Чуть более года назад, в КомпьютерПресс № 6’2000, мы рассматривали модели планшетных сканеров начального уровня. В настоящем тестировании мы решили охватить изделия из более высокой ценовой категории, отвечающие более строгим техническим требованиям.

Планшетные сканеры

Сергей Асмаков

Основные технические параметры сканеров

   Разрешающая способность

   Разрядность

   Динамический диапазон (максимальная оптическая плотность)

   Источник света

   Шум

Требования к конкурсным моделям

Порядок проведения тестирования

Аналитические тесты (измеряемые параметры)

   Фактическая разрешающая способность

   Случайный шум

   Регулярный шум

   Равномерность излучения источника света

   Точность совмещения цветовых каналов

   Точность цветопередачи и баланс по серому

   Скорость сканирования и время прогрева

Дополнительные возможности аппаратной части

Субъективная оценка

   Процедура установки сканера и программного обеспечения

   Эргономика и функциональные возможности программного обеспечения

   Корректность работы режимов автоматической настройки параметров сканирования

   Функция устранения муара

   Удобство выбора оптимальных настроек вручную

Подведение итогов

Выбор редакции

Участники тестирования

   Acer ScanPrisa 1240UT

   AGFA SnapScan e40

   Canon CanoScan N1220U

   Epson Perfection 1240u

   HP ScanJet 5300C

   Microtek ScanMaker 4600

   Umax Astra 4000u

На первый взгляд, идея создания планшетного сканера с оптическим разрешением более 600 ppi, не предназначенного для работы с прозрачными оригиналами, кажется довольно сомнительной — ведь для подавляющего большинства оригиналов, сканируемых в отраженном свете, более чем достаточно 300-400 ppi. Однако не стоит забывать, что солидную долю сканируемых как в домашних, так и офисных условиях оригиналов составляют изображения, отпечатанные типографским способом. Из-за интерференционных явлений, возникающих при оцифровке растрированных изображений, на полученном изображении появляется заметный муар, бороться с которым без ущерба для качества или размера изображения довольно сложно. Для борьбы с подобными явлениями используются специальные алгоритмы, заложенные в программы управления сканированием. Как правило, работа функции подавления муара основана на сканировании оригинала с избыточным (то есть большим, чем задано пользователем) разрешением и дальнейшей программной обработкой полученного изображения. Вот тут-то преимущество сканеров с большим разрешением будет очевидно в прямом смысле этого слова.

Основные технические параметры сканеров

Разрешающая способность

Разрешающая способность, или разрешение, — один из наиболее важных параметров, характеризующих возможности сканера. Самая распространенная единица измерения разрешающей способности сканеров — количество пикселов на один дюйм (pixels per inch, ppi). Не следует отождествлять ppi c более известной единицей dpi (dots per inch — количество точек на дюйм), которая используется для измерения разрешающей способности растровых печатающих устройств и имеет несколько иной смысл.

Различают оптическое и интерполированное разрешение. Величину оптического разрешения можно вычислить, разделив количество светочувствительных элементов в сканирующей линейке на ширину планшета. Несложно сосчитать, что количество светочувствительных элементов у рассматриваемых нами сканеров, имеющих оптическое разрешение 1200 ppi и формат планшета Legal (то есть ширину 8,5 дюйма, или 216 мм), должно составлять не менее 11 тыс.

Говоря о сканере как об абстрактном цифровом устройстве, нужно понимать, что оптическое разрешение — это частота дискретизации, только в данном случае отсчет идет не по времени, а по расстоянию.

В табл. 1 приведены требуемые значения разрешающей способности для решения наиболее распространенных задач. Как можно заметить, при сканировании в отраженном свете в большинстве случаев вполне достаточно разрешения в 300 ppi, а более высокие значения требуются либо для масштабирования оригинала на больший размер, либо для работы с прозрачными оригиналами, в частности с 35-миллиметровыми диапозитивами и негативами.

Таблица 1. Величины разрешающей способности для решения наиболее распространенных задач

Многие производители, стремясь привлечь покупателей, указывают в документации и на коробках своих изделий значение оптического разрешения 1200*2400 ppi. Однако вдвое большая цифра для вертикальной оси означает не что иное, как сканирование с половинным вертикальным шагом и дальнейшей программной интерполяцией, так что в данном случае оптическое разрешение этих моделей фактически остается равным первой цифре.

Интерполированное разрешение — это повышение количества пикселов в отсканированном изображении за счет программной обработки. Величина интерполированного разрешения может во много раз превышать величину оптического разрешения, однако следует помнить, что количество информации, полученной с оригинала, будет таким же, как и при сканировании с оптическим разрешением. Другими словами, повысить детальность изображения при сканировании с разрешением, превышающим оптическое, не удастся.

Разрядность

Разрядность, или глубина цвета, определяет максимальное число значений, которые может принимать цвет пиксела. Иначе говоря, чем выше разрядность при сканировании, тем большее количество оттенков может содержать полученное изображение. Например, при сканировании черно-белого изображения с разрядностью 8 бит мы можем получить 256 градаций серого (2⁸ = 256), а используя 10 бит — уже 1024 градации (2¹⁰ = 1024). Для цветных изображений возможны два варианта указываемой разрядности — количество бит на каждый из базовых цветов либо общее количество бит1. В настоящее время стандартом для хранения и передачи полноцветных изображений (например, фотографий) является 24-битный цвет. Поскольку при сканировании цветных оригиналов изображение формируется по аддитивному принципу из трех базовых цветов, то на каждый из них приходится по 8 бит, а количество возможных оттенков составляет немногим более16,7 млн. (2²⁴ = 16 777 216). Многие сканеры используют большую разрядность — 12, 14 или 16 бит на цвет (полная разрядность составляет соответственно 36, 42 или 48 бит), однако для записи и дальнейшей обработки изображений эта функция должна поддерживаться применяемым программным обеспечением; в противном случае полученное изображение будет записано в файл с 24-битной разрядностью.

Следует отметить, что более высокая разрядность далеко не всегда означает более высокое качество изображения. Указывая 36- или 48-битную глубину цвета в документации или рекламных материалах, производители зачастую умалчивают о том, что часть битов используется для хранения служебной информации.

Динамический диапазон (максимальная оптическая плотность)

Как известно, более темные участки изображения поглощают большее количество падающего на них света, чем светлые. Величина оптической плотности показывает, насколько темным является данный участок изображения и, следовательно, какое количество света поглощается, а какое отражается (или проходит насквозь в случае прозрачного оригинала). Обычно плотность измеряется для некоего стандартного источника света, имеющего заранее определенный спектр. Значение плотности вычисляется по формуле:

D = log(1/R),

где D — величина плотности, R — коэффициент отражения (то есть доля отражаемого или проходящего света).

Например, для участка оригинала, отражающего (пропускающего) 15% падающего на него света, величина плотности составит log(1/0,15) = 0,8239.

Чем выше максимальная воспринимаемая плотность, тем больше динамический диапазон данного устройства. Теоретически динамический диапазон ограничен используемой разрядностью. Так, восьмибитное монохромное изображение может иметь до 256 градаций, то есть минимальный воспроизводимый оттенок составит 1/256 (0,39%), следовательно динамический диапазон будет равен log(256) = 2,4. Для 10-битного изображения он будет уже немного больше 3, а для 12-битного — 3,61.

Фактически это означает, что сканер с большим динамическим диапазоном позволяет лучше воспроизводить темные участки изображений или просто темные изображения (например, передержанные фотоснимки). Следует оговориться, что в реальных условиях динамический диапазон оказывается меньше вышеуказанных значений из-за влияния шумов и перекрестных помех.

В большинстве случаев плотность непрозрачных оригиналов, сканируемых на отражение, не превышает значения 2,0 (что соответствует участку с однопроцентным отражением), а типичное значение для высококачественных печатных оригиналов составляет 1,6. Слайды и негативы могут иметь участки с плотностью выше 2,0.

Источник света

Источник света, используемый в конструкции того или иного сканера, в немалой степени влияет на качество получаемого изображения. В настоящее время используются четыре типа источников света:

1. Ксеноновые газоразрядные лампы. Их отличают чрезвычайно малое время включения, высокая стабильность излучения, небольшие размеры и долгий срок службы. Но они не очень эффективны с точки зрения соотношения количества потребляемой энергии и интенсивности светового потока, имеют неидеальный спектр (что может вызвать нарушение точности цветопередачи) и требуют высокого напряжения (порядка 2 кВ).
2. Люминесцентные лампы с горячим катодом. Эти лампы обладают наибольшей эффективностью, очень ровным спектром (которым к тому же можно управлять в определенных пределах) и малым временем разогрева (порядка 3-5 с). К отрицательным сторонам можно отнести не очень стабильные характеристики, довольно значительные габариты, относительно небольшой срок службы (порядка 1000 часов) и необходимость держать лампу постоянно включенной в процессе работы сканера.
3. Люминесцентные лампы с холодным катодом. Такие лампы имеют очень большой срок службы (от 5 до 10 тыс. часов), низкую рабочую температуру, ровный спектр (следует отметить, что конструкция некоторых моделей этих ламп оптимизирована для повышения интенсивности светового потока, что негативно отражается на спектральных характеристиках). За перечисленные достоинства приходится расплачиваться довольно большим временем прогрева (от 30 с до нескольких минут) и более высоким, чем у ламп с горячим катодом, энергопотреблением.
4. Светодиоды (LED). Они применяются, как правило, в CIS-сканерах. Цветодиоды обладают очень малыми габаритами, небольшим энергопотреблением и не требуют времени для прогрева. Во многих случаях используются трехцветные светодиоды, с большой частотой меняющие цвет излучаемого света. Однако светодиоды имеют довольно низкую (по сравнению с лампами) интенсивность светового потока, что снижает скорость сканирования и увеличивает уровень шума на изображении. Весьма неравномерный и ограниченный спектр излучения неизбежно влечет за собой ухудшение цветопередачи.

Шум

Как уже упоминалось выше, сканер с 24-битной разрядностью теоретически способен воспроизводить даже довольно темные оригиналы. Однако на практике этому мешают некоторые факторы, обусловленные применямой технологией получения изображения, и в первую очередь регулярный и случайный шум. Рассмотрим эти шумы подробнее.

Увеличенные фрагменты оригинала (справа) и его отсканированного изображения (слева). На левом фрагменте заметен случайный шум

Увеличенные фрагменты оригинала (справа) и его отсканированного изображения (слева). На левом фрагменте заметны проявления регулярного шума в виде вертикальных полос

Случайный шум проявляется в виде «снега», гранулярности или хаотически расположенных инородных точек на изображении и возникает как вследствие нестабильности работы полупроводниковых приборов (при изменении температуры и с течением времени), так и в результате искажений, вносимых электронными компонентами. Наиболее заметен такой шум на темных областях изображения, поскольку при равном абсолютном уровне шума отношение «сигнал/шум» на них будет гораздо меньше, чем на светлых участках. Для минимизации случайного шума перед сканированием выполняется процедура калибровки, во время которой измеряются пороговые значения и смещение базового напряжения для каждого светочувствительного элемента.

Регулярный шум возникает вследствие перекрестных помех (наводимых с соседних светочувствительных элементов), кратковременных изменений базового напряжения в ПЗС-матрице, воздействия высокочастотных электрических полей, изменения яркости источника света и т.п. Регулярный шум, в отличие от случайного, очень хорошо заметен, поскольку проявляется в виде горизонтальных, вертикальных либо диагональных полос.

Требования к конкурсным моделям

Компаниям было предложено представить на тестирование модели планшетных сканеров, отвечающие следующим требованиям:

1. Позиционирование моделей — для домашних пользователей или малого офиса.
2. Основное назначение — сканирование непрозрачных оригиналов в отраженном свете.
3. Оптическое разрешение — не менее 1200 ppi.
4. Размер области сканирования — не менее 210*297 мм
5. Розничная цена в Москве — от 150 до 200 долл.; в комплект поставки обязательно должны быть включены все необходимые кабели, крышки и блок питания.
6. Интерфейс — USB (обязательно), опционально — SCSI, IEEE-1284 или IEEE-1394.

Порядок проведения тестирования

Тестируемые сканеры поочередно подключались к тестовой установке, имеющей следующую конфигурацию:

• материнская плата ASUS P2B;
• процессор Intel Pentium II 300 МГц;
• видеокарта на чипсете ATI Rage 128 Pro c объемом памяти 16 Мбайт;
• жесткий диск IBM DPTA-372050 объемом 20 Гбайт;
• CD-ROM Elitgroup Smart 100x;
• объем оперативной памяти — 128 Мбайт.

Тесты проводились под управлением ОС Windows Millennium Edition (Me); было установлено разрешение экрана 1280*1024 пикселов при 24-битном цвете и частотой вертикальной развертки 85 Гц. Во избежание взаимовлияния драйверов и компонентов программного обеспечения перед подключением каждого сканера система устанавливалась заново. В целях обеспечения равных для всех участников условий сканирование тестовых изображений при измерении производительности выполнялось через TWAIN-драйвер испытываемого устройства в Adobe Photoshop 5.5.

После установки драйверов и программного обеспечения эксперты тестовой лаборатории изучали функциональные возможности и различные режимы работы сканера и прилагаемого к нему программного обеспечения. По завершении этапа ознакомления проводилась серия тестов на скорость сканирования (подробнее они описаны ниже), а затем сканирование изображений тестовой таблицы Applied Image. Кроме того, были отсканированы три любительские фотографии и две иллюстрации из цветного буклета, отпечатанного типографским способом. Изображения сканировались как с установленными вручную настройками (если это было возможно), так и с использованием автоматических режимов. Путем сравнения полученных изображений эксперты определяли качество работы режима автоматической настройки, а также удобство задания настроек вручную и адекватность влияния их изменений на конечный результат.

После этого сканер оставался в эксплуатации еще один-два рабочих дня для более детального изучения особенностей его работы и оценки удобства использования программного обеспечения.

Аналитические тесты (измеряемые параметры)

Фактическая разрешающая способность

Для измерения разрешающей способности в классической фото- и видеотехнике применяются специальные шкалы (миры), представляющие собой изображение тонких сходящихся линий. Там, где на снимке (или кадре) линии перестают быть различимыми, измеряют плотность линий на единицу длины, которая и является фактической разрешающей способностью данного устройства. Иными словами, измеряется максимальная частота линий на единицу длины (проще говоря, количество воспроизводимых чередований черных и белых областей на фиксированном отрезке). Однако в силу того что сканеры — устройства цифровые, для оценки их разрешающей способности такая методика не подходит. Основным препятствием в данном случае становятся интерференционные явления, с особой силой проявляющиеся на частотах, близких или кратных шагу фоточувствительных элементов. Подобные явления в конечном итоге могут в значительной степени исказить результаты измерений, причем как в большую, так и в меньшую сторону. Именно поэтому для оценки разрешающей способности тестируемых сканеров мы использовали метод, который был разработан с учетом специфики цифровых устройств и базируется на функции модуляционной передачи (modulation transfer function, или MTF). Рассмотрим вкратце его суть.

Согласно теореме Найквиста максимальная воспроизводимая частота для любого цифрового устройства составляет половину частоты дискретизации (как уже было сказано выше, в данном случае эквивалентом частоты дискретизации является оптическое разрешение). Это означает, что сканер с оптическим разрешением 600 ppi, изготовленный по идеальной технологии, может воспроизвести не более 300 пар чередующихся черных и белых линий на дюйм2 (line pairs per inch, lppi). MTF измеряется для конкретной частоты и может принимать значения в интервале от 0 до 1 (например, 0,56 при 120 lppi). MTF — величина безразмерная и может быть использована для сравнения различных моделей сканеров при условии идентичности параметров сканирования. Чем она больше, тем лучше оптическая система сканера и тем выше его фактическое разрешение.

Для вычисления значений MTF выполнялись следующие действия. Сначала были отсканированы два образца штриховки: один — с низкой, а другой — с высокой плотностью штрихов; отсутствие клиппинга контролировалось при помощи гистограммы. Первый фрагмент является базовым. Чтобы избежать интерференционных явлений, значение lppi фрагмента с высокой плотностью штрихов, используемого в тестах, не должно быть близко или кратно оптическому разрешению устройства. Затем по гистограммам фрагментов для каждого из цветовых каналов были определены минимальные и максимальные значения уровней. Величина MTF для конкретного цветового канала вычислялась путем деления разницы между максимальным и минимальным уровнями фрагмента с высокой плотностью штриховки на разницу между максимальным и минимальным уровнями базового фрагмента. Следует отметить, что, в силу физиологических особенностей зрительного аппарата человека, наиболее значимой является величина MTF зеленого канала.

Для тестов были выбраны заштрихованные области тестовой таблицы Applied Image с частотами 30 и 140 lppi. Сканирование производилось в 24-битном цвете без какой-либо коррекции c разрешением 1200 ppi. Тест повторялся дважды — с горизонтальным и вертикальным3 расположением таблицы на планшете сканера; соответственно, были получены величины MTF по осям x и y. В качестве измерительного инструмента использовался пакет Adobe Photoshop 5.5 (Image|Histogram).

Случайный шум

Чтобы определить отношение «сигнал/случайный шум» в отраженном свете, была отсканирована серая шкала тестовой таблицы Applied Image. Сканирование производилось в 24-битном цвете без какой-либо коррекции с разрешением 150 ppi. Одна и та же область сканировалась дважды без перезагрузки TWAIN-драйвера, что позволило получить 2 изображения шкалы абсолютно одинакового размера и местоположения. Затем в Adobe Photoshop 5.5 была выполнена процедура вычитания одного полученного изображения из второго, отдельно по каждому из цветовых каналов (Image|Calculations…, процедура subtract, offset = 128). В результате были получены три новых изображения. Далее при помощи гистограммы (Image|Histogram) были измерены значения среднего уровня (median) и стандартного отклонения (Std Dev) для 5 заранее определенных полей по каждому из цветовых каналов исходного изображения и соответствующих им участков новых изображений. Чтобы вычислить отношение «сигнал/случайный шум» для каждого участка, необходимо разделить значение среднего уровня исходного изображения на величину стандартного отклонения, измеренного на полученном после вычитания изображении. Были вычислены значения по каждому из цветовых каналов для пяти заранее определенных полей серой шкалы.

Регулярный шум

В качестве образца для вычисления отношения «сигнал/регулярный шум» при сканировании в отраженном свете была взята однородная серая полоса с тестовой таблицы Applied Image. Сканирование производилось в 24-битном цвете без коррекции с разрешением 1200 ppi. К полученному изображению был 5 раз применен фильтр, минимизирующий влияние случайного шума. Затем на изображении были выделены небольшие области, на которых при помощи гистограммы были измерены значения среднего уровня и стандартного отклонения. Отношение «сигнал/случайный шум» вычислялось путем деления значения среднего уровня на величину стандартного отклонения. Тест повторялся дважды — с горизонтальным и вертикальным расположением таблицы на планшете сканера (в последнем случае изображение перед применением фильтра было повернуто на 90° по часовой стрелке), в результате были получены значения регулярного шума по осям х и у.

 Настройки фильтра, минимизирующего влияние случайного шума.

Равномерность излучения источника света

Качество получаемого при сканировании изображения в немалой степени зависит от характеристик источника света. Одно из наиболее существенных требований — равномерность освещенности вдоль каретки, а также стабильность излучения источника света. В качестве образца для этого теста в отраженном свете была взята однородная серая полоса с тестовой таблицы Applied Image. Сканирование производилось без коррекции в 24-битном цвете с разрешением 150 ppi. Для трех небольших областей (по двум краям и в центре полученного изображения) были измерены средние значения уровней по каждому из цветовых каналов. Полученные таким образом значения RGB были преобразованы в Lab, а затем было вычислено максимальное отклонение яркостной составляющей (delta L). Тест повторялся 2 раза — с горизонтальным и вертикальным расположением таблицы на планшете сканера. Таким образом были вычислены величины отклонений равномерности (при сканировании горизонтально расположенного образца) и стабильности излучения источника света (при сканировании вертикально расположенного образца). Отклонение менее 5 единиц почти незаметно на глаз (особенно для пользователя-непрофессионала), а результат, не превышающий 1, считается очень хорошим.

Точность совмещения цветовых каналов

В качестве образца для определения точности совмещения цветовых каналов была использована заштрихованная область с тестовой таблицы Applied Image с частотой 30 lppi. Четкие края штрихов на белом фоне являются весьма подходящим изображением для этого теста. Сканирование участка заштрихованной области размером 1*1 см производилось в 24-битном цвете без какой-либо коррекции c разрешением 1200 ppi. Полученное изображение было увеличено в 10 раз (Image|Image size…, ширина 1000%, высота 1000%, билинейная интерполяция). Далее была произведена операция вычитания зеленого цветового канала увеличенного изображения из красного канала (Image|Calculations…, процедура subtract, offset = 128), а затем был установлен высокий контраст (Image|Adjust|Levels…; белая и черная точки были приближены к среднему уровню). На полученном изображении неоднородный серый фон чередуется с черными и белыми линиями. Толщина этих линий в пикселах равна 10-кратной величине несовмещения. Описанные действия были проведены над 3 парами каналов (красный—зеленый, зеленый—синий, синий—красный).

Тест выполнялся дважды — с горизонтальным и вертикальным расположением таблицы на планшете сканера.

Точность цветопередачи и баланс по серому

В качестве образца для проверки точности цветопередачи при сканировании в отраженном свете использовались цветовые поля тестовой таблицы Applied Image. Восемь цветовых полей были отсканированы без коррекции в 24-битном цвете с разрешением 150 ppi. Затем при помощи гистограммы (Image|Histogram) были измерены средние значения уровней цветовых каналов для каждого из полей. Полученные координаты RGB были преобразованы в Lab4 и сравнивались с эталонными значениями, измеренными для используемой тестовой шкалы. В результате были получены отклонения яркостной (delta L) и двух цветовых (delta C, delta E) составляющих, а также спектрального сдвига (delta H). Отклонение меньше 5 единиц практически незаметно для большинства людей. На практике большинство сканеров имеют отклонения, значительно превышающие эту величину. Следует оговориться, что измерение по 8 полям довольно ограниченно и позволяет получить лишь приблизительную картину.

Подробные результаты аналитических тестов вы найдете здесь.

Скорость сканирования и время прогрева

В процессе тестирования было измерено время, необходимое для «холодного» старта и восстановления из режима энергосбережения.

Для оценки производительности тестируемых сканеров были проведены замеры времени, требующегося для выполнения нескольких наиболее типичных задач. Отсчет времени начинался с момента нажатия кнопки Scan (или аналогичной) в приложении, из которого производилось сканирование, и заканчивался после того, как данное приложение вновь было готово к работе (то есть можно было производить какие-либо действия, например изменение настроек или области сканирования).

Дополнительные возможности аппаратной части

С учетом того, что разные модели сканеров существенно различаются по комплектации и оснащению, мы решили оценить дополнительные (не оговоренные критериями отбора) функциональные возможности тестируемых устройств, а именно:

• наличие в комплекте поставки слайд-модуля;
• возможность подключения опционального слайд-модуля;
• возможность подключения опционального устройства автоматической подачи документов;
• наличие на передней панели сканера кнопок вызова приложений и/или запуска сканирования;
• наличие выключателя питания;
• наличие дополнительных интерфейсов.