46. Що таке сканер?Які їх типи, характеристики, принцип роботи?

Сканер является устройством ввода, преобразующим изображение в его цифровой образ (по точкам) и передающее этот образ в компьютер. Вводимое изображение может быть текстом, рисунком, фотографией, диаграммой, проекцией трехмерною предмета на плоскость или чем-нибудь другим. Разновидностями сканера можно считать и цифровые фотокамеры и видеокамеры.

В настоящее время выпускается множество моделей сканеров, однако все они могут быть классифицированы по следующим характеристикам:

1. конструкции;

2. способу формирования изображения;

3. типам обрабатываемых изображений;

4. прозрачность оригинала;

5. размеру сканируемой области;

6. разрешению;

7. яркости и контрасту;

8. скорость сканирования;

9. аппаратному интерфейсу с компьютером;

10. и программному интерфейсу с компьютером.

В конструкции сканера определяющим фактором является способ перемещения сканера (его головки) и бумаги относительно друг друга.

Самым простым типом сканеров являются ручные (handheld) сканеры, в котором перемещения устройства относительно бумаги осуществляет сам пользователь. Основные достоинства сканеров этого типа – малые габариты и низкая цена (так как отсутствует двигатель для протяжки бумаги или перемещения головки), а недостатки вытекают из принципа конструкции. При помощи таких сканеров невозможно ввести изображение формата A4 за один проход, поскольку считывающая головка имеет малые габариты (стандартная ширина – 105 мм). Оттого, насколько равномерно пользователь перемещает сканер, зависит степень искажения передаваемого в компьютер изображения.

Настольные (desktop) сканеры делятся на рулонные (sheetfed), планшетные (flatbed), барабанные (drum) и проекционные (overhead) устройства.

У рулонных сканеров сканирующая головка стоит на месте, а бумага перемещается относительно нее с помощью протяжного механизма (как в матричном принтере). Основное достоинство – при сравнительно невысокой цене сканера – возможность ввода документов формата А4 а также небольшие габариты сканера. Большинство роликовых сканеров работают в двух режимах: сканирования изображения и его факсимильной передачи. Такие устройства иногда назы­вают факс-сканерами. Недостатком этого типа сканера является то, что отсканировать книгу или журнал можно, лишь предварительно разделив их на отдельные листы.

Этого недостатка лишены планшетные сканеры, у которых сканирующая головка перемещается относительно бумаги с помощью шагового двигателя. Большинство полностраничных сканеров являются планшетными. Как и в копировальных аппаратах, в планшетных сканерах есть крышка на петлях, позволяющая использовать в качестве источников изображений книги и другие нестандартные оригиналы. Типовой планшетный сканер предназначен для сканирования оригиналов размером 21,633 см.

В барабанных сканерах оригинал закрепляется на поверхности прозрачного цилиндра (барабана), укрепленного на массивном основании, которое обеспечивает ему хорошую устойчивость. Барабан вра­щается с большой скоростью (от 300 до 1350 оборотов/мин), а находящийся рядом с ним сканирующий датчик через крошечную конусообразную апертуру считывает изображение по пикселям.

У проекционных сканеров считывающая часть перемешается при помощи микромеханизма, который направляет "глаз" сканера на каждую линию оригинала. Внешний вид их напоминает фотоувеличитель (некоторые сканеры не используют специального источника света – им достаточно естественного освещения). Оригинал располагается изображением вверх на подставке под сканирующей головкой на расстоянии около 30 см. Внутренний источник света при этом не требуется, естественного освеще­ния оказывается достаточно. Хотя данные устройства обеспечивают ввод как документов, так и книг, добавляя способность вводить в компьютер проекции трехмерных предметов, они обладают существенным недостатком – низкой скоростью сканирования.

Существуют и комбинированные устройства, т.е. могут работать и как рулонные, и как планшетные и как проекционные сканеры, а сканер Niscan Page (NISCA) обладает уникальной способностью самостоятельно перемещаться по бумаге в процессе сканирования, а также может функционировать как ручной или рулонный. Благодаря использованию комбинированных датчиков такие сканеры имеют компактную конструкцию.

Формирование изображений в современных устройствах оцифровывания данных, в том числе и сканерах, реализуется на основе использования светочувствительных датчиков двух типов: приборов с зарядовой связью (ПЗС) или фотоэлектрон­ных умножителей (ФЭУ).

Неотъемлемой частью любого сканера являются аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Они предназначены для преобразования непрерывно изме­няющихся значений напряжения, получаемых с помощью ПЗС или ФЭУ, в числа, соответствующие оттенкам цвета или градациям серого. Качество сканированного изображения напрямую связано с разрядностью используе­мого в сканере АЦП.

ПЗС – это твердотельный электронный компонент, состоящий из множест­ва крошечных датчиков, которые преобразуют интенсивность падающего на них света в пропорциональный ей электрический заряд. В основу ПЗС по­ложена чувствительность проводимости р-n-перехода обыкновенного полу­проводникового диода к степени его освещенности. На p-n-переходе создается заряд, который уменьшается со скоростью, зависящей от освещенно­сти. Чем меньше заряд, тем больший ток проходит через диод.

В зависимости от типа сканера ПЗС могут иметь различную конфигурацию. При линейном способе считывания информации микродатчики ПЗС разме­щаются на кристалле в одну линию (для трехпроходного сканирования) или в три линии (для однопроходного сканирования). Такая конфигурация по­зволяет устройству производить выборку всей ширины исходного аналого­вого изображения и записывать его как полную строку. Данный способ формирования изображения (рис. 2.48) обычно используется в доступных широкому кругу пользователей ручных, планшетных, роликовых и проекционных сканерах.

В слайдовых сканерах, цифровых фотокамерах и видеокамерах датчики ПЗС обычно имеют форму прямоугольной матрицы, что позволяет формировать образ оригинала целиком, а не построчно. В этом случае говорят о матричном способе формирования изображения, находящем применение в так называемых нетрадиционных сканерах. К ним относятся цифровые ка­меры и устройства захвата видеоизображений.

В барабанных сканерах (рис. 2.49) в качестве светочувствительных приборов применяются фотоэлектронные умножители. В качестве источника света в этих сканерах используется ксеноновая или вольфрамо-галогенная лампа, излучение которых с помощью конденсирующих линз и волоконной оптики фокусируется на чрезвычайно небольшой области оригинала. Основанные на ламповой технологии ФЭУ осуществляют электронное усиление интен­сивности отраженного от оригинала света. Попадая на катод ФЭУ, свет вы­бивает из него электроны, которые, проходя через пластины динодов, вызывают вторичную электронную эмиссию. Коэффициент усиления зависит от свойств материала и количества динодов. Напряжение, пропорциональное освещенности катода ФЭУ, снимается с анода и затем преобразуется в циф­ровой код.

По типам обрабатываемых изображений сканеры подразделяются на черно-белые, “серые” и цветные.

Черно-белые сканеры самые простые и дешевые. Они предназначены для ввода рисунков, текста, чертежей и позволяют вводить изображение в единственном режиме – 1 bpp (bits per pixel – бит на пиксель). Значение этого бита (1 или 0) определяет черную или белую точку. В таких сканерах предусматривается на­стройка порога чувствительности, позволяющая расширить диапа­зон вводимых оригиналов: от слишком светлых до чрезмерно затемненных.

«Серые» сканеры (grayscale), как правило, позволяют вводить изображение в режиме несколько бит на точку. Количество градаций серого цвета для таких сканеров равно 2ⁿ, где n - число bpp. Для bpp=8 имеется 2⁸=256 градаций серого цвета, для bpp=6 – 2⁶ = 64 градации.

Однако надо отличать «серые» сканеры от черно-белых сканеров, эмулирующих серое. Такие сканеры поддерживают полутоновый (halftone) режим. При полутоновом режиме число bpp не меняется и равно 1, а “серость” достигается за счет механизма “колебания” (dithering), при котором градации “серого” эмулируются, как и в типографской печати, с помощью плотности черных точек (то есть разного количества черных точек на единицу изображения). Происходит это следующим образом: все изображение разбивается на участки определенного размера (22, 44, 88), называемые “шаблонами колебания” (dither pattern). Для каждой точки участка существует свое значение порога, отделяющее черное от белого. Поэтому соседние точки, отличающиеся друг от друга по степени отражения света, могут в результате оказаться одинаковыми, в то время как при простом черно-белом сканировании они были бы разными. Размер участка определяет число градаций серого, которое способен эмулировал сканер. Обычно для ручных сканеров размер участка задан аппаратно, а для настольных сканеров имеется возможность выбора одного из нескольких размеров или даже задание своего собственного размера.

Поскольку наиболее распространенными являются черно-белые принтеры (по причине дороговизны полутоновых), особенно актуальным полутоновый режим становится, когда сканируемое изображение надо распечатать на принтере (при этом разрешения при сканировании и распечатке должны совпадать).

У цветных сканеров число bpp обычно равно 24, то есть по 8 бит на точку для каждого из цветов (RGB). Соответственно число воспринимаемых цветов – 16 777 216. Способ получения изображения у данного типа сканеров бывает как однопроходный, так и трехпроходный, в последнем случае в каждый проход считывается все изображение с фильтром заданного цвета. Цветные сканеры могут работать также и в «сером», и в черно-белом режиме. Хотя цветные сканеры – это в основном настольные сканеры, однако в последнее время растет количество моделей ручных цветных сканеров.

По прозрачности оригиналы можно условно разделить на две большие группы: отражающие (непрозрачные) и прозрачные.

К первой из них относятся всевозможные фотографии, рисунки, страницы книг и журналов и т. п. Прозрачными оригиналами являются цветные и черно-белые слайды и негативы. Если отражающие оригиналы могут быть обработаны с применением большинства приведенных выше конструкций сканеров, то для работы с их прозрачными аналогами требуется либо специализиро­ванный сканер, либо такая модель традиционного сканера, одной из опций которого является дополнительная возможность обработки прозрачных ори­гиналов.

Максимальный размер сканируемой области для разных моделей сканеров существенно отличается. Для ручных сканеров ширина сканируемой области обычно равна 105 мм, а длина определяется программным обеспечением. Барабанные и планшетные обычно сканеры обеспечивают ввод документов формата A4. Существуют и более дорогие модели сканеров с размерами сканируемой области вплоть до A0. У некоторых проекционных сканеров максимальный размер области считывания можно регулировать.

Разрешение сканера измеряется числом точек на дюйм – dpi. Следует отличать оптическое разрешение, определяемое количеством элементов в фотоприемной линейке или матрицы, от логического разрешения. Как правило, сканер поддерживает только одно оптическое разрешение. Логическое разрешение (обычно декларированное) получается из оптического с помощью интерполяции: между фактически сканированными точками вставляются дополнительные точки, цвета или градации серого цвета, которые рассчитываются исходя из значений соседних точек. Все ручные сканеры поддерживают как минимум три разных значения оптического разрешения (в диапазоне от 100 до 800 dpi с шагом 100 dpi). Разрешение для большинства ручных сканеров обычно выбирается вручную с помощью переключателя. Настольные сканеры, а также некоторые ручные сканеры имеют одно значение оптического разрешения (300-400 dpi). Логическое разрешение таких сканеров может плавно изменяться программными средствами и достигать 1200-1600 dpi.

Если рассмотреть весь диапазон от белого цвета к черному цвету, то контраст определяет ширину диапазона (или число градаций серого), а яркость – смещение диапазона в ту или иную сторону. Комбинация этих двух величин актуальна только для «серого» сканирования, когда число bpp больше 1. Регулировка этих параметров может осуществляться либо программно (для настольных сканеров), либо вручную (для всех типов ручных сканеров). Для черно-белого режима, где число bpp равно 1, понятие контраста неактуально. Яркость при этом служит пороговым значением, отделяющим белый цвет от черного.

Скорость сканирования для настольных сканеров влияет только на производительность и во многом определяется способом подключения к компьютеру (через канал прямого доступа в память, параллельный или последовательный порт). Для ручных сканеров этот параметр имеет особую значимость, поскольку, чем выше допустимая скорость ввода, тем проще пользователю плавно перемешать сканер и тем самым избежать искажений изображения. Обычно на лицевой панели ручных сканеров имеется светодиодный индикатор, сигнализирующий о превышении допустимой скорости сканирования (более того, некоторые сканеры в дополнение к индикатору снабжены звуковой сигнализацией).

Аппаратный интерфейс сканера с компьютером реализуется либо с помощью собственной платы, либо с использованием одного из интерфейсов компьютером.

Большинство ручных сканеров, а также многие модели настольных сканеров работают через собственную плату адаптера, вставляемую в 8-битовый или 16-битовый слот расширения материнской платы. При этом обмен данными идет через канал прямого доступа к памяти.

С появлением SCSI производители сканеров стали выпускать устройства, поддерживающие этот интерфейс. Некоторые модели сканеров имеют в комплекте поставки плату контроллера SCSI на случай отсутствия других SCSI-устройств в компьютере пользователя.

Продолжают использоваться сканеры, у которых наряду с возможностью обмена данными через канал прямого доступа в память существует альтернативный способ связи – через последовательный порт. Для работы с такими сканерами не нужна плата адаптера, но их крупным недостатком является низкая скорость сканирования.

В последнее время появляется все больше моделей сканеров, использующих для обмена данными стандартный параллельный порт принтера. Основное их достоинство – возможность подключения к портативным компьютерам и небольшие габариты (некоторые модели таких сканеров могут работать не только от сети, а и от внутренних аккумуляторов). Существуют также модели сканеров с подключением с помощью интерфейса USB, но они пока стоят дороже, чем сканеры с другим аппаратным интерфейсом.

Программный интерфейс сканера реализуется с помощью системного драйвера, обычно поставляемого вместе с устройством. Этот драйвер управляет выполнением процедуры скани­рования и настройки основных параметров сканера. Подобные программы часто дополнительно оснащаются инструментальными средствами обработки отсканированных изображений. Как правило, также имеется возможность выбрать один из поддерживаемых форматов файлов для сохра­нения создаваемых копий.

До недавнего времени каждый драйвер для сканера имел свой собственный интерфейс. Использование такого специализированного интерфейса неудобно, поскольку для каждой модели сканера нужна своя прикладная программа.

Недавно появился новый стандарт TWAIN, согласно которому осуществляется обмен данными между прикладной программой и внешним устройством (в частности, сканером). Он привлекателен тем, что любая прикладная программа, поддерживающая TWAIN, будет работать с любым TWAIN-совместимым сканером, независимо от его конструкции, типа используемого аппаратного интерфейса, параметров сканирования и прочего. Наиболее распространенные графические редакторы, в частности Adobe Photoshop и CorelDraw, а также издательские системы поддерживают стандарт TWAIN.

Применение сканеров имеет широкий диапазон и находится в постоянном развитии. Основными областями применения сканеров являются:

11. настольные издательские системы;

12. системы копирования и обработки изображений;

13. системы обработки документов с использованием пакетов оптического распознавания символов;

14. системы автоматизированного проектирования (САПР);

15. системы компьютерной анимации;

16. системы передачи информации (ПК со сканером и с факс-модемом может заменить факсимильный аппарат).