Сканер для персонального компьютера

Принципы сканирования

Для тех, кто занимается переводом бумажных архивов и старых фотографий в электронную форму, сканер является одним из самых важных нешних устройств персонального компьютера уже несколько десятилетий. С помощью сканера в компьютер вводится любая графическая информация. Далее, используя программы оптического распознавания текста, можно без участия машинистки превращать бумажные документы в текстовые файлы, при необходимости быстро переводя их на любые языки с помощью программпереводчиков. Фактически без сканера создание электронных библиотек было бы практически невозможным. Лишь некоторую конкуренцию сканеру в настоящее время начали создавать цифровые фотокамеры, но пока они не могут полностью заменить планшетный сканер, в основном за счет оптических искажений объектива. Кроме того, в последнее время вместо отдельного сканера стало популярным использование многофункциональных устройств, в которых в одном устройстве объединены вместе принтер и сканер. Если сравнивать с обычным фотоаппаратом, то сканер — это "механический" фотоаппарат, который не снимает сразу всю картинку, а построчно ее проходит, занося информацию о каждой точке в память. Иначе говоря, сначала считывающая головка сканирует первую строку, шириной в один пиксел (точку), потом передвигается на один шаг (пиксел) и сканирует следующую, и так до тех пор, пока весь документ не преобразуется в электронную форму. В частности, на этом принципе работают инфракрасные камеры и фотокамеры на космических зондах. В настоящее время в конструкции сканеров используются две конкурирующие технологии, которые и определяют назначение и стоимость сканера. Наиболее старая, но в то же время лучшая для сканирования художественных фотографий — CCD-технология (Charge-Couple Device, Прибор с зарядовой связью — ПЗС). Лист бумаги, положенный на стекло сканера, освещается мощной лампой, а отраженный световой поток при помощи нескольких зеркал направляется в объектив, который фокусирует картинку на фотодатчике —- линейке светочувствительных элементов, для которых и используется ПЗС-матрица (CCD-матрица). После считывания строки оптическая головка сканера передвигается на один шаг, и производится считывание следующей строки. В качестве источника света используется флуоресцентная лампа или лампа с холодным катодом. Принцип работы сканера с CCD-технологией показан на рисунке.

Типичный представитель планшетных сканеров с CCD-технологией представлен ниже.

Mustek Bear Paw2448TA

Этот класс сканеров имеет "толстый" корпус, в котором размещается сложная оптическая система, профессиональные модели имеют еще большую толщину корпуса.

Epson Perfection 3200

Поскольку сканер считывает документ построчно, то количество ячеек соответствует оптическому разрешению сканера. В документации указывается разрешение в точках на один дюйм (dpi). В цветных сканерах используют ПЗС-матрицу с тремя линейками светочувствительных элементов или три отдельных ПЗС-матрицы, которые находятся за светофильтрами, т. е. каждая точка документа считывается тремя отдельными светочувствительными ячейками.

ПРИМЕЧАНИЕ Когда указывается разрешение, например, 1200x2400 dpi (dots per inch — точек на дюйм), то это означает, что механика сканера передвигает считывающую головку на половину точки (пиксела). Реального удвоения вертикального разрешения нет, но результирующее качество электронной копии выше. CIS-технология (Contact Image Sensor) по основным принципам почти аналогична традиционной CCD-технологии и является ее упрощенным вариантом. В CIS-сканерах отсутствует система зеркал и объектив. Светочувствительная линейка равна по ширине листу документа (ширине области сканирования), а каждая точка строки фокусируется на фотодиоде цилиндрической микролинзой. Документ освещается линейкой светодиодов, а в цветном сканере — светодиодами трех основных цветов. Поскольку в CIS-сканере отсутствуют зеркала, объектив и лампа, то конструкция такого сканера получается очень компактной; типичная модель такого сканера представлена ниже.

Umax AstraSlim 1200SE

Все технологии сканирования постоянно модернизируются, например, корпорация Canon на основе CIS-технологии выпускает LIDE-сканеры (LED InDirect Exposure, непрямое светодиодное экспонирование), его принцип работы показан ниже.

По конструкции большинство выпускаемых сканеров— планшетного типа . Размер стола для оригинала обычно имеет формат А4. Кроме планшетных в небольшом количестве выпускаются специализированные модели, например, сканеры с вертикальным расположением стола , сканеры для работы с оригиналами формата A3, рулонные сканеры, слайд-сканеры .

"Прозрачный" вертикальный сканер HP Scanjet 4670

Ранее были популярны ручные сканеры, которые в настоящее время сохранились разве что в магазинах для считывания кодовых полосок на товарах.

Сегодня все больше компаний переводят документооборот в электронный вид, поэтому стали популярны модели сканеров, которые позволяют обрабатывать в автоматическом режиме большие стопки документов. Одна из моделей для бизнеса производства корпорации Xerox показана ниже.

Xerox DocuMate 262i - поточный документ-сканер

В отличие от старых громоздких автоматизированных сканеров, которые когда-то были популярны, эта модель больше напоминает обычный струйный принтер и не занимает много места. Аналогичные конструкции выпускают и другие компании, в частности, очень популярны решения, выполненные в виде многофункциональных устройств .

Для всех конструкций сканеров можно составить следующую общую процедуру сканирования:

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

Технические характеристики сканеров

Хотя способ сканирования и количество светочувствительных элементов определяют основные технические характеристики сканера, но 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 электронной обработки изображения после засветки линейки светочувствительных элементов заключается в том, что аналоговый сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который 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 48 бит, правда, надо учитывать, что данные числа нужно делить на три — число основных цветов.

ПРИМЕЧАНИЕ Для справки, 8 бит позволяют получить 256 градаций (28 = 256) одного цвета, а 8 бит х 3 = 24 бита или 16,77 млн оттенков; 42 бита = 4398 млрд цветов; 48 бит = 281,5 трлн цветов.

Разрядность АЦП при прочих равных условиях определяет глубину цвета сканера. Но видеоадаптеры и мониторы поддерживают максимально 32-битный цвет. Поэтому возникает вопрос, а зачем требуется гнаться за большей глубиной цвета у сканера, если все равно монитор и прочие устройства не поддерживают 48-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 коррекцию 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 (Optical Density или просто D) — это характеристика, которая вычисляется как десятичный логарифм отношения света падающего к свету отраженному (при сканировании непрозрачных оригиналов) или проходящему (при сканировании слайдов и негативов). Идеально белый оригинал имеет минимально возможное значение, равное О D, а идеально черный — равен значению 4 D. Например, в фотопроцессе у негатива реально иногда получить плотность, равную примерно 3,6 D.

При сканировании непрозрачных оригиналов, используя сканер со значением 2,5 D (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 3 D, 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 точек/дюйм (dpi). Тут следует помнить, что сканировать фотонегатив на подобном сканере, ориентируясь на расчетное разрешение, бессмысленно, т. к. масштабирование и все остальное очень просто 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 около часа).

АББРЕВИАТУРЫ DPI, PPI И LPI Для обозначения размерности разрешения используют несколько единиц измерения: dpi— dots per inch, точек на дюйм; ppi— pixels per inch, пикселов на дюйм; в полиграфическом производстве применяется дополнительно lpi— lines per inch, линий на дюйм. Эти единицы измерения зачастую путают и употребляют не по назначению в литературе, на практике и в интерфейсах программ. Применительно к разрешению сканирования или к изображению на экране правильнее употреблять обозначение ppi, а когда речь идет о полиграфическом оригинале, то dpi и Ipi. Но чаще, дефакто, пользователи компьютеров везде употребляют термин dpi.

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 самокалибровки 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).

СТАНДАРТ TWAIN Стандарт Twain создан ведущими производителями сканеров и программного обеспечения для них. Стандарт оговаривает функции программного драйвера сканера, связывающего сканер и приложение, которое затребовало получение данных от сканера. Все крупные производители сканеров в обязательном порядке поддерживают стандарт Twain для обеспечения совместимости сканеров и прикладных программ.

Сканирование негативов и слайдов

Желание пользователей перевести архивы негативов и слайдов в электронный вид вызвало начало массового производства сначала слайд-адаптеров (слайд-модулей) 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. К сожалению, слайд-модуль в виде дополнительной конструкции к сканеру не позволяет получить высокое качество изображения с фотопленки форматом 24x36 мм.

Имеются самые разнообразные конструкции слайд-модулей. Ниже показан вариант, когда внешняя лампа монтируется в отдельном съемном блоке.

EPSON Perfection 1260

Для удешевления конструкция такого слайд-модуля рассчитана на один снимок узкопленочного или широкопленочного формата.

Ниже показан вариант для одновременного сканирования до 12 слайдов 24x36. У таких моделей сканеров внешняя лампа смонтирована в крышке сканера.

EPSON Perfection 3200

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

. Слайд-сканер Epson F-3200 Film Scanner

. Для бытовых нужд ряд компаний наладил производство дешевых слайд-сканеров на основе решений, которые использованы в цифровых фотокамерах. Например модель дешевого слайд-сканера производства компании Wolverine Data, в ней в качестве оптического датчика использована 1/1,8-дюймовая фотоматрица разрешением 5 мегапикселов. Для фокусировки используется объектив, жестко настроенный на определенное фокусное расстояние. Основные проблемы таких слайд-сканеров — это традиционные оптические искажения объективов (например, бочкообразные искажения и астигматизм) и качество матрицы (в первую очередь, это цветной шум).

Производители сканеров

Увеличение требований к разрешению сканеров привело к тому, что количество производителей такой продукции сократилось. Многие популярные ранее в России марки сканеров исчезли из компьютерных магазинов. В настоящее время имеет смысл упоминать только о сканерах производства компаний EPSON и Hewlett-Packard. Сканеры других фирм встречаются крайне редко и обычно представляют собой специализированные модели, правда, интересными характеристиками обладают сканеры компаний Canon и Xerox. Кроме того, следует заметить, что все больше потребителей предпочитают приобретать сканер не в виде отдельного устройства, а в составе многофункционального устройства, имеющего функцию сканера.

(C) compuhome.ru