Фотоэлектронный умножитель (фэу)
Предложен Л.А. Кульбицким (1934 г.)
Принцип действия ФЭУ поясняет Рис. 5.11
Световой поток Ф, попадая через оптическую систему на фотокатод вызывает вторичную эмиссию электронов, которые фокусируются специальной системой и проходя через систему динодов многократно усиливаются, порождая сигнал Uc. (усиление до 108 раз. Uc – пропорциональный световому потоку Ф, который формируется за счет отражения от сканируемого изображения.
На рис. 5.12 показана структура сканера на основе использования ФЭУ.
Барабан из орг.стекла вращается со скоростью 1350 об/мин. Внутри барабана – источник света – ксеноновая лампа. Лучи, освещающие пиксел оригинала (сканируемого изображения) попадают в ФЭУ, с которого снимается сигнал Uс, пропорциональный освещенности пиксела, далее через АЦП преобразуется в цифровой код. Качество сканирования зависит от ФЭУ и от разрядности АЦП, чем больше разрядность, тем больше градаций яркости отображения, тем точнее сканирование, что влечет за собой увеличение необходимой памяти.
Недостаток такого сканера – большие габариты и невозможность сканирования книг и журналов.
Сканеры на основе ПЗС
а) линейчатый сканер (рис. 5.13)
Применяется в основном в ручных сканерах. Принцип действия виден на рисунке.
Линейка ПЗС протягивается над оригиналом, результат записывается в БЗУ. Далее считывается в ЭВМ. Качество сканирования зависит от равномерности протяжки.
б) роликовый сканер, также использует линейку ПЗС. Но в этом случае оригинал протягивается между 2-х роликов. Остальное аналогично линейчатому (ручному) сканеру. Роликовый сканер может быть сразу подключен к ЭВМ.
в) матричный сканер (Рис. 5.14)
Сканирование происходит без протяжки оригинала. Происходит поочередное считывание потенциалов с выходов строк матрицы ПЗС.
Высокая скорость, так как отсутствует кинематика. На этом принципе работают передающие телевизионные камеры, фотокамеры в фотоаппаратах, в цифровые камеры.
В цифровой камере фиксируются в памяти изображение, параметры съемки: время, число кадров и т.д., то есть она является носителем мультимедийной информации, может иметь жесткий диск большой емкости, обеспечивать 24-36 битное представление цвета, большое разрешение (свыше 70 линий на дюйм), жидкокристаллический экран для просмотра, порт для подключения ЭВМ.
г) Видеосканеры – это устройства для так называемого захвата видеоизображений. Представляют собой плату расширения, устанавливаемую в слот ЭВМ, имеющую входы для подключения: видеокамеры, телевизора, видеомагнитофона и т.д.
Видеосканеры могут согласовывать параметры телевизионных и других разверток.
По этой причине видеосканеры могут еще называться картами видеоизображений или ФРЭЙМ – граберами (frame grabber), или видеобластерами.
д) цветные сканеры.
При сканировании цветных изображений, оригинал освещается через 3-х цветный светофильтр RGB. Сканирование осуществляется либо за один проход при наличии 3-х линеек ПЗС, либо за 3 прохода при одной линейке ПЗС.
Вместо светофильтра RGB могут использоваться 3 разных источника света.
Для подключения сканеров могут использоваться стандартные интерфейсы IBM PC: последовательный, параллельный или SCSI.
В комплект обязательно входят соответствующие драйверы.
К настоящему времени уже разработан организацией TWATN единый стандарт драйвера для сканеров.
Шрифты
Шрифт – это набор символов определенного начертания и размера. Различают по следующим показателям:
- гарнитура: комплект типографских шрифтов одного рисунка с общими стилевыми особенностями и своими наименованиями: готический, кириллица, латиница, арабский и т.д.
- ширина знака: может быть пропорциональной или фиксированной относительно его высоты.
- плотность шрифта: число знаков на дюйм.
- кегль (размер): высота знака с над и подстрочными элементами щ – подстрочный, в надстрочный). Измеряется в пунктах (точках) длиной 1/72 дюйма = 0,3528 мм.
- начертание: относительная толщина символа.
Шрифты классифицируются:
По способу отображения: экранные и принтерные.
По месту хранения: если со шрифтами на винчестере – то загружаемые, если прошиты в ROM принтера то встроенные.
По способу печати: растровые и масштабируемые.
Растровые хранятся в файлах с расширением .fon (например, serif.fon, courf.fon и т.д.)
Файл содержит описание символов, их размер 8, 10, 12, 13 и т.д. ( в кеглях)
Их масштабирование не всегда возможно из-за ухудшения качества изображения.
Масштабируемые: существует несколько их стандартов: Post Script (Type 1, Type 2) True Type и т.д.
6. Печатающие устройства
К ним относят: принтеры, плоттеры, фотонаборные машины. Подключаются к ЭВМ либо через LPT-порт, либо через USB.
Принтеры делят на 2 класса:
Impact – ударного действия с использованием шаблона символа.
Not Impact – создают изображение символа с применением чернил или тепла на основе ксерографических способов печати.
6.1. Принтеры ударного действия
1) Появились за счет модернизации электрической пишущей машинки путем дополнения к ней порта ввода-вывода, дешифратора кода ASCII и устройства электромагнитного управления клавишей.
Далее стали применять вращающиеся головки с символами на ее поверхности (литеры), а затем вместо головки – диск со спицами, на концах которых были пластинки с символами (менее инерционные и менее шумные, рис. 6.01.).
Все они давали четкое изображение, но не устраивала скорость печати и их шумность. Применение другого шрифта требовало замены диска.
На смену им пришли игольчатые, которые применяются до сих пор – в магазинах, на почте, в банках.
У них сравнительно высокая скорость печати (400-600 точек/с), низкая стоимость печати, широкий набор шрифтов. Принцип действия таких принтеров поясняется рис.6.01.
Знак формируется матрицей иголок (пуансонов), против каждой из которых находится ударный электромагнитный молоточек. При движении матрицы вдоль строки на нужные иголки ударяет молоточек, и пуансон через красящую ленту чертит точку по контуру символа. Число пуансонов может быть 9, 18, 24 и более. Чем больше их число, тем четче формируется символ.
Есть принтеры, имеющие матрицу пуансонов (планку) на всю строку, что позволяет практически одновременно печатать всю строку. Их скорость печати достигает до 1500 строк в минуту. Игольчатые головки позволяют печатать через копировальную бумагу до 5 копий одновременно (Сбербанк применяет до сих пор игольчатые принтеры, принтеры могут быть цветные).
Обозначение качества принтеров: LQ – низкое, NLQ – высокое. Игольчатые принтеры могут использовать несколько шрифтов, заложенных в памяти принтера.
6.2. Струйные принтеры
Качество печати высокое. Вместо пуансонов здесь используется матрица сопел, которые из специального резервуара переносят чернила на бумагу. Число сопел в матрице от 16 до 64, есть матрицы с числом сопел 300 и даже 416, дающих весьма высокое качество печати.
Для хранения чернил используются 2 метода:
- головка с матрицей сопел объединена с резервуаром с чернилами;
- используется отдельный резервуар, из которого чернила к соплам поступают по специальным капиллярам.
Для разбрызгивания чернил на бумагу применяются следующие методы:
пьезоэлектрический;
метод газовых пузырей;
метод drop-on-demand.
Пьезоэлектрический (рис. 6.02.)
В каждое сопло установлен пьезокристалл, связанный с диафрагмой. Под действием электрического сигнала кристалл вибрирует и управляет диафрагмой1, которая проталкивает чернила через сопло на бумагу.
Выпускаются такие принтеры фирмами Epson, Brother и т.д.
Метод газовых пузырей – (относится к термическим) еще одно название: метод инжектируемых пузырей (рис. 6.02.).
Каждое сопло снабжено нагревательным элементом, который при поступлении электрического импульса нагревается до газообразного состояния и выталкиваются на бумагу.
Такие принтеры выпускает фирма Canon.
Метод drop-on-demand (фирма Hewlett Packard - HP) отличается от метода газовых пузырей тем, что в нем используется дополнительный механизм, типа насоса, для более быстрого выталкивания чернил через сопло, что повышает скорость печати.
В цветных струйных принтерах используется 4 резервуара с чернилами для цветов: циан (Cyan), пурпурный (Magenta), желтый (Yellow) и черный (Black).
Основные характеристики принтеров:
- бесшумность (не более 40 дБ);
- скорость выше, чем у матричного (3-6 страниц/мин)
- разрешение до 720×720 dpi.
Недостаток: засыхание чернил при длительном бездействии, использование специальных чернил.
6.3. Лазерные принтеры
Большинство из них использует ксерографический метод печати фирмы Canon.
Функциональная схема принтера приведена на рис. 6.03.
На поверхность вращающегося фотобарабана, покрытого пленкой светопроводящего полупроводника (оксид цинка) равномерно наносится статический заряд коронирующим проводом (сеткой), на который подается высокое напряжение.
Лазер, управляемый по интенсивности микроконтроллером пропорционально яркости изображения, генерирует луч, который отражаясь отклоняющегося зеркала вдоль строки, попадает на барабан, и изменяет заряд на его поверхности в соответствии с изображением от -900 В до -200 В. Это изменение заряда и создает скрытую копию изображения на поверхности барабана. Далее на барабан девелопером (распылителем) наносится тонер (красящий порошок), который притягивается к поверхности барабана в точках электростатического изображения, тем самым формируя порошковое изображение.
На подаваемую бумагу механизмом заряда наносится статический заряд, который в момент соприкосновения бумаги с барабаном притягивает на бумагу порошок (от точек изображения). Далее бумага с порошком проходит между двумя роликами, нагреваясь до 180 оС, тем самым фиксируя изображение на бумаге.
После этого барабан полностью разряжается проводом разряда, очищается от остатков порошка и процесс начинается снова.
Разновидностью лазерного принтера является светодиодный принтер (LED – Light Emitting Diode). Здесь фотобарабан освещается неподвижной линейкой светодиодов (2500 светодиодов на строке), яркость которых также регулируется яркостью изображения. Примером такого принтера является принтер ОКI.
Как правило лазерные принтеры оснащены процессором с тактовой частотой до 33 МГц и памятью 8 Мбайт и выше.
Вертикальное разрешение определяется шагом вращения фотобарабана, а горизонтальное – точностью наведения луча. Число градаций яркости печати зависит от системы модуляции луча по интенсивности. Площадь ячейки (пиксела) освещения составляет от 0.42×0.42 до 0.25×0.25 мм.
В цветных принтерах изображение формируется на светочувствительной фотоприемной пленке последовательно для каждого из четырех цветов – лист печатается за 4 прохода. Оснащены процессором, большой памятью и даже винчестером. Габаритны и дорогие. Цветность средняя, скорость – 6 строк в минуту, то есть медленные. Имеют специальный разъем соединения с ЭВМ через переходник.
Есть принтеры с инфракрасным портом, с двусторонней печатью.
Сетевые принтеры – высокоскоростные (свыше 20 страниц в минут), имеют свои языки программирования.
Термические принтеры
Такие принтеры высокого класса, качество печати близкое к фотографическому. Используют три основных технологии цветной термопечати:
Струйный перенос расплавленного красителя на бумагу (темропластичная печать).
Контактный перенос расплавленного красителя (термовосковая печать – краситель смешан с расплавленным воском).
Термоперенос красителя – сублимационная печать, не отличается от фотографической.
В 1 и 3 случаях краситель наносится в жидкой или газообразной форме. Для термических принтеров используется как правило специальная бумага.
Основной язык принтеров Post Script. Скорость печати у них ниже, чем у обычных.
Фотонаборный аппарат действует подобно лазерному, с той разницей, что в нем лазерный луч освещает не барабан, а фотобумагу или фотопленку, с которых в последствии осуществляется печать. Оборудован процессором растрового изображения. Изображение из ЭВМ передается в векторном виде. Язык принтера Print Script.
6.4. Системы распознавания символов
Оптическое распознавание символов – это механический или электронный перевод изображений рукописного, машинописного или печатного текста в последовательность кодов, используемых для представления в текстовом редакторе.
Применяется для конвертации книг и документов в электронный вид, для автоматизации учета в бизнесе или для публикации на веб-страницах. Позволяет также редактировать текст, хранить его в компактной форме, применять к тексту электронный перевод, преобразовывать текст в речь.
Оптическое распознавание текста исследуется в области науки: распознавание образов, искусственный интеллект, компьютерное зрение.
Впервые в Германии, в 1929 г., Густавом Таушеком был разработан метод оптического распознавания текста. Реализован данный метод был в виде машины, использующей шаблоны символов и фотодетектор. Использовался вначале в почтовых системах.
В настоящее время для распознавания используется ЭВМ, наработано большое количество программного обеспечения.
Точность распознавания символов достигает 99%, но только для печатных текстов, пригодных для определенной программы, ориентированной на определенные шрифты. Применяемый математический аппарат весьма сложный.
Рассмотрим распознавание символов на примере читающего автомата (сканера) для считывания буквенно-цифровой информации, для использования ее в базах данных, информационных, издательских, банковских системах.
Такой автомат выполняет функции:
- сканирование для получения сигналов, соответствующих оптическому изображению символа;
- кодирование результатов сканирования;
- принятие решения о принадлежности анализируемого символа к одному из классов.
Автомат построен на принципе распознавания образов.
Образ – это контур, форма или конфигурация символа (буква, цифра или другой символ).
Процесс распознавания состоит из трех этапов:
Анализ образа, то есть разбиение его на элементы. Выполняется аппаратно, строится по различным физическим принципам.
Собственно распознавание путем сравнения полученного кода с эталоном, хранящемся в памяти, методом перебора и присвоение совпавшему с эталоном коду имени (как правило кодовой комбинации ASCII). Называют этот этап – процесс идентификации.
Преобразование кода образа в машинный и его ввод в ЭВМ.
Структурная схема читающего автомата представлена на рис. 6.04.
Где: Х/У – преобразователь кода, ПЗУ – память хранения эталонов, УУ – устройство управления.
Существует ряд методов считывания (сканирования) знака. Наиболее простым является метод зондов: на рецепторном поле (маске), куда проецируется изображение знака, размещен ряд рецепторов (зондов), будем называть их элементами.
Рецептор-элемент – это светочувствительный прибор, реагирующий на изменение светового потока: терморезистор, фотоэлемент, сегнетоэлектрик, ПЗС (прибор с зарядовой связью) и др. Зонды могут выполняться в форме полоски, матрицы точек, расположенных на рецепторном поле (маске).
Пример маски с полосками, приведенный на рис. 6.05., предназначенной для распознавания цифр.
Каждый элемент является признаком наличия части контура цифры, а их совокупность описывает ее полностью. На рис. 6.05 цифра 2 своим контуром пересекает полоски (зонды) 2, 3, 4, 5, 7 и возбуждает их. Каждой цифре будет соответствовать своя комбинация возбужденных зондов или семиразрядная двоичная комбинация.
Можно составить таблицу соответствия десятичных цифр своим семиразрядным комбинациям (рис. 6.05), где 1 означает возбужденный элемент, 0 – нет, 0 (1) – неопределенность (либо пересекает контур, либо нет).
Во избежание этой неопределенности можно сделать так называемую стилизацию символов, то есть такое их начертание, которое будет исключать неопределенность (пример – почтовые индексы на конвертах).
Международной организацией ISO в качестве стандарта предложен шрифт типа OCR-A, на основе которого создан и русский шрифт из 61 символа: 32 букв, 10 цифр, 19 специальных знаков.
Пример стилизованного шрифта Courier New Cyr.
Стилизация, то есть изменение начертания символа, приводит к увеличению кодового расстояния между комбинациями, соответствующими наиболее похожими друг на друга символами (кодовое расстояние измеряется числом разрядов с противоположными значениями битов в двух комбинациях: например, 101 и 001 – кодовое расстояние d=1).
Для повышения достоверности считывания повышают значение кодового расстояния. Достигается это введением избыточности, то есть увеличением числа зондов в матрице распознавания, что приводит к росту аппаратных затрат. Но благодаря повышению в связи с этим разрядности кода растет и число распознаваемых символов.
Современный сканер символов способен вводить в ЭВМ не только тексты, но и полутоновые изображения.
Вернемся к структуре читающего автомата (рис. 6.04.).
На втором этапе происходит сравнение полученного кода из матрицы зондов (полосок) с кодами эталонов символов, хранящихся в ПЗУ. При их совпадении символу присваивается имя (идентификатор) эталона.
На третьем этапе распознавания производится преобразование кода-идентификатора в стандартный машинный код (преобразователь кода Х/У). Например, в ASCII, накопление его в буферном запоминающем устройстве (БЗУ) с последующим вводом в ЭВМ.
Применение вместо ПЗУ – репрограммируемого ЗУ позволяет произвести переход с одного алфавита на другой, то есть осуществить обучение сканера, другими словами наделить автомат искусственным интеллектом.
Одной из систем распознавания можно называть систему Cuneiform, поставляемой фирмами: Hewlett Packard, Epson, Mustek.
Система работает и с русским алфавитом. В ней маска сканера имеет форму матрицы из 10-20 рядов по 10-20 элементов в каждом, то есть содержит до 400 фотоэлементов.
Фиксированный алфавит эталонов занимает до 120 Кбайт памяти. Среднее время распознавания символа на ЭВМ с процессором не ниже i486 до 0.003 сек.
Однако система требует отсутствия на оригинале загрязнений и незнакомых начертаний.
Для распознавания таких оригиналов (с дефектами) существует много методов, способных распознавать символы сложных структур, поврежденные тексты, рисунки, таблицы и документы.
Физические основы их построения те же, но здесь уже работает ЭВМ с применением вероятностного математического аппарата.
В качестве примера приведем данные сканера типа HP Scan Jet 5p.
Способен оцифровывать и вводить в ЭВМ черно-белые и цветные тексты и изображения.
В комплект входит: программное обеспечение из 8 компонент:
- программа Paper Port для HP, позволяющая сканировать, организовывать, аннотировать документы;
- программа HP Picture Scan – контролирует процесс и параметры сканирования;
- текстовая программа для тестирования сканера после установки;
- программа калибровки экрана под формат сканера;
- программа копирования документов и др.
Для работы со сканером указываются требования к ЭВМ.
Например, для рассмотренного сканера ЭВМ должна иметь:
- процессор не ниже i486;
- ОЗУ не менее 8 Мбайт;
- 20 Мбайт свободной дисковой памяти;
- монитор с адаптером графики типа VGA;
- ОС Windows – 95 и выше;
- слот для интерфейсной платы HP или порт SCSI, встроенный в ЭВМ.
Основные характеристики сканера:
- планшетный, максимальный размер документа 216×216 мм;
- оптическое разрешение 300 dpi (точек на дюйм);
- масштабирование от 1 до 400%;
- сканирующая матрица на основе ПЗС;
- источник света: ксеноновая лампа
- скорость сканирования 22 сек на страницу;
- режимы сканирования:1-разрядный для черно-белого, 4-разрядный для 16 уровней серого цвета, 8-разрядный для 256 уровней.
- потребление – 36 Вт, в режиме покоя – 8Вт.
Уже устарел.
Новые модификации дают разрешение 2400 dpi, применяют вместо ASCII – UNICODE: 16 битовый набор символов (даже китайские иероглифы).