Jaką rozdzielczość mają INNE skanery?

Pamiętacie mój ostatni tekst o skanerze? Jakiś czas temu przetestowałem swój skaner (EPSON V200) pod kątem rozdzielczości. Wynik tego był taki, że wg kryterium MTF50 mój skaner ma rozdzielczość mniej więcej 9-krotnie mniejszą niż jego zadeklarowana „rozdzielczość optyczna”. Ale ktoś może powiedzieć, że to na pewno dlatego, że poskąpiłem i kupiłem taki z dolnej półki cenowej, bo prawdziwy skaner to więcej. Co jest oczywiście niewykluczone, ale tu też powstaje pytanie, czy droższe wersje są lepsze i o ile lepsze? A zatem, popytałem po znajomych fotografach, wprosiłem się do trzech z nich  (nota bene wszyscy trzej to bardzo dobrzy fotografowie: Madcoy, Wiktor Franko i Dmytro Gurnicki – bardzo dziękuję za pomoc!) na poskanowanie i zrobiłem porównanie jeszcze trzech innych skanerów tego samego producenta: Epsonów V500, V550 i V700. Co daje dość pełne spektrum tego co można kupić.

Co można kupić?

O ile się nie mylę, to Epson ma w sumie trzy różne linie płaskich skanerów, którymi można skanować negatywy. Nazwijmy je roboczo: tania, średnia i droga. 🙂

W linii taniej, jest mój skaner – V200, oraz jego kolejni następcy: V300, V350 i V370. Linia średnia to m.in. V500, V550 i V600, natomiast linia droga zawierała skanery takie, jak V700, V800, i najnowszy V850.

Skanery linii taniej skanują negatywy tylko małoobrazkowe, te z linii średniej – do średnioformatowych włącznie, za to skanery drogie umieją skanować wszystko włącznie z wielkim formatem.

Jeżeli chodzi o rozdzielczość, to nominalnie tanie skanują do 4800 ppi, natomiast średnie i drogie – 6400 ppi, ale drogie są reklamowane tym, że mają dwusoczewkowy (sic!) układ optyczny (znaczy, że wszystkie tańsze mają po prostu pojedyncze soczewki?) dwa obiektywy – jeden używany skanowania materiałów refleksyjnych i drugi, obrazującym z większym powiększeniem (a właściwie mniejszym pomniejszeniem) tylko środkowe 15 cm szerokości szyby, używany przy skanowaniu materiałów przezroczystych (podziękowania dla Marcina Wuu za sprostowanie).

No i wreszcie ceny. Skaner tani kosztuje coś rzędu 500zł (jak kupowałem swój już sporo lat temu to było bliżej 400zł). Skaner średni kosztuje mniej więcej tyle co dwa tanie. Natomiast skaner drogi to cena ok. 3,5 skanerów średnich (czyli jakieś 7 tanich), co już zbliża jego cenę do polskiej średniej krajowej brutto.

W tym teście mamy możliwość porównania skanerów ze wszystkich półek cenowych Epsona, a także porównania dwóch kolejnych generacji skanera z tej samej półki.

Jak testowałem i jak czytać wyniki

Test każdego skanera przeprowadzałem tak samo, jak w przypadku mojego V200: zeskanowałem płytkę testową na której są naniesione kształty z ostrymi krawędzi tak,aby obrazy tych krawędzi były nachylone pod małym kątem to kierunków pikseli. Skany te były robione za każdym razem z maksymalną nominalną rozdzielczością skanera (aby uniknąć błędów algorytmów skalujących) oraz przy wyłączonej korekcji barwnej oprogramowania (aby jedyną korekcją profilu skanu była systemowa korekcja gamma – 1,8 dla Maców i 2,2 dla reszty świata). Przykładowy skan (ten jest z V700) wyglądał, mniej więcej tak:

Z takiego obrazka wycinane były dwa kwadratowe kawałki przedstawiające krawędź literki M – jeden z krawędzią ułożoną prawie poziomo (oznaczam je ,,H”) i drugi z ułożoną prawie pionowo (oznaczam ,,V”). Które wyglądają dla wszystkich 4 skanerów o tak:

Tu dwie uwagi. Po pierwsze, obrazy są skanowane w formacie poziomym. A więc krawędzie pionowe są ułożone równolegle do linijki CCD, natomiast poziome – równolegle do kierunku posuwu karetki skanera. W idealnym świecie rozdzielczość w obu kierunkach byłaby identyczna (co mniej więcej wyszło w przypadku V200). Ale tak naprawdę to nie jest powiedziane, że tak być musi i dlatego dla każdego skanera sprawdzamy rozdzielczość w obu kierunkach. Po drugie, ponieważ Epson V200 skanuje z mniejszą rozdzielczością niż pozostałe skanery to obrazek z niego jest ciut mniejszy, ale dzięki temu przedstawia taki sam fragment skanowanej płytki.

Na podstawie tych obrazów obliczyłem krzywe MTF metodą ,,Slanted edge” (po polsku metodą ,,nachylonej krawędzi”) , a z nich wyznaczyłem wartości MTF50 i MTF10.

Co wyszło?

V200 vs V550 vs V700 – czy drogie jest lepsze od taniego?

Najpierw porównajmy skanery z różnych półek cenowych. Oto jak wyglądają krzywe MTF dla skanerów drogiego (V700), średniego (V550) w porównaniu z testowanym wcześniej moim tanim (V200)

Obrazek przedstawia jaka część kontrastu zostanie odwzorowana na skanie w zależności od tego, jak gęste pary linii będą na skanowanym dokumencie. W przypadku poprzedniego testu podawałem rozdzielczość w odniesieniu do rozmiaru pikseli. Ale ponieważ nowo testowane skanery mają nominalnie wyższe rozdzielczości od mojego trzeba było przeliczyć oś poziomą na wspólne wielkości. To prosty zabieg: jeżeli na przykład skaner ma 4800 ppi (czyli: pikseli na cal), to piksel ma bok 1/4800 cala, czyli 1/(4800/25,4) mm. A więc x par linii/piksel to będzie x*(4800/25,4) par linii/mm. W ten sposób można porównać prawdziwe rozdzielczości dla skanerów o różnych rozdzielczościach nominalnych.

Kolor krzywej na wykresie oznacza skaner, natomiast rodzaj linii – kierunek pbadania rozdzielczości: linia ciągła to krawędzie poziome, a linia przerywana – pionowe.

Z tego wykresu od razu płyną dwa wnioski:

1. W przeciwieństwie do tego co wyszło poprzednio dla taniego skanera V200, zarówno średni V550, jak i drogi V700 mają wyraźnie gorsze rzeczywiste rozdzielczości w kierunku posuwu karetki (krzywe przerywane) niż prostopadłym (krzywe ciągłe). Mam swoją hipotezę skąd może się to brać, o czym będzie dalej
2. Epson gra fair! Im droższy skaner, tym większa rzeczywista rozdzielczość. Co więcej, skok jakościowy jest proporcjonalny do skoku w cenie. Skaner średni (krzywe niebieskie) jest trochę droższy od taniego (krzywe czerwone) i różnica w rozdzielczości też nie jest wielka – właściwie to rozdzielczość wzdłuż kierunku skanowania jest taka sama, natomiast rozdzielczość wzdłuż kierunku linijki CCD jest mniej więcej 1,4 razy lepsza. Z kolei drogi skaner (zielone krzywe) jest dużo lepszy od średniego (jego rozdzielczość w gorszym kierunku jest lepsza od rozdzielczości średniego w lepszym kierunku), ale też jest dużo droższy. Przypominam, że oba skanery nominalnie skanują z tą samą rozdzielczością 6400 ppi.

V500 vs V550 – czy jajo jest mądrzejsze od kury?

Wreszcie, porównajmy dwa skanery z tej samej półki cenowej (średniej), ale z kolejnych generacji: Epsony V500 i V550.

Tu krótka piłka: wychodzi praktycznie identycznie. Krzywe dla V500 i V550 się praktycznie pokrywają. Nowsza wersja może mieć jakieś dodatkowe funkcje (w sumie nie wiem jakie) i ma inną (moim zdaniem ładniejszą) obudowę. Ale rozdzielczość daje dokładnie taką samą w obu osiach.

Podsumowując

Wartości MTF10 dla wszystkich skanerów (w parach linii na mm, najpierw w kierunku H, potem V) wyszły tak:

• V200: 24/22 LP/mm
• V500: 30/22 LP/mm
• V550: 30/21 LP/mm
• V700: 50/38 LP/mm

Wyszło, że rzeczywista zdolność rozdzielcza jest proporcjonalna do półki cenowej skanera. Za to pomiędzy dwoma generacjami skanerów ze średniej półki praktycznie nie ma różnic. Skanery ze średniej półki są też tylko trochę bardziej ostre (i to tylko w jednej osi) od skanera z taniej półki. Za to drogi skaner jest wyraźnie lepszy od reszty.
Nie zmienia to faktu, że nawet najlepszy skaner może wycisnąć z klatki filmu małoobrazkowego rozdzielczość maksymalnie (wg kryterium MTF10) niecałych 7 megapikseli. A to jest DUŻO mniej niż jest na tym filmie. I należy pamiętać, że kryterium MTF10 oznacza coś w stylu „te linie ledwo widać”!
Oczywiście rzecz się ma znacznie lepiej z filmami o większych formatach z prostego powodu: są większe i wymagają mniejszych powiększeń. Jednak do małego obrazka płaskie skanery właściwie się nie nadają, nawet te najdroższe.

Dodateczek: Czemu rozdzielczość jest gorsza w jedną stronę?

Wydało mi się ciekawe dlaczego wszystkie skanery lepsze od taniego mają gorsze rozdzielczości wzdłuż kierunku przesuwu karetki skanera, niż w prostopadłym. Nie dam sobie za to głowy uciąć, ale mam hipotezę.
Jeżeli dokładnie się przyjrzeć skanom, to zauważymy wyraźnie, że krawędzie prostopadłe do kierunku przesuwu są obarczone poprzeczną aberracją chromatyczną, co pokazałem na poniższym obrazku (na przykładzie skanu z V700):

Jedna strona nóżki M ma niebieską poświatę, a przeciwna czerwoną. Aberracja chromatyczna poprzeczna w optyce występuje poza osią optyczną układu, a więc powinno jej tu być mało, ponieważ czujnik CCD jest ustawiony dokładnie na osi układu optycznego. Moja hipoteza jest taka, że błąd wynika z budowy samego czujnika CCD, a właściwie z niedobrego procesu składania. Tak wygląda wymontowana płyta z matrycą CCD skanera (innego – nie rozbierałem kolegom drogich skanerów, rozebrałem inny).

A tak wygląda sama linijka CCD pod mikroskopem:

To jest matryca CCD o rozdzielczości dużo pikseli na 3 piksele. Ma ona kolejno linię pikseli czułych na niebieskie, potem linię czułych na zielone i na czerwone. Przesuw karetki odbywa się oczywiście wzdłuż tej osi, w której matryca ma trzy piksele

Skanowanie przebiega normalnie w sekwencji: linijka robi obraz jednej linii obrazu, przesuwa się o jeden piksel, robi zdjęcie następnej linii i dokleja je do tego co było wcześniej i tak dalej.
ALE zwróćcie uwagę, że niebieskie piksele oddalone są zawsze o dwa piksele od czerwonych! Czyli jeżeli zielona linia pikseli widzi na przykład kolumnę nr n obrazu, to czerwona widzi nie n-tą kolumnę, ale kolumnę nr n-1, a niebieska – kolumnę nr n+1
A więc, tak naprawdę skanowanie n-tej kolumny obrazu powinno odbywać się o tak:

1. czujnik na pozycji n-1 zbiera obraz z kanału niebieskiego (w tym czasie zielony kanał skanuje kolumnę n-1, a czerwony – n-2
2. Karetka przesuwa się o piksel. Teraz skanowany jest kanał zielony. (kanał niebieski zbiera obraz z kolumny n+1, a czerwony z kolumny n-1)
3. znowu przesuw o 1 piksel. Teraz dla kolumny nr n zbieramy z kanału czerwonego (z kanału niebieskiego dla kolumny n+2, a z zielonego – dla kolumny n+1)

W ten sposób w trzech krokach mamy informację barwną o skanowanym obrazie i pewność, że wszystkie trzy kanały kolorystyczne zbierały obraz z tego samego miejsca.

Teraz hipoteza: a co jeżeli producenci skanerów się w to nie bawią? Po prostu uznają, że wszystkie trzy wiersze matrycy są w tym samym miejscu?

W takiej sytuacji gdyby ostra krawędź obrazu ułożyła się dokładnie na zielonym, to na przykład niebieski kanał byłby już za krawędzią, a czerwony – przed. Czyli na przykład niebieski już by uznał, że dokument jest jasny, a czerwony – że ciemny. To by doprowadziło dokładnie do takich artefaktów kolorystycznych, jakie widzimy: czerwona obwódka po jednej stronie, a niebieska, konsekwentnie – po drugiej.

Ponieważ nie brałem udziału w konstruowaniu oprogramowania tych skanerów to oczywiście nie twierdzę nic kategorycznie. Należy to traktować wyłącznie jako hipotezę. Hipoteza wynika tylko z faktu, że objawy się zgadzają.

Dodateczek: skany testowe

Poniżej skany testowe w pełnych wersjach ze wszystkich skanerów z informacją o zastosowanej korekcji gamma (wynikającej z systemu operacyjnego). Zwracam uwagę, że są to jpgi, choć badałem tify. Wynika to tylko z tego, że wordpress mi nie przyjmuje tiffów. Ale jpgi są nieskompresowane (jakość ustawiona na 100%) oraz bez podpróbkowania kolorystycznego, a więc są to najmniej kompresowane jpgi, jak się da. Nie powinny wprowadzać istotnych błędów.

V200 (4800ppi, gamma = 2.2):

V500 (6400 ppi, gamma = 2.2):

V550 (6400 ppi, gamma = 1.8):

V700 (6400 ppi, gamma = 1.8):