Fotografia skanerem

---

Strona główna o fotografowaniu grzybów

---

Skanowanie bezpośrednie

Technika tzw "skanu bezpośredniego" to jest skanowania przy pomocy skanera samego obiektu (a nie jego fotografii) jest mi znana i jej zastosowania do grzybów widziałem (niektórzy ja stosują). Niesie ona za sobą pewne ograniczenia natury technicznej - wynikające z konieczności położenia obiektu na szybie i metody jego oświetlenia.

Jest to jednak też fotografia (rejestracja światła) a nawet makrofotografia (skale odwzorowania 1:10 - 25:1) i wszelkie reguły tej techniki się do niej stosują.

Że ta technika pozwala na ciekawe rezultaty można stwierdzić patrząc na poniższy skan chrząszcza Copris lunaris autorstwa Szczepana Ziarko wykonany przy pomocy HP scanjet 5400c, w rozdzielczości skanowania 1200dpi. Okaz ma 12mm długości. Widzicie go w powiększeniu ok. 15x.

Skaner jako aparat cyfrowy

Sama rejestracja obrazu (i czynniki wpływające na granice wydolności) są analogiczne jak przy zwykłej fotografii (analogowej czy cyfrowej).
Dwa podstawowe elementy determinujące rozdzielczość to układ optyczny (obiektyw, oświetlacz i inne elementy na drodze światła) tworzący obraz na detektorze i sam detektor.
W porównaniu ze zwykłą fotografią (analogową czy cyfrowa) podstawowa różnica tkwi w tym ze detektor nie obejmuje całego obrazu z jedynie jego fragment i przesuwając się rejestruje poszczególne "paski" obrazu (skanuje) aż zarejestruje całość.
Warto dodać, że topowe aparaty cyfrowe (siłą rzeczy do fotografii studyjnej obiektów nieruchomych i kosztujące ponad 20-30 tyś. dolarów) posiadają ruchomy element CCD, skanujący, obraz tworzony w jego płaszczyźnie. Pozwalają na uzyskiwanie znacznie wyższych rozdzielczości niż nieruchomy detektor CCD i na wielokrotne próbkowanie co pozwala zredukować szumy.

Dlaczego wiec stosuje się skanery a nie wyłącznie aparaty fotograficzne? Z uwagi na korzystną relację cena/funkcjonalność. Są one zaprojektowane do skanowania stale tych samych obiektów (kartki papieru, błony fotograficznej) w takich samych warunkach, z takimi samymi parametrami.
O maksymalnej rozdzielczości optycznej zarejestrowanej w finalnej formie (plik, błona) decydują wiec parametry obiektywu i parametry detektora. W skanerach są one często lepsze niż w popularnych modelach aparatów cyfrowych lub porównywalne.

Wady skanera jako aparatu fotograficznego

Przyczyną dwóch pierwszych wad jest specjalizacja skanera do wykonywania tylko jednego rodzaju fotografii.

1. Jeden sposób oświetlenia.
Skazanie na jeden rodzaj oświetlania to największe ograniczenie techniki "skanu bezpośredniego". Nie ma możliwości wyboru. Z uwagi na kierunkowość i siłę światła tworzą się refleksy. Jeśli obiekt ma elementy prześwitujące i rozpraszające światło w swym wnętrzu wydaje się, że ich obraz zakłóca obraz powierzchni.
Choć z drugiej strony, zaletą tego rozwiązania jest stałość parametrów oświetlenia (przede wszystkim temperatury barwowej światła) i naświetlenia. Choć tu z kolei wierność odwzorowania barw jest słabą stroną tańszych modeli skanerów.

2. Ostrość odwzorowania tylko blisko szyby skanera.
Obraz jest ostry tylko dla części obiektu przylegających do szyby a nieostry dla bardziej oddalonych. Jest to jak najbardziej normalne i niezależne od jakości skanera. W skanerze (jak i w aparacie fotograficznym) jest obiektyw ustawiony "na ostrość" na powierzchnię szyby, tylko to co dotyka szyby będzie najbardziej ostre (bo to ma sens w skanerze - jest on zaprojektowany do fotografowania płaskiej powierzchni leżącej na szybie skanera. Im dalej od szyby tym ostrość jest mniejsza, do pewnej odległości pogorszenie obrazu jest jeszcze niewidoczne, bo jest zbyt małe, aby być dostrzegalnym (to tzw. głębia ostrości). To co jest problemem w skanerze to fakt, że głębi ostrości nie możemy regulować bo nie mamy regulacji wielkości przesłony w obiektywie skanera. Musimy zaakceptować tak jak jest to w konstrukcji zaprojektowane, trzeba z tym żyć. Należy tak komponować fotografowany obiekt aby istotne detale były jak najbliżej powierzchni szyby.

3. Nieproporcjonalne odzwzorowanie w osiach x i y skanera
Wada dość efektowna - obrazem koła jest elipsa, nie musi występować, ale lepiej sprawdzić swój skaner skanując np. CD położony na szybie. Jeśli wychodzi nam obraz koła (sprawdzmy wymiary w pikselach średnic obrazu na wysokość i na szerokość obrazu) to jest O.K. Jeśli mamy elipsę lub jeszcze dziwniejszy twór to gorzej. Ramię skanujące przesuwa się w nieodpowiednim tempie albo dane są zczytywane w niewłaściwym tempie. Może być też prostsza przyczyna, jeśli skanowany obiekt, z powodu wibracji przesuwa się ("płynie") w czasie skanowania po szybie. Przy docisku klapą skanera to nie grozi, ale jeśli skanujemy nie kartki a coś innego i nie dociskami to już może być różnie.

Rozdzielczość obrazu w skanerze

Warto zauważyć, że fizyczną emanacją pojęcia rozdzielczości w obrazie cyfrowym jest sytuacja, gdy każdy piksel obok siebie niesie jeszcze różna informację, gdy nie stanowi już tylko interpolacji informacji z rozleglejszego obszaru, zaburzonej szumem.

Jak przełożyć rozdzielczość w pikselach na powiększenie to osobna kategoria. W samym pliku graficznym nie sposób mówić o powiększeniu. Z powiększeniem mamy doczynienia w momencie, gdy znany jest rozmiar piksela na obrazie odtwarzanym z pliku graficznego. Inny on będzie dla różnych wielkości i rozmiarów monitorów, inny dla wydruku z różnymi rozdzielczościami, inny wreszcie gdy używamy projektora i wyświetlamy go na ekranie w różnej odległości od projektora.

Dla dalszego wywodu dla ścisłości należy wprowadzić pojęcia powiększenia liniowego (rozmiar obrazu obiektu w mm/rozmiar obiektu w mm) i powiększenia wizualnego (kąt pod jakim widzimy obiekt na obrazie/kąt pod jakim widzimy obiekt z odległości 25cm) . To powinno uczynić jaśniejszymi i inne artykuły z tego zbioru. To za jakiś czas zostanie zrobione. Tak, że prosze zajrzeć tu ponownie.

Pisząc to o rozdzielczości w kategoriach pikseli czynię pewien skrót myślowy zakładając, że a) mowa o obrazie na monitorze komputerowym, b) rozdzielczość naszego wzroku pozwala niemal na rozróżnienie sąsiednich pikseli na monitorze. To założenie jest z grubsza prawdziwe. Z uwagi na to "niemal" można też w takiej sytuacji bezpiecznie założyć nawet nieco (1.5-2x) większe powiększenie niż wynika to z zasady "każdy piksel niesie informację".

Ta maksymalna rozdzielczość optyczna skanera jest z definicji zaprojektowana dla danej konstrukcji i nieprzekraczalna w danym modelu. Jej użytecznym przybliżeniem może być parametr tzw. rozdzielczości optycznej skanera. Można chyba zakładać, że jeśli detektor ma taka rozdzielczość to układ optyczny który w tym skanerze zaprojektowali też taką lub większą ma. Rzeczywista rozdzielczość jest pewnie zawsze niższa, a to z powodu tego, że np. 300dpi oznacza 300 pikseli na 25.4mm ale są to piksele do detekcji 3 barw podstawowych w tej gęstości (jest to zwykle realizowane przez maskę z "szybek" o różnych barwach nad detektorem. Po złożeniu w obraz kolorowy rzeczywista rozdzielczość obrazu jest ok. 2.5 razy mniejsza (nie równo 3 bo w większości matryc CCD jest inna gęstość detektorów barwy zielonej niż czerwonej i niebieskiej i w sumie jakich współczynnikiem to przeliczać jest sprawą dyskusyjną).

Dla rzetelnej fotografii dokumentacyjnej pożądane jest określenia rzeczywistej rozdzielczości skanera. Radzę nie dowierzać danym z instrukcji a np. wielokrotnie zeskanować precyzyjną linijkę i określić średnią liczbę pikseli na cal czy mm.

Rozdzielczość można też (i należy) doświadczalnie określić skanując wzór o coraz większej gęstości. Podobno można takie kupić. Ale z braku laku może szkiełko mikrometryczne lub do określania tzw. hematokrytu byłoby użyteczne.
Pierwsze może mieć 1 mm podzielony na 100 części z większymi działkami co 0.1 mm.
Skaner 1200dpi to 1 piksel = 0.021mm itd.

W praktyce warto skanować na maksymalnej rozdzielczości optycznej skanera. A potem w programie graficznym zrobić zmniejszenie obrazka do pożądanej skali. Wtedy wynikowe piksele są uśrednioną wartością kilku sąsiednich co sprzyja redukcji szumów.

Skala odwzorowania

Sprawa w mojej ocenie podstawową w fotografii dokumentacyjnej jest znajomość/określenie skali odwzorowania .

Skanując w 300dpi każde 300pikseli obrazu w pliku reprezentuje odcinek obiektu o długości 25.4mm. 300 pikseli wyświetlane na ekranie ma długość 25.4mm * 300dpi/81dpi.
Innymi słowy obiekt będzie na ekranie powiększony 300/81 = 3.7 razy.

To 81dpi to średnia empirycznie ustalona rozdzielczość obrazu na ekranie. Zależy ona oczywiście od fizycznej wielkości cześci wyświetlającej monitora i od ustawionej tzw. rozdzielczości monitora. Jednak dla większości monitorów 17" i rozdzielczości 1024x768 jest ona bliska 81dpi.

BTW: Korzystam z tych zależności dla wyświetlania w ramach mojego atlasu grzybów stron z tzw. "fotografiami naturalnego rozmiaru" tj. w skali ok. 1:1.

Skaner 1200dpi da obraz obiektu na monitorze powiększony 1200dpi/81dpi = 14.8x (użyteczne tj. niepuste powiększenie jest z pewnością nieco niższe, max. 10x).

Skanery dedykowane do skanowania błony fotograficznej mają rozdzielczość do 4000dpi i w przypadku gdy na błonie jest zarejestrowany obraz obiektu w skali 1:1, na monitorze będziemy mieli powiększenie 4000dpi/81dpi = 49.4x, jeśli to podzielić przez faktor 2.5x (rozdzielczość w poszczególnych barwach jest niższa) da to ok. 20x. I to już maksymalne powiększenia jakie jest sens robić przy skanowaniu błony fotograficznej, dlaczego poniżej.

Jakie maksymalne powiększenia na skanerze?

Wracając do możliwości powiększenia obrazu małego chrząszcza. To wąskim gardłem (jeśli nie są nim ograniczenia detektora) to są nimi możliwości układu optycznego tworzącego obraz - określone jego aperturą (w obiektywach fotograficznych zmienia się ja przy pomocy przesłony) oraz przy powiększeniach ponad 10-25x określane także aperturą oświetlacza i jakością tego oświetlenia (stad te kondensory, kolektory w mikroskopach z rozmaitym stopniem korekcji aberacji optycznych).

Innymi słowy przy najlepszej optyce aparatu fotograficznego (np. takiej jaką dysponuję - Micro Nikkor f.60/2.8 dający na dedektorze obraz w skali 1:1) górna granica sensowych odwzorowań na finalnym obrazie tj. oglądanym okiem na monitorze, odbitce, czy w druku to ok. 10-25x. W większych powiększeniach nie dostrzeżemy już w sąsiednich (rozróżnialnych!) pikselach nowych informacji, to są wtedy tzw. puste powiększenia.

Konstrukcja układu optycznego w mikroskopie świetlnym pozwala na osiąganie powiększeń w finalnym obrazie do nieco ponad 1000x. Uzyskiwane jest to dzięki specjalnemu oświetleniu i dużej aperturze obiektywów (koszt to minimalne głębia ostrości).

Czy w danym przypadku detektor (błona lub CCD) jest wąskim gardłem, czy optyka?

W przypadku skanerów polecam doświadczenie tak jak piszę powyżej. Nie mamy tam bowiem danych o aperturze obiektywu i ziarnie dedektora (rozdzielczość versus wymiary fizyczne detektora CCD).

Spróbujmy jednak poteoretyzować na innym przykładzie.

Dyskusja dla wariantu:
A. aparatu Nikon D1x z obiektywem Mikro Nikkor f60/2.8 (wariant używany przeze mnie od 2002 roku)
B. błona Fuji Provia F100 (diapozytyw) i ten sam obiektyw, skaner Nikon Coolscan(wariant używany od 1998 roku, rodzaj błony i wersja skanera się zmieniały w międzyczasie)

A. Nikon D1x/Mikro Nikkor f60/2.8

Rozdzielczość detektora: Nikon D1x posiada matryce CCD o wymiarach 23.7mm x 15.6mm i ilości elementów 4028 x 1324. Daje to rozdzielczość optyczną skanowania w poziomie 4300dpi i w pionie 2150dpi. Różnica wynika z kształtu elementów które są dwa razy węższe niż wyższe. Wynikowy obraz mamy do wyboru w wymiarach 3008x1960 lub 2000x1312. W tym pierwszym wypadku (3008x1960) następuje sumowanie informacji w poziomie (z 4028 do 3008 px) ale i interpolacja w pionie (z 1324 do 1960), nie do końca czysta gra ale uzyskujemy rozdzielczość ok.3200dpi. W drugim wypadku jest wykorzystana pełna rozdzielczość w pionie (1324) i sumowana informacja z sąsiednich elementów w poziomie (z 4028 do 2000) i uzyskujemy rozdzielczość ok. 2150dpi.

Jaka jest ta prawdziwa rozdzielczość. Jest ona rzeczywiście inna dla pionu i poziomu co można udowodnić w testach (Nikon D1x preview w www.dpreview.com). Przyjmijmy jednak do dalszych rozważań asekurancko niższą wartość tj. 2150dpi. Pozwala to pokazać punkty o rozmiarze 11.8 µm (25,4mm/2150dpi).

Dla większej obrazowości przyjmiemy, że nastawiamy obiektyw na skalę odwzorowania 1:1. 1mm fotografowanego obiektu tworzy obraz o rozmiarze 1mm na CCD.

Jak małe szczegóły obrazu na CCD potrafi wyświetlić obiektyw?
Zależy to od jego apertury określanej przez wielkość przesłony.

przeliczenie n.a. (apertury numerycznej) na stopnie przesłony f
n.a. = 1 / (2*f)
f = 1 / (2*n.a.)

Proszę spojrzeć na tabelkę obok. Przedstawia ona rozdzielczość obrazu dawanego przez obiektów z różą aperturą. Rozdzielczość jest liczona dwoma metodami (stąd nieco różne wyniki) i prezentowana w mikrometrach lub liniach/mm oraz punktach na cal (dpi). Przesłona to przesłona efektywna tj. przy dużej skali odwzorowania większa niż to co wygrawerowane na obiektywie. W szczególności przy skali odwzorowania 1:1 jest ona o dwa stopnie większa. Np. na obiektywie 2.8, efektywna 5.6.

Jaki morał z tabelki. Przy przesłonie mniejszej niż 11 rozdzielczość obiektywu to ponad 3200dpi a wiec przekracza zdolności rejestracji detektora. Przy przesłonie powyżej 22 obraz ma mniejsza rozdzielczość (poniżej 2000dpi) niż potencjalne możliwości detekcji CCD. Nie wykorzystujemy jego pełnych możliwości, co prawda cieszymy się większą głębią ostrości. Gdybyśmy dysponowali detektorem o większej rozdzielczości bylibyśmy w stanie wykorzystać większą rozdzielczość obiektywu przy przesłonach poniżej 11. Jest on w tym wypadku wąskim gardłem.

Z uwagi na to, że wyliczone graniczne rozdzielczości dla poszczególnych apertur w praktyce nie są do osiągnięcia, użyteczne przesłony (ze względu na zdolność rozdzielczą obiektywu) mogą być o pół lub cały stopień niższe.

B. błona Fuji Provia F100 (diapozytyw) i ten sam obiektyw, skaner Nikon Coolscan

To samo ćwiczenie co powyżej.
Zdolność rejestracji szczegółów błony Provia F100 to okolice 70 linni/mm albo 2600dpi. Skaner skanuje to z większą rozdzielczością (2700-4000dpi) tak, że nie stanowi ograniczenia. Ewidentnie zdolność rozdzielcza Provia F100 jest nieco większa niż Nikon D1x. Nie jest ot jednak znaczna różnica i powyższe rozważania co do pożądanej ze względu na dokumentowanie szczegółów przesłony (a więc rozdzielczości obrazu) jest stosowalna i do tego wariantu, z lekkim usprawiedliwieniem dla przesłony mniejszej niż 11, do okolic 8. Gdybyśmy dysponowali błoną fotograficzną o jeszcze drobniejszym ziarnie bylibyśmy w stanie wykorzystać rozdzielczości dawane przez obiektyw przy przesłonach poniżej 8.

Ciekawe porównanie zdolności rozdzielczej Provia i aparatu cyfrowego.

Porównanie rozdzielczości optycznej skanera Mustek 600CU i Nikon D1x

Porównanie może się wydawać nieuczciwe bo dotyczy przeciętnego skanera do domowego użytku o nominalnej rozdzielczości optycznej podawanej jako 300x600dpi, czyli w praktyce 300dpi z profesjonalnym aparatem cyfrowym z bardzo dobrym obiektywem do makrofotografii, o rozdzielczości skanowania obrazu w matrycy wynoszącej 3200dpi (lub max. 4300dpi w szerokości kadru). Oczywiście wiadomo gdzie będzie lepiej. Więc nie oto w porówaniu chodzi. Proszę popatrzeć.

Obrazy przedstawiają pory pospolitej huby czyreń ogniowy (Phellinus igniarius). Pierwszy komplet to zdjęcia robione Nikon D1x z obiektywem Micro Nikkor f60/2.8 nastawionym na skalę odzworowania 1:1. W takiej skali, tj. w powiększeniu liniowym 1x, obraz był wyświetlony na matrycy CCD i zeskanowany w rozdzielczości 3200dpi (taka jest gęstość matrycy). Obrazki porównują użycie przesłony (efektywnej) f22 i f5 (to maksymalne światło przy skali 1:1 - nominalna przesłona wtedy f2.8). Przy przesłonie f22 zmniejszenie rozdzielczości optycznej (powodowane mniejszą aperturą obiektywu) jest zauważalne za to głebia ostrości bez porównania większa. Powiększenie liniowe na ekranie komputera ok. 35x.

Następne zdjęcia to już efekt skanowania skanerem Mustek 600CU z rozdzielczością 600dpi i obrazek z Nikon D1x, powyższy pomniejszony do takiej samej skali. Powiększenie liniowe na ekranie monitora ok. 7x. Oba przedstawiają ten sam obszar w podobnej orientacji. Czerwoną kreską zakreślona ta sama grupa porów.

Następne zdjęcia to efekt skanowania skanerem Mustek 600CU z rozdzielczością 300dpi i obrazek z Nikon D1x, powyższy pomniejszony do takiej samej skali. Powiększenie liniowe na ekranie monitora ok. 3.5x. Mimo nominalnie tej samej rozdzielczości na skanie skanera widac po prostu mniej. To nominalne 300dpi skanera nie schodzi się z jego rozdzielczością optyczną, czy to wina obiektywu, czy matrycy trudno powiedzieć. Po drugie głębia ostrości jest mizerna (to i tak najostrzejszy fragment skanu, w miejscu gdzie huba stykała się z szybą. Widać też problem jaki stwarzają proste skanery z wierną reprodukcją barw. W lepszych modelach daje się to kalibrować.

Tak przy okazji wykonując to zdjęcie techniką analogową na małym obrazku (tj. aparatem fotograficznym z filmem fotograficznym) i po profesjonalnym zeskanowaniu błony w rozdzielczości 3200dpi lub większej i porównując z tym co uzyskaliśmy z Nikon D1x skany będą podobne lub nieco lepsze w przypadku techniki analogowej; szacuje się, że do 4000dpi - 4500dpi jeszcze się jakąś informację z błony fotograficznej wydusi. Dlatego skaner jest bez wątpienia dobry jako urządznie do szybkiej i taniej dokumentacji. I tylko tyle. Jakości z niego nie wydusi się więcej niż jest weń wbudowane, a jest jej co najwyżej tyle ile wynosi mniejsza wartość jego nominalnej rozdzielczości optycznej (w skanerach 1200dpi x 2400dpi co najwyżej 1200dpi) plus ograniczenia o których było wcześniej.

Na marginesie: Pojęcie gęstości optycznej

Nie należy mylić pojęcia gęstości optycznej z rozdzielczością optyczną. Gęstość optyczna w przypadku błony fotograficznej jest powiązana ze stopniem zaczernienia - stopniem osłabienia przechodzącego światła. Z tym pojęciem z kolei związane jest pojęcie dynamiki tj. zdolności od reprezentacji różnych intensywności oświetlenia. Im większa przestrzeń pomiędzy tym co w rezultacie skanowania czy na błonie wpadnie w czystą biel (będzie prześwietlone) a pełną czerń (będzie niedoświetlone) tym dla ogólnych zastosowań lepszy skaner, aparat cyfrowy czy materiał fotograficzny. Ta zdolność do oddania dynamiki światła jest ściśle związana z ilością bitów w przetworniku analogowo/cyfrowym detektora. 8 bitowy potrafi oddać 256 poziomy jasności, 12 bitowy 4096, itd.

Jeśli jesteśmy już przy nietypowych technikach fotografii dokumentacyjnej warto przeczytać i to:

Ciekawa technika: makrofotografia skanującym oświetleniem (SCANNING LIGHT PHOTOMACROGRAPHY)