Сканеры. 
Информатика

Сканирование (Scanning) — это аналого-цифровое преобразование плоского изображения в цифровую растровую форму с помощью сканера.

Различают черно-белые сканеры для считывания штриховых и полутоновых изображений и цветные сканеры. Штриховые изображения не передают градаций серого, а полутоновые изображения могут иметь до 256 уровней серого цвета. Цветные сканеры работают с черно-белыми и цветными оригиналами, в них используется цветовая модель RGB (Red — Green — Blue).

Рассмотрим технику сканирования на примере планшетного сканера (рис. 8.5). Сканируемый объект кладется на стекло планшета сканируемой поверхностью вниз. Под стеклом располагается лампа, движение которой регулируется шаговым двигателем.

Рис. 8.5. Схема устройства планшетного сканера Свет отражается от объекта и через систему зеркал падает на чувствительную матрицу (Couple-Charged Device — CCD), далее на АЦП и передается в компьютер.

За каждый шаг двигателя сканируется отдельный прямоугольный фрагмент объекта. Программным способом все фрагменты объединяются в одно общее изображение. Изображение сначала будет представлено в формат RAW. Это необработанные данные, которые содержат полную информацию об изображении, очень большого размера. На параметры и качество RAW-данных влияют такие аппаратные настройки сканера, как время экспозиции матрицы, уровни калибровки белого и черного и т. п. Далее аппаратным или программным способом данные RAW конвертируются в обычный графический формат. Разрешающая способность сканеров измеряется числом различаемых точек на дюйм изображения и составляет от 300 до 9600 dpi (dots per inch). В сканирующем устройстве применяются:

¦ фотоэлементы;

¦ источник света (как правило, лампа с холодным катодом; в цветных сканерах часто используются красные, зеленые и голубые светоизлучающие диоды);

¦ шаговый двигатель, перемещающий в зависимости от конструкции оригинал, источник света или линейку датчиков;

¦ АЦП для передачи информации компьютеру.

Существует два типа фотоэлементов: CCD (Charged Couple Device — прибор с зарядовой связью), CIS (Contact Image Sensor — контактный датчик изображения).

Для фотоэлементов CCD необходимо использовать оптическую систему, содержащую зеркало, призму и объектив. Фотоэлементы CCD обеспечивают существенно лучшую цветопередачу. Для фотоэлементов CIS оптической системы не требуется, поскольку она имеет ширину, равную ширине рабочей области сканера, при этом они дешевые и быстродействующие, но характеризуются меньшим динамическим диапазоном и глубиной резкости. Для качественного сканирования цветных изображений и фотографий следует применять сканеры с CCD-датчиками. Программное обеспечение использует драйверы стандарта TWAIN (Tool Without Any Interesting Name — инструмент без какого либо интересного имени) и программы распознавания символов OCR (Optical Character Recognition).

Основными характеристиками сканеров являются: разрешение, разрядность (глубина цвета), динамический диапазон сканера и скорость сканирования.

Разрешения подразделяют на следующие виды:

¦ оптическое (по оси Х) — число пикселей у фоточувствительной линейки, из которых формируется изображение, равно числу элементов в сканирующей головке, деленному на ширину рабочей области, измеряется в точках на дюйм (dots per inch, dpi), значения — от 200 до 999 999^[1];

¦ механическое (по оси У) — число считываний информации, деленное на длину пути, пройденного за это время линейкой датчиков (равное или в 2−4 раза больше оптического разрешения);

¦ интерполяционное (программно-логическое) — произвольно выбранное разрешение, для получения которого драйвер сканера рассчитывает недостающие точки. Это разрешение зависит от алгоритма, используемого программным драйвером, и может достигать 20 000 dpi.

Разрядность (глубина цвета) — это число разрядов (битов), используемое для представления отдельной точки изображения; различают внутреннюю глубину для АЦП сканера и внешнюю глубину, которая определяет число байтов, передаваемых от сканера компьютеру; значение разрядности — 8−48.

Динамический диапазон сканера (D) — способность различать близлежащие оттенки (прежде всего это касается темных областей оригинала); определяется как разница между самым светлым оттенком, который сканер отличает от белого, и самым темным, но отличимым от черного. Показатель D измеряется как десятичный логарифм отношения света, падающего на оригинал, к отраженному (для непрозрачных) или прошедшему (для слайдов и негативов) свету, изменяется в диапазоне 0,0 (идеально белый) — 4,0 (абсолютно непрозрачный, черный). Для хорошего воспроизведения цветных фотографий и печатных изображений необходимо значение до 2,5 D, для слайдов — не менее 2,7 (лучше 3,0 — 3,8), для негативов и рентгеновских снимков — от 3,3 до 4,0.

Связь между скоростью сканирования и качеством получаемого изображения, а также между скоростью сканирования цветного и черно-белого изображений в большинстве случаев отсутствует.

По конструктивному исполнению сканеры делятся на настольные (desktop), ручные (hand-held), слайд-сканеры.

Настольные сканеры подразделяются на планшетные (flatbed), листовые (sheet-fed), барабанные сканеры и проекционные сканеры (overhead). В планшетных сканерах сканирующая головка (линейка светодиодов) перемещается относительно оригинала автоматически; это позволяет обрабатывать и листовые, и сброшюрованные (книги) документы. Б листовых сканерах оригинал автоматически перемещается относительно неподвижной сканирующей головки, они имеют низкую стоимость и более высокое качество получаемого изображения. Барабанные сканеры содержат датчик — фотоэлектронный умножитель. Сканируемый оригинал закрепляется на поверхности прозрачного цилиндра, который вращается с большой скоростью и обеспечивает самое высокое качество получаемого изображения. Основным недостатком таких сканеров является высокая стоимость. Проекционный сканер оптически считывает документ.

Ручные сканеры состоят из линейки светодиодов и источника света, помещенных в единый корпус; перемещение по изображению такого сканера выполняется вручную.

Слайд-сканеры предназначены для сканирования небольших прозрачных оригиналов с высоким разрешением. Принципиальное отличие слайд-сканеров от планшетных устройств при оцифровке информации состоит в том, что в большинстве моделей сканируемая поверхность (слайд) перемещается по отношению к неподвижному считывающему устройству. Все слайд-сканеры построены на основе фотоэлементов типа CCD, оптическое разрешение слайд-сканеров составляет от 2400 до 5400 dpi и более, динамический диапазон сканера — от 0 до 4,0 D. Слайд-сканеры имеют различные аппаратные технологии улучшения изображения, например: Digital ICE позволяет ликвидировать царапины и пылинки на прозрачных оригиналах, не затрагивая при этом качественные фрагменты кадра, технология Digital GEM устраняет зернистость изображения; Digital ROC «вытягивает» цвет на выцветших оригиналах; Digital DEE/SHO динамически расширяет диапазон экспозиций.

Сканер используется совместно с программами распознавания образов (Optical Character Recognition — OCR)^[2], битовые контуры символов кодируются ASCII-кодами. Некоторые системы OCR предварительно нужно обучить — ввести в память сканера шаблоны и прототипы распознаваемых символов и соответствующие им коды.

При выборе сканера следует учитывать:

¦ размер, цветность и форму документов;

¦ разрешающую способность;

¦ производительность;

¦ погрешность в размерах получаемого электронного изображения по отношению к оригиналу;

¦ наличие программных средств сжатия растровых файлов при хранении их в памяти компьютера;

¦ наличие аппаратно-программных средств распознавания образов, улучшения качества изображения в растровых файлах;

¦ качество и тип бумаги носителя;

¦ стоимость сканера.

• [1] Для нормальной работы программ распознавания образов достаточно величины 300 dpi, а для картинок в веб — 80 dpi.
• [2] Программа FineReader распознает тексты на десятках языков, использует большое число электронных словарей, проверяет орфографию, готовит тексты к публикации в сети Интернет и т. п.