Типы сканеров, разрешение и типы оригиналов вводимых изображений. Ручные сканеры, производители и основные модели. Офисные и профессиональные планшетные сканеры высокого разрешения, принцип их работы, производители и основные модели. Основные технические характеристики сканеров: оптическое разрешение, глубина цвета, динамический диапазон, сканирование слайдов, автоподача документов, максимальная оптическая плотность. Устройство, принцип работы графических планшетов (дигитайзеров). Области применения графических планшетов для пользователей вычислительных систем, дизайнеров и художников. Модели и основные технические характеристики: активная площадь, разрешение, точность, многорежимность, интерфейс, размер планшета, чувствительность к нажатию пера и ластика, толщина линий.

 

Студент должен знать:

• классификацию сканеров;
• принцип работы и способы формирования изображения;
• технические характеристики сканеров;

Студент должен уметь:

• подключать и инсталлировать сканеры;
• работать с программным обеспечением сканера.

Ход занятия:

Теоретическая часть.

Для ввода графической информации используют сканеры, графические планшеты (дигитайзеры) и цифровые фотокамеры. Интересно отметить, что с помощью сканеров можно вводить и знаковую информацию. В этом случае исходный материал вводится в графическом виде, после чего обрабатывается специальными программными средствами (программами распознавания образов), сканирования и распознавания текстовых материалов.

Сканер

Сканер – (англ. scanner, от scan «пристально разглядывать, рассматривать») — устройство ввода, цветного и черно-белого изображения с бумаги, пленки и т.п.,которое, анализируя какой-либо объект (обычно изображение, текст), создаёт его цифровое изображение.

Процесс получения этой копии называется сканированием.

Принцип действия сканера заключается в преобразовании оптического сигнала, получаемого при сканировании изображения световым лучом, в электрический, а затем в цифровой код, который передается в компьютер. Подобное преобразование осуществляется с помощью CCD чипа.

Сканер как оптоэлектронный прибор включает следующие функциональные компоненты: датчик, содержащий источник света, оптическую систему, фотоприемник, механизм перемещения датчика (или оптической системы) относительно оригинала.

Электронное устройство обеспечивает преобразование информации в цифровую форму. В процессе сканирования оригинал освещается источником света. Светлые области оригинала отражают больше света, чем темные. Отраженный (или преломленный) свет оптической системой направляется на фотоприемник, который преобразует интенсивность принимаемого света в соответствующее значение напряжения. Аналоговый сигнал преобразуется в цифровой для дальнейшей обработки с помощью ПК. “

 Сканеры весьма разнообразны, и их можно классифицировать по целому ряду признаков. В основе классификации могут быть следующие признаки:

• способ формирования изображения (линейный, матричный);
• конструкция кинематического механизма (ручной, настольный, комбинированный);
• тип вводимого изображения (черно-белый, полутоновый цветной);
• степень прозрачности оригинала (отражающий, прозрачный);
• аппаратный интерфейс (специализированный, стандартный);
• программный интерфейс (специализированный, TWAIN-совместимый).

В современных сканерах применяют фотодатчики двух типов: фотоэлектронные умножители — ФЭУ (РМТ — Photomulti Plierinbe) или приборы с зарядовой связью — ПЗС (ССО — Charge-( Oupled Device).

Фотоэлектронный умножитель изобретен советским инженером Л.А.Кубецким в 1930 г. ФЭУ представляет электровакуумный прибор, внутри которого расположены электроды — катод, анод и диноды. Световой поток от объекта сканирования вызывает эмиссию электронов. В соответствии с законом фотоэффекта фототок эмиссии прямо пропорционален интенсивности падающего на него светового потока. Вылетающие из катода электроны под действием раз­ности потенциалов между катодом и ближайшим к нему электродом — динодом притягиваются к последнему и выбивают с поверхности вторичные электроны, число которых многократно превышает первичный электронный поток с катода. Это обеспечивается благодаря тому, что диноды выполнены из материала имеющих высокий коэффициент вторичной эмиссии, а между ними приложены потенциалы, обеспечивающие усиление вторичной эмиссии. В результате через сопротивление нагрузки в анодной цепи ФЭУ протекает усиленный ток. Коэффициент усиления фототока в ФЭУ достигает 108. Такое усиление достигается за счет подачи на ФЭУ напряжения от высоковольтного источника (в зависимости от количества динодов — от 500 до 1500 В), причем потенциалы распределяются между электродами равномерно помощью делителя напряжения. ФЭУ обладает высокой чувствительностью, а его спектральный диапазон, определяемый областью длин волн регистрируемого излучения, соответствует задачам сканирования, поскольку перекрывает видимый спектр световых волн.

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) — это твердотельныйэлектронный фотоприемник, состоящий из множества миниатюрных фоточувствительных элементов, которые формируют электрический заряд, пропорциональный интенсивности падающий на них света, и конструктивно выполняются в виде матриц или линеек.

Принцип действия ПЗС основан на зависимости проводимости р—-n-перехода полупроводникового диода от его освещенности. ПЗС представляет собой полупроводниковый кристалл (как правило, кремний), на поверхность которого нанесены прозрачная оксидная пленка, выполняющая функцию диэлектрика в микроскопических конденсаторах. Одной из обкладок тая кого конденсатора является поверхность самого кристалла, а другой — нанесенные на диэлектрик металлизированные электроды толщиной не более 0,6 мкм.

К электродам в определенной последовательности подается низкое напряжение (5— 10 В). Это приводит к тому, что под электродами образуются так называемые потенциальные ямы в виде скоплений электронов. Под воздействием света в результате внут­реннего фотоэффекта появляются свободные электроны. Количе­ство электронов, скапливающихся под чувствительной площад­кой каждого электрода, пропорционально интенсивности светового потока, падающего на чувствительную площадку данного электрода. Электроны образуют зарядовый пакет. Если ПЗС вы­полнен в виде линейки, зарядовые пакеты передаются из одной потенциальной ямы в соседнюю, достигая последней ячейки, откуда поступают на предварительный усилитель. ПЗС-линейка может содержать до нескольких тысяч фоточувствительных ячеек. 1’размер элементарной ячейки ПЗС определяет разрешающую способность сканера. Область спектральной чувствительности ПЗС расположена в видимой части спектра, причем наибольшая чувствительность наблюдается ближе к красной области.

В зависимости от способа перемещения фоточувствительного элемента сканера и носителя изображения относительно друг друга сканеры подразделяются на две основных группы — настоль­ные (Desktop) и ручные (Hand-held).

К числу настольных сканеров относятся планшетные (Flatbed), /шлаковые (Sheet-feed), барабанные (Drum) и проекционные сканеры.

Планшетные сканеры, или сканеры плоскостного типа  ис­пользуются для ввода графики и текста с носителей формата А4 или A3.

Сканеры разделяют на:

1. 1. Черно-белые;
   2. Цветные.

Черно-белые сканеры могут в простейшем случае различать только два значения – черное и белое, что вполне достаточно для чтения штрихового кода. Более сложные сканеры различают градации серого цвета.

Цветные сканеры работают на принципе сложения цветов, при котором цветное изображение получается путем смешения трех цветов: красного, зеленого и синего.

Технически это реализуется двумя способами:

1. 1. при сканировании цветной оригинал освещается не белым светом, а последовательно красным, зеленым и синим. Сканирование осуществляется для каждого цвета отдельно, полученная информация предварительно обрабатывается и передается в компьютер;
   2. в процессе сканирования цветной оригинал освещается белым цветом, а отраженный свет попадает на CCD-матрицу через систему специальных фильтров, разлагающих его на три компонента: красный, зеленый, синий, каждый из которых улавливается своим набором фотоэлементов.

А также сканеры делятся на:

1. Ручные;
2. Барабанные;
3. Листовые;
4. Планшетные;
5. Роликовые;
6. Проекционные;
7. Ультразвуковые.

Роликовые сканеры

Роликовые сканеры осуществляют сканирование оригинала при его перемещении по специальным направляющим посредством роликового механизма подачи бумаги относительно неподвижных осветителя и ПЗС-линейки. Механизм работы роликового сканера показан на рис. 6.6. Сканирование в роликовом сканере, как и в планшетном, производится в отраженном свете. Этот принцип заложен в конструкции многих факсимильных аппаратов. Сканеры, работающие в двух режимах —сканирования изображения и его факсимильной передачи, называют факс-сканерами (Fax Scanner). В отдельных моделях роликовых сканеров имеется устройство для подачи листов, которое позволяет сканировать в автоматическом режиме. Большинство роликовых сканеров офисного применения предназначены для работы с оригиналами формата А4. Однако существуют широкоформатные роликовые сканеры, обеспечивающие сканирование оригиналов форматов А1 и АО. Преимущества роликовых сканеров определяются их компактностью, удобством подключения и пользования, автоматической подачей листов оригинала, удовлетворительной скоростью сканирования и низкой стоимостью. В то же время эти сканеры имеют ряд недостатков, связанных с невозможностью без специальных приспособлений осуществлять сканирование сброшюрованных документов, книг, а также с опасностью повреждения оригинала.

Проекционные сканеры

Проекционные сканеры работают по принципу фотографической камеры и конструктивно напоминают фотоувеличитель.Оригинал располагается на подставке под сканирующей головкой изображением вверх. Сканирующая головка, содержащая ПЗС-датчик и перемещающий его в фокальной плоскости линзы двигатель, закрепляется на вертикальном штативе и может перемещаться по стойке или по вертикальным направляющим. Перед началом сканирования камеру устанавливают в положение, соответствующее требуемому разрешению и размеру изображения. Точная настройка (фокусировка), определяющая разрешение сканирования, осуществляется специальной редуцирующей линзой. Обычно в проекционных сканерах внутренний источник освещения не используется. Освещение оригинала производится за счет естественного комнатного света. В некоторых моделях проекционных сканеров свет через линзу освещает оригинал, а отраженный свет фиксируется ПЗС-матрицей. Такая конструкция сканера позволяет избежать влияния внешних засветок и получить высокое качество сканированных изображений.

Особенностью проекционных сканеров является возможность сканирования трехмерных объектов. При этом конструкция сканеров обеспечивает переменное разрешение сканирования: небольшие объекты можно сканировать с высоким разрешением; большие нестандартные объекты, изображения которых нельзя ввести с помощью других сканеров, также могут быть сканированы, хотя и с низким разрешением. Простота конструкции и удобство применения, невысокая стоимость и возможность комбинирования при сканировании плоских и небольших трехмерных объектов обусловливают достаточно широкое применение проекционных сканеров как средств ввода информации.

Листовые сканеры

В листовых сканерах носитель с изображением протягивается вдоль линейки, на которой расположены CCD- элементы. Ширина изображения как правило составляет формат А4, а длина ограничена возможностями используемого компьютера (чем больше изображение, тем больше размер файла, где хранится его цифровая копия).

 

Планшетные сканеры 

 Планшетные сканеры осуществляют сканирование в автоматическом режиме. Оригинал располагается в сканере на стеклянном листе, под которым головка чтения с CCD-элементами сканирует изображение построчно с равномерной скоростью. Размеры сканируемых изображений зависят от размера сканера и могут достигать размеров большого чертежного листа (А0). Специальная слайд-приставка позволяет сканировать слайды и негативные пленки.

Планшетные сканеры предназначены для ввода графической информации с прозрачного или непрозрачного листового материала. Принцип действия этих устройств состоит в том, что луч света, отраженный от поверхности материала (или прошедший сквозь прозрачный материал), фиксируется специальными элементами, называемыми приборами с зарядовой связью (ПЗС). Обычно элементы ПЗС конструктивно оформляют в виде линейки, располагаемой по ширине исходного материала. Перемещение линейки относительно листа бумаги выполняется механическим протягиванием линейки при неподвижной установке листа или протягиванием листа при неподвижной установке линейки.

Основными потребительскими параметрами планшетных сканеров являются:

• разрешающая способность;
• производительность;
• динамический диапазон;
• максимальный размер сканируемого материала.

Разрешающая способность планшетного сканера зависит от плотности размещения приборов ПЗС на линейке, а также от точности механического позиционирования линейки при сканировании. Типичный показатель для офисного применения: 600-1200 dpi (dpi – dots per inch – количество точек на дюйм). Для профессионального применения характерны показатели 1200-3000 dpi.

Производительность сканера определяется продолжительностью сканирования листа бумаги стандартного формата и зависит как от совершенства механической части устройства, так и от типа интерфейса, использованного для сопряжения с компьютером.

Динамический диапазон определяется логарифмом отношения яркости наиболее светлых участков изображения к яркости наиболее темных участков. Типовой показатель для сканеров офисного применения составляет 1,8-2,0, а для сканеров профессионального применения – от 2,5 (для непрозрачных материалов) до 3,5 (для прозрачных материалов).

 

Ручные сканеры –  это относительно недорогие устройства небольшого размера, удобны для оперативного сканирования изображений из книг и журналов. Ширина полосы сканирования обычно не превышает 105 мм, стандартное разрешение 300-400 dpi. К недостаткам ручного сканера можно отнести зависимость качества сканирования от навыков пользователя и невозможность одновременного сканирования относительно больших изображений.

Принцип действия ручных сканеров в основном соответствует планшетным. Разница заключается в том, что протягивание линейки ПЗС в данном случае выполняется вручную. Равномерность и точность сканирования при этом обеспечиваются неудовлетворительно, и разрешающая способность ручного сканера составляет 150-300 dpi.

 

Штрих-сканеры.

Эта разновидность ручных сканеров предназначена для ввода данных, закодированных в виде штрих-кода. Такие устройства имеют применение в розничной торговой сети.

 

 

Барабанные сканеры

В сканерах этого типа исходный материал закрепляется на цилиндрической поверхности барабана, вращающегося с высокой скоростью. Устройства этого типа обеспечивают наивысшее разрешение (2400-5000 dpi) благодаря применению не ПЗС, а фотоэлектронных умножителей. Их используют для сканирования исходных изображений, имеющих высокое качество, но недостаточные линейные размеры (фотонегативов, слайдов и т. п.)

 

Сканеры форм

Предназначены для ввода данных со стандартных форм, заполненных механически или <от руки». Необходимость в этом возникает при проведении переписей населения, обработке результатов выборов и анализе анкетных данных.

 От сканеров форм не требуется высокой точности сканирования, но быстродействие играет повышенную роль и является основным потребительским параметром.

 

Аппаратный и программный интерфейсы сканеров

Сканеры с интерфейсом SCSI требуют установки в компьютер дополнительной платы SCSI-адаптера, которая поставляется в комплекте со сканером. Преимуществом интерфейса SCSI является обеспечение высокой скорости сканирования. К компьютерам, оснащенным USB-портом, лучше подключать сканер с USB-интерфейсом. Скорость при этом несколько уступает интерфейсу SCSI, однако простота подключения сканера искупает этот недостаток. Сканеры с интерфейсом параллельного порта подключаются к уже имеющемуся параллельному порту. Пропускная способность параллельного порта значительно меньше по сравнению с интерфейсом SCSI. Однако при этом нет необходимости устанавливать дополнительную плату. В комплект поставки сканера входит специальная программа —драйвер, предназначенная для управления процедурой сканирования и настройки основных параметров сканера. Ведущие производители аппаратных и программных средств —компании Aldus, Caere, Eastman Kodak, Hewlett-Packard и Logitech —объединили свои усилия для создания собственного формата драйвера TWAIN. Стандарт TWAIN определяет порядок обмена данными между прикладной программой и драйвером сканера, что позволило решить проблему совместимости различных компьютерных платформ, сканеров разных моделей и форматов представления данных. С помощью TWAIN-совместимого сканера можно сканировать изображения из любой программы, например Photoshop.

 

Ультразвуковые сканеры — это аппараты, относящиеся к медицинскому оборудованию и работающие на ультразвуковых волнах.

Ультразвук практически сходен с обычным звуком и распространяется волнами. Отличаются эти волновые колебания тем, что ультразвук человеческое ухо не воспринимает ни в каком виде: ни его низкие, ни средние, ни высокие частоты, которые и используются в ультразвуковых сканерах.

Здравоохранение давно использует ультразвуковые сканеры в качестве диагностических и терапевтических аппаратов в самых различных отраслях медицины. Исследовательская область ультразвукового сканера распространяется на все внутренние органы человека: сердце, печень, почки, кишечник и др. Сканер также «видит» плод в утробе матери: даже определяется пол будущего ребенка.

 

В медицине  используют также  очень  важный атрибут  – 3D-сканер. При помощи трехмерных сканеров можно получить, например, точную 3D-модель строения человеческого тела или отдельных его частей. Пластические хирурги могут получить точную цветную 3D-модель груди, лица и любой другой части тела в считанные минуты и визуально продемонстрировать результаты будущей работы.

Трехмерные сканеры необходимы для решения задач во многих областях, а именно:

• в промышленности;
• науке;
• киноиндустрии;
• медицине;
• искусстве и многое другое.

Они незаменимы в тех случаях, когда необходимо зафиксировать форму объекта с высокой точностью и за короткий промежуток времени. 3D сканеры позволяют упростить и усовершенствовать ручной труд, выполнить задания повышенной сложности.

В медицине 3D сканер может наблюдать за процессом лечения пациентов, планировать предоперационные манипуляции и создавать анатомическую обувь.

Дизайнеры используют трехмерные сканеры для получения формы объекта, и возможности ее доработки впоследствии.

В археологии и музейном деле с помощью подобного устройства можно точно восстанавливать и подвергать реконструкции физически устаревшие скульптуры, памятники и постаменты. Трехмерный сканер незаменим при создании колонн, бетонных декораций и архитектурных сооружений на заказ.

В индустрии развлечений применение 3D сканер находит в разработке игровых персонажей из модели автора.

Киноиндустрия также активно использует трехмерное устройство для сканирования людей, получая цветную модель человека.

 

Графические планшеты (дигитайзеры)

Эти устройства предназначены для ввода художественной графической информации. Существует несколько различных принципов действия графических планшетов, но в основе всех их лежит фиксация перемещения специального пера относительно планшета. Такие устройства удобны для художников и иллюстраторов, поскольку позволяют им создавать экранные изображения привычными приемами, наработанными для традиционных инструментов (карандаш, перо, кисть). К техническим характеристикам планшетам относятся: разрешающая способность (линий/мм), площадь рабочей области и количество уровней чувствительности к нажатию пера. На рис. ниже показан дигитайзер фирмы AIPTEK INK формата А6 с 512 уровнями чувствительности к нажатию пера.

 

Цифровые фото- и видеокамеры

Как и сканеры, эти устройства воспринимают графические данные с помощью приборов с зарядовой связью, объединенных в прямоугольную матрицу. Основным параметром цифровых фотоаппаратов является разрешающая способность, которая напрямую связана с количеством ячеек ПЗС в матрице. Наилучшие потребительские модели в настоящее время имеют до 9,6 млн. ячеек ПЗС и, соответственно, обеспечивают разрешение изображения до 3840×2160 точек. У профессиональных моделей эти параметры выше.

Веб-камера (также вебкамера) — цифровая видео- или фотокамера, способная в реальном времени фиксировать изображения, предназначенные для дальнейшей передачи по сети Интернет (в программах типа Skype, TrueConf, VideoGrace, Instant Messenger или в любом другом видеоприложении).

Веб-камеры, доставляющие изображения через интернет, закачивают изображения на веб-сервер либо по запросу, либо непрерывно, либо через регулярные промежутки времени. Это достигается путём подключения камеры к компьютеру или благодаря возможностям самой камеры. Некоторые современные модели обладают аппаратным и программным обеспечением, которое позволяет камере самостоятельно работать в качестве веб-сервера, FTP-сервера, FTP-клиента и (или) отсылать изображения электронной почтой.

Веб-камеры, предназначенные для видеоконференций, — это, как правило, простые модели камер, подключаемые к компьютеру, на котором запущена программа типа Instant Messenger.

Модели камер, используемые в охранных целях, могут снабжаться дополнительными устройствами и функциями (такими, как детекторы движения, подключение внешних датчиков и т. п.)

Документ-камера — особый класс телевизионных камер, предназначенных для передачи изображений документов(например, оригиналов на бумаге) в виде телевизионного сигнала или в какой-либо другой электронной форме. По внешнему виду похожа на кодоскоп, но с телекамерой на месте верхнего объектива-перископа.

Документ-камеры позволяют получить и транслировать в режиме реального времени четкое и резкое изображение практически любых объектов, в том числе и трехмерных.

Изображение, полученное с помощью документ-камеры, может быть введено в компьютер, показано на экране телевизора, передано через Интернет, спроецировано на экран посредством мультимедиапроектора.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Какие фотодатчики применяются в сканерах
2. Как происходит сканирование с помощью планшетного сканера
3. Сравните конструктивные варианты цветных сканеров

Ссылки на дополнительные материалы (печатные и электронные ресурсы)

Гребенюк Е.И., Гребенюк Н.А. Технические средства информатизации издательский дом «Академия»-Москва, 2007 /стр. 156-174/