7.3.1. Сканеры

Сканером называется устройство, позволяющее вводить в компьютер в графическом виде текст, рисунки, слайды, фотографии и др. Несмотря на обилие различных моделей сканеров, классификацию их можно провести по нескольким признакам: по способу формирования (кодирования) изображения, типу кинематического механизма (способу перемещения преобразователя свет-сигнал и оригинала относительно друг друга), типу вводимого изображения, степени прозрачности оригинала, особенностям аппаратного и программного обеспечения. Иными словами, классификационные критерии сканеров можно сформулировать следующим образом:

1. способ формирования изображения:

• линейный;
• матричный;

• ручной;
• настольный;
• комбинированный;

• черно-белый;
• полутоновый;
• цветной;

• отражающий;
• прозрачный;

• специализированный;
• стандартный;

• специализированный;
• TWAIN-совместимый.

Рассмотрим типы сканеров в соответствии с приведенной классификацией.

7.3.2. Способ формирования изображения

Технология считывания данных в современных устройствах оцифровывания изображений реализуется на основе использования светочувствительных датчиков двух типов: приборов с зарядовой связью (ПЗС) или фотоэлектронных умножителей (ФЭУ).

Неотъемлемой частью любого сканера являются аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

Они предназначены для преобразования непрерывно изменяющихся значений напряжения, получаемых с помощью ПЗС или ФЭУ, в числа, соответствующие оттенкам цвета или градациям серого. Качество сканированного изображения напрямую связано с разрядностью используемого в сканере АЦП. В черно-белых (двухуровневых) сканерах аналогичное преобразование выполняет компаратор, сравнивая зафиксированное значение напряжения с опорным.

ПЗС - это твердотельный электронный компонент, состоящий из множества крошечных датчиков, которые преобразуют интенсивность падающего на них света в пропорциональный ей электрический заряд. В основу ПЗС положена чувствительность проводимости-перехода обыкновенного полупроводникового диода к степени его освещенности. На переходе создается заряд, который уменьшается со скоростью, зависящей от освещенности. Чем меньше заряд, тем больший ток проходит через диод.

В зависимости от типа сканера ПЗС могут иметь различную конфигурацию. При линейном способе считывания информации микродатчики ПЗС размещаются на кристалле в одну линию (для трехпроходного сканирования) или в три линии (для однопроходного сканирования). Такая конфигурация позволяет устройству производить выборку всей ширины исходного аналогового изображения и записывать его как полную строку. Данный способ формирования изображения обычно используется в доступных широкому кругу пользователей ручных, планшетных, роликовых и проекционных сканерах.

В барабанных сканерах в качестве светочувствительных приборов применяются фотоэлектронные умножители. В качестве источника света в этих сканерах используется ксеноновая или вольфрамо-галогенная лампа, излучение которых с помощью конденсорных линз и волоконной оптики фокусируется на чрезвычайно небольшой области оригинала.

Основанные на ламповой технологии ФЭУ осуществляют электронное усиление интенсивности отраженного от оригинала света. Попадая на катод ФЭУ, свет выбивает из него электроны, которые, проходя через пластины динодов, вызывают вторичную электронную эмиссию. Коэффициент усиления зависит от свойств материала и количества динодов. Напряжение, пропорциональное освещенности катода ФЭУ, снимается с анода и затем преобразуется в цифровой код.

Фотоэлектронный умножитель имеет несколько промежуточных электродов, называемых динодами. Они ускоряют электроны, эмитируемые катодом, и благодаря вторичной эмиссии усиливают ток на выходе прибора.

В слайдовых сканерах, цифровых фото- и видеокамерах ПЗС-датчики обычно имеют форму прямоугольной матрицы, что позволяет формировать образ оригинала целиком, а не построчно. В этом случае говорят о матричном способе формирования изображения (рис. 21.3), находящем применение в так называемых нетрадиционных сканерах. К ним относятся цифровые камеры и устройства захвата видеоизображений.

7.3.3. Кинематический механизм

Определяющим фактором для данного критерия является способ перемещения считывающей головки сканера и бумаги относительно друг друга. По этому параметру сканеры подразделяются на две основных группы:

• ручные (hand-held);
• настольные (desktop).

Механические особенности процесса сканирования различаются в зависимости от типа сканера. Тем не менее во всех сканерах имеются: источник света, механизм перемещения датчика (или системы отклоняющих зеркал) вдоль оригинала, либо перемещение оригинала относительно датчика, а также электронное устройство, предназначенное для преобразования считываемой информации в цифровую форму.

7.3.3.1. Ручной сканер

Дешевизна ручных сканеров обусловливается простотой их конструкции. В небольшом корпусе шириной не более 10-12 см размещаются лишь датчик и источник света.

Сканирование осуществляется вручную последовательным перемещением сканера относительно оригинала. Устанавливаемая в компьютере карта интерфейса преобразовывает поступающую информацию в цифровую форму и передает ее для последующей обработки специальной программе.

Некоторые ручные сканеры, например, KYE'S GENIUS или TWAIN-SCAN Gray 800, снабжены программным обеспечением, позволяющим упростить необходимую процедуру "сшивки" областей сканирования (операция Merge). Преимущества ручных сканеров:

• низкая стоимость;
• небольшие размеры;
• широкие возможности выбора оригинала.

• ограниченная ширина области сканирования;
• непостоянство скорости перемещения сканера относительно оригинала вызывает искажения сканированного образа;
• ограниченные возможности использования совместно с программами распознавания текста.

7.3.3.2. Настольный сканер

К категории настольных сканеров относятся планшетные (flatbed), роликовые (sheet-fid), барабанные (drum) и проекционные (overhead) сканеры.

Основной отличительный признак планшетного сканера - сканирующая головка перемещается относительно бумаги с помощью шагового двигателя. Большинство полностраничных сканеров являются планшетными. Как и в копировальных аппаратах, в планшетных сканерах есть крышка на петлях, позволяющая использовать в качестве источников изображений книги и другие нестандартные оригиналы. Типовой планшетный сканер предназначен для сканирования оригиналов размером 21,6x33 см. Планшетные сканеры просты и удобны в эксплуатации, но имеют существенный недостаток - большие габариты.

В роликовых (называемых еще листовыми) сканерах, примером которых могут служить устройства фирм Mitsubishi, NISCA Inc., Mustek и др., оригинал пропускается через ролики механизма подачи бумаги и попадает в поле зрения линейки датчиков. Большинство факсимильных аппаратов работают по такому же принципу.

Почти все роликовые сканеры работают в двух режимах: сканирования изображения него факсимильной передачи. Такие устройства иногда называют факс-сканерами.

Преимущества роликовых сканеров:

• компактность;
• возможность автоматического функционирования;
• низкая стоимость.

Недостатки роликовых сканеров:

• сложность выравнивания оригиналов;
• ограниченный диапазон типов оригиналов;
• неудобство работы с листами разного размера;
• возможность повреждения оригиналов.

В барабанных сканерах оригинал закрепляется на поверхности прозрачного цилиндра из оргстекла (барабана), укрепленного на массивном основании, которое обеспечивает ему хорошую устойчивость. Барабан вращается с большой скоростью (от 300 до 1350 об./мин), а находящийся рядом с ним сканирующий датчик через крошечную конусообразную апертуру пиксел за пикселом считывает изображение с высокой точностью.

Основные преимущества барабанных сканеров:

• возможность сканирования с наиболее высоким разрешением;
• широкий диапазон типов оригиналов (фактически любой тип прозрачных и отражающих материалов, достаточно гибких, чтобы их можно было прикрепить к барабану).

К очевидным недостаткам барабанных сканеров относятся:

• большие размеры;
• невозможность непосредственного сканирования книг и журналов;
• очень высокая стоимость этих устройств.

7.3.4. Цифровые камеры

Цифровые фотоаппараты являются сегодня наиболее динамично развивающимся сектором фотооборудования - появляются десятки новых моделей в год, постоянно улучшаются их технические характеристики. В настоящее время, благодаря значительному снижению стоимости и повышению качества получаемых изображений, цифровые фотоаппараты находят все более широкое применение, начиная с обычной бытовой съемки и заканчивая полиграфией.

Преимущества цифровой фотографии бесспорны: упрощение обработки и редактирования изображений, цветокоррекция снимков, использование различных эффектов. Цифровые изображения могут храниться сколь угодно долго на различных носителях информации и копироваться неограниченное количество раз без ухудшения качества как исходного материала, так и последующих копий.

Производство любительских цифровых компактных фотоаппаратов практически всеми ведущими фирмами-производителями началось в 1996 г. С этого момента на рынке появилось множество цифровых компактных фотоаппаратов по цене, не намного превышающей цену обычных зеркальных фотоаппаратов.

7.3.4.1. Принцип работы

Цифровая камера по принципу работы мало чем отличается от обычного фотоаппарата. Как и любой фотоаппарат, цифровая камера оборудована видоискателем и объективом.

Основное отличие заключается в том, что если в обычном фотоаппарате при наведении видоискателя на объект изображение объекта с помощью объектива проецируется на фотопленку, то в цифровой камере изображение проецируется на специальную светочувствительную матрицу.

Светочувствительная матрица состоит из множества датчиков. Каждый датчик преобразует интенсивность падающего на него света в напряжение и передает сигнал на аналого-цифровой преобразователь (analogue-to-digital converter - ADC), который преобразует аналоговый сигнал в дискретный цифровой код. Этот цифровой сигнал поступает на специальный процессор цифровых сигналов (digital signal processor, DCP), который формирует изображение, преобразует в графический формат и посылает на устройство хранения информации (память, диск и др.).

7.3.4.2. Светочуствительная матрица

Светочувствительная матрица представляет собой фоточувствительный прибор с переносом заряда (ФППЗ), в котором фоточувствительные элементы организованы в матрицу по строкам и столбцам. За один период интегрирования матричный ФППЗ преобразует в электрический сигнал один кадр оптического изображения.

В зависимости от способа сканирования фотогенерированных пакетов ФППЗ подразделяются на:

• фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ПЗС);
• фоточувствительные приборы с зарядовой инжекцией (ПЗИ).

Матричные фоточувствительные приборы с зарядовой связью.

Матрица содержит секцию накопления, или, иначе, секцию изображения, секцию хранения, или, иначе, секцию памяти, вертикальные сдвиговые регистры и горизонтальный выходной сдвиговый регистр. Секция накопления представляет собой часть ЗС, предназначенную для формирования зарядовых пакетов и их накопления.

При использовании в качестве преобразователя свет-сигнал цифровой камеры прибор работает следующим образом. Изображение проецируется на секцию накопления, где происходит накопление фотогенерированных зарядов, пропорциональных освещенности проецируемого изображения. На следующем этапе накопленные заряды перемещаются в вертикальные регистры и по строкам параллельно сдвигаются в выходной горизонтальный сдвиговый регистр.

Таким образом, на выходе горизонтального сдвигового регистра формируется сигнал, который поступает на аналого-цифровой преобразователь.

Матричные фоточувствительные приборы с зарядовой инжекцией

В 1998 г. были разработаны матричные фоточувствительные приборы с зарядовой инжекцией на основе комплементарной структуры типа металл-оксид-полупроводник (К.МОП - CMOS APS, Complementary Metal Oxyde Semiconductor Active Pixel Sensor). По сравнению с ПЗС-матрицами они обладают рядом преимуществ: более низким энергопотреблением, возможностью встраивания в каждый i элемент APS-микросхемы собственной цепи считывания, аналого-цифрового преобразования и первичной обработки изображений. Но главное преимущество КМОП-микросхем - это их невысокая стоимость. КМОП - стандартная технология изготовления микросхем (процессоров и микросхем памяти), освоенная большинством производителей.

Основным недостатком ПЗС является требование к высокой эффективности переноса заряда. Новые приборы были лишены этого недостатка, поскольку в них заряд, накопленный каждым пикселом, считывается непосредственно на выход устройства, что позволяет резко уменьшить размазывание границ в изображении, улучшая его качество.

Каждый элемент матрицы состоит из двух МОП-емкостей, одна из которых присоединена к горизонтальной шине, другая - к вертикальной. Все элементы изолированы друг от друга специальной областью, надежно предохраняющей накоплении заряды от растекания. Первые матрицы ПЗИ выпускались с использованием 0,35 и 0,50 мкм технологий.

В 2002 г. корпорацией National Semiconductor была изготовлена матрица ФПЗИ с использованием 0,18 мкм технологии, которая содержит 16,8 млн (4096x4096) пикселов. Прибор имеет размеры 22x22 мм и содержит 70 млн транзисторов. Прибор пока нашел применение лишь на профессиональном рынке - профессиональные сканеры, медицинская техника и др.

Передача цвета

Сама по себе ПЗС несет информацию только о яркости изображения, но не о его цвете. Для того чтобы получить цветное изображение, перед ПЗС располагают специальные растровые светофильтры. Число элементов в решетке фильтра должно соответствовать числу элементов матрицы. Растровый светофильтр выполняется с учетом того, что основная компонента, определяющая яркость воспроизводимого изображения, содержится в составляющей, создаваемой зелеными участками решетки. По этой причине в растровой решетке, состоящей из 3-х цветов - зеленого, синего и красного, зеленым участкам выделяется половина площади решетки. Вторая половина площади ПЗС делится поровну между красными и синими ячейками

Поскольку пиксел может представить только оттенок одного цвета, истинный цвет вычисляется процессором на основании интерполяции оттенков соседних пикселов. Интерполяция, естественно, несколько замедляет формирование цветного изображения и ведет к искажению цвета и потере мелких деталей.

В 2002 г. корпорация Foveon выпустила датчик, разработанный на основе новой революционной технологии передачи цвета, разработанной компаниейHP. Суть новой технологии заключается в том, что кремний поглощает световые волны разных длин волн на различной глубине.

Это дало возможность расположить фотодатчики на трех уровнях таким образом, что на одном уровне воспринимается только красный цвет, на другом - зеленый, а не третьем - синий.

Новый тип датчика не только позволяет улучшить цветопередачу, но и увеличить реальную разрешающую способность в три раза по сравнению с датчиками, имеющим такое же количество пикселов.

Качество изображений

Качество изображений, полученных с помощью цифровой камеры, зависит от параметров объектива и характеристик светочувствительной матрицы, алгоритмов сжатия изображений и др.

Разрешающая способность

Оптическое разрешение человеческого глаза составляет порядка 120 млн пикселов. традиционные 35-миллиметровые слайды, по разным оценкам, содержат от 10 20 млн элементов изображения. Таким образом, цифровые камеры начинают конкурировать с пленочными.

Имейте в виду, что некоторые производители в характеристиках своей продукции указывают не оптическую, а интерполяционную разрешающую способность.

Чувствительность

В пленочных фотоаппаратах вы можете улучшить качество снимков в условиях низкой освещенности, взяв более светочувствительную пленку. В цифровых фотоаппаратах максимальная светочувствительность фотоматриц является постоянной величиной и зависит от размеров пиксела. Чем больше размеры пиксела, тем больше света он воспринимает и тем более чувствительной будет фотоматрица. Чувствительность ПЗС-матрицы, так же как и обычной фотопленки, измеряется в единицах ISO. Чувствительность изготавливаемых в настоящее время ПЗС-матриц оставляет примерно 100 ISO. Некоторые фотоаппараты позволяют изменять значение чувствительности за счет усиления сигнала с ПЗС-матрицы. Конечно, слабую освещенность объекта съемки можно компенсировать продолжительностью экспонирования, но этот метод может быть применен только для неподвижных объектов съемки.

Цветопередача

Цветопередача определяется в первую очередь технологией представления цветов. Как уже было показано выше, светочувствительные матрицы, которые используют технологию Х3, обладают лучшей цветопередачей. Кроме того, немаловажное значение имеет соответствие цветового баланса фотоматрицы и цветового баланса света, падающего на объект съемки.

Глубина цвета

Глубина цвета отражает разрядность аналого-цифрового преобразователя, установленного в фотоаппарате, т. е. показывает количество информации, которое используется для записи каждого цвета. Чем большее разрядность АЦП, тем большее количество оттенков каждого цветового канала может различить фотоматрица. Как правило, цифровые фотоаппараты обеспечивают 24-битную глубину цвета (8 - красный, 8 - зеленый, 8 - синий), хотя существуют и 30-битные камеры. Профессиональные графические приложения часто требуют 36-битной разрядности цвета, этот уровень достигается только на профессиональных цифровых камерах.

Формат изображений

Цифровые камеры используют различные способы преобразования изображений. Одни камеры используют собственные графические форматы при сохранении изо5ражений, при этом вместе с цифровой камерой в комплект поставки входит собственное программное обеспечение. При этом в целях экономии объема памяти может происходить автоматическое сжатие информации с потерей качества. На наш взгляд, наиболее предпочтительными являются цифровые камеры, которые сохраняют изображения в стандартных графических форматах и позволяют пользователям самостоятельно решать вопрос о сжатии изображений.

Перечислим основные отличия при эксплуатации цифровых камер от обычных фотоаппаратов.

• При съемке цифровым фотоаппаратом возникают задержки. Одна из задержек (1-2 с) между нажатием на спусковую кнопку и фиксированием изображен связана с подготовкой аппарата к съемке (определение экспозиции, подготовка работе фотоматрицы, установка баланса белого и др.). Вторая задержка (1-10 с) возникает между последовательными съемками и связана с необходимостью работки и записи изображения в память.
• Фокусное расстояние и диаметр светового отверстия цифрового фотоаппарата меньше, чем у обычного, поскольку рабочая поверхность фотоматрицы меньше размера кадра стандартной 35 мм пленки. Для фотографов, привыкших работ. со сменными объективами, на объективах цифрового фотоаппарата обычно указывается аналог фокусного расстояния пленочного объектива. 
• Все цифровые камеры имеют оптический видоискатель - атрибут любого пленочного фотоаппарата. Но наряду с ним, многие камеры оснащены еще цветным жидкокристаллическим дисплеем (ЖКД), который показывает изображение именно в том виде, как оно будет записано в карту памяти. этом можно оценить не только границы кадра и глубину резкости, но и правильность установленной экспозиции.
• Многие цифровые камеры оборудованы стабилизатором изображен (оптический и цифровой), который служит для устранения нежелательных вибраций камеры в момент съемки. Оптический стабилизатор использует перемешение оптики. В цифровом стабилизаторе задействуются пассивные элементы матрицы, которые не принимают участия в формировании изображения.
• Цифровые фотоаппараты позволяют записывать на карту памяти не только изображение, но и звук. Звук записывается от встроенного микрофона в стандартном звуковом файле, который может быть воспроизведен и отредактирован в компьютере.
• В отличие от обычного фотоаппарата, в котором для изменения масштаба съемки используется объектив с переменным фокусным расстоянием, в цифровых камерах дополнительно используется и цифровое изменение масштаба, которое связано с некоторой потерей качества изображения. Оптическое изменение масштаба съемки не влияет на качество изображения и обычно используется в более дорогих моделях. Такие камеры появились в 2000 г. и имеют возможность от трехкратного (3х) до десятикратного (10х) увеличения.
• Во всех современных цифровых камерах на корпусе имеется панель управления. помощью которой пользователь имеет возможность осуществлять настройку различных режимов работы цифровой камеры, аналогичных тем, которые имеются видеокамере и современных фотоаппаратах Набор функций зависит от конкретной модели.