透射稿扫描技术漫谈

Macho
2000年 第31期 

　　目前，我们最常见的扫描原稿是各种类型的反射稿：书本、杂志、文件、照片……其实，还有一类非常重要的输入源正发挥着越来越重要的作用，这就是透射稿件。可能在您的日常工作和生活中很少接触到透射稿件的扫描问题，但它在扫描应用领域确实占有相当重要的位置。在目前蓬勃发展的数码影像大潮中，数码相机虽然市场潜力巨大、增长迅速，但还很难撼动传统银盐影像技术的根基。在数码相机＋数码处理＋输出设备组成的“纯数码影像”时代来临之前，形成一个由传统相机＋胶卷＋冲洗＋透射稿扫描仪＋数码处理＋输出设备构成的过渡方案。在行业应用方面透射稿扫描也占有举足轻重的地位，医疗机构中每年拍摄的大量X光片等医学影像因为远程医疗和存档的要求必需数字化，越来越多需要进行数码特技处理的电影胶片要经过扫描仪进入计算机，这时扫描仪就成了主要的数字化手段，而反转片或负片的扫描效果要比照片好得多。
#1    透射稿件的特点
　　与反射稿扫描比起来，透射稿件扫描比较特殊，对扫描设备的要求比较苛刻。透射稿件的一个特点是对扫描设备的分辨率要求颇高。以透射稿中最为常见的35毫米反转片为例，它的图像面积非常小，只有36mm×24mm，所以信息密度很高。要想把它打印成A4幅面，相当于放大8倍，这就要求扫描仪具有相当高的光学分辨率。35mm胶片最好的感光胶片有100线对／毫米以上的分辨率，一般也有60线对／毫米左右，在画面边缘分辨率相对低一些，当平均起来看，普通35毫米胶片能够达到的有效分辨率约为40线对／毫米，折合成扫描仪常用的分辨率单位就是2000dpi左右。也就是说，要使用光学分辨率达到2000dpi或更高的扫描仪，才可以记录下透射原稿中的各种轮廓细节。
　　透射稿件的另一个特点是密度范围大，也就是图像的亮部和暗部对比非常强，特别是反转片，达到了各类扫描稿件之最。相对于输入稿件的密度范围，扫描仪中对应的参数是动态范围内。这是我们平时不太关注的扫描仪的一个重要指标，它表示一台扫描仪能够分辨的明暗范围，用最亮处到最暗处的对数值之差作为衡量指标，是专业人士选择扫描仪的重要依据。例如，24位扫描仪理论上能表现的灰度层次为256级，其动态范围为2.4。很明显，扫描仪的色彩位数越高，能反映的明暗层次就越多，动态范围也越大，目前市场上主流36位扫描仪中质量较为出色的产品动态范围能达到3.4，专业48位扫描仪的动态范围则高达4.0。在常见的透射稿件中，彩色负片的密度范围较小，通常在2.2左右，使用24位或30位的扫描仪就可以应付；而彩色反转片密度范围一般在3.2以上，最高可以达到3.5，要完美地捕捉到反转片上的色彩、层次信息，非36位以上的扫描仪莫属。
　　此外，一些特殊的透射稿对扫描设备还有些附加要求。像医学影像中的X光片和CT片，它们都是灰度图像，密度范围不是很大，但整个画面很暗，需要亮度很高的光源才能体现出较好的层次。而且，这类透射稿的面积一般较大，需要A3幅面的透射稿扫描仪。
#1    透射稿件扫描解决方案
　　普通的平台式扫描仪是通过稿件表面反射光线来成像的，在不增加附件改变光路的情况下无法完成透射稿的扫描工作。从目前各个扫描仪厂家的产品看，进行透射稿扫描主要有以下几个方案：
　　1．专用胶片扫描仪
　　这是一类专为扫描胶片设计制造的扫描仪，它采用了一种最为简洁的成像方式（见^31050501a^），让被光源照亮的透射稿直接通过镜头成像在CCD传感器上。因为胶片扫描仪一般都针对35mm胶片设计，扫描幅面小，所以成像光路也很短，用不着像普通平台式扫描仪那样，需要通过3至4个镜面的反射把光路“折叠”到扁扁的机身里。这样，胶片扫描仪就可以避免大量导致图像质量劣化的干扰因素，很容易获得高素质的扫描结果。
　　再者，胶片扫描仪与平台式扫描仪同样采用线型CCD传感器，但后者通过光源和成像部分（CCD传感器）沿扫描稿件移动的方式来形成一幅图像，而胶片扫描工作方式则完全相反——采用成像机构固定、胶片移动的扫描方式。这种运行方式不仅给胶片扫描仪带来了扫描质量的提高，还使得它们虽然扫描幅宽有限，但随着片夹的进进出出，扫描长度却得到了扩展，一般都可以一次处理20多厘米长的胶片条（包含6幅画面），在一些专业的胶片扫描仪上添加附件后，甚至可以一次处理长达1.7米的整卷35mm胶片。（^31050501b^2）
　　在光学分辨率方面，胶片扫描仪一般都在2000dpi以上，典型值为2700dpi，足以重现原稿中的清晰景物。它们的色彩位数通常也是30位或36位，动态范围达到3.0左右，扫描负片毫无问题，反转片上丰富的色彩层次信息也可以被忠实地记录下来。由于以往胶片扫描仪主要面向专业印刷出版领域，绝大多数产品都采用经典的SCSI接口以保证较高的传输速率和与Macintosh兼容性。
　　国内常见的胶片扫描仪有EPSON FilmScan 200、佳能 CanoScan FS2710、Microtek ScanMaker 35t Plus、Nikon Super CoolScan 2000、Kodak 3570 Plus等等。
　　2．透射稿适配器
　　扫描胶片是不是必须使用专用胶片扫描仪呢？答案是否定的。其实，平台式扫描仪只要加上一个并不很昂贵的透射稿适配器（TMA，Transparent Media Adapter），就可以从透射稿中捕捉到基本满足我们需求的数码图像。
　　透射稿适配器的原理（见^31050501d^3）很简单，就是用一个光源来替代扫描仪原来的上盖，把扫描光源由稿件下方移到稿件上方，让透射过稿件的光线经过镜头和数个反射镜成像在CCD表面。根据光源的类型和扫描方式不同，透射稿适配器又可以分为光源移动式和光源固定式两种。前者是比较传统的透射稿扫描技术，在这个厚度和重量都不小的上盖中，有一套和扫描仪移动成像部分差不多的机构，但上下是颠倒的——最下面是一层玻璃，再往上是由灯管组成的光源，然后是导轨和驱动电机。扫描透射片时，透射稿适配器中的灯管通过扫描仪与下面的成像部件同步运行，一起扫过整个幅面，获得透射光图像。当然，在这个过程中，平台式扫描仪中原有的光源不会发光，以免透射稿表面的反光影响扫描效果。相比之下，固定式的透射稿适配器就更容易理解了，它又被一些厂家称为光盖（Light Lid）。顾名思义，它就像一个发出均匀光线的特殊“顶棚”，照亮了整个扫描区域，让成像部分从容地读取透射稿的信息。以Microtek的Light Lid透射扫描设备为例，它包含两根冷阴极灯管，分别位于左右两侧，通过下面的特殊材料使得它们发出的光线均匀分布。由于没有传动部件，Light Lid的结构非常简单，重量也比移动式的透射稿适配器轻一些。
　　通常我们扫描的画幅面积都要小于透射稿适配器的照明宽度，扫描时稿件旁边也会有光线透射过来，这些杂光射入CCD传感器后将影响扫描图像的清晰度、色彩，导致反差劣化。为了解决这一问题，透射稿适配器通常都配有与各种胶片尺寸相应的片框，在扫描时可以遮挡住画面旁边的区域，保证良好的图像效果。
　　透射稿适配器通常用于中高档平台式扫描仪。移动光源式的透射稿适配器亮度和精度都比较高，许多面向印刷、设计应用的专业平台式扫描仪在销售时就已经装上了这种透射稿适配器，像Microtek ScanMaker 9600XL、清华紫光敦煌D2000、HP ScanJet 6330C、Umax PowerLook Ⅲ、AGFA Arcus Ⅱ等等。固定光源式的产品成本较低，而且不存在光源运动与扫描部分不同步的情况。但由于照明面积较大，单位光强较低，而且也很难实现大幅面透射稿的扫描。这类产品中比较典型的有Microtek ScanMaker X6EL、AcerScan 620-T、N-Tek Nuscan 6063EL等等。
　　总体而言，平台式扫描仪加透射稿适配器的方式成本较低，是普通用户最容易选择的透射稿扫描方案。但由于平台式扫描仪的光学分辨率有限，动态范围通常也不高，较难获得质量非常出色的图像，所以用途也一般被限制在普通办公或网页制作等方面。另外由于透射光适配器和扫描仪上的两块玻璃夹住透射稿，而制约了扫描质量的提高，不仅会由于玻璃的不平整带来像差，还很容易产生“牛顿环”现象，大大降低了最终的图像效果。
　　3．双平台扫描仪
　　平台式扫描仪加上透射稿适配器存在诸如上述的问题，并且图像的质量也不是很高。因此生产厂商又开发了一种新的透射稿扫描技术——双平台技术，它可以在平台式扫描仪中使用，并能达到与专用胶片扫描仪相媲美的透射稿扫描效果。
　　双平台技术可以完美地实现透射稿和反射稿两种介质的输入。从外观上看，双平台扫描仪有点儿像“三明治”面包，中部专门准备了一个“抽屉”来放置透射稿件。对于普通的反射稿，双平台扫描仪完全使用传统的成像光路和扫描操作；但它还专为透射稿设置了一套单独的光学系统（见^31050501c^4），除了CCD传感器和镜头外，光源、反射镜都完全不同。由于透射稿件只是由片框加以固定，可以适应各种尺寸的稿件，而且避免了玻璃带来的像差和牛顿环，让扫描质量和效率得以大大提高。
　　采用双平台技术的扫描仪采用多镜头技术，能够提高有效光学分辨率。因为扫描仪采用的线性CCD传感器拥有固定的像素数目，所以覆盖的扫描幅面越小，光学分辨率就越高。以高档扫描仪中使用的8000像素CCD传感器为例，如果扫描幅面为A4（宽8英寸），光学分辨率就是1000dpi；如果通过调节成像镜头的焦距，把最大扫描宽度变为4英寸，光学分辨率就可以提高到2000dpi，这就是多镜头技术提高分辨率的原理。多镜头技术看起来仿佛很简单，只要在扫描仪里设置一系列焦距不同的镜头，再根据扫描稿件的不同要求随时更换就可以了。但扫描仪的成像光路要求高精度，每次更换镜头都会使大量部件产生旋转运动，这就需要高精密的传动机构来保证，从而使得多镜头扫描仪的制造、调试成本都比较高。
　　双平台双镜头扫描仪可以出色地完成透射片的扫描任务，无论是分辨率、动态范围，还是扫描幅面都比较理想，同时又能够进行高质量的反射稿扫描。目前，双平台扫描仪都是几万元的高档产品，如Microtek ScanMaker 2000、ArtixScan 2020、AGFA DuoScan等，适合专业设计、印刷出版等领域的应用。
　　除了以上的这些透射稿扫描方案，扫描仪阵营中还有一员老将——专业滚筒式扫描仪，它通过光电倍增管来逐点拾取图像信息，可以达到很高的分辨率和动态范围，特别是暗部层次丰富准确，从质量上讲是透射片扫描的理想方案。但滚筒式扫描仪的价格昂贵，扫描速度很慢，现在的应用领域越来越窄，在此也就不详细介绍了。