O skenování a skenerech podrobně I. - Základní pojmy - Grafika.cz - vše o počítačové grafice

9. prosince 2004, 00.00 | V našem třídílném seriálu vás seznámíme se základnímy pojmy, typy skenerů, jejich využití a popíšeme základní postupy skenování. Nebudeme se zabývat skenováním kancelářských dokumentů, ale zaměříme se zejména na použití ve fotografické praxi. V prvním dílu popíšeme základní pojmy jako např. snímač, A/D převodník, rozlišení, denzita, barevná hloubka apod.

Úvod aneb komu je článek určen
Každý, kdo se rozhodne napsat článek, který je určen nějaké odborné nebo jakýmkoli zájmem postižené skupině lidí, musí nutně narazit na základní problém : kdo jej bude číst. Má to být článek nabitý odbornými výrazy nebo text zaměřený spíše na laika - tedy první seznámení, případně text zaměřený ryze prakticky? Od každého něco a pro každého něco -to bylo mým cílem a doufám, že se podařilo.
Úvodem budiž řečeno, že i když bude řeč o skenování, mělo by těm, kdo budou článek číst především o fotografii, o obraz a jeho kvalitu. Pro ty, kteří se zajímají o skenování jako o technickou záležitost článek stěží přinese něco nového. Mělo by jít spíše o oblast praktické aplikace použití skeneru a skenování filmů - negativních i pozitivních (diapozitivů).

Kdo skenuje
Skenují zejména fotografové. Toto zdánlivě banální tvrzení znamená, že pouze ten, kdo se fotografii věnuje, přemýšlí o skenování jako o dalším rozměru své práce, dojde jednoho dne k zásadnímu rozhodnutí, převádět své analogové výstupy - filmy, do digitální podoby. Navíc se jedná o fotografa, který nehodlá, alespoň prozatím opustit analogovou cestu - filmy - ale pociťuje nutnost výstup své tvorby digitalizovat, ať již z důvodu prezentace nebo pro rozšíření možností práce s obrazem. Typově je to fotograf, který klade důraz na nekompromisní kvalitu výstupu a současné digitální přístroje nebo výměnné digitální stěny ke středoformátovým přístrojům mu stále nepřipadají pro jeho práci nejvhodnější. Není mým úmyslem vyvolávat nějakou debatu "digitál versus analog" (sám používám obojí a upřímně řečeno mi podobné diskuze připadají hloupé). Lze se však nepochybně shodnout, že existuje tvorba, pro kterou je jednoznačně dosud analog vhodnější a skenování je pro takového autora zásadní otázkou pro převod jeho práce do digitální podoby (konkrétně umělecká černobílá fotografie, krajinářská fotografie - hlavně na středním formátu, fotografie architektury zaměřená na ostrou kresbu detailů s využitím ultrajemnozrnných emulzí opět zejména ve středním formátu, apod). Poněkud proto opomenu ten druh skenování, který je svého druhu kutilstvím. Nic proti takovému využití volného času, ale chci se zabývat skutečným skenováním, jehož výsledkem má být soubor dat svou kvalitou odpovídající analogovému zpracování filmového materiálu. Různé pokusy jak obelstít levný kancelářský plochý skener, aby zachytil něco z negativního nebo pozitivního obrazu na filmovém políčku, si proto dovolím ponechat stranou.

Lid počítačový
Opomenout nelze zásadní vlastnost člověka skenujícího. Musí být totiž zároveň člověkem počítačovým a není-li a hodlá začít se skenováním, musí se člověkem počítačovým stát. Skenování bez počítače není možné, protože musíte mít něco, kam tu hrst jedniček a nul vzniklou naskenováním předlohy přenesete. Každý skener, ať již speciální filmový nebo plochý, je jednou z periferií počítače a kdo chce skenovat, musí umět s počítačem pracovat a hlavně spolupracovat. Nelze "přidrátovat" jakýkoli skener k jakémukoli počítači, je třeba se alespoň uživatelsky vyznat v kompatibilitě operačního systému počítače a programového vybavení skeneru a také samotná práce při skenování samotném a následné zpracování naskenovaného souboru dat předpokládající alespoň základní grafický editor vyžaduje jistou počítačovou gramotnost.

Základní pojmy:

Snímač
Zařízení, které reaguje na dopadající světlo vybuzením určitého el.náboje. Tento náboj se následně zesílí a je digitalizován. V současné době známe nejrozšířenější snímače CCD (Charge Coupled Device) na bázi křemíku (CCD prvky již léta měří úroveň osvětlení např. v expozimetrech), a snímače CMOS (Complementary Metal Oxid Semiconductor), což je vlastně polovodič - tranzistor, který také po dopadu světla vyprodukuje el. náboj. Snímač je analogové zařízení, teprve jeho výstup je digitalizován.

A/D převodník
Zařízení, které změří el.náboj vyprodukovaný snímačem a výsledný údaj převede do dvojkové soustavy nul a jedniček - digitalizuje jej.

Rozlišení
Údaj obvykle udávaný v dpi - (dot per inch) body na palec. Čtverec předlohy o rozměrech 2,54 cm x 2,54 cm je rozložen na jednotlivá malá políčka - body. Kolik těchto bodů dokáže zařízení v tomto "palci"rozlišit dá výsledné číslo rozlišení.

Interpolace
Postup, kdy se zvyšuje rozlišení zařízení dopočítáním dalších obrazových bodů. Jas a barva těchto bodů se odvodí od nejbližších sousedních obrazových bodů, skutečně fyzicky rozeznaných. Jedná je o početní operaci, interpolace se používá jak v dig.fotoaparátech (nejvíce zn. FUJI) tak ve skenerech. Interpolovat lze také ve všech grafických počítačových programech jako je např. Photoshop.

Šum
Vlastnost snímacích čipů. Jejich buňky mají na spodní úrovni vždy nějaký el.náboj. Nikdy nenastane situace, že by světlocitlivý prvek vykázal absolutně nulový náboj. Tento základní náboj - šum je způsoben působením vnějších vlivů jako je např. rozhlasové nebo televizní vysílání. Tento základní náboj převedený do digitální obrazové podoby se projevuje jako rušivé zrnění, nepravidelně rozmístěné barevné body. Šum je tím větší, čím víc se zesiluje el. náboj produkovaný snímačem - zejména při nedostatku osvětlení. Také zvyšování citlivosti snímače se děje snižováním odstupu od základního el. náboje (šumu) a vliv šumu na výsledný obraz se tak zvyšuje. Šum se snižuje jednak speciálními programy na redukci šumu, veliké snímače používané např. ve velkoformátových přístrojích účinně snižují šum snímače jeho chlazením.

Zrno
Mikrostruktura citlivé vrstvy filmu, která vzniká přeměnou halogenidů stříbra na kovové stříbro. Fotografické materiály s většími krystaly (tedy zrnitější) jsou obvykle citlivější.

Skenování:

Možnosti skenování
Předem je třeba říci, že vymožeností skenování není zbaven ani člověk dosud nepřipojený k počítači a i když pro tento okruh lidí článek určen není, je nutno se alespoň zmínit. V současné téměř každá fotolaboratoř nabízí za přijatelný peníz kromě vyvolání filmu a zhotovení fotografií i naskenování a to v nepoměrně lepší kvalitě, než by to zvládl plochý skener a troufnu si tvrdit, že i než drahý značkový plochý skener s dianástavcem nebo levný amatérský skener filmový. Velké laboratoře skenují filmy na výkonných profesionálních filmových skenerech nebo na digitálních vyvolávacích strojích jako je např. Fuji Frontier, někde se využívají špičkové skenery bubnové. Proto první úvahou před koupí skeneru je kalkulace, zda pro občasnou digitalizaci nafocených filmů nepostačí využít tyto služby. Kdo nemá rozsáhlý archiv negativů a diapozitivů a fotografie archivuje ponejvíc v papírové podobě v albech a kdo zároveň nárazově bude potřebovat digitální soubor svých fotografií např. pro e-mail nebo webové stránky, měl by se vážně zamyslet, zda se mu investice do skeneru vyplatí.
Další, dnes již téměř nevyužívanou možností, jak převést analogový záznam na filmovém pásu na digitální je přefotografování filmového políčka digitálním fotoaparátem. Některé firmy (konkrétně vím o zn. Olympus) dodávaly k tomuto účelu i příslušný nástavec na objektiv fotoaparátu, opatřený držákem filmu a matnicí k rovnoměrnému prosvícení filmu. Výsledek závisí na rozlišení použitého fotoaparátu, kvalitě prosvětlení a kvalitě snímku. Jedná se spíše o nouzové řešení. Při pořizování takového zařízení je třeba si vše pečlivě vyzkoušet, problémem může být prohnutí filmu, obecně může některým digitálním fotoaparátům činit problém na průhledný obraz zaostřit. Už z principu ale výsledná "digitální fotokopie" filmového plíčka nemůže být té kvality, jako políčko naskenované. Digitální fotoaparát totiž neskenuje, ale fotografuje, tedy nepoužívá řádkování a následné složení obrazu, ale pojme prostřednictvím svého snímače celou optickou informaci prosvětleného políčka. Vzhledem k velikosti kinofilmového políčka a detailů nutně drobné detaily nebudou zobrazeny.
Standardním způsobem digitalizace našeho filmového analogového archivu je ale použití skeneru, který lze dnes pořídit již za překvapivě nízké ceny. Nejprve základní pojmy.

Skener
Otevřeme-li encyklopedii, pod heslem scanner - skener mimo jiné čteme : elektronické zařízení pro převod grafických předloh do digitální formy pro zpracování na počítači. Jedná se tedy o přístroj, který analogově zachycený obraz (ať již v průhledné - film - nebo neprůhledné formě - fotografie, obrázek, graf, text) digitalizuje.

Digitalizace
Zůstaneme-li ještě chvilku v encyklopedii dočteme se, že digitalizace obrazu je postup nahrazující plynule proměnné veličiny fotografického obrazu za jejich diskrétní hodnoty, vyjádřené dvojkovými čísly.

Rozlišení skeneru
Tento pojem je jedním ze základních kriterií výběru skeneru a poněkud se liší od obecného pojmu rozlišení, jak byl zmíněn výše v základních pojmech. Rozdíl je ten, že rozlišení skeneru není jednoduše dán počtem světlocitlivých buněk snímače, jako je tomu u tohoto pojmu používaného u digitálních fotoaparátů. Také u skeneru rozlišení samozřejmě vyplývá z použitého snímače. Skener je ale vybaven skenerem řádkovým (většinou CCD), který obsahuje tři řady světlocitlivých buněk. Každá řada snímá jednu barevnou složku světla, tedy každá řada světlocitlivých buněk je opatřena jiným barevným filtrem a to jedna řada červeným, druhá modrým a třetí zeleným. ( Digitální fotoaparáty mají také buňky snímače opatřené těmito filtry, ale jednotlivé barvy jsou uspořádány do mřížky. )
Tento řádkový snímač snímá delší stranu předlohy po řádcích a po sejmutí jednoho řádku jej krokový motorek posune o řádek dále (u některých skenerů motorek posunuje předlohu proti pevnému snímači). Rozlišení skeneru je tak dáno jednak počtem světlocitlivých buněk, jednak velikostí kroku krokového motorku, který je rozhodující pro to, kolik skenovaných řádek na konkrétní předloze dokáže skener absolvovat. U filmových skenerů není tolik podstatná optická soustava, ale jen z toho důvodu, že je ve většině případů velice kvalitní. Optická soustava totiž odpovídá za to, kolik ostře zobrazených bodů předlohy bude soustředěno na snímač. (Např. levné ploché skenery často nemají optickou soustavu vůbec, resp. si vystačí s jednou čočkou z optického plastu bez možnosti zaostření) Rozlišení skenerů se proto nejčastěji vyjadřuje ve tvaru násobku (např. 2500x2500 dpi). První údaj znamená rozlišení snímače a druhý údaj počet kroků krokového motorku. U levnějších, zejména plochých skenerů, je obvykle první údaj nižší, časté rozlišení udávané u kancelářských plochých skenerů je 600x1200 dpi. Filmové skenery mají oba údaje sladěny, takže u filmových skenerů se často udává rozlišení jako jedno číslo. Pokud tedy výrobce u filmového skeneru udává rozlišení 4000 dpi, je to ve skutečnosti rozlišení snímače, které se rovná počtu kroků, skener tedy pracuje s rozlišením 4000x4000 dpi.

Barevná hloubka
Barevná hloubka je pojem, který je vlastně poněkud matoucí, protože hovoří o barvě i když světlocitlivé prvky barvu nevnímají. Odhlédneme-li od rozdílné konstrukce různých snímačů, jejich podstatou je, že v závislosti na velikosti dopadajícího světla vybudí určitý elektrický signál. Aby bylo možno takto posoudit barevnost dopadajícího světla, jsou snímače opatřeny filtry základních barev - RGB - červená, zelená, modrá. Barevná hloubka tedy není nic jiného, než kolik různých úrovní osvětlení ten který snímací prvek rozliší. Protože dále snímač rozlišuje hodnoty osvitu pro každou skupinu světlocitlivých buněk opatřených jednotlivými barevnými filtry, je třeba tento počet úrovní osvitu násobit třemi. Jednodušší zařízení pracují se základní barevnou hloubkou, která se v současné době ustálila na 8 bitech na každý barevný kanál. Protože jeden bit je informace, zda nějaká hodnota je 0 nebo 1 (někdy se také hovoří o rozlišení 1 - proud prochází, 0 - proud neprochází) , při použití v digitální technice se obvykle jednomu z těchto dvou stavů ( 0 - 1 ) přiřadí jedno pevně určené elektrické napětí. Protože každý bit v sobě zahrnuje dvojkovou informaci (0-1), reprezentuje osm bitů na jeden kanál schopnost snímače rozlišit dvě na osmou odstínů tedy 256 odstínů. Pro tři základní barvy je to 256 na třetí informací o osvitu ve třech barvách. Jsme u známého čísla 16 milionů barev. Profesionální zařízení pracují i s vyšší barevnou hloubkou a to až 16 bitů na kanál. Je logické, že čím vyšší barevná hloubka, tím jemnější odstíny zařízení rozliší.

Denzita
Tento odborný termín má množství významů, ale nás zajímá ten, kde znamená hustotu a to optickou hustotu, která je cituji "logaritmickou mírou propustnosti světla látkou". Znamená to, že čím větší je optická hustota, tím více pohlcuje světlo. Pro potřeby skenování nám denzita říká, v jakém rozsahu je skener schopen rozlišit různé jasy, tj. zda dokáže rozlišit jemnou kresbu ve světlech a naopak odlišit různé jasy i v nejhlubších stínech a opět zde zobrazit nějakou kresbu. Levné skenery pracují jednoduše řečeno s denzitou - "bílý flek - černá placka" a denzita se u nich raději ani neuvádí. Zejména u filmových skenerů je údaj o denzitě snad ještě důležitější než nejvyšší rozlišení, uvědomíme-li si kolik detailů jsou schopny současné špičkové fotografické emulze - zejména ve stínech - zobrazit. Přitom kresba právě v nejhlubších stínech je často přímo výtvarným záměrem fotografa a skener by měl být schopen takový záměr převest do digitální podoby. Platí tedy, že čím vyšší denzita, tím kvalitnější skener. Denzita kvalitního skeneru by měla rozhodně být vyšší než 3 a u filmového skeneru vyšší než 4. Nejkvalitnější filmové skenery dosahují denzitu až 4,8.

V příštím díle si popíšeme jaké typy skenerů existují.