印前系统扫描仪品质评价及合理选择

 随着近年来计算机等高新技术在印刷业的广泛应用和在国家新闻出版署“印前数字化，网络化”目标的引导下，推动了印刷业快步进入数字时代。传统的模拟制版工艺已逐步由数字印前工艺所替代，并以彩色桌面出版系统或数字直接制版系统为基础重新构建面向21世纪跨媒体出版印前图文处理的框架，形成了高效、简洁，质优的印前生产工艺流程，从而使印刷领域的生产效率和生产质量处于“一个有决定意义的开始——印前解决方案”的良性循环中。而印前解决方案中“一个有决定意义的开始”的核心就是本文所述的扫描仪品质评价及合理选择。

    一、扫描仪及其工作原理
    扫描仪是印前系统的关键设备，也是一种计算机系统的信息采集与输入设备，其采用光电转换原理将连续调图像转换为供计算机处理的数字图像，实现图像信息的数字输入，是印前领域实现数字化生产作业的基础。
    从图像信息处理角度看，扫描仪的扫描过程如图1所示，实质上是图像信息的数字化采集过程，即对原稿图像信息的采样和量化过程。
    1、扫描仪的组成及工作流程
    目前应用于印前系统的扫描仪主要分为采用光电倍增管（PTM）作为光电转换器件的滚筒式扫描仪和采用光电藕合器件（CCD）作为光电转换器件的平板式（平台式）扫描仪两类。
    滚筒式扫描仪采用如图2所示的逐点扫描方式。即在扫描过程中随着贴附原稿的分析滚筒的转动和照明与分析头的横向移动，形成螺旋扫描线，每根扫描线在圆周方向上又被解析成相互独立的图像信息基本单元——像素。
    平板扫描仪采用如图3所示的平面扫描方式。即在扫描过程中，原稿贴附于扫描平台上，能过线状或面状扫描来获取各基本单元的图像信息。
    扫描仪不论采用何种扫描方式，扫描仪组成方式相同，如图4所示。即扫描仪由照明系统，同步信号发生系统，扫描系统，光电转换系统，模拟/数字（A/D）转换系统等五部分构成。
    尽管目前扫描仪品牌种类繁多，但其都是利用光源将原稿的图像信息转换成光信号，再将光信号经光电转换和适当处理变换后以数字方式传输给图像处理系统，因此，从图像信息处理角度看，扫描仪都是采用栅格处理方式和光电技术来分解图像并获取图像信息，其工作流程如下：
    2、扫描仪的图像信息采集
    目前扫描仪对图像信息的采集根据其传感器件的不同分类采用点扫描方式的滚筒扫描仪和采用行扫描方式的平板扫描仪。点扫描方式的信息采集系统如图6所示，扫描光源的光经反射照明系统或透射照明系统将光聚焦于原稿表面，形成直径约1mm的光斑，光斑中心直径0.01mm～0.03mm的区域为原稿信息，经反射或透射后进入扫描仪采集系统，并通过光孔轮来选择光孔的形状与孔径，并由此确定扫描分辩率。对于彩色图像，经过光孔的光再经过分光系统分解成三束，并由滤色片来完成图像的分色获取图像三原色的RGB或CMY信息。
    经过信息采集的光信号再由传感器件（PTM）变换成电信号，进而经过相关处理后转变为数字信号，并存储于计算机中供后续处理使用。
    行扫描方式的信息采集系统如图7所示。由照明系统（卤素灯或荧光灯）发出的光线经由平面镜和棱镜组成的光学系统逐行聚焦到CCD线阵上，CCD单元按位置关系获取对应像素信息，对于彩色图像通常采用三个CCD线阵并行安装，每个CCD线阵分别覆以R、G、B涂层，扫描行光线经棱镜分解成三束，分别照射到相应的CCD线阵，同时获取其象素的R、G、B信息。
    二、扫描仪的评价
    扫描仪作为彩色印前系统中的最关键设备，直接决定着图像再现的质量，因此建立一个客观、全面、可靠的评价方法，对扫描仪的选择及应用意义重大。我们根据大量的理论研究及工程实验得出：扫描仪的扫描动态范围，色彩还原能力，扫描清晰度，扫描重复精度及扫描速度是扫描仪评价的重要技术指标，它们能客观、全面、真实地反映出扫描仪及其输出图像质量的状态。
    1、扫描动态范围
    扫描仪的扫描动态范围是指扫描仪能最大限度识别原稿灰度的范围或灰度的线性范围。扫描动态范围可以通过对一个可检测的、密度范围足够大的多灰度模型样本实际再现状态来确定。因此扫描动态范围检测的关键是多灰度模型样本及其标准。应用于扫描仪评价的多灰度模型样本必须满足：
    （1）具有足够大的灰度（密度）分布：△D≥3.8（反射）；△D≥4.3（透射）
    （2）具有线性分布的高调，中间调与暗调细节。
    （3）各灰度级有客观的标定数值。
    （4）具有良好的中性灰性质。
    经过实验研究，目前印刷业中使用的Kodak27级中性灰透射梯尺和21级反射梯尺是一种较好的多灰度模型样本。图8采用Kodak标准反射梯尺为多灰度模型样本，对两种不同型号平板式扫描仪测试的数据及处理结果。从图中可知，扫描仪的动态范围A优于B。
    2、色彩还原能力
    彩色还原能力是指扫描仪对彩色图像信息中各种颜色的还原能力。它包括扫描仪整体性色彩还原能力和扫描仪对标准色的色彩还原能力两个方面。
    扫描仪整体性色彩能力通常采用Kodak标准灰梯尺来作为评价模型样本，即对标准灰梯尺在规定的色彩模式下扫描，获取标准灰梯尺的中性灰平衡参数及其分布特征，并与标准实验样本中性灰平衡参数进行比较，从而综合分析出扫描仪整体性色彩再现中色彩的还原状态，调校能力及不同扫描仪间的差异。图9是两种不同扫描仪与标准模型为参照的整体性色彩再现能力的比较，可见扫描仪B的整体性色彩还原能力优于扫描仪A。
    扫描仪对标准色的还原能力通常采用标准色标中各标准色块（C、Y、R、G、B，Y+M+C，BK，W）的色彩构成参数，燕由此计算出其与标准色样参数间的相对色差来综合分析出其标准色的还原能力表2、表3、表4是采用Dupont标准色标以X-Rite938测量参数为基准对A、B两种不同扫描仪标准色的测试参数及结果。
    3、扫描分辨率
    扫描分辨率是指扫描仪在实际生状态下对图像细节的分辨能力。能够采用本研究中所设定的分辨率检测样本及数据处理来获得。分辨率检测样本是分辨率检测之基础，要求其必须满足下列条件。
    （1）检测样本与扫描背景的反差△D≥3.2。
    （2）检测样本边缘整齐，密度一致。
    （3）检测样本有确定的线对宽度。
    （4）检测样本具有垂直与水平的组合分布。
    （5）检测样本具有足够的长度。
    （6）检测样本具有确定扫描方向的标记。
    经实验证实，分解力测试标板在相关数据处理软件的支持下，能获得较高的精确度的结果。图10是应用自行研制的解像力标板及算法对几种不同扫描仪测试的结果，其中扫描垂直度应为90.0o±1.0o。
    4、扫描清晰度
    扫描清晰度是指扫描仪在实际生产状态下，对图像细节及边缘的清晰度再现能力。其通过清晰度样本的边缘扫描，来获取不同的分辨能力下的图像清晰度变化，并以其边缘信号变化的速度来作为扫描仪清晰度的评价指标。清晰度评价样本是扫描仪清晰度评价之基础，因此，清晰度样本必须满足：
    （1）评价样本目标影像与背景影像反差强烈△D≥3.5。
    （2）评价样本边缘采用刀边，边缘光洁整齐。
    （3）评价样本灰度均匀，饱满结实。
    （4）评价样本易于确定扫描方向和垂直度。
    （5）评价样本有足够长度，以满足扫描垂直度的要求。
    本文采用两种不同扫描仪对评价样本进行扫描测试，并按相同的要求，进行数据处理，其所获取的结果如图11所示：
    5、扫描重复精度
    扫描仪的扫描重复精度是指对相同的样本进行多次扫描扫描，以中心点为配准点，配准后，各控制点间的坐标的误差及分布规律：
    扫描仪的重复精度，采用如图12所示由三种不同精度线粗的方格网组成的图像。通过实验，其结果表明当扫描整体重复误差不大于50μm时，该扫描仪所扫描图像能够滞等大条件内图像复制要求，而且扫描重复误差愈小，精度愈好，平板式扫描仪重复精度与扫描方向长度相关，长度愈大，重复性降低。
    三、结论
    本文通过大量理论研究和实验分析，获取了印前处理系统关键设备扫描仪质量与性能的评价方法。建立了一套较全面、科学、客观系统地评价模型样本和数据处理方法。大量工程实验结果表明，所提出的扫描仪评价方法客观、系统、科学性强，评价模型及数据处理方法简单、可靠、精度高、实用性强，该方法适用于任意档次、任意类型的扫描仪，其结果既可作为扫描合理选择使用的标准，又能作为扫描质量评价的指标。