в ассортименте которой значительную часть составляют сдвоенные линейки. Однако основные характеристики современных линеек NEC (за исключением увеличенного количества и уменьшенных размеров активных элементов) не слишком отличаются от рассматриваемых нами моделей.

 

 

Как ПЗС-линейки используются в сканерах?

 

Должен сразу предупредить: написанное в данном разделе основано на наблюдениях за работой сканеров нескольких довольно старых моделей, вышедших на рынок в середине 90-х годов. Это планшетные сканеры AGFA моделей ARCUS+ и StudioScan IIsi и уже упомянутый слайд-сканер Polaroid Sprint Scan 35/LE.

К разработке «железа» и производству всех этих сканеров приложила руку фирма Microtek, в чем легко убедиться, сравнивая внутреннее устройство ARCUS+ с моделью Microtek ScanMaker III или просто прочитав технологические надписи на печатных платах и наклейке на микросхеме ПЗУ в Sprint Scan 35/LE (кстати, о взаимном соответствии моделей брэндов и ОЕМ-производителей можно многое узнать, изучая сопроводительные файлы программы VueScan).

 

Отличие этих сканеров от современных моделей в том, что в то время еще не были разработаны высокоинтегрированные микросхемы контроллеров для сканеров, содержащие практически всю необходимую цифровую и аналоговую схему. Электроника была реализована на стандартных аналоговых компонентах – АЦП, ЦАП и ОУ в сочетании с фирменной заказной цифровой микросхемой, и все это управлялось серийным микроконтроллером с внешним ПЗУ. Поэтому технические решения для каждой модели разработчик мог выбирать самостоятельно.

 

В аналоговой части сканера Polaroid Sprint Scan 35/LE использованы стандартные электронные компоненты.

 

Не буду здесь описывать оптико-механическую схему сканера, так как предполагаю, что она читателю уже известна. Попытаюсь лучше разобраться, как все это должно работать, чтобы получить изображение наилучшего качества, обойдя при этом все «подводные камни», связанные с неидеальностью и нестабильностью характеристик ПЗС-линейки, источника света и аналоговых элементов схемы, а также с изменчивостью свойств сканируемых оригиналов.

 

Трудно спорить с тем, что наш глаз - это наиболее совершенный оптический прибор, приспособленный для работы в чрезвычайно широком диапазоне внешних условий. В числе прочих глазу присуще и такое свойство, как адаптация субъективного восприятия к имеющимся внешним условиям. Поэтому, рассматривая, к примеру, фотографию, мы практически одинаково воспринимаем ее и на солнечном пляже, и в полутемной комнате. Более того, если на фото изображен привычный глазу сюжет, то нетренированный наблюдатель обычно «закрывает глаза» на имеющиеся отклонения в динамическом и тоновом диапазоне и небольшие цветовые сдвиги.

 

Сканер без «посторонней помощи» так не может. Каждый, кто более или менее серьезно занимается сканированием, знает, что для полного и качественного «захвата» всех полутонов оригинала нужно выполнить предварительную настройку трех основных параметров сканирования - уровней черной и белой точек и гамма-коррекции. Черная точка - это уровень нейтрально-черного, соответствующий самому темному участку оригинала (глубоким теням). Технически ей соответствует нижняя граница требуемой светочувствительности. Белая точка - это уровень нейтрально-белого, соответствующий самому светлому участку оригинала (иногда исключая небольшие по площади блики), или верхняя граница требуемой светочувствительности. Гамма-коррекция - это искажение передаточной характеристики в виде «выпуклой» или «вогнутой» кривой, приводящее соответственно к затемнению или высветлению средних тонов изображения.

 

Большинство программ сканирования имеют возможность автоматической установки черной/белой точек и гамма-коррекции (в конкретной программе этот процесс может именоваться совсем по-другому, но суть одна). Для некоторых сканеров начального уровня это – единственный возможный вариант. Однако результаты такой «автоматизации» зачастую не радуют, особенно в сложных случаях.

Ведь на некоторых изображениях (к примеру, фотографиях закатов и т. п.) могут отсутствовать участки, по цвету соответствующие черной или белой точке. Их настройка все равно необходима, но здесь она может быть сделана только по субъективному впечатлению. А там, где автоматическая установка реализована грамотно (например, в программе VueScan), она использует большое количество настраиваемых опций, то есть все равно требует субъективной оценки изображения.

 

Однако зависимые от оригинала уровни черной/белой точек надо привязывать к каким-то абсолютным величинам. Человек, знакомый с практикой электронных аналоговых измерений (а сканер - это, по большому счету, типичный измерительный прибор), знает, что здесь все всегда «плывет». Для сканера основные источники «уплыва» - это дрейф параметров ПЗС-линейки и источника света (лампы) от температуры, питающего напряжения, да и просто от времени.

 

Для компенсации такого «уплыва» сканер выполняет последовательность действий, называемую калибровкой. Для этого сканирующая головка выводится в так называемую «калибрационную зону», где с нее в течение некоторого времени снимаются сигналы, соответствующие полной освещенности и полному затемнению ПЗС-линейки. При полной освещенности линейки происходит подбор необходимого времени интегрирования (по каждому из основных цветов отдельно), чтобы учесть текущую светоотдачу и цветовую температуру лампы, а также светочувствительность ПЗС-линейки. Это делается для того, чтобы при сканировании получить максимальный размах аналогового сигнала с ПЗС и в то же время не перейти порог, соответствующий экспозиции насыщения (который, кстати, тоже «плавает», а потому нуждается в динамическом определении при каждой калибровке). «Плавает», и поэтому требует калибровки, также уровень постоянной составляющей аналогового сигнала в выходном напряжении ПЗС-линейки.

Кроме того, при калибровке «снимается» и запоминается «профиль» засветки линейки лампой – массив цифровых значений, который используется впоследствии для компенсации искажений, носящих систематический характер. Это искажения от неодинаковой чувствительности элементов линейки (разброс, напомню, может доходить до 20%), от неодинаковой светоотдачи лампы по длине и от эффекта «виньетирования» объектива сканера.

 

Процедура калибровки у серьезных сканеров производится перед каждым сканированием (иногда даже перед Preview). Чтобы проиллюстрировать ее важность для правильной работы сканера, приведу пример из своей практики. Купив в свое время сканер AGFA StudioScan IIsi, я долгое время не знал, что делать с завышенной минимальной плотностью сканирования: полутона в светах сканируемых фотографий нередко терялись, уходя в белые “проплешины”, даже при установке минимально возможной плотности 0,058. Когда меня это окончательно достало, я разобрал сканер и осмотрел с обратной стороны то место рядом с кромкой стекла, под которым лампа сканера “зависала” на несколько секунд для калибровки. Там оказалась калибрационная “мишень” – очень светлая, но все же чуть сероватая полоска по всей ширине стекла. Я аккуратно заклеил ее сверху полоской белой самоклеящейся бумаги. Передача светов улучшилась, однако по всей ширине изображения появилась некая “текстура” – слабая сетка тонких вертикальных линий. Сообразив, что так проявляется не вполне “чистая”, ворсистая поверхность приклеенной бумаги, по которой производилась калибровка, я заменил ее на идеально гладкую белую матовую синтетическую пленку, после чего все стало замечательно.

 

У слайд-сканера Polaroid, где стекло отсутствует, а сканирование производится на просвет, оптическая система с ПЗС-линейкой неподвижна, а сканирующая головка перемещает оригинал – рамку с отрезком 35-мм пленки. Здесь процедура калибровки производится аналогично, а в качестве «мишени» используется специальное окно в держателе рамки, через которое поверхность лампы проецируется на ПЗС-линейку. Причем диапазон адаптации этого сканера к источнику света оказался весьма велик. При попытке изменить цветовую температуру лампы с помощью синего светофильтра 80A сканер в процессе калибровки автоматически скомпенсировал цветовой сдвиг за счет корректировки экспозиции по каналам!

 

Конструкция держателя пленки сканера Polaroid Sprint Scan 35/LE.

В нижней его части расположено калибрационное окно.

 

Способность сканера калиброваться по уровню черного изучить сложнее. Не знаю, снимается ли реально профиль «черного» аналогично профилю «белого». Хотя для компенсации неравномерности темнового напряжения элементов линейки это стоило бы делать.

 

Результатом калибровки является нахождение границ максимально воспринимаемого сканером диапазона яркостей, к которым теперь можно привязать уровни черной и белой точек для конкретного сканируемого изображения. Такая привязка может осуществляться несколькими способами.

 

Первый, самый простой, состоит в том, чтобы провести экспонирование с найденным при калибровке временем интегрирования, оцифровать сигнал с ПЗС-линейки, а потом «отрезать» лишние участки сверху и снизу, а остаток «растянуть» на всю 8-битную шкалу в 256 уровней.

Недостаток такого подхода - неполное использование динамического диапазона аналоговой части схемы и АЦП, что увеличивает влияние шумов и помех, погрешностей АЦП, а также вносит искажения, связанные с интерполяцией при цифровом «растягивании» динамического диапазона. Однако при большой разрядности применяемых ныне АЦП (14-16 на цвет) погрешности интерполяции могут быть незначительными.

 

Второй способ подразумевает выполнение тех же операций аналоговыми элементами схемы путем управления смещением нуля и коэффициентом усиления сигнала с ПЗС-линейки перед его подачей на АЦП. В этом случае разрядность АЦП используется полностью, что позволяет уменьшить влияние погрешностей АЦП и избавиться от искажений цифровой интерполяции, но не от шумов и помех. Реализация этого метода требует введения в схему высокоточных и быстродействующих операционных усилителей и ЦАП.

 

Привязка белой точки может быть выполнена путем увеличения времени интегрирования. Это замедляет сканирование, к тому же точно рассчитать необходимое в каждом конкретном случае увеличение времени интегрирования непросто. Поэтому такой прием лучше использовать только для сканирования заведомо «темных» оригиналов в комбинации с первым или вторым методом. К примеру, для сканера StudioScan IIsi замедление сканирования происходит скачкообразно при задании Dmin более 0,2.

 

Теперь о процедуре гамма-коррекции. Ее важность определяется «логарифмирующим» эффектом человеческого зрения. Наш глаз воспринимает освещение в логарифмическом масштабе, а ПЗС-линейка – в линейном. Поэтому для адекватного восприятия отсканированного изображения диапазон значений, снимаемый с ПЗС-линейки, должен быть подвергнут нелинейному преобразованию по определенной кривой. Это и есть гамма-коррекция. Форма кривой определяется числом g, называемым фактором гамма-коррекции. Отсутствию коррекции, т.е. линейной передаче сигнала с ПЗС-линейки, соответствует значение g = 1. Для «обычных» оригиналов вроде фотографий или цветных позитивов значение g обычно лежит в пределах 1,5¸2,2.

Приходилось  слышать о некоей знаменитой в прошлом серии сканеров Umax, в которых использовалась аналоговая гамма-коррекция. С точки зрения электроники это означает введение в аналоговый тракт усилителя с управляемой нелинейностью, что реализовать можно, но обойдется это недешево. В старой модели AGFA ARCUS+ использовались «загружаемые» кривые коррекции, что подразумевало возможность использовать не только гамма-кривые, но и нарисовать произвольную корректирующую кривую для каждого из основных цветов и загрузить ее в сканер. В большинстве современных моделей используется такой же подход. Разрядность АЦП сейчас даже в самых дешевых сканерах намного превышает выходные 8 бит (256 уровней) на канал. Скромный 10-разрядный АЦП при полном использовании его диапазона выдает 1024 уровня, которых вполне хватает, чтобы «гладко» провести такое преобразование.

 

Раз уж выше зашла речь о компенсации разброса светочувствительности элементов ПЗС-линейки, то попробуем представить себе возможный механизм этого процесса. Здесь опять же может быть применен аналоговый или цифровой подход. В первом случае поправки вводятся при считывании информации с ПЗС-линейки путем динамического изменения коэффициента усиления сигнала, во втором – преобразованием уже оцифрованного сигнала. Первый вариант требует дополнительных высококачественных аналоговых элементов, второй – запаса по разрядности АЦП. Источником поправок в обоих случаях служит сформированный и сохраненный при калибровке массив значений, по объему соответствующий общему количеству элементов всех линеек.

 

Механизм компенсации разброса темнового тока точно такой же, но вместо коэффициента усиления корректировать нужно сдвиг нуля.

 

Как видим, та легкость и простота, с которой мы сейчас пользуемся сканерами, достигается целым букетом изощренных программно-технических решений. За 15 лет сканеры прошли путь от экзотических приборов стоимостью в несколько тысяч долларов до привычных и доступных компьютерных аксессуаров. Причем усовершенствования менее всего затронули ключевые элементы конструкции – ПЗС-линейку и оптико-механическую систему сканера (последняя, наоборот, зачастую становится «жертвой» удешевления). Просто найдены оптимальные для массовой продукции схемотехнические решения, под которые разработаны недорогие чипы и соответствующие алгоритмы обработки информации.

 

«Сканерные» чипы

 

Функционально электрическая схема сканера может быть разделена на аналоговую и цифровую часть. В конце девяностых годов окончательно сложилась типовая блок-схема аналоговой части недорогого сканера, которая могла быть реализована на одном кристалле. Соответствующие микросхемы получили наименование AFE (Analog Front End).

 

Блок-схема чипа AFE AD9816 фирмы Analog Devices показана на рисунке. Она содержит три идентичных аналоговых канала, каждый из которых включает схему выделения полезного сигнала, схему управления смещением нуля и усилитель с программируемым коэффициентом усиления (УОУ). Сигналы с выходов УОУ через коммутатор каналов поочередно подаются на вход АЦП для оцифровки. Управление режимами осуществляется через последовательный интерфейс SPI.

 

Блок-схема чипа AFE AD9816 фирмы Analog Devices

 

Здесь использованы приемы обработки информации с ПЗС-линейки, о которых писалось выше, в  наиболее эффективном для реализации на одном кристалле сочетании. Смещение нуля и коэффициент усиления могут задаваться лишь статически, то есть неизменны в пределах одного цикла опроса линейки. Пределы изменения смещения ±100 мв, усиления – 1х¸6х. Каждый из параметров управляется 8-битовым регистром и может принимать 256 значений. Выполнение попиксельной коррекции не предусмотрено и должно осуществляться цифровыми методами.

Такой чип AFE может управляться универсальным либо специализированным контроллером. В простейшем случае данные с выхода АЦП могут быть непосредственно введены в компьютер для последующей программной обработки.

 

Примером еще более интегрированного устройства является микросхема LM9833 фирмы National Semiconductor, где на одном кристалле выполнена практически вся электроника сканера, включая интерфейс USB. Стоимость этих чипов при массовых поставках составляет менее $10. Согласно данным тестирования на сайте компании «Белый ветер», на базе этого чипа и его «младшего родственника» LM9831 выполнено подавляющее большинство современных планшетных сканеров в ценовой категории до $150.

 

В состав микросхемы входит AFE, по своему построению аналогичный рассмотренному выше. В каждом цветовом канале предусмотрена статическая 6-битовая подстройка смещения нуля на ± 32 шага по 9,3 мВ и 5-битовая подстройка коэффициента усиления в пределах 0,93¸3 с возможным умножением на 2,94, то есть в полном диапазоне 0,93¸8,82. Эти возможности, как указано в описании микросхемы, должны использоваться для «грубой» калибровки.

 

Затем сигнал оцифровывается 16-битным АЦП, и дальнейшая его обработка производится цифровым процессором сигналов – DSP. Из этого следует, что 16-битный АЦП используется скорее для обеспечения необходимого «запаса» по разрядности для последующих цифровых преобразований, чем для восприятия широкого динамического диапазона сигнала с ПЗС-линейки.

 

Первым делом DSP преобразует горизонтальное разрешение изображения, при необходимости уменьшая его до заданной величины (ведь далеко не всегда требуется максимальное разрешение сканирования). Происходящее при этом усреднение значений от нескольких соседних пикселей, помимо всего прочего, уменьшает влияние шумов и ошибок.

 

Затем DSP производит попиксельную коррекцию смещения нуля сигнала. Она может быть выполнена общей для всех пикселей (по фиксированному значению сдвига, записанному в соответствующий регистр микросхемы), либо индивидуальной для каждого пикселя (по значению, выбранному из массива поправок, предварительно сформированного во внешней памяти RAM). Таким способом компенсируется темновое напряжение и его систематическая неравномерность

 

На следующем этапе с помощью цифрового умножителя DSP выполняет попиксельную коррекцию уровня сигнала. Она тоже может быть общей (фиксированной) или индивидуальной для каждого пикселя. При этом компенсируются: разброс светочувствительности ячеек ПЗС, изменение освещенности оригинала по длине линейки и эффект «виньетирования» объектива сканера.

 

Затем производится гамма-коррекция методом табличного преобразования по предварительно сформированной в RAM таблице, причем на входе используются только 12 старших разрядов из имеющихся 16, а на выходе получаются 8-битные значения. Предусмотрен также режим выдачи 16-битной информации, когда этап гамма-коррекции опускается. Он может использоваться при получении информации для калибровки, а также для передачи в компьютер изображения без гамма-коррекции с глубиной 16 бит на цвет.

 

В микросхеме предусмотрено управление временем интегрирования, имеются функциональные блоки для формирования сигналов управления ПЗС-линейками, шаговым двигателем и даже лампой сканера. Последнее хотелось бы выделить особо в связи с важностью правильного выбора  экспозиции для сканирования цветных негативов. Поэтому к обсуждению возможностей этой микросхемы по управлению источником света мы еще вернемся.

 

Принято считать, что базирующиеся на узкоспециализированных чипах решения обычно хорошо работают только в рамках стандартных задач, для которых они были разработаны. В аннотации на LM9833 указана область ее применения – планшетные сканеры, то есть устройства, ориентированные на точное воспроизведение видимых цветов сканируемого оригинала. Пределы изменения всех управляемых параметров микросхемы оптимизированы, следовательно, именно для такого ее использования.

 

В случае же сканирования негатива задача меняется: нужно произвести точный синтез исходных цветов на основании  довольно сильно искаженного и деформированного «слепка». Взглянем внимательнее на этот «слепок». 

 

 

Об основных свойствах цветного негатива

 

Как носитель изображения, цветной негатив характеризуется следующими особенностями:

 

- Обращенное изображение. Малоэкспонированные участки («тени») негатива соответствуют наиболее прозрачным его участкам, т.е. имеют малую оптическую плотность, а сильно экспонированные участки («света») имеют наибольшую оптическую плотность и задерживают большую часть проходящего света.

 

- Широкий динамический диапазон. Это означает, что правильно экспонированный негатив несет информацию о достаточно большом числе градаций каждого из основных цветов исходного изображения - от темных до самих светлых. Известно, что по этому параметру негатив в несколько раз превосходит даже такой «образцовый» носитель изображения, как цветной позитив (слайд). Ошибки в экспозиции, особенно недоэкспонирование, ведут к уменьшению динамического диапазона.

 

- Наличие так называемой «маски» - специфической окраски светочувствительных слоев, которая придает проявленной пленке янтарно-коричневый оттенок. Маска предназначена для обеспечения нужных характеристик цветопередачи в процессе экспонирования фотопленки и последующей традиционной печати на фотобумагу. И она же, как будет показано ниже, является одним из главных препятствий для качественного сканирования изображения с цветных негативов. Цвет маски индивидуален для каждого типа фотопленки, даже от одного и того же производителя.

 

При традиционном, «аналоговом» обращении негатива в процессе фотопечати, специально сформированные характеристики цветопередачи фотобумаг компенсируют «предыскажения», вносимые маской, и в итоге получается нормальное изображение. Кроме того, источники света, применяемые при фотопечати (в минилабах и фотоувеличителях), могут быть точно подстроены по спектральному составу с помощью набора светофильтров. Эта возможность используется, в частности, для компенсации различий в цветах маски разных пленок при печати на одной и той же фотобумаге, а также для цветовой коррекции изображения. Аналоговый фотохимический процесс хорошо отработан и имеет большой запас, так сказать, по соотношению сигнал/шум (если, конечно, не рассматривать в качестве «шумов» пыль на негативах).

 

При цифровом же обращении темные участки негатива, наиболее трудновоспроизводимые при сканировании, соответствуют светлым участкам изображения, на которых шумы и погрешности цветопередачи особенно заметны.

 

Рассмотрим для конкретности характеристики фотопленки Fuji Superia 100. В фирменной документации приведены характеристические кривые и кривые спектрального распределения плотности, из которых можно извлечь много полезной информации.

 

Характеристические кривые для пленки Fujifilm Superia 100

 

 

 

Спектральные распределения: оптической плотности для среднесерого нейтрального объекта при нормальной экспозиции; минимальной оптической плотности.

 

Анализируя приведенные графики, получаем следующие цифры:

 

Диапазон плотностей по основным цветам для  правильно экспонированного негатива на сюжете нормальной контрастности:

 

R:  0,2¸ 2,3; динамический диапазон 2,1D

G:  0,5 ¸ 2,7; динамический диапазон 2,2D

B:  0,85 ¸ 3,1; динамический диапазон 2,25D

 

Нижние границы диапазона выражают в совокупности цвет неэкспонированных участков пленки, выраженный в плотностях каждого из основных цветов, т. е.  плотность маски:

R - 0,2; G - 0,5; B - 0,85

 

Плотности для нейтрального серого тона при нормальной экспозиции:

R - 1,1; G - 1,6; B - 1,75

 

О чем говорят эти цифры? Выше отмечалось, что светлым участкам сюжета соответствует область максимальных плотностей на негативе. При этом для зеленого и в особенности синего максимальные абсолютные плотности достаточно велики и находятся в районе 3,0. Однако обратим внимание на диапазон плотностей, который для всех трех основных цветов примерно одинаков и составляет вполне умеренные 2,2D. А большие абсолютные плотности получаются за счет увеличенной фоновой плотности зеленого и синего. Вот оно, влияние зловредной «маски»!

 

Абсолютные плотности более 3D находятся на пределе реальных характеристик большинства сканеров, и не только недорогих моделей. Это согласуется и с проведенным выше анализом паспортных характеристик CCD-линеек. Даже сканер с максимальной абсолютной плотностью в 4D и динамическим диапазоном CCD-линейки 10000 (что соответствует дорогостоящим профессиональным моделям) будет давать при сканировании участка плотностью в 3D погрешность линейки в 10%, не говоря уже об остальных погрешностях и о том, реально ли вообще достижение таких характеристик. Практика показывает, что даже дискретный фотодиод непросто “заставить” точно измерять интенсивность света на нижней границе динамического диапазона в 4D. Отсюда следует, что при попытке решения задачи сканирования негативов “в лоб”, мы неизбежно получим в «светах», соответствующих наиболее слабому сигналу с ПЗС-линейки, заметную зашумленность и другие дефекты, вносимые как самой линейкой, так последующей обработкой снятого с нее сигнала.

 

О правильной экспозиции и «пробивной способности» ламп

 

Но ведь можно заставить ПЗС-линейку и электронику сканера выдавать информацию не об абсолютной, а именно об относительной освещенности, то есть работать в том самом приемлемом для нас диапазоне в 2,2D. Для этого нужно ровно то же, что делается в классической фотографии – создать условия для правильной экспозиции. И в первую очередь – как следует осветить оригинал.

 

Далее, если не оговорено особо, речь пойдет о сканировании прозрачных оригиналов «на просвет», то есть когда оригинал помещен между источником света и ПЗС-линейкой.

 

Выше было показано, что сканер определяет время интегрирования, т. е. экспозицию, выполняя калибровку по «белому» свету лампы. Это правильный подход для фотографий и слайдов, несущих истинные цвета изображения и не требующих в идеале никаких преобразований цветности.

 

Но для негативов наличие «маски» и разный динамический диапазон в цветовых каналах требует существенного увеличения экспозиции по зеленому и особенно синему каналу. Конечно, можно попытаться ее скорректировать на основании предварительно заданных характеристик данного вида пленки. Но эффективный ли это подход? Цветность маски может довольно сильно «плавать» от партии к партии, да и восприятие ее конкретным сканером в конкретных условиях меняется (температура, степень старения лампы и т. п.)

 

Другой вариант заключается в измерении цвета маски конкретного оригинала и последующем расчете поправки к экспозиции. Это уже более продуктивный подход. Однако для проведения измерения нужна предварительная калибровка, которая в силу конструкции сканера выполняется без маски, по белому свету лампы. Простой расчет показывает, что уровень синей составляющей света уменьшается за маской примерно в 7 раз. Таким образом, измерение цвета маски будет производиться на нижних 15% чувствительности линейки и шкалы АЦП, то есть в зоне увеличенных шумов и помех и с пониженной точностью.

 

Кроме того, возможностью вмешаться в экспозицию уже после калибровки обладают только наиболее продвинутые сканеры (именно сканеры, а не только их драйверы, так как это должно быть поддержано схемотехникой сканера и его Firmware). 

 

Поэтому лучшим выходом было бы калибровать сканер уже ЗА МАСКОЙ, то есть поместив в калибрационное окно образец маски той самой пленки, которая будет сканироваться. Не технологично? Возможно... Зато это простое и эффективное решение.

 

Каким образом сканер, не имеющий возможности управлять своим источником света (а таких подавляющее большинство), может увеличить экспозицию? Только увеличением времени интегрирования, а это палка о двух концах. Ведь при этом пропорционально увеличивается темновое напряжение, следовательно, уменьшается динамический диапазон ПЗС-линейки. А ведь для синего канала, как мы помним, время интегрирования придется увеличить в 7 раз!

 

Выход один – калибровать сканер за маской, но изменить источник света, придав ему такие яркость и спектральный состав, которые бы скомпенсировали цвет и оптическую плотность маски. К примеру, В. Гладкий в свое статье (http://hot-orange.narod.ru/chtivo/article1.htm) предлагает использовать для этого цветосмесительную головку фотоувеличителя. Можно также попробовать более яркую лампу с синим светофильтром, например, типа 80А. При этом важно использовать «холодный» источник света или отфильтровать инфракрасную составляющую его спектра.

 

К пульсациям источника света сканера предъявляются особые требования. Поскольку кратчайшее время интегрирования, к которому мы стремимся, имеет порядок единиц миллисекунд, а общее время сканирования может достигать нескольких минут, то в этом диапазоне времен световой поток лампы не должен совершать существенных колебаний. То есть она должна питаться стабилизированным током – либо постоянным, либо достаточно высокой частоты (более десяти килогерц).

 

Стандартом для современных планшетных (и большинства моделей пленочных) сканеров стало применение  флуоресцентных ламп с холодным катодом (CCFL), обладающих стабильным спектром и допускающих регулирование мощности. В частности, рассмотренная микросхема LM9833 предоставляет довольно широкие возможности по управлению осветителем (лампой или линейкой светодиодов). Каждый из трех цветовых каналов осветителя можно запрограммировать на включение/выключение в нужный момент времени с точностью до одного сканируемого пикселя, а мощность одного из каналов (согласно документации, зеленого) можно программировать с высокой точностью посредством широтно-импульсной модуляции. Если действительно существуют достаточно яркие лампы CCFL, позволяющие независимо регулировать уровень каждой из составляющих спектра, то их применение могло бы означать прорыв в улучшении качества  сканирования негативов.

 

Основные выводы

 

Сканер вовсе не является «черным ящиком», ключом от которого владеют только избранные восточные и западные мудрецы – разработчики из именитых брендов. Вполне можно себе представить некоторые действия по его усовершенствованию и адаптации под конкретные задачи. Возможно и независимое создание программного обеспечения для сканеров – это продемонстрировал автор программы VueScan, включивший в свой компактный продукт поддержку огромного количества моделей. Однако без поддержки на уровне «железа» даже самые продвинутые алгоритмы не дадут желаемого результата.

 

М. Петренко,

инженер и фотограф