Стаття CCD- та CIS-технології, або чому ми вибираємо фото- та відеокамери з гарною дзеркальною
Завантажити статтю у форматі PDF - 309 Кбайт
Телефонний дзвінок у компанію, згадану нашим користувачем, по суті закінчився нічим. У каталозі фірми значилися сканери з урахуванням і CCD-, і CIS-технологии. Спочатку це порадувало (ось зараз все і з'ясуємо), але надія швидко розвіялася. Після розмови про CCD-сканери хотілося вибрати саме їх, а переконливі аргументи про переваги CIS змінювали погляд на протилежну. Загалом, звичайний прийом менеджера відділу продажу: «про що запитують, те й намагаємося продати».
Тому довелося згадати фізику, засісти за розумні книжки і на якийсь час поринути у детальне вивчення CCD- та CIS-технологій. Незважаючи на те, що ця галузь знань була мені добре знайома, я, повірте, відкрила для себе багато нового, раніше невідомого.
Три роки роботи в компанії Consistent Software з широкоформатними сканерами Contex не пройшли даремно - про технологію CCD я знаю не з чуток: вивчала, бачила результати, чула безліч позитивних відгуків від користувачів. Що ж до технології CIS, її використання в широкоформатних професійних сканерах почалося зовсім недавно, тому достовірної інформації про їх надійність, а також довговічність вузлів і агрегатів поки немає. Однак той факт, що динамічний діапазон CIS-сканерів зменшується на третину приблизно через 500 годин роботи, а CCD-сканери працюють до 10 000 годин без помітного погіршення характеристик, говорить на користь останніх. Крім того, у CCD-сканері кожну деталь (лампу, дзеркало, призму, оптику) у разі потреби можна замінити окремо, а в сканері з технологією CIS вся матриця з діодами змінюється тільки повністю, адже це фактично півсканера! Проте спробуємо порівняти обидві технології з наукової точки зору.
1.CCD(Charge-Coupled Device)- технологія зчитування даних на основі датчиків ПЗЗ (прилад із зарядним зв'язком).
У широкоформатних рулонних (протяжних) сканерах датчики (ПЗЗ) та джерело світла нерухомі – обертаються лише ролики протяжного механізму. У процесі сканування оригінал висвітлюється джерелом випромінювання (збалансованими за кольором флуоресцентними лампами), після чого відбите (заломлене) світло за допомогою спеціальної оптичної системи спрямовується на лінійку світлочутливих елементів, які перетворюють інтенсивність світла, що приймається, у відповідне значення напруги. Аналоговий сигнал перетворюється на цифровий, і в цьому вигляді інформація про зображення передається на комп'ютер. Датчики ПЗЗ є твердотільний електронний компонент, що складається з безлічі крихітних світлочутливих елементів, які формують електричний заряд, пропорційний інтенсивності світла, що падає на них. В основу роботи ПЗЗ покладено залежність p-n-переходу звичайного напівпровідникового діода від ступеня освітленості. Багато широкоформатних сканерів (Contex, Vidar, CalComp) ПЗС-камери виконані за технологією All-Digital camera: на виході вони вже мають цифровий сигнал, що гарантує мінімум шуму і розширений динамічний діапазон.
Наприклад, у сканерах Contex динамічна система обробки сигналу забезпечує компенсацію пилу на дзеркалах (як би «чистить бруд»).
2.CIS (Contact Image Sensor)- технологія, при якій приймальний елемент складається з лінійки датчиків (кілька однакових скануючих матриць), що безпосередньо сприймають світловий потік від оригіналу. У таких сканерах повністю відсутня оптична система (дзеркала, призма, об'єктив), приймальний елемент дорівнює ширині робочого поля сканування, а оригіналосвітлюється лінійками світлодіодів трьох кольорів – червоного, зеленого та синього. Таким чином, кожну точку зображення підсвічує свій світлодіод і розпізнає свій сенсор, при цьому чим менша відстань між сусідніми сенсорами, тим вища оптична роздільна здатність сканера. Механізм подачі оригіналу в широкоформатних рулонних CIS-сканерах в цілому такий же, як у CCD, тому похибка сканування при позиціонуванні і протягуванні паперу визначається виключно точністю механіки, яку може гарантувати той чи інший виробник обладнання.
Однією із заявлених переваг CIS-технології порівняно з CCD є менша вага, обумовлена відсутністю оптичної системи. До речі, саме тому виробництво такого обладнання коштує дешевше. Якщо ви купуєте додому планшетний сканер А4, то, можливо, зверніть увагу на його габарити (як правило, на товщину), але коли купуєте сканер формату А0, на мою думку, це не так важливо. Сканер - не фотоапарат, при виборі якого замислюєшся, чи поміститься він у кишеню. Професійне обладнання такого класу найчастіше встановлюється на підприємстві стаціонарно, і його переміщення здійснюється вкрай рідко, тому при порівняних зовнішніх габаритах різниця у вазі на 5-10 кг тут несуттєва. А ось на такі важливі параметри, як глибина різкості та глибина кольору, не можна не звертати уваги.
Глибина різкості— відстань від світлочутливих елементів до оригіналу, що забезпечує різкість зображення. Ця величина може коливатися від кількох міліметрів до кількох сантиметрів, і, природно, що вона вище, то краще. Глибина різкості CCD-сканерів у кілька разів більша, ніж у CIS-сканерів: при скануванні, наприклад, об'ємних об'єктів або не дуже рівних планшетів звикористанням CIS-технології зображення вийде нерізким та розмитим. Саме тому в CIS-сканерах оригінал має бути досить щільно притиснутим до самих датчиків, що не дозволяє сканувати старі та пошарпані матеріали без ризику їх пошкодження.
Глибина кольорувідображає таку споживчу характеристику сканера, як передача кольору. Як правило, колірна роздільна здатність сканерів вказується в бітах, що насправді означає лише кількість інтервалів, на які буде розбитий весь діапазон кольорів, що сприймаються. Фактично ж глибина кольору залежить від якості аналого-цифрового перетворювача та матриці. Слабке фокусування, обумовлене відсутністю оптики, і невеликі зазори між сусідніми матрицями в CIS-сканерах не заважають скануванню тексту та схематичних монохромних зображень, але для роботи з повнокольоровою графікою або поганими синьками більше підійде сканер, побудований на основі традиційної CCD-технології. Адже не випадково якість фотографій, виконаних дзеркальною камерою, значно вища за якість знімків, зроблених за допомогою «мильниці». CCD-сканери розрізняють рівні відтінків ±20%, тоді як CIS – аж ±40%. Тому для користувача очевидно, що застосування CCD-технології дозволяє набагато достовірніше передавати колірні нюанси.
Спробую це проілюструвати за допомогою простого прикладу. Для представлення кольору будь-якого пристрою використовуються колірні профілі. Більшість виробників обладнання додають до своїх сканерів і плотерів набори ICC- або ICM-файлів, що дозволяють програмам обробки зображень здійснювати коректну передачу кольору при відображенні та друку. Профілі містять опис колірного простору, який бачить сканер або може надрукувати конкретний плоттер. Порівняємо колірні простори (Gamut),що надаються сучасними сканерами типів CCD і CIS та сучасним струменевим плотером, у системі координат CIE Lab з однаковим масштабом.
З обсягу фігур очевидно, що кількість кольорів, що сприймаються сканерами, істотно перевищує кількість кольорів, що передаються під час друку. Висота фігури в цьому ракурсі фактично означає діапазон яскравості, а її ширина - показник насиченості або кольоровості зображень, що отримуються. Безсумнівно, що у CIS-сканера об'єм фігури менший, ніж у CCD-сканера, внаслідок чого він забезпечує меншу контрастність при скануванні блідих або темних синьок і, відповідно, гіршу передачу кольору при копіюванні фотореалістичних зображень. Тепер сумісний усі три фігури.
Широкоформатні рулонні сканери, що використовують CCD-технологію, на сьогоднішній день удосконалені настільки, що такі плюси CIS-технології, як "стійкість до зовнішніх впливів, включаючи вібрацію" та "відсутність часу прогріву", вже не є перевагами. Наприклад, перевірка сканера «Contex Cougar 25» у НДІ ТП на віброплатформі дала дуже добрі результати. Крім того, багато широкоформатних CCD-сканерів (Contex, Vidar) поставляються із сучасною системою автоматичного обслуговування. Що стосується відсутності часу на прогрів, то самі виробники використовують досконалу систему управління потужністю — Advance Power Management, що забезпечує швидке досягнення, контроль і підтримку оптимальної робочої температури сканера, при якій рівень шумів приймачів ПЗС найнижчий. Система керування потужністю настільки досконала, що дозволяє залишати сканер на ніч у черговому режимі малого споживання енергії, запрограмувавши його автоматичне включення до певного часу. Таким чином, сканер виявляється готовий до роботи в будь-якіймомент.
Одним з найбільш критичних показників в області ГІС (наприклад, при скануванні топографічних карт, що мають лінії невеликої товщини і схильних до геометричних спотворень) є точність. Раніше вважалося, що відсутність оптичної системи технології CIS забезпечує більш високу точність при скануванні (±0,1%). Але сьогодні й ці межі стерті. Такі виробники широкоформатних сканерів, як Contex, довели геометричну точність сканування до того ж рівня 0,1% (або ±1 пікселя для будь-яких двох точок на зображенні) за допомогою так званого алгоритму виправлення похибки лінз ALE (Accuracy Lens Enhancement). Що стосується подальшої роботи з картою, практика показує, що геометричне калібрування зображення потрібне в будь-якому випадку і повинно проводитись за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення.
До речі, поговоримо про програмне забезпечення. Як правило, купуючи планшетний сканер для домашнього використання, ви не звертаєте уваги на вкладену в коробку програму. Вам достатньо, щоб вона дозволяла сканувати та зберігати зображення у файл і, можливо, робила мінімальний набір операцій з його обробки. Цілком інші вимоги пред'являються до програмного забезпечення, яке постачається з широкоформатним сканером. Простого TWAIN-драйвера в цьому випадку недостатньо. На що необхідно звернути увагу насамперед? У стандартне постачання сканера дуже часто входить мінімальний набір програмного забезпечення, можливостей якого вам свідомо не вистачить. Решта — за окрему плату, деколи можна порівняти з ціною самого пристрою. На мій погляд, широкоформатний сканер купується для введення та обробки сотень і навіть тисяч оригіналів. Він не повинен простоювати, інакше термін йогоокупності зростає у 2-3 рази. При цьому скановані зображення майже завжди вимагають додаткової обробки, яку зручніше та ефективніше робити на інших комп'ютерах, у тому числі вночі, за відсутності оператора. Висновок: програмне забезпечення має забезпечити можливість безпосередньо працювати зі сканером та організувати розподілену пакетну обробку зображень у вашій локальній мережі.
Як приклад наведемо типову схему пакетної обробки сканованих зображень у сканерів Contex.
Обов'язково зверніть увагу на наявність набору функцій обробки та редагування зображень, можливість їх приведення до стандартних форматів паперу перед виведенням на принтер. Найчастіше стандартне скануючий ПЗ обмежується процедурами видалення «сміття», поворотів, усунення перекосу та мінімумом команд малювання. Досвід нашої компанії свідчить, що спектр необхідних операцій є набагато ширшим і повинен включати два-три десятки автоматичних команд обробки. Якщо вам при копіюванні на плоттер важлива правильна передача кольору, поцікавтеся, чи передбачена можливість колірного калібрування пари «сканер-плоттер» і чи забезпечується підтримка стандартних ICC-профілів. При наповненні електронного архіву вам будуть потрібні гнучка процедура автоіменування файлів, вилучення з креслення атрибутивної інформації та налаштування передачі цих даних у вашу СУБД. Такі основні поради щодо оцінки можливостей програмного забезпечення, що входить у постачання сканера.