Сканеры

Принципы сканирования

Для тех, кто занимается переводом бумажных архивов и старых фотографий в электронную форму, сканер является одним из самых важных внешних устройств персонального компьютера уже несколько десятилетий. С помощью сканера в компьютер вводится любая графическая информация. Далее, используя програм­мы оптического распознавания текста, можно без участия машинистки превращать бумажные документы в текстовые файлы, при необходимости быстро переводя их на любые языки с помощью программ-переводчиков. Фактически без сканера соз­дание электронных библиотек было бы практически невозможным. Лишь некото­рую конкуренцию сканеру в настоящее время начали создавать цифровые фотока­меры, но пока они не могут полностью заменить планшетный сканер, в основном за счет оптических искажений объектива.

Примечание

В настоящее время, вместо отдельного сканера стало популярным использование многофункциональных устройств, в которых в одном устройстве объединены вместе принтер и сканер. Сканеры без функции высококачественного сканирования фотоне­гативов и интересных сервисных функций, практически, не пользуются спросом.

Если сравнивать с обычным фотоаппаратом, то сканер— это "механический" фотоаппарат, который не снимает сразу всю картинку, а построчно ее проходит, занося информацию о каждой точке в память. Иначе говоря, сначала считывающая головка сканирует первую строку, шириной в один пиксел (точку), потом передвигается на один шаг (пиксел) и сканирует следующую, и так до тех пор, пока весь документ не преобразуется в электронную форму. В частности, на этом принципе работают инфракрасные камеры и фотокамеры на космических зондах.

В настоящее время в конструкции сканеров используются две конкурирующие технологии, которые и определяют назначение и стоимость сканера.

Наиболее старая, но в то же время лучшая для сканирования художественных фо­тографий — CCD-технология (Charge-Couple Device, Прибор с зарядовой связью — ПЗС). Лист бумаги, положенный на стекло сканера, освещается мощной лампой, а отраженный световой поток при помощи нескольких зеркал направляется в объектив, который фокусирует картинку на фотодатчике — линейке светочувствительных элементов, для которых и используется ПЗС-матрица (CCD-матрица). После счи­тывания строки оптическая головка сканера передвигается на один шаг, и производится считывание следующей строки. В качестве источника света используется флуоресцентная лампа или лампа с холодным катодом. Принцип работы сканера] с CCD-технологией показан на рис. 9.1.

Типичные представители планшетных сканеров с CCD-технологией показан на рис. 9.2. Этот класс сканеров имеет как правило "толстый" корпус, в котором pal мещается сложная оптическая система, профессиональные модели имеют еще большую толщину корпуса.

Поскольку сканер считывает документ построчно, то количество ячеек соответствует оптическому разрешению сканера. В документации указывается разрешение в точках на один дюйм (dpi). В цветных сканерах используют ПЗС-матрицу с тремя линейками светочувствительных элементов или три отдельных ПЗС-матрицы, которые находятся за светофильтрами, т. е. каждая точка документа считываается тремя отдельными светочувствительными ячейками.

В настоящее время, для повышения качества сканирования фотопленок формата 24x36 мм производители усложняют механизм сканера. Например, в сканере Perfection V700 Photo (рис. 9.2, а) установлено два объектива (линзы), с помощью которых считывается изображение с оригинала: смена объективов производится при ширине оригинала выше 15 см. Кроме того, производители начали рекламировать свою продукцию и как некий аналог цифрового фотоаппарата, который может снять копию с 3D-объекта, например кольца с бриллиантом или мелкой шерстям вещички. Но, соответственно, усложнение механизма сканера приводит к значительному увеличению цены.

Примечание

Когда указывается разрешение, например, 1200x2400 dpi (dots per inch— точек на дюйм), то это означает, что механика сканера передвигает считывающую головку на половину точки (пиксела). Реального удвоения вертикального разрешения нет, но ре­зультирующее качество электронной копии выше.

CIS-технология (Contact Image Sensor) по основным принципам почти аналогич­на традиционной CCD-технологии и является ее упрощенным вариантом. В CIS-сканерах отсутствует система зеркал и объектив. Светочувствительная линейка равна по ширине листу документа (ширине области сканирования), а каждая точка строки фокусируется на фотодиоде цилиндрической микролинзой. Документ осве­щается линейкой светодиодов, а в цветном сканере — светодиодами трех основных цветов. Поскольку в CIS-сканере отсутствуют зеркала, объектив и лампа, то конст­рукция такого сканера получается очень компактной; типичная модель такого ска­нера представлена на рис. 9.3.

Все технологии сканирования постоянно модернизируются, например, корпорация Canon на основе CIS-технологии выпускает LlDE-сканеры (LED InDirect Exposure, не­прямое светодиодное экспонирование), его принцип работы показан на рис. 9.4.

По конструкции большинство выпускаемых сканеров — планшетного типа (рис. 9.3). Размер стола для оригинала обычно имеет формат А4. Кроме планшетных в небольшом количестве выпускаются специализированные модели, например, сканеры с вертикальным расположением стола (рис. 9.5, а), сканеры для работы с оригиналами формата A3, рулонные сканеры, слайд-сканеры. Ранее были популярны ручные сканеры, которые в настоящее время сохранились разве что в магазинах для считывания кодовых полосок на товарах.

Сегодня все больше компаний переводят документооборот в электронный вид, поэтому стали популярны модели сканеров, которые позволяют обрабатывать в автоматическом режиме большие стопки документов. Одна из моделей для бизнеса производства корпорации Xerox показана на рис. 9.5, б. В отличие от старых громоздких автоматизированных сканеров, которые когда-то были популярны, эта мо­дель больше напоминает обычный струйный принтер и не занимает много места. Аналогичные конструкции выпускают и другие компании, в частности, очень попу­лярны решения, выполненные в виде многофункциональных устройств (см. главу 8).

Для всех конструкций сканеров можно составить следующую общую про­цедуру сканирования:

1. Разогрев лампы, если не используются светодиоды.

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

3. Перемещение и позиционирование каретки.

4. Опрос элементов светочувствительной матрицы и аналого-цифровое преобразо­вание.

5. Накопление полученных данных в буфере сканера.

6. Передача данных в компьютер.

Технические характеристики сканеров

Хотя способ сканирования и количество светочувствительных элементов опре­деляют основные технические характеристики сканера, но очень многое зависит от алгоритмов обработки сигналов, полученных от светочувствительных элементов. Причем на этапе обработки сигналов от аналоговых светочувствительных датчиков возможно добиться как наиболее качественного конечного результата, так и не по­лучить даже того, что позволяют характеристики ПЗС-матрицы или фотодиодов.

Следует отметить, что фирмы, часто используя одну и ту же механику, выпускают весьма разные по качеству сканеры. А тот факт, что компания производит сканеры, абсолютно не означает, что она также занимается разработкой и производством оп­тико-механических узлов. Сложные оптико-механические узлы производят специа­лизированные компании или крупные корпорации. Причем конструкция таких узлов часто не меняется десятилетиями.

Первый этап электронной обработки изображения после засветки линейки све­точувствительных элементов заключается в том, что аналоговый сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который оцифровывает каждую точ­ку документа. В отличие от оцифровки видеосигнала, разрядность АЦП в сканерах значительно выше — например, в настоящее время массово выпускаются сканеры, у которых разрядность АЦП составляет 48 бит, правда, надо учитывать, что данные числа нужно делить на три — число основных цветов.

Примечание

Для справки, 8 бит позволяют получить 256 градаций (2⁸ = 256) одного цвета, а 8 бит х 3 = 24 бита или 16,77 млн оттенков; 42 бита = 4398 млрд цветов; 48 бит = = 281,5 трлн цветов.

Разрядность АЦП при прочих равных условиях определяет глубину цвета ска­нера. Но видеоадаптеры и мониторы поддерживают максимально 32-битный цвет.

Поэтому возникает вопрос, а зачем требуется гнаться за большей глубиной цвета у сканера, если все равно монитор и прочие устройства не поддерживают 48-битный цвет. Для этого есть очень простое объяснение — имея избыточную информацию, легко провести цветовую корректировку изображения в большом диапазоне опти­ческих плотностей без потери качества. Скажем проще — сканер, который имеет большую глубину цвета, позволяет сохранить больше оттенков и переходов в темных и светлых тонах, а это позволяет программным путем провести коррекцию по­лученного изображения, т. е. меньше шансов, что придется заново сканировать оригинал.

Пользователя, который на практике сталкивается со сканированием фотоизображений, начинает интересовать такой параметр, как оптическая плотность оригинала (Optical Density или просто D) — это характеристика, которая вычисляется как десятичный логарифм отношения света падающего к свету отраженному (при сканировании непрозрачных оригиналов) или проходящему (при сканировании слайдов и негативов). Идеально белый оригинал имеет минимально возможное значение, равное О D, а идеально черный — равен значению 4 D. Например, в фотопроцессе у негатива реально иногда получить плотность, равную примерно 3,6 D.

При сканировании непрозрачных оригиналов, используя сканер со значение 2,5 D (а это большинство недорогих сканеров), почти всегда можно получить хорошее качество электронной копии. Но при переводе в электронную форму негативов и слайдов требуется уже сканер, имеющий диапазон как минимум 3 D, в противном случае большинство реальных негативов будет нельзя отсканировать с приемлемым качеством.

Напрашивается вопрос, а почему сканеры не могут работать с полным диапазоном оптических плотностей, ведь создать АЦП с еще большей разрядностью не такая уж сложная проблема. Тут следует вспомнить о помехах, точнее — электронных шумах, которые присущи всем полупроводниковым и прочим электронным элементам. Яркий пример электронного шума вы можете увидеть на экране телевизора в виде белых и черных точек в зоне неуверенного приема. Соответственно, в сканерах, чем более чувствительными создаются АЦП или ПЗС-матрица, тем больше проблем с шумовыми характеристиками. В итоге качественный малошумящий элемент стоит очень дорого, а дешевый имеет не слишком привлекательных характеристики. Поэтому производители сканеров всегда стоят перед выл I ром — использовать дешевую комплектацию или дорогую, т. е. устроит ли их продукция потребителя.

Следующий этап обработки сигнала в сканере — это преобразование данных АЦП в тот файловый формат, который может быть передан в компьютер. На этом этапе особую роль играет микропроцессор, смонтированный внутри корпуса сканера. Кроме преобразования форматов на микропроцессор возлагается задача калибровки светочувствительной матрицы, АЦП и лампы для освещения оригинала. что необходимо делать практически при каждом новом процессе сканирования, т. к. на характеристики узлов сканера сильно влияет температура, да и каждый opигинал имеет свои неповторимые оптические характеристики.

Дополнительно микропроцессор на основе значений реальных точек (пикселов) в ряде случаев рассчитывает новые, искусственно увеличивая разрешение сканера, которое называется интерполированным разрешением. Нужно оно или нет, вопрос достаточно спорный, т. к. оптическое разрешение остается прежним, но производи­тели с удовольствием указывают в документации и на коробках огромные величи­ны разрешения — особенно этим грешат производители дешевых моделей скане­ров, у которых оптическое разрешение составляет 300 или 600 точек/дюйм (dpi). Тут следует помнить, что сканировать фотонегатив на подобном сканере, ориенти­руясь на расчетное разрешение, бессмысленно, т. к. масштабирование и все ос­тальное очень просто и быстрее сделать программным путем на персональном ком­пьютере, поскольку внутренний микропроцессор сканера не такой уж и быстрый (например, при сканировании с разрешением 9600 dpi на сканере с оптическим раз­решением в 300 dpi весь процесс для одного оригинала может занять около часа).

Аббревиатуры dpi, ppi и lpi

Для обозначения размерности разрешения используют несколько единиц измерения: dpi— dots per inch, точек на дюйм; ppi— pixels per inch, пикселов на дюйм; в поли­графическом производстве применяется дополнительно lpi— lines per inch, линий на дюйм. Эти единицы измерения зачастую путают и употребляют не по назначению в литературе, на практике и в интерфейсах программ. Применительно к разрешению сканирования или к изображению на экране правильнее употреблять обозначение ppi, а когда речь идет о полиграфическом оригинале, то dpi и lpi. Но чаще, де-факто, поль­зователи компьютеров везде употребляют термин dpi.

Качество сканирования, ко всему прочему, во многом зависит от лампы, кото­рая освещает оригинал. К ней предъявляются достаточно трудновыполнимые на практике требования: стабильность свечения и спектральной характеристики, равномерность спектра, небольшая потребляемая мощность и малый нагрев, дли­тельный срок службы. Сначала в сканерах использовались обычные флуорес­центные лампы небольшой мощности, которые имели нестабильные характери­стики освещения и ограниченный срок службы. В дальнейшем их сменили лампы с холодным катодом, которые обладают более приемлемыми параметрами и дли­тельным сроком службы, но даже для них обязательна регулярная процедура са­мокалибровки сканера.

От лампы, в первую очередь, зависит правильность цветопередачи. Все сканеры, которые предназначены для сканирования фотографий, обязательно в качестве ис­точника света используют лампу с холодным катодом, а вот в офисных моделях сканеров чаще всего используют светодиоды, у которых всего три спектральные линии (для трех основных цветов).

Стандарт Twain

Стандарт Twain создан ведущими производителями сканеров и программного обеспечения для них. Стандарт оговаривает функции программного драйвера ска­нера, связывающего сканер и приложение, которое затребовало получение данных от сканера. Все крупные производители сканеров в обязательном порядке поддер­живают стандарт Twain для обеспечения совместимости сканеров и прикладных программ.