Лекция №7. Планшетные сканеры

1.Общие характеристики сканеров

2. Планшетные сканеры.

1.Общие характеристики сканеров

Каждый тип сканеров имеет свои особенности применения, что обусловливает различия в технологии сканирования и, следовательно, в характеристиках устройств. Однако существуют и некоторые общие критерии оценки как самого  сканера, так и полученного с его помощью изображения. Рассмотрим общие характеристики сканирования безотно­сительно к конкретным видам или моделям сканеров.

Цветность сканера. Как и большинство других устройств для обработки изображений, сканеры делятся на

- цветные;

- черно-белые (полутоновые)

 - штриховые черно-белые.

 Цвет­ные сканеры — самый распространенный вид.

Полутоновые сканеры «различают» оттенки серого, но не способны вос­принимать цветные изображения.

 Штриховые черно-белые сканеры различают только два цвета и практически не пред­ставлены в торговой сети — они используются в основном на различных производствах (например, для сканирования чертежей или штрих-кодов).                          

Разрешение сканера (resolution) — это совокупность пара­метров, характеризующих минимальный размер деталей изображения, который сканер в состоянии считать. Разреше­ние делят на оптическое, механическое и интерполяционное.

Оптическое разрешение (optical resolution) характеризует минимальный размер точки по горизонтали, которую сканер в состоянии распознать. В сканерах, использующих для считывания  цветовой информации матрицу (например, план­шетных или листопротяжных), эта характеристика определяется отношением количества элементов в линии матрицы к ширине рабочей области. Для других типов сканеров таких как барабанный) она ограничивается возможностя­ми фокусировки света на фотопринимающем элементе.  Оптическое разрешение — всегда наименьшее из всех указанных для конкретной модели сканера, поэтому производители сканеров часто  не указывают его.

Механическое разрешение (mechanical resolution) — количество шагов, которое делает сканирующая каретка, деленное на длину пройденного ею пути. Поскольку на каждом шаге происходит считывание информации матрицей, этот параметр определяет минимальный размер точки по вертикали, которую сканер может распознать. Иногда механическое разрешение тоже называют оптическим, но это неверно. Например, если для какой-либо модели сканера указано оптическое разрешение 300х1200 ppi, то оптическим разрешением будет 300 ppi, а механическим — 1200 ppi. Обычно  механическое разрешение в два раза больше оптического, но встречаются и модели, в которых оно в четыре раза больше или, напротив, они равны. Ввиду того, что ПЗС-матрица не может сканировать с разрешением по горизонтали больше оптического, для добавления недостающих точек  используются математические методы интерполяции (ина­че вертикальный размер любого отсканированного квадрата получился бы, больше горизонтального).  Механическое разрешение применимо только к сканерам с матрич­ной структурой фотоприемников.

Интерполяционное разрешение — искусственно увеличен­ное с помощью математических методов разрешение. Про­грамма, входящая в комплект поставки сканера, пытается довести изображение до этого разрешения путем добавле­ния недостающих точек (например, при реальном разреше­нии 3х3 программа выдает 9х9). Этот параметр не имеет ничего общего с реальными физическими параметрами сканера и может характеризовать только программу обработки  изображения.                   

Разрешение сканера обычно измеряется в пикселах на дюйм (ppi, pixel per inch). Измерять данный параметр в точках на дюйм (dpi, dots par inch) в принципе неверно, так как под dpi подразумевается фактиче­ское разрешение принтера, а это несколько иное понятие. Обычно принтер для получения одного цветного пиксела отпечатывает несколько точек, и каждая из них отвечает за свою составляющую цвета. Эти точки находятся очень близко, что создает эффект одного пиксела нужного цвета: они как бы сливаются. Соответственно, dpi подразуме­вает количество составляющих цвет точек на дюйм. Под ppi подразуме­вается именно количество полноцветных пикселов на дюйм.         

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 вид). Внешняя разрядность определяет битность  цвета после прохождения сигнала через АЦП. Внешняя разрядность сканеров обычно 8 бит (256 оттенков серого) для полутоновых сканеров и 24 бита (по 8 бит на составля­ющую, итого 16,77 млн цветов) — для цветных сканеров.  Внутренняя разрядность обычно не меньше, а больше внешней. Дополнительные биты во внутренней разрядности (если  они есть) используются для улучшения точности цветопередачи и снижения влияния искажений на цвет.       |

Динамический диапазон — еще одна цветовая характеристика. «Качество» отражения света любым оригиналом выражает оптическая плотность. Она вычисляется как десятичный  логарифм отношения светового потока, падающего на оригинал, к световому потоку, отраженному от оригинала (для непрозрачных оригиналов) или прошедшему сквозь него (для негативов или слайдов).

Оптическая плотность измеряется в OD (Optical Density), или просто D, и может меняться в диапазоне от 0,0D для абсолютно белого (прозрачного) цве­та до 4,0D для идеально черного (непрозрачного) цвета.

Поскольку речь идет о логарифме, например, 2,0D и 3,0D бу­дут различаться не на 25%, а в 10 раз. Оптические плотности для некоторых видов оригиналов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Оптические плотности некоторых оригиналов

Диапазон оптических плотностей сканера говорит о том, какие из цветов оригинала еще будут распознаны, а какие — уже нет, то есть будут восприняты либо как полностью бе­лые, либо как абсолютно черные. Диапазон оптических плот­ностей включает в себя две характеристики: D_min и D_max. Первая, D_min — такая оптическая плотность оригинала, ниже которой сканер будет считать оригинал идеально белым. Соответственно, D_max — такая оптическая плотность ориги­нала, выше которой сканер будет считать оригинал абсо­лютно черным. Сам диапазон представляет собой разность D_min и D_max.   Диапазон оптических плотностей сканера зави­сит от качества и разрядности АЦП и фотоэлементов, а также от алгоритма работы контроллера сканера. В табл. 2  ука­заны типичные динамические диапазоны для распростра­ненных видов сканеров.

Таблица 2. Типичные динамические диапазоны сканеров

Работая область сканера —максимальный формат доку­мента, который сканер в состоянии обработать. Формат за­висит от конструкции и области применения сканера. Так, формат документа для листопротяжных и ручных сканеров ограничен только по ширине. Обычные домашние и офис­ные сканеры чаще всего соответствуют форматам А4 и приня­тому на западе формату Legal. Профессиональные модели могут иметь фиксированные размеры, приспособленные для конкретных оригиналов (например, слайд-сканер 35-мйллиметровой пленки), или просто иметь большой формат — до АО.

Скорость сканирования — параметр, отражающий время, за которое будет отсканирован тот или иной документ. На са­мом деле эта характеристика не может иметь какого-либо зна­чения, так как зависит от быстродействия компьютера, объ­ема его оперативной памяти, от аппаратного интерфейса и т. д. Поэтому быстродействие сканера можно оценивать 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. Эта характеристика мо­жет быть очень важна, если есть необходимость в высоком качестве отсканированных фотографий (или каких-либо других графических материалов). Например, для стандарт­ной цветной фотографии размером 10х15 см, отсканиро­ванной с разрешением 720 ppi при разрядности цвета 24 бит (True color), потребуется около 40-Мбайт дискового про­странства. Соответственно, если скорость передачи данных между сканером и компьютером низка, то и ждать результа­та придется очень-долго. Поэтому интерфейс передачи дан­ных по важности ставится наравне с такими характеристи­ками, как разрешение и глубина цвета. Сейчас на рынке представлены сканеры с пятью типами интерфейсов:

1. Интерфейс LPT (стандартный параллельный порт Centronics). Этот интерфейс один из самых медлен­ных, но и наиболее прост при установке сканера: Иног­да встречаются улучшенные варианты — с поддерж­кой (или даже требованием) ЕРР/ЕСР. В таком случае могут возникнуть проблемы с установкой, так как не все компьютеры оборудованы такими портами. Сканеры с интерфейсом LPT практически всегда имеют «сквозной порт», то есть сканер не монопольно ис­пользует LPT-порт, оставляя возможность подклю­чения еще одного устройства (обычно этим устрой­ством бывает принтер).

2. Собственный интерфейс. Его еще иногда называют ISA. Такой интерфейс реализуется в виде отдельной карты, с которой может работать сканер. Такие карты для каждой модели сканера уникальны, из-за чего могут возникнуть проблемы при замене (если карта, например, вышла из строя) или после Upgrade.

3. SCSI-интерфейс — один из наиболее скоростных ва­риантов интерфейса передачи данных. Однако, если в комплекте со сканером не поставляется SCSI-кар­та, то могут возникнуть проблемы совместимости о другим контроллером SCSI. Меньше всего проблем создают контроллеры Adaptec. Если в комплект по­ставки сканера включена своя карта, то подключение и использование сканера не вызовут проблем, однако не факт, что другие SCSI-устройства смогут быть ус­тановлены на этот контроллер (например, из-за от­сутствия или несовместимости драйверов). При подключении сканера к SCSI-плате должно быть соблюдено согласование шины, иначе подключенные к ней устройства не смогут нормально работать. На­чало и конец цепочки устройств должны быть обес­печены терминаторами (согласующими сопротивлени­ями). Если на шине отсутствуют внешние устройства, то терминатор можно установить прямо на контрол­лере, который служит последним звеном в цепочке SCSI. Поскольку сканер лучше всего установить пос­ледним в цепочке, необходимо задействовать соб­ственный терминатор сканера, отключив терминатор контроллера. У большинства сканеров терминаторы находятся внутри. Лишь немногие сканеры (напри­мер, HP ScanJet 4p) имеют внешний переключатель.

4. ИнтерфейсUSB — преемник LPT-интерфейса. Сто­имость USB-сканера ниже, а производительность этого интерфейса — значительно выше, чем для па­раллельного порта, однако не на всех компьютерах есть поддержка USB.

5. Интерфейс PCMCIA (PC card) — интерфейс для ра­боты с портативными компьютерами. Данный интер­фейс претендует на универсальность, однако это не всегда так. Поэтому стоит проверить совместимость кон­кретного портативного компьютера с таким сканером.

2. Планшетные сканеры

Планшетные сканеры — самый распространенный вид скане­ров. Популярность эта вполне заслуженна: устройство таких ска­неров создает все удобства при сканировании любых ориги­налов. Оригинал в планшетном сканере неподвижно лежит на стекле, а считывание в большинстве случаев происходит в отраженном от него свете. Высокие скоростные характе­ристики таких сканеров также являются несомненным пре­имуществом. Это преимущество достигается за счет того, что фотоэлементом в планшетных сканерах является не единич­ный фотоэлемент, а считывающая линейка фотоэлементов.

Рис.1. Устройство планшетного сканера 1-оригинал; 2- стекло; 3- источник света; 4 – система зеркал; 5 - линза; 6 – линейный фотоприемник; 7- АЦП 

На рис. 1 изображена схема устройства планшетного ска­нера. Полоса света, испускаемая источником освещения, попадает на оригинал, растянутый на стекле. Отразившись, свет попадает на первое зеркало из системы зеркал. Зерка­ла расположены таким образом, чтобы отраженный свет попадал на собирающую линзу. Линза проецирует попав­ший на нее свет на линейку фотоэлементов (с увеличени­ем). Свет, попавший на эту линейку, трансформируется в электрический аналоговый сигнал, который далее попа­дает в АЦП. В некоторых сканерах между фотоприемни­ком и АЦП находятся промежуточные ступени, работаю­щие с аналоговым сигналом. Эти ступени предназначены для аппаратного исправления погрешностей сканирования и, иногда, самого изображения. В результате на выход, то есть в компьютер (после АЦП), идет полоска изображе­ния исходного оригинала.

Описанная выше процедура сканирования охватывает толь­ко одну строку изображения. Поэтому для полного скани­рования и используется головка. После того как отскани­рованная строка пикселов попадет в компьютер, каретка сдвигается на один шаг. Длина этого шага фиксирована и от нее зависит механическое разрешение сканера (см. раз­дел «Общие характеристики сканеров»). Затем вся проце­дура повторяется до тех пор, пока заданная область не бу­дет считана полностью. Рассмотрим описанные детали сканера подробнее.

1. Источник изображения. В приведенной схеме источник изображения непрозрачен (сканер работает на отраже­ние), но в некоторых случаях может использоваться и прозрачный оригинал. Для работы с такими докумен­тами сканер может быть оборудован слайд-модулем.

2. Стеклянная пластина. К пластине предъявляются особые требования: качество стекла должно быть очень высоким, поверхность должна быть максимально ров­ной и внутри стекла не должно быть никаких неоднородностей. Это при том, что толщина стекла очень мала.

3. Фотопринимающая  матрица эта, и следующие в списке детали находятся на так называемой сканирующей головке или каретке). Практически это самая существен­ная деталь сканера. От нее зависят оптическое разреше­ние, динамический диапазон, схема работы сканера (одно- или трехпроходный) и почти все остальные характеристики (за исключением разве что рабочей обла­сти сканера). На сегодняшний день наиболее распрост­ранены два типа фотопринимающей матрицы:

-  ПЗС-матрицы (прибор с зарядовой связью, в англий­ских обозначениях — CCD, Couple-Charged Device);

-  КДИ-матрицы (контактный датчик изображения, в ан­глийских обозначениях — CIS, Contact Image Sensor).

Основой элемента ПЗС-матриц является фототранзистор, выполненный по технологии МОП (металл—оксид —полу­проводник). Эта технология используется и во многих дру­гих приборах для считывания изображений, от мощнейших телескопов до приборов ночного видения.

Данному виду фотоэлементов присущи свои преимущества и недостатки. Среди преимуществ ПЗС необходимо отме­тить следующие:

Высокая чувствительность. Квантовая эффективность ПЗС чрезвычайно высока и может достигать 95%. Для сравнения, квантовая эффективность человеческого гла­за — около 1%, лучшие фотоэмульсии имеют квантовую эффективность до 3%, фотоэлектронные умножители (фотоприемники в барабанных сканерах) — до 20%. Квантовая эффективность определяет способность фотоприемника переводить свет в электрические сигналы, то есть выражает эффективность перевода попавших на него квантов (частиц света) в электрический сигнал. Строго говоря, она равна отношению числа зарегистри­рованных зарядов к числу фотонов, попавших на свето­чувствительную область кристалла ПЗС. Энергия кванта зависит от длины волны света, поэтому четко обозна­чить эту характеристику для ПЗС невозможно — она ме­няется по всему спектру и обычно задается в виде функции от длины волны.

Широкий спектральный диапазон. ПЗС может реагиро­вать на свет, начиная от гамма- и рентгеновского излучения и заканчивая инфракрасным излучением. Такого диапазона не дает на текущий момент ни одна из мат­ричных технологий. Главными недостатками ПЗС являются:.

Ограниченность разрешения. Во всех матричных фотоприемниках существует ограничение максимального раз­решения количеством элементов матрицы.

Шумы. Существует несколько видов шумов. Одни виды шумов зависят от температуры, поэтому для высокока­чественных ПЗС иногда применяется охлаждение. Дру­гие виды шумов зависят от качества сборки ПЗС. Но есть и шумы, которые нет возможности отфильтро­вать даже в самых качественных приборах. Например, таким шумом является фотонный шум. Этот шум — след­ствие природы света и не зависит от фотоприемиика. Все эти шумы вносят соответствующие искажения в ре­зультат сканирования. Обычно искажения проявляются в виде шумовых битов. В сканерах младшего класса для каждой из трех составляющих цвета (8 бит на каждую) два старших бита являются «шумовыми» и не содержат точной информации о цвете.

Растекание заряда. Этот эффект возникает в резуль­тате того, что заряд, накопленный элементом ПЗС, ли­нейно меняется в зависимости от попавшего на него света. Соответственно, есть некоторый предел, ограни­чивающий этот заряд. Если за время освещения суммар­ное количество фотонов (частиц света) превысит предельное значение, то заряд начнет «перетекать» в соседние пикселы. На получившемся изображении это выглядит как расплывчатость слишком ярких деталей изображения.

Принципиального различия между КД И- и ПЗС-матрица-ми нет. КДИ-сканеры отличаются of ПЗС-сканеров тем, что в них матрица растянута на всю ширину рабочей области, поэтому полностью отсутствует оптическая система.

Однако от технологии фотопринимающей матрицы зави­сит устройство многих других узлов, так что следует гово­рить не о различиях в сканирующей матрице, а о различиях в сканерах.