Устройства ввода информации

Барабанный сканер (Drum) - сканер, содержащий вращающийся с высокой скоростью барабан, на котором закрепляется документ. Считывание изображения документа выполняется фотоприемником, в качестве которого чаще используются ФЭУ. Для прозрачного документа источник света размещается внутри барабана, а для отражающего - снаружи, вблизи с приемником.

Объектив (Object-lens) - часть оптического устройства, содержащая одну или несколько линз и обеспечивающая большое увеличение. В сканерах используются фотографические объективы с коротким фокусным расстоянием.

Полу-тонирование (Halftoning) - режим имитации непрерывного тона во время печати и вывода данных изображения на экран. Режим полу-тонирования используется в том случае, если на один пиксель - один или два бита данных.

Муар (Moire) - паразитный узор, связанный с неправильной установкой параметров растра при выводе отсканированного цифрового изображения. Муар убирается опцией Descreen или Screen frequency.

Линиатура растра (Liniature raster) - параметр растра, определяющий частоту (плотность) линий растра. Измеряется числом линий, приходящихся на один дюйм (Lpi - lines per inch). Выбирается с учетом разрешающей способности устройства вывода.

Цветовая модель (Туре) - функция программы сканирования, с помощью которой выбираются следующие модели: черный и белый (lineart), градации серого (gray scale), палитра (Colors: R G B) и т. д.

Автоматическая подстройка контраста и коррекция цвета (Auto Contrast & Color Correction) - команда утилиты сканера Microtex ScanMaker.

Фильтр (Filter) - функция программы сканирования для размытия (фильтр Blur) или повышения контрастности (фильтр Unsharp Mask - нерезкая маска).

Стандарт ISIS (Image and Scanner Interface Specification) - описывает взаимодействие программ обработки изображений и сканеров, поддерживаемый многими фирмами.

Стандарт TWAIN (аббревиатура TWAIN ничего не обозначает) - аппаратный драйвер сканеров, который используется программами обработки изображений, распознавания текста и т. д.

 

2.2 Структурная схема сканера

 

Структурная схема содержит два микроконтроллера МК1 и МК2, организация  совместной работы которых осуществляется с помощью шин адреса (ША), данных (ШД) и управления (ШУ). На рисунке 10 показана структурная схема сканера.

 

Рисунок 10 - Структурная схема сканера

 

Микроконтроллер МК1 предназначен для управления преобразованием  оптического изображения в цифровую форму. МК1 выполняет следующие функции:

• управление работами ПЗС и АЦП (прибора с зарядовой связью и аналого-цифрового преобразователя);
• передачи данных через блок USB в компьютер;
• обработки сигналов изображения.

В ОЗУ МК1 хранится отсканированное  изображение документа.

Микроконтроллер МК1 выполняет  последовательность операций над данными  изображения, передаваемых с выхода АЦП (8 бит на пиксел) и поступающих в МК1.

Перед тем как передать данные изображения в компьютер, МК1 осуществляет следующие действия:

1) оттеночную коррекцию  (Shading Correction);

2) гамма-коррекцию (Gamma Correction);

3) цветовую коррекцию (Color Correction);

4) коррекцию размера  (Zoom);

5) полутоновую коррекцию  (Halftoning).

Оттеночная коррекция  выполняется путем предварительного определения сканером значений точек  белого и черного стандартных  цветов. С этой целью при включенной лампе сканер читает белый край документа и находит соответствующее значение точки белого (самая яркая точка изображения). Затем сканирующая каретка возвращается в исходную позицию, закрытую от документа, и находится значение точки черного (самая темная точка изображения). Эти значения (двоичные коды 8-битного процессора) использует МК1 для определения диапазона оттенков от черного до белого (от 255 до 0). Нахождение значений точек черного и белого влияет на оттеночный диапазон и контрастность изображения.

Для значений точек черного (100%) и белого (0%) изображение получается резко контрастным, а при других значениях наблюдается более плавный переход от черного к белому.

Гамма-коррекция используется для поправки средних тонов. Коэффициент  гамма меньше 1 вызывает затемнение средней яркости, а гамма больше 1 - соответствие этих участков. По умолчанию устанавливается обычно гамма равно 1,8 коэфф., когда детали изображения хорошо видны в различных участках спектра.

Цветовая коррекция  заключается в необходимости  учитывать цветовые характеристики следующих устройств вывода: электронно-лучевой трубки монитора, точечно-матричного принтера, термопринтера и струйного принтера.

В ЭЛТ для образования  палитры используются основные первичные  цвета: пурпурный - М (Magenta), голубой - С (Cyan), желтый - Y (Yellow) и черный - B (Black). Поэтому в сканере предусматриваются четыре режима цветовой коррекции с учетом этих типов устройств вывода, причем для принтеров принимаются во внимание метод печати и тип чернил.

Цветовая коррекция  заключается в обработке данных изображения в МК 1 сканера с целью достижения оптимального соответствия с цветовыми характеристиками используемых устройств вывода.

Коррекция размера состоит  в увеличении или уменьшении размера  выходного изображения, который  может быть найден между 50% и 200%.

Реальному размеру сканируемого изображения соответствует 100%. Если размер указывается 200%, то площадь сканируемого изображения увеличивается в четыре раза по сравнению с оригиналом. Значения для главного и предварительного сканирований могут быть установлены независимо друг от друга.

Полутоновая коррекция  применяется для имитирования непрерывного тока и наиболее подходит для устройств  вывода, которые не поддерживают многобитных  данных для каждого пиксела. Сканер выполняет несколько режимов полутоновой коррекции. Полутоновый режим «А» (стандартная процедура) состоит в том, что сканер преобразовывает изображение в постоянно-тоновый вывод, поддерживающий четкость изображения. В полутоновом режиме В сканер преобразует изображение в непостоянно-тоновый вывод, который наиболее подходит для покрытия больших поверхностей. Режим «С» применяется для газетных изображений. В этом случае градации тона представлены пучками тока точек различного количества. Кроме того, применяются режимы, в которых каждой полутоновой точке соответствует матрица 4x4 пикселей, в которой можно программировать отдельные полутона. Тогда растрированное изображение представляется в виде совокупности отдельных полутоновых точек (ячеек).

Микроконтроллер МК2 с  помощью блока управления двигателем организует построчное перемещение каретки сканирования по всему документу, координацию общей работы всех устройств сканера и управление работой шин: ША, ШД и ШУ. На подвижной каретке размещается источник света, объектив. ПЗС-датчики и мотор. Документ освещается источником света, и через объектив оптической системы световое изображение попадает на ПЗС-датчики, которые могут быть выполнены в виде одной или трех линеек. Если используется одна линейка ПЗС-датчиков, то для получения цветного изображения выполняются три прохода каретки для каждой строки документа. В другом случае одновременно считываются три цветовых компонента RGВ для каждой точки, которые затем поступают на АЦП. ПЗС работает таким образом, что заряд каждой точки растровой линии последовательно сдвигается к выходу и передается на вход АЦП. Восьмиразрядный АЦП для каждого цвета позволяет получить палитру, содержащую 256 цветов, а всего с учетом трех цветовых компонентов (R, G, В) возможно образование 224-х цветовых оттенков.

Для подключения сканера к компьютеру используется интерфейс USB. последовательная универсальная шина, с которой МК1 соединен с помощью блока USB. Блок USB осуществляет преобразование параллельного кода в последовательный при передаче данных в компьютер и наоборот - последовательного кода в параллельный при приеме данных из компьютера. Кроме того, блок USB выполняет сложный протокол взаимодействия с шиной USB.

Многие сканеры используют параллельный интерфейс SCSI для сопряжения с компьютером. В этом случае компьютер содержит плату SCSI-контроллера, подключенного к системной шине, например PCI, и имеющего внешний разъем SCSI на стенке корпуса. Между компьютером и сканером выполняется определенный протокол для передачи данных, в котором можно выделить несколько диаграмм состояний. Диаграмма вывода компьютером кода управления без параметров состоит из двух шагов (рисунок 11): компьютер передает код управления без параметра, а сканер отвечает кодом АСК (Acknowledgement) или кодом NACK (Negative Acknowledgement).

Рисунок 11 - Вывод кода управления без параметров

 

АСК (06 Н) - положительная  квитанция-символ, указывающая на то, что код управления принят без  ошибки. NACK (15 Н) - отрицательная квитанция-символ, сообщающая о наличии ошибки в коде управления (недопустимом коде управления).

В случае передачи компьютером  кода управления с параметрами между компьютером и сканером выполняется следующая последовательность шагов (рисунок 12).

Рисунок 12 - Передача компьютером кода управления с параметрами

 

Запрос данных сканера  выполняется следующим образом (рисунок 13).

Рисунок 13 - Запрос данных сканера

 

Режим монохромного чтения блока данных сканера представлен  следующим рисунком (рисунок 14).

Рисунок 14 - Режим монохромного чтения

На каждый блок данных сканера компьютер отвечает символами АСК или CAN. CAN (Cancel) - символ отмены приема блока данных, а АСК - символ подтверждения приема блока данных.

Режим цветного чтения одной  растровой линии документа показан на рисунке 15.

Алогичным образом выполняется передача блоков данных других растровых линий документа.

Таким образом, для каждой растровой линии документа передаются блоки данных зеленого (G), красного (R) и синего (В) цветов.

Рисунок 15 - Режим цветного чтения

 

Рассмотрим форматы  блоков данных. На рисунке 16 изображен формат блока данных для одной линии.

В этом формате, в поле Счетчик байтов, указано, какое количество байтов содержится в поле Данные. Заголовок определяет начало блока данных. В байте состояния отмечаются атрибуты цвета (G, R, В), опции, флаг ошибок и т. д.

 Рисунок 16 - Формат блока данных одной растровой линии

 

Формат данных определяет число битов (от 1 до 8), используемых для воспроизведения цвета каждого пиксела. В монохромном режиме каждому пикселу соответствует 1 бит байта данных, значение которого «1» соответствует белому цвету, а «О» - черному цвету. Установка режима 2 бита на пиксел определяет четыре уровня цвета, то есть в байте данных размещаются цвета четырех пикселей. Кроме того, предусматривается режим, когда каждому пикселу соответствует байт данных, что позволяет задать 256 оттенков серого и получить результат фотографического качества.

 

2.2 Принцип действия сканера

 

Общий принцип функционирования сканера состоит из выполнения следующих основных действий:

• Калибровки преобразовательных систем.
• Перемещения сканирующей головки (каретки).
• Опроса фотодатчиков.
• Аналого-цифрового преобразования сигнала фотодатчиков.
• Обработки данных изображения.
• Передачи информации в компьютер.

Существуют разнообразные  типы сканеров, которые характеризуются различными функциональными возможностями и областью применения. Основное внимание в этом разделе уделено описанию планшетных сканеров, имеющих наибольшее применение.

Рассмотрим упрощенные схемы сканеров, поясняющие их принцип действия.

Схема черно-белого, или полутонового, сканера представлена на рисунке 17.

 

Рисунок 17 - Схема черно-белого или полутонового сканера

 

Источник белого света (лампа), объектив и ПЗС размещены в каретке, которая передвигается по направляющей и осуществляет оптическое сканирование строк документов. Отраженное оптическое изображение строки заполняется в ПЗС в виде зарядов разной величины, зависящей от интенсивности отраженного света. Затем эти заряды формируются в виде аналогового сигнала, сдвигаются к выходу и поступают на вход АЦП или компаратора.

В черно-белом сканере  в дискретные моменты времени  выполняется сравнение входного сигнала, поступаемого с выхода ПЗС, опорного (порогового) сигнал

ла. В результате сравнения  на выходе компьютера формируется сигнал нулевого уровня, соответствующий белому цвету или единичного уровня - черному цвету.

Полутоновый сканер содержит АЦП, позволяющий различать оттенок (уровни) серого цвета. АЦП преобразует  аналоговый сигнал в n-разрядный код  и таким образом способствует распознаванию в общем случае 2П уровней серого цвета.

На качество получаемого изображения  влияет оптическая система, ПЗС и  АЦП. Причем ПЗС может быть выполнен в виде линейки фоточувствительных элементов или матрицы. Если используется матричная ПЗС, то любая строка изображения  содержит равные квадраты, каждый из которых имеет свои оттенки серого.

Растровое представление документа показано на рисунке 18.

 Рисунок 18 - Растровое представление документа