Принцип работы роликового сканера

 

Матрица является важнейшей частью любого сканера. Матрица трансформирует изменения цвета и яркости принимаемого светового потока в аналоговые электрические сигналы, которые будут понятны лишь единственному ее электронному другу – аналого-цифровому преобразователю (АЦП). С этой точки зрения, АЦП можно сравнить с гидом-переводчиком, неизменным ее компаньоном. Только он как никто другой понимает матрицу, ведь никакие процессоры или контроллеры не разберут ее аналоговые сигналы без предварительного толкования преобразователем. Только он способен обеспечить работой всех своих цифровых коллег, воспринимающих лишь один язык – язык нулей и единиц.

Световой поток, падая на поверхность матрицы, буквально «вышибает» электроны из ее чувствительных ячеек. И чем ярче свет, тем больше электронов окажется в накопителях матрицы, тем больше будет их сила, когда они непрерывным потоком ринутся к выходу. Однако сила тока электронов настолько несоизмеримо мала, что вряд ли их «услышит» даже самый чувствительный АЦП.

Именно поэтому на выходе из матрицы их ждет усилитель, который сравним с огромным рупором, превращающим, образно говоря, даже комариный писк в вой громогласной сирены. Усиленный сигнал (пока еще аналоговый) «взвесит» преобразователь, и присвоит каждому электрону цифровое значение, согласно его силе тока.

Большинство современных сканеров для дома и офиса базируются на матрицах двух типов: на CCD (Charge Coupled Device) или на CIS (Contact Image Sensor). Корпус CIS-сканера плоский, в сравнении с аналогичным CCD-аппаратом (его высота обычно составляет порядка 40-50 мм).

 

 

 

CCD-сканер обладает большей глубиной резкости, нежели его CIS-собрат. Достигается это за счет применения в его конструкции объектива и системы зеркал.

 

 

На рисунке, для простоты восприятия, нарисовано лишь одно зеркало, тогда как у типового сканера их не менее трех-четырех

 

Сканеры с CCD-матрицей распространены гораздо больше, чем CIS-аппараты. Объяснить это можно тем, что сканеры в большинстве случаев приобретаются не только для оцифровки листовых текстовых документов, но и для сканирования фотографий и цветных изображений. Погрешность разброса уровней цветовых оттенков, различаемых стандартными CCD-сканерами составляет порядка ±20%, тогда как у CIS-аппаратов эта погрешность составляет уже ±40%.

 

 

CIS-матрица состоит из светодиодной линейки, которая освещает поверхность сканируемого оригинала, самофокусирующихся микролинз и непосредственно самих сенсоров. Конструкция матрицы очень компактна, таким образом, сканер, в котором используется контактный сенсор, всегда будет намного тоньше своего CCD-собрата. К тому же, такие аппараты славятся низким энергопотреблением; они практически нечувствительны к механическим воздействиям. Однако CIS-сканеры несколько ограничены в применении: аппараты, как правило, не приспособлены к работе со слайд-модулями и автоподатчиками документов.

Из-за особенностей технологии CIS-матрица обладает сравнительно небольшой глубиной резкости. Для сравнения, у CCD-сканеров глубина резкости составляет ±30 мм, у CIS – ±3 мм. Другими словами, положив на планшет такого сканера толстую книгу, получишь скан с размытой полосой посередине, т.е. в том месте, где оригинал не соприкасается со стеклом.

У CCD-аппарата вся картина будет резкой, поскольку в его конструкции есть система зеркал и фокусирующая линза. В свою очередь, именно достаточно громоздкая оптическая система и не позволяет CCD-сканеру достичь столь же компактных размеров, как у CIS-собрата.

В плане разрешающей способности CIS-сканеры также не конкурент CCD. Уже сейчас некоторые модели CCD-сканеров для дома и офиса обладают оптическим разрешением порядка 3200 dpi, тогда как у CIS-аппаратов оптическое разрешение ограничено пока что 1200 dpi.

Сканеры с CIS-матрицей нашли свое применение там, где требуется оцифровывать не книги, а листовые оригиналы. Тот факт, что эти сканеры целиком получают питание по шине USB и не нуждаются в дополнительном источнике питания, пришелся как нельзя кстати владельцам портативных компьютеров.

 

CCD-матрица представляется «большой микросхемой» со стеклянным окошком. Именно сюда и фокусируется отраженный от оригинала свет. Матрица не прекращает работать все то время, пока лафет со сканирующей кареткой, приводимый шаговым электродвигателем, совершает путь от начала планшета, до его конца. Замечу, что общая дистанция движения лафета по направлению «Y» называется частотой сэмплирования или механическим разрешением сканера (об этом мы поговорим чуть позже). За один шаг матрица целиком захватывает горизонтальную линию планшета, которая называется линией растра. По истечении времени, достаточного для обработки одной такой линии, лафет сканирующего блока перемещается на небольшой шаг, и наступает очередь для сканирования следующей линии, и т.д.

 

 

Самый важный элемент сканера – CCD-матрица

 

 

Вид сбоку на CCD-матрицу

 

На виде сбоку можно заметить два обычных винта, которые выполняют «деликатную» роль». С их помощью на этапе сборки сканера производилась точная юстировка матрицы (обратите также внимание на П-образные прорези в печатной плате на виде сверху), чтобы падающий на нее отраженный свет от зеркал ложился бы равномерно по всей ее поверхности. Кстати, в случае перекоса одного из элементов оптической системы воссозданное компьютером изображение окажется «полосатым».

 

 

Увеличенное изображение части CCD-матрицы

 

На увеличенной фотографии CCD-матрицы достаточно хорошо видно, что CCD-матрица оснащена собственным RGB-фильтром. Именно он и представляет собой главный элемент системы разделения цветов, о чем многие говорят, но мало кто представляет, как на самом деле это работает. Обычно, многие обозреватели ограничиваются стандартной формулировкой: «стандартный планшетный сканер использует источник света, систему разделения цветов и прибор с зарядовой связью (CCD) для сбора оптической информации о сканируемом объекте». На самом деле, свет можно разделить на его цветовые составляющие, а затем сфокусировать на фильтрах матрицы. Столь же немаловажным элементом системы разделения цветов является объектив сканера.

 

 

 

Объектив сканера на самом деле не так велик, как кажется на фотографии

Корпус сканера должен обладать достаточной жесткостью, чтобы исключить возможные перекосы конструкции. Безусловно, лучше всего, если основа сканера представляет собой металлическое шасси. Однако корпуса большинства выпускаемых сегодня сканеров для дома и офиса, в целях снижения стоимости, полностью сделаны из пластмассы. В этом случае, необходимую прочность конструкции придают ребра жесткости, которые можно сравнить с нервюрами и лонжеронами самолета.

 

 

Оптическая система сканера не терпит пыли, поэтому корпус аппарата должен быть герметичным, без каких-либо щелей (даже технологических).

Края планшета должны иметь пологий спуск – это облегчает задачу по быстрому извлечению оригинала со стекла. Кроме того, между стеклом и планшетом не должно быть никакого зазора, который препятствовал бы извлечению оригинала.

 

Все сканеры управляются с персонального компьютера, к которому они подключены, а необходимые настройки перед сканированием задаются в пользовательском окне управляющей программы. По этой причине, сканерам для дома и офиса совсем не обязательно иметь собственный блок управления. Однако многие производители идут навстречу самым неподготовленным пользователям, и устанавливают (обычно на лицевую панель) несколько кнопок «быстрого сканирования».

 

 

Кнопки быстрого сканирования – элемент, без
которого можно обойтись

 

Источник: arxitektura-pk.26320-004georg.edusite.ru

В современных сканерах применяют фотодатчики двух типов: фотоэлектронные умножители — ФЭУ (РМТ — Photomulti Plier Tube) или приборы с зарядовой связью — ПЗС (ССО — Charge- Coupled Device).

Фотоэлектронный умножитель изобретен советским инженером J1.A. Кубецким в 1930 г. ФЭУ, изображенный на рис. 6.3, представляет электровакуумный прибор, внутри которо­го расположены электроды — катод, анод и диноды. Световой поток от объекта сканирования вызывает эмиссию электронов из катода. В соответствии с законом фотоэффекта фототок эмиссии прямо пропорционален интенсивности падающего на него свето­вого потока. Вылетающие из катода электроны под действием раз­ности потенциалов между катодом и ближайшим к нему электродом — динодом притягиваются к последнему и выбивают с его поверхности вторичные электроны, число которых многократно превышает первичный электронный поток с катода. Это обеспе­чивается благодаря тому, что диноды выполнены из материалов, имеющих высокий коэффициент вторичной эмиссии, а между ними приложены потенциалы, обеспечивающие усиление вторич­ной эмиссии. В результате через сопротивление нагрузки в анод­ной цепи ФЭУ протекает усиленный ток. Коэффициент усиления фототока в ФЭУ достигает 10⁸. Такое усиление достигается за счет подачи на ФЭУ напряжения от высоковольтного источника (в за­висимости от количества динодов — от 500 до 1500 В), причем потенциалы распределяются между электродами равномерно с помощью делителя напряжения. ФЭУ обладает высокой чувстви­тельностью (1 А/лм), а его спектральный диапазон, определяе­мый областью длин волн регистрируемого излучения, соответ­ствует задачам сканирования, поскольку перекрывает видимый спектр световых волн.

Прибор с зарядовой связью — это твердотельный электронный фотоприемник, состоящий из множества миниатюр­ных фоточувствительных элементов, которые формируют элек­трический заряд, пропорциональный интенсивности падающего на них света, и конструктивно выполняются в виде матриц или линеек.

Работу ПЗС впервые продемонстрировали В. Бойл и Дж. Смит в 1970 г. Принцип действия ПЗС основан на зависимости прово­димости р—n-перехода полупроводникового диода от его осве­щенности. Устройство и принцип действия ПЗС-линейки показа­ны на рис. 6.4. ПЗС представляет собой полупроводниковый крис­талл (как правило, кремний), на поверхность которого нанесена прозрачная оксидная пленка, выполняющая функцию диэлект­рика в микроскопических конденсаторах. Одной из обкладок та­кого конденсатора является поверхность самого кристалла, а дру­гой — нанесенные на диэлектрик металлизированные электроды толщиной не более 0,6 мкм. К электродам в определенной последовательности подается низкое напряжение (5— 10 В). Это приводит к тому, что под электродами образуются так называемые потенциальные ямы в виде скоплений электронов. Под воздействием света в результате внут­реннего фотоэффекта появляются свободные электроны. Количе­ство электронов, скапливающихся под чувствительной площад­кой каждого электрода, пропорционально интенсивности свето­вого потока, падающего на чувствительную площадку данного электрода.
ектроны образуют зарядовый пакет. Если ПЗС вы­полнен в виде линейки, зарядовые пакеты передаются из одной потенциальной ямы в соседнюю, достигая последней ячейки, откуда поступают на предварительный усилитель. ПЗС-линейка может содержать до нескольких тысяч фоточувствительных ячеек. Размер элементарной ячейки ПЗС определяет разрешающую спо­собность сканера. Область спектральной чувствительности ПЗС расположена в видимой части спектра, причем наибольшая чув­ствительность наблюдается ближе к красной области.

 

 

 

 

Типы сканеров

В зависимости от способа перемещения фоточувствительного элемента сканера и носителя изображения относительно друг друга сканеры подразделяются на две основных группы — настоль- н ы е (Desktop) и ручные (Hand-held).

К числу настольных сканеров относятся планшетные (Flatbed), роликовые (Sheet-feed), барабанные (Drum) и проекционные (Overhead/ Camera) сканеры.

Планшетные сканеры, или сканеры плоскостного типа, ис­пользуются для ввода графики и текста с носителей формата А4 или A3.

На рис. 6.5 показано устройство и механизм работы планшет­ного сканера. В планшетных сканерах оригинал располагается на его рабочей поверхности неподвижно. Освещение оригинала про­изводится стабилизированным по интенсивности источником, в качестве которого используют лампы с холодным катодом или флуоресцентные лампы. В качестве фотоприемника обычно исполь­зуются ПЗС-линейки. Лампа, ПЗС и оптическая система, направ­ляющая на ПЗС световой поток, отраженный от оригинала, нахо­дятся на одной каретке и с помощью шагового механизма пере­мещаются вдоль оригинала. В основном все планшетные сканеры рассчитаны на получение копии с одного оригинала, однако к некоторым моделям сканеров прилагаются дополнительные при­способления для последовательной подачи и сканирования не­скольких оригиналов.

При использовании в качестве оригиналов книг или сброшю­рованных документов имеется возможность обеспечить их при­жим к стеклянной поверхности сканера специальной крышкой на петлях.

К преимуществам планшетных сканеров следует отнести про­стоту использования, возможность сканирования как плоских оригиналов в широком диапазоне размеров, так и небольших трех­мерных объектов. При необходимости сканирования оригиналов нестандартного большого формата имеется возможность скани­рования по частям с последующим объединением с помощью какого-либо графического редактора.

Недостатками этого типа сканеров являются большая занима­емая площадь, сложность выравнивания оригинала с неровно раз­мещенным на носителе изображением, невозможность сканиро­вания прозрачных оригиналов.

Однако при этом планшетные сканеры — наиболее популяр­ные устройства ввода текстовой и графической информации. Они обеспечивают необходимое качество изображений, используемых как в деловой корреспонденции, так и в высокохудожественных изданиях.

Роликовые сканеры осуществляют сканирование оригинала при его перемещении по специальным направляющим посредством роликового механизма подачи бумаги относительно неподвижных осветителя и ПЗС-линейки. Механизм работы роликового скане­ра показан на рис. 6.6. Сканирование в роликовом сканере, как и в планшетном, производится в отраженном свете. Этот принцип заложен в конструкции многих факсимильных аппаратов. Скане ры, работающие в двух режимах — сканирования изображения и его факсимильной передачи, называют факс-сканерами (Fax Scanner).

В отдельных моделях роликовых сканеров имеется устройство для подачи листов, которое позволяет сканировать в автомати­ческом режиме.

Большинство роликовых сканеров офисного применения пред­назначены для работы с оригиналами формата А4. Однако суще­ствуют широкоформатные роликовые сканеры, обеспечивающие сканирование оригиналов форматов А1 и АО.

Преимущества роликовых сканеров определяются их компакт­ностью, удобством подключения и пользования, автоматической подачей листов оригинала, удовлетворительной скоростью скани­рования и низкой стоимостью. В то же время эти сканеры имеют ряд недостатков, связанных с невозможностью без специальных приспособлений осуществлять сканирование сброшюрованных до­кументов, книг, а также с опасностью повреждения оригинала.

Барабанные сканеры позволяют получать изображения про­зрачных или отражающих оригиналов с высокой степенью де­тализации. Механизм работы барабанного сканера представлен на рис. 6.7.

Прозрачный оригинал в барабанных сканерах закрепляется с помощью специальной ленты или масла на поверхности прозрач­ного цилиндра из органического стекла (барабана), который для обеспечения устойчивости укреплен на массивном основании. При вращении барабана с большой скоростью (от 300 до 1350 об/мин) фотоприемник считывает изображение с высокой точностью. В боль­шинстве барабанных сканеров в качестве фотоприемника исполь­зуется ФЭУ, который перемещается с помощью винтовой пары вдоль барабана. Для освещения оригинала применяется мощный стабилизированный по интенсивности излучения ксеноновый или галогенный источник света. При сканировании отражающих ори­гиналов применяется источник света, расположенный вне бара­бана рядом с приемником излучения.

За счет высокой скорости вращения барабана имеется возмож­ность фокусировать на оригинале достаточно мощный поток света без риска повреждения оригинала. В связи с этим отличительной особенностью барабанных сканеров является возможность скани­ровать с высоким разрешением оригиналы, имеющие высокую оптическую плотность (печатные издания, художественные рабо­ты, слайды, диапозитивы, негативные пленки), как в отражен­ном, так и в проходящем свете.

В отдельных моделях барабанных сканеров в качестве фотопри­емника изображения используется набор ПЗС-линеек, неподвижно установленных на всю ширину барабана и построчно сканирую­щих оригинал в отраженном свете. В этих сканерах, как правило широкоформатных, барабан совершает только один оборот за все время сканирования. Сканеры, в которых реализована эта техно­логия, выгодно отличаются от сканеров с ФЭУ, поскольку ис­ключается необходимость решать проблему стабилизации конст­руктивных элементов, обусловленную высокой скоростью враще­ния барабана. Для гашения возникающих при этом вибраций при­меняются специальные амортизаторы, увеличивающие массу ска­нера до 250 кг и более.

Барабанные сканеры позволяют сканировать прозрачные или отражающие оригиналы типа высокохудожественных работ в по­лиграфии и картографии. При этом автоматическая корректиров­ка освещенности, настройка фокусного расстояния и высокая производительность достигаются за счет обработки изображения встроенным компьютером.

Значительные габариты, необходимость предварительной под­готовки обслуживающего персонала и высокая стоимость бара­банных сканеров обусловливают ограничение их области приме­нения профессиональной полиграфией и картографией.

Проекционные сканеры работают по принципу фотографической камеры и конструктивно напоминают фотоувеличитель. Механизм работы проекционного сканера показан на рис. 6.8. Оригинал рас­полагается на подставке под сканирующей головкой изображени­ем вверх. Сканирующая головка, содержащая ПЗС-датчик и пере­мещающий его в фокальной плоскости линзы двигатель, за­крепляется на вертикальном штативе и может перемещаться по стойке или по вертикальным направляющим. Перед началом ска­нирования камеру устанавливают в положение, соответствующее требуемому разрешению и размеру изображения. Точная настройка (фокусировка), определяющая разрешение сканирования, осущест­вляется специальной редуцирующей линзой. Обычно в проекци­онных сканерах внутренний источник освещения не используется. Освещение оригинала производится за счет естественного ком­натного света. В некоторых моделях проекционных сканеров свет через линзу освещает оригинал, а отраженный свет фиксируется ПЗС-матрицей. Такая конструкция сканера позволяет избежать влияния внешних засветок и получить высокое качество сканиро­ванных изображений. Особенностью проекционных сканеров является возможность сканирования трехмерных объектов. При этом конструкция ска­неров обеспечивает переменное разрешение сканирования: неболь­шие объекты можно сканировать с высоким разрешением; боль­шие нестандартные объекты, изображения которых нельзя ввести с помощью других сканеров, также могут быть сканированы, хотя и с низким разрешением. Простота конструкции и удобство при­менения, невысокая стоимость и возможность комбинирования при сканировании плоских и небольших трехмерных объектов обусловливают достаточно широкое применение проекционных сканеров как средств ввода информации.

Ручные сканеры применяются для сканирования малоформат­ных оригиналов или фрагментов большого изображения. Переме­щение окна сканирования относительно оригинала производится за счет мускульной силы человека. Устройство ручного сканера показано на рис. 6.9. В небольшом корпусе шириной обычно чуть более 10 см размещаются лишь датчик, линза и источник света. Ширина области сканирования в зависимости от модели устрой­ства варьируется от 60 до 280 мм. Длина области сканирования ограничена лишь объемом доступной оперативной памяти компь­ютера. Устанавливаемая в компьютере карта интерфейса преобра­зует поступающую информацию в цифровую форму и передает ее для последующей обработки специальной программе. Принципы работы ручного и роликового сканеров во многом похожи.

Отличительной особенностью ручного сканера является то, что он использует источник питания компьютера, к которому под­ключен. Как правило, ручные сканеры подключаются к параллельному порту компьютера без каких-либо адаптеров. Низкая цена ручных сканеров обусловлена про­стотой их конструкции.

В некоторых моделях ручных сканеров предусматривается воз­можность сканирования больших изображений за несколько прохо­дов, т.е. путем последовательного просмотра отдельных его областей.

Объединение областей сканирования производится с помощью спе­циального программного обеспечения.

Применение ручных сканеров как устройств ввода изображений объясняется их компактностью и дешевизной, хотя для професси­ональной работы они обычно не используются. Однако примене­ние ручных сканеров для сканирования текста не всегда оправда­но, поскольку разработанные специально для ручных сканеров программы допускают довольно много ошибок при распознава­нии по сравнению со своими аналогами, созданными для других сканеров.

Многофункциональные сканеры — это комбинированные устрой­ства, сочетающие в себе возможности сканеров различных типов, а также других технических средств информатизации, служащих для решения таких задач, как оптическое распознавание симво­лов, архивирование, электронная почта и факсимильная связь.

В комбинированных устройствах all-in-one в одном корпусе обычно объединены роликовый сканер, лазерный или струйный принтер, факс-модем. Эти устройства можно использовать в каче­стве факсимильного аппарата, принтера, сканера, копироваль­ного аппарата и внешнего модема для доступа к сети по линиям телефонной связи. Такое интегрирование является оптимальным решением для SOHO (Small Office/Ноте Office — небольшой офис/домашний офис), поскольку позволяет освободить площадь и сэкономить на приобретении компонентов в комплексе, кото­рые по отдельности стоят дороже. Основные недостатки таких ком­бинированных систем — невысокое качество и сравнительно вы­сокая стоимость копирования страницы.

Плоскость сканирования Непрозрачный оригинал

 

Лампа

Рис. 6.10. Вариант размещения оригиналов разных типов в многофунк­циональном сканере

 

В некоторых моделях планшетных сканеров фирмы Agfa реализо­вана технология Twin Plate — новый способ размещения прозрач­ных и непрозрачных оригиналов в одном устройстве. Прозрачные и отражающие оригиналы располагаются в разных плоскостях, как показано на рис. 6.10, освещаются разными источниками, но реги­страция производится одним и тем же приемником изображения.

Цветные сканеры

Современные сканеры в основном предназначены для скани­рования цветных оригиналов, но имеют режимы сканирования черно-белых и полутоновых изображений.

Задача цветного сканера сводится к различению основных цве­тов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue) — RGB. Для этого применяются различные технологии.

Например, в цветном сканере с одним источником света ска­нирование оригинала может осуществляться в три прохода с пос­ледовательным применением различных фильтров: красного (R), зеленого (G), синего (В), поочередно размещаемых между источ­ником света и оригиналом. Сканируемое изображение освещается белым светом не непосредственно, а через вращающийся RGB- светофильтр. Для каждого из основных цветов последовательность операций практически не отличается от последовательности опе­раций при сканировании полутонового изображения. Существен­ными недостатками данного метода являются увеличение време­ни сканирования в три раза и необходимость точного совмещения цветовых слоев, чтобы не допустить размывания отдельных дета­лей изображения.

В сканерах другого типа используются три источника света: красный, зеленый, синий, действующие поочередно для крат­ковременного освещения оригинала. Сканирование при этом про­изводится однократно, что позволяет избежать несовмещения цветов, но требует подбора источников света со стабильными ха­рактеристиками.

В некоторых конструктивных решениях цветных сканеров ис­пользуется один источник света, но сканирование цветных ори­гиналов осуществляется за один проход благодаря тому, что фо­топриемник выполнен в виде фототранзисторов, размещенных в три линейки, а три цветных фильтра расположены перед ними так, что каждая линейка фототранзисторов освещается только своим цветом.

Однако наибольшее распространение получили цветные ска­неры, оборудованные системой, состоящей из трех независимых фотодатчиков для каждого цвета. Оригинал освещается белым све­том, а отраженный оригиналом свет попадает на фотоприемники через систему специальных фильтров, которые и разделяют бе­лый свет на три составляющие. Принцип работы таких фильтров основан на использовании явления дихроизм а, заключающе­гося в изменении окраски кристаллов в проходящем белом свете в зависимости от положения их оптической оси. После прохожде­ния системы фильтров разделенные красный, зеленый и синий свет попадают каждый на свой фотоприемник, например ФЭУ. Путем последовательно выполняемых операций считывания то­нового распределения по основным цветам получают информа­цию, необходимую для воспроизведения цветов изображения.

Аппаратный и программный интерфейсы сканеров

Сканеры с интерфейсом SCSI требуют установки в компьютер дополнительной платы SCSI-адаптера, которая поставляется в комплекте со сканером. Преимуществом интерфейса SCSI являет­ся обеспечение высокой скорости сканирования.

К компьютерам, оснащенным USB-портом, лучше подклю­чать сканер с USB-интерфейсом. Скорость при этом несколько уступает интерфейсу SCSI, однако простота подключения скане­ра искупает этот недостаток.

Сканеры с интерфейсом параллельного порта подключаются к уже имеющемуся параллельному порту. Пропускная способность параллельного порта значительно меньше по сравнению с интер­фейсом SCSI. Однако при этом нет необходимости устанавливать дополнительную плату.

В комплект поставки сканера входит специальная программа — драйвер, предназначенная для управления процедурой сканиро­вания и настройки основных параметров сканера. Ведущие произ­водители аппаратных и программных средств — компании Aldus, Caere, Eastman Kodak, Hewlett-Packard и Logitech — объединили свои усилия для создания собственного формата драйвера TWAIN. Стандарт TWAIN определяет порядок обмена данными между прикладной программой и драйвером сканера, что позволило ре­шить проблему совместимости различных компьютерных плат­форм, сканеров разных моделей и форматов представления дан­ных. С помощью TWAIN-совместимого сканера можно сканиро­вать изображения из любой программы, например Photoshop, CorelDRAW, PageMaker, PhotoStyler и др

Источник: studopedia.su

1. Принцип действия и классификация сканеров

Сканер как оптоэлектронный прибор включает следующие функциональные компоненты:

• датчик, содержащий источник света,
• оптическую систему,
• фотоприемник,
• механизм перемещения датчика (или оптической системы) относительно оригинала
•  электронное устройство (обеспечивает преобразование информации в цифровую форму).

В процессе сканирования оригинал освещается источником света. Светлые области оригинала отражают больше света, чем темные. Отраженный (или преломленный) свет оптической системой на­правляется на фотоприемник, который преобразует интенсивность принимаемого света в соответствующее значение напряжения. Аналоговый сигнал преобразуется в цифровой для дальнейшей обработки с помощью ПК.

Сканеры весьма разнообразны, и их можно классифицировать по целому ряду признаков. В основе классификации могут быть следующие признаки:

• способ формирования изображения (линейный, матричный);
• конструкция кинематического механизма (ручной, настоль­ный, комбинированный);
• тип вводимого изображения (черно-белый, полутоновый, цветной);
• степень прозрачности оригинала (отражающий, прозрачный);
• аппаратный интерфейс (специализированный, стандартный);
• программный интерфейс (специализированный, TWAIN-со­вместимый).

2. Фотодатчики, применяемые в сканерах

В современных сканерах применяют фотодатчики двух типов: фотоэлектронные умножители — ФЭУ (РМТ — Photomulti Plier Tube) или приборы с зарядовой связью — ПЗС (ССО — Charge—Coupled Device).

Фотоэлектронный умножитель

Фотоэлектронный умножитель изобретен советским инженером Л.А. Кубецким в 1930 г. ФЭУ, изображенный на рис.1., представляет электровакуумный прибор, внутри которо­го расположены электроды — катод, анод и диноды. Световой поток от объекта сканирования вызывает эмиссию электронов из катода. В соответствии с законом фотоэффекта фототок эмиссии прямо пропорционален интенсивности падающего на него светового потока. Вылетающие из катода электроны под действием раз­ности потенциалов между катодом и ближайшим к нему электродом — динодом притягиваются к последнему и выбивают с его поверхности вторичные электроны, число которых многократно превышает первичный электронный поток с катода. Это обеспечивается благодаря тому, что диноды выполнены из материалов, имеющих высокий коэффициент вторичной эмиссии, а между ними приложены потенциалы, обеспечивающие усиление вторич­ной эмиссии. В результате через сопротивление нагрузки в анодной цепи ФЭУ протекает усиленный ток. Коэффициент усиления фототока в ФЭУ достигает 10⁸. Такое усиление достигается за счет подачи на ФЭУ напряжения от высоковольтного источника (в зависимости от количества динодов — от 500 до 1500 В), причем потенциалы распределяются между электродами равномерно с помощью делителя напряжения. ФЭУ обладает высокой чувствительностью (1 А/лм), а его спектральный диапазон, определяемый областью длин волн регистрируемого излучения, соответ­ствует задачам сканирования, поскольку перекрывает видимый спектр световых волн.

 

Прибор с зарядовой связью

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) — это твердотельный электронный фотоприемник, состоящий из множества миниатюр­ных фоточувствительных элементов, которые формируют электрический заряд, пропорциональный интенсивности падающего на них света, и конструктивно выполняются в виде матриц или линеек.

Работу ПЗС впервые продемонстрировали В.Бойл и Дж. Смит в 1970 г. Принцип действия ПЗС основан на зависимости прово­димости р-n -перехода полупроводникового диода от его осве­щенности. Устройство и принцип действия ПЗС-линейки показа­ны на рис.2.

 

ПЗС представляет собой полупроводниковый кристалл (как правило, кремний), на поверхность которого нанесена прозрачная оксидная пленка, выполняющая функцию диэлектрика в микроскопических конденсаторах. Одной из обкладок та­кого конденсатора является поверхность самого кристалла, а дру­гой — нанесенные на диэлектрик металлизированные электроды толщиной не более 0,6 мкм.

К электродам в определенной последовательности подается низкое напряжение (5—10 В). Это приводит к тому, что под электродами образуются так называемые потенциальные ямы в виде скоплений электронов. Под воздействием света в результате внутреннего фотоэффекта появляются свободные электроны. Количе­ство электронов, скапливающихся под чувствительной площадкой каждого электрода, пропорционально интенсивности светового потока, падающего на чувствительную площадку данного электрода. Электроны образуют зарядовый пакет. Если ПЗС выполнен в виде линейки, зарядовые пакеты передаются из одной потенциальной ямы в соседнюю, достигая последней ячейки, откуда поступают на предварительный усилитель. ПЗС-линейка может содержать до нескольких тысяч фоточувствительных ячеек. Размер элементарной ячейки ПЗС определяет разрешающую способность сканера. Область спектральной чувствительности ПЗС расположена в видимой части спектра, причем наибольшая чувствительность наблюдается ближе к красной области. 

3. Типы сканеров

В зависимости от способа перемещения фоточувствительного элемента сканера и носителя изображения относительно друг друга сканеры подразделяются на две основных группы — настоль­ные (Desktop) и  ручные (Hand—held).

К числу настольных сканеров относятся планшетные (Flatbed), роликовые (Sheet—feed), барабанные (Drum) и проекционные (Overhead/ Camera) сканеры.

 Планшетные сканеры

Планшетные сканеры, или сканеры плоскостного типа, ис­пользуются для ввода графики и текста с носителей формата А4 или A3.

На рис.3 показано устройство и механизм работы планшет­ного сканера.

В планшетных сканерах оригинал располагается на его рабочей поверхности неподвижно. Освещение оригинала производится стабилизированным по интенсивности источником, в качестве которого используют лампы с холодным катодом или флуоресцентные лампы. В качестве фотоприемника обычно используются ПЗС-линейки. Лампа, ПЗС и оптическая система, направляющая на ПЗС световой поток, отраженный от оригинала, находятся на одной каретке и с помощью шагового механизма перемещаются вдоль оригинала. В основном все планшетные сканеры рассчитаны на получение копии с одного оригинала, однако к некоторым моделям сканеров прилагаются дополнительные приспособления для последовательной подачи и сканирования нескольких оригиналов.

При использовании в качестве оригиналов книг или сброшюрованных документов имеется возможность обеспечить их прижим к стеклянной поверхности сканера специальной крышкой на петлях.

К преимуществам планшетных сканеров следует отнести про­стоту использования, возможность сканирования как плоских оригиналов в широком диапазоне размеров, так и небольших трехмерных объектов. При необходимости сканирования оригиналов нестандартного большого формата имеется возможность сканирования по частям с последующим объединением с помощью какого-либо графического редактора.

Недостатками этого типа сканеров являются большая занимаемая площадь, сложность выравнивания оригинала с неровно размещенным на носителе изображением, невозможность сканиро­вания прозрачных оригиналов.

Однако при этом планшетные сканеры — наиболее популярные устройства ввода текстовой и графической информации. Они обеспечивают необходимое качество изображений, используемых как в деловой корреспонденции, так и в высокохудожественных изданиях.

 Роликовые сканеры

Роликовые сканеры осуществляют сканирование оригинала при его перемещении по специальным направляющим посредством роликового механизма подачи бумаги относительно неподвижных осветителя и ПЗС-линейки. Механизм работы роликового скане­ра показан на рис.4.

Сканирование в роликовом сканере, как и в планшетном, производится в отраженном свете. Этот принцип заложен в конструкции многих факсимильных аппаратов. Сканеры, работающие в двух режимах — сканирования изображения и его факсимильной передачи, называют факс-сканерами (Fax Scanner).

В отдельных моделях роликовых сканеров имеется устройство для подачи листов, которое позволяет сканировать в автоматическом режиме.

Большинство роликовых сканеров офисного применения предназначены для работы с оригиналами формата А4. Однако суще­ствуют широкоформатные роликовые сканеры, обеспечивающие сканирование оригиналов форматов А1 и АО.

Преимущества роликовых сканеров определяются их компактностью, удобством подключения и пользования, автоматической подачей листов оригинала, удовлетворительной скоростью сканирования и низкой стоимостью.

В то же время эти сканеры имеют ряд недостатков, связанных с невозможностью без специальных приспособлений осуществлять сканирование сброшюрованных документов, книг, а также с опасностью повреждения оригинала.

 Барабанные сканеры

Барабанные сканеры позволяют получать изображения прозрачных или отражающих оригиналов с высокой степенью де­тализации. Механизм работы барабанного сканера представлен на рис.5.

 

Прозрачный оригинал в барабанных сканерах закрепляется с помощью специальной ленты или масла на поверхности прозрачного цилиндра из органического стекла (барабана), который для обеспечения устойчивости укреплен на массивном основании. При вращении барабана с большой скоростью (от 300 до 1350 об/мин) фотоприемник считывает изображение с высокой точностью. В большинстве барабанных сканеров в качестве фотоприемника используется ФЭУ, который перемещается с помощью винтовой пары вдоль барабана. Для освещения оригинала применяется мощный стабилизированный по интенсивности излучения ксеноновый или галогенный источник света. При сканировании отражающих оригиналов применяется источник света, расположенный вне барабана рядом с приемником излучения.

За счет высокой скорости вращения барабана имеется возможность фокусировать на оригинале достаточно мощный поток света без риска повреждения оригинала. В связи с этим отличительной особенностью барабанных сканеров является возможность сканировать с высоким разрешением оригиналы, имеющие высокую оптическую плотность (печатные издания, художественные работы, слайды, диапозитивы, негативные пленки), как в отраженном, так и в проходящем свете.

В отдельных моделях барабанных сканеров в качестве фотоприемника изображения используется набор ПЗС-линеек, неподвижно установленных на всю ширину барабана и построчно сканирующих оригинал в отраженном свете. В этих сканерах, как правиле широкоформатных, барабан совершает только один оборот за все время сканирования. Сканеры, в которых реализована эта технология, выгодно отличаются от сканеров с ФЭУ, поскольку исключается необходимость решать проблему стабилизации конструктивных элементов, обусловленную высокой скоростью вращения барабана. Для гашения возникающих при этом вибраций применяются специальные амортизаторы, увеличивающие массу сканера до 250 кг и более.

Барабанные сканеры позволяют сканировать прозрачные или отражающие оригиналы типа высокохудожественных работ в полиграфии и картографии. При этом автоматическая корректиров­ка освещенности, настройка фокусного расстояния и высокая производительность достигаются за счет обработки изображения встроенным компьютером.

Значительные габариты, необходимость предварительной подготовки обслуживающего персонала и высокая стоимость барабанных сканеров обусловливают ограничение их области применения профессиональной полиграфией и картографией.

 Проекционные сканеры

Проекционные сканеры работают по принципу фотографической камеры и конструктивно напоминают фотоувеличитель. Механизм работы проекционного сканера показан на рис.6.

Оригинал располагается на подставке под сканирующей головкой изображением вверх. Сканирующая головка, содержащая ПЗС-датчик и перемещающий его в фокальной плоскости линзы двигатель, закрепляется на вертикальном штативе и может перемещаться по стойке или по вертикальным направляющим.

Перед началом сканирования камеру устанавливают в положение, соответствующее требуемому разрешению и размеру изображения. Точная настройка (фокусировка), определяющая разрешение сканирования, осуществляется специальной редуцирующей линзой. Обычно в проекци­онных сканерах внутренний источник освещения не используется. Освещение оригинала производится за счет естественного комнатного света. В некоторых моделях проекционных сканеров свет через линзу освещает оригинал, а отраженный свет фиксируется ПЗС-матрицей. Такая конструкция сканера позволяет избежать влияния внешних засветок и получить высокое качество сканированных изображений.

Особенностью проекционных сканеров является возможность сканирования трехмерных объектов. При этом конструкция сканеров обеспечивает переменное разрешение сканирования: небольшие объекты можно сканировать с высоким разрешением; большие нестандартные объекты, изображения которых нельзя ввести с помощью других сканеров, также могут быть сканированы, хотя и с низким разрешением. Простота конструкции и удобство применения, невысокая стоимость и возможность комбинирования при сканировании плоских и небольших трехмерных объектов обусловливают достаточно широкое применение проекционных сканеров как средств ввода информации.

 Ручные сканеры

Ручные сканеры применяются для сканирования малоформатных оригиналов или фрагментов большого изображения. Переме­щение окна сканирования относительно оригинала производится за счет мускульной силы человека. Устройство ручного сканера показано на рис.7.

В небольшом корпусе шириной обычно чуть более 10 см размещаются лишь датчик, линза и источник света. Ширина области сканирования в зависимости от модели устройства варьируется от 60 до 280 мм. Длина области сканирования ограничена лишь объемом доступной оперативной памяти компьютера. Устанавливаемая в компьютере карта интерфейса преобразует поступающую информацию в цифровую форму и передает ее для последующей обработки специальной программе. Принципы работы ручного и роликового сканеров во многом похожи.

Отличительной особенностью ручного сканера является то, что он использует источник питания компьютера, к которому подключен. Как правило, ручные сканеры подключаются к парал­лельному порту компьютера без каких-либо адаптеров. Низкая цен ручных сканеров обусловлена простотой их конструкции.

В некоторых моделях ручных сканеров предусматривается возможность сканирования больших изображений за несколько проходов, т.е. путем последовательного просмотра отдельных его областей Объединение областей сканирования производится с помощью специального программного обеспечения, позволяющего упростить эту процедуру.

Применение ручных сканеров как устройств ввода изображений объясняется их компактностью и дешевизной, хотя для профессиональной работы они обычно не используются. Однако применение ручных сканеров для сканирования текста не всегда оправдано, поскольку разработанные специально для ручных сканеров программы допускают довольно много ошибок при распознавании по сравнению со своими аналогами, созданными для других сканеров.

 Многофункциональные сканеры

Многофункциональные сканеры — это комбинированные устройства, сочетающие в себе возможности сканеров различных типов, а также других технических средств информатизации, служащих для решения таких задач, как оптическое распознавание символов, архивирование, электронная почта и факсимильная связь.

В комбинированных устройствах all-in-one в одном корпусе обычно объединены роликовый сканер, лазерный или струйный принтер, факс-модем. Эти устройства можно использовать в каче­стве факсимильного аппарата, принтера, сканера, копировального аппарата и внешнего модема для доступа к сети по линиям телефонной связи.

Такое интегрирование является оптимальным решением для SOHO {Small Office/Home Office — небольшой офис/домашний офис), поскольку позволяет освободить площадь и сэкономить на приобретении компонентов в комплексе, кото­рые по отдельности стоят дороже. Основные недостатки таких ком­бинированных систем — невысокое качество и сравнительно вы­сокая стоимость копирования страницы.

В некоторых моделях планшетных сканеров фирмы Agfa реализована технология Twin Plate — новый способ размещения прозрачных и непрозрачных оригиналов в одном устройстве. Прозрачные и отражающие оригиналы располагаются в разных плоскостях, как показано на рис. 8, освещаются разными источниками, но реги­страция производится одним и тем же приемником изображения.

 

4. Цветные сканеры

Современные сканеры в основном предназначены для сканирования цветных оригиналов, но имеют режимы сканирования  черно-белых и полутоновых изображений.

Задача цветного сканера сводится к различению основных цветов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue) — RGB. Для этого применяются различные технологии.

Например, в цветном сканере с одним источником света сканирование оригинала может осуществляться в три прохода с пос­ледовательным применением различных фильтров: красного (R), зеленого (G), синего (В), поочередно размещаемых между источником света и оригиналом. Сканируемое изображение освещается белым светом не непосредственно, а через вращающийся RGB-светофильтр. Для каждого из основных цветов последовательность операций практически не отличается от последовательности операций при сканировании полутонового изображения. Существенными недостатками данного метода являются увеличение времени сканирования в три раза и необходимость точного совмещения цветовых слоев, чтобы не допустить размывания отдельных дета-1 лей изображения.

В сканерах другого типа используются три источника света: красный, зеленый, синий, действующие поочередно для кратковременного освещения оригинала. Сканирование при этом производится однократно, что позволяет избежать несовмещения цветов, но требует подбора источников света со стабильными характеристиками.

В некоторых конструктивных решениях цветных сканеров используется один источник света, но сканирование цветных оригиналов осуществляется за один проход благодаря тому, что фотоприемник выполнен в виде фототранзисторов, размещенных в три линейки, а три цветных фильтра расположены перед ними так, что каждая линейка фототранзисторов освещается только своим цветом.

Однако наибольшее распространение получили цветные сканеры, оборудованные системой, состоящей из трех независимых фотодатчиков для каждого цвета. Оригинал освещается белым светом, а отраженный оригиналом свет попадает на фотоприемники через систему специальных фильтров, которые и разделяют белый свет на три составляющие. Принцип работы таких фильтров основан на использовании явления дихроизма, заключающегося в изменении окраски кристаллов в проходящем белом свете в зависимости от положения их оптической оси. После прохождения системы фильтров разделенные красный, зеленый и синий свет попадают каждый на свой фотоприемник, например ФЭУ. Путем последовательно выполняемых операций считывания тонового распределения по основным цветам получают информацию, необходимую для воспроизведения цветов изображения.

 

5. Аппаратный и программный интерфейсы сканеров

Сканеры с интерфейсом SCSI требуют установки в компьютер дополнительной платы SCSI-адаптера, которая поставляется в комплекте со сканером. Преимуществом интерфейса SCSI является обеспечение высокой скорости сканирования.

К компьютерам, оснащенным USB-портом, лучше подключать сканер с USB-интерфейсом. Скорость при этом несколько уступает интерфейсу SCSI, однако простота подключения сканера искупает этот недостаток.

Сканеры с интерфейсом параллельного порта подключаются к уже имеющемуся параллельному порту. Пропускная способность параллельного порта значительно меньше по сравнению с интерфейсом SCSI. Однако при этом нет необходимости устанавливать дополнительную плату.

В комплект поставки сканера входит специальная программа — драйвер, предназначенная для управления процедурой сканирования и настройки основных параметров сканера.

Ведущие производители аппаратных и программных средств — компании Aldus,  Caere, Eastman Kodak, Hewlett-Packard и Logitech — объединили свои усилия для создания собственного формата драйвера TWAIN. Стандарт TWAIN определяет порядок обмена данными между прикладной программой и драйвером сканера, что позволило решить проблему совместимости различных компьютерных платформ, сканеров разных моделей и форматов представления данных. С помощью TWAIN-совместимого сканера можно сканировать изображения из любой программы, например Photoshop, CorelDRAW, PageMaker, PhotoStyler и др.

 

6. Характеристики сканеров

Ниже описаны основные характеристики, которые следует принимать во внимание при выборе типа и модели сканера

Разрешающая способность определяется плотностью расположе­ния распознаваемых точек  и выражается в точках на дюйм (dpi — dot per inch).

Сканеры имеют два параметра разрешающей способности: оптическое разрешение и программное.

Оптическое разрешение — показатель первичного сканирования. Программными методами можно в дальнейшем повысить разрешение.

Например, оптическое разрешение может быть 300×600 dpi, а про­граммное — до 4800×4800 dpi. Оптическое разрешение имеет более важное значение для пользователя.

Оптическое разрешение зависит от размера элемента ПЗС-датчика и характеризует плотность, с которой производится выбор­ка информации в заданной области оригинала.

Разрешение сканера имеет два показателя: по горизонтали и вертикали. Например, 600 х 300; 600 х 600; 800 х 800. Однако чаще всего употребляют первое значение: 600, 800 dpi.

Область сканирования — максимальный размер оригинала для данного сканера.

Метод сканирования определяет одно- или трехпроходный спо­соб считывания информации в цветных сканерах.

Скорость сканирования — количество страниц черно-белого оригинала, сканируемых в минуту с максимальным оптическим разрешением сканера.

Разрядность сканера измеряется в бит и определяет то количество информации, которое необходимо для оцифровки каждой точки изображения, а также количество цветов, которое способен распознать сканер.

24 бит соответствуют 16,7 миллионам цветов, а 30 бит — миллиарду. Несмотря на то что человеческий глаз уже не в состоянии отличить 16-битный цвет от 24-битного, в новейших моделях сканеров заявлена 48-битная разрядность.

Совокупность характеристик модели сканера определяет его принадлежность к одному из трех классов, на которые условие можно подразделить все модели сканеров.

Сканеры простых моделей используются для подготовки деловой документации, создания прайс-листов и рекламных объявле­ний, а также для подготовки электронных публикаций (Web-стра­ниц, графических баз данных). Обычно такие сканеры обеспечи­вают оптическое разрешение в диапазоне 300 — 600 dpi, передач) 256 оттенков серого цвета для полутоновых изображений.

Сканеры промежуточного класса планшетного типа обладают оптическим разрешением 600— 1800 dpi, высоким динамическим диапазоном, имеют возможность работы с прозрачными ориги­налами и применяются в издательской деятельности.

Сканеры высокого класса обеспечивают разрешение свыше 4000 dpi, используются при необходимости оцифровки большого объема информации с высоким качеством и производительностью

Лидером на российском рынке сканеров явлется Hewlett-Packard, однако недорогие модели Mustek Paragon, KYE также пользуются спросом. Для профессионального применения исполь­зуют сканеры UMAX или Agfa.

 

Источник: komputercnulja.ru

Принцип работы сканера

Сканером называется устройство для ввода в компьютер изображений, нанесенных на прозрачной или непрозрачной плоской поверхности. Они позволяют вводить в компьютер изображения текстов, рисунков, слайдов, фотографий, чертежей и другой графической информации. В большинстве устройств для преобразования изображения в цифровую форму применяются матрица или линейка светочувствительных элементов на основе ПЗС — приборов с зарядовой связью (CCD — Charge-Coupled Device).

По способу перемещения считывающей головки и носителя изображения друг относительно друга сканеры подразделяются на ручные (Handheld), рулонные (Sheet-Feed), планшетные (Flatbed), а также проекционные.

Основным отличием планшетных сканеров является то, что их сканирующая головка перемещается относительно бумаги с помощью шагового двигателя, а изображение при помощи системы призм или зеркал проецируется на линейку ПЗС. Разрешение планшетных сканеров, как правило, определяется числом чувствительных элементов в линейке ПЗС, причем, если ширина сканируемой области меньше ширины линейки, то используется только часть фотоэлементов.

Работа рулонных сканеров чем-то напоминает работу факса. Сканирование документов осуществляется при протягивании их через такое устройство. У проекционных сканеров, которые больше всего напоминают своеобразный проекционный аппарат, перемещается только сканирующее устройство. Разновидностью проекционных сканеров являются слайд-сканеры, предназначенные для сканирования фотопленок. В области высококачественной полиграфии используются барабанные сканеры, в которых в качестве светочувствительного элемента используется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).

Принцип работы однопроходного планшетного сканера состоит в том, что вдоль сканируемого изображения, расположенного на прозрачном неподвижном стекле, движется сканирующая каретка с источником света. Отраженный свет через оптическую систему сканера (состоящую из объектива и зеркал или призмы) попадает на три расположенных параллельно друг другу фоточувствительных полупроводниковых элемента на основе ПЗС, каждый из которых принимает информацию о RGB-компонентах цвета. В трехпроходных сканерах используется всего одна линейка ПЗС и лампы разных цветов или соответствующие светофильтры.

В основу работы ПЗС положена зависимость проводимости p-n-перехода обыкновенного полупроводникового диода от степени его освещенности. На p-n-переходе создается заряд, который рассасывается со скоростью, зависящей от освещенности. Чем выше скорость рассасывания, тем больший ток проходит через диод. Каждая строка сканирования изображения соответствует определенным значениям напряжения на ПЗС. Затем следует обработка аналогового сигнала с целью коррекции цветопередачи, после чего он поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Затем цифровая информация передается в ПК по используемому сканером интерфейсу. Операционная система Windows 95/98/NT и прикладные программы взаимодействуют со сканером через программный интерфейс TWAIN.

Для сканирования прозрачных изображений, например слайдов, в планшетных сканерах применяются слайд-модули, в которых поверх сканируемого изображения параллельно движению ПЗС-линейки перемещается дополнительная лампа.

Основные параметры и характеристики сканеров.

Сканер — это устройства ввода текстовой или графической информации в компьютер путем преобразования ее в цифровой вид для последующего использования, обработки, хранения или вывода. Настольные сканеры появились в 80-х годах и сразу стали объектом повышенного внимания, но сложность использования, отсутствие универсального программного обеспечения, а самое главное, высокая цена не позволяли выйти сканерам за пределы специализированного использования.

С тех пор прошло не так уж и много времени, но выделилось целое направление настольных сканеров предназначенных в основном для офисного и домашнего использования. Причем, за последние несколько лет, благодаря невероятному снижению цен популярность сканеров значительным образом выросла. Цена хорошего планшетного сканера сегодня соизмерима с ценой хорошей видео карты или принтера, поэтому логично продолжить покупку компьютера и принтера, приобретением сканера.

Настольный сканер незаменим при работе с компьютером для вставок графических изображений или текстов с бумажных носителей в документы, создаваемые при помощи компьютера. Современные настольные сканеры достаточно просты в использовании и имеют интуитивно-понятный интерфейс.

Виды сканеров

Сканеры, работающие с прозрачными носителями

» Барабанный сканер

» Цветной слайд-сканер с одним CCD

» Цветной слайд-сканер с 3-мя CCD

» Сканер с CDD-массивом

Сканеры, работающие с непрозрачными носителями

» Сканирующая головка на плоттере

» Планшетный сканер

» Рулонный сканер

» Проекционный сканер.

Барабанный сканер.

В каждый момент времени сканер считывает информацию с одной точки носителя. Поэтому для получения изображения необходимо взаимное перемещение сканирующего элемента и носителя по двум координатам. Это достигается за счет вращения барабана с наклеенным на него носителем (слайдом) и линейного перемещения сканирующего элемента и источника света вдоль оси барабана.

Цветной слайд-сканер с одним CCD

Сканирующим элементом в большинстве сканеров является charge-coupled device (CCD), по-русски — прибор с зарядовой связью (ПЗС). Линейные CCD-сканеры обеспечивают взаимное перемещение носителя и линейного сканирующего элемента (CCD) вдоль одной оси. Последовательно, полоска за полоской, исходное изображение фокусируется на линейке CCD. Для получения цветного изображения применяются фильтры трех базовых цветов. За один проход считывается один цветовой слой.

Цветной слайд-сканер с 3-мя CCD

Устройство, аналогичное цветному слайд-сканеру с одним CCD. Отличие заключается в использовании трех различных сканирующих элементов для каждого базового цвета — красного, зеленого, синего. Изображение получается за один проход.

Сканер с CDD-массивом

Массив CCD, аналогичный тому, который применяется в видеокамерах, позволяет получить изображение без взаимного перемещения носителя и сканирующего элемента. Похожую конструкцию имеют проекционные сканеры, работающие с непрозрачными носителями.

Сканирующая головка на плоттере Сканирующая головка — это недорогое CCD. Размеры и разрешающая способность невелики. Поэтому, чтобы отсканировать чертеж, необходимо взаимное перемещение носителя и головки по двум координатам. Это обеспечивается кинематикой плоттера. За один проход сканируется одна полоска. Склеивание полосок происходит автоматически с помощью прилагаемого программного обеспечения. Однако из-за механических погрешностей склеивание никогда не бывает точным, поэтому для полученного изображения характерна практически некомпенсируемая полосатость.

Рулонный сканер

Кинематическая схема этого сканера повторяет схему линейного CCD-сканера. CDD неподвижны, перемещается носитель. Фокусируются отраженные лучи. Когда по такой схеме изготавливают сканеры большого формата (А1 или А0), то, как правило, используется не один элемент CCD, а несколько, установленных друг за другом в линейку. Специальное устройство обеспечивает точную стыковку изображений, полученных каждым CCD. Процесс коррекции взаимного расположения CCD (юстировка) в новых сканерах автоматизирован. В настоящее время это практически единственная конструктивная схема работы сканеров большого формата, как черно-белых, так и цветных. Вариации этой схемы касаются тракта, по которому перемещается носитель: он может быть прямолинейным, что позволяет избежать лишних деформаций носителя, а может быть изогнутым, что ограничивает применение некоторых видов носителей в таких сканерах (жестких, повышенной толщины).

Проекционный сканер

Массив CCD, аналогичный тому, который применяется в видеокамерах, позволяет получить изображение без взаимного перемещения носителя и сканирующего элемента. Разрешение таких сканеров ограничено, но зато они могут сканировать носители произвольной толщины и даже вовсе неплоские предметы.

Планшетный сканер

На прозрачное стекло под крышку сканера кладётся изображение (текст, графика, фотография), подлежащее сканированию, «лицом» вниз. Дальше начинает движение каретка, совершая путь, равный длине стекла. Лампа подсветки и система зеркал установлены на каретке, которая передвигается при помощи шагового двигателя. Свет от лампы установленной на каретке при сканировании на каждом шаге двигателя отражается от документа и через систему зеркал попадает на матрицу, состоящую из чувствительных элементов, которые определяют интенсивность отраженного света путем преобразования в электрический сигнал. Эти чувствительные элементы называют CCD (английская аббревиатура Couple-Charged Device) или в русском переводе — ПЗС (прибор с зарядовой связью). Далее происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой с последующей обработкой и передачей в компьютер для дальнейшего использования. Таким образом, на каждом шаге каретки сканер фиксирует одну горизонтальную полоску оригинала, разбитую в свою очередь на некоторое количество пикселов на линейке ПЗС. Итоговое изображение, составленное из полосок, представляет собой как бы мозаику составленную из плиток (пикселов) одинакового размера и разного цвета.

Классификация и основные характеристики планшетных сканеров

Точная цветопередача при сканировании цветных изображений происходит путём разделения сканируемого цвета по трём основным составляющим цветам: красному (Red), зелёному (Green) и синему (Blue).

1. Трехпроходный.

Раньше для цветного сканирования приходилось использовать трехпроходную технологию. То есть первый проход с красным фильтром для получения красной составляющей, второй — для зеленой составляющей и третий — для синей. Такой метод имеет два существенных недостатка: малая скорость работы и проблема объединения трех отдельных сканов в один, с вытекающим отсюда несовмещением цветов.

2. Однопроходный.

В современных однопроходных сканерах CCD-матрица состоит из трёх параллельных линеек приёмных ячеек (технология Single Pass), что позволяет производить сканирование изображения за один проход каретки. Технология Single Pass позволяет добиться наиболее точного совмещения цветов изображения, а также значительно снизить само время сканирования.

Аппаратный интерфейс.

Интерфейс влияет на скорость процесса сканирования, будучи ответственным, за быстроту обмена данными между компьютером и сканером. Сейчас к LPT- и SCSI-сканерам прибавились модели, оснащенные перспективным и шустрым интерфейсом USB. К примеру, существуют три разновидности модели Astra 1220 (производства UMAX): Astra 1220P, подключаемая к порту принтера, Astra 1220U, использующая интерфейс USB, и Astra 1220S — SCSI-устройство. Наиболее скоростной из них является модель с интерфейсом SCSI, с USB — помедленнее, а с LPT — самой «тихоходной». В то же время следует заметить, что в отдельных случаях скоростные показатели сканеров с тем или иным интерфейсом могут значительно отличаться от ожидаемых. Однако такие моменты лишь подтверждают правило, поэтому разница в цене, существующая между LPT-, USB- и SCSI-сканерами вполне оправдана (например: Astra 1220P — 153 y.e., Astra 1220U — 180 y.e., Astra 1220S — 240 y.e. — цены начала апреля).

Разрешение сканера.

Оптическое — определяется количеством ячеек в линии матрицы, поделенным на ширину поля сканирования. Обычно разрешение сканера обозначается двумя цифрами: 300х600 ppi, 600х1200 ppi и т.п. Так вот, первая указывает разрешение оптическое, а второе — механическое. Механическое — определяется количеством выполненного процесса считывания информации матрицей, поделенное на длину каретки, пройденной за это время.

Интерполированное — выбирается пользователем и может в несколько раз превышать реальное разрешение сканера. Например, программно разрешение 600 ppi сканера HP ScanJet 5100C можно довести до 1200 ppi. Однако больше — не значит в данном случае лучше. Качественное сканирование получается при разрешении равном оптическому, либо меньшим, но ему кратным. Что касается интерполированного разрешения, то иногда оно бывает оправдано, например, при сканировании гравюр.

Глубина цвета.

В АЦП аналоговая информация матрицы преобразуется в цифровую, битовую. Поскольку информация о цвете хранится в битах, то глубина цвета — это определенное число бит. Стандартной («истинной») можно считать глубину цвета в 24 бита на каждую точку, когда на цвета RGB приходится по 8 бит. Соответственно, при такой разрядности сканер воспринимает 16,77 млн. цветовых оттенков одной точки. Помимо 24-битных сканеров на сегодняшний день широко распространены 30-, 36-, 42- и даже 48-битные сканеры. Но что интересно: человеческий глаз «не рассчитан» на глубину цвета более 24 бит. Увеличение разрядности сканеров вызвано не желанием производителей подзаработать на истерии вокруг технологических гонок, причина в другом: аналого-цифровое преобразование приводит к появлению искажений в младших, наиболее «ранимых», битах, — 30-битные (и выше) системы не пропускают пустую информацию в компьютер, «вытягивая» на выходе глубину цвета до полноценных 24 бит.

Диапазон оптических плотностей.

Любое изображение имеет оптическую плотность: от 0.0 D (абсолютно белое, прозрачное) до 4,0 (абсолютно черное, непрозрачное). Динамический диапазон сканера определяется его способностью воспринимать оптическую плотность сканируемого изображения. Если сканер имеет динамический диапазон равный 2,5 D, то он сможет справиться с фотографиями, но не сможет работать с негативами, имеющими оптическую плотность более 3,0 D. Это значит, что сканер не воспримет наиболее темные участки изображения и произведет неполноценное сканирование. Диапазон оптических плотностей сканера определяется оптикой сканера и глубиной цвета.

Программное обеспечение.

Сканер — один из первых продуктов, в комплекте с которым пользователь стал получать помимо самого устройства и аппаратного драйвера, несколько программных продуктов. Первое, что обязательно идет в комплекте со сканером — это его Twain драйвер. В среде DOS все сканеры работали только со своими программными приложениями. Появление Windows, казалось бы, должно было положить конец проблемам, связанным с совместимостью сканеров с различным программным обеспечением, но Microsoft не включил сканеры в список устройств, стандартно поддерживаемых Windows. Ведущие производители сканеров и программного обеспечения создали этот стандарт своими силами, и называться он стал TWAIN. Сейчас стандарт TWAIN поддерживается всеми производителями настольных сканеров и всеми ведущими производителями графических пакетов и программ распознавания символов.

Twain драйвер сканера — это программное приложение с графическим интерфейсом, которое несет на себе функции панели управления сканером и осуществляет передачу данных от сканера в программное приложение, из которого вызывается сканер. С помощью Twain драйвера производится установка параметров и области сканирования, предварительное сканирование и просмотр, возможность выбора разрешения и режима сканирования, регулирование контрастности, яркости и гаммы и постобработка получаемого изображения. Кроме сканеров Twain поддерживается также и цифровыми камерами.

Графический пакет.

С помощью графического пакета осуществляется ввод графических изображений в компьютер. В комплекте со сканерами сейчас поставляются продукты таких фирм, как Adobe (Photoshop), Ulead (Image Palsgo, IPhoto Plus, IPhoto Express), Micrografx (Picture Publisher) и некоторые другие.

Наиболее популярен сейчас в России пакет Adobe Photoshop. На западном рынке растет известность продуктов фирмы Ulead Inc, которая сейчас создала несколько очень интересных приложений для Web дизайна. Российским пользователям достаточно хорошо известен продукт IPhoto Plus простой в обращение, компактный и предоставляющий пользователю все необходимые средства в начальном редактировании изображений. Новая модификация IPhoto программа IPhoto Express имеет очень доступный, красивый интерфейс и позволяет нажатием одной кнопки создать календарь, обои или Screen Saver из отсканированного изображения. Программа PhotoImpact представляет собой мощный инструмент в мире графики.

Программа распознавания символов.

Графическое изображение текста, введённое со сканера, может быть преобразовано в символьный формат с помощью программ распознавания текста OCR (Optical Character Recognizer). Современные программы на современных компьютерах позволяют выполнять эти преобразования быстро и довольно верно, автоматически выделяя текст в возможном окружении графических рисунков, выявляя таблицы и другие элементы оформления. Символьное хранение текстов гораздо компактнее и информативнее графического. Текст может распознаваться при разном начертании букв, вплоть до рукописных, но для этого программа распознавания должна быть достаточно совершенна и самообучаема. Для распознавания русского языка существует две программы Fine Reader 3.0 (фирма БИТ) и CuneiForm (фирма Cognitive Technologies).

Другие программные продукты.

Кроме необходимых компонентов поставки сканера Twain драйвера, графического пакета и пакета распознавания символов, часто можно получить со сканером ряд других полезных программ и утилит. Это может быть приложение для прямой печати на принтер или отсылке факсов со сканера, программу переводчик, программу для организации документооборота и многое другое.

Дополнительное оборудование.

Некоторые планшетные сканеры, помимо использования для сканирования непрозрачных оригиналов, можно использовать для сканирования прозрачных пленок, слайдов, негативов, рентгеновских снимков и т.д. Для этих служит слайд-адаптер, который устанавливается вместо крышки сканера и при сканировании пленок, заменяет лампу подсветки на каретке сканера (она отключается), собственным источником света. На систему зеркал в таком случае попадает свет не отраженный, а проходящий через прозрачный оригинал.

Для сканирования большого числа стандартных оригиналов (например: бланки, визитки и т.д.) можно укомплектовать сканер автоподатчиком бумаги. Автоподатчик также устанавливается вместо крышки и при сканировании с использованием автоподатчика, оригиналы протягиваются механизмом подачи мимо лампы подсветки, каретка при этом не передвигается.

Тест

Источник: sdo.irkat.ru