1. Сканирующие устройства: назначения, характеристики, области применения.

Разрешение. Разрешение - величина, характеризующая ко­личество считываемых элементов на единицу длины. Чаще все­го размерность этой величины указывают в точках на дюйм или точках на сантиметр.

Различают оптическое и интерполяционное разрешение. Строго говоря, оптическое разрешение - это количество ПЗС- элементов (ПЗС – приборы с зарядной связью), задействованных при сканировании оригинала, при­ходящееся на единицу длины. Интерполяционное разрешение создается введением дополнительных, математически рассчи­танных элементов изображения в определенном радиусе между двумя соседними элементами, полученными путем считывания изображения ПЗС-элементами.

Большое разрешение, достигаемое в профессиональных ска­нерах, обеспечивает возможность больших увеличений.

Используемые в системах сканирования интерполяционные возможности позволяют снизить эффекты малого разрешения, однако объем обрабатываемой информации резко увеличится, а новые элементы изображения не появятся.

Выбор разрешения - одна из наиболее важных задач на ста­дии оцифровки изображения. При полиграфическом воспроиз­ведении изображения линиатуру полиграфического растра при­нимают в качестве исходного параметра разрешения сканиро­вания. При сканировании с разрешением, близким к линиатуре, могут возникать искажения изображения, особенно заметные, если на изображении есть резкая граница между цветовыми от­тенками, расположенными под углом, близким к углу наклона растра одного из цветов.

Существует математическая зависимость разрешающей спо­собности Res в точках на дюйм (dpi), с учетом которой необходимо сканировать оригинал для получения заданного качества:

Res=Lin*К*М,

где Lin - линиатура полиграфического растра, с которым бу­дет производиться дальнейшая печать (lpi); М - масштаб увели­чения изображения; К - так называемый коэффициент качества, лежащий в пределах от 1,5 до 2.

Верхняя теоретическая граница 2 была предложена еще в 1928 г. инженером американской компании AT&T Г.Найквистом, и в самом общем виде ее обоснование формулируется следую­щим образом: для того чтобы результат измерений был лишен искажений, число замеров должно, по меньшей мере, вдвое пре­вышать число деталей.

Механизм сканирования оригиналов. Устройство сканера во многом определяется применяемым ФЭП (фотоэлектронные преобразователи). В связи с этим при­нято различать считывание информации по плоскости и по по­верхности цилиндра, а сканеры соответственно плоскостные и цилиндрические (барабанные).

Сканирующее устройство для считывания информации в плоскостных сканерах представляет собой линейную матрицу элементов, рассчитанных таким образом, чтобы на нее проеци­ровалось изображение шириной, равной ширине сканируемой области.

Считывание информации может происходить как за один

цикл засветки оригинала - однопроходная технология, так и за

несколько (обычно за три) - многопроходная технология.

Можно выделить четыре схемы засветки, применяемые в сов­ременных сканерах:

Специальная головка, в которой расположены три источника света за тремя светофильтрами (красным, зеленым и синим) и ПЗС-матрица с оптической системой, перемещается вдоль сканируемого образца микрошаговым двигателем (в черно- белом сканере одна лампа). При однопроходной технологии на каждом шаге головка фиксируется, и лампы, попеременно за­жигаясь, засвечивают ПЗС-матрицу, отображающую цвето­вой профиль того цвета, лампа которого в данный момент включена. При наблюдении такое сканирование выглядит не­прерывным, так как быстродействие ПЗС-элементов состав­ляет доли миллисекунд. Если технология многопроходная (обычно три прохода), то на каждом проходе снимается ин­формация только одного цвета.

Световой поток от источника со стабильным спектром излу­чения. близким к дневному свету (как правило, специальная люминесцентная лампа с цветовой температурой 5000 или 5500 К), проходит через размещенный на прозрачной поверх­ности (обычно на стекле) оригинал и диафрагму в виде узкой щели, параллельной источнику света. Диафрагма позволяет ограничить размер элемента изображения, считываемый ка­ждым элементом ПЗС-линейки. При сканировании в отра­женном свете оригинал освещается «снизу», а специальная ширма препятствует попаданию прямого света от источника в оптический тракт.

«Полоса» света, прошедшая через диафрагму, фокусируется объективом и пропускается через систему полупрозрачных зеркал, распределяющих световой поток на три части, при­близительно равные по интенсивности. Каждый из трех све­товых пучков пропускается через один из трех светофильт­ров, соответствующих трем составляющим в аддитивной мо­дели цветового синтеза (красный, синий, зеленый).

В некоторых случаях вместо зеркал используют специальные призмы, обеспечивающие разделение светового потока на три части, а в отдельных моделях эти призмы реализуют и функции светофильтров, направляя разные части видимого спектра в разные стороны.

Пучок света, прошедший через фильтр, попадает на линейку с зарядовой связью, расположенную в фокальной плоскости объектива. Таким образом, в каждый момент времени для считывания доступна информация об одной «строке» изобра­жения. Перемещение оригинала относительно тракта «источ­ник света - ПЗС-линейка» обеспечивает второе направление развертки изображения.

Принципиально необходимым для правильной работы планшет­ного сканера является параллельность источника света, ориги­нала. диафрагмы и ПЗС-линейки. Кроме того, все три ПЗС-линейки должны одновременно попадать в фокальную плоскость.

Вместо трех ПЗС-линеек используется одна, а светофильтры перед ней меняются специальным механизмом. Естественно, изображение вместо одного прохода считывается за три. Применение ПЗС-элементов определяет оптоэлектрические параметры устройства: число распознаваемых оттенков, рас­познаваемый диапазон оптических плотностей оригиналов и оптическую разрешающую способность.

Показатели качества таких сканеров в большой степени зави­сят от механических характеристик устройства. Существен­ное влияние оказывают точность шага и параллельность пе­ремещения сканирующей головки.

ФЭУ традиционно используются в барабанных сканерах. В качестве источника излучения обычно применяются галоген­ные лампы мощностью 45-60 Вт. Если сканируется прозрачный оригинал, то внутрь барабана помещают источник света с фоку­сирующей оптической системой; фокус лежит в плоскости ори­гинала. Если оригинал непрозрачный, источник света находит­ся снаружи. Свет, прошедший (или отраженный) через оригинал, попадает на приемное окно ФЭУ.

Считывание информации по окружности происходит за счет вращения барабана, а вдоль направляющей цилиндра - благода­ря специальному ходовому винту. За один элементарный шаг сканирования считывается только одна точка изображения (в сканерах на основе ПЗС - целая строка), размер которой опреде­ляется параметрами оптической системы и может быть меньше 1 мкм (чем и определяется оптическое разрешение). Так как вра­щение можно синхронизировать с очень высокой точностью, а прецизионный ходовой винт обеспечивает погрешности порядка долей микрометра, точность работы таких сканеров значитель­но выше, чем плоскостных.

При вращающемся барабане невозможно зафиксировать точ­ку сканирования, поэтому для цветного сканирования либо при­меняется трехпроходная технология, либо используются три ФЭУ с разными спектрами чувствительности (при аддитивном цветовом синтезе).

Поскольку именно апертура в барабанном сканере определяет размер элемента изображения, каждому разрешению сканиро­вания в идеальном случае должна соответствовать своя аперту­ра. Если апертура слишком велика, соседние элементы перекры­ваются, что ведет к снижению резкости изображения; при малой же апертуре между соседними элементами образуется зазор, что приводит к потере части информации при считывании и одно­временно увеличивает шумовую составляющую.

В современных барабанных сканерах количество апертур сканирования ограничено. Если необходимо сканировать с раз­решением. для которого нет точно соответствующей ему аперту­ры, выбирается ближайшая меньшая, при этом количество диа­фрагм составляет 8-12 вариантов для каждого режима сканиро­вания (отдельно для проходящего и отраженного света).

Для сканирования с различным разрешением большинство барабанных сканеров имеют возможность увеличивать или уменьшать частоту вращения барабана. При этом соответствен­но изменяется и шаг перемещения считывающей системы.

Преобразование аналогового сигнала в цифровой. В осно­ве любой сканирующей системы лежат аналоговые элементы, воспринимающие бесконечно много уровней входного сигнала. Заключительным этапом обеспечиваемых сканером преобразо­ваний является получение информации об изображении, кото­рое передается в ЭВМ в цифровой форме. При этом сигнал преоб­разуется из аналоговой формы в цифровую.

Аналоговый сигнал может принимать произвольные значе­ния из диапазона допустимых значений - иначе говоря, аналого­вый сигнал непрерывен по множеству значений, которые он принимает. Сигнал, преобразованный в цифровой эквивалент, является дискретным по множеству принимаемых значений. Для 8-разрядного преобразования таких значений всего 256 (2⁸), для 12-разрядного-4096 (2¹²), для 16-разрядного-65536 (2¹⁶). Во всех случаях преобразование аналогового сигнала в цифровую форму дает ошибку округления, составляющую иногда половину веса младшего разряда, названную шумами квантования. Поэто­му очень важным параметром всех без исключения сканеров яв­ляется количество информации, приходящееся на один цвет.

В настольные издательские системы этот параметр вошел под названием глубины цвета и представляет собой максимальное

количество оттенков трех основных цветов аддитивного синте­за. Чем больше глубина цвета (или бит информации), тем более приближенный к оригиналу цвет получится на изображении. Современные профессиональные сканеры работают с глубиной 10, 12, 14 и 16 бит/цвет, т.е. при 16-битном представлении цвета изображение содержит 65536 оттенков одного из основных цве­тов RGB.

Основные стадии сканирования. Любую процедуру считы­вания информации с изображения для последующей обработки можно укрупненно разбить на шесть стадий:

• считывание информации с оригинала и преобразование ее в электрический сигнал, пропорциональный световому потоку, модулированному считываемым изображением;

• аппаратная компенсация индивидуальных особенностей счи­тывающих элементов;

• коррекция динамического диапазона, обеспечивающая мак­симально полное использование разрядности сканера или программного обеспечения;

• преобразование информации о световом потоке в информа­цию об оптической плотности;

• преобразование информации об изображении в какую-либо доступную цветовую модель (RGB, CMYK, CIELab) или в полу­тоновую (при сканировании черно-белых оригиналов и т.д.);

• цветокоррекция изображения с учетом индивидуальных осо­бенностей оригинала и печатного процесса (градационная, локальная, глобальная и т.д.), а также другие виды коррекции.

В некоторых моделях сканеров имеется дополнительный чет­вертый канал считывания информации для так называемого «нерезкого маскирования». Этот процесс осуществляется с ис­пользованием большей апертуры сканирования, при этом вы­числяется сигнал нерезкого маскирования аналоговыми мето­дами и на основании информации, непосредственно считывае­мой. с изображения, получается изображение с меньшим уровнем шумов, чем при аналогичной коррекции резкости циф­ровыми методами.

При сканировании некоторых оригиналов, особенно отпеча­танных полиграфическим способом, необходимо удалить рас­тровую структуру. Это достигается путем сканирования с расфо­кусировкой оптической системы - дерастрированием (в англий­ском варианте - descreening). Процесс дерастрирования обычно осуществляется в автоматическом режиме путем задания опера­тором значения линиатуры отпечатанного изображения.

Диапазон чувствительности сканера (в идеале) должен пере­крывать динамический диапазон оригинала, чтобы обеспечить распознавание деталей в светах и в тенях изображения. Это осо­бенно важно при сканировании в проходящем свете, где плотно­сти оригинала достигают значений D=3,8-4,2, в то время как для непрозрачных оригиналов оптическая плотность не превы­шает D=2-2,5.

Современные сканеры, использующие в качестве светоприемников ПЗС-элементы, имеют несколько меньший диапазон рас­познаваемых оптических плотностей, чем сканеры с ФЭУ. Обыч­но он составляет от 0,3 до 3,9 и от 0,3 до 4,2 соответственно.

Работа с цветовыми пространствами. Различные фирмы- производители для работы на сканерах используют различные цветовые пространства. Тем не менее основными признаны RGB, CMYK, CIELab. Первые два пространства являются аппаратно-зависимыми, а последнее - математически рассчитанное и лишенное привязки к какому-либо типу оборудования.

советом фирмыPrepress осно­вывается на использовании CIELab в качестве внутреннего про­странства, которое при необходимости пересчитывается в дру­гие пространства работающих устройств.