Устройства ввода информации

 

Каждому пикселу строки документа соответствует свой фотодиод линейки ПЗС, который под действием фотонов отраженного света формирует ток, заряжающий конденсатор на определенную величину. Линейка ПЗС содержит несколько секций.

Первая секция предназначена  для приема оптического изображения, формирования зарядов и их накопления (хранения).

Вторая секция выполняет функцию регистра сдвига и под действием двух серий тактовых сигналов F1 и F2 (сдвинутых относительно друг друга) осуществляет транспортировку зарядов к выходу. Третья секция формирует аналоговый сигнал напряжения или тока, который усиливается перед вводом его в АЦП.

В цветных сканерах вместо источника белого цвета применяются  лампы красного, зеленого и синего цветов. Существуют цветные сканеры, в которых применяются источник белого света и три поворотных светофильтра.

Такой сканер осуществляет три прохода сканирования документа с целью получения цветного изображения. Самые простые светофильтры изготавливаются из тонких листов желатина, они имеют недолгий срок работы и используют эффект селективного поглощения, но являются более дорогими.

В других цветных сканерах с источником белого цвета для разделения белого цвета на цветовые компоненты R, G и В применяют специальную призму.

CIS-технология (Contact Image Sensor) по основным принципам почти  аналогична традиционной CCD-технологии  и является ее упрошенным вариантом. В CIS-сканерах отсутствует система зеркал и объектив. Светочувствительная линейка раина но ширине листу документа (ширине области сканировании), а каждая точка строки фокусируется на фотодиоде цилиндрической микролинзой. Документ освещается линейкой светодиодов, а в цветном сканере — светодиодами трёх основных цветов. Так как в CIS-сканере отсутствуют зеркала, объектив и лампа, то конструкция такого сканера получается очень компактной.

Все технологии сканирования постоянно модернизируются, например, корпорация Canon па основе CIS-технологии выпускает LED-сканеры (LED In Direct Exposure, непрямое светодиодное экспонирование), принцип их работы показан на рисунке 19.

Рисунок 19 - Принцип сканирования в планшетных LED-сканерах

 

По конструкции большинство сканеров выпускаются планшетного типа (рисунки 20 и 21). Размер стола для оригинала обычно имеет формат А4. Кроме планшетных в небольшом количестве выпускаются специализированные модели — сканеры с вертикальным расположением стола (рисунок 22), сканеры для работы с оригиналами формата A3, рулонные сканеры, слайд-сканеры. Ранее были популярны ручные сканеры, которые ныне сохранились разве что в магазинах для считывания кодовых полосок на товарах.

Для всех конструкций  сканеров можно составить следующую общую процедуру сканирования:

• Разогрев лампы, если не используются светодиоды;
• Калибровка, в процессе которой выполняется автоподстройка преобразовательных каскадов;
• Перемещение и позиционирование каретки;
• Опрос элементов светочувствительной матрицы и аналого-цифровое преобразование;
• Накопление полученных данных и буфере сканера;
• Передача данных в компьютер.

а — Beat Paw 2448ТА Pro компании Mustek;

б — Perfection 3200 компании EPSON

Рисунок 20 - Планшетные сканеры: а — Beat Paw 2448ТА Pro компании Mustek; б — Perfection 3200 компании EPSON

 

 

Рисунок 21 - Планшетный сканер Astra Slim1200SE компании UMAX

Рисунок 22 - «Прозрачный» вертикальный сканер hp Scanjet 4670

 

 

2.4 Технические характеристики сканеров

 

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

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

Первый этап электронном  обработки изображения после  засветки линейки светочувствительных  элементов заключаемся в том, что аналоговый сигнал поступает  на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), которым оцифровывает каждую точку документа. В отличие от оцифровки видеосигнала, разрядность АЦП в сканерах значительно выше — например, ныне массово выпускаются сканеры, у которых разрядность АЦП составляет 36 и 48 бит, правда, надо учитывать, что данные числа нужно делить на три — число основных цветов.

Примечание. Для справки - 8 бит позволяют получить 256 градаций одного цвета, а 8 бит х 3 = 24 бита или 16,77 млн. оттенков; 42 бита = 4398 миллиардов цветов; 48 бит = 281,5 триллионов цветов.

Разрядность АЦП при  прочих равных условиях определяет глубину  цвета сканера. Но видеоадаптеры  и мониторы поддерживают, в лучшем случае. 32-х битный цвет. Поэтому возникает вопрос, а зачем требуется гнаться за большей глубиной цвета у сканера, если все равно монитор и прочие устройства не поддерживают 36-и или 48-и битный цвет. Для этого есть очень простое объяснение — имея избыточную информацию, легко провести цветовую корректировку изображения в большом диапазоне оптических плотностей без потери качества. Скажем проще — сканер, который имеет большую глубину цвета, позволяет сохранить больше оттенков и переходов в темных и светлых тонах, а это позволяет программным путем провести корректно полученного изображения, т. е. меньше шансов, что придется заново сканировать оригинал.

Пользователя, который  на практике сталкивается со сканированием фотоизображений, начинает интересовать такой параметр, как оптическая плотность оригинала — это характеристика, которая вычисляется как десятичный логарифм отношения света падающего к свету отраженному (при сканировании непрозрачных оригиналов) или проходящему (при сканирования слайдов и негативов). Идеально белый оригинал имеет минимально возможное значение, равное 0D, а идеально черный — равен значению 4D. Например, в фотопроцессе у негатива реально иногда получить плотность, равную примерно 3,6D.

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

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

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

Дополнительно микропроцессор на основе значений реальных точек (пикселов) в ряде случаев рассчитывает новые, искусственно увеличивая разрешение сканера, которое называется интерполированным разрешением. Нужно оно или нет, вопрос достаточно спорный, т. к. оптическое разрешение остается прежним, но производители с удовольствием указывают в документации и на коробках огромные величины разрешения — особенно этим грешат производители дешевых моделей сканеров, у которых оптическое разрешение составляет 300 или 600 dpi. Тут следует помнить, что сканировать фото-негатив на подобном сканере, ориентируясь на расчетное разрешение, бессмысленно, т. к. масштабирование и все остальное намного проще и быстрее сделать программным путем на персональном компьютере, поскольку внутренний микропроцессор сканера не такой уж и быстрый (например, при сканировании с разрешением 9600 dpi на сканере с оптическим разрешением в 300 dpi весь процесс для одного оригинала может занять от 30 минут до часа).

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

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

Сканирование негативов  и слайдов.

Желание пользователей  перевести архивы негативов и  слайдов в электронный вид вызвало начало массового производства сначала слайд-адаптеров (слайд-модулeй) для сканеров, а потом и специализированных моделей слайд-сканеров.

Основной принцип работы современных слайд-модулей состоит  в том, что негатив или позитив  укрепляется в пластмассовой  рамке, чтобы пленка не касалась предметного  стекла во избежание появления колец Ньютона, затем рамка укладывается на стекло сканера. При сканировании пленка просвечивается внешней лампой, а внутренняя лампа сканера выключается.

Имеются самые разнообразные  конструкции слайд-модулей. На рисунке 23(а) показан вариант для одновременного сканирования до 12 слайдов 24 x 36. У таких моделей сканеров внешняя лампа смонтирована в крышке сканера.

На рисунке 23(б) показан вариант, когда внешняя лампа монтируется в отдельном съемном блоке. Для удешевления конструкция такого слайд-модуля рассчитана на один снимок узкопленочного или широкопленочного формата.

Для автоматизации и  увеличения производительности сканирования выпускаются специализированные слайд-сканеры, которые позволяют работать только со слайдами и пленками. Пример слайд-сканера показан на рисунке 24.

а - Сканер EPSON Perfection 1260

б - Сканер EPSON Perfection 3200

Рисунок. 23 - (а) Сканер EPSON Perfection 1260. (б) Сканер EPSON Perfection 3200

Рисунок. 24 - Слайд-сканер UMAX Power Look. 270

 

2.5 Производители сканеров

 

Увеличение требовании к разрешению сканеров привело к тому, что количество производителей такой продукции сократилось. Многие популярные ранее в России марки сканеров исчезли из компьютерных магазинов. Ныне имеет смысл упоминать только о сканерах производства компаний EPSON, Hewlett-Packard, UMAX, Mustek, Genius и Microtek. Сканеры других фирм встречаются крайне редко и обычно представляют собой специализированные модели.

EPSON.

Корпорация SEIKO EPSON Corporation выпускает большое количество сканеров почти для всех сфер применения. Пользователям наверное, будет интересно узнать, что новая линия сканеров EPSON Perfection сочетает относительно невысокую цену и высокое разрешение, что позволяет успешно сканировать па планшетном сканере негативы почти любого качества.

Hewlett-Packard.

Корпорация Hewlett-Packaul выпускает не только обычные планшетные сканеры, по и широкий круг специализированных сканирующих устройств, например, с автоподачей оригиналов. Для повышения производительности персонала офиса при рассылке сканированных документов по электронной почте выпускается несколько моделей устройств цифровой обработки изображений, в которых «скрещен» сканер и система электронной почты.