Pomoć pri tehnološkoj odluci CIS(CMOS) ili CCD senzori za digitalizaciju

U sledećem tekstu potrudićemo se da potencijalnim kupcima i korisnicima opreme za digitalizaciju detaljnije objasnimo po kom principu funkcioniše 90% opreme koja proizvodi digitalne slike. Da biste mogli da razlikujete jeftine i skupe uređaje, potrebno je da znate kako funkcionišu senzori pomoću kojih se stvara digitalna slika, jer to zapravo srce opreme koju koristite.

Ova internet strana će objasniti dve tehnologije skeniranja i uporediti ih u pogledu kvaliteta, upotrebljivosti, cene, pa i u ekološkom aspektima. Dve tehnologije koje se koriste u svim skenerima dokumenata su, redukcijski tip linearnog senzora (zove se CCD) i Contact Image Sensor (CIS). Skraćenica CCD zapravo je skraćenica za Charge Coupled Device, što je tehnologija koja se koristi u svim senzorima za  slike, dakle koristeći CCD kao sinonim za redukciju tipa linearnog senzora je netačno sa naučnog stanovišta. Ali pošto svi koriste termin CCD senzor za redukciju, tako ćemo ga i mi koristiti za redukciju kod fotoaparata, da ne bi došlo do zabune

publikacija će objasniti dve tehnologije skeniranja i uporediti ih u pogledu kvaliteta, upotrebljivosti, cene, pa i u ekološkom aspektima. Dve tehnologije koje se koriste u svim skenerima dokumenata su, redukcijski tip linearnog senzora (zove se CCD) i Contact Image Sensor (CIS). Skraćenica CCD zaprvo je skraćenica za Charge Coupled Device, što je tehnologija koja se koristi u svim senzorima za  slike, dakle koristeći CCD kao sinonim za redukciju tipa linearnog senzora je netačno sa naučnog stanovišta. Ali pošto svi koriste termin CCD senzor za redukciju, tako ćemo ga i mi koristiti za redukciju kod fotoaparata, da ne bi došlo do zabune.

Bayer šablon CCD

Digitalni fotoaparati koriste površinu CCD-a koji se sastoje od ekstremno malih piksela, a oni su prekriveni sa Bayer Šablonom koji se sastoji od dva zelena, jednog crvenog i jednog plavog piksela, rame uz rame. Ovo smanjuje rezoluciju, ali drugi faktori povećavaju šum u poređenju sa linearnim linijskim senzorima. Ova površina CCD senzora slike nije pogodna za skenere pošto oni ne skeniraju, već snimaju sliku.

Sledeći dijagram pokazuje kako se generiše Bajer šablon slika sa digitalnog fotoaparata. Ovo je dovoljno dobro za slike sa mnogo “out-of-focus” detalja, ali ne i za skenere.

Ako prodavac tvrdi da je prodao „skener“ sa snimanjem po principu fotoaparata, po principu kamere ili nešto slično, to će verovatno biti samo precenjeni fotoaparat.

Postoji izuzetak kod Francuskih proizvođača skenera za knjige. Oni su koristeći mnohromatski senzor snimali tri raličite ekspozicije sa različitim filterima ispred senzora. Svaka ekspozicija koristi sve piksele, a zatim se sastavljaju u punu RGBu sliku, kao što to rade svi ostali obični skeneri. Pošto svaka ekspozicija traje po nekoliko sekundi, moramo biti sigurni da nema pomeranja objekta ili fotoaparata, jer u suprotnom tri slike neće odgovarati jedna drugoj. Najbolji model ovog proizvođača koristi čip od 140MPixel da bi dobili rezoluciju od 600 dpi na veličini od A2 formata.

Sledeći dijagram pokazuje, kako je puna RGB slika sastavljena od tri ekspozicije kolor filtera crvene, zelene i palve. Samo fotoaparati koji imaju trostruko okidanje sa kolor filterima imaju isti kvalitet kao skeneri sa linijskim senzorima.

Skeneri zasnovani na CCD tehnologiji

Skeneri bazirani na CCD tehnologiji imaju linearne senzore koji snimaju crvene, zelene i plave linije, jednu za drugom, sa dokumenta osvetljenim belom svetlošću. Slika se redukuje pomoću redukcijskog objektiva sa prjekcijom na linearni CCD senzor. Objekat (dokument) se pomera uz sinhronizaciju sa ekspozicijom i CCD elementima. Crveni elementi će snimiti sliku, zatim zeleni elementi i na kraju plavi elementi. Nakon toga će kompjuter rasporediti ove linije pravilnim redosledom čineći RGB vrednosti u punoj rezoluciji, bez ikakvih artefakata Bajer šablona.

Kvalitet bele svetlosti određuje kvalitet skeniranja. Pre nego što je bela LED svetlost postala dostupna, proizvođači skenera velikih formata koristili su floroscentne lampe za tu svrhu. Nedostaci florescentnih lampi su mnogostruge i zbog njih većina proizvođača skenera više ne koristi floroscentne lampe.

Jedna od glavnih razlika je u kvalitetu boja. Najbolja tri-band florescentna lampa sa CRI>95 je optimizovana za najviše svetlosne intezitete i ne odgovara za krive CCD elemente. Ove cevi emituju pikove u zelenoj, crvenoj i plavoj zoni spektra, pokušavajući da izvuku maksimum lumena po watu. Spektralni odgovor krive, od lampe visokog kvaliteta LED svetla, je mnogo stabilnija ne izostavljajući više boja, kao što se to događa sa floroscentnom lampom.

Visoki kvalitet LED svetla u WideTEKu

Florescentna lampa (konkurencija) CRI > 90

Trolinijski CCD senzor

Većina visoko tehnoloških skenera koristi trolinijske CCD senzore. Ovi senzori konvertuju svetlo na svojoj površini u električne signale. Kolor filteri za crvenu, zelenu i plavu na tri uzastopna reda CCD elemenata obezbeđuju veoma visoke skale boja, što je tipično za CCD skenere a što se ne može postići kod većine skenera sa CIS tehologijom. Veličina piksela za visok kvalitet slike CCD senzora je veličine, 10pm x 10pm i to su tipične vrednosti. Veći pikseli pomažu da se smanje šumovi i ostali efekti degradacije na slici. Očitavanje brzine linearnih CCD senzora može se kretati do 120MPixel u sekundi po kanalu boje, pa zato najbrži skeneri koriste ovu vrstu senzora.
Neki proizvođači skenera koriste trolinijske senzore sa četriri reda senzora, gde ovaj poslednji nije osetljiv na boju. Razlog ovoga je da procesiranje slike u sklai sivih tonova tri puta brže od od obrade slike u boji. Drugim rečima, ovi prodavci koriste četvrti red CCD elemenata da prevaziđu ograničenje brzine. Kompromis leži u tome da oni na mogu da urade balans bele boje u slikama sivih tonova. Proces kalibracije balansa bele boje za crven, zeleni i plavi kanal se radi nezavisno jedan od drugoga, koristeći referentnu belu boju kao osnov. Foto metrički tačno (za ljudsko oko) slike skale sivih tonova koriste 30% od crvene, 59% od zelene i 11% od plave da izračuna vrednosti slike.

Image Access-ovi CCD skeneri koriste trolinijske CCD senzore, uvek skeniraju u punom koloru i ako je potrebno pretvaranje u skalu sivih tonova, koriste fotometrički ispravne faktore.

CCD Optika skenera

Piksel na originalu u rezoluciji od 600 dpi ima dimenziju 64pm x 64pm, samim tim redukcija objektiva 1:6.4 u tom slučaju mora koristiti CCD elemente koji su 10pm x 10pm. Ovi rezultati na dugačkim putanjama, su obično sa dodatih nekoliko ogledala da bi zadržali veličinu pod kontrolom. Dužina putanje je nedostatak zbog povećanih troškova koji su uključeni, ali velika fokalna dubina rezultira iz duge fokalne dubine, što je jasna prednost.

 

Kvalitet umanjenja objektiva je veoma važan faktor koji utiče na opšti kvalitet sistema za skeniranje, ali su ograničenja mnogo manja u poređenju sa jako kvalitetnimi objektivima digitalnih fotoaparata. Razlog za to je činjenica, da se koristi samo srednji deon sočiva zbog prirode linijskog senzora. Ne samo da bi objektiv digitalnih fotoaparata morao da bude duplo veći u prečniku, već bi to takođe pokazivalo značano odstupanje u bojama, geometrijsku netačnost kao pun jastuk distorzije i gubitak intenziteta i spoljnim uglovima. Skeneri se koriste za primenu kontole kvaliteta, daleko iza tačke gde je dovoljno samo dobiti sliku, već je preciznost ključan faktor. Dobar “izgled” nije zamena za precizno skeniranje.

Šivenje bazirano na CCD skenerima

Činjenica je da ne postoje distupni objektivi ili CCD senzori za snimanje 36 inča širokih dokumenata u visokoj rezoluciji, a ova loša strana skenera širkohi formata se prevalzilazi tzv. “šivenjem”. Skener mora biti rekalibrisan na redovnoj osnovi, jer se sastoji od tri ili četiri nezavisna CCD podsistema, od kojih svaki ima svoja sočiva i ogledala. Tokom ovog procesa ofsetna test meta visoke preciznosti (papir za kalibraciju) se skenira u horizontalnom i vertikalnom pravcu između pojedinačnih mera kamera. Ove vrednosti se kasnije koriste za “šivenje” tri ili četiri slike iz individualnih CCD senzora u jednu.

Image Access WideTEK skeneri imaju svoje optičke komponente, kao što su sočiva, ogledala itd. Montirane u jedno ultra-stabilno kućište kako bi se izbegle greške u šivenju uzrokovane termičkim širenjem skenera i njegovim montiranim delovima. Patentiran proces kalibracije od preostalih kompozicija šivenja pre svakog skeniranja čini šivenje, koje nije problematično. Ni postoji potreba za procedurom sa referentnim kalibracionim dokumentom ili šivenje, ali je veliko olakšanje za svakog korisnika bez obzira na njihovu tehničku pozadinu.

Skeneri bazirani na CIS tehnologiji (potrošački kvalitet)

Skeneri osnovnog nivoa koriste senzore sa CIS tehnologijom. CCD u kombinaciji sa 1:1 Selfoc objektivom sa vrlo male distance i LED svetlosnim sistemom, gde se svi se objedinjuju u kompaktni modul. Ovi moduli su prilično jeftini i proizvode se u vrlo velikim količinama za tržište skenera za staklenom pločom. Dijagram sa desne strane prikazuje poprečni presek tipičnog senzora pronađenog u skenerima širokog formata. Niži dijagram pokazuje isti CIS modul sa strane skeniranja. Modul se sastoji od mnogo pojedinačnih CCD čipova od 200 do 300 piksela svaki, koji su postavljeni jedan do drugog da bi se formirala duga CCD linija obično 210 mm (pogodna za A4 format).
Svetlo na ovom potrošačkom nivou CIS modula se emituje preko svetlosnog štapa koja nosi tri LED boje na svakom kraju. Svetlosni štap ima šupljine na različitim udaljenostima koje su odgovorne za emitovanje svetlosti i njeno sigurno distribuiranje po dužini modula.

Jednostrana RGB LED svetla CIS (f.e. CNL)

Ove LED diode su pulsirale na način da su tri ekspozicije pod osvetljenjem svake boje. Ovo će kasnije biti sastavljeno u jednu liniju RGB piksela. Detalje o dizajnu CIS senzora možete naći ovde.
LED svetlo obično nema period zagrevanja, ali dodaje malo boje artefaktima, jer LED sistem osvetljavanja se obično sastoji od crvene, zelene i plave LED gde je svaka boja uključena u 1/3 linije skeniranja. Ovo proizvodi obojene ivice na crnim i belim originalima, jer je svaka boja slike uzeta sa malo drugačijeg položaja. Image Access koristi naprednu “Bilinearnu” interpolaciju da dovede ovaj efekat do nevidljivosti.
Većina korisnika CIS modula ima LED osvetljenje samo na jednoj strani po širini, koja pojačava sve nabore i druge površinske nepravilnosti samo ako je površina dokumenta vrlo ravna. Ovo pojačavanje efekta se može smanjiti u određenoj meri ako se koristi difuzor. Marketinško odeljenje vrlo poznatog proizvođača skenera širokih formata u prodaji ono naziva “dvostrukim difuzorom” skrivajući činjenicu da samo njihovi moduli imaju “jedinstveno bočno osvetljenje”.

Skeneri bazirani na CIS tehnologiji (profesionalni kvalitet)

Za prevazilaženje problema sa CIS modulima na nivou potrošača, Image Access je razvio novi CIS modul sa dva reda crvenih, zelenih i plavih LED dioda po širini modula. Dijagram sa desne strane prikazuje poprečni presek ovih CIS modula. Sꞌ obzirom da su potpuno simetrična, nema senke vidljive čak i ako su dokumenta naborana ili na drugi način neravna.

Visok kvalitet LED dioda koje koriste WideTEK skeneri takođe će prevazići nedostatke koje imaju u odnosu na CCD skenere kao što je manja paleta boja. Naši CIS skeneri se nalaze veoma blizu našim CCD skenerima u pogledu gama vrednosti boja.
Jedno pitanje ostaje i suštinska razlika između ove dve tehnologije. Dubina fokusa CIS senzora je veoma mala, obično delić milimetra. To znači da se obavezno originalni dokument stavlja na površinu stakla za skeniranje, što rezultira nekolicini pitanja koja se lako mogu zamisliti: prljavština, prašina, i ogrebotine, što sve može degradirati kvalitet slike i može oštetiti original.

Neki proizvođači skenera širokih formata na nivou potrošačkih modela koriste četiri ili pet ovih CIS modula montiranih rame uz rame da bi se postigla širina 36 inča i više. Efekat šivenja i geometrijskih izobličenja su mnogo manje značajni nego sa skenerima baziranih na CCD senzorima, zbog optičkog sistema 1:1 i fiksnog rastojanja između modula. Optički sistem i fiksno rastojanje između pojedinačnih modula. To ne važi za skenere koji imaju CIS module koji se teturaju u pravcu transporta kao što to imaju svi skeneri velikog formata. Zbog velikog rastojanja između pojedinačnih modula, koje može biti odvojeno i do 1000 linija; šivenje postaje zavisno od svojstva dokumenta i takođe zahteva prilično utegnut transportni sistem.
Image Access-ovi WideTEK skeneri imaju algoritam softvera baziran na automatskom šivenju, koji poredi preklapanja slike a proizilaze iz svakog senzora, prilagođavajući šivenje slike na osnovu analize sadržaja. Kao rezultat WideTEK skenerima baziranim na CIS senzorima je jedino potrebno vreme za fabrička podešavanja, a van toga oni se ponašaju kao solidni pojedinačni senzori.

Zaključak

Postoje vrući argumenti u odnosima CCD i CIS tehnologije u poslu sa skenerima širokog formata. Isti argumenti se koriste za svaku od ove dve tehnologije, ovo će zavisiti od favorizacije odgovarajućeg autora ili prodavca. Da li zaista “Tehnološka odluka” može da se donese? Image Access vidi prednost u obe tehnologije i mislimo da odluka zavisi od potrebe naručioca i samog budžeta.
Mnoge od članaka i reklama smo pročitali nedavno sa pogrešnim i netačnim izjavama. Pročitali smo stvari kao što su:

„CCD podržava širi spektar boja skalu/bit dubinu, snimanje 48bitni kolor u odnosu na 28 bitne boje u CIS i to je razlog zašto se CCD koristi u današnjim fotoaparatima.“

Čak i ne tehnički korisnik će odmah doći do zaključka da rezolucija A/D konvertora nema nikakve veze sa izvorom signala. Obe tehnologije proizvode analogni izlazni signal, koji će se digitalizovati u kasnijoj fazi kroz A/D konvertor. Ovde se može imati bilo kakva rezolucija između 8bit i 48bit, ali je nezavisna od CCD senzora ili CIS senzora.

Zašto bi iko na svetu razmišljao o korišćenju Contact Image Senzora sa maksimalnom žižnom daljinom od jedne desetine milimetra i veličine slike od 1 do 5000 piksela za digitalni fotoaparat? Ova logika ostaje tajna njenog autora.

Cilj je da ne favorizujemo jednu od ove dve tehnologije, jer obe imaju svoje dobre i loše strane. Uvereni smo da će odluka o kupovini kod kupca u velikoj meri biti pod odlukom mnogo važnijih kriterijuma nego što je izbor “prave tehnologije”.