[科普中国]-胶片扫描

当光线照射到物体上时，对于大多数物体，光线并不是全部可透过，而只是部分可透过。这种对于光线的部分透过光，通常有两种方法测量部分透光的特性：透射率或光密度。如右图所示，假设左右两物体均为部分透光特性，根据物理学和光学理论，则左边物体的透射率为：

0≤T1≤1

其中I1 是左边物体的入射光流量密度，I2 是透射光流量密度，透射率T1 反映了被物体吸收的光强，即物体对光强度的衰减系数，根据物理意义，其值在0～1之间。

而左边物体的光密度D1 为：

0≤D1≤∞

根据上式可知，对于不透光物体，D1为无穷大，与物理意义一致。以同样的方法可以分析右边物体。因此，当光照射到该图所示的两个串联关系的物体上时，则总透射率T3为：

总的光密度D3 为：

因此，当吸收光的物体是串联位置关系时，两物体的综合光密度相加，透射率相乘。

摄影中使用的胶片的物理结构如右图所示，为使摄影胶片具有良好的机械稳定性，胶片的片基材料为玻璃或柔性透明醋酸纤维素薄片。片基上涂有5～25μm厚的乳化剂（氯化银、溴化银或碘化银晶体），乳化剂由卤化银颗粒嵌入凝胶而成，卤化银经过处理后对光很敏感。曝光过程中，乳胶的不同位置接受到不同强度的光，卤化银颗粒吸收光后，颗粒被曝光，根据光线照射强弱，不同比例的卤化银颗粒被还原成银。

胶片显影是指卤化银被还原为银的过程。乳胶片上已曝光的颗粒比没有曝光的颗粒还原速度要快得多。经过一段时间后，一些颗粒被曝光还原为银，而另一些颗粒没有被曝光，这些没被曝光的卤化银颗粒被冲洗掉，因此，冲洗后的胶片上银的厚度是不均匀的。曝光充足的区域，乳化剂的厚度基本没变化，具有最大的厚度；曝光不足的区域其厚度次之，没有曝光的区域，卤化银颗粒几乎完全被冲掉了，仅留下光密度大约是0.04的薄层。

乳胶对光的响应特性如右图所示，该曲线较好地描述了乳胶的光学特性。该曲线又称为D-logE曲线或H-D曲线，它将定影胶片的密度表示为曝光量对数的函数。合理的曝光时间一般在几毫秒到几秒之间，曝光量可以认为是入射辐射能通量与持续时间之乘积，该强度与曝光时间之间的等效性称为互换法则。但对于极长或极短的曝光时间，该法则失效，称为互换失败。

根据右图，在一个较宽的范围内，密度与曝光量的对数关系可以近似为线性关系，这一范围是摄影时乳胶的正常工作区。线性部分横坐标的区间长度称为乳胶曝光宽容度，曲线线性部分的斜率表示乳胶的对比度，一般用γ表示。

乳化剂的厚度和颗粒大小是决定胶片使用性能的重要因素。一般情况下，当乳胶涂层较厚时才能得到较大的密度，而乳胶的高分辨率则要求乳胶涂层薄且颗粒粒度小，因为这样可有效避免乳胶层的光扩散，因此这两方面的要求是矛盾的，需要进行综合考虑。此外，高敏感性同样要求乳胶层薄及颗粒粒度小。乳化剂的敏感性越低，分辨率越高，它的粒度和厚度越低。

调制传递函数（MTF）是描述乳胶分辨率的常用方法，如右图所示，一般采用满足如下表达式的具有空间周期性的光强分布模式使乳胶曝光：

其中lgEo落在H-D曲线的线性区域的中心部分。

从H-D曲线可得密度为：

0≤M(f)≤1

其中，M(f)是空间频率f的函数，表示图像对比度的损失。

有时胶片扫描的源图像是其他胶片图像的拷贝，而不是原始胶片，如右图1所示说明了照相复制和缩微照相的过程。假设源图像的密度为Ds（x，y），而理想胶片的性质如右图2所示，样本用强度为Io的光线从背后照射，持续时间为T，则从点（x，y）到达

胶片上的点（x‘，y'）的曝光量为：

令Eo=IoT，对上式取对数得：

在图2的线性区域，光密度为：

则：

其中：

上式说明，当光密度低于Do 时，用γ因子修正可实现负片图像。1

图像领域使用的主要介质是35mm幻灯片，较大尺寸的透明型介质还有2.25in×2.25in、4in×5in等负片和透明介质。为精确表示数字化负片的颜色，胶片扫描仪需补偿胶片本身及胶片上的颜色，它们均以彩色印刷材料的特性为基础，与人类视觉系统感受颜色的方法无直接关系。部分胶片扫描仪仅转换负片的颜色，而不进行颜色修正。另有一些胶片扫描仪通过采用LUT或CLUT等不同胶片类型的查色表，或者采用硬件处理和软件算法平衡从负像到正像的转变。

胶片扫描仪的光学分辨率范围一般在2000～8000ppi（pixel per inch）之间，最大扫描尺寸可达6in×9in。通常情况下，分辨率为2000ppi的胶片扫描仪完全可以满足用于演示和用于多媒体的35mm胶片的数字化需要。

大多数胶片扫描仪使用CCD电荷耦合器件获取颜色和灰度级，一般存在噪声和串扰问题。因此，高档扫描仪应选择性能优良的电荷耦合器件以获得较高的信噪比，此外，还可以通过采用补偿技术获得较高的颜色保真度。

胶片所包含的图像信息量比照片和印刷品要丰富得多，专业图像处理一般都采用扫描胶片的方式来获取图像信息。胶片扫描仪用于从摄影负片或幻灯片上进行扫描，对图像进行处理以获得数字图像。胶片扫描仪的工作原理与普通平板扫描仪类似，胶片扫描仪与普通平板扫描仪最大的差别在于扫描材料的种类不同，前者是胶片，后者是诸如纸张等反射性媒质材料。若将胶片扫描仪的扫描头安装在平板扫描仪的顶部，则既能扫描需反射光源的纸质材料，又能扫描需直射光源的胶片。

数码胶片记录仪是数码摄影的又一输出设备，用于从数码影像获取彩色、黑白负片或透明正片。胶片记录仪从原理上来分有两种基本类型。一是滚筒式胶片记录仪，即利用激光将数码信息记录在胶片上；二是CRT胶片记录仪，又称阴极射线管胶片记录仪，它使用阴极射线管作为光源，光源经红、绿、蓝滤镜照射到胶片上。胶片记录仪主要用于高质量打印、幻灯片播放以及多媒体简报制作。

鼓式扫描仪具有较高的光学分辨率，主要用于处理透明胶片、负片以及反光图片，它是一种非常昂贵、高质量、专业级的扫描设备，鼓式扫描仪一般在特定专业领域应用，如需要数字化透射型介质（幻灯片、胶片、大的透明介质）的图形图像处理领域。鼓式扫描仪又称为滚筒式扫描仪，当然这种滚筒式扫描仪与前面所述的滚筒式扫描仪并不相同。鼓式扫描仪是专业印刷排版领域应用最为广泛的产品，它应用的感光器件是光电倍增管，是一种电子管，性能远远高于CCD类扫描仪，格也相对较高。2