Основные характеристики сканера

       Содержание.

       Введение

       Почти каждый пользователь компьютера постоянно сталкивается с проблемой преобразования документов из бумажной формы в электронную. Однако процедура ввода информации вручную отнимает огромное количество времени и чревата ошибками. Кроме того, вручную можно вводить только тексты, но не изображения. Выходом из положения является сканер, позволяющий вводить в компьютер, как изображения, так и текстовые документы. Сканеры считывают с бумаги, пленки или иных твердых носителей «аналоговые» тексты или изображения и преобразуют их в цифровой формат. Они служат везде: в крупных компаниях, где обрабатываются огромные архивы документов, в издательствах и проектно-конструкторских организациях, а также в небольших фирмах и домашних офисах. 

       Сканер – это устройство оптического ввода, предназначенное для ввода и оцифровки в ПК черно-белых или цветных изображений, а также для считывания текста с бумажного носителя для последующей обработки.

2. Устройство  и принцип работы.

       Подобно многим техническим разработкам, базирующимся на принципах строения человеческого тела, конструкция сканера во многом повторяет строение нашего глаза. Для сканера, как и для органа зрения, все начинается со света. В типовом настольном цветном сканере над сканируемым изображением перемещается флуоресцентная лампа. Свет лампы отражается от сканируемого документа, затем проходит через линзу и фокусируется на матрице ПЗС, которая в сканере выполняет роль сетчатки.

       Элементы  ПЗС с фильтрами красного, зеленого и синего в однопроходных сканерах считывают соответствующие цветовые составляющие данных изображения (что ничем не отличается от функций колбочек и палочек в глазе).

       В трехпроходных сканерах элементы ПЗС  несут тройную нагрузку, так как  в каждом проходе фильтруют разный цвет. В теории однопроходные сканеры  быстрее, а трехпроходные позволяют добиться большей точности.

       Истинное  оптическое разрешение сканера так  же, как и качество сканированного изображения, прямо пропорционально  числу элементов ПЗС в сканере. В сканерах с большей разрешающей  способностью число элементов ПЗС  больше.

       Зная  размеры матрицы (линейки) ПЗС, можно  просто вычислить оптическое разрешение сканера. Например, линейка ПЗС из 3400 элементов, рассчитанная на сканирование изображения шириной 8.5 дюймов, обеспечит  оптическое разрешение 400 ppi (3400 делится  на 8.5).

       В сканированных штриховых изображениях каждому пикселю соответствует 1 бит (разряд) - черный или белый. Шкала полутонов применяет 8-разрядную технологию, разрешающую 256 градаций для каждого пикселя. При воспроизведении света используются три уровня 8-разрядного сканирования (по одному уровню на красный, зеленый и синий цвета) для создания 24-разрядных изображений, в которых для пикселя возможны 16.7 миллионов градаций цвета. Пропорционально растут и размеры файлов для черно-белого, полутонового и цветного изображений. Многие из протестированных сканеров являются 30-разрядными (по 10 разрядов на канал основного цвета), но Джон Лэмб, специалист по маркетингу продукции компании Umax Technologies, считает, что "с точки зрения технологии, эти устройства все еще принадлежат к семейству 24-разрядных сканеров".

       В качестве единицы измерения разрешения используется показатель количества точек, которые сканер в состоянии воспринять на одном дюйме оригинала - dpi. Это  сокращение буквально означает "точек  на дюйм" - dots per inch. В спецификации часто указывается два параметра - горизонтальное разрешение и вертикальное. Например, 600 х 1200 dpi.

       В данном случае имеется в виду не квадратный дюйм, а линейный. Таким образом, сканер с указанным в спецификации оптическим разрешением 600 х 1200 при установке в режим "600 dpi" способен выдать изображение оригинала, в котором на каждом дюйме по горизонтали и вертикали будет размещено 600 цветовых точек со своими параметрами. При установке большего, чем 600 dpi разрешения, драйвер сканера, используя методы математического увеличения разрешения, выравнивает горизонтальное и вертикальное разрешение. Например, при установке сканера в режим 1200 dpi физическим останется только вертикальный параметр dpi, горизонтальный же будет "вытянут" математикой до 1200.

       Деликатность  вопроса заключается в том, что  иногда механические возможности устройства подразумеваются как истинное оптическое разрешение. Например, сканер с истинным оптическим разрешением 1200 х 1200 dpi предусматривает  наличие особой линейки CCD – оптико-электронного устройства, имеющего разрешение именно 1200 dpi. На практике нередко оказывается, что сканер с заявленным физическим разрешением 1200 х 1200 dpi имеет абсолютно такое же устройство CCD , что и сканер с заявленными параметрами 600 х 1200. Кроме того, очевидно, что сканер с разрешением 1200 х 1200 dpi должен стоить по крайней мере в 2-2,5 раза дороже своего собрата 600 х 1200.

       Следует иметь в виду, что именно показатель горизонтального разрешения характеризует физические возможности CCD-устройства сканера и, в конечном счете, оптические возможности сканера. Вертикальный же параметр - не более чем показатель механического устройства движения каретки.

       В листовых моделях сканеров нередко  указывают лишь одну характеристику разрешения - горизонтальную. Считается, что физическое разрешение по вертикали такое же. С точки зрения многих специалистов, заявленные некоторыми производителями высокие показатели оптического разрешения листовых сканеров, на самом деле являются результатом максимального математического увеличения разрешения, причем по вертикали.

       Так как размер файла, а вместе с ним  и требования к компьютерной обработке  и объему памяти при увеличении разрядности  сканирования растут в геометрической прогрессии, большинство производителей средств обработки изображений приняли за стандарт 24-разрядный вариант, в котором оптимально сочетаются стоимость и качество. Поэтому, хотя на стадии предварительной обработки 30-разрядный драйвер сканера позволяет манипулировать с 30-разрядным изображением (аргументом в пользу этих драйверов служит возможность работы на этой стадии с элементами критических участков, таких как области затенения и повышенной яркости), но к моменту записи изображения в файл для последующего редактирования или печати его разрядность уменьшается до 24. В ближайшие годы мы окажемся в 48-разрядном мире, но это зависит от многого, в том числе от характеристик создаваемых мониторов, сканеров и принтеров.

3. Основные  характеристики сканеров.

       Оптическое  разрешение - измеряется в точках на дюйм (dots per inch, dpi). Характеристика, показывающая, чем больше разрешение, тем больше информации об оригинале может быть введено в компьютер и подвергнуто дальнейшей обработке. Часто приводится такая характеристика, как “интерполированное разрешение” (интерполяционное разрешение). Ценность этого показателя сомнительна — это условное разрешение, до которого программа сканера “берется досчитать” недостающие точки. Этот параметр не имеет никакого отношения к механизму сканера и, если интерполяция все же нужна, то делать это лучше после сканирования с помощью хорошего графического пакета. 

       Глубина цвета – это характеристика, обозначающая количество цветов, которое способен распознать сканер. Большинство компьютерных приложений, исключая профессиональные графические пакеты, такие как Photoshop, работают с 24 битным представлением цвета (полное количество цветов —16.77 млн. на точку). У сканеров эта характеристика, как правило, выше - 30 бит, и, у наиболее качественных из планшетных сканеров, - 36 бит и более. Конечно, может возникнуть вопрос - зачем сканеру распознать больше бит, чем он может передать в компьютер. Однако, не все полученные биты равноценны. В сканерах с ПЗС датчиками два верхних бита теоретической глубины цвета обычно являются “шумовыми” и не несут точной информации о цвете. Наиболее очевидное следствие “шумовых” битов недостаточно непрерывные, гладкие переходы между смежными градациями яркости в оцифрованных изображениях. Соответственно в 36 битном сканере “шумовые” биты можно сдвинуть достаточно далеко, и в конечном оцифрованном изображении останется больше чистых тонов на канал цвета. 

       Динамический  диапазон (диапазон плотности) Оптическая плотность есть характеристика оригинала, равная десятичному логарифму отношения  света падающего на оригинал, к свету отраженному (или прошедшему - для прозрачных оригиналов). Минимально возможное значение 0.0 D - идеально белый (прозрачный) оригинал. Значение 4.0 D – абсолютно черный (непрозрачный) оригинал. Динамический диапазон сканера характеризует какой диапазон оптических плотностей оригинала сканер может распознать, не потеряв оттенки ни в светах, ни в тенях оригинала. Максимальная оптическая плотность у сканера - это оптическая плотность оригинала, которую сканер еще отличает от полной темноты. Все оттенки оригинала темнее этой границы сканер не сможет различить. Данная величина очень хорошо отделяет простые офисные сканеры, которые могут потерять детали, как в темных, так и светлых участках слайда и, тем более, негатива, от более профессиональных моделей. Как правило, для большинства планшетных сканеров данная величина лежит в пределах от 1.7D (офисные модели) до 3.4 D (полупрофессиональные модели). Большинство бумажных оригиналов, будь то фотография или журнальная вырезка, обладают оптической плотностью не более 2.5D. Слайды требуют для качественного сканирования, как правило, динамический диапазон более 2.7 D (Обычно 3.0 – 3.8). И только негативы и рентгеновские снимки обладают более высокими плотностями (3.3D – 4.0D), и покупать сканер с большим динамическим диапазоном целесообразно, если только планируется работа в основном с ними.

4. Виды сканеров.

       Сегодня сканеры выпускаются в четырех конструктивах – ручном, листопротяжном, планшетном и барабанном, причем каждому из них присущи как достоинства, так и недостатки.

       1.Ручные сканеры – обычные или самодвижущиеся – обрабатывают полосы документа шириной около 10 см и представляют интерес, прежде всего для владельцев мобильных ПК. Они медлительны, имеют низкие оптические разрешения (обычно 100 точек на дюйм) и часто сканируют изображения с перекосом. Но зато они недороги и компактны.

       2. В листопротяжном сканере, как в факсимильном аппарате, страницы документа при считывании пропускаются через специальную щель с помощью направляющих роликов (последние зачастую становятся причиной перекоса изображения при вводе). Таким образом, сканеры этого типа непригодны для ввода данных непосредственно из журналов или книг. В целом возможности применения листопротяжных сканеров ограничены, поэтому их доля на массовом рынке неуклонно снижается.

       3. Планшетные сканеры более распространены на рынке, чем другие типы сканеров и имеют ряд преимуществ по объему применения, то есть более универсальны. Они напоминают верхнюю часть копировального аппарата: оригинал – либо бумажный документ, либо плоский предмет – кладут на специальное стекло, под которым перемещается каретка с оптикой и аналого-цифровым преобразователем (однако существуют «планшетники», в которых перемещается стекло с оригиналом, а оптика и АПЦ остаются неподвижными, чем достигается более высокое качество сканирования). Обычно планшетный сканер считывает оригинал, освещая его снизу, с позиции преобразователя. Чтобы сканировать четкое изображение с пленки или диапозитива, нужно обеспечивать подсветку оригиналов как бы сзади. Для этого и служит слайдовая приставка, представляющая собой лампу, которая перемещается синхронно со сканирующей кареткой и имеет определенную цветовую температуру.

       Оптическая  система планшетного сканера (состоит  из объектива и зеркал или призмы) проецирует световой поток от сканируемого оригинала на приёмный элемент, осуществляющий разделение информации о цветах - три параллельных линейки из равного числа отдельных светочувствительных элементов, принимающие информацию о содержании \"своих\" цветов. В трёхпроходных сканерах используются лампы разных цветов или же меняющиеся светофильтры на лампе или CCD-матрице. Приёмный элемент преобразует уровень освещенности в уровень напряжения (все ещё аналоговую информацию). Далее, после возможной коррекции и обработки, аналоговый сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). С АЦП информация выходит уже в \"знакомом\" компьютеру двоичном виде и, после обработки в контроллере сканера через интерфейс с компьютером поступает в драйвер сканера - обычно это так называемый TWAIN-модуль, с которым уже взаимодействуют прикладные программы.

       На  качество изображения, получаемое в результате сканирования, в большой мере оказывает влияние источник света, используемый в конструкции сканера. В современных планшетных сканерах используется несколько типов источника света:

       Ксеноновые  газоразрядные лампы отличаются чрезвычайно малым временем прогрева, высокой стабильностью излучения, небольшими размерами и долгим сроком службы. С другой стороны, они требуют высокого напряжения, потребляют большой ток и имеют неидеальный спектр, что пагубно сказывается на точности цветопередачи. Люминесцентные лампы с горячим катодом обладают очень ровным, управляемым в определенных пределах спектром и малым временем прогрева. В качестве недостатков можно назвать крупные габариты и относительно короткий срок службы. Люминесцентные лампы с холодным катодом служат в десять раз дольше предшественниц с горячим катодом, имеют низкую рабочую температуру и ровный спектр, однако время прогрева у них велико — от 30 секунд до нескольких минут. Именно такие лампы используются в большинстве современных CCD-сканеров. Светодиоды (LED) применяются, как правило, в CIS-сканерах, не требуют времени для прогрева и обладают небольшими габаритами и энергопотреблением. В большинстве случаев используются трехцветные светодиоды, меняющие с большой частотой спектр излучаемого света. Светодиоды имеют довольно низкую интенсивность светового потока и неравномерный, ограниченный спектр излучения, поэтому у сканеров с таким источником света страдает качество цветопередачи, увеличивается уровень шума на изображении и снижается скорость сканирования.