ПЗС или КМОП для сканеров?

Современные планетарные сканеры делятся ни три основных вида: фотоаппаратные, устройства на основе линейных сенсоров и сканеры на матричных сенсорах. Если фотоаппараты используются в бюджетном сегменте, то линейки и матрицы конкурируют в классе высококачественных сканеров, где наиболее популярны две технологии — трехлинейные датчики ПЗС и КМОП матрицы с разрешением 70 Мп.

Рассмотрим сканеры премиального сегмента.

Какие же сканеры лучше — с ПЗС или КМОП? В этом обзоре мы постараемся ответить на этот вопрос, сравнив две технологии по нескольким параметрам.

Линейный прибор с зарядовой связью или ПЗС — это аналоговая интегральная микросхема, которая состоит из светочувствительных фотодиодов, способных преобразовывать световую энергию в заряд. Изобретенная в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом, технология приобрела широкое применение благодаря компании Sony, которая наладила производство ПЗС для своих камер.

КМОП расшифровывается как «комплементарная структура металл-оксид-полупроводник» и представляет собой светочувствительную матрицу, состоящую из набора фотоприемников. Технология зародилась еще в 60-х годах двадцатого века, но обрела популярность лишь в начале 1990-х. Дело в том, что до этого времени разрыв по основным параметрам с ПЗС был настолько велик, что матрицы на основе КМОП не получали заметного развития.

Использование в сканерах

Процесс обработки изображения в КМОП сенсоре начинается с попадания световых лучей, которые отражаются от оригинала, на поверхность сканирующей матрицы. Далее, во время экспозиции, происходит накопление заряда на светодиодах и последующее считывание полученных параметров. Это происходит в произвольной форме и зависит от момента попадания фотона на считывающее устройство.

Устройство КМОП матрицы

Путем смешения красного, зеленого и синего можно получить любой другой цвет. Одной из особенностей КМОП-сенсоров является то, что каждый пиксель регистрирует только один из этих цветов. А для того, чтобы получить остальные используют так называемый фильтр Байера.

Фильтр Байера

Важной составляющей работы матриц на основе КМОП является использование в процессе построения изображения фильтра Байера. Фильтр используется как барьер перед матрицей и пропускает только один цвет: зеленый, красный или синий. Итоговое изображение получается путем сложного арифметического усреднения информации, полученной с четырёх (зелёных пикселей в 2 раза больше, поэтому не три, а четыре) соседних сенсоров разных цветов.

Трехлинейный ПЗС сенсор

Напротив сканеры на основе линейных сенсоров ПЗС полностью захватывают красные, зеленые и синие линии, одну за другой. Далее изображение проецируется на линейный ПЗС-датчик. Линейка перемещается и поочередно захватывает красные, зеленые и синие элементы. Затем компьютер размещает линии в нужном порядке, и формирует RGB-изображение. Формирование электронного образа в полном разрешении происходит без фильтра Байера.

Фактор использования фильтра Байера напрямую отражается на контрастности и разрешении сканируемого документа. При одинаковых условиях использования ПЗС и КМОП, динамический диапазон последней зачастую значительно уступает, поскольку 2/3 цветовой информации отсекается фильтром.

Каждый субпиксель в КМОП представляется обычным пикселем, хотя фиксирует только один канал из трёх. В ПЗС-системе каждый пиксель принимает все цвета.

Разрешение — определяющий параметр для всех цифровых изображений. За счет «построчной» обработки элементов, линейный ПЗС сенсор способен формировать на каждой из линий максимальное количество пикселей.

Работа линейного ПЗС сенсора («построчное сканирование»)

С другой стороны, матрица «снимает» образ за один прием и четко ограничена в количестве точек на дюйм. Недостающие компоненты рассчитываются процессором на основании данных из соседних пикселей в результате интерполяции, что не является повышением разрешения, а лишь присвоение рядовых значений цвета близлежащих точек. Поэтому показатели разрешения линейных сенсоров, особенно при способе сканирования по «узкой» стороне оригинала, будут выше.

Процесс интерполяции (добавление значений в соседние пиксели)

Самый доступный планетарный сканер с трехлинейным ПЗС в России — ЭЛАР ПланСкан А2В. Его цена стартует с отметки 1,2 млн. руб. Аналогичный по характеристикам сканер формата А2+ на основе КМОП матрицы 70 Мп — Book2net Kiosk начинается от 2,5 млн. руб.

В противовес качеству, матрицы выигрывают в скорости сканирования, которая составляет вместе с обработкой пикселей, 1-2 секунды, против примерно 4-6 секунд сканирования ПЗС-линейкой.

Процессы оцифровки

Специфика работы со сшитыми оригиналами предполагает использование V-образного режима колыбели сканера, когда документ сканируется с неполным раскрытием. Такой процесс оцифровки включает перенос полученного образа в двумерную плоскость, или иными словами — выравнивание изображения. В этом отношении матрица уступает линейным сенсорам. Это происходит из-за того, что изображение снимается целиком, что влечет необходимость фокусировки на общей площади сканирования, обуславливая возникновение геометрических искажений по краям электронных образов и необходимость выравнивания из V-режима с помощью алгоритма компенсации перспективы. Поэтому, зачастую у сканеров с КМОП V-режим не предусмотрен или, в некоторых моделях, реализуется с использованием двух камер для каждой половины колыбели.

Характерные геометрические искажения для сканеров с КМОП-матрицей

В отличие от КМОП линейный датчик формирует образ постепенно. Дополнительно сканеры на основе линейных ПЗС оснащаются «следящими» системами лазерной фокусировки, что позволяет непрерывно фокусироваться на крайних точках документа, несмотря на перепады высоты от края страницы до корешка, тем самым обеспечивая процессор точной информацией для расчета компенсации геометрических искажений при сканировании в V-образном режиме. Поэтому выравнивание страниц у «линейных» сканеров производится более целостно.

Сканирование книги в V-режиме с последующим выравниванием

В отделе сканирования РГБ приоритет отдан сканерам на основе ПЗС сенсоров. Основной парк оборудования составляют планетарные сканеры ЭЛАР ПланСкан А2В, сканирующая система которых включает 3 ПЗС-линейки по 7500 пикселей каждая.

Отдельно стоит рассмотреть задачи по крупноформатному сканированию. Планетарные сканеры на основе КМОП матриц от формата А1 и более также в основном оснащаются сразу двумя камерами. Сделано это для улучшения показателей разрешения больших оригиналов, однако такой подход предполагает ряд компромиссов. Первым из них является необходимость программного сшивания двух половин оригинала, что даже с учетом использования продвинутых алгоритмов влечет нарушение целостности изображения, особенно при задачах высококачественной оцифровки иллюстраций или текстовых разворотов.

Второй, но не менее значимый — надежность и обслуживание. Так как обе камеры работают попеременно, ровно в два раза повышается риск поломки одного из элементов, а также увеличиваются расходы на обслуживание. Не стоит забывать, что отказ любой из камер полностью останавливает работоспособность сканера.

Стоимость производства КМОП-матриц возрастает с увеличением разрешения сенсора. Если 18 Мп матрица дешевле практически любой ПЗС-линейки, то матрица на 70 Мп уже существенно дороже. Поэтому планетарные сканеры с оптическим разрешением от 300 dpi на основе КМОП-матриц стоят дороже аналогичных сканеров на основе линейных ПЗС сенсоров.

Технология линейных ПЗС в большой степени распространена в комплексах высококачественного сканирования, которые создают детализированные изображения на формате до 2А0 без использования программной сшивки. Такие сканеры могут формировать крупноформатные изображения без геометрических искажений и потери разрешения. В зависимости от модели сканирующая система в процессе оцифровки либо движется сама, либо приводится в движение непосредственно поверхность сканирования, которая проходит под статичным блоком сканирующей системы. Серийные планетарные сканеры на основе ПЗС способны достигать значительных показателей разрешения — до 600 dpi на формате А0+ (при размере оригинала 914 мм x 1524 мм).

Пример высококачественного сканирования с применением трехлинейного ПЗС-сенсора

Наряду с этим единственный сканирующий элемент уменьшает количество узлов и расходных материалов в сканирующей системе, что повышает общую надежность конструкции и сокращает расходы на сервисное обслуживание.

Распространенной проблемой КМОП матриц является перегрев. Так как матрица в сканере находится в рабочем состоянии постоянно, зачастую в процессе длительной эксплуатации электроника нагревается и приводит к перегреву пиксельной структуры, что увеличивает цифровой «шум» скан-образов. Линейные датчики ПЗС напротив включаются только во время сканирования, поэтому такая проблема на линейных сенсорах исключена

Сравнительное тестирование

Для наглядной демонстрации работы сканирующих систем мы провели ряд тестов по ключевым параметрам. В качестве испытуемых были выбраны немецкий Microbox Book2net Kiosk на основе КМОП-матрицы 70 Мп и отечественный ЭЛАР ПланСкан А2В с трехлинейным ПЗС сенсором.

1. Цветопередача

Сканирование цветовых мишеней при одинаковых условиях внешнего освещения и настройках разрешения. Тестовая оцифровка предполагает отключение всех функций обработки.

КМОП-матрица

Трехлинейный ПЗС

Оба изображения тест-объекта соответствуют профессиональным стандартам, однако результат ПЗС датчика отличается точностью цветопередачи с большим количеством различимых тонов. Этот фактор не играет ведущей роли при сканировании текстовых оригиналов, однако будет весьма значительным для работы с иллюстрациями.

2. Равномерность освещения

КМОП-матрица

Трехлинейный ПЗС

Работа осветителей сканеров на основе КМОП не связана с технологической реализацией сканирующей системы — это, как правило, всегда независимо закрепленные лампы. Вследствие чего система имеет большую чувствительность к внешним факторам, а мощности светового потока, вынужденного рассеиваться по всей области сканирования, недостаточно для равномерного распределения света на документе. Поэтому одна из главных особенностей сканеров с КМОП — это затенение краев на изображении. Что отчетливо видно на тестовом образце.

Сканер на основе датчика ПЗС показывает более равномерное распределение светового потока. За счет синхронного LED-освещения, которое проходит вдоль оригинала постепенно, обеспечивается большая однородность освещенности документа.

3. Разрешение

Для визуального контроля и оценки оптического разрешения рекомендуется использовать тест-объект ТО-2 (ГОСТ 13.1.701-95), который поочередно сканируется на каждом устройстве под углом 45 градусов. Тест-объект содержит набор перпендикулярно расположенных групп пар линий с различной частотой. Для оценки необходимо выбрать группу, элементы которой различимы и читаемы. Значение 9.0 соизмеримо с разрешением 600 dpi

КМОП-матрица

Трехлинейный ПЗС

По результатам тестирования на объектах, полученных с КМОП сенсора, отчетливо читаются линий до отметки 6.3 и различаются до значения 7.1. Показатели 9.0 — неразличимы. Что, не смотря на большое количество мегапикселей в матрице (70 Мп), не соответствует заявленным производителем показателям оптического разрешения, а именно не обеспечивает 600 точек на дюйм на изображении формата А2.

На тест-объекте сканера с линейным ПЗС хорошо читается отметка 8.0 и различаются линии до значения 9.0, что в полной мере соответствует оптическому разрешению 600 dpi на формате А2.

Вывод

Проведенное тестирование подтверждает, что обе системы могут использоваться для задач профессиональной оцифровки КМОП матрица и трехлинейный ПЗС демонстрируют высокие показатели сканирования и с технической точки зрения оправдывают выбор производителей планетарных сканеров. Наряду с этим линейный ПЗС в ряде случаев показал лучшие результаты: у него выше оптическое разрешение, лучше точность цветопередачи и равномерность освещения, что обуславливается отсутствием фильтра Байера и конструктивными различиями сканирующих систем.

Дополнительным преимуществом ПЗС является возможность сканирования крупноформатных документов в высококачественном режиме без применения программной сшивки.

В целом при прочих равных существенный дисбаланс двух технологий наблюдается в цене. При сопоставимых характеристиках производство трехлинейной ПЗС существенно дешевле 70 Мп КМОП матрицы. Что отражается на итоговой стоимости планетарных сканеров. Аналогичные по классу устройства имеют практически двукратную разницу в цене.

К примеру, стоимость подопытных моделей, с помощью которых проводилось тестирование, различается кардинально. Так на сегодняшний день цена ЭЛАР ПланСкан А2В с трехлинейным ПЗС около 1,2 млн. руб., а Microbox Book2net Kiosk с КМОП матрицей 70 Мп более 3 млн. руб.

Отсюда возникает главный вопрос — какая технология лучше? Каждый решает сам и выбирает сканер исходя из своих потребностей и задач. Очевидно только одно, в России пользователи уже сделали выбор — по итогам 2016 года по данным CNews Analytics планетарный сканер ЭЛАР ПланСкан А2В на основе линейного ПЗС стал одним из самых популярных сканеров в стране и по показателям продаж существенно обогнал различные модели планетарных сканеров на основе матричных сенсоров.