Устройство сканера | Принцип работы сканера

Сканером называется устройство, позволяющее вводить в компьютер в графическом виде текст, рисунки, слайды, фотографии и др. На рис. 2.11 изображена общая схема устройства сканера. Свет, идущий от источника освещения, попадает на оригинал в определенной точке. Отразившись от него, свет попадает на оптическую систему сканера. Она состоит из  зеркал и объектива (иногда роль оптической системы может играть просто призма). Оптическая система фокусирует свет на фотопринимающем элементе, роль которого — преобразо­вание интенсивности падающего света в электронный вид.

Принцип работы сканера состоит в следующем: в результате преобразования света получается электрический сигнал, содержащий информацию об активности цвета в исходной точке сканируемого изображения. После оцифровки аналогового сигнала в АЦП цифровой сигнал через аппаратный интерфейс сканера идет в компьютер, где его получает и анализирует программа для работы со сканером. После окончания одного такого цикла (освещение оригинала — получение сигнала — преобразование сигнала — получение его программой) источник света  и приемник светового отражения перемещается относительно оригинала.

Основной деталью планшетного сканера является считывающая головка, двигающаяся вдоль сканируемого изображения. Важнейшей частью считывающей головки является фотоприемник. На сегодняшний день наиболее распространены два типа фотопринимающей матрицы: ПЗС-матрица (прибор с зарядовой связью, в английских обозначениях — CCD, Couple-Charged Device) и КДИ-матрица (контактный датчик изображения, в английских обозначениях — CIS, Contact Image Sensor).

Основой элемента ПЗС-матриц является фототранзистор, выполненный по технологии МОП (металл—оксид —полупроводник). ПЗС-матрица состоит из множества миниатюрных датчиков, преобразующих падающий на них свет в пропорциональный его интенсивности электрический заряд. Эта технология используется и во многих других приборах для считывания изображений, от мощнейших телескопов до приборов ночного видения.

Данному виду фотоэлементов присущи свои преимущества и недостатки. Среди преимуществ ПЗС необходимо отметить следующие:

• Высокая чувствительность. Квантовая эффективность ПЗС чрезвычайно высока и может достигать 95%. Для сравнения, квантовая эффективность человеческого глаза — около 1%, лучшие фотоэмульсии имеют квантовую эффективность до 3%, фотоэлектронные умножители (светоприемники в барабанных сканерах) — до 20%. Квантовая эффективность определяет способность светоприемника переводить свет в электрические сигналы, то есть выражает эффективность перевода попавших на него квантов (частиц света) в электрический сигнал.
• Широкий спектральный диапазон. ПЗС может реагировать на свет, начиная от гамма- и рентгеновского излучения и заканчивая инфракрасным излучением. Такого диапазона не дает на текущий момент ни одна из матричных технологий.

Принципиального различия между КДИ- и ПЗС матрицами нет. КДИ-сканеры отличаются от ПЗС-сканеров тем, что в них матрица растянута на всю ширину рабочей области, поэтому полностью отсутствует оптическая система.

В КДИ-модификациях сканеров источник освещения заме­няется светодиодами. При этом для цветного сканирования возникает необходимость в трех светодиодах на пиксел, в соответствии со стандартным разложением цвета RGB. Зеркала и объектив в КДИ-сканерах не представлены, так как эта технология обеспечивает прямую проекцию полной повер­хности рабочей области прямо на считывающую матрицу.

Излучение, идущее от светодиодов, отражается от оригинала и, пройдя через линзу, фокусируется на датчике изобра­жения. Датчик изображения - фототранзисторы, сделанные на основе МОП –технологии (аналогично ПЗС). В результате получается аналоговый сигнал, который усиливается в видеоусилителе и идет в АЦП.

Отсутствие оптической системы в таком сканере налагает свои ограничения на такую технологию. Если, например, полный датчик изоб­ражения длиной 216 мм (формат А4) состоит из 54 меньших датчиков, каждый из которых имеет 96 светочувствительных элементов (одно из лучших значений), то в результате получится 24 элементов на миллиметр, что в пересчете на дюймы дает 600 элементов на дюйм.

Для сканирования полноцветного изображения используются три светодиода на один элемент датчика: красный, зеленый и синий, — которые при сканировании включаются по очереди.

В основном положительные стороны КДИ-сканеров объясняются отсутствием оптической системы. Однако в целом они достаточно поверхностные, и большинство из них не связаны с качеством изображения. В этом отношении ПЗС-сканеры явно выигрывают в следующем.

- Лучшая глубина резкости. Глубина резкости КДИ-ска­неров ±0,3 мм, тогда как для сканеров с ПЗС она равна ±3 мм. Это означает, что трехмерные предметы, находящиеся на расстоянии 3 мм от общего уровня, будут нормально отсканированы ПЗС-сканером, а изображение, полученное КДИ-сканером, будет нерезким и размытым. На практике такими предметами зачастую являются развернутые толстые книги.

- Дольше срок службы. Сканер на основе ПЗС обеспечивает стабильное и неизменное качество в течение 10 000 часов работы, тогда как у КДИ-сканеров после 500 ча­сов работы происходит падение яркости на величину до 30%.

- Лучшая чувствительность к оттенкам. ПЗС-сканеры различают уровни оттенков с погрешностью ±20%, в то время как КДИ сканеры — ±40%. Соответственно, передача деталей у ПЗС-сканеров будет значительно лучше.

- Меньшая чувствительность к посторонней засветке. Это преимущество связано с тем, что ПЗС-линейка невелика по длине, и благодаря системе зеркал «лишний» свет на нее не проецируется. В КДИ-сканерах линейка значительно больше, оптическая система практически отсутствует, поэтому любое лишнее освещение сразу зна­чительно влияет на результат сканирования.

- Разрешение устройства сканера. Максимальное разрешение профессиональных ПЗС-сканеров на данный момент — 3000 ppi, тогда как для КДИ-сканеров верхний предел - 600 ppi.

Характеристики сканеров

* Цветность сканера. Сканеры делятся на цветные, черно-белые (полутоновые) и штриховые черно-белые.

* Разрешение сканера (resolution) - это совокупность параметров, характеризующих минимальный размер деталей изображения, который сканер в состоянии считать.

Для любого сканера независимо от его типа важно разрешение, которое он поддерживает. Оно может колебаться от 100-150 dpi до нескольких тысяч dpi. Наибольшее оно у барабанных сканеров, немного меньше у планшетных. Планшетные сканеры обычно имеют разрешение не менее 300 dpi, обычно около 600. У хороших планшетных сканеров эта цифра может достигать 1200, 2400 dpi или даже больше (до 4000-6000 dpi). А вот у ручных и роликовых оно обычно около 150-300.

Разрешение должно соответствовать задачам, для которых предназначен сканер. Для того, чтобы сканировать фотографии и сохранять их в виде рисунков, чтобы потом посматривать на мониторе, вполне достаточно и 300 точек на дюйм. Для распознавания текста больше 600 тоже не нужно. Если вы хотите сканировать для того, чтобы потом сделать копию на принтере, то, каково бы высоко ни было разрешение у сканера, все упрется в то разрешение, с каким способен печатать принтер.
Разрешение делят на оптическое, механическое и интерполяционное.

Оптическое разрешение (optical resolution) характеризует минимальный размер точки по горизонтали, которую сканер в состоянии распознать. В сканерах, использующих для считывания цветовой информации матрицу (например, планшетных или листопротяжных), эта характеристика определяется отношением количества элементов в линии матрицы к ширине рабочей области. Для других типов сканеров (барабанный) она ограничивается возможностями фокусировки света на фотопринимающем элементе.

Механическое разрешение (mechanical resolution) — количество шагов, которое делает сканирующая каретка, деленное на длину пройденного ею пути. Поскольку на каждом шаге происходит считывание информации матрицей, этот параметр определяет минимальный размер точки по вертикали, которую сканер может распознать. Иногда механическое разрешение тоже называют оптическим, но это неверно, Например, если для какой-либо модели сканера указано оптическое разрешение 300х1200 ppi, то оптическим разрешением будет 300 ppi, а механическим — 1200 ppi. Обычно механическое разрешение в два раза больше оптического, встречаются и модели, в которых оно в четыре раза больше или, напротив, они равны. Ввиду того, что ПЗС-матрица не может сканировать с разрешением по горизонтали больше оптического, для добавления недостающих точек пользуются математические методы интерполяции (иначе вертикальный размер любого отсканированного квадрата получился бы больше горизонтального).

Интерполяционное разрешение — искусственно увеличенное с помощью математических методов разрешение. Программа, входящая, в комплект поставки сканера, пытается довести изображение до этого разрешения путем добавления недостающих точек (например, при реальном разрешении 3х3 программа выдает 9х9). Этот параметр не имеет ничего общего с реальными физическими параметрами ска­нера и может характеризовать только программу обработки изображения.
ПРИМЕЧАНИЕ. Разрешение сканера обычно измеряется в пикселах на дюйм (ppi, pixelperinch). Измерять данный параметр в точках на дюйм (dpi. dotsperinch) в принципе неверно, так как под dpi подразумевается фактиче­ское разрешение принтера, а это несколько иное понятие. Обычно принтер для получения одного цветного пиксела отпечатывает не­сколько точек, и каждая из них отвечает за свою составляющую цвета. Эти точки находятся очень близко, что создает эффект одного пиксела нужного цвета: они как бы сливаются. Соответственно, dpi подразуме­вает количество составляющих цвет точек на дюйм. Под ppi подразуме­вается именно количество полноцветных пикселов на дюйм.

* Разрядность (глубина цвета) - параметр, характеризую­щий количество цветов или оттенков серого (в зависимос­ти от цветности сканера). Разрядность означает, сколько бит используется сканером для представления цвета одной точки изображения. Различают разрядность внешнюю и внутреннюю. Внутренняя разрядность — это количество бит, представляющих точку для внутренних операций в сканере (то есть до прохождения сигналом АЦП и преобразования в цифровой вид). Внешняя разрядность определяет битность цвета после прохождения сигнала через АЦП. Внешняя разрядность сканеров составляет обычно 8 бит (256 оттенков серого) для полутоновых сканеров и 24 бита (по 8 бит на составляющую, итого 16,77 млн. цветов) — для цветных сканеров. Внутренняя разрядность обычно не меньше, а больше внешней. Дополнительные биты во внутренней разрядности (если они есть) используются для улучшения точности цветопе­редачи и снижения влияния искажений на цвет.

* Рабочая область сканера — максимальный формат документа, который сканер в состоянии обработать. Формат за­висит от конструкции и области применения сканера. Так, формат документа для листопротяжных и ручных сканеров ограничен только по ширине. Обычные домашние и офисные сканеры чаще всего соответствуют форматам А4 и принятому на Западе формату Legal. Профессиональные модели могут иметь фиксированные размеры, приспособленные для конкретных оригиналов (например, слайд-сканер 35-миллиметровой пленки), или просто иметь большой формат — до АО.

* Динамический диапазон — еще одна цветовая характеристи­ка. «Качество» отражения света любым оригиналом выражает оптическая плотность. Она вычисляется как десятичный логарифм отношения светового потока, падающего на оригинал, к световому потоку, отраженному от оригинала (для непрозрачных оригиналов) или прошедшему сквозь него (для негативов или слайдов). Оптическая плотность измеря­ется в OD (Optical Density), или просто D, и может меняться в диапазоне от 0,0 D для абсолютно белого (прозрачного) цвета до 4,0 D для идеально черного (непрозрачного) цвета.
Поскольку речь идет о логарифме, например, 2,0 D и 3,0 D будут различаться не на 25%, а в 10 раз. Оптические плотности для некоторых видов оригиналов приведены в табл. 1.
Диапазон оптических плотностей сканера говорит о том, какие из цветов оригинала еще будут распознаны, а какие — уже нет, то есть будут восприняты либо как полностью белые, либо как абсолютно черные.

Диапазон оптических плотностей включает в себя две характеристики: Dмин и Dмакс. Первая, Dмин — такая оптическая плотность оригинала, ниже которой сканер будет считать оригинал идеально белым. Соответственно, Dмакс — такая оптическая плотность оригинала, выше которой сканер будет считать оригинал абсолютно черным. Сам диапазон представляет собой разность Dмин – Dмакс. Диапазон оптических плотностей сканера зависит от качества и разрядности АЦП и фотоэлементов, а также от алгоритма работы контроллера сканера. В табл.2. указаны типичные динамические диапазоны для распространенных видов сканеров.

* Скорость сканирования — параметр, отражающий время, за которое будет отсканирован тот или иной документ. На са­мом деле эта характеристика не может иметь какого-либо значения, так как зависит от быстродействия компьютера, объема его оперативной памяти, от аппаратного интерфейса и т. д. Поэтому быстродействие сканера можно оценивать только для конкретного рабочего места. Иногда этот параметр указыва­ется в характеристиках сканера в миллисекундах на линию.

* Аппаратный интерфейс сканера (интерфейс передачи данных) обеспечивает обмен информацией между сканером и компьютером. От него зависит скорость передачи данных между компьютером и сканером. Эта характеристика может быть очень важна, если есть необходимость в высоком качестве отсканированных фотографий (или каких-либо других графических материалов). Например, для стандартной цветной фотографии 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 компьютером низка, то и ждать результата придется очень долго. Поэтому интерфейс передачи данных по важности ставится наравне с такими характеристиками, как разрешение и глубина цвета. Сейчас на рынке  представлены сканеры с пятью типами интерфейсов:

1. Интерфейс LPT (стандартный параллельный порт Centronics). Этот интерфейс один из самых медленных, но и наиболее прост при установке сканера. Иногда встречаются улучшенные варианты — с поддерж­кой (или даже требованием) ЕРР/ЕСР. В таком случае могут возникнуть проблемы с установкой, так как не все компьютеры оборудованы такими портами. Ска­неры с интерфейсом LPT практически всегда имеют «сквозной порт», то есть сканер не монопольно использует LPT-порт, оставляя возможность подключения еще одного устройства (обычно этим устройством бывает принтер).

2. Собственный интерфейс. Его еще иногда называют ISA. Такой интерфейс реализуется в виде отдельной карты, с которой может работать сканер. Такие карты для каждой модели сканера уникальны, из-за чего могут возникнуть проблемы при замене.

3. SCSI-интерфейс — один из наиболее скоростных вариантов интерфейса передачи данных. Однако, если в комплекте со сканером не поставляется SCSI-карта, то могут возникнуть проблемы совместимости с другим контроллером SCSI. Меньше всего проблем создают контроллеры Adaptec. Если в комплект по­ставки сканера включена своя карта, то подключение и использование сканера не вызовут проблем, однако не факт, что другие SCSI-устройства смогут быть установлены на этот контроллер (например, из-за отсутствия или несовместимости драйверов).

4. Интерфейс USB — преемник LPT-интерфейса. Сто­имость USB-сканера ниже, а производительность этого интерфейса — значительно выше, чем для параллельного порта, однако не на всех компьютерах есть поддержка USB.

5. Интерфейс PCMCIA (PC card) - интерфейс для ра­боты с портативными компьютерами.

Пример характеристики сканера класса SOHO (Small Office, Home Office) Agfa Scan:

ПЗС: цветная, 5100 элементов. Сканирование производится по технологии ПЗС (CCD), причем линейка ПЗС — цветная. Количество элементов — стандартное для сканера такого класса (для профессиональных сканеров сейчас - 8640 элементов).
Проходов: 1 (трехпроходные сканеры сейчас практически отсутствуют на рынке).
Формат в отраженном свете: 216х297 мм(8”)х11,7”).Формат несколько больше А4 (210х297 мм). Форматы рабочей области сканеров могут варьироваться, но почти всегда они лежат близко к какому-либо стандартному фор­мату.
Оптический диапазон: 1,8D. Довольно низкий диапазон, но для домашнего использования вполне пригоден.
Глубина цвета: 36 бит. Здесь указана внутренняя разряд­ность. Внешняя почти всегда равна 24 битам для совмести­мости с программным обеспечением.
Скорость сканирования: серый —3,7 мс/линия, цвет — 11,1 мс/линия. Эта характеристика не имеет практического значения, так как здесь не учитывается время передачи дан­ных по интерфейсу и производительность компьютера, от которой тоже зависит скорость считывания.
Интерфейс: USB.
Размеры: ширина 330 мм, высота 105 мм, глубина 450 мм. Вес: 4 кг.
Лампа: cold cathode, автоматическое отключение. Лампа — с холодным катодом, после некоторого времени бездействия отключается для экономии электроэнергии.
Готовность к работе: — Под готовностью сканера к ра­боте подразумевается время его «нагрева» после включения. Данный сканер не требует времени для прогрева.
Температура: 10-40 °С; влажность: 20-85%. Характерис­тики окружающей среды, при которых сканер будет нормально работать. Если предполагается использовать сканер в каких-либо нестандартных условиях, на этот параметр следует обратить внимание.
Совместимость: Windows 98, MacOS on the iMac. На совместимость тоже необходимо обратить внимание, так как от нее строго зависят рамки совместимости. Например, драйверы сканера, работавшие под Windows 98, могут отказаться работать под Windows ME.