ЛЕКЦИЯ_8. УСТРОЙСТВО И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СКАНЕРОВ. ПЗС-МАТРИЦА

Сканерэто устройство ввода в персональный компьютер цветного и черно-белого изображения с бумаги, пленки и т.п. Сканирующие устройства пришли в современную компьютерную периферию из телеграфии.

Принцип действия сканера заключается в преобразовании оптического сигнала, получаемого при сканировании изображения световым лучом, в электрический, а затем в цифровой код, который передается в компьютер. Подобное преобразование осуществляется с помощью CCD чипа.

Сканеры разделяют на – черно-белые, цветные.

Черно-белые сканеры могут в простейшем случае различать только два значения - черное и белое, что вполне достаточно для чтения штрихового кода. Более сложные сканеры различают градации серого цвета.

Цветные сканеры работают на принципе сложения цветов, при котором цветное изображение получается путем смешения трех цветов: красного, зеленого и синего.

Технически это реализуется двумя способами:

1.При сканировании цветной оригинал освещается не белым светом, а последовательно красным, зеленым и синим. Сканирование осуществляется для каждого цвета отдельно, полученная информация предварительно обрабатывается и передается в компьютер;

2.В процессе сканирования цветной оригинал освещается белым цветом, а отраженный свет попадает на CCD-матрицу через систему специальных фильтров, разлагающих его на три компонента: красный, зеленый, синий, каждый из которых улавливается своим набором фотоэлементов.

А также сканеры делятся на:

Ручные сканеры - это относительно недорогие устройства небольшого размера, удобны для оперативного сканирования изображений из книг и журналов. Ширина полосы сканирования обычно не превышает 105 мм, стандартное разрешение 300-400 dpi. К недостаткам ручного сканера можно отнести зависимость качества сканирования от навыков пользователя и невозможность одновременного сканирования относительно больших изображений.

В барабанном сканере сканируемый оригинал располагается на вращающемся барабане. В настоящее время используются только в типографском производстве.

В листовых сканерахноситель с изображением протягивается вдоль линейки, на которой расположены CCD- элементы. Ширина изображения как правило составляет формат А4, а длина ограничена возможностями используемого компьютера (чем больше изображение, тем больше размер файла, где хранится его цифровая копия).

Планшетные сканеры осуществляют сканирование в автоматическом режиме. Оригинал располагается в сканере на стеклянном листе, под которым головка чтения с CCD-элементами сканирует изображение построчно с равномерной скоростью. Размеры сканируемых изображений зависят от размера сканера и могут достигать размеров большого чертежного листа (А0). Специальная слайд-приставка позволяет сканировать слайды и негативные пленки. Аппаратное разрешение планшетных сканеров достигает 1200 dpi.

Параметры сканера

Разрешение характеризует величину самых мелких деталей изображения, передаваемых при сканировании без искажений. Измеряется обычно в dpi - числе отдельно видимых точек на дюйм изображения (dot per inch). Существует несколько видов разрешения, указываемого производителем сканеров.

Оптическое разрешение определяется плотностью элементов в ПЗС-линейке (ПЗС - прибор с зарядовой связъю) и равно количеству элементов ПЗС-линейки, деленному на ее ширину. Оно является самым важным парамером сканера, определяющим детальность получаемых с его помощью изображений. В силу этого не всегда приводится в рекламной информации производителем или продавцом сканера, стремящимся завысить его реальные характеристики. В массовых моделях сканеров обычно оно бывает равно 100 или 200 для ручных и рулонных сканеров и 300, 600 или 1200 dpi для планшетных сканеров.

Механическое разрешение определяет точность позиционирования каретки с ПЗС-линейкой при перемещении вдоль изображения. Механическое разрешение обычно в 2 раза больше оптического, что дает повод изготовителю сканера вводить в заблуждение покупателя тем, что сканер имеет "оптическое разрешение 300х600 dpi", хотя без интерполяции на таком сканере можно сканировать только с разрешением 300 dpi.

Интерполяционным называется разрешение, полученное путем 16-кратного программного увеличения изображения. Оно не несет в себе абсолютно никакой дополнительной информации об изображении по сравнению с реальным разрешением, причем в специализированных пакетах операция масштабирования и интерполяции выполняется зачастую качественнее, чем драйвером сканера. Указанное на коробке планшетного сканера значение интерполяционного разрешения в 4800 dpi может ввести в заблуждение покупателя, так как реальное оптическое разрешение устройства может быть всего 300 dpi.

Глубина цвета, или разрядность, характеризует количество бит, применяемых для хранения информации о цвете каждого пиксела. Монохромные сканеры имеют один разряд, черно-белые, как правило, 8 разрядов, а цветные сканеры, как минимум, 24 разряда (по 8 бит на хранение каждой из RGB-компонент цвета пиксела). Более совершенные сканеры могут иметь разрядность 30 или 36 (по 10 или 12 бит на каждый канал). При этом их внутренняя разрядность может быть выше внешней: "лишние" разряды используются для выполнения цветовой коррекции изображения до передачи в компьютер, хотя такая практика в основном характерна для дешевых моделей. Профессиональные и полупрофессиональные сканеры имеют и внешнюю разрядность 30 или 36 бит (а некоторые модели стоимостью свыше $10000 - и до 48 бит).

Диапазон оптических плотностей - это динамический диапазон сканера, который во многом определяется его разрядностью. Он характеризует возможность сканера правильно передавать изображения с большим или с очень маленьким разбросом яркости (возможность отсканировать "фото черной кошки в темной комнате"). Вычисляется как десятичный логарифм от отношения интенсивности падающего на оригинал света к интенсивности отраженного света, и измеряется в D: 0,0 D соответствует идеально белому цвету, 4,0 D - идеально черному. У сканера этот диапазон зависит от разрядности: у 36-битного сканера он не превышает 3,6 D, у 30-битного - 3,0 D. Сканируемые изображения обычно обладают диапазоном до 2,5 D для фотографий и 3,5 D для слайдов. Дешевые 24-битные планшетные сканеры имеют динамический диапазон 1,8 - 2,3 D, хорошие 36-битные - до 3,1-3,4 D. Производители недорогих сканеров обычно не указывают динамический диапазон своих изделий.

Размер области сканирования. Для бытовах планшетных сканеров наиболее распространены форматы A4 и (существенно реже) A3, для рулонных сканеров - A4, а для ручных сканеров область сканирования составляет обычно полосу шириной 11 см.

Интерфейс. Для подключения сканеров в настоящее время применяют следующие интерфейсы:

1) Собственный (Proprietary) интерфейс разработчика сканера, применявшийся в ранних моделях планшетных и ручных сканеров. Как правило, представлял собой специализированную плату на шине ISA, для работы которой требовался драйвер. После прекращения выпуска таких сканеров прекращался и выпуск новых драйверов для них, что делало невозможным использовать выпущенный в эпоху Windows 3.1 сканер под Windows NT, OS/2 или Linux.

2) С параллельным портом EPP (LPT, или ECP) выпускаются самые младшие модели в семействах планшетных сканеров различных производителей. Сканеры с таким интерфейсом имеют, как правило, посредственные характеристики и рассчитаны на выполнение несложных работ наподобие сканирования небольших фотографий или нескольких страниц текста. Использование параллельного порта совместно с принтером и дополнительными устройствами (например, Iomega Zip) часто приводит к трудноразрешимым аппаратным конфликтам и несовместимости.

3) Сканеры с интерфейсом PCMCIA встречаются редко. Для владельцев ноутбуков предпочтительнее использовать сканеры с интерфейсом SCSI, подключая их посредством SCSI-адаптера в конструктиве PCMCIA, или в крайнем случае сканеры с LPT-интерфейсом.

4) Интерфейс SCSI является стандартом для подключения высококачественных и высокопроизводительных устройств, обеспечивает межплатформенную совместимость сканера и его малую зависимость от смены операционной системы. К SCSI-сканерам обычно прилагается SCSI-плата на шине ISA, хотя такой сканер можно подключать и к полнофункциональным SCSI-контроллерам на шине PCI (рекомендуются платы производства Adaptec, хотя устройства от Symbios Logic, BusLogic и других производителей также показывают неплохую совместимость). Большинство 30- и 36-разрядных сканеров с разрешением 600 dpi и выше выпускаются с этим интерфейсом.

5)Интерфейс USB - это новый интерфейс для подключения сканеров, активно рекомендуемый спецификациями PC98 и PC99 (см. Настольный ПК), однако пропускная способность USB недостаточно велика для подключения высокопроизводительных сканеров.

Качество драйвера. Все современные сканеры обмениваются данными с прикладными программами под Windows 95/98 и Windows NT при помощи программного интерфейса TWAIN, однако предоставляемый драйвером набор функций может быть разным, его обязательно следует уточнить при выборе сканера. Среди них наиболее важны:

1) возможность предварительного просмотра изображения с выбором области сканирования и количества цветов;

2) возможность регулировки яркости, контраста, и нелинейной цветовой коррекции (обычно задаваемой в виде кривых);

3) возможность подавления муара при сканировании изображений с печатным растром;

4) возможность простейших преобразований изображения (инверсия, поворот и т. п.);

5) возможность сетевого сканирования;

6) возможность режимов автоматической коррекции контраста и цветопередачи;

7) возможность работы сканера (в сочетании с принтером) в режиме копира;

8) возможности по цветокалибровке как сканера, так и всей системы;

9) возможности по пакетному сканированию;

10)возможности тонкой настройки фильтров и параметров цветокоррекции.

Способ перемещения сканируемого оригинала. Еще совсем недавно прилавки магазинов были заполнены ручными, протяжными и планшетными сканерами. Сегодня ручные сканеры из самого доступного дешевого решения превратились в редкое, узкоспециализированное и очень дорогое, например, для мобильного офиса. Подобные сканеры могут работать автономно от компьютера и сохранять отсканированное изображение в собственной памяти. Протяжные сканеры как-то потихоньку сошли на нет, и сегодня на прилавках они представлены таким крайне экзотическим устройством, как сканирующая головка, предназначенная для установки в принтеры. Планшетный сканер представляет собой устройство с предметным стеклом, на которое кладется сканируемый оригинал, после чего оптическая схема перемещается вдоль оригинала и осуществляется сканирование. Планшетные сканеры могут быть предназначены для сканирования, как в отраженном свете, так и на просвет. Сканеры могут быть монохромными, цветными 3-проходными, когда сканирование цветного изображения осуществляется за 3 прохода через разные фильтры, и цветными однопроходными.

Устройство сканера

Исторически в сканерах использовали самые разнообразные фотоприемники, начиная от селеновых и кончая ФЭУ, в современных сканерах используются линейки чувствительных элементов, выполненных по ПЗС (прибор с зарядовой связью) (CCD) или КМОП (CMOS) технологии. Оптические схемы можно разделить на 2 большие группы. Изображение фокусируется на линейке фотоприемников, через систему зеркал и объектив, расположенный на значительном расстоянии от сканируемого объекта. Или так называемый контактный датчик изображения (CIS), при котором в идеале каждый приемный фотоэлемент непосредственно касается элемента изображения. Однако в реальности эта схема представляет собой набор нескольких коротких линеек с чувствительными элементами и нескольких же объективов, расположенных в непосредственной близости от сканируемого материала. По внешнему виду сканеры, выполненные по этим технологиям, отличаются своей толщиной. Сканер, выполненный по технологии CIS, существенно тоньше. Функционально же уменьшение габаритов приводит к уменьшению глубины резкости. Поэтому если сканеры, выполненные по зеркально-линзовой технологии с единственной линейкой чувствительных элементов, имеют глубину резкости порядка 2,5 см, то у плоских сканеров глубина резкости практически равна нулю. Сканеры с контактным датчиком изображения непригодны для получения сканограмм. И могут возникнуть непреодолимые проблемы даже при сканировании текста вблизи корешка толстой книги, когда нет возможности плотно прижать листы к стеклу.

Многие планшетные сканеры комплектуются модулями для сканирования прозрачных образцов, называемыми слайд-модулями. Конструктивно они могут быть выполнены:

1) как система зеркал, которая отражает свет от основной лампы сканера,

2) как неподвижная лампа с рассеивателем, который устанавливаются над объектом,

3) в виде устройства, перемещающего лампу над объектом синхронно с перемещением каретки сканера.

Несколько слов о механической части сканера. Кроме числа чувствительных элементов линейки, разрешение определяется и шагом перемещения этой линейки, Таким образом, в маркировке разрешения сканера появляются 2 цифры, например, 600 на 1200. Это означает, что число чувствительных элементов в линейке обеспечивает разрешение 600 точек на дюйм, а линейка перемещается с шагом 1200 шагов на дюйм. Таким образом, в предельном случае, если в линейке расположены бесконечно маленькие чувствительные элементы с шагом между ними в 1:600 дюйма, то такая линейка способна зарегистрировать 300 черных штрихов, расположенных по направлению движения линейки, на дюйм. Если же штрихи расположены перпендикулярно, то, перемещая линейку с шагом в 1:2000 дюйма, мы сможем разрешить уже 600 таких штрихов.