4. Сканеры

Для тех, кто занимается переводом бумажных архивов в электронную форму сканер является самым важным внешним устройством компьютера. В настоящее время в конструкции сканеров используются две конкурирующие технологии, которые и определяют назначение и стоимость сканера.

ССD-технология (Сharge-Couple Device, Прибор с Зарядовой Связью – ПЗС) является наиболее старой, но, в то же время, лучшей для сканирования художественных фотографий технологией. В сканерах этого типа лист бумаги, положенный на стеклянную рабочую поверхность сканера, освещается мощной лампой, а отражённый световой поток при помощи нескольких зеркал направляется в объектив, который фокусирует «картинку» на фотоприёмнике – линейке светочувствительных элементов, в качестве которых используется ПЗС-матрица (CCD-матрица). После считывания строки оптическая головка сканера (или оригинал) передвигается на один шаг, и производится считывание следующей строки.

CIS-технология (Contact Image Sensor) по основным принципам почти аналогична традиционной CCD-технологии и является её упрощенным вариантом. В CIS-сканерах отсутствуют система зеркал и объектив. Светочувствительная линейка равна по ширине листу документа (ширине области сканирования), а каждая точка сканируемой строки фокусируется на фотодиоде цилиндрической микролинзой. Документ освещается «линейкой» светодиодов, а в цветном сканере – светодиодами трёх основных цветов (R, G, B). Так как в CIS-сканере отсутствуют зеркала, объектив и лампа, то конструкция такого сканера получается очень компактной.

Структура Прибора с Зарядовой Связью (ПЗС) приведена на рис. 4.1.

Регистр фоточувствительных элементов представляет собой ряд микроячеек выстроенных в линию, в которых накапливается электрический заряд, величина которого пропорциональна количеству света, падающего на элемент. Количество фоточувствительных элементов в регистре колеблется от нескольких сотен до нескольких тысяч, что определяет оптическое разрешение ПЗС и, следовательно, качество получаемого в памяти компьютере изображения.

Следует заметить, что хотя способ сканирования и количество ПЗС- элементов определяют основные технические характеристики сканера, но очень многое зависит от алгоритмов обработки сигналов, полученных от ПЗС-элементов.

Регистры сдвига 1 и 2 осуществляют потактовый сдвиг накопленных в регистре фоточувствительных элементов зарядов в выходное устройство. Регистр 1 принимает заряды от нечётных ячеек, а регистр 2 – от чётных.

Выходные устройства регистров осуществляют преобразование зарядов в напряжение постоянного тока.

Выходное устройство ПЗС объединяет данные, поступающие из выходных устройств сдвигающих регистров и передаёт выходные данные на аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Линейные ПЗС обеспечивают 2 режима работы.

Режим 1 –восприятие строки изображения и преобразование её в строчную картину зарядовых пакетов.

Режим 2– передача зарядовых пакетов на выход устройства, преобразующих их в изменение напряжения (или тока).

Для всех конструкций сканеров можно составить общую процедуру сканирования:

1. Разогрев осветительной лампы, (если не используются светодиод);

2. Калибровка, в процессе которой выполняется автоподстройка преобразовательных каскадов;

3. Перемещение и позиционирование каретки;

4. Опрос элементов светочувствительной линейки и аналого-цифровое преобразование;

5. Накопление полученных данных в буфере сканера;

6. Передача данных в компьютер.

Существуют 4 основные разновидности сканеров:

Ручные сканеры, предназначенные для считывания различных этикеток (товарные склады), наклеек на упаковках (штрих-коды), номеров различных документов (таможня) и т.п. Эти сканеры конструктивно оформляются как ручные приборы, которые позволяют сканировать методом скольжения сканирующей головки по объекту сканирования. Эти устройства имеют невысокую разрешающую способность. Ширина сканируемых документов не превышает 4-х дюймов (около 10 см), а длина ограничивается объёмом памяти для помещения графического файла.

Настольные планшетные сканеры, которые, в свою очередь, делятся на 3 типа:

1. Сканеры с подвижной головкой и неподвижным оригиналом

FLATBED (см. рис.4.2,а);

2. Сканеры с неподвижной головкой и подвижным оригиналом – SHEEDFED (см. рис. 4.2,б);

3. Сканеры проекционного типа с зеркалом – OVER HEAD (см. рис. 4.2, в).4.

Структуры планшетных сканеров первых двух типов весьма сходны и отличаются только тем, что перемещается в процессе сканирования документа – сканирующая головка при неподвижном оригинале или наоборот. Следует, однако, отметить, что сканеры с неподвижной сканирующей головкой работают более точно. В зависимости от конструктивного исполнения сканеры этих двух типов позволяют сканировать страницы книг, журналов и отдельных листов.

Сканеры проекционного типа по сравнению с двумя первыми разновидностями планшетных сканеров являются наиболее точными устройствами, так как и документ, и сканирующая головка неподвижны друг относительно друга. Построчное сканирование в устройствах этого типа осуществляется за счёт поворота проекционного зеркала, которое обеспечивает отображение строки документа, расположенной между осветительными лампами, на ПЗС-элемент.

Слайдовые сканеры предназначены для сканирования слайдов с 35 и 60 миллиметровых плёнок, микрофильмов и микрофишей, рентгенов-ских плёнок и т.п. Такие сканеры имеют самое высокое оптическое разрешение (6000 dpi – 236 точек/мм и выше).

Барабанные сканеры являются профессиональными устройствами, в которых светочувствительным элементом является фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Благодаря ФЭУ и неподвижной сканирующей головке

обеспечивается точнейшая фокусировка, а поскольку сканируется каждая точка по отдельности – исключаются шумы от взаимовлияния элементов друг на друга как в случае CCD-технологии.

Структура барабанного сканера приведена на рис.4.2, г.

Сканируемый оригинал (4) крепится на специальном барабане (2). Чтобы оригинал не повредился от чрезвычайно яркого света он (свет) поступает по волоконно-оптическому кабелю (3) от галогенной лампы (1). Объектив (5) и система зеркал (6) передаёт изображение на светофильтры (7) и светоприёмники–ФЭУ. Барабан вращается с высокой скоростью, постепенно перемещаясь вдоль оси вращения барабана, и за каждый оборот барабана снимается всего несколько точек изображения. Стоимость таких сканеров чрезвычайно высока.

Ключевыми параметрами сканера, определяющими качество сканирования и, естественно, сферу использования, являются следующие основные параметры.

Разрешение сканера – это совокупность параметров, характеризу-ющих минимальный размер деталей изображения, который сканер в состоянии считать. Разрешение делятся на оптическое, механическое и интерполяционное.

Оптическое разрешение характеризует минимальный размер точки по горизонтали, которую сканер в состоянии распознать. В сканерах, использующих для считывания ПЗС-технологию, эта характеристика определяется отношением количества элементов в линии ПЗС-матрицы (количества разрядов в регистре фоточувствительных элементов, см. рис. 4.1) к ширине рабочей области. Для других типов сканеров (таких как барабанный) она определяется возможностями фокусировки света на фотопринимающем элементе.

Механическое разрешение – количество шагов, которое делает подвижная сканирующая головка, (количество шагов, которое совершает подвижный документ, либо количество элементарных углов поворота зеркала в проекционном сканере). Поскольку на каждом шаге происходит считывание информации ПЗС-элементами, этот параметр определяет минимальный размер точки по вертикали, которую сканер способен распознать. Например, если для сканера указано разрешение 300х1200 ppi (pixel per inch – пиксель/дюйм), то оптическим разрешением будет 300 ppi, а механическим – 1200 ppi. Обычно механическое разрешение в два раза больше оптического, но встречаются модели, в которых оно в 4 раза больше оптического.

Ввиду того, что ПЗС-элемент не может сканировать по горизонтали с разрешением больше оптического, для добавления недостающих точек используются математические методы интерполяции (иначе вертикальный размер любого отсканированного квадрата получился бы больше горизонтального).

Примечание: Оптическое разрешение всегда наименьшее из всех указанных для конкретной модели сканера, поэтому производители сканеров часто не указывают его.

Интерполяционное разрешение – искусственно увеличенное с помощью математических методов разрешение. Программа, входящая в комплект поставки сканера, пытается довести изображение до этого разрешения путём добавления недостающих точек (например, при реальном разрешении 3 х 3 программа выдаёт 9 х 9). Этот параметр не имеет ничего общего с реальными физическими параметрами сканера и может характеризовать только программу обработки изображений.

Разрядность (глубина цвета) – параметр, характеризующий количество цветов или оттенков серого (в зависимости от цветности сканера). Разрядность означает, сколько бит используется сканером для представления цвета одной точки изображения. Различают разрядность внешнюю и внутреннюю. Внутренняя разрядность – это количество бит, представляющих точку для внутренних операций в сканере (то есть до прохождения сигналом АЦП и преобразования в цифровой код). Внешняя разрядность определяет количество битов на цвет после прохождения через АЦП. Внешняя разрядность сканеров обычно 8 бит (256 оттенков серого) для полутоновых сканеров и 24 бита (по 8 бит на каждую цветовую составляющую, итого 16,77 млн цветовых оттенков) – для цветных сканеров. Внутренняя разрядность обычно больше внешней. Дополнительные биты во внутренней разрядности (если они есть) используются для улучшения точности цветопередачи и снижения влияния искажений на цвет.

Динамический диапазон – ещё одна цветовая характеристика. «Качество» отражения света любым оригиналом выражает оптическая плотность, которая вычисляется как десятичный логарифм отношения светового потока, падающего на оригинал, к световому потоку, отражённому от оригинала (для непрозрачных оригиналов) или прошедшему

сквозь него (для негативов или слайдов). Оптическая плотность измеряется в ОD (Optical Density) или просто D и может изменяться в диапазоне от 0,0D для абсолютно белого (прозрачного) цвета до 4,0D для идеально чёрного (непрозрачного) цвета. Поскольку речь идёт о логарифме, то плотности 2,0D и 3,0D будут различаться не на 25%, а в 10 раз. Оптические плотности для некоторых видов оригиналов приведены в таблице:

Оригинал	Диапазон оптических плотностей
Газетная бумага	0,9
Мелованная бумага	1,5 – 1,9
Фотоснимки	2,3
Негативные плёнки	2,8
Цветные слайды коммерческого качества	2,7 – 3,0
Высококачественные диапозитивы, плёночные и двойные слайды	3,0 – 4,0

Диапазон оптических плотностей сканера говорит о том, какие из цветов оригинала ещё будут распознаны, а какие – уже нет, то есть будут восприняты либо как полностью белые, либо как абсолютно чёрные. Диапазон оптических плотностей включает в себя две характеристики: Dmin и Dmax.. Первая, (Dmin) – такая оптическая плотность оригинала, ниже которой сканер будет считать оригинал идеально белым. Соответственно, Dmax - такая оптическая плотность оригинала, выше которой сканер будет воспринимать оригинал абсолютно чёрным. Сам диапазон представляет собой разность Dmax – Dmin.

В таблице указаны типичные динамические диапазоны для наиболее распространённых типов сканеров.

Вид, класс сканера	Типичный динамический диапазон
Ручные сканеры	до 2,1
Полутоновые сканеры	до 2,3
Цветные планшетные сканеры, ста- рые модели и модели класса SOHO	1.8 – 2,5
Цветные планшетные сканеры про- межуточного класса	2,5 – 3,2
Цветные планшетные сканеры вы- сокого класса	3,4 – 3,8
Настольные барабанные сканеры	3,4 – 4,0
Барабанные сканеры высокого класса	3,6 – 4,0

Рабочая область сканера – максимальный формат документа, который сканер в состоянии обработать. Формат сканера зависит от его конструкции и области применения. Так формат документа для листопротяжных и ручных сканеров ограничен только по ширине. Обычные домашние и офисные сканеры чаще всего соответствуют формату А4. Профессиональные модели могут иметь фиксированные размеры, приспособленные для конкретных оригиналов (например, слайд-сканер 35-мм плёнки), или просто иметь большой формат – до А0.

Скорость сканирования – параметр, отражающий время, в течение которого будет отсканирован тот или иной документ. На самом деле эта характеристика не может иметь какого-либо значения, так как зависит от быстродействия компьютера, объёма его оперативной памяти, от аппаратного интерфейса и т.д. Поэтому быстродействие сканера можно оценить только для конкретного рабочего места. Иногда этот параметр указывается в характеристиках сканера в миллисекундах на линию.

Аппаратный интерфейс сканера (интерфейс передачи данных) обеспечивает обмен информацией между сканером и компьютером. От него зависит скорость передачи данных между компьютером и сканером.

Сейчас на рынке представлены сканеры с пятью типами интерфейсов:

Интерфейс LPT -стандартный параллельный порт Сentronics;

Собственный интерфейс. Его ещё называют ISA;

SCSI – один из наиболее скоростных вариантов интерфейса передачи данных;

Интерфейс USB – преемник LPT-порта;

Интерфейс PCMCIA (PС-card) – интерфейс для работы с портативными компьютерами.

Структуры чёрно-белых и цветных сканеров предельно просты. На рисунке 4.3 приведены структурные схемы планшетных сканеров, которые составляют основную часть сканеров современного рынка.

В основу построения большинства современных сканеров положено использование ПЗС-элемента, принцип действия которого был рассмотрен выше. Структура чёрно-белого (монохромного) сканера приведена на рис.4.3, а. Источником белого света является галогенная лампа, спектр которой весьма близок к спектру солнечного света. Освещённый оригинал (подвижный или неподвижный) сканируется построчно с определённым шагом, и освещённая строка документа воспринимается ПЗС-элементом, а затем после преобразования напряжений, полученных с элементарных за-рядовых элементов в коды на аналого-цифровом преобразователе (АЦП), данные передаются в память ЭВМ. Таким образом, сканируемый документ отображается в памяти ЭВМ в виде графического или текстового файла. Размер этого файла определяется разрядностью ПЗС-элемента, разряд-ностью АЦП и шагом сканирования при предельном для данного сканера размере оригинала.

Существует несколько технологий получения цветного изображения на сканерах:

1. Технология с использованием RGB-фильтров;

2. Технология фирм Epson и Sharp;

3. Технология фирмы Seiko Instruments;

4. Технология фирмы Hewlett-Packard с использованием Dichroic-фильтров.

Указанные технологии используются в сканерах различного класса. Ниже кратко рассматривается сущность данных технологий.

Суть технологии с использованием RGB-фильтров заключается в том, что сканируемый оригинал последовательно освещается белым светом сначала через красный (R), затем через зелёный (G) и, наконец, синий (B) фильтры за три прохода сканирующей головки, в результате чего образовывались 3 файла – файлы с красной, зелёной и синей составляющими. При этом, если АЦП имеет 8 двоичных разрядов, то в каждом цветовом «слое» передаются 256 оттенков цвета, что соответствует для одной точки «суммарного файла» 16,7 миллиона цветовых оттенков. Недостатки этой технологии очевидны:

1. Сканирование осуществляется за три прохода головки;

2. Необходимость последующего программного выравнивания изображения , так как возможно размывание оттенков.

Структура сканера, использующего RGB-фильтры, получившие в литературе название вращающихся, так как конструктивно фильтры размещались на вращающемся механизме, приведена на рис.4.3, б. Структура сканера этого типа аналогична структуре монохромного сканера, рассмотренной выше.

Технология фирм Epson и Sharp использует три источника света для каждого из основных составляющих белого цвета. Это позволяет сканировать изображение за один проход и исключить процедуру выравнивания пикселей.

Сложность этого метода заключается в необходимости подбора источников света с одинаковыми и стабильными во времени характеристиками.

Фирма Seiko Instruments в соответствии с разработанной фирмой технологией заменила в сканере Spektra Point ПЗС-элементы фототранзисторами.

На ширине 8,5 дюймов (около 216 мм) размещено 10200 фототранзисторов, расположенных в три колонки по 3400 транзисторов в каждой (3400 /216 = 15,7 транзистора на миллиметр). Три цветных RGB-фильтра расположены так, что каждая колонка фототранзисторов воспринимает только один основной цвет. Высокая плотность размещения транзисторов позволяет достичь высокой разрешающей способности (400 dpi или 16 точек на миллиметр) без использования редуцирующей линзы

Технология фирмы Hewlett Packard с использованием Dichroic-фильтров заключается в следующем:

1. Источник белого цвета освещает сканируемое изображение, а отражённый свет через редуцирующую линзу поступает на трёхполосный ПЗС-элемент через систему специальных Dichroic-фильтров (ДФ)D1 иD2, приведённых на рис.4.3, в.

2. ДФ-фильтр работает на основе физического явления дихроизма, которое заключается в том, что кристаллы фильтра под действием белого света окрашиваются в разные цвета в зависимости от положения оптической оси кристаллов. От этого изменяется отражательная способность слоя фильтра.

3. В рассматриваемом случае фильтрация отражённого света осуществляется парой ДФ-фильтров, каждый из которых представляет собой своеобразный бутерброд, составленный из двух тонких и одного более толстого слоя кристаллов.

4. Первый слой фильтра D1 отражает синюю составляющую белого света, но пропускает красную и зелёную составляющие.

Второй слой фильтра D1 отражает зелёную, но пропускает красную составляющие, которая отражается от третьего слоя фильтра

5. Во втором фильтре порядок «отражения» и «пропуска» сохраняется, и сформированные лучи красного зелёного и синего цветов попадают на три ПЗС-элемента.

Структура сканера на базе Dichroic-фильтра приведена на рис 4.4

По схеме, приведённой на рис 4.4, фирмой Ricoh разработан сканер с использованием ПЗС, размер элемента в котором составляет величину около 8 микрон.

В памяти компьютеров изображения, полученные на сканерах хранятся в графических файлах в формате TIFF (Tagged Image File Format – файловый формат тегового (признакового) изображения). Версия 5.0 TIFF позволяет строить TIFF-файлы 5 классов:

1. Класс В – для чёрно-белых изображений (штриховых);

2. Класс G – для полутоновых изображений (чёрно-белых);

3. Класс Р – для цветных изображений с загружаемой палитрой;

4. Класс R – для цветных изображений в палитре RGB;

5. Класс Х – для любых изображений.

Современные сканеры почти все цветные, имеют оптическое разрешение до 1200 х 2400 dpi (47 х 98 точек на мм) и внутреннюю разрядность 24-42 бита на точку.