Разрешение мониторов, принтеров, сканеров

Цифровая аппаратура, предназначенная для визуализации, представляет изображение в виде черно-белых или цветных точек, называемых пикселами или минимальными элементами изображения. Они расположены так близко друг к другу, что наше восприятие сливает их в непрерывные тона и создает реалистичное изображение. Количество пикселей в изображении называют его разрешением. Разрешением называют также способность монитора, принтера или другого выводного или вводного устройства разместить определенное количество элементов изображения на единицу длины. Измеряют разрешение в dpi (dot per inch - точках на дюйм) или ppi (pixel per inch - пикселей на дюйм).

Разрешение мониторов

Начнем с разрешения монитора. Она определяется разрешением, т.е. количеством пикселей - троек из люминофоров - по горизонтали и вертикали рабочей поверхности экрана (части экрана, занятой изображением). В таблице приведены некоторые стандарты разрешения мониторов для персональных компьютеров

Видео стандарт Разрешение Отношение ширины к высоте Общее число пикселей

VGA (Video Graphics Array) 640 х 480 4:3 307 200

320 х 200 8:5 64000

SVGA (Super VGA) 800 х 600 4:3 480 000

1,024 х 768 4:3 786 432

1,280 х 1,024 5:4 1310720

1,600 х 1,200 4:3 1920000

Большинство мониторов многочастотные (multisync или multiscanning). Многочастотный монитор может в определенных пределах автоматически настраиваться на нужную частоту развертки, а значит и на нужное разрешение. Решающее значение при выборе разрешения монитора играет размер рабочего поля экрана, которое, вообще говоря, меньше полной площади его поверхности на величину черной рамки по краям экрана. Размеры экрана принято давать в дюймах его диагонали. Это номинальная диагональ, спецификация которой почти всегда является рекламным трюком производителя. Диагональ рабочего поля действительности существенно меньше. Знание отношение ширины к высоте рабочего поля позволяет вычислить их, а также площадь рабочего поля, которое и следует считать наиболее адекватной характеристикой монитора. Сравнительные характеристики мониторов разных размеров приведены в таблице и на рис.

Номинальный размер диагонали Фактический размер Площадь рабочей поверхности Прирост площади поверхности

14 "13,2" 83,6 кв.д

15 "13,8" 91,4 кв.д 9,3%

17 "15,9" 121,3 кв.д 45,1% 32,7%

20 "18,8" 169,7 кв.д 103% 85,7% 39,9%

21 "19,8" 188,2 кв.д 125% 106% 55,2% 10,9%

Разрешение для монитора выбирают, исходя из его размеров, технических характеристик и даже возраста. Как правило, чем больше монитор, тем более высокое разрешение он допускает. Но может случиться, что монитор больших размеров допускает лишь невысокую разрешающую способность. Важнейший из этих параметров - это количество точек на единицу длины. Она определяется шагом размещения пикселей (размер зерна), которая в зависимости от типа монитора составляет от 0,15 мм до 0,30 мм. Количество точек на единицу длины тоже называют разрешающей способностью монитора. Стандартом разрешения монитора считают от 72 до 95 пикселей на дюйм. Но проблема заключается не только в том, чтобы сделать зерно малым, важно чтобы каждый пиксел был достаточно выразительным и четким. При слишком малом зерне большинство людей теряет способность различать изображение на экране. Следующая таблица содержит рекомендации по зависимости разрешения от размера экрана. В ней различают идеальную и добрую соответствия. Малое изображение - это изображение, которое может вызвать зрительные затруднения. Очень малое изображение потребует увеличительного стекла. Наоборот низкое разрешение при больших размерах экрана разбивает изображение на большие или очень большие видимые пикселы, что делает ее практически непригодной.

Разрешение 14 "15" 17 "20" 21 "

320 х 200 идеально Хорошо Большое - -

640 х 480 Хорошо идеально Хорошо Большое -

800 х 600 Малое Хорошо идеально Хорошо Большое

1,024 х 768 Маловато Малое Хорошо идеально Хорошо

1,280 х 1,024 - мало Малое Хорошо идеально

1,600 х 1,200 - - маловато Мале идеально

Естественно, что размеры объекта на экране монитора могут не соответствовать его реальным размерам, поскольку изображение на экране зависит от разрешения.

3.2.2. Разрешение принтеров

Разрешение принтеров измеряется в относительных единицах, а именно в количестве точек - черных или цветных, - которые принтер способен разместить на единице длины. Единица измерения - dpi - dot per inch. На рис. мы видим, как разрешение принтера влияет на качество печати. Разрешение лазерных принтеров обычно составляет

• 300 dpi для бытовых,

• 600 dpi для офисных,

• 1200 dpi для профессиональных принтеров.

Разрешение струйных принтеров имеет несколько другие, но похожие по порядками, значение, соответственно 360, 720 и 1440 dpi.Ясна дело, что качество печати напрямую зависит от качества принтера, но также и качества бумаги. Так на профессиональных струйных принтерах используется бумага со специальным покрытием, а на лазерных принтерах могут использоваться даже специальные полиграфические пленки. Устройство принтера изображено на рис:.

Сейчас мы еще не готовы ответить на вопрос: много это или мало - 1200 dpi? Но заметим, что для высококачественного полиграфического печати используются специальные машины - имиджсеттеры, - которые выводят изображение на фотопленку. Только при выводе на пленке, а не бумаге удается достичь разрешений 2400 и 3600 dpi.

3.2.3. (Пространственная) разрешение (растрового) изображения.

Два слова в названии подразделения взяты в скобки, так как их обычно выпускают, говоря о разрешение изображения, имеют в виду пространственную (поскольку есть еще цветовая) разрешение растрового (ибо изображение бывают еще контурными) изображения. Растровое изображение очень напоминает вышивку крестиком, потому что состоит из точек, которые именно потому и называются picture element. При сокращении "ct" превратилось в "x", так появился pixel.

Растровые изображения идеально подходят к воспроизведению на экране монитора, который тоже состоит из точек. Правда, существует определенная проблема, вызванная отсутствием одно-однозначного соответствия между пикселами изображения и точками экрана. Общее количество точек наиболее детального экрана составляет, как мы видели, 1920000. Точек в изображении может быть гораздо больше. Этому существует несколько причин, самой понятной из которых является необходимость масштабирования. Действительно, увеличив масштаб вывода изображения на экран вдвое, мы разместим на экране теперь лишь одну четвертую часть изображения, а так все оно теперь может состоять из 4 х 1 920 000 = 7 680 000 пикселей. Еще одно удвоение масштаба приведет к 30720000 пикселей и так далее. Если такое детальное изображение мы захотим затем полностью вывести на экран или его часть, то придется его обобщать, объединяя для вывода несколько соседних пикселей в одну точку экрана.

Размеры изображения в пикселах является его абсолютным размерам, но для измерения размеров употребляют также обычные единицы длины метрической системы (миллиметры, сантиметры) или дюймы. Чуть позже, рассматривая измерения шрифтов, мы поймем причину популярности дюйма как единицы длины. Метрические размеры или размеры в дюймах являются условными размерами изображения, показывающие, каким это изображение на бумаге, но не обязательно на экране. Действительно изображение, состоящее из 480 000 точек займет всю поверхность экрана при разрешении монитора 800 х 600. Это же изображение займет лишь 61% поверхности этого же экрана при его работе в режиме использования разрешения 1,024 х 768. Если же этот же экран перевести в режим 1,600 х 1,200, то изображение с теми же размерами теперь будет составлять лишь четвертую часть экрана.

Исходя из линейных размеров изображения в дюймах, его разрешение подают в количестве пикселей на дюйм - ppi (pixel per inch). Конечно изображения сохраняют с разрешением 72 ppi в тех случаях, когда они предназначены исключительно для воспроизведения на экране в масштабе 1:1. Необходимость масштабирования или качественного распечатки требуют больших разрешений. На рисунке приведено изображение с разрешениями соответственно 1000 ppi, 225 ppi, 72 ppi, 20ppi.У случае масштабирования ситуация более менее понятна. Проблема расчета разрешения изображений, предназначенных также для распечатки, будет рассмотрена позже.

3.2.4. Цветовая разрешение изображения.

Для того, чтобы договориться о количестве цветов, которые будут различаться в картинке, сначала выясним потребность изображений по количеству цветов.

Простейшим изображением является штриховой рисунок (line art). Штриховой рисунок - двухцветный, потому необходимо различать лишь цвет линии и цвет фона (Рис. 3.17). Каждому элементу штрихового рисунка, например, точек, если рисунок растровый, отвечает одна из двух возможностей: цвет является, цвета нет. Цветовая разрешение штриховых рисунков равна двум (цветам).

Следующими по сложности являются изображения, в которых используется небольшое (до 256) количество цветов. Называть их плашечных изображений, поскольку обычно они состоят из областей (плашек), залитых определенным цветом. Примерами служат, диаграммы, схемы, графики, карты и т.д. (рис. 3.18).

Цвет плашечных изображений задают номером цвета в реестре цветов - палитре (рис. 3.19). Палитра может быть стандартной, для ссылки на которую достаточно назвать ее по имени, либо собственной палитрой того или иного изображения. В последнем случае палитра должна прилагаться к изображению. Исходя из особенностей двоичного кодирования, палитры состоят не более чем из 256 цветов. Тогда для кодирования цвета используется один байт. Возможны экономные палитры, например, 4 бита - 16 цветов. В случае 16 цветов одного байта достаточно для размещения информации о двух цветовых елементи.Одноколирни полутоновые изображения (gray picture), примером которых могут служить черно-белые фотографии - еще один тип изображений. Полутоновыми их называют потому, что они содержат неограниченное количество оттенков серого цвета - от чисто белого до черного.

Как это принято в цифровых технологиях, неограниченное количество оттенков серого при цифровом кодировании заменяется ограниченным числом их кодов. Разрешение по оттенкам серого определяет количество значений оттенков, которые мы способны закодировать. Если ограничиться 4 битами, то изображение будет содержать 4 оттенка серого. Если для кодирования используется один байт, то получим 256 разных значений оттенков серого. Если обозначить оттенок, соответствующий черному цвету через ноль, а белому - через единицу, цифровые коды должны давать дискретную линейную зависимость с шагом h8 = 1:255 = 0,0039215 H 0,03.

Сколько уровней серого нужно для реалистичного воспроизведения изображений? Считается, что глаз различает в пределах от 64 уровней. Значение шага h6 составит h6 = 1:64 = 0,016 H 0,02. На рис. 3.20 представлены примеры изображений с разной разрешающей способностью оттенков серого. Для цифрового кодирования оттенков серого цвета в принципе можно было бы ограничиться 6 битами. Но нужно помнить о погрешности, которые возникнут при цифровом кодировании, а особенно при сканировании изображения (см. соответствующий раздел). А поэтому принято использовать обычное байтовое кодирование, что дает 256 оттенков.

Интересно, что роль темных и светлых тонов, как и их зрительное восприятие существенно отличаются. Сначала остановимся на так называемой проблеме гамма-коррекции. Дело в том, что яркость люминофора не пропорциональна напряжению, подведенной к катодной трубки. Это Степенная зависимость вида, где значения и в зависимости от типа устройства составляет около 0,45 и называется показателем нелинейности датчика. Тогда обратная к и величина разницы примерно 2,2, а соответствующий график зависимости G от I имеет вид параболы. Проблему нелинейности хорошо иллюстрирует рис. 3.21, на котором изображены графики прямой пропорциональной и квадратичной зависимостей (). При парабола проходит под прямой, то есть. Это значит, что интенсивность света меньше, чем при прямо пропорциональной зависимости, а потому участки тени были бы более темными, чем они должны быть. При графики пересекаются, а дальше. Участки света светлее, чем надо.

Гамма-коррекция монитора заключается в выводе на экран монитора вместо величины интенсивности G величины Gcor, рассчитываемый как, где Gmax - максимально возможное значение интенсивности (белый цвет). Простая гамма-коррекция выполняется аппаратно. Сложные виды коррекции будут рассмотрены позже.

Вторая проблема состоит в нелинейном характере зрительного восприятия. На рис. 3.22 изображена шкала серых полутонов или "серый клин". От прямоугольника до прямоугольника интенсивность меняется на величину 0,05. В области света прямоугольники различаются четко, в области тени не различаются вовсе.

Сказанное еще раз подтверждает необходимость более точного кодирования полутонов, по крайней мере достаточного для различения в области максимального восприятия. Закодированы в цифровом виде серые изображения преобразуются в изображение в градациях серого цвета.

Наконец последний тип изображения - это полноцветное полутоновое изображение. Такое изображение можно кодировать в цветовой модели RGB, используя по 256 оттенков каждого из цветов. Всего это даст 256 х 256 х 256 = 16,8 млн. цветов. Это так называемый 24-битный цвет или стандарт true color.

На самом деле столько цветов не требуется. Считается, что глаз воспринимает 128 цветов при 30 значениях насыщенности и 50 значениям яркости. Это составит 128 х 30 х 50 = 192 тыс. цветов. Если изображение не содержит тонких цветовых переходов, то высокого качества изображения можно достичь, ограничившись лишь 5 битами на цветовую составляющую или 32 768 цветами. На этом ирунтуеться так называемый 15-битный стандарт high color, что обеспечивает достаточно качественное цветное изображение. На рисунке представлено изображение соответственно в 24 -, 8 - и 4-х битном цвете

3.2.5. Соотношение разрешения и объема файла.

Конечно пространственная разрешающая способность может изменяться от 20 до 2400 ppi. Программы создания изображений устроено так, что размеры изображения можно выбирать выбирать в дюймах, сантиметрах или пикселах. Если мы установили разрешение 72 ppi, то каждый квадратный дюйм изображения будет содержать 72 х 72 = 5184 пиксела, при способности 300 ppi - 300 х 300 = 90 000 пикселей.

Для штрихового рисунка количество пикселей изображения совпадает с количеством битов, необходимых для его кодирования. Для изображения в градациях серого изображения количество пикселей даст его размер в байтах. Для полноцветной полутонового изображения в моделях RGB, HSV или CIE Lab количество точек умножаем на 3, а в модели CMYK - на 3.Наприклад, для кодирования экрана 640 х 480 цветного монитора в 24-битном формате RGB нужно 640 х 480 х 3 = 920 кб, а монохромного монитора 920 Кб: 3 = 307 Кб. Для экрана 1024 х 768 эта цифра возрастает до 1024 х 768 х 3 = 2304 Кб = 2,25 Мб. Это говорит о том, что при таком разрешении видео памяти в 2Мб уже не достаточно. Размеры видеопамяти при различных разрешениях приведены в таблице

Разрешение 256 цветов (8-бит) 65,000 цветов (16-бит, high color) 16.7 млн. цветов (24-бит, true color)

640x480 512K 1 MB 1 MB

800x600 512K 1 MB 2 MB

1,024 x768 1 MB 2 MB 4 MB

1,152 x1, 024 2 MB 2 MB 4 MB

1,280 x1, 024 2 MB 4 MB 4 MB

1,600 x1, 200 2 MB 4 MB 6 MB

Теперь оценим память, исходя из размеров распечатки графического файла. Возьмем изображение, требующее стандартного листа формата А4 в цветовой модели CMYK. Пусть разрешение составит 300 ppi, тогда 1 кв. дюйм содержать 90 000 пикселей, а все изображение (8,3 х 11,7) кв. дюйма х 90 000 х 4 = 34812142 байт = 33 Мб.

Проведенные расчеты показывают, что графические изображения могут потребовать значительных объемов памяти, поэтому их использование требует тщательного выбора разрешения и цветовой модели.

Разрешение сканера

Цифровое кодирование художественных оригиналов выполняется с помощью сканеров, цифровое фотографирование как оригиналов, так и живой натуры - с помощью цифровых фотокамер. Цифровое кодирование выполняет две основные функции. Во-первых, разбивает непрерывное изображение на точки - пикселы. Во-вторых, каждой точке приписывает (три) цифровые цветовые характеристики, а в случае монохромных изображений, характеристику яркости.

Несмотря на некоторые конструктивные отличия, принцип действия сканера, как и цифровой камеры, заключается в освещении оригинала или живой натуры с помощью искусственного или солнечного света и измерении с помощью светочувствительного сенсора яркости светового потока, пропущенного прозрачным или видсвиченого непрозрачным оригиналом или живой натурой. Солнечный свет используется исключительно цифровыми камерами, искусственное освещение всеми видами цифрувальнои аппаратуры. Принцип цветного сканирования - то же, что и монохромной. Только в последнем случае каждый пиксел создается одним сенсором, а в первом - тремя по количеству цветовых каналов. Сенсоры те же: только на пути света к сенсору находится соответствующая линза, которая выделяет яркость нужной цветовой составляющей - красной, синей или зеленой.

Каждый сенсор преобразует величину освещенности в электрическое напряжение, которое поступает на вход аналогово-цифрового преобразователя. Последний превращает ее в цифровой код, поступающий на вход процессора цифровой обработки сигналов. Процессор выполняет первичную обработку, сжатие и передачу цифровых данных в память. Цветовая разрешение напрямую зависит от яркости света. Она определяется глубиной цвета сканера. Обычно это 24 бита, но все чаще используются сканеры с глубиной цвета 36 (12 бит на цвет). Повышенная точность позволяет избежать погрешностей цифрового кодирования. Количество сенсоров, приходящаяся на единицу длины оригинала, называется оптическим разрешением сканера. Она определяет пространственное разрешение изображения. существуют приемы повышения оптической разрешающей способности путем аппаратной или программной интерполяции. Конечно сканеры обеспечивают 300, 600 или 1200 ppi. Схема обработки изображений представлена ​​на рис.

По строению различают сканеры барабанные и планшетные. Они отличаются конструктивно способами размещения и передвижения осветителя, сенсоров и оригиналов. Барабанные сканеры - это сканеры суперкласса и, естественно, супервартости, предназначенные для чрезвычайно качественных работ. Мы ограничимся рассмотрением лишь планшетных сканеров.

Оригинал освещается мощной флуоресцентной лампой или лампой с холодным катодом. Последние дольше в процессе эксплуатации держат характеристики белого света, а кроме того не перегревают сканер. Линейка светочувствительных элементов фиксирует яркость света, пропущенного или видсвиченого, вдоль одной линии. Каждый светочувствительный элемент создает один пиксел в линии. Затем линейка передвигается вдоль оригинала на величину своего шага и процесс повторяется снова. Оптическое разрешение в планшетных сканерах делится на горизонтальную и вертикальную. Горизонтальная зависит от двух параметров: количества датчиков в линейке и ширины линейки. Вертикальная зависит от шага и может быть выше горизонтальной. Тогда доверяем горизонтальной, так вертикальная, скорее всего, будет интерполируемой. Заметим, что уже при разрешении 600 ppi и ширине линейки 8,5 дюйма (стандарт А4) необходимо 5100 сенсоров, а при разрешении 1000 ppi - 8500 сенсоров на линейке. Ясно, что разрешение планшетного сканера не может расти безмежно.Але параметру сканера является его оптическая плотность. Она выражает логарифм непрозрачности оригинала, то есть логарифм отношения общего потока света, к потоку света, видсвиченого непрозрачным или пропущенного прозрачным оригиналом. Абсолютно белая бумага или абсолютно прозрачная пленка имеют оптическую плотность нуль. Действительно, если, есть, или видсвичений (пропущенный) поток равен полному. Конечно, это идеальный случай. На практике часть светового потока поглощается даже белой бумагой или прозрачной пленкой. Считается, что либо уже является достаточно хорошим показателем белизны (прозрачности). Обычно 0,1 является значением минимальной оптической плотности сканера Dmax. Минимальность означает, что сканер не отличит участок оригинала с показателем от участка с показателем или. Оптическая плотность, равная 1, означает ослабленность потока в 10 раз, равное 2 - в 100, 3 - в 1000, а максимальным значением оптической плотности Dmax считается 4, что соответствует потоку, ослабленном в 10000 раз. Максимальное значение достигается только прозрачными высококачественными оригиналами, для непрозрачных оригиналов оптическая плотность, равная 2,5, уже недостижима.

Значение возможной оптической плотности того или иного типа оригинала полезно знать, выбирая тип сканера. Наиболее употребляемые оригиналы приведены в таблице:

Характеристики оригиналов Оптическая плотность

газетную бумагу 0,9

мелованная бумага 1,5-1,9

Фотоснимки 2,3

негативы 2,8

Слайды 2,7-3,0

Высококачественные слайды 3,0-4,0

Оптическая плотность оригинала выражает его способность содержать тонкие тоновые переходы, в свою очередь разница Dmax - Dmax называется динамическим диапазоном сканера. Она выражает его способность воспроизводить тонкие полутоновые переходы Dmax - Dmax = 4,0 - 0,1 = 3,9 определяет возможность сканера различать десятки тысяч оттенков цвета. Ясно что динамический диапазон сканера напрямую зависит от его глубины цвета. 24-битный цвет соответствует диапазону 2,4. Для обеспечения максимального динамического диапазона нужно минимум 36 бит (212 = 4096). Последующая обработка (цветокоррекция, гамма-коррекция) могут привести к уменьшению глубины цвета, но низкий динамический диапазон неизбежно выливается в потерю мелких деталей изображения особенно в области тени.

По динамическим диапазонами различается качество сканеров:

Характеристики сканеров Динамический диапазон

Простые 2,2-2,5

Средние 2,8-3,2

Планшетные высокого качества 3,4-3,9

Барабанные 3,4-4,0