Устройства сканирования. Конструкция и принцип действия сканеров. Интерфейсы подключения.
Сканер (scanner) - устройство, которое создаёт цифровую копию объекта, то есть переводит текст или изображение в цифровую форму. Сканеры подобны устройствам копирования, только сканер не печатает копии, а передает оцифрованные данные в компьютер, где сканированное изображение можно сохранить в виде файла.
История изобретения
В 1857 году флорентийский аббат Джованни Казелли изобрёл прибор для передачи изображения на расстоянии, названный впоследствии пантелеграф. Передаваемая картинка наносилась на барабан токопроводящими чернилами и считывалась с помощью иглы.
В 1902 году немецкий физик Артур Корн запатентовал технологию фотоэлектрического сканирования (телефакс). Передаваемое изображение закреплялось на прозрачном вращающемся барабане, луч света от лампы, перемещающейся вдоль оси барабана, проходил сквозь оригинал и через расположенные на оси барабана призму и объектив попадал на селеновый фотоприёмник. Эта технология до сих пор применяется в барабанных сканерах.
В дальнейшем, с развитием полупроводников, усовершенствовался фотоприёмник, был изобретён планшетный способ сканирования, но сам принцип оцифровки изображения остается почти неизменным.
Принцип работы
На рис. 49 изображена общая схема устройства планшетного сканера. Свет, идущий от источника освещения, попадает на оригинал в определенной точке. Отразившись от него, свет попадает на оптическую систему сканера. Она состоит из зеркал и объектива (иногда роль оптической системы может играть просто призма). Оптическая система фокусирует свет на фотопринимающем элементе, роль которого — преобразование интенсивности падающего света в электронный вид.
Рис. 49 – Принцип работы сканера
Сканируемое изображение освещается белым светом. Отраженный свет через уменьшающую линзу попадает на фоточувствительный полупроводниковый элемент, называемый Прибором с Зарядовой Связью - ПЗС (Charge-Coupled Device, CCD), в основу которого положена чувствительность проводимости р-n-перехода обыкновенного полупроводникового диода к степени его освещенности. На р-n-переходе создается заряд, который рассасывается со скоростью, зависящей от освещенности. Чем выше скорость рассасывания, тем больший ток проходит через диод. Сканер снимает изображение не целиком, а по строчкам. По вертикали планшетного сканера движется полоска светочувствительных элементов и снимает по точкам изображение строку за строкой. Каждая строка сканирования изображения соответствует определенным значениям напряжения на ПЗС. Эти значения напряжения преобразуются в цифровую форму через аналого-цифровой преобразователь АЦП. Чем больше светочувствительных элементов у сканера, тем больше точек он может снять с каждой горизонтальной полосы изображения. Это и называется оптическим разрешением. Оно определяется количеством светочувствительных элементов, приходящихся на дюйм горизонтали сканируемого изображения.
В цветных сканерах сейчас используются, как правило, трехрядная матрица ПЗС и подсветка оригинала калиброванным белым светом. Каждый ряд матрицы предназначен для восприятия одной из базовых цветовых составляющих света (красной, зеленой и синей). Чтобы разделить цвета, используют либо призму, разлагающую луч белого света на цветные составляющие, либо специальное фильтрующее покрытие ПЗС. Однако существуют цветные сканеры и с однорядной матрицей ПЗС, в которых оригинал по очереди подсвечивается тремя лампами базовых цветов. Однорядная технология с тройной подсветкой считается устаревшей.
Типы сканеров
Барабанные сканеры. Принцип действия барабанных сканеров (рис. 50) заключается в поэлементном считывании светового сигнала от изображения-оригинала с помощью оптической фотоголовки, где в качестве фотоприемников, как правило, используются фотоэлектронные умножители.
Рис. 50 – Устройство барабанного сканера
Вращением барабана обеспечивается развертка изображения «по строке», а перемещением фотоголовки вдоль барабана - развертка «по кадру». Минимальный размер считываемого элемента может доходить до 5-7 мкм, т.е. практически до размера зерна фотопленки, что обеспечивает высокую разрешающую способность барабанных сканеров. Понятно, что световой сигнал от столь малого элемента будет невелик, а к этому еще добавляется требование различать более 256 градаций по уровню этого сигнала. В цветных сканерах также необходимо иметь высокую чувствительность фотоприемника к излучениям во всем видимом диапазоне спектра. И, естественно, фотоприемник должен быть практически безынерционным, поскольку сканирование оригиналов даже большого формата не может занимать много времени.
Всем этим жестким требованиям лучше других приемников излучения отвечают фотоумножители. Но высококачественный барабанный сканер из-за тонкой оптики, точной механики и сложной электроники стоит довольно дорого, поэтому круг потребителей этих устройств ограничен. Как правило, это репроцентры и издательства, выпускающие богато иллюстрированные журналы, альбомы и книги, имеющие постоянно большой объем сканирований цветных оригиналов в отраженном и проходящем свете (с позитивов и негативов), репродуцируемых на большой формат.
Преимущества барабанных сканеров:
Большая глубина цвета и широкий динамический диапазон оптических плотностей.
Высокое разрешение и возможность большого увеличения изображений.
Возможность обработки различных по виду оригиналов.
Высокая производительность.
Недостатки барабанных сканеров:
Трудоемкость размещения в нем материала.
Невозможность сканировать негнущиеся объекты.
Оригинал должен быть очень плотно закреплен, так как при вращении барабана возникают большие центробежные силы. В лучшем случае, возникнут воздушные пузыри между слайдом и барабаном. В худшем случае, слайды просто оторвутся.
Планшетные сканеры. Отличаются от барабанных более простой конструкцией и удобством эксплуатации. В качестве фотоприемника в них, как правило, используются ПЗС-линейки. Строчная развертка обеспечивается естественным для ПЗС электронным способом (см. гл. 2), а кадровая - линейным перемещением каретки с оптоэлектронными компонентами вдоль оригинала. Такая схема сканера позволяет применить не очень сложную механику.
Одним из несомненных достоинств планшетных сканеров является простота запуска в работу. При автоматизированной (пакетной) обработке планшетный сканер может обрабатывать десятки оригиналов подряд, не требуя вмешательства оператора. Кое в чем планшетные сканеры просто незаменимы. Например, сканирование оригиналов на толстой, жесткой или плохо гнущейся основе совсем невозможно осуществить на устройстве барабанного типа.
Рис. 51 – Устройство планшетного сканера
Современные высококлассные планшетные сканеры имеют очень близкие к барабанным технические данные: разрешающая способность, динамический диапазон оптических плотностей до 3,9 D, максимальный формат оригинала около 300×400 мм, диапазон масштабирования 20-2400%, глубина цвета 36 бит (12 бит на цветной канал в RGB), возможность сканирования прозрачных (позитив или негатив) и непрозрачных оригиналов.
Преимущества планшетных сканеров:
Возможность сканировать практически любой оригинал. (Могут сканировать оригиналы различного размера - от миниатюр до документов широко используемых форматов, а также книг. При установке дополнительного модуля появляется возможность сканирования прозрачных пленок, негативов и слайдов).
Высокое разрешение. (Интерполированное разрешение увеличивает максимальное разрешение сканера до 4х раз).
Недостатки планшетных сканеров:
Большие размеры.
Ограничения на прозрачные оригиналы.
Листопротяжные (роликовые) сканеры. Листопротяжные сканеры используют устройство подачи оригинала относительно неподвижного блока сканирования. Лист бумаги вставляется в щель и протягивается по направляющим роликам внутри сканера мимо лампы. Чаще всего эти типы сканеров могут работать с документами формата А-4. Разновидность такого сканера — факс-аппарат.
Рис. 52 – Устройство листопротяжного сканера
Преимущества листопротяжных сканеров:
Низкая стоимость. (Устройство подачи оригинала имеет несложную конструкцию, поэтому добавление этого узла не намного увеличивает стоимость сканера).
Портативность. (Листопротяжные сканеры отличаются небольшими размерами).
Многие модели имеют устройство автоматической подачи, что позволяет быстро сканировать большое количество документов.
Недостатки листопротяжных сканеров:
Ограничение на разрешение, накладываемое механизмом сканирования.
Ограничения на оригинал. (Нельзя отсканировать неразорванную книгу, а также прозрачные пленки или слайды; может сканировать только отдельные листы).
Сканирование происходит при неодновременном зажиме края оригинала роликами, что может привести к перекосу копии, а порой и к повреждению оригинала.
Ручные сканеры. Достаточно специфичным видом плоскостных сканеров можно считать ручные сканеры, строчная развертка в которых также осуществляется ПЗС-линейкой, а развертка по кадру выполняется продвижением сканера вручную по поверхности оригинала (рис.53).
Рис. 53 – Устройство ручного сканера
Валик сканера вращает кодовый диск (с чередующимися щелями и перегородками), пересекающий оптическую ось оптопары «светодиод-фотодиод». Число щелей по окружности диска определяет разрешающую способность сканера в направлении его перемещения. Контролируемая полоса оригинала освещается от линейки светодиодов (аналогичный источник используется и в листовых сканерах), расположенной вдоль просмотрового отверстия.
Ручной сканер может решить задачу оцифровки там, где бессильны более профессиональные устройства: просканирует рисунок из древней книги, снимет узор с гобелена или обивочной ткани, оцифрует текстуру мебельного покрытия и может оказаться полезным в других нестандартных ситуациях, которые возникают в творческой деятельности художников, дизайнеров, искусствоведов, ориентированных на печать.
Преимущества ручных сканеров:
Низкая стоимость. (Поскольку в ручных сканерах в качестве "позиционирующего механизма" выступает пользователь, который самостоятельно перемещает сканер по поверхности сканируемого документа, отпадает необходимость в дорогом механическом элементе).
Портативность. (Ручные сканеры можно использовать как с настольными, так и с портативными компьютерами).
Сканирование книг без их повреждения. (С помощью ручного сканера можно отсканировать книгу, не сгибая и не разрывая ее).
Недостатки ручных сканеров:
Отсутствие механизма позиционирования. (То есть, возможны перекосы изображения, поскольку невозможно перемещать сканер с постоянной скоростью)
Оригинал по размерам больше сканера. (Требуются большие усилия, чтобы "сшить" отсканированные полосы изображения.)
Низкое разрешение.
Малая скорость работы.
Узкая полоса сканирования.
Общие характеристики
Тип применяемого в сканере светочувствительного датчика. Чаще всего применяется один из нижеследующих типов датчиков: ПЗС (CCD) или контактный (CIS).
CIS (Contact Image Sensor) – это контактный датчик изображения (КДИ), линейка фотоэлементов, равная ширине сканируемой поверхности в устройстве. Эта линейка перемещается при сканировании под стеклом и постоянно (строчка за строчкой) отправляет в форме электросигнала данные о картинке на оригинале. Светодиоды применяются для освещения, они размещаются на той же подвижной платформе рядом с фотолинейкой. Сканеры на базе этого типа датчиков характеризуются простой конструкцией, они мало весят, тонкие, стоят гораздо дешевле, чем сканеры на базе CCD. Главный минус CIS - малая глубина резкости. Если сканировать страницы из толстой книги или мятый лист бумаги, то часть полученного изображения может быть нерезкой.
CCD (Couple-Charged Device) - прибор с зарядовой связью (ПЗС) – это интегральная микросхема, оснащенная светочувствительной линейкой. Служит с целью передачи картинки со сканируемой поверхности. Применяется оптическая система, состоящая из объектива и зеркала. Люминесцентная лампа служит для освещения оригинала. Плюсы CCD-сканеров - значительная глубина резкости, отличная цветопередача. Даже при осуществлении сканирования мятых листов, толстых книг, оригиналов с выпуклыми буквами, изображение все равно будет четким и резким. Сканеры для профессионального применения зачастую создаются на основе CCD. Минусы – большой вес, большая толщина, высокая стоимость.
Тип источника света. Самые популярные типы источников света: лампы флуоресцентные с холодным катодом, ксеноновые лампы и светодиоды (LED).
Лампы ксеноновые характеризуются минимальным временем прогрева, большим сроком работы и минимальными размерами. Минус – значительное потребление электроэнергии.
Лампы флуоресцентные с холодным катодом хороши своей низкой стоимостью и высоким сроком службы. Минус - продолжительное время прогрева.
Светодиоды (LED) характеризуются небольшими размерами, малым потреблением энергии, не требуют совершенно времени для прогрева. Минус - LED-сканеры по качеству цветопередачи хуже сканеров с ксеноновыми и флуоресцентными лампами.
Размеры. Определяют максимальный формат документа, который может быть отсканирован. Следует отметить, что в сканерах протяжных максимальная ширина оригинала для сканирования определяется шириной устройства, а вот длина может быть сколь угодно больше длины устройства
Разрешение.
Разрешение по X. Разрешение сканера (оптическое разрешение) по горизонтали. Данный параметр отображает число у фоточувствительной линейки пикселей, из этих пикселей создается изображение. Разрешение – это одна из самых важных характеристик сканера. Большая часть выпускаемых сегодня моделей характеризуется оптическим разрешением сканера (по горизонтали) в 1200 dpi или 600 dpi (точек на дюйм). Этого вполне хватает для того, чтобы получить хорошие копии оригинала, а также для сканирования фото. Профессиональная работа с изображениями потребует куда большего оптического разрешения.
Разрешение по Y. Механическое разрешение сканера по вертикали. Данный параметр определяет точность работы механики и величина хода шагового двигателя. Зачастую механическое разрешение сканирующего устройства ощутимо больше оптического разрешения фотолинейки. В данном случае общее качество отсканированной картинки будет определяться именно оптическим разрешением линейки фотоэлементов.
Разрешение по X (улучшенное). Улучшенное разрешение сканирующего устройства по горизонтали. Это разрешение создается путем применения метода интерполяции. Для того чтобы получить большее, чем оптическое, разрешение, на картинку наносятся промежуточные точки. Цвет этих точек, а также их яркость высчитывается как среднее значения между яркостью и цветом точек, полученных оптическим путем. В итоге повышается общее число точек картинки и разрешение этой картинки. Применение улучшенного разрешения иногда дает возможность улучшить качество картинки, например, это позволяет сделать более ровными резкие контрастные переходы. Применение улучшенного разрешения дает возможность исправить разницу между механическим разрешением по вертикали и разрешением оптическим по горизонтали.
Разрешение по Y (улучшенное). Достигается также путем применения метода интерполяции. На изображение добавляются промежуточные точки, это помогает получить разрешение, больше оптического. Яркость точек, а также их цвет высчитывается как средние значения между яркостью точек, а также между цветом, что получены оптическим способом. В итоге повышается общее количество точек, составляющих изображение (увеличивается разрешение).
Глубина цвета. Число разрядов, которое применяет сканером с целью передачи данных о цвете. Производители этой техники зачастую указывают для глубины цвета два значения - внешнюю глубину и внутреннюю глубину. Глубиной внутренней называют разрядность аналого-цифрового преобразователя (АЦП) сканера, она сообщает, какое количество цветов сканер в состоянии различить в принципе. Число цветов, которое сканер способен передать ПК – это глубина внешняя. Почти все выпускаемые сегодня модели сканеров для цветопередачи используют 24 бита (по 8 на каждый цвет). Для выполнения в офисе и дома стандартных задач этого будет достаточно. А вот если вы планируете применять сканер для выполнения серьезной работы с графикой, то вам стоит подыскать модель, характеризующуюся большим количеством разрядов.
Наличие устройства автоподачи. Данное устройство применяется для подачи в автоматическом режиме оригиналов для выполнения их сканирования. Пользователь лишь помещает в устройство пачку оригиналов, и они автоматически, один за другим, будут сканироваться. Удобно в том случае, когда требуется сканировать большое количество документов.
Тип устройства автоподачи. Тип устройства, предназначенного для автоматической подачи оригиналов. Данные устройства могут быть как двусторонними, так и односторонними. Устройства односторонние дают возможность произвести сканирование лишь одной стороны документа. Двусторонний автоподатчик помогает произвести сканирование оригинала с двух сторон. Имеется возможность сделать это двумя способами:
1) когда выполнено сканирование с одной стороны, то автоподатчик осуществляет переворот оригинала так, чтобы получилось отсканировать обратную сторону;
2) сканирование осуществляется с двух сторон одновременно (сканирующие элементы располагаются сразу с двух сторон листа).
Интерфейс подключения
USB. Имеется возможность подсоединения сканера к ПК с помощью интерфейса USB. Это популярный сегодня последовательный интерфейс передачи информации. Используется для подсоединения к ПК периферийных устройств. От версии USB напрямую зависит скорость передачи информации. Для интерфейса USB 1.1 наибольшая скорость достигает 12 Мбит/с, а для более современной версии USB 2.0 скорость гораздо выше - 480 Мбит/с.
LPT. Данный интерфейс ранее был широко распространен, применялся как стандартный с целью подсоединения к компьютеру принтера, сканера и т.д., однако из-за маленькой скорости передачи информации, в сравнении с иными интерфейсами он практически полностью вытеснен.
FireWire (IEEE 1394). Интерфейс (высокоскоростной и последовательный), предназначенный для передачи информации со скоростью до 400 Мбит/с. Этот интерфейс также может применяться для подсоединения к ПК сканера.
SCSI. Это наиболее быстрый вариант транспортировки информации от сканера к ПК. Необходим свободный PCI слот на ПК (для SCSI-адаптера) или для контроллера SCSI.
Ethernet. Означает возможность использования сканера как сетевого устройства. Как правило таким интерфейсом оснащаются только достаточно дорогие модели сканеров.