Устройства ввода информации

3. Сканеры

  Сканер(scaner), устройство ввода в компьютер графических изображений (текстов, рисунков, слайдов, фотографий, чертежей). В большинстве сканеров для преобразования изображения в цифровую форму применяются светочувствительные элементы на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) (англ. Charge-Coupled Device, CCD). 
        По способу перемещения считывающей головки и изображения относительно друг друга сканеры подразделяются на ручные (англ. Handheld), рулонные (англ. Sheet-Feed), планшетные (англ. Flatbed) и проекционные. Разновидностью проекционных сканеров являются слайдсканеры, предназначенные для сканирования фотопленок. В высококачественной полиграфии используются барабанные сканеры, в которых в качестве светочувствительного элемента используется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). 
        Принцип работы однопроходного планшетного сканера состоит в том, что вдоль сканируемого изображения, расположенного на прозрачном неподвижном стекле, движется сканирующая каретка с источником света. Отраженный свет через оптическую систему сканера (состоящую из объектива и зеркал или призмы) попадает на три расположенных параллельно друг другу фоточувствительных полупроводниковых элемента на основе ПЗС, каждый из которых принимает информацию о компонентах изображения.    

     Ручной  сканер, словно мышка, соединяется кабелем с компьютером. При прокатывании сканера по странице книги или журнала,  необходимое изображение считывается и в цифровом коде вводиться в память компьютера.  В ручном сканере роль привода считывающего механизма выполняет рука.  Понятно, что равномерность перемещения сканера существенно сказывается на качестве вводимого в компьютер изображения.  Ширина вводимого изображения для ручных сканеров  обычно  не превышает 4 дюймов ( 10 см ).  Современные ручные сканеры могут обеспечивать автоматическую " склейку " изображения, то есть формируют целое изображение из отдельно вводимых его частей. К основным достоинствам этих сканеров относятся небольшие габаритные размеры и сравнительно низкая цена,  однако добиться высокого качества изображения с их помощью очень трубно, поэтому ручные сканеры можно использовать  для ограниченного круга задач.  Кроме того они совершенно лишены " интеллектуальности ", свойственной другим типам сканеров.

     Планшетныый сканер самый распространенный  тип  сканеров.

Первоначально  он использовался для сканирования непрозрачных оригиналов. Почти все  модули имеют съемную крышку,  что позволяет сканировать " толстые " оригиналы ( журналы,  книги ). Дополнительно  некоторые модели могут оснащаться механизмом подачи отдельных листов,  что  удобно при работе с программами  распознавания текстов - OCR ( Optical Characters Recognition ). В последние время многие фирмы-лидеры в производстве  плоскостных  сканеров стали дополнительно предлагать 1 слайд-модуль ( для сканирования прозрачных оригиналов ).  Слайд-модуль имеет  свой, расположенный сверху,  источник света. Такой слайд-модуль устанавливается на плоскостной сканер вместо простой крышки и превращает сканер универсальный ( плоскостной сканер с установленным слайд-модулем ).

     Основное  отличие барабанного сканера состоит в том, что оригинал закрепляется  на прозрачном барабане,  который вращается с большой скоростью. Считывающий элемент располагается максимально близко  от

оригинала. Данная  конструкция обеспечивает наибольшее качество скани-

рования. Обычно в барабанные сканеры устанавливают  три фотоумножителя, и сканирование осуществляется за один проход. " Младшие " модели у некоторых фирм с  целью удешевления используют вместо фотоумножителя  фотодиод в  качестве считывающего элемента.  Барабанные сканеры способны сканировать любые  типы оригиналов.

     В отличие  от плоскостных сканеров со слайд-модулем,  барабанные могут  сканировать непрозрачные и прозрачные оригиналы одновременно. Проекционный тип сканеров применяется для сканирования с высоким разрешением и качеством слайдов небольшого формата ( как правило, размером не более 4 x 5 дюймов ). Существует две модификации: с горизонтальным и вертикальным расположением оптической оси  считывания. Наиболее популярным в России, как, впрочем, и на Западе, является вертикальный проекционный сканер.

     Типов  оригиналов  бывает  всего два.  Это прозрачные негативные и

позитивные слайды,  которые сканируют в проходящем свете. Непрозрачные оригиналы представляют собой либо аналоговые изображения - фотографии, либо дискретные - иллюстрации  из печатных изданий (в полиграфии полутоновая  печать  осуществляется  с  помощью  растровых точек различного цвета  и размера).

    3.1 Черно-белые сканеры. Принцип работы

     Сканируемое изображение освещается белым светом, получаемым, как правило, от флуоресцентной лампы. Отраженный свет через редуцирующую (уменьшающую) линзу попадает на фоточувствительный полупроводниковый элемент, называемый прибором с зарядовой связью ПЗС (Change- Coupled Device, CCD), в основу которого положена чувствительность проводимости p-n-перехода обыкновенного полупроводникового диода к степени его освещенности. На p-n-переходе создается заряд, который рассасывается со скоростью, зависящей от освещенности. Чем выше скорость рассасывания, тем больший ток проходит через диод.

Рис.1.  Блок схема черно-белого сканера.

    Каждая  строка сканирования изображения соответствует  определенным значениям напряжения на ПЗС. Эти значения напряжения преобразуются в цифровую форму либо через аналого-цифровой преобразователь АЦП (для полутоновых сканеров), либо через компаратор (для двухуровневых сканеров). Компаратор сравнивает два значения (напряжение или ток) от ПЗС и опорное (рис. 1), причем в зависимости от результата сравнения на его выходе формируется сигнал 0 (черный цвет) или 1 (белый). Разрядность АЦП для полутоновых сканеров зависит от количества поддерживаемых уровней серого цвета. Например, сканер, поддерживающий 64 уровня серого, должен иметь 6-разрядный АЦП. Каким образом сканируется каждая следующая строка изображения, целиком зависит от типа используемого сканера. Напомним, что у планшетных сканеров движется сканирующая головка, а в рулонных сканерах она остается неподвижной, потому что движется носитель с изображением — бумага.

    3.2 Цветные сканеры.  Принцип работы.

    В настоящее время существует несколько  технологий для получения цветных сканируемых изображений. Один из наиболее общих принципов работы цветного сканера заключается в следующем. Сканируемое изображение освещается уже не белым цветом, а через вращающийся RGB-светофильтр (рис. 2). Для каждого из основных цветов (красного, зеленого и синего) последовательность операций практически не отличается от последовательности действий при сканировании черно-белого изображения. Исключение составляет, пожалуй, только этап предварительной обработки и гамма-коррекции цветов, перед тем как информация передается в компьютер. Понятно, что этот этап является общим для всех цветных сканеров.

    В результате трех проходов сканирования получается файл, содержащий образ  изображения в трех основных цветах — RGB (образ композитного сигнала). Если используется восьмиразрядный АЦП, который поддерживает 256 оттенков для одного цвета, то каждой точке изображения ставится в соответствие один из 16,7 миллиона возможных цветов (24 разряда). Сканеры, использующие подобный принцип действия, выпускаются, например, фирмой Microtek.

    Рис.2. Блок-схема цветного сканера с вращающимся  RGB-фильтром.

    3.3 Интеллектуальность  сканера

     Под интеллектуальностью обычно подразумевается  способность сканера с помощью  заложенных в нем аппаратным и  поставляемых с  ним  программных  средств автоматически настраиваться  и минимизировать потери качества.  Наиболее ценятся сканеры,  обладающие способностью автокалибровки,  т.е.  настройки на динамический диапазон плотностей оригинала,  а также компенсации цветовых искажений.  Допустим, мы  имеем  ПЗС-сканер,  воспринимающий  оптический диапазон плотностей до 3.2.  С его помощью нам нужно отсканировать  слайд,  имеющий максимальную оптическую плотность 4.0. "Хороший" сканер сначала делает предварительное сканирование для анализа оригинала и получения  диаграммы оптических плоскостей. После анализа диаграммы сканер производит свою автокалибровку с целью сдвига своего динамического  диапазона восприятия оптических плотностей.  таким образом минимизируются потери в "тенях" благодаря сокращению потерь в "светах".

3.4 Показатели эффективности  сканера

• механизм датчика;
• разрешающая способность;
• разрядная глубина;
• динамический диапазон.

4.Цифровые  фотокамеры

Бесплёночные ( цифровые ) камеры тоже являются устройствами ввода

графической информации.

     По  внешнему виду он не слишком отличается от обычного, да и выпускаются «цифровики» теми же фирмами, что и обычные фотокамеры. Разница — внутри: вместо пленки «цифровик» использует специальный элемент памяти, который сохраняет переданную с объектива картинку в виде несжатого (TIFF) или сжатого с некоторой потерей качества файла (JPEG-компрессия). Позднее получившийся файл передается в компьютер, а затем его можно обработать в любом графическом редакторе и, если нужно, отпечатать, как обычную фотографию, на специальном принтере, либо на обычном струйном принтере, снабженном фотокартриджем.

       Это автоматические устройства, не требующие ручной настройки. Загрузка изображений в ПК не вызывает затруднений и требует только подключения соединительного кабеля к камере и порту компьютера, открытия файлов поставляемого с фотокамерой программного обеспечения и выбора изображений, которые будут автоматически переданы и запомнены на жёстком диске. Существует и другой вариант — подключить к компьютеру сами карты памяти. (карты CompactFlash или SmartMedia). 
 
 
 

4.1 Принцип работы цифровой фотокамеры 

     Чувствительная  матрица цифрового фотоаппарата не «различает» спектральные особенности света, а иногда вообще чувствительна только к тепловому эффекту от падающего светового потока. Для того чтобы заставить ее уловить и воспроизвести цвета, пред ней устанавливают цветные фильтры основных или дополнительных цветов и их комбинации. Алгоритм построения картинки «знает», где какой фильтр находится, и, рассчитывая и интерполируя (три фильтра поставить на одну чувствительную точку технически сложно, хотя и реализуемо) на соседние точки других цветов значения цветовых компонентов, строит «истинную» картинку. При съемке на пленку всегда нужно помнить о цветовой температуре основного источника света. Для получения приемлемого качества снимка нужно, чтобы пленка соответствовала источнику света, в противном случае необходимо применять конверсионные фильтры, вводить поправку на экспозицию и потом «вытягивать» цвета при печати. В цифровом фотоаппарате достаточно «задать большую чувствительность» компоненту «слабой» области спектра и уменьшить чувствительность в наиболее «яркой», и картинка получится такой, как ее видит глаз, тем более что глаз точно так же подстраивается под источник света. Недорогие цифровые камеры имеют стандартный набор настроек «баланса белого»: «в помещении» (лампа накаливания), «вне помещения» (солнце), «люминесцентная лампа», «авто». Режим «авто» устанавливает баланс белого по самому яркому объекту и потому может ошибиться, если тот не белый. У более сложных моделей можно выбрать несколько настроек для режима «вне помещения» - «солнце», «облачно», или для режима «люминесцентная лампа»/«в помещении». И наконец, как у профессиональной видеокамеры, возможен ручной режим выбора «баланса белого» по белой мишени.

     Чувствительная  матрица, доставшаяся в наследство от видеокамер, имеет чересстрочный  режим считывания сигнала. Это позволяет  исключить использование механического  затвора и передавать в видоискатель изображение, попадающее на матрицу, а  также снимать видеофрагменты длиной в десятки секунд или использовать цифровой фотоаппарат как видеокамеру  при подключении к ПК или телевизору (большинство недорогих цифровых камер имеют видеовыход). Отсутствие затвора исключает вибрации, повышает надежность и долговечность системы  и уменьшает стоимость изделия, хотя механическим затвором, тем не менее, оснащено большинство цифровых камер.

     Один  из главных элементов, определяющих удобство работы с фотоаппаратом, - система видоискателя. В простейшем случае она показывает границу кадра. У пленочных камер видоискатель может быть совмещен с системой фокусировки (дальномерные камеры), а у зеркальных показывает то, что фокусируется объективом на пленку. В последнем случае можно заменить один объектив другим или изменить фокусное расстояние зум-объектива, не заботясь о соответствии картинки в видоискателе и на пленке, а также «напрямую» наблюдать эффект использования фильтров-насадок. Передача реального (согласованного) изображения в видоискателе может быть реализована и в дальномерных камерах, но это сложнее. А как у цифровых? Самые дешевые модели с объективом фиксированного фокусного расстояния имеют оптический видоискатель, показывающий границу кадра. Если к тому же в камере реализован принцип широкоугольного объектива с фиксированной фокусировкой (объектив устанавливается в положение гиперфокальной фокусировки, в котором все предметы, начиная с какого-то расстояния и до бесконечности, с некоторой точностью воспроизводятся резко), кроме границы кадра фотографу и контролировать нечего. Если же у фотоаппарата есть автофокус, и он оснащен зум-объективом, то оптический видоискатель можно сделать согласованным. Однако технически проще в оптическом видоискателе нанести рамки границ кадра для различной фокусировки и макрорежима, а точно показывать изображение на LCD TFT-мониторе. Поскольку на него передается изображение с чувствительной матрицы, то и дает он весь кадр и с той фокусировкой и экспозицией, как у будущей фотографии. Если монитор поворотный да еще и с подсветкой, про оптический видоискатель можно забыть вообще. Но оптический видоискатель или «псевдооптический» - телекамера в окуляре, - остается на большинстве моделей, так как большой монитор «слепнет» при ярком солнце и потребляет много энергии. Нужно отметить, что хороший оптический видоискатель в цифровых камерах - редкость, и очень быстро отвыкаешь им пользоваться. Если монитор мелкозернист, можно не только оценить резкость картинки, но и ее глубину. Хотя, конечно, такого качества, как у зеркалки со сменными фокусировочными экранами, не получишь. Размер дисплея - обычно несколько сотен тысяч элементов, и это наиболее важная характеристика, а линейный размер не всегда пропорционален качеству передаваемого изображения. Настроив яркость дисплея, вы будете видеть на нем картинку, близкую к будущей фотографии, и сможете легко внести поправку в экспозицию снимаемого кадра. Так что все, что снимается с контролем через LCD-монитор, выйдет более или менее проработанным, а вот обладателям пленочных камер, пусть и с пленкой большей экспошироты, остается надеяться на автоматику камеры, собственный опыт или снимать серию кадров, меняя экспопараметры, и ждать результатов до проявки. На цифровой камере легко уловить известный принцип автоматического определения экспозиции - «все кошки серы» - и научиться его исправлять, а на более продвинутой и дорогой можно еще и посмотреть гистограмму распределения яркости кадра, что очень важно при съемке на «более контрастную» и с меньшей экспоширотой, чем у пленки, цифровую матрицу. Дисплей - это еще и просмотр отснятого материала, информация о параметрах и режимах съемки, навигация по меню, что у пленочных собратьев доступно только настоящим профессионалам, и то в меньшем объеме.