Рассмотрим работу планшетного сканера более подробно

Тема: устройство и принцип работы сканера

 

Сканеры представляют собой оптоэлектронное устройство ввода в ЭВМ статического информационного контента (текстов, слайдов, рисунков и пр.), причем результирующий файл сохраняется как графический файл. Однако, если у пользователя установлено дополнительное ПО (например, пакет Finereader), то после сканирования и распознавания текст становится доступным для редактирования.

Сканер является периферийным устройством. Его работа заключается в попиксельном съеме и преобразовании изображения в электрический сигнал, в результате чего происходит цифровое кодирование изображения. В результате этого кодирования происходит преобразование аналогового сигнала цвета и яркости пикселей в цифровую форму или «оцифровка сканируемого изображения».

В основу классификации сканеров могут быть положены следующие признаки:

- способ формирования изображения (линейный, матричный);

- тип вводимого изображения (черно-белый, полутоновый, цветной);

- степень прозрачности оригинала (отражающий, прозрачный); -аппаратный интерфейс (специализированный, стандартный);

- программный интерфейс (TWAIN-совместимый, специализированный).

Рассмотрим принцип действия наиболее распространенных на практике планшетных сканеров (Рисунок 1)

Рисунок 1. Устройство планшетного сканера

 

Сканер воспринимает лист оригинала размером l x h (l – ширина, h – высота листа) как прямоугольную таблицу из пикселей размером L х Н, причем величина L / l = d называется разрешающей способностью сканера.

 

Рассмотрим работу планшетного сканера более подробно.

Лист-оригинал кладется на стекло планшета сканируемой поверхностью вниз. Под стеклом располагается подвижный источник света, движение которою регулируется шаговым двигателем, перемещающим каретку с источником света на 1 пиксель всякий раз тогда, когда будет обработана очередная строка из Н. Обработка каждой строки пикселей выполняется этапами.

1. Расщепление. Свет, отраженный от объекта, через диафрагму 1, зеркало и диафрагму 2 проходит через объектив и попадает па призму, где расщепляется на три компонента – красного, зеленого и синего цвета.

2. Регистрация. В расщепленном виде свет фокусируется на матрицу из микродатчиков, каждый из которых регистрирует аналоговый электрический заряд, пропорциональный интенсивности падающей на него компоненты светового потока. Количество компонент света (3) определяет высоту матрицы, а ее длину – уже знакомая нам величина L, зависящая от разрешающей способности сканера (d). Можно подсчитать, что при d  = 300 dpi величина L = 2481, следовательно общее число микродатчиков в матрице такого сканера равно 2481 х 3 = 7443 микродатчика.

3. Считывание. В начале этого этапа матрица микродатчиков содержит полную аналоговую информацию о состоянии цветовой гаммы отдельной строки пикселей оригинала, заключенную в величине заряда микродатчиков. Для перевода ее в цифровой код используется свойство применяемых в сканере микродатчиков передавать заряды (читай «информацию о пикселе») своему ближайшему соседу под действием целенаправленной манипуляции с поданным на них напряжением. Это становится возможным, если в качестве микродатчиков используется так называемые приборы с зарядовой связью (ПЗС). Схематически одна из линеек микродатчиков на ПЗС показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Устройство и принцип работы действия ПЗС линейки

 

ПЗС представляет собой полупроводниковый кристалл (как правило, кремний), на поверхность которого нанесена прозрачная оксидная пленка, выполняющая функцию диэлектрика в микроскопических конденсаторах. Одной из обкладок такого конденсатора является поверхность кристалла, а другой — нанесенные на диэлектрик металлизированные электроды, к которым прикладывается напряжение (5-10 В). В результате под электродами возникает заряд из электронов, пропорциональный интенсивности светового потока, падающего на данный электрод.

Типы сканеров. В зависимости от способа перемещения фото-чувствительного элемента сканера и носителя изображения относительно друг друга сканеры подразделяются на две основные группы – настольные и ручные.

К числу настольных сканеров относятся планшетные и роликовые (листопротяжные), а также барабанные и проекционные сканеры (Рисунок 3)

Рисунок 3. Планшетный сканер (слева) и роликовый сканер

 

Планшетные сканеры используются для ввода графики и текста с носителей формата А4 или A3, причем оригинал располагается на рабочей поверхности сканера неподвижно. Освещение оригинала производится стабилизированным по интенсивности источником, в качестве которого используют лампы с холодным катодом или флуоресцентные лампы. В основном все планшетные сканеры рас считаны на получение копии с одного оригинала.

К преимуществам планшетных сканеров следует отнести простоту использования, возможность сканирования как плоских оригиналов в широком диапазоне размеров, так и небольших трехмерных объектов.

Недостатками этого типа сканеров являются большая занимаемая площадь и невозможность сканирования прозрачных оригиналов.

Роликовые сканеры осуществляют сканирование оригинала при его перемещении по специальным направляющим посредством роликового механизма подачи бумаги относительно неподвижных осветителя и ПЗС-линейки.

Сканирование в роликовом сканере, как и в планшетном, производится в отраженном свете (Рисунок 4). Сканеры, работающие в двух режимах – сканирования изображения и его факсимильной передачи, называют факс-сканерами (Fax Scanner). В отдельных моделях роликовых сканеров имеется устройство для подачи листов, которое позволяет сканировать в автоматическом режиме. Большинство роликовых сканеров офисного применения предназначены для работы с оригиналами формата А4, однако существуют широкоформатные роликовые сканеры, обеспечивающие сканирование оригиналов форматов А1 и А0. Преимущества роликовых сканеров определяются их компактностью, удобством подключения и пользования, автоматической подачей листов оригинала, удовлетворительной скоростью сканирования и низкой стоимостью.

Рисунок 4. Механизм работы роликового сканера

 

В то же время эти сканеры имеют ряд недостатков, связанных с невозможностью без специальных приспособлений осуществлять сканирование сброшюрованных документов, книг, а также с опасностью повреждения оригинала.

 

Барабанные сканеры позволяют получать изображения прозрачных или отражающих оригиналов с высокой степенью детализации. Механизм работы барабанного сканера иллюстрирует рисунок 5.

Рисунок 5. Механизм работы барабанного сканера

 

Прозрачный оригинал в барабанных сканерах закрепляется с помощью специальной ленты или масла на поверхности прозрачного цилиндра из органического стекла (барабана), который для обеспечения устойчивости укреплен на массивном основании. При вращении барабана с большой скоростью (от 300 до 1350 об/мин) фотоприемник считывает изображение с высокой точностью. В большинстве барабанных сканеров в качестве фотоприемника используется фотоэлектронное устройство (ФЭУ), который перемещается с помощью винтовой пары вдоль барабана. Для освещения оригинала применяется мощный стабилизированный по интенсивности излучения ксеноновый или галогенный источник света. При сканировании отражающих оригиналов применяется источник света, расположенный вне барабана рядом с приемником излучения.

За счет высокой скорости вращения барабана имеется возможность фокусировать на оригинале достаточно мощный поток света без риска повреждения оригинала. В связи с этим отличительной особенностью барабанных сканеров является возможность сканировать с высоким разрешением оригиналы, имеющие высокую оптическую плотность (печатные издания, художественные работы, слайды, диапозитивы, негативные пленки), как в отраженном, так и в проходящем свете.

В отдельных моделях барабанных сканеров в качестве фотоприемника изображения используется набор ПЗС-линеек, неподвижно установленных на всю ширину барабана и построчно сканирующих оригинал в отраженном свете. В этих сканерах, как правило широкоформатных, барабан совершает только один оборот за все время сканирования. Сканеры, в которых реализована эта технология, выгодно отличаются от сканеров с ФЭУ, поскольку в них исключается необходимость решать проблему стабилизации конструктивных элементов, обусловленную высокой скоростью вращения барабана. Для гашения возникающих при этом вибраций применяются специальные амортизаторы, увеличивающие массу сканера до 250 кг и более.

Барабанные сканеры позволяют сканировать прозрачные или отражающие оригиналы типа высокохудожественных работ в полиграфии и картографии. При этом автоматическая корректировка освещенности, настройка фокусного расстояния и высокая производительность достигаются за счет обработки изображения встроенным компьютером.

Значительные габариты, необходимость предварительной подготовки обслуживающего персонала и высокая стоимость барабанных сканеров обусловливают ограничение их области применения профессиональной полиграфией и картографией.

Проекционный сканер (Рисунок 6) работает по принципу фотографической камеры и конструктивно напоминает фотоувеличитель. Механизм его работы иллюстрирует рисунке 7.

 

 

Рисунок 6. Проекционный сканер

 

Рисунок 7. Механизм работы проекционного сканера

 

Оригинал располагается на подставке под сканирующей головкой изображением вверх. Сканирующая головка, содержащая ПЗС-датчик и перемещающий его в фокальной плоскости линзы двигатель, закрепляется на вертикальном штативе и может перемещаться по стойке или по вертикальным направляющим.

Перед началом сканирования камеру устанавливают в положение, соответствующее требуемому разрешению и размеру изображения. Точная настройка (фокусировка), определяющая разрешение сканирования, осуществляется специальной редуцирующей линзой. Обычно в проекционных сканерах внутренний источник освещения нс используется, освещение оригинала производится за счет естественного комнатного света. В некоторых моделях проекционных сканеров свет через линзу освещает оригинал, а отраженный свет фиксируется ПЗС-матрицей. Такая конструкция сканера позволяет избежать влияния внешних засветок и получить высокое качество сканированных изображений.

Особенностью проекционных сканеров является возможность сканирования трехмерных объектов. При этом конструкция сканеров обеспечивает переменное разрешение сканирования: небольшие объекты можно сканировать с высоким разрешением; большие нестандартные объекты, изображения которых нельзя ввести с помощью других сканеров, также могут быть сканированы, хотя и с низким разрешением. Простота конструкции и удобство применения, невысокая стоимость и возможность комбинирования при сканировании плоских и небольших трехмерных объектов обусловливают достаточно широкое применение проекционных сканеров как средств ввода информации.

 

Ручные сканеры (Рисунок 8) применяются для сканирования малоформатных оригиналов или фрагментов большого изображения. Перемещение окна сканирования относительно оригинала производится вручную.

Рисунок 8. Ручной сканер

 

В небольшом корпусе шириной обычно чуть более 10 см размешаются лишь датчик, линза и источник света. Ширина области сканирования в зависимости от модели устройства варьируется от 60 до 280 мм. Длина области сканирования ограничена лишь объемом доступной оперативной памяти компьютера. Устанавливаемая в компьютере карта интерфейса преобразует поступающую информацию в цифровую форму и передает ее для последующей обработки специальной программе. Принципы работы ручного и роликового сканеров во многом похожи.

Отличительной особенностью ручного сканера является то, что он использует источник питания компьютера, к которому подключен. Как правило, ручные сканеры подключаются к параллельному порту компьютера без каких-либо адаптеров. Низкая цен ручных сканеров обусловлена простотой их конструкции.

Применение ручных сканеров как устройств ввода изображений объясняется их компактностью и дешевизной, однако разработанные специально для ручных сканеров программы допускают довольно много ошибок при распознавании по сравнению со своими аналогами, созданными для других сканеров.

 

Многофункциональные сканеры – это комбинированные устройства, сочетающие в себе возможности сканеров различных типов, а также других технических средств информатизации, служащих для решения таких задач, как оптическое распознавание символов, архивирование, электронная почта и факсимильная связь (Рисунок 9).

 

Рисунок 9. Многофункциональный сканер Kyocera

 

В комбинированных устройствах all-in-one в одном корпусе обычно объединены роликовый сканер, лазерный или струйный при нтер, факс-модем. Эти устройства можно использовать в качестве факсимильного аппарата, принтера, сканера, копировального аппарата и внешнего модема для доступа к сети по линиям телефонной связи.

Такое интегрирование является оптимальным решением для SOHO {Small Office/Home Office - небольшой офис/до-машний офис), поскольку позволяет освободить площадь и сэкономить на приобретении в комплексе компонентов, которые по отдельности стоят дороже. Основные недостатки таких комбинированных систем – невысокое качество и сравнительно высокая стоимость копирования страницы.

 

Аппаратный и программный интерфейсы сканеров. Сканеры с интерфейсом SCSI требуют установки в компьютер дополнительной платы SCSI-адаптера, которая поставляется в комплекте со сканером. Преимуществом интерфейса SCSI является обеспечение высокой скорости сканирования.

К компьютерам, оснащенным USB-портом, лучше подключать сканер с USB-интерфейсом. Скорость при этом несколько уступает интерфейсу SCSI, однако простота подключения сканера искупает этот недостаток.

Сканеры с интерфейсом параллельного порта подключаются к уже имеющемуся параллельному порту. Пропускная способность параллельного порта значительно меньше по сравнению с интерфейсом SCSI, однако при этом нет необходимости устанавливать дополнительную плату.

В комплект поставки сканера входит драйвер, предназначенный для управления процедурой сканирования и настройки основных параметров сканера. Ведущие производители аппаратных и программных средств (компании Aldus, Caere, Eastman Kodak, Hewlett-Packard и Logitech) объединили свои усилия для создания собственного формата драйвера TWAIN. Стандарт TWAIN определяет порядок обмена данными между прикладной программой и драйвером сканера, что позволило решить проблему совместимости различных компьютерных платформ, сканеров разных моделей и форматов представления данных. С помощью TWAIN-совместимого сканера можно сканировать изображения из любой программы, например Photoshop, CorelDraw, PageMaker, PhotoStyler и др.

 

Характеристики сканеров. При выборе типа и модели сканера обычно учитывают их следующие характеристики.

Разрешающая способность определяется плотностью расположения распознаваемых точек и выражается в точках на дюйм (dpi -dot per inch). Различают оптическую и программную разрешающую способность сканера. Если первая представляет собой показатель первичного сканирования (например, 600 х 600 dpi), то вторая (программная) достигается путем программного увеличения картинки методом интерполяции и может достигать разрешения вплоть до 4800 х 4800 dpi. Разрешение сканера имеет два показателя: по горизонтали и вертикали. Например, 600 х 300; 600 х 600; 800 х 800. Однако чаще всего применяют первое значение: 600, 800 dpi.

Область сканирования – максимальный размер оригинала для данного сканера.

Метод сканирования определяет одно- или трехпроходный способ считывания информации в цветных сканерах.

Скорость сканирования – количество страниц черно-белого оригинала, сканируемых в минуту с максимальным оптическим разрешением сканера.

Разрядность, или глубина цвета сканера определяет, сколько бит используется сканером для представления цвета одной точки изображения. Например, с помощью 24 бит можно закодировать 2²⁴» 16,7 млн цветов.

Программный интерфейс. Универсальность использования сканера зависит не только от аппаратного интерфейса, но и от программного, который существенно влияет на работу сканера, на гибкость и удобство обращения с ним, а также на возможность использования того или иного преимущества конкретной модели сканера. Программы первых моделей сканеров были уникальными и работали напрямую с адаптером сканера, что серьезно затрудняло их работу со специальными программами (распознавание символов, настольные издательские система и т.п.). Программный интерфейс. Универсальность использования сканера зависит не только от аппаратного интерфейса, но и от программного, который существенно влияет на работу сканера, на гибкость и удобство обращения с ним, а также на возможность использования того или иного преимущества конкретной модели сканера. Программы первых моделей сканеров были уникальными и работали напрямую с адаптером сканера, что серьезно затрудняло их работу со специальными программами (распознавание символов, настольные издательские система и т.п.).

Поскольку TWAIN не является протоколом аппаратного уровня, производитель устройств для получения изображений может предоставлять TWAIN-совместимый драйвер.

После долгих неудачных попыток консорциумам компаний, производящих аппаратные и программные средства, создать некий унифицированный протокол общения со сканером был разработан стандартный протокол и интерфейс Twain, определяющий взаимодействие между программами и устройствами захвата изображения. Если новый сканер поддерживает Twain-протокол обмена данными, то операционная система Windows способна обеспечить взаимодействие между сканером и программным приложением, предназначенным для работы с ним. Более того, в меню File таких программ, как PhotoShop, WordScan, CorelDraw, Picture Publisher, Photo Finish, Cuneiform, FineReader, предусмотрена команда, позволяющая переносить сосканированное изображение непосредственно в программную среду указанных приложений, если формат его соответствует стандарту Twain.