CCD- и CIS-технологии,

или Почему мы выбираем фото- и видеокамеры с хорошей зеркальной оптикой

Юлия Крылова, техническая консультация Александр Крылов

В сентябре прошлого года позвонил наш давний клиент, пользователь двух широкоформатных сканеров Contex, и рассказал, что некая фирма пригласила его ознакомиться с новым оборудованием. Речь шла о широкоформатных сканерах, в которых использована так называемая CIS-технология. И вот наш клиент говорит: «Рассказывают очень красиво, подробно описывают технологию, приводят сравнения с технологией CCD, но на прямой вопрос, с кем из пользователей, работающих с таким оборудованием, можно пообщаться, вежливо ушли от ответа, пригласив в свой офис. Очень хотелось бы подробнее узнать, чем же в действительности различаются эти две технологии?» Вопрос поставлен, будем отвечать. Намеренно не называя имен, попробуем максимально подробно и объективно разобраться во всех плюсах и минусах обеих технологий.

Телефонный разговор с представителем компании, упомянутой нашим пользователем, закончился, по сути, ничем. В каталоге фирмы значились сканеры на базе и CCD-, и CIS-технологии. Поначалу это порадовало (вот сейчас все и выясним), но надежды быстро растаяли. После беседы о CCD-сканерах хотелось выбрать именно их, а убедительные доводы в пользу CIS меняли эту точку зрения на противоположную. В общем, обычный прием менеджера отдела продаж: «О чем спрашивают, то и пытаемся продать».

Поэтому пришлось вспомнить физику, засесть за умные книжки и на некоторое время погрузиться в детальное изучение CCD- и CIS-технологий. Несмотря на то что эта область знаний была мне хорошо знакома, я, поверьте, открыла для себя много ранее неведомого.

Три года работы в компании Consistent Software с широкоформатными сканерами Contex (www.contex.ru) не прошли даром — о технологии CCD я знаю не понаслышке: изучала, видела результаты, слышала массу положительных отзывов от пользователей. Что же касается технологии CIS, то ее использование в широкоформатных профессиональных сканерах началось совсем недавно, поэтому достоверной информации об их надежности, а также о долговечности узлов и агрегатов пока нет. Однако тот факт, что динамический диапазон CIS-сканеров уменьшается на треть примерно через 500 часов работы, а CCD-сканеры работают до 10 тыс. часов без заметного ухудшения характеристик, явно говорит в пользу последних. Кроме того, в CCD-сканере каждую деталь (лампу, зеркало, призму, оптику) в случае необходимости можно заменить отдельно, а в сканере с технологией CIS вся матрица с диодами меняется только целиком, а ведь это фактически половина сканера! Тем не менее попробуем сравнить обе технологии с научной точки зрения.

1. CCD (Charge-Coupled Device) — технология считывания данных на основе датчиков ПЗС (прибор с зарядовой связью).

В широкоформатных рулонных (протяжных) сканерах датчики (ПЗС) и источник света неподвижны — вращаются только ролики протяжного механизма. В процессе сканирования оригинал освещается источником излучения (сбалансированными по цвету флуоресцентными лампами), после чего отраженный (преломленный) свет с помощью специальной оптической системы направляется на линейку светочувствительных элементов, которые преобразуют интенсивность принимаемого света в соответствующее значение напряжения. Аналоговый сигнал превращается в цифровой, и в этом виде информация об изображении передается в компьютер. Датчики ПЗС представляют собой твердотельный электронный компонент, состоящий из множества крошечных светочувствительных элементов, которые формируют электрический заряд, пропорциональный интенсивности падающего на них света. В основу работы ПЗС положена зависимость p-n-перехода обыкновенного полупроводникового диода от степени освещенности. Во многих широкоформатных сканерах (Contex, Vidar, CalComp) ПЗС-камеры выполнены по технологии All-Digital camera: на выходе они уже имеют цифровой сигнал, что гарантирует минимум шума и расширенный динамический диапазон.

К примеру, в сканерах Contex динамическая система обработки сигнала обеспечивает компенсацию пыли на зеркалах (как бы «чистит грязь»).

2. CIS (Contact Image Sensor)  — технология, при которой приемный элемент состоит из линейки датчиков (нескольких одинаковых сканирующих матриц), непосредственно воспринимающих световой поток от оригинала. В таких сканерах полностью отсутствует оптическая система (зеркала, призма, объектив), приемный элемент равен по ширине рабочему полю сканирования, а оригинал освещается линейками светодиодов трех цветов — красного, зеленого и синего. Таким образом, каждую точку изображения подсвечивает свой светодиод и распознает свой сенсор; при этом чем меньше расстояние между соседними сенсорами, тем выше оптическое разрешение сканера. Механизм подачи оригинала в рулонных широкоформатных CIS-сканерах в целом такой же, как в CCD, поэтому погрешность сканирования при позиционировании и протягивании бумаги определяется исключительно точностью механики, которую может гарантировать тот или иной производитель оборудования.

Одним из заявленных преимуществ CIS-технологии в сравнении с CCD является меньший вес, что обусловлено отсутствием оптической системы. Кстати, именно поэтому производство такого оборудования обходится дешевле. Если вы покупаете домой планшетный сканер А4, то, возможно, и обратите внимание на его габариты (как правило, на толщину), но когда приобретается сканер формата А0, то, по-моему, это не столь принципиально. Сканер — не фотоаппарат, при выборе которого задумываешься, поместится ли он в карман. Профессиональное оборудование такого класса чаще всего устанавливается на предприятии стационарно, а его перемещение осуществляется крайне редко, поэтому при сравнимых внешних габаритах разница в весе на 5-10 кг не имеет особого значения. А вот на такие важные параметры, как глубина резкости и глубина цвета, нельзя не обращать внимания.

Цветовые пространства CCD-сканера, CIS-сканера и струйного плоттера

Глубина резкости  — расстояние от светочувствительных элементов до оригинала, обеспечивающее резкость изображения. Эта величина может колебаться от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, и, естественно, чем она выше, тем лучше. Глубина резкости CCD-сканеров в несколько раз больше, нежели у CIS-сканеров: при сканировании, например, объемных объектов или не очень ровных планшетов с использованием CIS-технологии изображение получится нерезким и размытым. Именно поэтому в CIS-сканерах оригинал должен быть достаточно плотно прижат к самим датчикам, из-за чего становится невозможным сканирование ветхих и потрепанных материалов без риска их повредить.

Глубина цвета отражает такую потребительскую характеристику сканера, как цветопередача. Как правило, цветовое разрешение сканеров указывается в битах, что на деле означает лишь количество интервалов, на которые будет разбит весь диапазон воспринимаемых цветов. Фактически же глубина цвета зависит от качества аналого-цифрового преобразователя и матрицы. Слабая фокусировка, обусловленная отсутствием оптики, и небольшие зазоры между соседними матрицами в CIS-сканерах не мешают сканированию текста и схематичных монохромных изображений, но вот для работы с полноцветной графикой или плохими синьками больше подойдет сканер, построенный на основе традиционной CCD-технологии. Ведь не случайно качество фотографий, выполненных зеркальной камерой, значительно выше качества снимков, сделанных с помощью «мыльницы». CCD-сканеры различают уровни оттенков ±20%, тогда как CIS — ±40%. Поэтому для пользователя очевидно, что с помощью CCD-технологии цветовые нюансы передаются намного достовернее.

Попробуем проиллюстрировать это с помощью простого примера. Для представления цветопередачи любого устройства используются цветовые профили. Большинство производителей оборудования прилагают к своим сканерам и плоттерам наборы ICC- или ICM-файлов, позволяющие программам обработки изображений осуществлять корректную цветопередачу при отображении и печати. Профили содержат описание цветового пространства, которое «видит» сканер или может напечатать конкретный плоттер. Сравним цветовые пространства (Gamut), предоставляемые современными сканерами типов CCD и CIS и современным струйным плоттером, в системе координат CIE Lab с одинаковым масштабом.

Из объема фигур очевидно, что количество цветов, воспринимаемых сканерами, значительно превышает количество цветов, передаваемых при печати. Высота фигуры в этом ракурсе фактически означает диапазон яркости, а ее ширина — это показатель насыщенности или цветности получаемых изображений. Несомненно, что у CIS-сканера объем фигуры меньше, чем у CCD-сканера, в результате чего он обеспечивает меньшую контрастность при сканировании бледных или темных синек и, соответственно, худшую цветопередачу при копировании фотореалистичных изображений.

Теперь совместим все три фигуры. Очевидно, что если CCD-сканер «видит» все цвета, которые может напечатать плоттер, то CIS-сканер не воспринимает часть спектра (зеленая и желтая фигуры). В результате — потеря цветопередачи при копировании фотореалистичных изображений на плоттер.

Широкоформатные рулонные сканеры, использующие CCD-технологию, на сегодняшний день усовершенствованы настолько, что такие плюсы CIS-технологии, как «устойчивость к внешним воздействиям, включая вибрацию» и «отсутствие времени прогрева», даже не считаются серьезными преимуществами. Например, сканер Contex Cougar 25" проверен в НИИ ТП на виброплатформе и эта проверка дала очень хорошие результаты. Кроме того, многие широкоформатные CCD-сканеры (Contex, Vidar) поставляются с современной системой автоматического обслуживания. Что касается отсутствия времени на прогрев, то те же производители используют совершенную систему управления мощностью — Advance Power Management, которая обеспечивает контроль и поддержку оптимальной рабочей температуры сканера, при которой уровень шумов приемников ПЗС наиболее низок. Система управления мощностью настолько совершенна, что позволяет оставлять сканер на ночь в дежурном режиме малого потребления энергии, запрограммировав его автоматическое включение к определенному времени. Таким образом, сканер оказывается готов к работе в любой момент.

Одним из наиболее критичных показателей в области ГИС (например, при сканировании топографических карт, имеющих линии небольшой толщины и подверженных геометрическим искажениям) является точность. Ранее считалось, что отсутствие оптической системы в технологии CIS обеспечивает более высокую точность при сканировании (±0,1%), но сегодня и эти границы стерты. Такие производители широкоформатных сканеров, как Contex, довели геометрическую точность сканирования до того же уровня 0,1% (или ±1 пиксел для любых двух точек на изображении) при помощи так называемого алгоритма исправления погрешности линз ALE (Accuracy Lens Enhancement). Что касается дальнейшей работы с картой, то практика показывает, что геометрическая калибровка изображения требуется в любом случае и должна производиться с помощью специализированного программного обеспечения.

Кстати, о программном обеспечении. Как правило, приобретая планшетный сканер для домашнего использования, вы не обращаете внимания на вложенную в коробку программу. Вам достаточно, чтобы она позволяла сканировать и сохранять изображения в файл и, возможно, производила минимальный набор операций по его обработке. Совершенно другие требования предъявляются к программному обеспечению, поставляемому с широкоформатным сканером. Простенького TWAIN-драйвера в этом случае недостаточно. На что прежде всего необходимо обратить внимание? В стандартную поставку сканера очень часто входит минимальный набор программного обеспечения, возможностей которого вам заведомо не хватит. Остальное — за отдельную плату, порой сравнимую с ценой самого устройства. С моей точки зрения, широкоформатный сканер приобретается для ввода и обработки сотен и даже тысяч оригиналов, поэтому он не должен простаивать, в противном случае срок его окупаемости возрастает в 2-3 раза. При этом сканированные изображения почти всегда требуют дополнительной обработки, которую удобнее и эффективнее производить на других компьютерах, в том числе ночью, в отсутствие оператора. Вывод: программное обеспечение должно обеспечить возможность напрямую работать со сканером и организовать распределенную пакетную обработку изображений в вашей локальной сети.

В качестве примера на рисунке приведена типовая схема пакетной обработки сканированных изображений у сканеров Contex.

Обязательно обратите внимание на наличие набора функций обработки и редактирования изображений, на возможность их приведения к стандартным форматам бумаги перед выводом на печать. Зачастую стандартное сканирующее ПО ограничивается процедурами удаления мусора, поворотов, устранения перекоса и минимумом команд рисования. Опыт нашей компании свидетельствует, что спектр необходимых операций гораздо шире и должен включать два-три десятка автоматических команд обработки. Если вам при копировании на плоттер важна правильная цветопередача, поинтересуйтесь, предусмотрена ли возможность цветовой калибровки пары «сканер—плоттер» и обеспечивается ли поддержка стандартных ICC-профилей. При наполнении электронного архива вам будут необходимы гибкая процедура автоименования файлов, извлечение из чертежа атрибутивной информации и настройка передачи этих данных в вашу СУБД. Таковы основные советы по оценке возможностей программного обеспечения, входящего в поставку сканера.

Если вы уже собрались приобрести широкоформатный сканер, но затрудняетесь с выбором конкретной модели, надеюсь, что эта статья поможет вам определиться и объективно оценить информацию, которую вам предоставят в компаниях, предлагающих подобное оборудование. Но что бы вам ни говорили, рекламируя ту или иную модель, в конечном счете решать свои конкретные задачи предстоит именно вам. Поэтому критерии «дешевле», «легче», «компактнее» вряд ли применимы, когда важен качественный конечный результат. Это в равной степени относится ко всему «железу». Если же применять традиционное соотношение «цена/качество», то будем объективны: в настоящее время у CCD-сканеров этот показатель существенно выше. Однако совершенно очевидно, что требования к сканеру, обрабатывающему текстовые страницы, чертежи и схемы, отличаются от требований к устройству, предназначенному для сканирования синек и оцифровки карт, а тем более фотографий и полноцветной графики. В заключение хотелось бы привести сравнительную таблицу характеристик предлагаемых в России широкоформатных сканеров, используемых в различных областях¹ .

Желаем удачи, выбор — за вами.

¹Информация взята с сайтов поставщиков и официальных дистрибьюторов.

«САПР и графика» 2'2005