Классификация сканеров

Основные  этапы работы планшетного  сканера

Рассмотрим  основные этапы работы планшетного сканера (рис. 5.3.1 и рис. 5.3.2).

Рисунок 5.3.1.

Рисунок 5.3.2.

     На первом этапе оцифровываемый оригинал засвечивается ярким источником света (рис. 5.3.1). Отраженный от оригинала световой поток посредством системы зеркал и объектива проецируется на оптико-электронный преобразователь (ОЭП), включающий систему разделения светового потока на три базовых цвета (красный, зеленый и синий) и светочувствительный сенсор, представляющий собой три линейки светочувствительных элементов, преобразующих световой поток каждого цвета в электрический сигнал.

Основное требование, предъявляемое к оптико-электронному преобразователю – максимально точное "преобразование" светового потока в электрический сигнал.

С выхода оптико-электронного преобразователя сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), преобразующего аналоговый электрический сигнал (график на рис. 5.3.2, а) в цифровой (график на рис. 5.3.2, б).

С выхода АЦП коды значений оцифрованного  электрического сигнала, величина которого пропорциональна интенсивности светового потока каждого базового цвета, передается процессору (ЦП) сканера. Центральный процессор формирует изображение, упорядочивая последовательность чисел, определяющих цвет каждого пикселя изображения, при этом промежуточные данные в процессе работы ЦП хранятся в памяти сканера, который также называется буфером.

Следующий этап – передача оцифрованного изображения  в ПК. Для этого используется стандартный  интерфейс передачи данных, например, USB или SCSI и специальное программное обеспечение – Twain-драйвер.

Twain-драйвер  сканера – это программное  приложение с графическим интерфейсом,  которое выполняет функции панели  управления сканером и осуществляет  передачу данных от сканера  в программное приложение, из  которого была выдана команда на сканирование, например, из графического редактора. Интерфейс Twain-драйвера позволяет пользователю изменять параметры сканера, такие как разрешение, область сканирования, размер области сканирования и др. Кроме этого, возможно предварительное сканирование и просмотр изображения, его цветокорректировка и постобработка.

Пример  интерфейса Twain-драйвера сканера показан  на рис. 5.3.3.

Рисунок 5.3.3.

Планшетные сканеры позволяют считывать изображения на прозрачных носителях, т.е. не только в отраженном, но и проходящем сквозь оригинал свете. Для этого применяется вторая лампа подсветки, вмонтированная в крышку сканера. Отрезки пленки или одиночные кадры размещаются на рабочем столе в специальных рамках-шаблонах, задающих точное расположение оригиналов относительно лампы подсветки. Кроме того, наличие рамки определяется сканером при предварительном считывании, и он автоматически переключается в режим сканирования на просвет. Приспособление, обеспечивающее считывание с прозрачных носителей, называют слайд-модулем.

Для сканирования прозрачных оригиналов существуют и специальные слайд-сканеры. В пленочном слайд-сканере лампа подсветки одна: расположена она с другой стороны пленки относительно объектива и отличается сильным световым потоком. Последнее обязательно, поскольку негативы обладают гораздо большей оптической плотностью, чем другие типы оригиналов. Оптическая схема рассчитана на считывание небольших по ширине носителей. Объектив имеет более совершенную и сложную схему, в некоторых моделях предусмотрена даже автоматическая и ручная фокусировка, как в фотокамерах. При считывании изображения перемещается оригинал, все остальные узлы сканера остаются неподвижными, что гарантирует отсутствие люфтов и более высокую четкость картинки. Наконец, слайд-сканеры не имеют лишних стеклянных поверхностей и оснащены целым рядом дополнительных функций, предназначенных для устранения следов пыли, царапин и других дефектов фотопленки.

Несмотря на столь существенные отличия в конструкции, все типы сканеров базируются на одном и том же принципе: преобразование света в электрический ток, цифровое измерение его величины и составление на основе полученных данных картинки из пикселей. Характеристики и функциональные возможности сканера определяются типом оптикоэлектронного преобразователя, интерфейсом передачи данных и возможностями Twain-драйвера.

Выводы по теме

1. Сканер – это устройство оптического ввода, предназначенное для ввода и оцифровки в ПК черно-белых или цветных изображений, а также для считывания текста с бумажного носителя для последующей обработки.
2. В зависимости от способа сканирования сканеры подразделяются на планшетные, ручные, барабанные.
3. В настоящее время наиболее распространены полупроводниковые светочувствительные сенсоры, которые объединяются в соответствующие матрицы. Такие матрицы изготавливаются по технологиям CCD (charge-coupled device – прибор с зарядовой связью, ПЗС) или CMOS (complementary metal-oxide semiconductor – комплиментарный металл-оксидный полупроводник, КМОП).
4. В современных сканерах для разделения светового потока на красную (Red, R), зеленую (Green, G) и синюю (Blue, В) составляющие применяются две технологии – цветные светофильтры или призма.
5. Стремление максимально удешевить сканеры привело к созданию технологии CIS (contact image sensor – контактный сенсор изображения). Матрица этого типа состоит из трех фотодиодных линеек с RGB-светофильтрами.
6. Основное требование, предъявляемое к оптико-электронному преобразователю – максимально точное "преобразование" светового потока в электрический сигнал.
7. Twain-драйвер сканера – это программное приложение с графическим интерфейсом, которое выполняет функции панели управления сканером и осуществляет передачу данных от сканера в программное приложение, из которого была выдана команда на сканирование.
8. Для сканирования прозрачных оригиналов существуют и специальные слайд-сканеры. В пленочном слайд-сканере лампа подсветки одна, расположена она с другой стороны пленки относительно объектива и отличается сильным световым потоком.
9. Все типы сканеров базируются на одном и том же принципе: преобразование света в электрический ток, цифровое измерение его величины и составление на основе полученных данных картинки из пикселей.
10. Характеристики и функциональные возможности сканера определяются типом оптикоэлектронного преобразователя, интерфейсом передачи данных и возможностями Twain-драйвера.

Характеристики  сканера

К основным параметрам, характеризующим качество сканера, относятся разрешение, глубина  цвета, динамический диапазон сканируемых  оригиналов, величина цветового шума, область отображения и коэффициент  увеличения изображения. Однако не только этим определяется конечный результат оцифровки изображения. Вполне естественно, что на результат сканирования, помимо технологических возможностей сканера, влияет исходное состояние, вид и качество оцифровываемого оригинала.

С этой точки зрения различаются оригиналы  на непрозрачномили прозрачном носителе. В первом случаем это типографские оттиски, распечатки с различных печатающих устройств, фотоснимки или рисунки на бумаге. Во втором – это негативы или позитивы на пленке.

Изображения, состоящие из непрерывных линий, называются штриховыми. К ним относятся отпечатанные разными способами тексты, чертежи и эскизы, планы и карты, гравюры и рисунки. Изображения, состоящие из совокупности множества маленьких точек, называются растровыми. Размер, расположение и цвет точек не случайны, они подчиняются строгим правилам и определяются в процессе подготовки изображения к печати – при растрировании. Фотографическое изображение, полученное при использовании не цифрового фотоаппарата, также состоит из точек (при большом увеличении на снимке легко разглядеть зерно), которые расположены хаотически и физически примыкают друг к другу (растр отсутствует). Аналогичный эффект достигается при печати на твердочернильных фотопринтерах. Поскольку за счет слияния точек образуются плавные переходы от одного цвета к другому, подобные изображения называются полутоновыми.

Разрешение  относится к одной из самых  неоднозначных характеристик сканера, поскольку существуют различные подходы к количественной оценке этого параметра. Так как данный параметр сканера имеет конкретное количественное выражение, многие производители, стараясь произвести впечатление на пользователей, ставят разрешение сканера на первое место при оценке его качества и декларируют все большие значения этого параметра. При развитии этой тенденции появились такие понятия как: оптическое разрешение, механическое разрешение, интерполированное разрешение и входное разрешение сканера. Для сравнения разрешения сканеров различных форматов значение этого параметра приводится в нормированных величинах (обычно количество пикселей на дюйм или на сантиметр, чаще всего пикселей на дюйм (ppi)).

Несмотря  на это, существует определенная путаница в терминах, используемых для описания разрешения устройств, используемых для оцифровки изображений. Это связано с тем, что понятие пиксель имеет несколько вариантов использования.

Так, полный объем информации, которую содержит оцифрованное изображение по горизонтали и по вертикали задается двумя числами, например, 800×600 пикселей. В данном случае речь идет о разрешении изображения. Также термин пиксель используется для описания экранного разрешения монитора, т.е. числа горизонтальных и вертикальных дискретных визуальных элементов, которые может отображать компьютерный монитор, например, 1024×768 пикселей. И, наконец, этот же термин используется для описания плотности информации, которую сканирующее устройство может вводить на дюйм оцифровываемого оригинала.

Наиболее  распространенное некорректное использование  терминов связано с описанием  разрешения сканера в dpi, т.е. в точках на дюйм. С технической точки зрения число точек на дюйм описывает  выходное разрешение, показывая горизонтальную плотность меток (точек), которые, например, формируют лазерные принтеры типа PostScript в ходе печати.

Оптическое разрешение (горизонтальное разрешение). Оптическое разрешение определяется числом элементов в горизонтальной линейке светочувствительной матрицы и размером оцифровываемого оригинала. Так, например, светочувствительная матрица с числом элементов 10000 при сканировании оригинала размером 21 см (ширина стандартного оригинала формата А4 ≈ 8,3 дюйма) обеспечивает максимальное оптическое разрешение примерно 1200 dpi (10000/8.3 ≈ 1200).

Чем больше число элементов светочувствительной  матрицы, тем большим может быть эффективный коэффициент увеличения сканера, что позволит оцифровывать небольшие прозрачные оригиналы (слайды, негативы) и увеличивать небольшие  отражающие оригиналы во много раз.

Механическое разрешение (вертикальное разрешение). Механическое разрешение сканера определяется точностью работы шагового привода, перемещающего каретку с оптикоэлектронным преобразователем вдоль оцифровываемого оригинала (для планшетного сканера). Если число шагов на дюйм оригинала 1200, то и механическое разрешение оценивается величиной 1200 dpi.

В характеристиках  планшетных сканеров часто приводится вертикальное механическое разрешение вдвое большее, чем горизонтальное, например, например, 600×1200 ppi. В этом случае механизм перемещения каретки выполняет "полушаги", сдвигая каретку с оптикоэлектронным преобразователем на половину пикселя за шаг, что приводит к перекрыванию пикселей. Для получения окончательного значения уровней цвета сканер программно усредняет цвет перекрывающихся пикселей.

Интерполированное разрешение (программное разрешение). Интерполированное разрешение получается путем программного разбиения исходного оцифрованного изображения с соответствующим оптическим и механическим разрешением на более мелкие точки. Далее цвет каждой новой точки вычисляется программно как среднее значение цвета смежных точек. Таким образом, необходимо учитывать, что алгоритмы интерполяции не добавляют новых деталей в изображении, они просто усредняют значения цвета соседних пикселей и добавляют между ними новый пиксель. В современных сканерах программное обеспечение допускает интерполированное разрешение до 19200 dpi и более.

Входное разрешение. Входное разрешение отражает плотность, с которой сканирующий узел производит выборку информации в оригинале в ходе оцифровки. Входное разрешение является регулируемым параметром, максимальное значение которого не может превышать оптическое разрешение сканера (без учета возможностей интерполяции), при этом размер пикселя уменьшается с увеличением входного разрешения.

Качество  и эффективность сканирования в  значительной мере зависят от степени  согласования входного разрешения с  исходным разрешением оригинала  и потенциальными возможностями  дальнейшего вывода изображения, т.е. согласование с выходным разрешением, например, принтера.

Глубина цвета (разрядность оцифровки цвета). Изготовители сканеров иногда измеряют глубину цвета двумя способами. Аналоговая глубина цвета указывает, сколько исходных градаций яркости могут считывать светочувствительные элементы с учетом шума и всех прочих факторов. Однако на практике чаще всего под глубиной цвета понимается количество разрядов аналого-цифрового преобразователя (АЦП), преобразующего аналоговый сигнал, величина которого пропорциональна интенсивности отраженного от оригинала света в цифровой код. Разрядность АЦП достигает 16 бит для каждого базового цвета (т.е. 65536 оттенков каждого цвета), поэтому полная глубина цвета с учетом трех цветовых каналов составляет 48 бит. В этом случае максимальное число оттенков, которые может считывать сканирующее устройство для каждого вводимого пикселя, составит 2⁴⁸ ≈ 2,8*10¹⁴.

Теоретически  с увеличением разрядности битового представления увеличивается и  количество деталей изображения, которые может вводить сканирующее устройство.

Формата RGB с 24-битным представлением цвета  стал стандартом для сканирования и  редактирования изображений отчасти  потому, что число 256 соответствует  максимальному числу градаций яркости  на цветовой канал (8 бит), который может воспроизводить PostScript – цифровой издательский стандарт для печати.