Планшетные сканеры

Общие характеристики сканеров
Лекция №7. Планшетные сканеры
1.Общие характеристики сканеров
2. Планшетные сканеры.
1.Общие характеристики сканеров
Каждый тип сканеров имеетсвои особенности применения, что обусловливает различия в технологиисканирования и, следовательно, в характеристиках устройств. Однако существуют инекоторые общие критерии оценки как самого сканера, так и полученного с его помощью изображения. Рассмотрим общиехарактеристики сканирования безотно­сительно к конкретным видам или моделямсканеров.
Цветность сканера. Как и большинство других устройств для обработки изображений, сканерыделятся на
— цветные;
— черно-белые (полутоновые)
 - штриховые черно-белые.
 Цвет­ные сканеры — самый распространенный вид.
Полутоновые сканеры«различают» оттенки серого, но не способны вос­принимать цветные изображения.
 Штриховые черно-белые сканеры различают толькодва цвета и практически не пред­ставлены в торговой сети — они используются восновном на различных производствах (например, для сканирования чертежей или штрих-кодов).                          
Разрешение сканера (resolution) — это совокупность пара­метров, характеризующихминимальный размер деталей изображения, который сканер в состоянии считать.Разреше­ние делят на оптическое, механическое и интерполяционное.
Оптическое разрешение (opticalresolution)характеризует минимальный размер точки по горизонтали, которую сканер всостоянии распознать. В сканерах, использующих для считывания  цветовой информации матрицу (например, план­шетныхили листопротяжных), эта характеристика определяетсяотношением количества элементов в линии матрицы к ширине рабочей области. Длядругих типов сканеров таких как барабанный) она ограничивается возможностя­мифокусировки света на фотопринимающем элементе.  Оптическое разрешение — всегда наименьшее извсех указанных для конкретной модели сканера, поэтому производители сканеровчасто  не указывают его.
Механическое разрешение (mechanicalresolution) —количество шагов, которое делает сканирующая каретка, деленное на длинупройденного ею пути. Поскольку на каждом шаге происходит считывание информацииматрицей, этот параметр определяет минимальный размер точки по вертикали,которую сканер может распознать. Иногда механическое разрешение тоже называютоптическим, но это неверно. Например, если для какой-либо модели сканерауказано оптическое разрешение 300х1200 ppi,то оптическим разрешением будет 300 ppi, амеханическим — 1200 ppi. Обычно  механическое разрешение в два раза большеоптического, но встречаются и модели, в которых оно в четыре раза больше или,напротив, они равны. Ввиду того, что ПЗС-матрица неможет сканировать с разрешением по горизонтали больше оптического, длядобавления недостающих точек используются математические методы интерполяции (ина­че вертикальныйразмер любого отсканированного квадрата получился бы, большегоризонтального).  Механическоеразрешение применимо только к сканерам с матрич­ной структурой фотоприемников.
Интерполяционное разрешение— искусственно увеличен­ное спомощью математических методов разрешение. Про­грамма, входящая в комплектпоставки сканера, пытается довести изображение до этого разрешения путемдобавле­ния недостающих точек (например, при реальном разреше­нии 3х3 программавыдает 9х9). Этот параметр не имеет ничего общего с реальными физическимипараметрами сканера и может характеризовать только программу обработки  изображения.                   
Разрешениесканера обычно измеряется в пикселах на дюйм (ppi,pixelperinch).Измерять данный параметр в точках на дюйм (dpi, dots par inch) в принципе неверно, так как подdpiподразумевается фактиче­ское разрешение принтера, а это несколько иное понятие.Обычно принтер для получения одного цветного пикселаотпечатывает несколько точек, и каждая из них отвечает за свою составляющуюцвета. Эти точки находятся очень близко, что создает эффект одного пиксела нужного цвета: они как бы сливаются.Соответственно, dpiподразуме­вает количество составляющих цвет точек на дюйм. Под ppi подразуме­вается именно количество полноцветныхпикселов на дюйм.         
Разрядность (глубина цвета) — параметр, характеризующий количество цветов илиоттенков серого (в зависимости от цветности сканера). Разрядность означает,сколько  бит используется сканером дляпредставления цвета одной  точкиизображения. Различают разрядность внешнюю и внутреннюю. Внутренняя разрядность— это количество бит,  представляющихточку для внутренних операций в сканере (то есть до прохождения сигналом АЦП и преобразования  в цифровой вид). Внешняя разрядностьопределяет битность цвета после прохождения сигнала через АЦП. Внешняя разрядность сканеровобычно 8 бит (256 оттенков серого) для полутоновых сканеров и 24 бита (по 8 битна составля­ющую, итого 16,77 млн цветов) — дляцветных сканеров.  Внутренняя разрядность обычно не меньше, абольше внешней. Дополнительные биты во внутренней разрядности (если  они есть) используются для улучшения точностицветопередачи и снижения влияния искажений на цвет.       |
Динамический диапазон — еще одна цветовая характеристика. «Качество»отражения света любым оригиналом выражает оптическая плотность. Она вычисляетсякак десятичный  логарифм отношениясветового потока, падающего на оригинал, к световому потоку, отраженному оторигинала (для непрозрачных оригиналов) или прошедшему сквозь него (длянегативов или слайдов).
Оптическая плотностьизмеряется в OD (Optical Density),или просто D, и может меняться в диапазоне от 0,0D дляабсолютно белого (прозрачного) цве­та до 4,0D для идеально черного(непрозрачного) цвета.
Поскольку речь идет ологарифме, например, 2,0D и 3,0D бу­дутразличаться не на 25%, а в 10 раз. Оптические плотности для некоторых видоворигиналов приведены в табл. 1.
Таблица 1. Оптическиеплотности некоторых оригиналовОригинал
Диапазон оптических плотностей
Газетная бумага
0,9
Мелованная бумага
1,5-1.9
Фотоснимки
2,3
Негативные пленки
2,8
Цветные слайды коммерческого качества
2,7-3,0
Высококачественные диапозитивы, пленочные и двойные слайды
3,0-4,0
Диапазон оптическихплотностей сканера говорит о том, какие из цветов оригинала еще будутраспознаны, а какие — уже нет, то есть будут восприняты либо как полностью бе­лые,либо как абсолютно черные. Диапазон оптических плот­ностей включает в себя двехарактеристики: Dmin и Dmax. Первая, Dmin — такая оптическая плотность оригинала, ниже которой сканер будетсчитать оригинал идеально белым. Соответственно, Dmax — такая оптическая плотность ориги­нала, выше которой сканер будетсчитать оригинал абсо­лютно черным. Сам диапазон представляет собой разность Dmin и Dmax.   Диапазон оптических плотностей сканера зави­сит откачества и разрядности АЦП и фотоэлементов, а также от алгоритма работыконтроллера сканера. В табл. 2  ука­занытипичные динамические диапазоны для распростра­ненных видов сканеров.
Таблица 2. Типичные динамические диапазоны сканеровВид, класс сканера
Типичный динамический диапазон
Ручные сканеры
До 2,1
Полутоновые сканеры
До 2,3
Цветные планшетные сканеры, старые модели и модели класса SOHO
1,8-2,5
Цветные планшетные сканеры промежуточного класса
2,5-3,2
Цветные планшетные сканеры высокого класса
3,4-3,8
Настольные барабанные сканеры
3,4-4,0
Барабанные сканеры высокого класса
3,6-4,0
Работая область сканера —максимальный формат доку­мента, который сканер всостоянии обработать. Формат за­висит от конструкции и области применениясканера. Так, формат документа для листопротяжных иручных сканеров ограничен только по ширине. Обычные домашние и офис­ные сканерычаще всего соответствуют форматам А4 и приня­тому на западе формату Legal.Профессиональные модели могут иметь фиксированные размеры, приспособленные дляконкретных оригиналов (например, слайд-сканер 35-мйллиметровой пленки), илипросто иметь большой формат — до АО.
Скорость сканирования — параметр, отражающий время, за которое будетотсканирован тот или иной документ. На са­мом деле эта характеристика не можетиметь какого-либо зна­чения, так как зависит от быстродействия компьютера, объ­емаего оперативной памяти, от аппаратного интерфейса и т. д. Поэтомубыстродействие сканера можно оценивать только для конкретного рабочего места.Иногда этот параметр указыва­ется в характеристиках сканера в миллисекундах налинию.
Аппаратный интерфейс сканера (интерфейс передачи данных) обеспечивает обменинформацией между сканером и компьютером. От него зависит скорость передачи данныхмежду компьютером и сканером. Эта характеристика мо­жет быть очень важна, еслиесть необходимость в высоком качестве отсканированных фотографий (иликаких-либо других графических материалов). Например, для стандарт­ной цветнойфотографии размером 10х15 см, отсканиро­ванной с разрешением 720 ppi при разрядности цвета 24 бит (True color), потребуется около 40-Мбайт дискового про­странства.Соответственно, если скорость передачи данных между сканером и компьютеромнизка, то и ждать результа­та придется очень-долго.Поэтому интерфейс передачи дан­ных по важности ставится наравне с такимихарактеристи­ками, как разрешение и глубина цвета. Сейчас на рынке представленысканеры с пятью типами интерфейсов:
1. Интерфейс LPT(стандартный параллельный порт Centronics). Этот интерфейс один изсамых медлен­ных, но и наиболее прост при установке сканера: Иног­давстречаются улучшенные варианты — с поддерж­кой (или даже требованием) ЕРР/ЕСР.В таком случае могут возникнуть проблемы с установкой, так как не все компьютерыоборудованы такими портами. Сканеры с интерфейсом LPT практически всегда имеют«сквозной порт», то есть сканер не монопольно ис­пользуетLPT-порт, оставляя возможность подклю­чения еще одного устройства (обычно этимустрой­ством бывает принтер).
2. Собственный интерфейс. Его еще иногда называют ISA.Такой интерфейс реализуется в виде отдельной карты, с которой может работатьсканер. Такие карты для каждой модели сканера уникальны, из-за чего могутвозникнуть проблемы при замене (если карта, например, вышла из строя) или послеUpgrade.
3. SCSI-интерфейс—один из наиболее скоростных ва­риантов интерфейса передачи данных. Однако, еслив комплекте со сканером не поставляется SCSI-кар­та, то могут возникнутьпроблемы совместимости о другим контроллером SCSI. Меньше всего проблемсоздают контроллеры Adaptec. Если в комплект по­ставки сканера включена своякарта, то подключение и использование сканера не вызовут проблем, однако нефакт, что другие SCSI-устройства смогут быть ус­тановлены на этот контроллер(например, из-за от­сутствия или несовместимости драйверов). При подключениисканера к SCSI-плате должно быть соблюдено согласование шины, иначеподключенные к ней устройства не смогут нормально работать. На­чало и конеццепочки устройств должны быть обес­печены терминаторами (согласующимисопротивлени­ями). Если на шине отсутствуют внешние устройства, то терминаторможно установить прямо на контрол­лере, который служит последним звеном вцепочке SCSI. Поскольку сканер лучше всего установить пос­леднимв цепочке, необходимо задействовать соб­ственный терминатор сканера, отключивтерминатор контроллера. У большинства сканеров терминаторы находятся внутри.Лишь немногие сканеры (напри­мер, HP ScanJet 4p) имеют внешнийпереключатель.
4. ИнтерфейсUSB— преемник LPT-интерфейса.Сто­имость USB-сканера ниже, а производительность этого интерфейса —значительно выше, чем для па­раллельного порта, однако не на всех компьютерахесть поддержка USB.
5. Интерфейс PCMCIA(PCcard)— интерфейс для ра­боты с портативными компьютерами. Данный интер­фейспретендует на универсальность, однако это не всегда так. Поэтому стоитпроверить совместимость кон­кретного портативного компьютера с таким сканером.
2. Планшетные сканеры
Планшетные сканеры — самыйраспространенный вид скане­ров. Популярность эта вполне заслуженна: устройствотаких ска­неров создает все удобства при сканировании любых ориги­налов.Оригинал в планшетном сканере неподвижно лежит на стекле, а считывание вбольшинстве случаев происходит в отраженном от него свете. Высокие скоростныехаракте­ристики таких сканеров также являются несомненным пре­имуществом. Этопреимущество достигается за счет того, что фотоэлементом в планшетных сканерахявляется не единич­ный фотоэлемент, а считывающая линейка фотоэлементов.
Рис.1. Устройство планшетного сканера 1-оригинал; 2-стекло; 3- источник света; 4 – система зеркал; 5 — линза; 6 – линейныйфотоприемник; 7- АЦП 
На рис. 1 изображена схемаустройства планшетного ска­нера. Полоса света, испускаемая источникомосвещения, попадает на оригинал, растянутый на стекле. Отразившись, светпопадает на первое зеркало из системы зеркал. Зерка­ла расположены такимобразом, чтобы отраженный свет попадал на собирающую линзу. Линза проецируетпопав­ший на нее свет на линейку фотоэлементов (с увеличени­ем). Свет, попавшийна эту линейку, трансформируется в электрический аналоговый сигнал, которыйдалее попа­дает в АЦП. В некоторых сканерах между фотоприемни­ком и АЦПнаходятся промежуточные ступени, работаю­щие с аналоговым сигналом. Эти ступенипредназначены для аппаратного исправления погрешностей сканирования и, иногда,самого изображения. В результате на выход, то есть вкомпьютер (после АЦП), идет полоска изображе­ния исходногооригинала.
Описанная выше процедурасканирования охватывает толь­ко одну строку изображения. Поэтому для полногоскани­рования и используется головка. После того как отскани­рованная строка пикселов попадет в компьютер, каретка сдвигается на одиншаг. Длина этого шага фиксирована и от нее зависит механическое разрешениесканера (см. раз­дел «Общие характеристики сканеров»). Затем вся проце­дураповторяется до тех пор, пока заданная область не бу­дет считана полностью.Рассмотрим описанные детали сканера подробнее.
1. Источник изображения. В приведенной схемеисточник изображения непрозрачен (сканер работает на отраже­ние), но внекоторых случаях может использоваться и прозрачный оригинал. Для работы стакими докумен­тами сканер может быть оборудован слайд-модулем.
2. Стеклянная пластина. К пластинепредъявляются особые требования: качество стекла должно быть очень высоким,поверхность должна быть максимально ров­ной и внутри стекла не должно бытьникаких неоднородностей. Это при том, что толщина стекла очень мала.
3. Фотопринимающая  матрица эта, и следующие в списке деталинаходятся на так называемой сканирующей головке или каретке). Практически этосамая существен­ная деталь сканера. От нее зависят оптическое разреше­ние,динамический диапазон, схема работы сканера (одно- или трехпроходный) и почтивсе остальные характеристики (за исключением разве что рабочей обла­стисканера). На сегодняшний день наиболее распрост­ранены два типа фотопринимающей матрицы:
-  ПЗС-матрицы (прибор с зарядовой связью, в англий­скихобозначениях — CCD, Couple-Charged Device);
-  КДИ-матрицы (контактный датчик изображения, в ан­глийскихобозначениях — CIS, Contact Image Sensor).
Основой элемента ПЗС-матриц является фототранзистор, выполненный потехнологии МОП (металл—оксид —полу­проводник). Эта технология используется и вомногих дру­гих приборах для считывания изображений, от мощнейших телескопов доприборов ночного видения.
Данному виду фотоэлементовприсущи свои преимущества и недостатки. Среди преимуществ ПЗС необходимо отме­титьследующие:
Высокаячувствительность. Квантовая эффективность ПЗС чрезвычайно высока и можетдостигать 95%. Для сравнения, квантовая эффективность человеческого гла­за —около 1%, лучшие фотоэмульсии имеют квантовую эффективность до 3%,фотоэлектронные умножители (фотоприемники в барабанных сканерах) — до 20%.Квантовая эффективность определяет способность фотоприемника переводить свет вэлектрические сигналы, то есть выражает эффективность перевода попавших на негоквантов (частиц света) в электрический сигнал. Строго говоря, она равнаотношению числа зарегистри­рованных зарядов к числу фотонов, попавших на свето­чувствительнуюобласть кристалла ПЗС. Энергия кванта зависит от длины волны света, поэтомучетко обозна­чить эту характеристику для ПЗС невозможно — она ме­няется повсему спектру и обычно задается в виде функции от длины волны.
Широкий спектральный диапазон. ПЗС может реагиро­вать на свет, начиная от гамма- ирентгеновского излучения и заканчивая инфракрасным излучением. Такого диапазонане дает на текущий момент ни одна из мат­ричных технологий. Главныминедостатками ПЗС являются:.
Ограниченность разрешения. Во всех матричных фотоприемниках существуетограничение максимального раз­решения количеством элементов матрицы.
Шумы. Существует несколько видов шумов. Одни виды шумовзависят от температуры, поэтому для высокока­чественных ПЗС иногда применяетсяохлаждение. Дру­гие виды шумов зависят от качества сборки ПЗС. Но есть и шумы,которые нет возможности отфильтро­вать даже в самых качественных приборах.Например, таким шумом является фотонный шум. Этот шум — след­ствие природысвета и не зависит от фотоприемиика. Все эти шумывносят соответствующие искажения в ре­зультат сканирования. Обычно искаженияпроявляются в виде шумовых битов. В сканерах младшего класса для каждой из трехсоставляющих цвета (8 бит на каждую) два старших бита являются «шумовыми» и несодержат точной информации о цвете.
Растекание заряда. Этот эффект возникает в резуль­тате того, что заряд, накопленныйэлементом ПЗС, ли­нейно меняется в зависимости от попавшего на него света.Соответственно, есть некоторый предел, ограни­чивающий этот заряд. Если завремя освещения суммар­ное количество фотонов (частиц света) превыситпредельное значение, то заряд начнет «перетекать» в соседние пикселы. На получившемся изображении это выглядит какрасплывчатость слишком ярких деталей изображения.
Принципиального различия между КД И- и ПЗС-матрица-ми нет. КДИ-сканерыотличаются of ПЗС-сканеров тем, что вних матрица растянута на всю ширину рабочей области, поэтому полностьюотсутствует оптическая система.
Однако от технологии фотопринимающейматрицы зави­сит устройство многих других узлов, так что следует гово­рить не оразличиях в сканирующей матрице, а о различиях в сканерах.