Контрольні питання
Як відбувається сприйняття кольору через зоровий канал людини?
Охарактеризуйте системи змішування основних кольорів: RGB, CMYK, HSB, LAB.
Розкажіть про основні характеристики та кутові поля зору людського ока.
У чому полягає сприйняття кольору ?
Розкажіть про емоційний вплив кольору.
Охарактеризуйте психологічне сприйняття окремих кольорів і їх поєднань людиною.
Охарактеризуйте кольорове коло Іттена та його застосування для підбору поєднань кольорів.
6 Основи сканування
У 1855 році італійський фізик Казеллі створив прилад для передачі зображень, який було названо "пантелеграфом". У цьому приладі голка сканувала зображення, нарисоване струмопровідним чорнилом. З винаходом фотоелемента був створений фототелеграф, у якому тонкий промінь світла переміщався по поверхні закріпленої на барабані фотографії. Світло, відбиваючись від поверхні зображення, попадало на катод фотоелемента, викликаючи струм емісії, пропорційний відбивній здатності.
Фототелеграф, що був створений фізиком Корном в 1906 році, нічим принципово не відрізняється від сучасних барабанних сканерів.
Сканер – це пристрій, який дає змогу вводити в комп'ютер чорно-біле або кольорове зображення, прочитувати графічну та текстову інформацію. Сканер використовують у випадку, коли виникає потреба ввести в комп'ютер із наявного оригіналу текст і/або графічне зображення для його подальшого оформлення (редагування і т.д.). Введення такої інформації за допомогою стандартних пристроїв введення потребує багато часу і праці. Сканована інформація потім обробляється за допомогою спеціального програмного забезпечення (наприклад, програмою FineReader) і зберігається у вигляді текстового або графічного файла.
Основні технічні характеристики сканерів: роздільна здатність, глибина подання кольорів, динамічний діапазон, метод сканування, область сканування, швидкість сканування.
Роздільна здатність. Сканер розглядає будь-який об'єкт як набір окремих точок (пікселів). Щільність пікселів (кількість на одиницю площі) називається роздільною здатністю сканера і вимірюється у dpi (dots per inch - точок на дюйм). Пікселі розташовуються рядами, утворюючи зображення. Процес сканування відбувається по рядках, весь рядок сканується одночасно. Як правило, роздільна здатність сканера становить 200-720 dpi. Більші значення (понад 1000) відображають інтерполяційну роздільну здатність, яку досягають програмним шляхом із використанням математичної обробки параметрів розташованих поруч точок зображення. Якість відсканованого матеріалу залежить також від оптичної роздільної здатності (визначається кількістю світлочутливих діодів CCD-матриці на дюйм) та механічної роздільної здатності (визначається дискретністю руху світлочутливого елемента або системи дзеркал відносно аркуша). Вибір роздільної здатності визначається застосуванням результатів сканування: для художніх зображень, які потрібно друкувати на фотонабірних машинах, роздільна здатність повинна складати 1000-1200 dpi, для друкування зображення на лазерному або струменевому принтері – 300-600 dpi, для перегляду зображення на екрані монітора – 100-200 dpi, для розпізнавання тексту – 200-400 dpi.
Глибина подання кольорів. При перетворенні оригіналу в цифрову форму зберігаються дані про кожний піксель зображення. Прості сканери визначають наявність або відсутність кольору, результуюче зображення буде чорно-білим. Для подання пікселів достатньо одного розряду (0 або 1). Для передачі відтінків сірого між чорним та білим кольором необхідно як мінімум 4 розряди (16 відтінків) і 8 розрядів (256 відтінків). Чим більше розрядів, тим якісніше передаються кольори. Більшість сучасних кольорових сканерів підтримує глибину кольору 24 розряди. Відповідно сканер дозволяє розпізнавати біля 16 млн. кольорів та якісно сканувати фотографії. На ринку сканерів є моделі, що мають глибину подання кольору 30 та 34 розрядів.
Динамічний діапазон. Діапазон оптичної щільності, визначає спектр півтонів. Оптична щільність визначається як відношення падаючого світла до відображеного і коливається в діапазоні від 0,0 (абсолютно біле тіло) до 1,0 (абсолютно чорне тіло). Значення діапазону доповнюється літерою D і визначає ступінь його чутливості
Як правило, для більшості планшетних сканерів дана величина лежить у межах від 1,7D (офісні моделі) до 3,4 D (напівпрофесійні моделі). Більшість паперових оригіналів, будь то фотографія чи журнальна вирізка, мають оптичну щільність не більшу 2,5 D. Слайди вимагають для якісного сканування, як правило, динамічний діапазон більший 2,7 D – 3,0-3,8 D. І тільки негативи й рентгенівські знімки мають більш високі щільності – 3,3 -4,0 D.
Метод сканування. Якість сканованого кольорового зображення залежить від методу накопичення даних сканером. Розрізняють два основних методи, що відрізняються кількістю проходів CCD-матриці над оригіналом. Перші сканери використовували 3-прохідне сканування. При кожному проході сканувався один із кольорів палітри RGB. Сучасні сканери використовують однопрохідну методику, яка розділяє світловий промінь на складові за допомогою призми.
Область сканування. Максимальний розмір зображення, що сканується. Ручні сканери – до 105 мм, барабанні, планшетні сканери – від формату А4 до Full Legar (8,5''x14').
Швидкість сканування. Немає стандартної методики, що визначає продуктивність сканера. Виробники вказують кількість мілісекунд сканування одного рядка. Але потрібно враховувати також спосіб під'єднання до комп'ютера, драйвер, схему передачі кольорів, роздільну здатність. Тому швидкість сканування визначається експериментальним шляхом.
Для офісних і домашніх завдань, а також для більшості робіт із комп'ютерної графіки найкраще підходять так звані планшетні сканери. Різні моделі цього типу ширше інших представлені в продажу. Тому почнемо з розгляду принципів побудови й функціонування сканерів саме цього типу. З'ясування цих принципів дозволить краще зрозуміти значення технічних характеристик, які враховуються при виборі сканерів.
Планшетний сканер (Flatbed scanner) являє собою прямокутний пластмасовий корпус із кришкою. Під кришкою знаходиться скляна поверхня, на якій розташовується оригінал, призначений для сканування. У сканері є рухома каретка, на якій встановлені лампа підсвічування й система дзеркал. Каретка пересувається за допомогою крокового двигуна. Світло лампи відбивається від оригіналу. Через систему дзеркал та фокусуючих лінз воно попадає на матрицю, виготовлену з датчиків, які виробляють електричні сигнали. Величина таких сигналів визначається інтенсивністю падаючого на матрицю світла. Ці датчики основані на світлочутливих елементах, які називаються приладами із зарядовим зв'язком (ПЗЗ, Couple Charged Device - CCD). На поверхні ПЗЗ утворюється електричний заряд, пропорційний інтенсивності падаючого світла. Величина цього заряду перетворюється в іншу електричну величину - напругу.
Рисунок 6.1 – Схема пристрою планшетного сканера на основі ПЗЗ (CCD)
Електричний сигнал на виході ПЗЗ є аналоговою величиною (тобто її зміна аналогічна зміні вхідної величини - інтенсивності світла). Далі відбувається перетворення аналогового сигналу в цифрову форму з наступною обробкою й передачею в комп'ютер для подальшого використання. Цю функцію виконує аналого-цифровий перетворювач (АЦП, Analog-to-digital Converter - ADC). Таким чином, на кожному кроці переміщення каретки сканер зчитує одну горизонтальну смужку оригіналу, розбиту на дискретні елементи (піксели), кількість яких дорівнює кількості ПЗЗ на лінійці. Всі відскановані зображення складаються з декількох таких смуг.
У кольорових сканерах використаються, як правило, трирядкова матриця ПЗЗ і підсвічування оригіналу каліброваним білим світлом. Кожний рядок матриці призначений для сприйняття однієї з базових колірних складових світла (червоної, зеленої й синьої). Щоб розділити кольори, використовують або призму, що розкладає промінь білого світла на кольорові складові, або спеціальне фільтруюче покриття ПЗЗ. Однак існують кольорові сканери й з однорядковою матрицею ПЗЗ, у яких оригінал по черзі підсвучуються трьома лампами базових кольорів. Однорядкова технологія з потрійним підсвічуванням уважається застарілою.
Крім CCD-сканерів, які використовують ПЗЗ, є CIS-сканери (Contact Image Sensor), у яких застосовуються фотоелементи.
Світлочутливі матриці, виконані за цією технологією, сприймають відбите оригіналом світло безпосередньо через скло сканера без використання оптичних систем фокусування. Це дозволило зменшити розміри й вагу планшетних сканерів більше ніж у два рази (до 3-4 кг). Однак такі сканери використовуються тільки для винятково плоских оригіналів, припасованих до скляної поверхні робочого поля. При цьому якість зображення істотно залежить від наявності сторонніх джерел світла (кришка CIS-сканера під час сканування повинна бути закрита). У випадку об'ємних оригіналів якість залишає бажати кращого.
Планшетні сканери можуть мати додаткові пристрої, такі як слайд-адаптер, автоподавач оригіналів та ін.
Слайд-адаптер (Transparency Media Adapter, TMA) – спеціальна приставка, що дозволяє сканувати прозорі оригінали. Сканування прозорих матеріалів відбувається за допомогою прохідного, а не відбитого світла. Інакше кажучи, прозорий оригінал повинен перебувати між джерелом світла й світлочутливими елементами. Слайд-адаптер являє собою начіпний модуль із лампою, що рухається синхронно з кареткою сканера. Щоб не переміщати лампу, варто просто рівномірно освітлити певну ділянку робочого поля. Таким чином, головна мета застосування слайда-адаптера полягає в зміні положення джерела світла.
Автоподавач – пристрій, який подає оригінали в сканер, що зручно використати при потоковому скануванні однотипних зображень (коли не потрібно часто переналаштовувати сканер), наприклад, текстів або креслень приблизно однакової якості.
Хоча історично в сканерах використовували найрізноманітніші фотоприймачі, починаючи від селенових і закінчуючи ФЕУ, у сучасних сканерах використаються лінійки чутливих елементів, виконаних за ПЗЗ (CCD) або КМОП (CMOS) технологією.
Оптичні схеми сьогодні можна розділити на 2 групи.
У сканерах першої групи зображення фокусуються на лінійці фотоприймачів через систему дзеркал і об'єктив, розташований на значній відстані від об'єкта.
У сканерах другої групи використовують контактний датчик зображення (CIS), при якому в ідеалі кожний прийомний фотоелемент безпосередньо контактує з елементом зображення. Однак у реальності ця схема являє собою набір декількох коротких лінійок із чутливими елементами та декількох об'єктивів, розташованих у безпосередній близькості від матеріалу, що сканується.
За зовнішнім виглядом сканери, виконані за цими технологіями, відрізняються своєю товщиною. Сканер, виконаний за технологією CIS, істотно тонший. Зменшення габаритів приводить до зменшення глибини різкості. Тому, якщо сканери, виконані за дзеркально-лінзовою технологією з єдиною лінійкою чутливих елементів, мають глибину різкості порядку 2,5 см., то в плоских сканерів глибина різкості практично дорівнює нулю. Сканери з контактним датчиком зображення непридатні для одержання сканограм і можуть призвести до проблем навіть при скануванні тексту біля обкладинки товстої книги.
Класифікація сканерів. Існує чимало моделей сканерів, що різняться методом сканування, допустимим розміром оригіналу та якістю оптичної системи. За способом організації переміщення зчитуючого вузла відносно оригіналу сканери поділяються на планшетні, барабанні та ручні. У планшетних сканерах оригінал кладуть на скло, під яким рухається оптико-електронний зчитуючий пристрій. У барабанних сканерах оригінал через вхідну щілину втягується барабаном у транспортний тракт і пропускається повз нерухомий зчитуючий пристрій. Барабанні сканери не дають змоги сканувати книги, переплетені брошури тощо. Ручний сканер необхідно плавно переміщувати вручну по поверхні оригіналу, що не дуже зручно. При систематичному використанні краще мати, хоча й дорожчий, настільний планшетний сканер.
Сканер є “симбіозом” оптики, механіки й електроніки. Оптика й механіка - найбільш слабкі ланки, що вимагають особливо обережного ставлення.
Щоб сканер прослужив довго, а результати сканування при правильному виборі параметрів були якісними, необхідно виконувати ряд простих вимог. Вони зовсім не обтяжливі, але нехтувати ними не варто. Крім того, є набір елементарних правил, які відносять до загальної культури роботи зі сканерами. Планшетний сканер повинен бути встановлений на горизонтальній стійкій поверхні так, щоб звести можливу вібрацію до мінімуму. Вібрація позначається як на результаті сканування, так і прискорює зношування сканера.
Скляна поверхня робочого поля сканера повинна бути чистою і сухою. Пил, плями й подряпини на склі будуть помітні в результаті сканування. Робоче поле варто протирати чистою м'якою тканиною, змоченою спиртом або водою. При цьому потрібно стежити, щоб волога не просочилася всередину корпуса, де розташовані лампа, дзеркала й матриця світлочутливих елементів. Сканер повинен бути встановлений у сухому місці й подалі від протягів. Протяги заносять пил у щілині, тому потрібно подбати про запобігання конденсації вологи й нагромадженні пилу всередині корпуса сканера.
Якщо при переміщенні сканера можливі його струшування й сильна вібрація, то варто обов'язково використати спеціальний замок. Інакше може постраждати найвразливіше місце сканера – його електромеханічна частина. Однак не можна включати сканер, якщо його каретка на замку.
Із часом характеристики сканера можуть погіршуватися. Насамперед це пов'язано зі зміною параметрів лампи: інтенсивність, стабільність і спектральний склад світла змінюються (так буває й зі звичайними люмінесцентними лампами). Іноді це обумовлено просто забрудненням поверхні лампи, але може бути викликано й іншими причинами (зокрема, природним старінням). Крім того, засмічується оптика (лінзи, дзеркала) і ПЗЗ. Саме тому не можна допускати попадання пилу й вологи всередину корпуса. Якщо ж це трапилося, то необхідно зняти скляну панель робочого поля й обережно очистити від бруду й вологи внутрішні частини корпуса, лампи й дзеркал.
При неправильній експлуатації, а також через деякий час може погіршитися так зване зведення. Ця проблема схожа на проблему зведення променів у кольорових телевізорах і моніторах. Щоб зрозуміти, про що йде мова, виконаєте такий експеримент. Погане зведення сканера виражається у вигляді кольорових ореолів біля чорних букв тестового оригіналу.
Якщо результат сканування при різних значеннях параметрів містить артефактні відблиски, плями, смуги й навіть дзеркальні повторення зображення, схожі на оригінал, то, можливо, має місце явище, яке називають Ghosting (поява примар). Цей ефект пов'язаний із серйозними порушеннями в конструкції й функціонуванні сканера. Сканери з ефектом Ghosting вважаються непридатними. Однак, паразитні зображення (всякого роду візерунки) можуть бути обумовлені й іншими причинами. Це так званий муар (moire), що звичайно виникає при скануванні оригіналів, створених типографським способом, а також кільця Ньютона, що виникають при скануванні прозорих матеріалів. Ці ефекти не пов'язані з дефектами сканера й у багатьох випадках усуваються налаштуванням параметрів сканування.
Лампа сканера після включення виходить на необхідний режим поступово. Тому необхідно почекати кілька секунд, перш ніж почати сканування. Якщо зображення, що буде скануватися, менше робочого поля сканера, то краще його розташувати посередині, а не на краю, біля лінійок. Саме в середній частині робочого поля оптико-електронні характеристики сканера найбільш близькі до заявленого в паспорті. Це трохи ускладнює вирівнювання оригіналу, але в багатьох графічних редакторах є можливість повернути зображення на потрібний кут. Програми розпізнавання символів (OCR) звичайно це роблять автоматично.
6.1 Усунення артефактів при скануванні
Боротьба з муаром. Часто на зображеннях, відсканованих із друкованих оригіналів, які були створені типографським способом, з'являється дрібна візерункова сітка. Цей ефект називається муаром (moire). По суті муар являє собою інтерференційну картину (рисунок 6.2), що виходить у результаті з’єднання друкарського растра з іншими регулярними структурами, такими як пікселна структура екрана й дискретний процес сканування.
Рисунок 6.2 – Модель, що ілюструє механізм виникнення муару
Графічні елементи з періодичною структурою (наприклад, сітка мікрофона, шаховий візерунок, паралельні або радіально розбіжні лінії) також можуть викликати муар. Муар може виникнути й на векторній графіці. Але все-таки з найбільшою ймовірністю він з'являється при скануванні зображень, отриманих друкарським способом.
Муар може з'явитися, якщо оригінал має друкований растр, а роздільна здатність сканування близька до величини, кратної лінеатурі друкованого растра.
Лінеатура (просторова частота — screen frequency) вимірюється як кількість ліній на дюйм (lines per inch, lpi). Це характеристика, в першу чергу, друкованих пристроїв і, у другу чергу, зображень, отриманих на них. Газети звичайно мають лінеатуру 85 lpi, поліграфічний друк високої якості — 133 lpi, вищої якості — 300 lpi (варіантів лінеатур небагато). До сканування друкованого оригіналу корисно довідатися його лінеатуру й вибрати роздільну здатність сканування. Однак на практиці, якщо невідома лінеатура відбитка, вибирайте роздільну здатність сканування просто в 1,5-2 рази більшу, ніж передбачувана лінеатура. Наприклад, при скануванні оригіналів газетної якості роздільну здатність встановлюють 100-170 ppi; при скануванні зображень високоякісного друку – більше 200 ppi. Іноді радять сканувати з максимальною (оптичною) роздільною здатністю сканера. Це дає можливість боротись з муаром шляхом вибору роздільної здатності. Крім того, ця рекомендація дуже вдала у випадку високоякісного друкарського відбитка. Якщо й у цьому випадку муар не зник, спробуйте змінити (зменшити) роздільну здатність. Однак не слід забувати, що при виборі роздільної здатності доводиться враховувати й інші критерії (чіткість, обсяг, час, необхідність збільшення).
Інший спосіб боротьби з муаром полягає в тому, щоб трошки, на 5-15 градусів, нахилити оригінал. Однак наступне його вирівнювання засобами графічного редактора може знову привести до появи муару. Для деяких картинок цей прийом цілком прийнятний.
У діалоговому вікні програмного забезпечення більшості сканерів є команда (фільтр), спеціально призначена для зменшення муару. Вона може називатися по-різному: Descreen, Demoire pattern і т.п. У Photoshop для видалення муару спочатку додають до зображення монохроматичний шум (меню Filter), потім застосовують гауссовське розмиття (фільтр Gaussian Blur) і, нарешті, відновлюють чіткість за допомогою фільтра Sharpen або Unsharp Mask (Нечітка маска).
Отже, ризик появи муару при скануванні друкарських відбитків досить великий. Муар – не дефект сканера, а прояв природної взаємодії світла з регулярними структурами на шляху його проходження. Муар можна зменшити вибором належної розподільної здатності, а також застосуванням фільтрів розмиття на рівні програмного забезпечення сканера або графічного редактора. Можна також зменшити розміри зображення, щоб зробити муар менш помітним.
При скануванні плівок (прозорих оригіналів) проявляються так звані кільця Ньютона. Це концентричні райдужні артефакти. Вони виникають при скануванні пожолоблених плівок і, головним чином, як результат відбиття світла в безлічі дрібних крапельок вологи, розташованих на поверхні плівки. Досвідчені фахівці відзначають, що кільця Ньютона частіше з'являються пізньою осінню й узимку. Тому необхідно використовувати для плівок спеціальні рамки, а також просушувати перед скануванням.