图象扫描技术——扫描仪质量定义

在数字扫描领域内，某些高档设备的广告商和用户评论使你能完全相信这样一点：要使捕捉的图象令人羡慕是太容易了。但是当你亲
手操作这些价值数十万美圆的高档鼓形扫描仪或数字摄象机时，你会失望的，你的图象甚至不比输出到纸张或屏幕上更有价值。可是他们
自然会说，在技术上稍许差一些还是能产生“相当好的、但并不十分完美的图象”。我们千万不要相信他们的话。
究竟什么决定了扫描和图象数字化的质量呢？正如本章将要讨论的，扫描设备的技术性能是唯一起作用的因素，如源图象的状况、设
备操作员的技能、最终图象的应用场合（这一点也相当重要）等将与扫描设备的技术性能结合在一起决定图象的质量是否能令人满意。并
不是每一种输出都要求高级的、花钱多的设备才能很好地完成任务，本章将从最终输出的目的出发、立足于数字化设备的技术性能来讨论
“质量”问题。

分辨率
分辨率（Resolution）这个词使用得非常广泛。例如输入分辨率、扫描分辨率、光学分辨率、内插分辨率、屏幕（显示器）分辨率、图象分辨率、输出分辨率等等，
这些都是分辨率的不同存在形式。正是由于它在数字扫描和输出中起着如此重要的 作用，因而在以后的章节里将用很大篇幅来讨论它。
这里主要讨论影响扫描质量的两种分辨率类型：输入分辨率（又称扫描分辨率）和光学分辨率。我们将简要地阐述“分辨率”的某些其它含义，帮助你将主要精力
放在扫描技术上。
1、输入分辨率
所有的数字化设备（也包括扫描仪、数字相机、Photo CD工作站等）都具有一些共性的功能：
a.将模拟信息转换成计算机可以使用的数字数据。
b.产生光栅图象，这种图象是由黑白、灰度或彩色象素的网格组成。
注：光栅图象既是通常所称的位图图象，然而它们两者之间却存在着一个重要的差
别。光栅图象包括基于象素的所有图象，与其颜色特性无关；位图图象只包括黑白象素。
c.以频繁的间隔对原图象采样，在每个采样点检查其灰度或颜色值。
扫描仪的输入分辨率只是度量在数字化过程中一个给定的间隔（通常是每英寸或每厘米）内扫描设备采样信息的密度。虽然输入分辨率是扫描质量的一种度量方
法，但一般认为较高的输入分辨率将自动导致较高质量的图象并不一定正确（此问题将在以后的篇幅中详细阐述）。
其实质量问题是一幅图象应该具有恰倒好处的数字信息量，要想确定究竟多少信息才算恰倒好处，就需要统筹兼顾输入分辨率、原始图象尺寸和期望的输出尺寸
（对于印刷输出而言，还需要知道网目版的网线密度，以每英寸的线数lpi为度量单位）。
什么是象素、点或采样？
度量扫描设备的输入分辨率时，在术语的用法上存在着严重的混乱，这种混乱主要是由于在桌面出版和多媒体领域内一个术语往往能描述几件事情而造成的。你
可能会遇到的几个最常见的术语是ppi、spi和dpi。下面就这些术语的涵义作详细说明：
PPI（每英寸的象素数）
象素（pixel）这一个词可以用来描述几种不同的现象：每英寸内扫描设备可以捕捉信息的密度（输入或扫描分辨率），一幅光栅图象内信息的总数（图象分辨率）
和计算机显示器可以同时显示的独立的水平和垂直元素数（屏幕分辨率）。区别这些不同的用途是非常重要的。
很多数字化设备的软件接口都用ppi（每英寸的象素数）来描述采样速率，尽管很多数字摄象机和静物视频摄象机具有一个固定的输入频率，但扫描仪往往提供一个
可以进行选择的分辨率范围。随着扫描设备采样速率的增加，它所产生的象素尺寸却在减少。
用以下例子可以最容易的理解其中的原因：
如果试图将50条沙丁鱼装进一个只能放25条标准大小的沙丁鱼的罐头内，那么这种沙丁鱼只能比标准大小的沙丁鱼小一倍才能装得下。
象素也可以指一个数字化的图象在其水平和垂直方向包含的信息总量（例如800x400象素），这种用法描述的是图象分辨率，并非输入分辨率。最后，很多人都利用象素
这一术语来描述屏幕分辨率，这是计算机显示器可以显示的水平和垂直方向的可视元素量，例如1024x768象素。计算机显示器上象素数的大小是固定不变的，这一点与扫描设
备捕捉的象素大小不一样，因此显示器将以固定的象素尺寸去显示每一幅图象的所有象素。这就是为什么以300ppi扫描的图象在显示器上仅以72ppi进行显示、而且屏幕上的
图象要比印刷的图象大很多的原因。
当修辞癖们认为应该用“采样”这一术语，而不是“象素”来描述扫描设备正在感测和再现的东西时，他们可能是正确的。可是ppi这一专用术语在扫描界是如此的根深蒂
固，以致于并不是少数人的大声疾呼就可以扭转这一习惯的用法。在从事扫描工作时，只需记住“象素”这个词的各种不同含义就可以了。

DPI(每英寸点数)
很多杂志的撰稿人和某些扫描软件接口仍然使用术语dpi（每英寸点数）来描述扫描或输入分辨率，然而从技术上来说，每英寸的点数指的是输出分辨率，即在输出过程
中激光照排机和PostScript激光打印机输出的水平密度。读者千万不要将这二者混淆，当你在扫描接口中见到“dpi”时，就要将它看成是“ppi”。
光学分辨率与内插分辨率在选择扫描仪或数码相机时，首先要考虑的一点应该是扫描设备的最高分辨率。制
造厂家用两种方法来定义这一最高分辨率，即光学分辨率和内插分辨率。
a、光学分辨率
光学分辨率是指一个设备的光学系统可以采样的实际信息量，决定光学分辨率的各种因素随数字化设备类型的不同而不同。在平板式或透明介质扫描仪中，它们的最高分
辨率取决于两个因素：移动式扫描头中设置的线性电荷偶合器件内的CCD探测器数量和扫描仪可以接受的最大原始图象的宽度。例如，一个可以接受最宽为8.5英寸原始图象
的扫描仪内有一个5100单元的CCD电荷偶合器件阵列，它的最高水平光学分辨率为600ppi，扫描头在原始图象上扫过的距离确定了垂直分辨率，它可以高于水平光学分辨率，识字 数字相
机以及某些透明介质扫描仪一般采用一个矩形电荷偶合器件阵列，它使得在任何方向可以捕捉的象素总数是固定的。在鼓形扫描仪中，旋转速度、光源的亮度、步进电机的功能、镜头孔径的尺寸等组合在一起去确定其最高光学分辨率。
注：平板式扫描仪的厂家往往大肆宣传垂直光学分辨率是水平分辨率的一倍，如600x1200 ppi，这类扫描仪的传动机构采用“半步”方式，即一次前进半个象素，最终将象素叠合
起来。为了得到最终的颜色和灰度值，扫描仪必须求数学平均值。这类扫描仪的“真正” 光学分辨率是较低的（例如600x1200ppi），它也能获得较好的清晰度和较低的噪声。

b、内插分辨率
一个设备的最高“内插分辨率”表示在处理器或软件算法的帮助下扫描仪可以捕捉的视在信息量。内插算法不会增加新的细节，只是在相邻象素间求出颜色和灰度数据的
平均值，从而在它们之间增加一个新的象素，内插分辨率往往是光学分辨率的二倍或更 高。
通过实际扫描我们可以发现，在平板扫描仪的最高光学分辨率300ppi与内插分辨率600ppi同时扫描的一幅图象，然后将它们重新恢复到一个用于印刷的公共输出分辨率上
的比较结果得知，内插算法扫描的图象增加了象素，但没有增添真正的细节。我们一定要了解市场上的欺骗行为，特别当质量有问题的时候，只有光学分辨率才
能真正说明问题。内插法增加的“伪”信息可以适用于经济预算比较节紧的出版物，但绝对不适合那些大面积的彩色图象，这些图象中错综复杂的细节和广泛的色调范围是非
常重要的。内插法还使得图象比较柔和，因而有时还要做一些必要的锐化工作。也就是说，如果你的扫描仪主要用于印刷，那么最好还是在具有较高光学分辨率的扫描仪上进
行投资。不过用内插算法扫描网线印刷品却能获得满意的图象，因为网线印刷品，例如画报上是以CMYK四色点阵组成，在内插扫描时将扫描分辨率设置为光学分辨率的一或二倍后，
其扫描获得的图象数据量及尺寸也同时增加数倍，通过内插运算在图象中也增加了数倍的象素，最后将图象恢复到光学分辨率扫描时的大小时，图象的“细节”由于内插算法
增加象素的平滑性质使得锯齿效应大大减低，其图象效果比较光学分辨率扫描时更为柔和，此法适用于计算机光栅图象的显示。一些较大尺寸图源的图象甚至不用做任何矫正
处理，直接将ppi改为屏幕显示分辨率的72ppi即可以得到非常满意的效果。
放大系数
放大系数是指扫描过程中为了达到所需要的输出尺寸将原图象必须放大的倍数。如果原来扫描一幅较小的原始图象（如幻灯片或透明介质），而要将它印刷成大的多的尺寸，那就需要可能获得的所有非内插数据，这只有使用分辨率非常高的设备（如幻灯片扫描仪或鼓形扫描仪）才有可能。大多数鼓形扫描仪使用的软件可以根据原始图象的尺寸和所需的放大系数自动地计算所需的输入分辨率，而当你使用很多种平板扫描仪和幻灯片扫描仪时，则需要认为地进行计算。

成像面积
数字化设备可以接受的最大原始图象的尺寸决定了该设备的成像面积，有时也称为它的有效面积。一般平板扫描仪的成像面积从8.5x11英寸到11X17英寸；对于幻灯片和透明介质扫描仪，虽然某些型号可以具有数倍于介质面积的成像面积，但一般的型号具有基于标准胶片或透明介质尺寸固定成像面积；鼓形扫描仪的成像面积从8X11英寸（抵挡产品）到20X25英寸（高档产品）；数码相机基本上是用三维对象的扫描仪，因而它具有自己的光学术语，较少使用成像面积这一说法。成像面积、光学分辨率、源图尺寸组合在一起限制了扫描设备可以采样的最多象素和所产生的数字图象可以印刷的最大尺寸。

位深度和色深度
位深度和色深度从两个不同的角度表示一个扫描设备可以在它获得的每一象素上检测出的最大颜色或灰度级。一个1位的扫描仪（即工作于黑白方式的彩色或灰度扫描仪）可以按黑或白的颜色再现原始图象中的所有色调（2’=2级）。一个8位灰度的扫描仪从理论上说可以检测256（2的8次方）种不同的灰度级。一个24位的彩色扫描仪可以采样RGB三个颜色通道中每个通道内的象素，每个象素8位，因而可以得到总数为256X256X256=1677216（2的24次方）种可能的颜色值。
当位深度增加时，至少从理论上来说扫描设备可以捕捉的细节数量也会越多。24位RGB“真”彩色已经成为扫描和图象编辑的一种标准，其部分原因是因为数字256相对应于每个颜色通道内PostScript（印刷出版的数字化标准）可以再现的最高光能级的数量。然而在进行扫描设备比较时，并不是每一未都是等价的。在采用电荷偶合器件的设备中，该设备的理论颜色深度的高2位是“无用”位，它们并不提供精确的颜色信息，也就是说前6位是可靠的（每通道64种颜色，或262144种颜色），而每个通道的最后198种颜色却丢失了。某些电荷偶合器件的产品具有固有的局限性就是由此产生的。廉价的电荷偶合器件对环境电噪声很敏感，这种电噪声会使得探测到的颜色值失真；另一方面，在高档平板式或幻灯片扫描仪中和数字相机中使用的电荷耦合器件具有很高的信噪比，因而可以将纯正的信号传送给模/数模转换器。
在电荷偶合器件的尺寸和光敏度之间有一种内在的折衷。电荷偶合器件就象一个水桶，水桶越小，他所盛的水就越少，为了获得较高的光学分辨率，制造厂家必须将很多较小的电荷偶合器件装配在一起，每个单独的单元越小，它可以区别的光能级数就越窄。当需要数字化的原始图象包含着从白到黑的全色调范围时，就要综合考虑电荷偶合器件捕捉所有细节的能力。电荷偶合期间也存在着所谓的“串扰”现象。要想更好地理解串扰现象。可以这样设想：当你从漆黑的房间内走进下雪的环境中时，强烈的亮度会刺痛你的眼睛，，是你瞬间什么也看不清，因而就不容易感到在自然环境中任何细小的光能级的变化。同理，当紧密装配的两个相邻的电荷偶合器件单元达到光饱和时，会发生串扰，从而会使每个单独的单元所探测到的信号产生失真，其结果就会使数字化图象的相邻象素出现某种相
互之间的色干扰。这种无用位现象所产生的最明显后果是使用具有抵挡电荷偶合器件的设备进行图象
数字化时往往会出现相邻光能级之间的突变，而不是连续而平稳的过渡。在标称的位深度情况下就应该是缓变的。针对这一问题，扫描仪和数字相机制造厂家也采用一些具体措施，例如一些可以探测到每个通道较高位深度（10、12、14或16）的设备，这些无用位可以被舍弃，使得最终的数字化图象中每个颜色通道保持256种明确的颜色。这就要求我们去讨论“动态范围”这一问题，这也是议和一个衡量扫描仪质量的一个因素，而且与位深度密切相关。

动态范围和密度范围
位深度可以确定扫描设备所能探测的原始颜色或灰度级的总数，而“动态范围”（有时也称密度范围）却能确定数字化图象中相邻色调之间过渡的平稳性。该术语即可用于原始图象，也可以用于扫描设备。将它用于原始图象时，密度范围用0到4 OD（光学密度Optical Den-sity）间的一个值来度量，它表示对透明原始图象的光阻能力或对反射式原始图象的光吸收能力；将它用于数字化设备时，动态范围描述设备再现色调细微变化的能力，表示给定设备所能探测到的最淡颜色（dmin）和最深颜色（dmix）之间的差值，当扫描设备或原始图象的动态范围或密度范值增加时，它可以探测、阻挡、吸收的光能级的范围就扩大。一个设备的动态范围越宽，它可以捕捉的可视细节就越多，在阴影（颜色最深的面积）中更是如此。在阴影中要精确的采样细节是最困难的，因为用来反射式传送阴影细节的光能量是有限的。需要说明的是动态范围并不是度量扫描仪质量的唯一标准，一个使用具有较高噪声的电荷偶合器件的扫描仪，即使被吹嘘成有多么高的动态范围，其扫描效果仍是较差的。数字化扫描设备和原始介质都具有密度特性。一般来说，鼓形扫描仪的特点是比其它类型扫描设备具有更高的动态范围和dmax值；透射型介质（如胶片、幻灯片、透明介质等）比反射型介质（如照片、或画报等纸基图象）具有更宽的动态范围和更高的dmax值。影响扫描动态范围的另一个因素是密度的对数（非线性）特性。被扫描的正象（反射型印刷品、幻灯片、手绘原稿）倾向于在阴影部分有较多的色调压缩，而被扫描的负象（负片和透明介质）则在高亮区域具有较多的压缩。没有一种输入设备可以百分之百地补偿这种倾向，但是宽的动态范围肯定能有助于减少这类压缩。
附图为Kodak的Q-60r1 Target for模式用于各型高档及鼓形扫描设备的色调矫正样板，
该色调样板配合Kodak的DCR动态彩色再现技术软件来保证输出设备的彩色达到完美境界

为了获得最高质量的扫描结果，在选择输入设备时，要保证其动态范围和dmax值能符合过超过那些最经常需要数字化的介质的要求。例如，一台中档平板扫描仪的动态范围为3.0, dmax值为3.2，它就可以很容易地捕捉住反射型照片的所有色调。如果配备一个通明介质适配器，该扫描仪还适合于捕捉大多数商业级彩色幻灯片中的所有信息。然而，如果想捕捉在精美广告中使用的最高级透明胶片中的和复制幻灯片中的所有信息，就需要一台鼓形扫描仪或非常高档的平板扫描仪了。如果不需要经常数字化高档介质，就不必花很多钱去购买相应高档的设备。
[完]
摘自《Scanning The Professional Way》
U.S Sybil Ihrig . Emil Ihrig