5.1.2. Сканеры

Сканером (scanner) называется устройство, позволяющее вводить в компьютер образ изображения, представленных в виде текста, рисунков, слайдов, фотографий или другой графической информации. Существует несколько методов считывания образов изображения. Они делятся на следующие типы: с нулемерной, одномерной и двумерной разверткой.

При нулемерной развертке (рис.5.3.) используются одиночный фотодатчик и вращающийся барабан, который осуществляет двумерное движение вокруг датчика. Документ охватывает барабан, и развертка по строкам осуществляется вращением барабана. Развертка по кадру выполняется перемещением в направлении оси вращения барабана.

Рис. 5.3. Сканер с нулемерной разверткой

При одномерной развертке (рис. 5.4) используется формирователь сигналов изображений на приборе с зарядовой связью (ПЗС) – Charge - Coupled Device (CC D), который имеет расположенные в линию фотодатчики для считывания строки целиком. Сам документ перемещается для развертки по кадру. Данный метод называется методом твердой развертки или плоскостной развертки. Используется в настоящее время большинством факсимильных аппаратов и настольных сканеров.

Рис. 5.4. Сканер с одномерной разверткой

При двумерной развертке (рис. 5.5) используется матричный формирователь сигналов изображений – массив CC D, для которого элементы изображения расположены в виде двумерного массива на плоскости кристалла. При этом не производится механической развертки. Этот метод развертки используется также в цифровых фотоаппаратах, видеокамерах.

Рис. 5.5. Сканер с двумерной разверткой

Как уже было отмечено, основным электронным устройством, обеспечивающим работу большинства современных сканеров служит формирователь сигналов изображений на ПЗС, используемый при одномерной развёртке. Он состоит из фотодиодов, электродов хранения, сдвигающих затворов, аналоговых сдвиговых регистров ПЗС и предусилителя (рис.5.6.) . Имеются тысячи фотодиодов (2048 ячеек и более для считывания документов), линейно расположенных для генерации напряжения при приеме света. Фотоэлементы используются для преобразования оптической энергии в электрическую. Фотогенерированное напряжение последовательно преобразуется в данные для хранения во встроенных сдвиговых аналоговых регистрах и последующего преобразования в цифровую форму.

Рис. 5.6. Конструкция формирователя сигналов изображений на ПЗС

Электрические заряды, генерированные фотодиодами, временно хранятся в ячейках, работающих как конденсаторы. Количество накопленного электрического заряда зависит от интенсивности света и длительности приема света. Как конденсатор, ячейка хранения может хранить только некоторое количество электрической энергии. Максимальное количество хранимой энергии не меняется даже при дополнительном приеме света (насыщение). Накопленный электрический заряд передается на аналоговый сдвиговый регистр. Для этого переноса все сдвиговые (связывающие) затворы одновременно отпираются таким образом, чтобы все (2048) электрические заряды были переданы на аналоговый сдвиговый регистр, который обеспечивает параллельный прием данных и последовательный сдвиг. Электрические заряды сдвигаются, по крайней мере, двумя сигнальными линиями (двухфазная схема). Сигналы в виде зарядов низкого уровня, с выхода аналогового сдвигового регистра ПЗС, усиливаются предварительным усилителем для последующего преобразования с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

На рис. 5.7 показан выходной сигнал формирователя сигналов изображений на ПЗС, когда он считывает документ. Выходной сигнал формирователя сигналов изображений на ПЗС в увеличенном масштабе показывает, что сигнал состоит из элементов изображения. Элемент изображения показывается в единицах пэл (от английского слова ”pel”, которое означает ”picture element”, т.е. элемент изображения). Рисунок показывает, что данные дискретны во времени, привязаны к тактовой последовательности (импульсы сдвига) и непрерывны по амплитуде, т.к. каждый элемент имеет различное значение напряжения.

Рис. 5.7. Форма выходного сигнала формирователя сигналов изображений на ПЗС

Для считывания информации с использованием ПЗС требуется несколько десятков сантиметров оптического пути от поверхности документа до линейки ПЗС и это накладывает ограничение компактность аппаратуры. Однако, благодаря разработке контактного формирователя (КФ) сигналов изображений (КФ), длина оптического пути от поверхности документа до считывающей секции может быть сокращена до 1-2 см, и аппаратура легко может быть выполнена компактной. Люминесцентная лампа (составляющая большую часть стоимости сканера) не используется. Поэтому техническое обслуживание сканера становится намного проще, а аппаратура надежней.

Принцип работы КФ состоит в следующем. Каждый диод матричной сборки светоизлучающих диодов (СИД) излучает свет. Свет проходит через стержневую линзу и падает на поверхность документа (рис. 5.8). Отраженный свет проходит через матричную сборку самофокусирующихся линз и собирается на датчик (линейка ПЗС). Обработка сигнала в секции датчика является идентичной с рассмотренным ранее принципом ввода изображений на ПЗС.

Сравним КФ и обычную систему ввода изображения. Матричная сборка СИД соответствует люминесцентной лампе. Матричная сборка самофокусирующихся линз соответствует линзе. Датчик соответствует формирователю сигналов изображений на ПЗС (рис. 5.9).

Рис. 5.8. Вид сечения устройства КФ

Рис. 5.9. Сопоставление КФ с классической оптической системой на ПЗС

Поскольку ширина секции датчика соответствует ширине документа формата А4, то расстояние от поверхности документа до датчика может быть установлено равным 1-2 см. Так как площадка каждого бита датчика приблизительно в 8 раз больше, чем площадка для каждого бита формирователя сигналов изображений на ПЗС, то можно получить достаточный выход даже при темном освещении, от таких источников света, как СИД. Следует отметить, что электростатическая прочность КФ такая же, какая в случае БИС с КМОП-структурой. При работе с аппаратурой следует уделять особое внимание мерам защиты от статического электричества и прямых солнечных лучей.

При выборе сканера целесообразно проводить оценку на основании технических характеристик, приводимых в документации или проспектах. Однако для правильной их интерпретации требуется понимание того, какие параметры действительно определяют качество получаемых результатов, а какие в основном служат для привлечения покупателя. В табл. 5.1 приведены основные характеристики сканеров большого формата (А1-А0).

Таблица 5.1

Термин	Комментарии
Ширина тракта (throot width)	Максимальная ширина документа. Для сканеров, протягивающих документ через себя, характеризует ширину тракта протяжки. Допустимая ширина документа должна быть несколько меньше этого параметра.
Максимальная ширина сканирования (Maximum scan width)	Обозначает ширину охвата сканируемого документа. Всегда меньше, чем ширина тракта.
Максимальная длина сканируемого документа (Document length)	Для планшетных сканеров всегда меньше габаритов планшета. Для сканеров, протягивающих документ через себя может быть не ограниченной.
Максимальная толщина сканируемого документа (Document thickness)	Определяет максимальную толщину носителя, который может использоваться на данном сканере. Если документ должен быть помещен в пластиковый конверт для сканирования, то это накладывает ограничения на суммарную толщину документа и конверта.
Вид носителя (Document media)	Определяет, какие материалы могут быть использованы в качестве носителей для документов. Чем больше список, тем лучше.
Скорость сканирования (Scan speed)	Определяет скорость протяжки носителя через сканер.
Система оптического преобразования изображения (Imaging system)	Описывает элементы, где происходит получения первоначальной информации для построения растрового изображения документа.

Параметры, описывающие параметры разрешения сканеров и характеристики точности сканирования представлены в табл. 5.2.

Характеристики сканирования и интерфейса сканера приведены в табл. 5.3.

Принцип работы черно-белого сканера заключается в следующем. Сканируемое изображение освещается белым светом. Отраженный свет через редуцирующую (уменьшающую) линзу попадает на фоточувствительный полупроводниковый ПЗС (CCD) - элемент. Каждая строка сканирования изображения соответствует определенным значениям напряжения на ПЗС.

Таблица 5.2

Термин	Комментарий
Разрешение, программно-достижимое разрешение (Image resolution, software resolution)	Приводится в качестве основного параметра сканера. Значение - ряд разрешения растровых изображений, с которыми создаются выходные файлы.
Оптическое разрешение (Optical resolution)	Указывает фактическое разрешение сканера. Часто оптическое разрешение в два раза меньше программно-достижимого разрешения сканера, указываемого в документации как "Разрешение".
Различность линий (Line detectability)	Данный параметр определяет максимальное количество параллельных линий на единицу длины, которые могут быть введены сканером раздельно.
Точность (Accuracy)	Характеризует максимальную погрешность, возникающую при сканировании документов.

Таблица 5.3

Термин	Комментарий
Режим сканирования (Scan modes)	Указывает, какие виды растровых изображений можно получить с помощью сканера. Различают черно-белые, тоновые и цветные изображения.
Способы установки порога чувствительности (Thresholding)	Установка порога чувствительности для определения полезной информации от фона. Бывает статической и динамической (адаптивной). Адаптивная обеспечивает более качественные результаты.
Выходные форматы (File formats)	Определяет состав выходных форматов сканера.
Платформы (Platform support)	В списке типов компьютеров, с которыми работает сканер, должен быть и пользователя иначе, он ничего не сможет отсканировать. Это необходимое ”условие” совместимости сканера и рабочего места.
Операционные системы (O/S support)	Дополняет предыдущий параметр. Указывает на те информационные системы, в которых есть программная поддержка для данного сканера, либо на те, для которых написано специализированное программное обеспечение.
Интерфейс (Interface)	Определяет интерфейс сканера с компьютером.

Эти значения напряжений преобразуются в цифровую форму либо через аналого-цифровой преобразователь АЦП (для полутоновых сканеров), либо через компаратор (для двухуровневых сканеров). Разрядность АЦП для полутоновых сканеров зависит от количества поддерживаемых уровней серого цвета. Например, сканер, поддерживающий 64 уровня серого, должен иметь 6-разрядный АЦП. Блок-схема черно-белого сканера приведена на рис. 5.10.

Рис. 5.10. Блок схема черно-белого сканера.

Первые модели черно-белых сканеров могли работать только в двухуровневом (bilevel) режиме, воспринимая или черный, или белый свет сканироваться могли либо штриховые рисунки, либо двухтоновые изображения. Хотя эти сканеры и не могли работать с действительными оттенками серого цвета, выход для сканирования для полутоновых изображений был найден. Полутоновый режим, или режим растрирования (Dithering), сканера имитирует оттенки серого цвета, группируя несколько точек вводимого изображения в так называемые Grey-scale пикселы. Такие пикселы могут иметь размеры 2х2 (4 точки), 3х3 (9 точек) или 4х4 (16 точек) и т.д. Отношения количества черных точек к белым и определяет уровень серого цвета. Например, Grey-scale пиксель размером 4х4 позволяет воспроизводить 17 уровней серого цвета.

Полутоновые сканеры используют максимально разрешающую способность, как правило, только в двухуровневом режиме. Обычно такие сканеры поддерживают 16, 64 или 256 оттенков серого цвета для 4-, 6-, 8-разрядного кода, который ставится при этом в соответствие каждой точке изображения.

Разрешающая способность сканера измеряется в количестве различаемых точек на дюйм изображения - DPI (Dot Per Inch).

В настоящее время существуют несколько технологий для получения цветных сканируемых изображений. На рис. 5.11 представлена блок-схема, поясняющая один из наиболее общих принципов работы цветного сканера. Сканируемое изображение освещается через вращающийся RGB - светофильтр или тремя лампами различного цвета. Для каждого из основных цветов (красного, зеленого и синего) последовательность операций практически не отличается от последовательности при сканировании черно-белого изображения. Исключение составляет, пожалуй, только этап предварительной обработки и гамма-коррекции цветов, перед тем как информация передается в компьютер. Этот этап является общим для всех цветных сканеров.

В результате трех проходов сканирования получается файл, содержащий образ изображения в трех основных цветах RGB. Если используется 8-разрядный АЦП, который поддерживает 256 оттенков для одного цвета, то каждой точке изображения ставится в соответствие один из 16.7 миллиона возможных цветов (24 разряда).

Рис. 5.11. Блок схема цветного сканера.

В сканерах Epson и Sharp, как правило, вместо одного источника света используется три, для каждого цвета отдельно. Это позволяет сканировать изображение всего за один проход. На рис. 5.12 представлена блок-схема, поясняющая принцип действия цветного сканера фирмы Hewlett-Packard. Источник белого цвета освещает сканируемое изображение, а отраженный цвет через редуцирующую линзу попадает на трехполосную ПЗС через систему специальных dichroic-фильтров (многослойных зеркал), которые и разделяют белый свет на три компоненты: красную, зеленую и синюю. Фильтрация осуществляется парой dichroic-фильтров. Первый слой первого фильтра отражает синий цвет, но пропускает зеленый и красный, второй слой отражает зеленый свет и пропускает красный, который отражается от третьего слоя. Во втором фильтре, от первого слоя отражается красный свет, от второго - зеленый, а от третьего - синий. После фильтров разделенные красный, зеленый и синий свет попадают на собственную полоску ПЗС. Дальнейшая обработка сигналов цветности практически не отличается от обычной.

Рис. 5.12. Блок схема цветного сканера фирмы HP

До настоящего времени большинство планшетных сканеров и сканеров большого формата использовали для связи с компьютером интерфейс SCSI. Этот интерфейс имеет то преимущество, что его, при наличии соответствующего драйвера, поддерживает широкий ряд аппаратных платформ – РС - АТ, Macintosh или рабочие станции UNIX.

В настоящее время с появлением USB- интерфейса (стандарт 2.0) производители стали выпускать сканеры, ориентированные на интерфейс этого типа. Встречаются сканеры с интерфейсом IEEE 1284 (LPT-порт).

Производители аппаратных и программных средств рынка сканеров соединили свои усилия в создании собственного формата драйвера Twain.

Twain разработан для ввода изображения от любого растрового источника: ручного сканера, слайдового сканера, фрейм-граббера, цифровой фотокамеры и др. Это драйвер, при помощи которого любая поддерживающая Twain -программа может импортировать растровые результаты, забыв о необходимости иметь драйвер для каждого из устройств. Стандарт Twain максимально упрощает общение с любым устройством ввода изображения. Сканеры большого формата поддерживает драйвер Twain-32.

Спецификации Twain включают поддержку Macintosh и расширяемы до поддержки других операционных систем, таких как UNIX,WINDOS и других.

В настоящее время все известные сканеры можно разбить на два основных типа: сканеры, работающие с прозрачными носителями и сканеры, работающие с непрозрачными носителями. Существуют четыре разновидности сканеров, работающих с прозрачными носителями: барабанный сканер, цветной слайд-сканер с одним CCD, цветной слайд-сканер с тремя CDD, сканер с CCD-массивом.

Сканеры, работающие с непрозрачными носителями делятся на два основных типа: ручной (hand-held) и настольный (desktop). Для того чтобы ввести в компьютер какой-либо документ при помощи ручного сканера надо без резких движений провести сканирующей головкой по изображению. Равномерность перемещения сканера существенно сказывается на качестве вводимого в компьютер изображения. Ширина вводимого изображения для ручных сканеров не превышает обычно 4 дюймов (10 см). К основным достоинствам ручных сканеров относятся небольшие габаритные размеры и сравнительно низкая цена.

Настольные сканеры обычно позволяют вводить изображение размерами 8.5х11 дюймов или 8.5х14 дюймов. Существуют четыре разновидности настольных сканеров: планшетный, рулонный, проекционный и сканирующая головка на плоттере.

К сканерам, работающим с прозрачными носителями относятся:

- барабанный сканер (рис. 5.13);

- цветной слайд-сканер с одним CCD (рис. 5.14);

- цветной слайд-сканер с тремя CDD (рис. 5.15);

- сканер с CCD - массивом (рис. 5.16).

Рис. 5.13. Барабанный сканер

Рис. 5.14. Цветной слайд-сканер с одним CCD

В каждый момент времени барабанный сканер (рис. 5.13) считывает информацию с одной точки носителя. Поэтому для получения изображения необходимо взаимное перемещение сканирующего элемента и носителя по двум координатам. Это достигается за счет вращения барабана с наклеенным на него носителем (слайдом) и линейного перемещения сканирующего элемента и источника света вдоль оси барабана.

Сканирующим элементом в большинстве цветных сканеров является прибор с зарядовой связью (ПЗС, CCD). Линейные CCD - сканеры обеспечивают взаимное перемещение носителя и линейного сканирующего элемента (CCD) вдоль одной оси (рис. 5.14). Последовательно, полоска за полоской, исходное изображение фокусируется на линейке CCD. Для получения цветного изображения применяются фильтры трех базовых цветов. За один проход считывается один цветовой слой.

Цветной слайд-сканер с 3-мя CCD представляет собой устройство, аналогичное цветному слайд-сканеру с одним CCD. Отличие заключается в использовании трех различных сканирующих элементов для каждого базового цвета - красного, зеленого, синего. Изображение получается за один проход.

В сканере с массивом CCD, аналогичном тому, который применяется в видеокамерах, позволяет получить изображение без взаимного перемещения носителя и сканирующего элемента. Похожую конструкцию имеют проекционные сканеры, работающие с непрозрачными носителями.

Рис. 5.15. Цветной слайд-сканер с тремя CDD

Рис. 5 16. Сканер с CCD массивом

К сканерам, работающим с непрозрачными носителями относятся:

- сканер со сканирующей головкой на плоттере (рис. 5.17);

- планшетный сканер (рис. 5.18);

- рулонный сканер (рис. 5.19);

- проекционный сканер (рис. 5.20);

Сканирующая головка - это недорогое CCD (рис. 5.17). Размеры и разрешающая способность невелики. Поэтому, чтобы отсканировать чертеж, необходимо взаимное перемещение носителя и головки по двум координатам. Это обеспечивается кинематикой плоттера. За один проход сканируется одна полоска. Склеивание полосок происходит автоматически с помощью прилагаемого программного обеспечения. Однако из-за механических погрешностей склеивание никогда не бывает точным, поэтому для полученного изображения характерна практически не компенсируемая полосатость.

Схема работы планшетного сканера полностью аналогична схеме работы линейного CCD-сканера, за исключением того, что перемещается CCD и фокусируются отраженные лучи, а не проходящие. Такая конструкция типична для большинства настольных сканеров формата А3 и А4. Как правило, используется один элемент CCD (для монохромных изображений).

Рис. 5.17. Сканирующая головка на плоттере	Рис. 5.18. Планшетный сканер
	Рис. 5.19. Рулонный сканер

Кинематическая схема рулонного сканера повторяет схему линейного CCD-сканера. Линейка CCD неподвижна, перемещается носитель. Фокусируются отраженные лучи. Когда по такой схеме изготавливают сканеры большого формата (А1 или А0), то, как правило, используется не один элемент CCD, а несколько, установленных друг за другом в линейку. Специальное устройство обеспечивает точную стыковку изображений, полученных каждым CCD. Процесс коррекции взаимного расположения CCD (юстировка) в новых сканерах автоматизирован. В настоящее время это практически единственная конструктивная схема работы сканеров большого формата, как черно-белых, так и цветных. Вариации этой схемы касаются тракта, по которому перемещается носитель: он может быть прямолинейным, что позволяет избежать лишних деформаций носителя, а может быть изогнутым, что ограничивает применение некоторых видов носителей в таких сканерах (жестких, повышенной толщины).

Устройство проекционного сканера приведено на рис. 5.20.

Рис. 5.20. Проекционный сканер

Более подробную информацию о сканерах можно найти в [25].