2. Сканеры

Сканер - устройство для ввода графической растровой инфор­мации в ЭВМ. Список приложений сканера почти бесконечен, на сегодняшний день сложились и производятся следующие разновид­ности этих устройств (рис. 5.8):

• высококачественные барабанные сканеры, которые способ­ны обрабатывать как прозрачные, так и непрозрачные изо­бражения - от 35-мм пленок до материалов размером 16 футов на 20 дюймов с высоким (свыше 10 000 тнд) раз­решением;

• планшетные настольные сканеры универсального назна­чения;

• компактные сканеры документов, предназначенные исключительно для оптического считывания и распознавания доку­ментов;

• специальные фотосканеры, которые работают, перемещая фотографию по неподвижному источнику света;

• сканеры слайдов или негативов, работающие с прозрачными изображениями;

• ручные сканеры для использования на небольшом пространстве стола.

Устройство и функционирование сканеров

Сканер - устройство, конвертирующее видимое изображение в поток бинарных сигналов, иными словами - осуществляющее пре­образование оптических аналоговых данных в электрические циф­ровые.

Изображение помещается перед кареткой, которая состоит из источника освещения и массива датчиков (рис. 5.9).

Свет от трубки поступает на датчики, которые считывают опти­ческие данные (например, ПЗС), затем проходит призмы, линзы и другие оптические компоненты. Подобно очкам или лупам, эти эле­менты могут весьма различаться по качеству. Высококачественный сканер использует точную стеклянную, просветленную оптику со светофильтрами исправления цвета. В более дешевых моделях при­меняются пластмассовые компоненты, чтобы уменьшить затраты.

Интенсивность света, отраженного или прошедшего сквозь изображение и собранного датчиком, преобразуется в напряжение, пропорциональное световой интенсивности.

Датчики сканеров

Датчик изображения обычно реализуется по одной из трех тех­нологий:

• фотоэлектронный умножитель (ФЭУ или photomultiplier tube - РМТ) - технология, унаследованная от барабанных сканеров прошлого;

• прибор с зарядовой связью (ПЗС или charge-coupled device - CCD) - датчик, типичный для настольных сканеров;

• контактный сенсор изображения (contact image sensor - CIS) - более новая технология, которая интегрирует функции и позволяет создавать сканеры более компактных размеров.

Технология фотоэлектронных умножителей. ФЭУ - технология датчиков высокопроизводительных цветных барабанных сканеров, которые используются обычно для подготовки матриц цветной по­лиграфии. Дорогостоящие и тяжелые в обслуживании, они были ос­новными устройствами ввода изображений в ЭВМ до появления на­стольных сканеров.

Оригинал изображения здесь тщательно закрепляется на цилин­дрическом барабане, который начинает вращаться с высокой скоро­стью. Каретка с датчиками и осветителями начинает перемещаться вдоль изображения. Управлять разрешением или размером изобра­жения можно, подбирая скорость движения каретки, оптическую силу линз и радиус барабана.

ФЭУ-сканеры имеют два источника освещения, один для ска­нирования в отраженном свете, другой - для прозрачных оригина­лов. Свет подсветки расщепляется на три луча, которые проходят через светофильтры (красный, зеленый и синий), а затем попадают на трубку фотоумножителя, где световая энергия преобразуется в электрический сигнал. ФЭУ-сканеры имеют намного более высо­кую светочувствительность и более низкий уровень шума, чем ска­неры ПЗС, и, следовательно, способны к хорошей передаче тонов, будучи менее восприимчивыми к ошибкам в преломлении или фо­кусировке света, чем их планшетные коллеги (рис. 5.10).

Однако барабанные сканеры медленнее и дороже, чем сканеры ПЗС. В настоящее время они обычно используются только в спе­циализированных высокопроизводительных приложениях.

Прибор с зарядовой связью (ПЗС). Технология прибора с зарядо­вой связью, которая лежит в основе настольных сканеров, ранее ис­пользовалась долгое время в таких устройствах, как телефаксы и цифровые камеры. ПЗС - твердотельное электронное устройство, которое конвертирует свет в электрический заряд. Датчик настоль­ного сканера, как правило, имеет массив (линейку) из тысяч эле­ментов ПЗС, размещенных на подвижной каретке. Отраженный свет лампы сканера, пройдя светофильтры, направляется на массив ПЗС через систему зеркал и линз.

Контактный сенсор (CIS). Это относительно новая технология датчиков, которая начала появляться на рынке планшетных скане­ров в конце 1990-х гг. Сканеры этой системы используют компакт­ные банки красных, зеленых и синих светодиодов в сочетании с линейкой датчиков ПЗС, помещенных чрезвычайно близко к исход­ному изображению. В результате получен сканер, который меньше, легче, дешевле и экономичнее, чем традиционное устройство на ос­нове ПЗС, однако эта технология еще далека от совершенства.

Показатели эффективности сканера

Механизм датчика - не единственный фактор, который задает эффективность сканера. Следующие показатели являются важными аспектами спецификации устройства:

• разрешающая способность;

• разрядная глубина;

• динамический диапазон.

Разрешающая способность сканера. Разрешающая способность описывает точность устройства и обычно измеряется в точках на дюйм (тнд). Типичная разрешающая способность недорогого на­стольного сканера в конце 1990-х гг. составляла 300 × 300.

Типичный планшетный сканер использует элемент ПЗС для ка­ждого пикселя, так что для настольного сканера, имеющего гори­зонтальную оптическую разрешающую способность 600 тнд и мак­симальную ширину документа 8,5", требуется массив из 5100 (5100 = 600 × 8,5) элементов ПЗС в блоке, известном как сканирую­щая головка.

Головка устанавливается на каретке, которая перемещается вдоль оригинала изображения. Хотя движение кажется непрерыв­ным, перемещение происходит дискретными шагами (в доли дюй­ма), и в каждой паузе осуществляется считывание информации. В случае планшетного сканера головка управляется шаговым двига­телем - устройством, которое поворачивает ось на данный угол (и не больше) каждый раз, когда подан электрический импульс.

Число физических элементов в массиве ПЗС определяет интер­вал дискретизации направления X, а количество остановок на дюйм задает дискретизацию направления Y. Хотя они обычно упоминают­ся как «разрешающая способность» сканера, термин не вполне то­чен. Разрешающая способность (возможность сканера выявить все подробности изображения) определяется качеством электроники, оптики, фильтров и моторного привода, а также частотой дискрети­зации (оцифровки).

К концу 1998 г. максимальная плотность элементов ПЗС в ли­нейке составляла 600 на 1 дюйм. Однако видимая разрешающая способность может быть увеличена, используя методику, известную как интерполяция, которая заключается в программном или аппа­ратном вычислении промежуточных значений сигнала и их вставке между реальными данными. Некоторые сканеры делают это более эффективно, другие - менее. Естественно, формулируя требования к разрешению сканера, не следует забывать о его согласовании с па­раметрами устройства вывода информации.

Рассмотрим, как можно было бы оценить требования к разреше­нию сканеров в зависимости от качества выходного изображения.

Цветная полиграфия. Здесь оборудование, воспроизводя­щее различные уровни цвета, использует метод, именуемый обра­боткой полутонов. Наборные устройства, используемые в офсетной печати - технологии печати глянцевых журналов - способны к вы­воду 133 строк/дюйм. Как показывает опыт, для получения качест­венной печати разрешение сканера должно быть в 1,5 раза выше, т. е. около 200 тнд.

Струйный принтер. При сканировании для последующего вывода на принтер разрешающая способность сканера должна соот­ветствовать разрешающей способности вывода настолько близко, на­сколько возможно, принимая во внимание относительные размеры оригинала и выходного изображения. Если они одинаковы, никакой корректировки не требуется. Если, однако, выходное изображение должно быть напечатано в ином размере (большем или меньшем, чем оригинал), разрешение сканера должно быть соответственно откор­ректировано.

Предположим, необходимо отсканированную почтовую марку размером 1 × 1,5" напечатать на струйном принтере, который имеет разрешение печати 600 тнд, причем изображение должно быть уве­личено и составить в размере 2 × 3". Если бы марка сканировалась при разрешении 600 тнд, отсканированное изображение имело бы 600 пикселей по вертикали (1" умножить на 600) и 900 пикселей по горизонтали (1,5" умножить на 600). Увеличение изображения до размера, предназначенного для печати (2 × 3"), уменьшает фактиче­скую разрешающую способность до 300 тнд (900/3 = 300, поскольку 900 горизонтальных пикселей будут расположены в 3"), и так же в вертикальном измерении. Это только половина разрешающей спо­собности принтера, и качество вывода будет ниже оптимального. Для лучшего качества напечатанного изображения, которое факти­чески использует 600 тнд, сканирование должно проводиться при 1200 тнд.

Вывод на монитор. Подобные расчеты можно сделать так­же, если размер выводимого образа меньше, чем оригинал. Предположим, необходимо отсканировать фотографию размером 4 × 5", ко­торая будет отображена на Web-странице в половинном размере, 2 × 2,5". Компьютерные мониторы обычно имеют разрешающую способность 72 или 90 тнд. Сканирование фотографии при 72 тнд дает изображение размером в 288 × 360 пикселей. Сокращение этого размера в 2 раза давало бы изображение с вертикальной разрешаю­щей способностью 144 тнд, что вдвое больше необходимой. В этом примере оригинальное изображение могло быть отсканировано при 36 тнд без потери качества результирующего изображения.

Соотношения, используемые в этих примерах, описываются следующей формулой:

SR = (DR × DW)/OW,

где SR - идеальное разрешение сканера, тнд;

DR - разрешение устройства вывода, тнд;

DW - ширина, с которой изображение будет напечатано или отображено, в дюймах;

OW- ширина сканируемого оригинала, в дюймах.

Интерполяция. Несмотря на то, что в спецификациях сканеров могут указываться разрешающие способности в 2400, 4800 и 9600, не­обходимо понимать, что реально они не способны к различению та­кого уровня подробности. Фактическое оптическое разрешение ПЗС в самых современных сканерах в лучшем случае - 600 × 1200 тнд, и любые более высокие показатели основаны на интерполяции.

Указание неоднородной разрешающей способности (например, 600 × 1200 тнд) обязательно подразумевает аппаратную интерполя­цию, так как прием данных при 600 тнд по одной оси (X) и 1200 по другой (Y) явно не приведет к «квадрату» изображения. При 600 × 600 тнд такой сканер будет понижать разрешение в 1200 тнд по оси Y до 600 (обычно это делается путем увеличения вдвое шага двигателя, который перемещает головку), а при 1200 × 1200 - будет интерполировать измерение X. При этом чип интегральной схемы в сканере генерирует дополнительные данные, используя точки, которые фактически сняты сканером, и прогнозируя наиболее вероят­ный цвет и яркость промежуточных пикселей.

Цветовые сканеры. Головки одних цветовых сканеров содержат единственную флюоресцентную трубку с тремя ПЗС, снабженными цветными фильтрами, в то время как другие имеют три цветные трубки и единственный блок ПЗС. Первые производят полное цве­товое изображение за единственный проход, в то время как вто­рые - за три прохода. Однако с конца 1990-х гг. однопроходные устройства составляют большинство цветовых сканеров.

Эти сканеры используют один из двух методов: либо расщепле­ние луча, либо ПЗС с цветовыми фильтрами. В первой конструк­ции свет, проходящий через призму, разделяется на три первичных цвета, каждый из которых считывается соответствующими ПЗС. Этот метод считается наилучшим для обработки отраженного света, но для снижения затрат многие изготовители используют три мас­сива ПЗС, каждый из которых покрыт фильтрующей пленкой так, чтобы он воспринимал только один из первичных цветов. Будучи технически менее точным, этот метод обычно производит результа­ты, которые трудно отличить от таковых для сканера с расщепле­нием луча.

Разрядная глубина. Разрядная (битовая, цветовая) глубина скане­ра характеризует количество информации, содержащейся в одном пикселе выходного образа. Самый простой сканер (черно-белый сканер на 1 бит) использует для представления каждого пикселя «1» или «0». Чтобы воспроизвести полутона между черным и белым, сканер должен иметь хотя бы 4 бита (для 16 = 2⁴ полутонов) или 8 бит (для 256 = 2⁸ полутонов) на каждый пиксель.

Самые современные цветовые сканеры поддерживают не менее 24 бита, что означает фиксацию 8 бит информации по каждому из первичных цветов (красный, синий, зеленый). Устройство на 24 бита может теоретически фиксировать более чем 16 млн. различ­ных цветов, хотя практически это число намного меньше. Это поч­ти фотографическое качество, и упоминается поэтому обычно как «полноцветное» сканирование («true colour» scanning).

В последнее время все более увеличивающийся список изгото­вителей предлагает сканеры с разрядной глубиной на 36 или 30 бит. Хотя немногие прикладные программы машинной графики способны к обработке изображений с глубиной более чем 24 бита, этот избыток разрешения позволяет осуществлять полезные опера­ции по редактированию графики как в драйверах, так и в прило­жениях.

Динамический диапазон. Динамический диапазон по своей сути подобен разрядной глубине, которая описывает цветовой диапазон сканера, и определяется как функционированием АЦП сканера, так и чистотой света, качеством цветных фильтров и уровнем любых помех в системе.

Динамический диапазон измеряется в шкале от 0,0 (абсолютно белый) до 4,0 (абсолютно черный), и единственное число, данное для конкретного сканера, говорит, сколько оттенков модуль может различить. Большинство цветных планшетных сканеров с трудом воспринимает тонкие различия между темными и светлыми цветами на обоих концах диапазона и имеет динамический диапазон около 2,4. Это конечно, немного, но обычно достаточно для проектов, где идеальный цвет - не самоцель. Для получения большего динамиче­ского диапазона следует использовать цветовой планшетный сканер высшего качества с увеличенной разрядной глубиной и улучшенной оптикой. Эти высокопроизводительные модули обычно обеспечива­ют динамический диапазон между 2,8 и 3,2 и хорошо подходят для большинства приложений, требующих высококачественный цвет (например, офсетная печать). Наиболее близко к пределу динамиче­ского диапазона позволяют подойти барабанные сканеры, часто обеспечивающие значения от 3,0 до 3,8.

Теоретически сканер на 24 бита предлагает диапазон 8 бит (256 уровней) для каждого первичного цвета, и различие между дву­мя из 256 уровней обычно не воспринимается человеческим глазом. К сожалению, наименьшие из значащих битов теряются в шуме, в то время как любые тональные исправления после сканирования еще более сужают диапазон. Именно поэтому лучше всего предва­рительно устанавливать любые исправления яркости и цвета на уровне драйвера сканера перед заключительным сканированием. Более дорогие сканеры с глубиной 30 или 36 бит имеют намного бо­лее широкий диапазон, предлагая более детализированные оттенки, и разрешают пользователю делать тональные исправления, заканчи­вающиеся приличным 24-битовым изображением. Сканер на 30 бит принимает 10 бит данных на каждый цвет, в то время как сканеры на 36 бит - по 12 бит. Драйвер сканера позволяет пользователю вы­брать, какие именно 24 бита из исходных 30 или 36 бит сохранить, а какие - нет. Эта настройка делается путем изменения «кривой цве­товой гаммы» (Gamma Curve) и доступна при обращении к На­стройке тонов (Tonal Adjustment control) драйвера TWAIN.

Режимы сканирования. Среди общего разнообразия методов представления изображения в ЭВМ наиболее распространенными являются:

• штриховая графика (line art);

• полутоновое изображение (grayscale);

• цветное изображение (colour).

Штриховая графика - наиболее простой формат. Так как сохраняется только черно-белая информация (в компьютере черный цвет представлен как «1» и белый как «0»), требуется только 1 бит данных, чтобы сохранить каждую точку просмотренного изо­бражения. Штриховая графика наиболее подходит при сканирова­нии чертежей или текста.

Полутоновое изображение. В то время как компьютеры могут сохранять и выдавать изображения в полутонах, большинство принтеров не способно печатать различные оттенки серых цветов. Они применяют метод, названный обработкой полутонов, используя точечный растр, имитирующий полутоновую информацию.

Изображения в оттенках серого - наиболее простой метод со­хранения графики в компьютере. Человек может различить не более 255 различных оттенков серого, что требует единственного байта данных со значением от 0 до 255. Данный тип изображения состав­ляет эквивалент черно-белой фотографии.

Полноцветные изображения - наиболее объемные и самые сложные, сохраняемые и обрабатываемые в ПК, используют 24 бита (по 8 на каждый из основных цветов), чтобы представить полный цветовой спектр.

Сканеры для работы с документами

Для работы с документами в настоящее время используются в основном черно-белые (bitonal) и полутоновые (halftone) монохром­ные сканеры. Это связано в первую очередь с тем, что преобладаю­щим (и законодательно подтвержденным) типом делового докумен­та стал текстовый документ, отпечатанный на пишущей машинке или монохромном принтере, с рукописным заполнением или прав­кой темными чернилами и эпизодически включающий печати, ри­сунки, схемы или черно-белые фотографии.

Характерным отличием сканеров, специально ориентированных на работу с документами, является наличие данных изготовителя по рекомендуемым дневным или месячным объемам сканирования по­добно тому, как это делают производители копировального обору­дования.

По характеру использования в деловом технологическом про­цессе сканеры документов принято подразделять на:

• персональные:

• ручные (handheld);

• страничные (page-readers, sheetfeed);

• настольные офисные модели среднего класса (Desktop, Mid- Range);

• производственные скоростные (Production scanners).

Технические параметры сканеров. Набор технических парамет­ров, характеризующий сканирующее оборудование для работы с де­ловыми документами, несколько отличается от ставших привычными показателей сканеров, выпускаемых на широкий потребитель­ский рынок.

Скорость. Скорость ввода - основной показатель для сканерров документов. Стандартными условиями сканирования при опре­делении скорости принимаются: формат документа - А4, ориента­ция - портретная, разрешение 200 тнд, режим сканирования - черно-белый. В технических спецификациях скорость сканирования приводится в страницах в минуту (ppm - pages per minute), для ска­неров двустороннего сканирования - в числе изображений в мину­ту (ipm - images per minute). Скорость ввода в режимах, отличных от стандартного (повышенное разрешение, укороченные или удли­ненные документы, альбомная ориентация страниц, сканирование в цвете и др.), обычно указывается отдельно.

Разрешение. Как правило, текстовые документы стандарт­ного неослабленного полиграфического качества сканируют с раз­решением 200 тнд (реже 300 или 400 тнд). Разрешение 200 тнд по­зволяет:

• сканировать с оптимальной скоростью;

• без существенных потерь для качества визуализировать электронные копии (в том числе при повторной печати на лазер­ ном принтере);

• избежать неоправданных затрат на хранение полученных при сканировании файлов (объем памяти, требуемый для хране­ния изображений, растет как квадрат разрешения).

200 тнд - стандартное разрешение факс-аппаратов (в режиме fine), при таком разрешении качество распознавания гарантировано любой хорошей программой OCR и зависит больше от качества про­граммы и исходного оригинала, чем от разрешения сканирования.

Требования к сканируемому материалу (требова­ния, предъявляемые к сканеру сканируемым материалом). Эта подробность, вероятно, в наибольшей степени отличает сканеры документов от их офисных собратьев и сканеров рынка SOHO. Сканер документов - технологическое оборудование, его выбира­ют и используют, исходя из определенных требований к устойчи­вости и эффективности конкретного производственного процесса. В отличие от принтера, в подающий лоток которого принято укла­дывать ровные пачки бумаги, специально выпускаемой для лазер­ной печати, сканер документов часто встречает «непричесанный поток бумаг».

Дополнительные возможности и вспомогатель­ные устройства. Чтобы добиться максимума эффективности при вводе документов в условиях реальной технологии, сканеры документов часто снабжаются дополнительными функциями и обо­рудуются вспомогательными узлами или приспособлениями. Это могут быть:

• светофильтры или цветные лампы для подавления цветного фона сканируемых оригиналов;

• встраиваемые на стороне сканера платы компрессии и обра­ботки изображений (они выполняют автоматическое усиление или выбор контрастности, аппаратное выправление перекоса изображения подаваемых страниц, очистку изображений от фона и случайных загрязнений);

• отдельные лотки автоподачи для документов увеличенного (уменьшенного) размера или для более тонких документов;

• лотки приема и складирования отсканированных документов (stackers);

• педальные устройства управления сканером, освобождающие руки оператора;

• импринтеры (узлы для простановки на документе индивидуального учетного штампа до или после сканирования);

• считыватели штрих-кодов или специальных кодов разделения пакетов и т. п.

Конструкции сканеров

По областям применения различают персональные и производ­ственные сканеры, а по технической реализации - ручные, план­шетные и проекционные устройства.

Персональные сканеры. Основное назначение персональных ска­неров - обеспечить офисному служащему возможность оперативно изготовить электронную копию одного или нескольких поступив­ших к нему документов без необходимости покидать для выполне­ния этой операции свое рабочее место.

Ручные сканеры. Ручной сканер, основанный на ПЗС, - самый дешевый из всех типов. Достигается это экономией на меха­низме перемещения ПЗС-линейки. В роли такого механизма будет выступать сам пользователь, которому при сканировании придется вручную перемещать сканер относительно объекта сканирования. Ручной сканер имеет ширину вводимого изображения не более 10 см. Для ввода какого-либо документа с использованием ручного сканера необходимо без резких движений провести сканирующей головкой вдоль поверхности документа.

Страничные сканеры обеспечивают устойчивый ввод одиночных страниц или из приемного лотка автоподачи, обычно небольшого объема. От них требуется компактность (страничные сканеры устанавливаются часто между клавиатурой и системным блоком), приемлемое быстродействие (3- 10 документов в минуту), простота интерфейса (параллельный или последовательный), невы­сокая цена. Забота об экономии пространства рабочего стола приве­ла некоторые фирмы к конструкции встроенного сканера (устройст­во встраивается в системный блок или клавиатуру), но большого распространения такие системы не получили.

Настольные сканеры. В России модели среднего класса (настольные офисные сканеры документов) в силу своей универ­сальности являются наиболее часто используемым типом сканерного оборудования. Они выпускаются со SCSI или скоростными видеоинтерфейсами, обычно допускают сканирование с планшета или с использованием интегрированного устройства автоподачи документов. Оптическое разрешение настольных сканеров регули­руется в диапазоне 100-800 тнд. Скорости сканирования достига­ют 64 стр./мин. На планшетных настольных сканерах можно ска­нировать неразброшюрованные документы, книжные страницы, документы нестандартного размера или полиграфического исполнения.

Универсальный характер устройств подчеркивается в последнее время выпуском моделей, позволяющих наряду со скоростным вво­дом документов полноценно (до 16,7 млн. цветов) сканировать в цвете.

Проекционный сканер - это практически цифровой фотоаппарат, только очень медленный. Сканируемый предмет за­крепляется перед сканирующей головкой, освещается и построчно сканируется. В считывающих датчиках проекционных сканеров так­же используются ПЗС.

Производственные сканеры. Сканеры производственной группы должны безотказно работать на самых ответственных участках высокопроизводительных технологических процессов ввода и регистра­ции больших объемов бумажных документов. К ним предъявляются повышенные требования в части надежности механического тракта подачи бумаги, устойчивости сканирования листов разной плотно­сти, удобству управления устройством в условиях интенсивного ска­нирования потока документов.

Быстродействие производственных сканеров при сканировании одной стороны листа достигает 400 стр./мин и более. Устройства обычно имеют прочную металлическую конструкцию и используют прецизионные механизмы транспорта сканируемых документов. От­дельную группу образуют компактные скоростные сканеры для ввода однородных малоформатных документов (чеков, квитанций, авиабилетов), изготовленных на специальной бумаге. Важным экс­плуатационным показателем всех моделей сканеров является нали­чие встроенных или дополнительных возможностей автоматическо­го усиления контрастности и компрессии изображений в темпе ска­нирования. Оптическое разрешение высокоскоростных сканеров в стандартном режиме редко превышает 300 тнд.