2.6. Устройства ввода гра­фиче­ской информации: сканеры, графические планшеты

Одна из основных задач информатики состоит в разработке и внедрении средств и методов использования вычислительной техники для перевода документов из бумажной формы в электронную. Основным препятствием на пути создания безбумажной документации при этом является проблема ввода данных в электронном (цифровом) виде. Проблема решается в информационных технологиях созданием, внедрением и использованием специальных аппаратных и программных средств для перевода в электронную форму графической и текстовой информации.

Наиболее распространенным методом такого перевода документов является сканирование – технологический процесс, в результате которого создается графический образ документа.

Принцип работы. Техническая реализация сканирования основана на следующем принципе. Луч света, отраженный от поверхности материала (или прошедший сквозь прозрачный материал) фиксируется светочувствительным элементом. На этом этапе формируется изображение. Световой сигнал преобразуется в электрический и подвергается двоичному кодированию, а затем поступает в компьютер, где после обработки в соответствии со специальной программой превращается в копию оригинала.

Обычно светочувствительный элемент представляет собой перемещаемую вдоль объекта линейку ПЗС (полупроводниковых приборов с зарядовой связью). ПЗС – это твердотельный электронный компонент, преобразующий интенсивность падающего на него света в электрический сигнал. Принцип действия этого прибора основан на зависимости проводимости полупроводникового p – n перехода (например, на основе кремния) от интенсивности освещения. На p – n переходе формируется заряд (рис.28а), который уменьшается со скоростью, зависимой от освещенности. Чем меньше этот заряд, тем больше ток через полупроводниковый диод.

Линейка ПЗС (рис.30 а,б) представляет собой распределенные вдоль одной линии электроды, на которых, как на обкладках конденсатора, скапливаются заряды. Другими обкладками формируемых конденсаторов являются соответствующие p – n переходы.

Электрические характеристики ПЗС, представленные в двоичном коде, вводятся в компьютер. Минимальный элемент изображения интерпретируется как цветная (или серая) точка. При перемещении (сканировании) светочувствительного элемента вдоль неподвижного образца (или образца относительно неподвижного светочувствительного элемента) в компьютер вводится последовательность таких точек – растр. Количество точек растра определяется как размером изображения, так и разрешением сканера. Таким образом, в результате сканирования создается графический файл, в котором хранится растровое изображение исходного документа.

В ряде сканеров (например, в сканерах барабанного типа) используют в качестве фоточувствительного элемента фотоэлектрические умножители (ФЭУ). ФЭУ представляет собой (рис.28в) электровакуумный прибор, имеющий следующие электроды: катод, анод, диноды. Световой поток от объекта сканирования вызывает дополнительную эмиссию электронов из катода, которая в соответствии с законом фотоэффекта пропорциональна интенсивности падающего светового потока. Имитируемые электроны под действием ускоряющей разности потенциалов выбивают из поверхности ближайшего электрода-динода вторичные электроны, число которых многократно превышает первичный электронный поток. Это достигается благодаря тому, что материал динодов имеет высокий коэффициент вторичной эмиссии. Вторичный поток электронов опять ускоряется соответствующим потенциалом следующего динода и т.д. В результате через сопротивление нагрузки в анодной цепи прибора протекает усиленный ток. Коэффициент усиления фототока ФЭУ достигает 10 ⁸. Ускоряющее напряжение на диноды подается от высоковольтного источника (до 500÷ 1000 В) и равномерно распределяется между ними при помощи делителя напряжения.

Основными характеристиками сканера являются:

• разрешающая способность – зависит от плотности размещения ПЗС на линейке и типа сканера, а также точности механической установки линейки относительно образца при сканировании (обычно – в пределах от 100 до 5000 dpi – число точек на дюйм);

• производительность сканера – определяется продолжительностью сканирования листа бумаги стандартного формата, и зависит как от совершенства механики устройства, так и от программного обеспечения процесса сопряжения сканера с компьютером;

• динамический диапазон – определяется логарифмом отношения яркости наиболее светлых участков изображения к яркости наиболее темных участков (обычно – в пределах от 1,5 до 4).

Для связи с компьютером сканеры могут использовать специальную 8- или 16-разряднуюинтерфейсную плату, вставляемую в соответствующий слот расширения. Однако в этом случае могут возникнуть проблемы с распределением системных ресурсов (портов ввода / вывода, линий прерываний IRQ и каналов DMA). В настоящее время широко используют стандартные интерфейсы, применяемые в IBM-совместимых компьютерах (последовательный и параллельный порты, интерфейс SCSI). В этом случае проблем с распределением ресурсов, как правило, не бывает.

В комплект поставки всех моделей сканеров входит драйвер, предназначенный для управления выполнением процесса сканирования и настройки параметров устройства. Драйвер часто дополнительно оснащают инструментальными средствами манипулирования ска­нируемым изображением. Как правило, также имеется возможность выбрать один из поддерживаемых форматов сохраняемых файлов создаваемых копий. Рекомендуется выбрать такой драйвер, который позволяет осуществлять точную настройку параметров процесса сканирования (разрешение – resolution, яркость – brightness, контрастность – contrast), а также предварительно его просматривать.

В результате стандартизации программного интерфейса, поскольку аппаратные интерфейсы весьма разнообразны, повсеместно был принят протокол TWAIN, поддерживаемый «по умолчанию» операционными системами, начиная с Windows–98.

Требования к оригиналу. При сканировании нужно стремиться к получению результата с минимальной доработкой. Предварительное изучение оригинала может иметь первостепенное значение, поскольку его особенности определяют режим сканирования и последующую обработку изображения.

Оригинальное изображение принято классифицировать по цвету и тону. Учитывая это, необходимо соответствующим образом выбирать тип сканера. Тоновая характеристика (shadows, midtones, highlight) определяет метод обработки изображения программными средствами. Изображения в соответствии со своей цветовой характеристикой бывают: цветные, серые (полутоновые), черно-белые.

Черно-белым изображением (штриховым – line art) являются: контурный рисунок, гравюра, логотип, текст и др. штриховым может быть также и цветное изображение, созданное одной какой-нибудь краской. Черно-белые сканеры работают в двухуровневом режиме, воспринимая либо черный, либо белый цвет. В сканерах такого типа предусмотрена настройка порога чувствительности (threshold), позволяющая расширить диапазон вводимых оригиналов: от слишком светлых до чрезмерно затемненных. Поскольку при работе со штриховой графикой особенно важно передать как можно точнее контуры изображе­ния, то сканирование здесь надо производить с максимальным разрешением.

Полутоновое изображение – это различные оттенки серого цвета: черно-белая фотография, слайд, полутоновые рисунки. Для их представления вводится понятие шкалы яркости, характеризующее количество оттенков серого цвета точек. Существуют модели сканеров, способные создавать 16, 64 и 256 градаций яркости. Дешевые сканеры не могут воспроизводить истинную градацию яркости. Здесь для создания полутоновых изображений применяют специальные приемы: техника формирования полутонов (half toning) или техника растрирования (dithering).

В режиме полутона (half toning) изображение формируется из черных точек разного размера (полутоновых точек) в зависимости от того, насколько оно темное или светлое.

В режиме растрирования сканер группирует несколько точек вводимого изображения в ячейки размером: 2х2 (4 пиксела), 3х3 (9 пикселов), 4х4 (16 пикселов) и т.д. Отношение количества черных точек к количеству белых определяет градацию серого цвета. Прямоугольная форма ячейки удобна для формирования растровой структуры изображения.

При использовании полутоновых сканеров важно иметь возможность изменять число уровней серого цвета, поскольку не всегда необходимо производить сканирование с максимально возможной глубиной передачи оттенков, а уменьшение числа битов для цифрового представления одного пиксела позволит сохранить дисковое пространство и приведет к уменьшению времени печати такого изображения.

Цветное изображение состоит из множества оттенков различной тональности: слайды, цветные фотографии, рисунки. При сканировании цветного изображения оригинал освещается через RGB-светофильтр. Различия моделей цветных сканеров проявляются в способе считывания информации (за один проход или за три), а также в количестве используемых источников света (например, три для каждого цвета вместо обычного одного).

Степень прозрачности оригиналов позволяет разделить их на две группы:

• отражающие (непрозрачные);

• прозрачные.

К первой группе относятся фотографии, рисунки, страницы книг и журналов, буклеты и т.п. Изображения с подобных оригиналов пользователь видит в отраженном свете. Обработка таких оригиналов возможна с использованием большинства обычных сканеров. Прозрачные оригиналы (слайды, негативы и т.п.) требуют обработки в специализированных сканерах, которые характеризуются высоким оптическим разрешением и возможностью увеличивать небольшие оригиналы до размеров страниц журналов или плакатов.

Распознавание образа. Результат сканирования, графический образ, не является еще в полной мере документом. С точки зрения компьютера, это – набор разноцветных точек. Программные средства, предназначенные для распознавания такого текста, носят название средств распознавания образа.

Распознавание текста осуществляется путем сравнения соответствующей конфигурации точек с эталонным символом, хранящимся в памяти. Современные алгоритмы распознавания символов, при этом, позволяют «обучить» программу распознавать символы с неясным написанием, распознавать разноязычные символы и символы смешанных текстов. Наиболее часто используемым для этого программным продуктом является программа Fine Reader.

Сканер считывает точку за точкой разбитого на линии оригинала, из совокупности которых формируется образ сканируемого объекта. При этом для шрифтов размером 8 и более пунктов достаточно сканировать с разрешением 300 dpi, а для качественного сканирования меньших шрифтов (5÷8 пунктов) требуется разрешение не хуже 400 dpi, причем, результат зависит от качества оригинала. Результатом санирования является «битовая» карта оригинала. Можно сохранить, отредактировать изображение, выделить какой-либо фрагмент, т.е. манипулировать сканированным изображением по своему усмотрению.

Потребность в одновременном считывании как текстовой, так и графической информации при сканировании документа привело к разработке устройств оптического считывания информации различного типа. Устройства OCR (Optical Character Recognition) предназначены для оптического распознавания символов. Они сканированный текст, графическое изображение, преобразуют в коды ASCII, что позволяет в дальнейшем обрабатывать сканированные символы средствами обычных текстовых редакторов. Размещаемый на карте расширения сканера или компьютера чип памяти (ROM) предназначен для аппаратного распознавания текста при сканировании документа.

Различают, по крайней мере, три основных класса устройств оптического считывания информации:

Интеллектуальный сканер (Intelligent scanner) – способен распознавать графические области и текст в одном документе. В пределах области расположения графики такой сканер работает как графический сканер, а вне ее выполняет операцию распознавания текста и преобразует символы в «понятный» компьютеру код. Такой сканер часто называют процессором составных документов (compound document processor).

Страничный сканер (page scanner) – может считывать текстовую информацию в любом месте страницы, но графику игнорирует.

Считыватель форм (form reader) – устройство, предназначенное для работы с документами, имеющими нестандартное размещение печатного или рукописного текста на странице.

Типы сканеров. В зависимости от способа применения различают следующие типы сканеров:

• ручной сканер – перемещение линейки ПЗС относительно объекта осуществляется вручную – наименее качественное изображение (разрешающая способность ~ 150 – 300 dpi), поскольку равномерность и точность сканирова­ния зависят от способа перемещения (рука) и плоскости расположения линейки относительно объекта (здесь невозможно выдержать одну и ту же плоскость);

• листовой сканер – за одну операцию сканируется лист бумаги стандартного формата. При этом бумага протягивается при помощи специальных валиков относительно линейки ПЗС. Недостаток – в невозможности сканирования книг, журналов и других подобных документов;

• планшетный сканер – листовой сканер для ввода графической информации с прозрачного или непрозрачного листового материала. Поскольку здесь блок сканирования перемещается относительно поверхности объекта, то такой сканер можно применять и для сканирования книг и журналов. Качество сканирования – высокое (разрешающая способность от 600 до 3000 dpi), а также максимальная степень удобства;

• специальные типы сканеров – для ввода специализированной информации: для сканирования прозрачных материалов (слайдов, негативов и т.п.) – барабанный сканер (изображение закреплено на цилиндре, вращающемся относительно неподвижного блока сканирования, и сканирование осуществляется построчно, разрешающая способность 2500 – 5000 dpi благодаря применению не ПЗС, а фотоэлектронных умножителей); для ввода информации с заполненных бланков (анкеты, избирательные бюллетени и другие документы) или заполненных «вручную» – сканер форм (высокое быстродействие при минимальном качестве); для считывания кодов с маркированных товаров с целью автоматизации подсчета стоимости товаров – штрих–сканер (разновидность ручного сканера).

Среди прочих устройств ввода информации необходимо отметить следующие.

Графические планшеты (дигитайзеры). Эти устройства предназначены для ввода художественной графической информации. В основе принципа действия всех устройств такого типа лежит фиксация перемещения специального пера относительно планшета.

Дигитайзеры удобны для художников и иллюстраторов, поскольку позволяют им создавать экранные изображения привычными приемами, используемыми при работе с традиционными инструментами (карандаш, перо, кисть и т.п.).

Цифровые фото- и видеокамеры. Как и сканеры, такие устройства воспринимают графические данные с помощью преобразования яркостных характеристик поверхности в электрические характеристики ПЗС, объединенных в прямоугольную матрицу (рис.31). Основным параметром таких приборов является разрешающая способность, напрямую связанная с количеством ячеек ПЗС в матрице. Пользующиеся наибольшим спросом модели приборов имеют в настоящее время матрицы с около 1 миллионом ячеек, что дает разрешение до 800 х 1200 точек.