Troszkę wcześniej, jeszcze w zeszłym roku zaskoczyło mnie zadanie zrobienia zdjęcia nieco inaczej niż dotychczas. Zazwyczaj włażę do ciemni, pracowicie robię odbitki na barytach, a potem je skanuję i jedynie doprowadzam do takiego stanu, aby na ekranie wyglądały mniej więcej podobnie do tego, co jest na papierze. Raz musiałem zrobić tak, jak to robi większość współczesnych analogowych fotografów: zeskanować negatyw. Wsadziłem negatyw w swój stary dobry skaner z najtańszej półki fotograficznej – EPSON V200 Photo – ustawiłem go na najwyższą możliwą rozdzielczość optyczną 4800ppi i…
Efekty były mówiąc delikatnie czysto ekskrementalne. Zero szczegółów, wszystko rozmyte, ble!

Zrobiłem wtedy prosty test, który pokazał, że dałoby się duuużo lepiej. Ale też zaczęło mnie zastanawiać testowanie skanerów w redakcjach różnych pism.

Zrobiłem risercz i właściwie wyszła mi smutna prawda: skanerów nikt nie TESTUJE. Oczywiście różni tacy przyjmują je na testy konsumenckie, ale jak producent pisze, że rozdzielczość wynosi np. 9600 dpi (tak piszą, zamiast ppi) to piszą, że tyle jest, a ile to warte, to już nie sprawdzają. Obowiązkowo piszą tylko ostrzeżenie, że rozdzielczość optyczna skanera jest jedyną prawdziwą i to na nią należy zwracać uwagę, a nie na interpolowaną.
Ponieważ z wykształcenia i doświadczenia zawodowego jestem przystosowany do pomiarów optycznych, postanowiłem sam se zmierzyć jaką rozdzielczość NAPRAWDĘ ma mój skaner, a nawet spróbować dostać wynik choć trochę obiektywniejszy niż skala od „samo mydło”, poprzez „poważnie rozmydlone” i „może być” aż do „wydaje się ostre” i „żyleta”.

Jak zmierzyć rozdzielczość

Różni ludzie testują obiektywy do aparatów. Jedną z lepszych metod (choć często/zazwyczaj błędnie stosowanych) jest pomiar Funkcji Przenoszenia Modulacji czyli MTF.

Szybkie wyjaśnienie o co chodzi (kiedyś napisałem wyjaśnienie z obrazkami w artykule dla Fotopolis):
Próbujemy jakimś układem obrazującym zrobić obraz obiektu, który ma szczegóły różnych wielkości. Ponieważ układ jest nieidealny to wszystko troszkę rozmywa. „Grube” obiekty mają rozmyte tylko krawędzie. Ale w przypadku drobnych, rozmycie krawędzi rozlewa się na cały ich obraz i w efekcie obraz robi się mniej kontrastowy. Jeżeli na obiekcie drobne i grube szczegóły będą miały ten sam kontrast, to już na obrazie drobne będą mniej kontrastowe od grubych. Oczywiście im lepszy układ obrazujący, tym mniej kontrastu stracą drobne szczegóły. Możemy też spojrzeć na to w drugą stronę: możemy sprawdzić jak drobne muszą być szczegóły, aby ich obraz miał kontrast obniżony (w wyniku rozmycia) do na przykład 10% tego, co widzimy dla tych grubych szczegółów. Albo do 50% (to są rozdzielczości podawane wg kryteriów odpowiednio MTF10 i MTF50).
Teraz wiedza tajemna: niby można fotografować linie o różnej gęstości na przykład w postaci Gwiazdy Siemensa, czy tablicy testowej USAF 1951 (co zresztą jest akurat nieprawidłowe i prowadzi do zbyt optymistycznych wyników), ale tak naprawdę wystarczy jedno zdjęcie ostrej krawędzi nachylonej w stosunku do pikseli o mały kąt. Jest to jedna z najczęściej stosowanych metod mierzenia rozdzielczości. Metoda ta ma swoją nazwę (po angielsku „Slanted Edge”, co można przetłumaczyć na „metoda nachylonej krawędzi”), niektóre firmy sprzedają do tego dedykowane programy, a nawet jest norma ISO mówiąca jak to robić.

Jak zmierzyć rozdzielczość… skanera

Metoda nachylonej krawędzi używana jest do testowania obiektywów. A nie można by tak mierzyć możliwości RÓŻNYCH urządzeń, które produkują obrazy, w taki sam sposób? Tak, aby każdy mógł sobie porównać jedno z drugim? Skaner, jako układ obrazujący też ma jakieś MTF. Co więcej, nie znam przeciwwskazań, aby to zmierzyć w podobny sposób, jak obiektywy.

Aby zmierzyć rozdzielczość skanera wystarczy zeskanować na najwyższej rozdzielczości coś, co będzie miało ostrą krawędź. Tak ostrą, że nie będzie jej widać na pojedynczym pikselu. Zupełnie dobre byłoby do tego ostrze żyletki. Żyletka się jednak nie nadaje, jeżeli chcemy zmierzyć skaner w funkcji skanowania negatywów (czyli w świetle przechodzącym). A to dlatego, że jest całkiem nieprzezroczysta, a metoda działa dobrze tylko wtedy, gdy mierzony sygnał mieści się w zakresie pracy detektorów. Na szczęście po pracy naukowej w Zasobach został mi specjalny cel do kalibracji obrazów mikroskopowych:

Nadruki na nim są, z punktu widzenia skanera, idealnie ostre a równocześnie półprzezroczyste, więc kontrast nie będzie za duży.
Skan do testu musi być odpowiedni. Ma być oczywiście niewyostrzany, trzeba wyłączyć jakiekolwiek filtry typu „magiczna skrzynka” (czyli takie, że nie umiemy napisać równań, opisujących ich działanie). A także trzeba zadbać o to, aby w otrzymanym pliku graficznym składowe RGB były liniową funkcją jasności zarejestrowanego obrazu (co zazwyczaj nie jest prawdą). Zgodnie z moją najlepszą wiedzą, jeżeli w programie EpsonScan wyłączy się zarządzanie kolorem o tak:

to tak zrobiony skan będzie miał składowe RGB „obarczone” tylko korekcją gamma na poziomie 2.2 (w windozie. Na macu gamma jest 1.8). Ale to nie problem, bo korekcja gamma ma znane równania.

Ponieważ nie stać mnie było na dedykowany program tylko do testu skanera to napisałem sobie własny programik w SciLabie który mi obliczył. To, że sam to napisałem ma tę poważną zaletę, że jakby kto chciał to będę umiał się z tych obliczeń wytłumaczyć równanie po równaniu. Ale sprawdziłem, że jak się mu wrzuci ten sam plik, na którym testował się Imatest, to wychodzi mi to samo, co im.

Wyniki

Po kolei. Cel wsadzony w ramkę do negatywów i zeskanowany jak slajd bez korekcji barwnej wygląda o tak:

Wybrałem sobie ostre fragmenty napisu, jako krawędzie (zaznaczone wiśniowymi kwadracikami). Jedną prawie poziomą (czyli prawie równoległą do kierunku skanowania), drugą prawie pionową (czyli prawie równoległą do linijki CCD skanera), aby sprawdzić, czy jakość nie różni się znacznie ze względu na kierunek. Zanim się przekonamy polecam wyświetlić sobie powyższy obrazek w pełnym rozmiarze i obejrzeć choćby literkę M: dla pionowych krawędzi (czyli prostopadłych do ruchu karetki skanera) dostajemy poprzeczną aberrację chromatyczną!

Po przeliczeniu tego na MTF dostajemy takie wykresy. Dla poziomej krawędzi (czyli w przybliżeniu równoległej do kierunku skanowania) dostajemy to:

A dla pionowej to:

Najpierw wyjaśnię co jest na wykresach. Po lewej mamy profil obrazu krawędzi, czyli wykres jasności obrazu w zależności od położenia. Na osi pionowej 0 oznacza czarne, a 1 oznacza białe. Na osi poziomej mamy położenie w pikselach, przy czym zero jest tam, gdzie program znalazł sobie położenie obrazu krawędzi. Jak widać, skaner rozmywa obraz na dobre 20 pikseli w każdą stronę.
Po prawej z kolei mamy obliczoną krzywą MTF. Na osi poziomej mamy rozdzielczości (w parach linii na piksel), a na osi pionowej widać jak zostanie zmniejszony kontrast na zeskanowanym obrazie jeżeli spróbujemy zeskanować prążki o danej gęstości. Wykres kończy się na wartości 0,5 par linii/piksel. Dlaczego? To jest tzw. częstotliwość Nyquista, czyli taka, w której na kolejnych pikselach mamy: linia biała, czarna, biała, czarna. Jak się człowiek zastanowi, to sam dojdzie, że nie da się zrobić zdjęcia większej rozdzielczości niż właśnie taka. Oczywiście nie można oczekiwać, aby cały układ obrazujący miał dobrą rozdzielczość aż do pojedynczych pikseli (to też niemożliwe), ale tak naprawdę to jest DUUUŻO gorzej.

Król jest nagi

A zatem, jaką rozdzielczość ma mój skaner? Aby to powiedzieć, trzeba wyznaczyć kryterium. Każdy układ obrazujący działa mniej więcej tak: możemy próbować go zmusić do zrobienia zdjęcia o dowolnie dużej rozdzielczości. Ale im wyższą rozdzielczość każemy mu obrazować tym bardziej rozmyje, czyli obniży kontrast obrazu, aż do momentu, gdy dostaniemy jednolicie szare, bez możliwości rozpoznania, że tam były jakieś szczegóły. Ale przejście od „idealnie ostre szczegóły” to „jednolita szara maź” odbywa się nie skokowo, a płynnie. A więc co do tego, w którym momencie uznamy, że TO już rozpoznajemy jako szczegóły, trzeba umówić.
I ludzie się umawiają. Najbardziej rozpowszechnionym teraz kryterium jest chyba kryterium MTF50. Oznacza to tyle co: uznajemy, że granica rozdzielczości układu optycznego jest na takiej wartości, dla której kontrast w obrazie spada do 50%. Innym, analogicznym, ale bardziej łaskawym dla testowanego urządzenia kryterium jest MTF10, gdzie za granicę uznajemy 10% kontrastu, zamiast 50%.
Jaką więc rozdzielczość ma mój skaner?
Otóż wg kryterium MTF50 mój skaner ma rozdzielczość 0.057 par linii/piksel w pionie, i 0,054 par linii/piksel w poziomie (co traktuję jako bardzo zbliżone wartości, mimo, że jak wcześniej wspomniałem mamy dla jednego kierunku aberrację chromatyczną, której nie widać w drugim). To jest jakieś 9 RAZY mniej zadeklarowana na pudełku „rozdzielczość optyczna” (która wynosi owo maksymalne 0.5 LP/piksel).
Nawet jeżeli przyjmiemy łagodniejsze kryterium MTF10 to dostajemy w pionie i w poziomie odpowiednio: 0,118 i 0,127 par linii/piksel, co jest i tak jakieś 4 razy mniej, niż „rozdzielczość optyczna” tego skanera.
Czyli proszę: wg kryterium MTF50 mój skaner (z taniej półki cenowej) nie ma wcale rozdzielczości 4800 ppi, tylko troszkę ponad… 500 ppi. Do zeskanowania odbitki idealnie wystarczy. Za to do negatywu… się nie nadaje po prostu.

Co za „rozdzielczość” jest na pudełku?

Producent zazwyczaj deklaruje, że skaner ma jakąś „rozdzielczość optyczną”. W przypadku EPSONa V200 to jest 4800 ppi. Tymczasem mi wyszło 9 razy mniej. Coś nie tak?
Troszkę jest nie tak. Określenie „rozdzielczość optyczna” sugeruje, że skaner jest w stanie optycznie rozróżnić tak drobne szczegóły co jest BARDZO dalekie od prawdy. Tak naprawdę rozdzielczość optyczna mówi WYŁĄCZNIE o ilości pikseli przypadających na każdy cal skanowanego dokumentu. To jest bardzo bliska analogia do rozdzielczości matrycy w aparacie fotograficznym. Jak masz na przykład 12 milionów pikseli to aparat wypluje obrazek mający np. 4000 na 3000 pikseli. Jeżeli aparat ma dobry obiektyw to to może być dobry, ostry obraz. Jeżeli obiektyw jest prostą pojedynczą, ciemną soczewą z plastiku – można mieć 12 milionów mydła.
Ze skanerem jest dokładnie tak samo. Rozdzielczość 4800 ppi oznacza, że jeżeli zeskanujemy kwadracik o rozmiarach cal na cal, to ten kwadracik będzie miał w zeskanowanym pliku 4800 x 4800 pikseli. To, czy ten obraz będzie miał cokolwiek wspólnego z ostrością zależy od tego, czy układ optyczny tworzący obraz skanowanego dokumentu na czujniku skanera będzie dobrej jakości, czy kiepskiej. W moim skanerze, bez względu na rozdzielczość zastosowanego sensora obrazu optyka jest kiepska.

Ćwiczenie dla chętnych: skoro „rozdzielczość optyczna” nie oznacza możliwości rejestracji drobnych szczegółów to dlaczego pojawiło się w tym określeniu słowo „optyczna”?

Dzięki pomocy kilku kolegów testuję też droższe wersje skanerów. Już niedługo obiecuję pokazać co wyszło.