Тема_05_Растрова графіка_08

21

5.5. Вхідна роздільна здатність

На етапі введення (або захоплення) зображення здійснюється його перетворення в цифрову форму (оцифрування). В даний час для цієї мети в основному використовуються два типи спеціальних пристроїв: сканери та цифрові камери. В обох випадках просторова роздільна здатність визначається типом використовуваного сенсорного пристрою.

Сенсори являють собою інтегральні мікросхеми, в яких реалізований набір фоточутливих елементів (рис. 4.6), конструктивно виконаних у вигляді лінійок (як у більшості сканерів) або матриць (як у випадку цифрових камер). Більша кількість елементарних фоточутливих елементів в сенсорі забезпечує більшу роздільну здатність.

Рис. 4.6. Лінійка (1) і матриця (2) фоточутливих елементів (3) введення зображення

При отриманні (захоплення) зображення за допомогою сканера або цифрової камери виконуються дві основні операції оцифрування (рис. 4.7):

–дискретизація;

–квантування (кодування).

Рис. 4.7. Схема процедури оцифрування зображення

Розглянемо окремі фази оцифрування зображення більш докладно.

Дискретизація

У фазі дискретизації вхідний пристрій переглядає зображення через уявну сітку і присвоює кожній клітинці цієї сітки відповідну колірну величину, еквівалентну інтегральному колірному значенню даної комірки вихідного фізичного зображення. Одержуване при цьому кінцеве кількість дискретів (вибірок) характеризує величину просторової роздільної здатності, що в даному випадку визначається числом цифрових елементів, створюваних пристроєм оцифровки на одному дюймі зображення (рис. 4.8).

22

Рис. 4.8. Схема процедури дискретизації за допомогою матриці світлочутливих елементів

Сенсори з невеликою кількістю світлочутливих елементів не дозволяють отримати зображення з високою роздільною здатністю. У такому зображенні окремі елементи (пікселі) можуть бути видні неозброєним оком, що призводить до прояву ефекту пікселізація (рис. 4.9).

I навпаки, велика кількість світлочутливих елементів дозволяє отримувати цифрову модель зображення, близьку до оригіналу. Однак збільшення кількості елементів призводить до пропорційного зростання розміру файлу, т. е. збільшення обсягу пам’яті, необхідного для його зберігання та обробки.

Рис. 4.9. Прояв ефекту пікселізації при оцифруванні зображення з низькою роздільною здатністю

Виходячи з природи процесу модуляції в якості одиниці вимірювання роздільної здатності сканера і цифрової камери слід було б використовувати одиницю spi (samples per inch), відповідну кількості дискретів в одному дюймі цифрового зображення. Однак у технічній документації по експлуатації пристроїв введення використовують інші одиниці:

– для сканерів як термін, що визначає роздільну здатність, зазвичай використовують кількість точок на дюйм – dpi (dots per inch). Тому при установці режиму сканування ви будете задавати роздільна здатність в одиницях dpi, наприклад 75 dpi тощо;

23

– для цифрових камер в якості одиниці вимірювання роздільної здатності використовується число мегапікселів (мільйонів пікселів), що визначається добутком числа елементів по горизонталі на число елементів по вертикалі.

Щоб уникнути плутанини з термінологією, слід пам’ятати, що зміст поняття точки залежить від типу пристрою. Так, точки, що визначають роздільна здатність принтера, зовсім не ті точки, які використовуються для завдання роздільної здатності сканера. Насправді зображення, отримане за допомогою сканера з роздільною здатністю 150 dpi, буде краще відображати реальний об’єкт в порівнянні з копією, створеної лазерним принтером з роздільною здатністю 1200 dpi.

Квантування

Другу фазу оцифрування становить процес квантування, в результаті виконання якого безперервний діапазон значень яскравості розбивається наряд дискретних рівнів (тонів). Іншими словами, безперервна змінна х перетворюється на дискретну змінну хкв, приймаючу кінцеву множину значень {r1, ..., rL}. Ці значення називаються рівнями квантування. Найпростіший спосіб вирішення цього завдання полягає в розбитті динамічного діапазону на однакові інтервали (рис. 4.10). Однак таке рішення не завжди є найкращим. Так, якщо значення яскравості більшості дискретів (відліків) зображення згруповані в "темній" області і число рівнів L обмежена, то доцільно квантувати нерівномірно. У "темної" області слід квантувати частіше, а в "світлій" рідше. Це дозволить зменшити помилку квантування ε = х – хкв.

До речі, саме таким способом виконує процес квантування очей людини і деякі пристрої виведення інформації, зокрема монітор.

Рис. 4.10. Принцип квантування (кодування) яркісної інформації

Для реалізації процесу квантування використовується спеціальний електронний пристрій – аналого-цифровий перетворювач (АЦП). Принцип роботи АЦП заснований на порівнянні аналогового сигналу, що надходить фоточутливої комірки сенсорного пристрою (див. рис. 4.6,3), з еталоном, функції якого виконує джерело опорної напруги. Кількість градацій яскравості, відтворюваних цифро-аналоговим перетворювачем, залежить від його розрядності у бітах. Так, 8-бітовий АЦП дозволяє отримати 256 рівнів яскравості, 12-розрядний – близько 4000 (або 212), а 16-розрядний – 65 556 (або 216) градацій яскравості.

У разі кольорового зображення кожному пікселю ставиться у відповідність три 8- бітових числа для завдання значень яскравості кожного з трьох компонентів кольору: червоного, зеленого та синього. Це забезпечує яркісну (колірну) роздільну здатність порядку 16,7 млн. колірних тонів.

З точки зору колірної глибини растрові зображення можна розбити на кілька типів: монохромні чорно-білі (бінарні), відтінки сірого (рис. 4.11), індексований колір (режим

Индексованый цвет в Photoshop або Палитра в Corel PHOTO-PAINT), повноколірні – створені з використанням колірних моделей RGB, Lab та CMYK.

24

Рис. 4.11. Створення цифрового зображення: а – аналогове зображення; б – дискретизація, в – квантування

Таким чином, в процесі оцифрування зображення за допомогою сканера або цифрової камери інформація, яка в ньому міститься конвертується в набір чисел, організованих і збережених у вигляді матриці яку називають бітовою матрицею (bit-map). При цьому кожному фоточутливому елементу сенсора відповідає певний числовий елемент у бітової матриці (рис. 4.11,3).

Після отримання цифрового зображення його необхідно записати в пам’ять. Для цього найчастіше використовуються формати JPEG, TIFF, RAW. На відміну від друкаря для фотографа не стільки важливий формат запису, скільки можливості використання в ньому режимів стиснення (без стиснення, або з втратою якості), а також кількість пам’яті в камері. Серед перерахованих форматів зображення перші два є найбільш поширеними в комп’ютерному світі, а отже, сумісні з безліччю програм.

Роздільна здатність сканера

Принцип роботи сканера полягає в послідовному (рядок за рядком) перегляді (скануванні) поверхні прозорого або непрозорого об’єкта (зображення) (рис. 4.12, 1) з подальшим аналізом кожного елемента зображення і перетворенням його в цифровий еквівалент. Для реалізації процедури сканування необхідна наявність двох компонентів: апаратного (сканер) і програмного, який використовується для управління апаратними засобами, процесом та параметрами сканування.

Основою будь-якого сканера є сенсор, що представляє собою світлочутливий, пристрій:

–ПЗС-лінійка, або ПЗС-матрця на базі CCD – Couple-Charged Device – приладів із зарядовим зв’язком);

–ФЕП – фотоелектронний помножувач (застосовується тільки в високопрофесійних дорогих барабанних сканерах).

Перший тип значно дешевше, а тому і ширше розповсюджений. Число світлочутливих елементів в ПЗС-лінійці може бути різним. Чим більше таких елементів, тим якісніше та дорожче сканер. Кожен елемент зчитує область зображення (дискрет), проектовану на його поверхню оптичною системою і формує потенціал, пропорційний величині світлового потоку, який потрапляє на нього. Цей потенціал перетворюється в цифровий еквівалент за допомогою: – аналого-цифрового перетворювача (АЦП) і передається в комп’ютер. Спеціальне дзеркало оптичної системи і лампа підсвічування сканера з допомогу спеціального механізму і крокового двигуна переміщуються вздовж зображення, аналізуючи і кодуючи послідовно всю його поверхню. Число елементів в ПЗС-лінійці на одиницю довжини, а також особливості оптичної системи визначають апаратну роздільну здатність сканера (апаратна, або оптична роздільна здатність) по вертикальній осі. Механізм крокового двигуна сканера визначає кількість кроків каретки на дюйм, а він, у свою чергу, – горизонтальну: роздільну здатність (механічна роздільна здатність сканера). Таким чином, чим менший крок крокового двигуна, тим вище роздільна здатність сканера по горизонталі.

25

Рис. 4.12. Для ПЗС-лінійки горизонтальна роздільна здатність (1) визначається швидкістю переміщення лінійки уздовж зображення, а вертикальна роздільна здатність (2)

– розміром окремої світлочутливої комірки

Як вже зазначалося, роздільна здатність зазвичай виражається в точках на дюйм і позначається як dpi (dots per inch). Багато виробників вказують різні значення роздільної здатності сканерів по горизонталі і вертикалі, наприклад 600 х 1200 (600 – по ПЗС-лінійці та 1200 – за механізмом переміщення) (рис. 4.12, 2).

Слід враховувати, що при встановленні роздільної здатності 1200 dpi по вертикалі драйвер (програма управління) сканера буде штучно збільшувати (інтерполювати) роздільну здатність по горизонталі, математично розраховуючи відсутні точки. Тому при виборі сканера до уваги потрібно брати менше значення, яке показує реальне оптичну роздільну здатність сканера.

Яркісна роздільна здатність (глибина кольору) сканера

Сучасні сканери підтримують практично всі колірні режими, включаючи:

–режим чорно-білої графіки (Bitmap mode, або Line art), що формує однобітові зображення, що містить лише білі і чорні кольори;

–режим Відтінки сірого (Grayscale), що використовується для створення 8-бітового зображення, що містить білий, чорний та 254 відтінки сірого кольору;

–режим RGB, що надає можливість сканування повнокольорових зображень, що містять білий, чорний і більше 16 млн. інших кольорів.

В останньому варіанті стандартом на сьогоднішній день є 8-бітове представлення кольору на канал, тому для кольорових настільних сканерів базовим є 24-бітове представлення кольору. У той же час сучасні сканери забезпечують і більш високу глибину кольору.

Наприклад, в 30-бітовому сканері для кодування кожного кольору використовується по 10 біт на канал (210 = 1024 відтінку), а в 36-бітовому та 48-бітовому – відповідно по 12 біт на канал (212 = 4096 відтінків) і 16 біт на канал (216 = 65 526 відтінків). Раніше додаткові розряди використовувалися в основному для внутрішніх цілей, а в комп’ютер передавалися всі ті ж 24 біта. Пояснювалося це тим, що при записі даних сканованого зображення в будь-якому стандартному для поліграфії форматі (наприклад, PostScript) інформація зберігалася в 8-бітовому представлені на канал, а також відсутністю підтримки 16-бітного формату у графічних редакторів. Тепер же, коли практично всі професійні редактори забезпечують можливість роботи з такою глибиною кольору, сканери дозволяють передавати в комп’ютер 48-бітові файли.

У сучасних сканерах, як правило, використовуються АЦП з підвищеною розрядністю, що дозволяє за рахунок надмірності інформації проводити кольорову корекцію сканованого зображення без втрати якості. Необхідність в такій корекції викликана чутливістю ПЗС до фонового електричного шуму, що характеризується відношенням сигнал / шум, і так званими перехресними перешкодами між суміжними елементами датчика.

26

Перевагою кодування кожного кольору великим числом біт є зменшення кроку переходу від тону до тону, що сприяє усуненню ефекту постеризації (posterization), який проявляється при різких змінах колірного тону сусідніх пікселів. Крім того, додаткові біти дозволяють сканеру розрізняти більше деталей в темних областях (як правило, це найбільш інформативні області) сканованого зображення.

Оптична та інтерполяційна роздільна здатність

Основною характеристикою сканера є оптична роздільна здатність. Воно вимірюється в ppi (pixels per inch – пікселях на дюйм). Хоча з фізичної точки зору правильніше було б використовувати spi (samples per inch) – дискретів на дюйм. Однак, як вже зазначалося, на практиці і в літературі більш поширений термімін dpi – точки на дюйм. І щоб уникнути термінологічної плутанини, при роботі зі сканером будемо вважати одиниці виміру ppi та dpi синонімами.

Поняття "точка" означає елемент, який не має конкретної форми, тому він: найбільш підходить в якості характеристики роздільної здатності друкуючих пристроїв Сканери та растрові графічні файли оперують пікселями, які завжди мають форму квадрата.

Оптичний роздільна здатність вказує, скільки пікселів сканер може визначити у квадратному дюймі (1 дюйм = 2,54 см). Воно записується так: 300 х 300, 300 х 600, 600 х 1200 і т. п. Перше число – кількість зчитуючих інформацію датчиків саме на нього варто звертати увагу.

Часто виробники і продавці сканерів люблять вказувати в якості роздільної здатності й інші числа, що-небудь на зразок 4 800, 9600 або навіть 19200 dpi. Це інтерполяційна роздільна здатність. Воно є характеристикою не самого сканера, а програмного забезпечення, що підтримує його. Тому якість зображень, отриманих з використанням інтерпольованої роздільної здатності, залежить не тільки від сканера але і від якості функцій інтерполяції, реалізованих у програмі.

Інтерполяція – спосіб збільшення-зменшення розміру або роздільної здатності файлу програмними засобами. При зменшенні дані відкидаються, при збільшенні – програма їх "вигадує". У результаті сильно збільшені картинки виглядають розмитими або зубчастими (залежно від способу інтерполяції). Тобто інтерполяція штучно додає елементи цифрової моделі, не жодним чином не збільшує кількість деталей зображення (більш докладно ідеологія та алгоритми інтерполяції будуть розглянуті далі в розділу! "Зміна розрішення і розмірів зображення "і" Використання процедури інтерполяції в цифровій фотографії ").

Для знайомства з реальними значеннями обох типів роздільної здатності сканерів виберемо сканер Epson Perfection 3200 PHOTO. Він має оптичний роздільна здатність 3200 х 6400 dpi та 48-бітову глибину кольору для розширення динамічного діапазону і реалістичною передачі півтонів. Програмне інтерполяційне роздільна здатність цієї моделі досягає 24 000 х 24 000 dpi при 48-бітовій глибині кольору.

Роздільна здатність цифрової камери

Як в самому спрощеному вигляді виглядає принцип дії цифрової камери. Світло, що пройшло через об’єктив, потрапляє на фоточутливу зону пікселів де генерує електрони, які збираються в потенційних ямах. Величина акумульованих у них заряду визначається інтенсивністю падаючого світла

На відміну від лінійки сенсорів, що застосовується в сканерах, тут немає механічної переміщення, тому межі дискретизації зображення по обох напрямках визначаються числом сенсорів в матриці. Квантування їх вихідних сигналів здійснюється так само як, і при скануванні. Цей процес відображений на рис. 4.14, де в лівій частині малюнка показано оригінальне (безперервне) зображення, спроектоване на площину матриці сенсорів, а справа – те ж зображення після дискретизації та квантування. Ясно,

27

що якість одержуваного цифрового зображення залежить від числа елементів, що беруть участь у процедурі дискретизації (просторова а роздільна здатність), і кількості рівнів квантування (колірна роздільна здатність).

Рис. 4.14. Проекція безперервного зображення (ліворуч) на матрицю світлочутливих елементів і результат його дискретизації та квантування (праворуч) у вигляді матриці пікселів

Світлочутлива матриця (сенсор) є одним з головних компонентів цифрової камери (і найдорожчим). Якість знімаємого камерою зображення багато в чому залежить від роздільної здатності сенсорів.

Незважаючи на те що і в сканерах, і в цифрових камерах в якості сенсора використовуються практично ідентичні світлочутливі елементи – ПЗС-матриці, з цифрових камерах (так уже традиційно повелося) основною одиницею виміру роздільної здатності є піксель. Їх кількість визначається розміром окремої клітинки ПЗС-або КМОПматриці та загальним розміром матриці.

Через величезну кількість пікселів, що містяться в матриці, в якості одиниці вимірювання роздільної здатності цифрової камери використовують інтегральну одиницю

– мегапіксель, що відповідає мільйону пікселів. Число мегапікселів характеризує максимальна роздільна здатність камери і визначається кількістю фоточутливих елементів в ПЗС-або КМОП-матриці. Так, камер з сенсором розміром 4000 х 3000 пікселів містить 12 мегапікселів (МРІ (4000 х 3000 = 12 млн пікселів).

При отриманні зображення за допомогою цифрової камери його просторова роздільна здатність можна задати одним з таких способів:

–у вигляді конкретного числа, мегапікселів, наприклад 12,1 М. Цей варіант пропонується за замовчуванням і визначається максимальною роздільною здатністю камери;

–як растрове зображення з вказаним числом пікселів, по горизонтах і вертикалі. Наприклад, для цифрової камери Canon PowerShot G9 можливий вибір з наступних варіантів:

–4000 x 3000;

–3264 х 2448;

–2592 х 1944;

–1600 х 1200;

–640 х 480;

–4000 х 2248 (16:9);

–для камер, що підтримують режим відеозйомки, шляхом зазначення одного з варіантів здатності відео, зокрема для Canon PowerShot G9:

1024 х 768;

640 х 480;

28

320x240.

Зверніть увагу, що в будь-якому з трьох перерахованих випадків в якості одиниці вимірювання роздільної здатності використовується одиниця піксель. Тому перерахувані варіанти роздільної здатності пов’язані між собою.

Важлива не тільки кількість мегапікселів

Люди звикли вимірювати якість чого завгодно за цифровою шкалою, на якій "більше" – значить "краще". Відповідно до цього критерію виходить, що 5 млн. пікселів безумовно краще, ніж 4 млн. пікселів. Чи так це?

Це, безумовно, вірно, якщо пікселі в першому і другому випадку однакові. На справі важливіше міліметри, вірніше, розмір сенсора, що вимірюється в дюймах, відносно кадру 35-мм плівки (рис. 4.15). Саме тут і криється основна відмінність професійних камер від камер споживчих. I масових споживчих камерах фізичний розмір світлочутливої комірки менше, ніж у професійних (оскільки менше і розмір сенсора самої ж камери), отже, при рівній кількості пікселів фізичний розмір світлочутливої зони (пікселя) теж менше. Менші комірки мають меншу світлочутливість, що проявляється у збільшенні "шуму" (оптичних спотворень через похибки світлочутливих комірок) і зниженні динамічного діапазону (фотографічної широти).

Рис. 4.15. Зіставлення розмірів сенсорів цифрових камер з розміром кадру плівкової камери: а – споживчі; б – професійні

Для оцінки якості камери (зокрема її динамічного діапазону) поряд з кількістю пікселів бажано було б вказувати розміри окремого пікселя в мікронах. Кількісно їх можна оцінити, знаючи розміри сенсора (формат сенсора) та загальну кількість мегапікселів.

Інтерпретація розмірів сенсорів

Звично формат сенсора визначається довжиною його діагоналі, хоча виробники представляють його в специфічних одиницях, що позначаються як: 1/2,5", 1/2,7"; 1/1,8"; 2/3"; 4/3" і т.п. На жаль, ці цифри мають вельми віддалене відношення до реальних розмірів сенсорів і позначають не реальні, а так звані "відіконові" дюйми. Такий спосіб позначення розмірів був введений в часи зародження телебачення, коли прийомним елементом в телекамери служила: електронна трубка (відікон), а розмір позначав її діаметр (у який повинен був вписуватися із запасом знімаємий кадр). Для грубої оцінки можна вважати,що "відіконові" дюйми приблизно в 1,5 рази вище реальних дюймів. Використовуючи даний поправочний коефіцієнт, можна перевести "дюймові" розміри сенсорів i розмір їх діагоналі в мілімметрах (рис. 4.16).

29

Рис. 4.16. Відповідність розмірів сенсорів у "відіконових" дюймах їх геометричним розмірам

У зв’язку з технологічними особливостями виготовлення матриць цифрових камер для зменшення їх собівартості, а також фізичних розмірів самих камер матриці випускають меншого розміру, ніж розмір кадру фотоплівки. Звичайно матриці розміром 2/3" і більше оснащують напівпрофесійні та професійні моделі, а 1/2,5", 2/2,7" та 1/1,8" – апарати початкового та аматорського рівня. У табл. 4.1 наведено відповідність реальних розмірів сенсорів їх розмірами в "відіконових" дюймах для широкого спектру випускаючих промисловістю матриць. Зазначимо, що розмір матриці (інакше світлочутливого елемента) дуже впливає на якість знімка.

Таблиця 4.1. Зв’язок типу сенсора з його геометричними розмірами

Тип сенсора	Діагональ, мм	Ширина, мм	Висота, мм
1/3,6"	5,0	4,0	3,0
1/3,2"	5,68	4,54	3,42
1/3"	6,0	4,8	3,6
1/2,7"	6,59	5,27	3,96
1/2,5"	6,9-7,2	5,8	4,3
1/2"	8,0	6,4	4,8
1/1,8"	8,93-9,1	7,18	5,32
2/3"	11,0	8,8	6,6
1"	16,0	12,8	9,6
4/3"	22,5	18,0	13,5
35 мм	44,3	36	24

Зв’язок роздільної здатності цифрової фотографії в мегапікселях з розміром фотографії

При виведенні зображення на фотопринтер максимальний розмір відбитку залежить тільки від кількості мегапікселів, розмір самого пікселя не впливає на розмір роздрукованої фотографії.

Як і в разі отримання зображення за допомогою сканера, тут також необхідна роздільна здатність фотознімку залежить від сфери його подальшого використання. У табл. 4.2 показано зв’язок між кількістю мегапікселів сенсора та розміром забезпечуваного їм якісного відбитка.

Таблиця 4.2. Зв’язок кількості мегапікселів з максимальним розміром якісного відбитка

Кількість

Розмір кадру, піксель

Розмір фотографії при

30

пікселів		друку 300 dpi, см
1	1280 х 960	8 х 10,5
2	1600 x 1200	10 x 13
3	2048 х 1536	13 х 18
4	2272 х 1704	14 х 19
5	2592 x 1944	16 x 22
6	3072 х 2048	18 х 26
8	3264 x 2448	20 x 27
12	4000 х 3000	25 х 33,5