Для офисных и домашних задач, а также для большинства работ по компьютерной графике лучше всего подходят так называемые планшетные сканеры . Различные модели этого типа шире других представлены в продаже. Поэтому начнем с рассмотрения принципов построения и функционирования сканеров именно этого типа. Уяснение этих принципов позволит лучше понять значение технических характеристик, которые учитываются при выборе сканеров.

Планшетный сканер (Flatbed scanner) представляет собой прямоугольный пластмассовый корпус с крышкой. Под крышкой находится стеклянная поверхность, на которую помещается оригинал, предназначенный для сканирования. Через это стекло можно разглядеть кое-что из внутренностей сканера. В сканере имеется подвижная каретка, на которой установлены лампа подсветки и система зеркал. Каретка перемещается посредством так называемого шагового двигателя . Свет лампы отражается от оригинала и через систему зеркал и фокусирующих линз попадает на так называемую матрицу , состоящую из датчиков , вырабатывающих электрические сигналы, величина которых определяется интенсивностью падающего на них света. Эти датчики основаны на светочувствительных элементах, называемых приборами с зарядовой связью (ПЗС, Couple Charged Device - CCD). Точнее говоря, на поверхности ПЗС образуется электрический заряд, пропорциональный интенсивности падающего света. Далее нужно только преобразовать величину этого заряда в другую электрическую величину - напряжение. Несколько ПЗС располагаются рядом на одной линейке.

Электрический сигнал на выходе ПЗС является аналоговой величиной (т.е. ее изменение аналогично изменению входной величины - интенсивности света). Далее происходит преобразование аналогового сигнала в цифровую форму с последующей обработкой и передачей в компьютер для дальнейшего использования. Эту функцию выполняет специальное устройство, называемое аналого-цифровым преобразователем (АЦП, Analog-to-digital Converter - ADC). Таким образом, на каждом шаге перемещения каретки сканер считывает одну горизонтальную полоску оригинала, разбитую на дискретные элементы (пикселы), количество которых равно количеству ПЗС на линейке. Все отсканированное изображение состоит из нескольких таких полос.

Рис. 119. Схема устройства и работы планшетного сканера на основе ПЗС (CCD): свет лампы отражается от оригинала и через оптическую систему попадает на матрицу светочувствительных элементов, а затем на аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

В цветных сканерах сейчас используются, как правило, трехрядная матрица ПЗС и подсветка оригинала калиброванным белым светом. Каждый ряд матрицы предназначен для восприятия одной из базовых цветовых составляющих света (красной, зеленой и синей). Чтобы разделить цвета, используют либо призму, разлагающую луч белого света на цветные составляющие, либо специальное фильтрующее покрытие ПЗС. Однако существуют цветные сканеры и с однорядной матрицей ПЗС, в которых оригинал по очереди подсвечивается тремя лампами базовых цветов. Однорядная технология с тройной подсветкой считается устаревшей.

Выше мы описали принципы построения и работы так называемых однопроходных сканеров, которые сканируют оригинал за один проход каретки. Однако еще встречаются, хотя больше и не выпускаются промышленностью, трехпроходные сканеры. Это сканеры с однорядной матрицей ПЗС. В них при каждом проходе каретки вдоль оригинала используется один из базовых цветных светофильтров: за каждый проход снимается информация по одному из трех цветовых каналов изображения. Эта технология также устарела.

Кроме CCD-сканеров, основанных на матрице ПЗС, имеются CIS-сканеры (Contact Image Sensor), в которых применяется фотоэлементная технология.

Светочувствительные матрицы, выполненные по этой технологии, воспринимают отраженный оригиналом спет непосредственно через стекло сканера без использования оптических систем фокусировки. Это позволило уменьшить размеры и вес планшетных сканеров более чем в два раза (до 3-4 кг). Однако такие сканеры хороши только для исключительно плоских оригиналов, плотно прилегающих к стеклянной поверхности рабочего поля. При этом качество получаемого изображения существенно зависит от наличия посторонних источников света (крышка CIS-сканера во время сканирования должна быть закрыта). В случае объемных оригиналов качество оставляет желать лучшего, в то время как ССО-сканеры дают неплохие результаты и для объемных (до нескольких см в глубину) предметов.

Планшетные сканеры могут быть снабжены дополнительными устройствами, такими как слайд-адаптер, автоподатчик оригиналов и др. Для одних моделей эти устройства предусмотрены, а для других нет.

Слайд-адаптер (Transparency Media Adapter, TMA) - специальная приставка, позволяющая сканировать прозрачные оригиналы. Сканирование прозрачных материалов происходит с помощью проходящего, а не отраженного света. Иначе говоря, прозрачный оригинал должен находиться между источником света и светочувствительными элементами. Слайд-адаптер представляет собой навесной модуль, снабженный лампой, которая движется синхронно с кареткой сканера. Иногда просто равномерно освещают некоторый участок рабочего поля, чтобы не перемещать лампу. Таким образом, главная цель применения слайд-адаптера заключается в изменении положения источника света.

Если же у вас есть цифровая камера (цифровой фотоаппарат), то слайд-адаптер, скорее всего, вам не нужен.

Если сканировать прозрачные оригиналы без использования слайд-адаптера, то нужно понимать, что при облучении оригинала количества отраженного и проходящего света не равны друг другу. Так, оригинал пропустит какую-то часть падающего цвета, которая затем отразится от белого покрытия крышки сканера и снова пройдет через оригинал. Какая-то часть света отразится от оригинала. Соотношение между частями проходящего и отраженного света зависит от степени прозрачности участка оригинала. Таким образом, светочувствительные элементы матрицы сканера получат свет, дважды прошедший через оригинал, а также свет, отраженный от оригинала. Многократность прохода света через оригинал ослабляет его, а взаимодействие отраженного и проходящего пучков света (интерференция) вызывает искажения и побочные видеоэффекты.

Автоподатчик - устройство, подающее оригиналы в сканер, которое очень удобно использовать при потоковом сканировании однотипных изображений (когда не нужно часто перенастраивать сканер), например, текстов или чертежей приблизительно одинакового качества.

Кроме планшетных, есть и другие типы сканеров: ручные, листопротяжные, барабанные, слайдовые, для сканирования штрих-кодов, скоростные для потоковой работы с документами.

Ручной сканер (Handheld Scanner) - портативный сканер, в котором сканирование осуществляется путем его ручного перемещения по оригиналу. По принципу действия такой сканер аналогичен планшетному. Ширина области сканирования - не более 15см. Первые сканеры для широкого применения появились в продаже в 80-х годах XX века. Они были ручными и позволяли сканировать изображения в оттенках серого цвета. Теперь такие сканеры нелегко найти.

Листопротяжный или роликовый сканер (Sheetfed Scanner) - сканер, в котором оригинал протягивается мимо неподвижной линейной CCD- или CIS-матрицы, разновидность такого сканера - факс-аппарат.

Барабанный сканер (Drum Scanner) - сканер, в котором оригинал закрепляется на вращающемся барабане, а для сканирования используются фотоэлектронные умножители. При этом сканируется точечная область изображения, а сканирующая головка движется вдоль барабана очень близко от оригинала.

Слайдовый сканер (Film-scanner) - разновидность планшетного сканера, предназначенная для сканирования прозрачных материалов (слайдов, негативных фотопленок, рентгеновских снимков и т. п.). Обычно размер таких оригиналов фиксирован. Заметим, что для некоторых планшетных сканеров предусмотрена специальная приставка (слайд-адаптер), предназначенная для сканирования прозрачных материалов (см. выше).

Сканер штрих-кодов (Bar-code Scanner) - сканер, предназначенный для сканирования товарных штрих-кодов. По принципу действия он сходен с ручным сканером и подключается к компьютеру, либо к специализированной торговой системе. При наличии соответствующего программного обеспечения распознавать штрих-коды может любой сканер.

Скоростной сканер для работы с документами (Document Scanner) - разновидность листопротяжного сканера, предназначенная для высокопроизводительного многостраничного ввода. Сканеры могут быть оборудованы приемными и выходными лотками объемом свыше 1000 листов и вводить информацию со скоростью свыше 100 листов в минуту. Некоторые модели этого класса обеспечивают двустороннее (дуплексное) сканирование, подсветку оригинала разными цветами для отсечки цветного фона, компенсацию неоднородности фона, имеют модули динамической обработки разнотипных оригиналов.

Итак, для дома и офиса лучше всего подходит планшетный сканер. Если вы хотите заниматься графическим дизайном, то лучше выбрать CCD-сканер (на основе ПЗС-матрицы), поскольку он позволяет сканировать и объемные предметы. Если вы собираетесь сканировать слайды и другие прозрачные материалы, то следует выбрать сканер, для которого предусмотрен слайд-адаптер. Обычно собственно сканер и подходящий к нему слайд-адаптер продаются отдельно. Если не получается приобрести слайд-адаптер одновременно со сканером, то при необходимости вы сможете сделать это позже. Необходимо также определить максимальные размеры сканируемых изображений. В настоящее время типовым является формат А4, соответствующий обычному листу писчей бумаги. Большинство бытовых сканеров ориентированы именно на этот формат. Для сканирования чертежей и другой конструкторской документации обычно требуется формат A3, соответствующий двум листам формата А4, соединенным по длинной стороне. В настоящее время цены однотипных сканеров для форматов А4 и A3 сближаются. Можно предположить, что оригиналы, не превышающие по размерам формат А4, будут лучше обрабатываться сканером, ориентированным на формат A3.

Перечисленные выше параметры далеко не исчерпывают весь список, но на данном этапе нашего рассмотрения мы пока можем использовать только их. При выборе сканера решающими являются три аспекта: аппаратный интерфейс (способ подключения), оптико-электронная система и программный интерфей с (так называемый TWAIN-модуль). Далее мы рассмотрим их более подробно.

Сканирующие системы появились в сере­дине 70-х годов и к концу 80-х почти полностью вытеснили традицион­ные фотографические и телевизионные системы. Сегодня они являются основными поставщиками данных ДЗЗ при решении задач природно-­ресурсного и экологического мониторинга.

В общих чертах механизм сканирования заключается в следующем. На спутнике имеется сканер, который оснащён фотоэлектрическим или термоэлектрическим приёмником. В этот приёмник попадает отражённое излучение с некоторого участка земной поверхности. Приёмник генерирует электрический сигнал, завися­щий от интенсивности излучения. Величина сигнала фиксируется в памяти устройства, а датчик начинает принимать сигнал со следующего участка земной поверхности. Таким образом, участок за участком, начинает формироваться изображение. Каждый такой участок земной поверхности, отражение от которого было одномоментно зарегистрировано датчиком, на снимке отображается в виде пиксела – наименьшего неделимого элемента изображения. На каждом пикселе отражается осреднённое значение яркости всех объектов, попавших в пределы данного пиксела. Таким образом, чем меньше размер пиксела, тем качественнее изображение можно получить на снимке, так как становится возможным отображение более мелких объектов.

Сканерные системы дистанционного зондирования бывают двух видов – оптико-механические (делятся на линейные и поперечные) и оптико-электронные (продольные и планарные).

В линейных сканерах (для съёмки всей сцены используется один-единственный детекторный элемент

Рисунок 1 – Линейный оптико-механический сканер

В сканерах этого типа установлено зеркало, которое качается из стороны в сторону поперёк направления движения спутника. На зеркало последовательно попадает отраженное излучение от разных участков поверхности вдоль строки, а с зеркала оно уже попадает на детектор. Дойдя до крайней точки строки зеркало начинает вращаться в обратную сторону, считывая следующую строку (спутник за это время пролетел расстояние, соответствующее одной строке пикселов). Таким образом, строка за строкой изображение наращивается. Колебание зеркала поперек маршрута съемки реализует строки изображения, а благодаря движению носителя происходит накопление строк и формируется полное изображение снимка, имеющее строчно-сетчатую поэлементную структуру.

Другой разновидностью линейных сканеров является сканер, в котором зеркало не качается из стороны в сторону, а вращается всегда в одном направлении вокруг своей оси, в диапазоне 360 градусов. Здесь датчик считывает сигнал вдоль строки, а затем, пока датчик делает вокруг своей оси, спутник продвигается на некоторое расстояние вперёд и датчик вновь начинает считывать следующую строку в том же направлении. За одну секунду осуществляется около 7 таких циклов.

В поперечных ПЗС-сканерах , например, сканер TM (Thematic Mapper) спутника Landsat-5, используется линейка детекторов, расположенных вдоль маршрута съёмки. Такая линейка называется линейка ПЗС (прибор с зарядовой связью; название отражает способ считывания электрического потенциала методом сдвига заряда от элемента к элементу). В результате, при каждом цикле движения зеркала все детекторные элементы осуществляют параллельное сканирование земной поверхности. Как и для линейных сканеров, движение датчика может осуществляться из стороны в сторону, когда следующая строка считывается в противоположном направлении, либо вокруг своей оси.

Основным недостатком устройств такого типа является наличие механического сканирующего зеркала, ограничивающего точность географической привязки получаемых изображений и снижающего долговечность и надежность устройства в целом. В оптико-электронных камерах на приборах с зарядовой связью (ПЗС), получивших наименование «push-broom scanner», элементы с механическим сканированием не используются. Строка изображения в одном спектральном диапазоне формируется при помощи линейной матрицы (линейки) детекторов на ПЗС, ориентированной перпендикулярно направлению полета спутника.

Продольные ПЗС-сканеры оснащены ПЗС-линейкой, состоящей из тысяч детекторных элементов, расположенных поперёк маршрута. В результате параллельное сканирование всего набора данных происходит просто за счёт движения платформы по орбите.

Планарный ПЗС представляет собой матрицу датчиков, аналогично матрице в обычном цифровом фотоаппарате. Необ­ходимо обеспечить достаточное время, чтобы определенное количество фотонов попало на датчик. Если датчик находится в движении относи­тельно цели, то применяется пошаговое формирование изображения, чтобы предотвратить размывание.

Независимо от типа сканирующей системы полный угол сканирования поперек маршрута съемки называется углом обзора , а соответствующая величина на поверхности Земли шириной полосы съемки (другое название - ширина полосы охвата ). Расстояние на земной поверхности, соответствующее расстоянию между центрами соседних пикселов, называется наземным интервалом дискретизации (другое название – наземный шаг сканирования ). Наземные интервалы дискретизации вдоль и поперек маршрута съемки определяются соответствующими частотами дискретизации, а также скоростью движения платформы. На практике частоту дискретизации обычно подбирают так, чтобы величина наземного интервала дискретизации была равна размеру мгновенного поля обзора, то есть ширине проекции одного детекторного элемента на земную поверхность (рис. 2 и 3). Таким образом, мгновенные поля обзора соседних пикселов примыкают друг к другу как в продольном, так и в поперечном направлении. Наземный интервал дискретизации вдоль маршрута съемки определяется скоростью платформы и либо частотой дискретизации (для продольных ПЗС-сканеров), либо скоростью сканирования (для линейных и поперечных ПЗС-сканеров), которые подбираются так, чтобы соответствовать мгновенному полю обзора в надире. Использование в некоторых системах более высокой частоты поперечной дискретизации приводит к наложению мгновенных полей обзора и, как следствие, к некоторому улучшению качества данных. Такой метод «избыточного сканирования» применяется, в частности, в съемочных системах Landsat MSS и AVHRR KLM.

Рисунок 2 – Простейшая геометрическая схема расположения детекторного элемента в фокальной плоскости датчика

Рисунок 3 – Связь между проекцией мгновенного поля обзора и интервалом дискретизации для типовых сканеров и для приборов MSS и AVHRR

Наземный интервал дискретизации GSI определяется высотой расположения платформы Н, фокусным расстоянием f и междетекторным интервалом (или, как было отмечено выше, пространственной частотой дискретизации). Если частота дискретизации равна одному пикселу на один междетекторный интервал, наземный интервал в надире , то есть непосредственно под датчиком, задаётся простой формулой:

Где m = f/H – коэффициент геометрического увеличения, а величина междетекторного интервала обычно равна ширине детекторного элемента w .

Мгновенное поле обзора GIFOV зависит от величин H, f и w аналогичным образом. При этом следует заметить, что инженеры-разработчики систем дистанционного зондирования предпочитают использовать в своих расчётах другой параметр – величину мгновенного угла обзора IFOV, равную углу, который образует детекторный элемент с осью оптической системы (рисунок 2). Это обусловлено тем, что IFOV является величиной постоянной и не зависит от рабочей высоты датчика.

Данные, получаемые при помощи оптических датчиков с высоким пространственным разрешением, используются при решении большого числа тематических задач, включая, например, измерение протяженности и классификация растительного покрова, определение состояния сельскохозяйственных культур, геологическое картирование, контроль эрозии почв в береговой зоне и т.д. Однако область применимости этих данных несколько ограничивается тем, что получение качественных оптических снимков возможно только на освещенной части поверхности Земли в ясную, безоблачную погоду.

Фотограмметрия – (photos-свет, gramma-запись, metreo-измерения) научная дисциплина, связанная с определением геометрических параметров (формы размеры пространственного положения и других св-в объектов по их изображению)

Дистанционное зондирование – получение информации об объекте по данным измерений сделанных на расстоянии от объекта, т.е без прямого контакта с ним.

Достоинство данных дистанционного зондирования:

Цифровой вид информации

Объективность и достоверность

Обзорность

Оперативность

Регулярность и периодичность поступления информации

Разнообразие по разрешению и видам съемки

Возможность исследования медленно протекающих и скоротечных процессов

Недостатки данных дистанционного зондирования:

Наличие геометрических, радиометрических и прочих искажений

Перенасыщенность информации

Наличие белых пятен

Методы ДЗ:

Пассивный

Съемочная система фиксирует либо отраженную объектом солнечную энергию, либо собственное излучение объекта

Активный

Съемочная система испускает сигнал собственного источника энергии, а затем фиксирует его отраженную объектом часть

Съемочные системы

Классификация съемочных систем:

В зависимости от приемника различают:

Фотографическое изображение

Изображение формируется оптическим способом на фотопленке, а видимое изображение получается после фотохимической обработки (проявка и печать)

Цифровое изображение

Приемником излучения яв-ся матрицы или линейки ПЗС (приборы с зарядовой связью)

По методу получения изображения:

Пассивные

1. Фотографические

   Оптико – механические сканерные системы

   Оптико – электронные сканерные системы

Активные

1. Радиолокационные съемочные системы

   Лазерные сканерные съемочные системы

Фотографические съемочные системы

В фотографической СС снимок формируется практически мгновенно, по законам центральной проекции.

Классификация фотоапапаратов:

Одно-объективные

Много-объективные

Панорамные

По величине угла зрения:

Узкоугольные (τ < 50°)

Нормальны (50° < τ < 90°)

Широкоугольные (90° < τ < 110°)

Сверх широкоугольные (τ > 110°)

По величине фоккусного расстояния:

Коротко-фокусные (f < 100 мм)

Нормальные (100 мм < f < 300мм)

Длиннофокусные (f > 300 мм)

Оптико – механические сканерные системы

Оптико – механические сканер – содержит только 1 технический элемент (датчик), который позволяет измерять яркость небольшого участка (пикселя) земной поверхности

Вращающееся зеркало просматривает полосу местности, что позволяет зарегистрировать яркость целого ряда пикселей земной поверхности за короткий промежуток времени, т.е сформировать строку изображения.

Следующая строка изображения формируется за счет движения носителя.

Если единственный датчик заменить линейкой, можно получить многоканальное изображение.

Тепловую составляющую излучения можно получить при помощи полу прозрачного зеркала.

Оптико – электронные сканерные системы

Изображение построенное при помощи оптико – электронных сканеров проектируется на линейное, либо матричное множество ПЗС.

Радио локационные сканерные системы

Взаимный импульс от передатчика установленного на носителе излучается направленной антенной формирующий веерообразный луч в вертикальной плоскости.

Часть отраженной энергии регистрируется приемником, установленном там же, где и передатчик. В результате образуются сигналы, которые управляют яркостью светового пятна электронно-лучевой трубки. Совокупность таких пятен образует строку радио-локационного изображения, а время прохождение сигнала определяет расстояние до объекта.

Диапазоны длин волны:

Х полоса (𝜆=2,4 – 3,8 см)

С полоса (𝜆=3,8 – 7,5 см)

L полоса (𝜆=15 – 30 см)

Лазерные съемочные системы

Лазер – усиление света по средством вынужденного излучения, т.е это устройство преобразующее энергию накачки в энергию монохроматического и узко направленного потока излучений.

Одиночные снимки

Е – предметная плоскость (плоскость местности) - Горизонтальная плоскость, проходящая через какую-либо точку местности

S – точка фотографирования (центр проекции)

n – Плоскость наилучшего изображения

So ′ - главный луч

f – фокусное расстояние – расстояние от S до o′

p – плоскости снимка

o – главная тоска снимка

a , b – малое изображение точек A и B

O – Точка на местности соответствующая главной точке

Связка лучей – совокупность всех проектирующих лучей

Главный луч - Луч совпадающий с оптической осью камеры

Н ф – высота фотографирования – расстояния от точки фотографирования S до предметной плоскости Е.

–основная формула определения масштаба

n – точка надира – точка пересечения отвесной линии проведенной через точку фотографирования и отвесной линией

N – точка на местности соответствующая точке надира

α° - суммарный угол наклона снимка

с – точка нулевых искажений – точка пересечения биссектрисы угла наклона снимка и плоскости снимка

С – точка на местности соответствующая точке нулевых искажений

Tt – линия основания – линия пересечения плоскости Е и плоскости p

Q – плоскость главного вертикала –вертикальная плоскость проходящая через главный луч

Vv – главная вертикаль – линия пересечения плоскости главного вертикала и плоскости снимка

VV – линия направления съемки – линия пересечения предметной плоскости и плоскости главного вертикала (Q и Е)

Е′ - плоскость действительного горизонта - горизонтальная плоскость, проведенная через точку фотографирования

ii – линия действительного горизонта – линия пересечения плоскости действительного горизонта и плоскости p.

I – главная точка схода – точка пересечения действительного горизонта и главной вертикали VV

qq – главная горизонталь – прямая в плоскости снимка проведенная через главную точку перпендикулярная главной вертикали

h c h c – линия нулевых искажений – прямая в плоскости снимка проходящая через точку нулевых искажений параллельно главной горизонтали qq.

Основным методом перевода бумажных документов в электронную форму является сканирование графический образ сканером .

Сканер

универсальные и специальные .

Универсальные сканеры обеспечивают ввод текстовой и графической информации в цветном или черно-белом формате. Среди универсальных сканеров выделяются следующие виды:

· Ручной сканер – самый простой вид сканеров, дающий наименее качественное изображение. Такой сканер не имеет движущихся частей, и сканирование производится путем перемещения сканера над поверхностью документа вручную. Их недостатком является очень узкая полоса сканирования (стандартный лист бумаги приходится сканировать в несколько проходов), а также высокие требования к самому процессу сканирования.

· Листовой сканер – позволяет за одну операцию сканировать лист бумаги стандартного формата. По конструкции напоминает факс-аппарат: оригинал втягивается внутрь специальными роликами (как в принтере) и сканируется по мере перемещения мимо неподвижной светочувствительной матрицы. Обеспечивая высокое качество сканирования, эти сканеры не позволяют обрабатывать книги и журналы без их разброшюровки на отдельные страницы.

· Планшетный сканер – наиболее универсальное устройство, подходящее под большинство задач и позволяющее сканировать любые документы (отдельные листы, книги, журналы и т.д.). Под крышкой сканера располагается прозрачное основание, на которое кладется документ. Блок сканирования перемещается вдоль документа внутри корпуса сканера. Продолжительность сканирования стандартного машинописного листа составляет от одной до нескольких секунд. Планшетные сканеры обеспечивают наилучшее качество и максимальное удобство при работе с бумажными документами.

Многие модели планшетных сканеров имеют возможность установки автоматического загрузчика документов из пачки, а также подключения слайд-модуля, осуществляющего «оцифровку» слайдов и негативных фотопленок для задач профессиональной фотографии или полиграфии.

Специальные типы сканеров предназначены для выполнения специальных функций. К ним относятся следующие:

· Барабанные сканеры обеспечивают наивысшее разрешение сканирования. Оригинал закрепляется на барабане при помощи специальных зажимов, либо при помощи смазки, а сканирование производится построчным перемещением объектива вдоль вращающегося со скоростью порядка 1000 оборотов в минуту барабана. Использование галогенного источника света, световой поток от которого концентрируется на точечной области барабана, позволяет исключить влияние помех и обрабатывать весь спектр оригиналов с высочайшим качеством.

· Сканеры форм - специальные сканеры для ввода информации с заполненных бланков. Это разновидность листовых сканеров. С помощью подобных устройств вводят данные из анкет, опросных листов, избирательных бюллетеней. От сканеров этого типа требуется не высокая разрешающая способность, а очень высокое быстродействие. В частности, для сканеров этого типа автоматизируют подачу бумажных листов в устройство.

· Штрих-сканеры - разновидность ручных сканеров, предназначенных для считывания штрих-кодов с маркировки товаров в магазинах. Штрих-сканеры позволяют автоматизировать процесс подсчета стоимости покупок. Они особенно удобны в торговых помещениях, оборудованных электронной связью и производящих расчеты с покупателями с помощью электронных платежных средств (кредитных карт, смарт-карт и т.п.).

· Слайдовый сканер - специализированный вариант планшетного сканера, разработанный для оцифровки слайдов и негативных фотопленок для задач профессиональной фотографии или полиграфии. Слайд или пленка вставляется в приемную щель и перемещается между лампой подсветки и объективом. Параметры выходного изображения достаточны для фотоальбома или полиграфического воспроизведения.

Несмотря на такое разнообразие видов сканеров, устройство и принципы их работы во многом схожи. В качестве примера рассмотрим, как работает планшетный сканер, упрощенная структурная схема которого приведена на рис. 10.

Основными элементами планшетного сканера являются:

· подложка (крышка) – закрывает оригинал, с которого производится сканирование. Изготовляется из черного материала, максимально поглощающего видимую часть спектра, чтобы предотвратить появление на результирующем изображении всевозможных бликов света, отраженного от размещенных за оригиналом предметов;

·
стекло , на котором размещается сканируемый оригинал;

· светодиодная матрица – набор датчиков (светочувствительных элементов), расположенных в одну линию для черно-белого сканирования или в три линии для сканирования в цвете за один проход. В качестве светочувствительных элементов используются приборы с зарядовой связью (ПЗС – CCD – Charge Coupled Device ). Основное назначение матрицы ПЗС – разделить световой поток на три составляющих (красную, зеленую и синюю) и преобразовать уровень освещенности в уровень напряжения;

· оптическая система – состоит из объектива и зеркал (или призмы) и предназначена для проецирования светового потока, отраженного от сканируемого оригинала, на светодиодную матрицу, осуществляющую разделение информации о цветах. Обычно используется один фокусирующий объектив (или линза), который проецирует полную ширину области сканирования на полную ширину матрицы ПЗС;

· лампа – источник света, располагаемая на движущейся каретке и освещающая сканируемую страницу. В современных моделях используются лампы с холодным катодом (Cold Cathode Lamp ), обеспечивающие световой поток заданной интенсивности и имеющие повышенные характеристики долговечности. Ориентированные на профессиональную работу с цветом, сканеры содержат схемы самокалибрации по интенсивности светового потока от лампы и поддержания стабильности светового потока при изменении температуры;

· шаговый двигатель – обеспечивает перемещение оптического блока , в который входят лампа, оптическая система и светодиодная матрица;

· блок усиления сигналов – усиливает аналоговые напряжения с выходов матрицы ПЗС, осуществляет их коррекцию и обработку;

· аналого-цифровой преобразователь (АЦП ) – преобразует аналоговые напряжения в цифровой код;

· контроллер сканера – обеспечивает прием команд от компьютера и выдачу ему полученных цифровых кодов.

Процесс сканирования достаточно прост. Оригинал (лист документа, развернутая книга и т.п.) располагается на прозрачном неподвижном стекле и закрывается крышкой. При подаче с компьютера команды на сканирование включается лампа и сканирующая каретка с оптическим блоком начинает перемещаться вдоль листа. Яркий свет от лампы падает на сканируемый оригинал, а затем, отражаясь от него, световой поток фокусируется оптической системой и поступает на приемник сигнала – матрицу ПЗС, которая порознь воспринимает красную, зеленую и синюю составляющие спектра. Полученные на выходе матрицы ПЗС аналоговые напряжения, пропорциональные спектральным составляющим, усиливаются и подаются в аналого-цифровой преобразователь, который и осуществляет цифровое кодирование. С АЦП информация выходит 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.

! Для того, чтобы увидеть принцип работы планшетного сканера, оденьте наушники и выполните двойной щелчок мышью по этому рисунку:

Основные параметры и характеристики сканеров:

1. Разрешение сканирования (Scanning Resolution ) характеризует величину самых мелких деталей изображения, передаваемых при сканировании без искажений. Измеряется обычно в dpi (dot per inch ) - числе отдельно видимых точек на дюйм изображения. Существует несколько видов разрешения, указываемого производителем сканеров.

· Оптическое разрешение определяется плотностью элементов в ПЗС-линейке и равно количеству элементов ПЗС-линейки, деленному на ее ширину. Оно является самым важным параметром сканера, определяющим детальность получаемых с его помощью изображений. В массовых моделях планшетных сканеров обычно оно бывает равно 600 или 1200 dpi. Сканирование всегда следует выполнять с разрешением, кратным оптическому, при этом интерполяционные искажения будут минимальны.

· Механическое разрешение определяет точность позиционирования каретки с ПЗС-линейкой при перемещении вдоль изображения. Механическое разрешение обычно в 2 раза больше оптического.

· Интерполяционное разрешение получается путем 16-кратного программного увеличения изображения. Оно не несет в себе абсолютно никакой дополнительной информации об изображении по сравнению с реальным разрешением, причем в специализированных пакетах операция масштабирования и интерполяции выполняется зачастую качественнее, чем драйвером сканера.

2. Глубина цвета, илиразрядность (Color Depth ) характеризует количество бит, применяемых для хранения информации о цвете каждого пиксела. Черно-белые сканеры имеют один разряд, монохромные, как правило, 8 разрядов, а цветные сканеры, как минимум, 24 разряда (по 8 бит на хранение каждой из RGB-компонент цвета пиксела). Количество цветов, воспроизводимых 24-х-битным сканером (8 бит на канал) равно 2 24 = 16 777 216. Более совершенные сканеры могут иметь разрядность 30 или 36 (по 10 или 12 бит на каждый канал). При этом их внутренняя разрядность может быть выше внешней: «лишние» разряды используются для выполнения цветовой коррекции изображения до передачи в компьютер, хотя такая практика в основном характерна для дешевых моделей. Профессиональные и полупрофессиональные сканеры имеют и внешнюю разрядность 30, 36, 42 бит или выше.

3. Диапазон оптических плотностей (Optical Density Range ) – это динамический диапазон сканера, который во многом определяется его разрядностью. Он характеризует возможность сканера правильно передавать изображения с большим или с очень маленьким разбросом яркости (возможность отсканировать «фото черной кошки в темной комнате»). Вычисляется как десятичный логарифм от отношения интенсивности падающего на оригинал света к интенсивности отраженного света, и измеряется в ОD (Optical Density ) или просто D : 0,0 D соответствует идеально белому цвету, 4,0 D - идеально черному. У сканера этот диапазон зависит от разрядности: у 36-битного сканера он не превышает 3,6 D, у 30-битного - 3,0 D. Сканируемые изображения обычно обладают диапазоном до 2,5 D для фотографий и 3,5 D для слайдов. Дешевые 24-битные планшетные сканеры имеют динамический диапазон 1,8-2,3 D, хорошие 36-битные - до 3,1-3,4 D.

4. Размер области сканирования . Для планшетных сканеров наиболее распространены форматы A4 и A3, для рулонных сканеров - A4, а для ручных сканеров область сканирования составляет обычно полосу шириной 11 см.

5. Соответствие цветов оригинального изображения его цифровой копии . На сегодняшний день одна из самых распространенных систем управления точностью цветопередачи та, что основана на профилях International Color Consortium (ICC ), описывающая особенности цветопередачи различных устройств. Процесс создания профиля ICC базируется на сканировании специально изготовленной тестовой таблицы и сравнении полученных результатов с эталоном. По результатам и определяются характеристики устройства, учитываемые драйвером и приложениями. В дорогих моделях сканеров применяются специальные программно-аппаратные системы для цветокалибровки.

6. Качество драйвера . Все современные сканеры обмениваются данными с прикладными программами под Windows с помощью программного интерфейса TWAIN , однако предоставляемый драйвером набор функций может быть разным, его обязательно следует уточнить при выборе сканера. Среди них наиболее важны:

· возможность предварительного просмотра изображения с выбором области сканирования и количества цветов;

· возможность регулировки яркости, контраста и нелинейной цветовой коррекции;

· возможность подавления муара при сканировании изображений с печатным растром;

· возможность простейших преобразований изображения (инверсия, поворот и т.п.);

· возможность сетевого сканирования;

· возможность режимов автоматической коррекции контраста и цветопередачи;

· возможность работы сканера (в сочетании с принтером) в режиме копира;

· возможности по цветокалибровке как сканера, так и всей системы;

· возможности по пакетному сканированию;

· возможности тонкой настройки фильтров и параметров цветокоррекции.

7. Количество и качество прилагаемого к сканеру ПО. Традиционно в комплекте со сканерами поставляются ПО обработки изображений (Adobe PhotoDeluxe или Photoshop LE , ULead Photo Impact и др.) и программа оптического распознавания текста (OCR - Optical Character Recognition ). В комплект ПО обычно входят две таких программы: англоязычная (Xerox TextBridge или Caere OmniPage Pro ) и предназначенная для распознавания русских текстов программа OCR - одна из версий FineReader производства ABBY Software .

Высококачественные профессиональные и полупрофессиональные планшетные сканеры производят компании Agfa , Linotype-Hell , Microtek (ряд моделей известны под OEM-логотипом NeuHouse), Umax ; рассчитанную на массового пользователя технику выпускают компании Artec , Epson , Genius , Hewlett-Packard , Mustek , Plustek , Primax и др.

Для различных типов сканеров в табл. 3 приведены типовые значения указанных параметров.

Таблица 3. Значения параметров основных типов сканеров

Для подключения сканеров в настоящее время применяют следующие интерфейсы:

· собственный (Proprietary ) интерфейс разработчика сканера, применявшийся в ранних моделях планшетных и ручных сканеров и представлявший собой специализированную плату на шине ISA , для работы которой требовался драйвер;

· с параллельным портом EPP (LPT , или ECP ) выпускаются самые младшие модели в семействах планшетных сканеров различных производителей. Сканеры с таким интерфейсом имеют, как правило, посредственные характеристики и рассчитаны на выполнение несложных работ;

· интерфейс SCSI является стандартом для подключения высококачественных и высокопроизводительных устройств, обеспечивает межплатформенную совместимость сканера и его малую зависимость от смены операционной системы. К SCSI-сканерам обычно прилагается SCSI-плата на шине ISA , хотя такой сканер можно подключать и к полнофункциональным SCSI-контроллерам на шине PCI . Большинство 30- и 36-разрядных сканеров с разрешением 600 dpi и выше выпускаются с этим интерфейсом;

· интерфейс USB - это интерфейс для подключения сканеров, активно рекомендуемый спецификациями PC98 и PC99 . Удобство единого интерфейса для разных устройств и достаточно высокая пропускная способность привели к тому, что большинство сканеров для непрофессионального применения выпускаются именно с этим интерфейсом.

Для ввода данных в системах трехмерного моделирования и автоматизированного проектирования (САПР, или CAD/CAM - Computer-Aided Design/Modeling ) используется графический планшет (Digitizer – дигитайзер) - кодирующее устройство, позволяющее вводить в компьютер двумерное, в том числе и многоцветное, изображение в виде растрового образа.

В состав графического планшета входит специальный указатель (перо) с датчиком. Собственный контроллер посылает импульсы по расположенной под поверхностью планшета сетке проводников. Получив два таких сигнала, контроллер преобразует их в координаты, передаваемые в ПК. Компьютер переводит эту информацию в координаты точки на экране монитора, соответствующие положению указателя на планшете. Планшеты, предназначенные для рисования, обладают чувствительностью к силе нажатия пера, преобразуя эти данные в толщину или оттенок линии.

Для подключения планшета обычно используется последовательный порт. Распространенными параметрами являются разрешение порядка 2400 dpi и высокая чувствительность к уровням нажатия (256 уровней). Графические планшеты и дигитайзеры производят компании CalComp , Mutoh , Wacom и другие.

Для устройств рукописного ввода информации характерна такая же схема работы, только введенные образы букв дополнительно преобразуются в буквы при помощи специальной программы распознавания, а размер площадки для ввода меньше. Устройства перьевого ввода информации чаще используются в сверхминиатюрных компьютерах PDA (Personal Digital Assistant ) или HPC (Handheld PC ), в которых нет полноценной клавиатуры.

ВЫВОДЫ

1. Клавиатура является основным устройством ввода информации в ПК. Она представляет собой совокупность механических датчиков, воспринимающих давление на клавиши и замыкающих определенную электрическую цепь. Наиболее распространены два типа клавиатур: с механическими и с мембранными переключателями .

Все клавиши разбиты на группы: буквенно-цифровые клавиши , предназначенные для ввода текстов и чисел; клавиши управления курсором (эта группа клавиш может быть использована также для ввода числовых данных, просмотра и редактирования текста на экране); специальные управляющие клавиши (переключение регистров, прерывание работы программы, вывод содержимого экрана на печать, перезагрузка ОС ПК и др.); функциональные клавиши , широко используемые в сервисных программах в качестве управляющих клавиш.

Наиболее распространенным стандартом расположения символьных клавиш является раскладка QWERTY (ЙЦУКЕН ), которая при желании может быть перепрограммирована на другую.

2. Для управления курсором удобным средством является устройство, называемое мышью . Подавляющее число компьютерных мышей используют оптико-механический принцип кодирования перемещения . В переносных ПК вместо мыши используюттрекбол,тачпад,трекпойнт.

3. Для визуального отображения информации используется видеосистема компьютера, включающая монитор (дисплей), видеоадаптер и программное обеспечение (драйверы видеосистемы).Монитор (дисплей) – это устройство визуального отображения текстовой и графической информации на экране кинескопа (электронно-лучевой трубке – ЭЛТ) или жидкокристаллическом экране (ЖК-экране).

К основным параметрам мониторов относятся: кадровая частота монитора, частотастрок, полоса видеосигнала, способ формирования изображения, размерзерна люминофора экрана монитора, разрешающая способность монитора, типоразмер экрана монитора.

Видеоадаптер (видеокарта , видеоконтроллер ) – это внутрисистемное устройство ПК, предназначенное для хранения видеоинформации и ее отображения на экране монитора. Он непосредственно управляет монитором, а также процессом вывода информации на экран с помощью изменения сигналов строчной и кадровой развертки ЭЛТ монитора, яркости элементов изображения и параметров смешения цветов.

4. Принтеры (печатающие устройства) – устройства вывода данных из ЭВМ, преобразующие информационные ASCII-коды в соответствующие им графические символы (буквы, цифры, знаки и т.п.) и фиксирующие эти символы на бумаге.

Принтеры разнятся между собой по различным признакам: по цветности – черно-белые и цветные; по способу формирования символов – знакопечатающие и знакосинтезируюшие; по принципу действия – матричные, термические, струйные, лазерные; по способу печати – ударные, безударные; по способам формирования строк – последовательные, параллельные; по ширине каретки – с широкой (375-450 мм) и узкой (250 мм) кареткой; по длине печатной строки – 80 и 132-136 символов; по набору символов – вплоть до полного набора символов ASCII; по скорости печати ; по разрешающей способности .

5. Основным методом перевода бумажных документов в электронную форму является сканирование - технологический процесс, в результате которого создается графический образ бумажного документа, как бы его «цифровая фотография». Сканирование осуществляется с помощью специального устройства, называемого сканером .

Сканер – это оптико-электронно-механическое устройство, которое предназначено для преобразования визуального образа бумажного документа в графический файл, сохраняющий растровое изображение исходного документа и предаваемый в компьютер для последующей обработки (распознавания, редактирования и т.п.).

По своему предназначению сканеры делятся на универсальные (ручные, листовые и планшетные) и специальные (барабанные, сканеры форм, штрих-сканеры, слайдовые сканеры).

Основные характеристики сканеров: разрешение сканирования (оптическое, механическое и интерполяционное), глубина цвета (разрядность), диапазон оптических плотностей, размер области сканирования, соответствие цветов оригинального изображения его цифровой копии, качество драйверов и прилагаемого программного обеспечения.

Матрица является важнейшей частью любого сканера. Матрица трансформирует изменения цвета и яркости принимаемого светового потока в аналоговые электрические сигналы, которые будут понятны лишь единственному ее электронному другу – аналого-цифровому преобразователю (АЦП). С этой точки зрения, АЦП можно сравнить с гидом-переводчиком, неизменным ее компаньоном. Только он как никто другой понимает матрицу, ведь никакие процессоры или контроллеры не разберут ее аналоговые сигналы без предварительного толкования преобразователем. Только он способен обеспечить работой всех своих цифровых коллег, воспринимающих лишь один язык – язык нулей и единиц.

Световой поток, падая на поверхность матрицы, буквально "вышибает" электроны из ее чувствительных ячеек. И чем ярче свет, тем больше электронов окажется в накопителях матрицы, тем больше будет их сила, когда они непрерывным потоком ринутся к выходу. Однако сила тока электронов настолько несоизмеримо мала, что вряд ли их "услышит" даже самый чувствительный АЦП.

Именно поэтому на выходе из матрицы их ждет усилитель, который сравним с огромным рупором, превращающим, образно говоря, даже комариный писк в вой громогласной сирены. Усиленный сигнал (пока еще аналоговый) "взвесит" преобразователь, и присвоит каждому электрону цифровое значение, согласно его силе тока.

Большинство современных сканеров для дома и офиса базируются на матрицах двух типов: на CCD (Charge Coupled Device) или на CIS (Contact Image Sensor). Корпус CIS-сканера плоский, в сравнении с аналогичным CCD-аппаратом (его высота обычно составляет порядка 40-50 мм).

CCD-сканер обладает большей глубиной резкости, нежели его CIS-собрат. Достигается это за счет применения в его конструкции объектива и системы зеркал.

На рисунке, для простоты восприятия, нарисовано лишь одно зеркало, тогда как у типового сканера их не менее трех-четырех

Сканеры с CCD-матрицей распространены гораздо больше, чем CIS-аппараты. Объяснить это можно тем, что сканеры в большинстве случаев приобретаются не только для оцифровки листовых текстовых документов, но и для сканирования фотографий и цветных изображений. Погрешность разброса уровней цветовых оттенков, различаемых стандартными CCD-сканерами составляет порядка ±20%, тогда как у CIS-аппаратов эта погрешность составляет уже ±40%.

CIS-матрица состоит из светодиодной линейки, которая освещает поверхность сканируемого оригинала, самофокусирующихся микролинз и непосредственно самих сенсоров. Конструкция матрицы очень компактна, таким образом, сканер, в котором используется контактный сенсор, всегда будет намного тоньше своего CCD-собрата. К тому же, такие аппараты славятся низким энергопотреблением; они практически нечувствительны к механическим воздействиям. Однако CIS-сканеры несколько ограничены в применении: аппараты, как правило, не приспособлены к работе со слайд-модулями и автоподатчиками документов.

Из-за особенностей технологии CIS-матрица обладает сравнительно небольшой глубиной резкости. Для сравнения, у CCD-сканеров глубина резкости составляет ±30 мм, у CIS – ±3 мм. Другими словами, положив на планшет такого сканера толстую книгу, получишь скан с размытой полосой посередине, т.е. в том месте, где оригинал не соприкасается со стеклом.

У CCD-аппарата вся картина будет резкой, поскольку в его конструкции есть система зеркал и фокусирующая линза. В свою очередь, именно достаточно громоздкая оптическая система и не позволяет CCD-сканеру достичь столь же компактных размеров, как у CIS-собрата.

В плане разрешающей способности CIS-сканеры также не конкурент CCD. Уже сейчас некоторые модели CCD-сканеров для дома и офиса обладают оптическим разрешением порядка 3200 dpi, тогда как у CIS-аппаратов оптическое разрешение ограничено пока что 1200 dpi.

Сканеры с CIS-матрицей нашли свое применение там, где требуется оцифровывать не книги, а листовые оригиналы. Тот факт, что эти сканеры целиком получают питание по шине USB и не нуждаются в дополнительном источнике питания, пришелся как нельзя кстати владельцам портативных компьютеров.

CCD-матрица представляется "большой микросхемой" со стеклянным окошком. Именно сюда и фокусируется отраженный от оригинала свет. Матрица не прекращает работать все то время, пока лафет со сканирующей кареткой, приводимый шаговым электродвигателем, совершает путь от начала планшета, до его конца. Замечу, что общая дистанция движения лафета по направлению "Y" называется частотой сэмплирования или механическим разрешением сканера (об этом мы поговорим чуть позже). За один шаг матрица целиком захватывает горизонтальную линию планшета, которая называется линией растра. По истечении времени, достаточного для обработки одной такой линии, лафет сканирующего блока перемещается на небольшой шаг, и наступает очередь для сканирования следующей линии, и т.д.

Самый важный элемент сканера – CCD-матрица

Вид сбоку на CCD-матрицу

На виде сбоку можно заметить два обычных винта, которые выполняют "деликатную" роль". С их помощью на этапе сборки сканера производилась точная юстировка матрицы (обратите также внимание на П-образные прорези в печатной плате на виде сверху), чтобы падающий на нее отраженный свет от зеркал ложился бы равномерно по всей ее поверхности. Кстати, в случае перекоса одного из элементов оптической системы воссозданное компьютером изображение окажется "полосатым".

На увеличенной фотографии CCD-матрицы достаточно хорошо видно, что CCD-матрица оснащена собственным RGB-фильтром. Именно он и представляет собой главный элемент системы разделения цветов, о чем многие говорят, но мало кто представляет, как на самом деле это работает. Обычно, многие обозреватели ограничиваются стандартной формулировкой: "стандартный планшетный сканер использует источник света, систему разделения цветов и прибор с зарядовой связью (CCD) для сбора оптической информации о сканируемом объекте". На самом деле, свет можно разделить на его цветовые составляющие, а затем сфокусировать на фильтрах матрицы. Столь же немаловажным элементом системы разделения цветов является объектив сканера.

Корпус

Корпус сканера должен обладать достаточной жесткостью, чтобы исключить возможные перекосы конструкции. Безусловно, лучше всего, если основа сканера представляет собой металлическое шасси. Однако корпуса большинства выпускаемых сегодня сканеров для дома и офиса, в целях снижения стоимости, полностью сделаны из пластмассы. В этом случае, необходимую прочность конструкции придают ребра жесткости, которые можно сравнить с нервюрами и лонжеронами самолета.

Оптическая система сканера не терпит пыли, поэтому корпус аппарата должен быть герметичным, без каких-либо щелей (даже технологических).

Края планшета должны иметь пологий спуск – это облегчает задачу по быстрому извлечению оригинала со стекла. Кроме того, между стеклом и планшетом не должно быть никакого зазора, который препятствовал бы извлечению оригинала.

Блок управления

Все сканеры управляются с персонального компьютера, к которому они подключены, а необходимые настройки перед сканированием задаются в пользовательском окне управляющей программы. По этой причине, сканерам для дома и офиса совсем не обязательно иметь собственный блок управления. Однако многие производители идут навстречу самым неподготовленным пользователям, и устанавливают (обычно на лицевую панель) несколько кнопок "быстрого сканирования".

Кнопки быстрого сканирования – элемент, без
которого можно обойтись