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Evaluate geometric accuracy, repeatability and drift of a flatbed scanner

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Quanto è preciso uno scanner? Se scansiono più volte una stessa immagine, quanto sono differenti le relative scansioni ? Quanto è reale il valore DPI fornito dal costruttore è reale ?. In qui viene illustrato un metodo per dare una risposta a queste domante.

Per valutare accuratezza e sensibilità di uno scanner è possibile fare riferimento a tecniche comunemente utilizzante in fotografia e/o microscopia.

Si consiglia una lettura di questi link per una valutazione scientifica della accuratezza di uno scanner

Ripetibilità

Indipendentemente dalla accuratezza geometrica è interessante valutare la ripetibilità di uno scanner. Facendo due scansioni di uno stesso oggetto, soprattutto se non abbiamo nemmeno aperto il coperchio dello scanner, ci aspettiamo di ottenere la stessa identica immagine. Purtroppo non è cosi.

Basta fare una semplice differenza delle due immagini per una rapida verifica.


Prima Scansione                                            Differenza tra due scansioni consecutive

Benché le due scansioni sembrino identiche, la sottrazione pixel-by-pixel delle immagini mostra differenze rilevanti. Nella immagine differenza, il colore chiaro esprimono l'entità della differenza. Immediatamente si notano le righe orizzontali che indicano una traslazione verticale tra le due immagini. In direzione orizzontale si percepisce una leggera differenza nella lettura del tono scuro soprattutto nella parte bassa dell'immagine.

Le due immagini non sono semplicemente traslate ma sono differenti e la differenza non è costante su tutta l'immagine !

Se le immagini fossero semplicemente traslate tra loro, l'immagine differenza mostrerebbe solo i contorni completi con uno spessore pari alla entità della traslazione. L'immagine che segue è la differenza tra la prima scansione ed una sua traslazione artificiale di 5pix in verticale e 1pix in orizzontale.


Differenza tra due immagini identiche ma traslate

In generale uno scanner è caratterizzato da una ripetibilità che purtroppo non è dichiarata dal costruttore.

Come valutare la ripetibilità del proprio scanner ?

Non è una operazione semplice  anche se la logica è semplice:

  1. Eseguire N scansioni di uno stesso oggetto senza mai aprire il coperchio dello scanner
  2. Su ogni immagine ottenuta eseguire una o piu' misure dell'oggetto
  3. Calcolare deviazioni standard delle N misure

PkLab ha implementato un software per valutare in modo automatico la ripetibilità del proprio scanner.

Presto l'applicazione sarà disponibile gratuitamente su questa pagina
  • Partendo dalla scacchiera presa in esempio si effettuino N (esempio 6) scansioni consecutive.
  • Su ogni immagine si determini la posizione X,Y di ogni vertice della scacchiera.
  • Si riporta su un grafico tutte le posizioni trovate

Mappa dei punti relativi a 6 scansioni consecutive
  • Ogni crocetta nera indica il baricentro di un vertice trovato nelle N immagini
  • Ogni punto colorato indica il delta delle coordinate per quel vertice trovato nella immagine i-esima
  • I tratti che uniscono i punti colorati indicano la sequenza di scansione
  • I vertici delle scansioni sono riportare in modo differenziale rispetto al baricentro corrispondente e con scala amplificata in modo da evidenziare le differenze.
  • Sui bordi inferiore e destro sono riportate le distanze tra i vertici rispettivamente per ogni colonna e riga. I piccoli grafici a barre nei due bordi indicano min/max delle distanze per ogni immagine

E' evidente che lo scanner è tutt'altro che ripetibile sia nel tempo che rispetto al piano X,Y.

Inoltre il grafico mostra un grave effetto di deriva. I segmenti colorati che uniscono i punti mostrano un percorso regolare rispetto alla sequenza di scansione. Le distanze medie di righe e colonne variano in modo crescente e regolare.

Ogni scanner è affetto da deriva a causa del riscaldamento della lampada, degli apparati in movimento e probabilmente anche a causa della deriva fotonica dello stesso sensore CCD
L'effetto deriva implica che ogni scansione dipende dalla scansione precedente. Quindi misure ripetute effettuate su immagini consecutive non sono casuali e indipendenti.
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