СканерыСканером (от англ. Scanner) называется устройство ввода, позволяющее вводить в ЭВМ изображения. Ввод изображений может потребоваться при размножении документов, для их редактирования с последующей выдачей, а также в системах хранения и поиска изображений. Сканеры являются дополнительным ПУ ПЭВМ. При комплекции сканером и высококачественным печатающим устройством ПЭВМ превращается в АРМ для подготовки и издания различных информационных материалов. Использование сканеров для ввода в ПЭВМ изображений (текстовый и графической информации), уже имеет как минимум пятилетнею историю. Сейчас на рынке представлено не менее 150 различных устройств – от ручных портативных сканеров по цене 200долларов, до сложных систем стоимостью свыше 16000 долларов. Ведущую роль в производстве сканеров играют японские фирмы. С ними не без успеха соперничают американские компании. Жесткая конкуренция обеспечивает неуклонное улучшение характеристик и качество наряду со снижением стоимости сканирующих устройств. Сканеры характеризуются: - разрешающей способностью (разрешением); - количеством воспринимаемых оттенков; - возможностью ввода цветных изображений или отсутствием таковой; - быстродействием; - размером обрабатываемых изображений; - стоимостью. Большинство из этих показателей рассмотрим на фоне изображения принципов работы сканирующих устройств. Аналогично копировальному устройству сканера освещает оригинал, а светочувствительный датчик сканера с определенной частотой производит замеры интенсивности отраженного оригинала света. Разрешающая способность сканера прямо пропорционально частоте замеров. В процессе сканирования устройство выполняет преобразование величины интенсивности в двоичный код, который передаётся в ЭВМ для дальнейшей обработки. Если сканер при каждом замере регистрирует всего один бит информации, то он распознаёт только два цвета – черный и белый. В зависимости от количества битов, соответствующих одному замеру, сканер может распознавать большее или меньшее количество оттенков от черного до белого. Так, при 4-битовом кодировании имеется возможность распознавания 16 различных оттенков. Восьмибитовые же сканеры обеспечивают регистрацию 256 градаций серого цвета. В зависимости от спектра сканирующего луча сканер может не реагировать на изображение, выполненные тем или иным цветом. Большинство выпускаемых сканеров являются черно-белыми, т.е. даже при считывании цветных изображений происходить их превращение в черно-белое. Однако в 1989 г. на рынке появились и цветные сканеры. Возможность цветного сканирования не исключалась и раньше, но соответствующее оборудование стоило слишком дорого (обычно десятки тысяч долларов). И только недавно выпущенные устройства JX – 450 фирмы Sharp, Scanmaster фирмы Howtek, Epson ES- 300C компании Seiko Epson, а также некоторые другие оказались доступными по цене. Программные средства, управления работой сканера, с учетом возможностей самого сканера могут обеспечивать один из трех режимов сканирования: 1) сканирование широкого рисунка; 2) сканирование изображения с полутоновой интерпретацией; 3) сканирование шкалы яркости (серой шкалы). Для обеспечения первых двух режимов достаточно иметь сканер с однобитовым кодированием, причем второй режим реализуется исключительно программными средствами. Третий же режим требует устройства с многобитным кодированием. Штриховой рисунок представляет собой изображение, содержащие только черные и белые участки, без каких- либо промежуточных оттенков. Сканирования такого изображения не требует дорогостоящих сканеров, сложного программного обеспечения, и большого хранения памяти для хранения изображения. Два последних режима применяются для сканирования полнокровных, в том числе, конечно, и штриховых рисунков. Если поближе рассмотреть иллюстрацию в газете, то можно увидеть, что оно не содержит непрерывных полутоновых переходов, а представляет собой множество точек. Такое изображение называется полутоновым. При смотре большего расстояния точки полутонового изображения сливаются в месте и создают имитацию оттенков. Для воспроизведения различных оттенков применяется следующая техника. Расстояние между центрами точек по вертикале и горизонтали остаётся постоянным и измеряется количеством линий (точек на дюйм), где один дюйм =2,54 см. Размеры же точек измеряются, причем более крупные точки и создают впечатление темного цвета, а течки с меньшим размерами делают изображение более светлым. Описанное "растровое" представление для газетных фотографий формируется обычно 65 точечными линиями на дюйм. Для журналов с хорошим качеством иллюстративного материала этот показатель равен 133 или 155. Работа большинства систем сканирования основана именно на принципе полутоновой интерпретации. Такое сканирование по-прежнему является однобитовым, но введенное изображение подвергается затем программно-реализованной процедуре фильтрования с целью получения «смазанного» изображения. Термин «смазанное» в данном случае связан с методом имитации промежуточных оттенков серого цвета посредством изменения размеров точек. Если введенное и обработанное таким образом изображение распечатать, то получится полутоновый рисунок, как в газете или журнале. Для хранения отфильтрованного изображения требуется больший объем памяти, а для его формирования необходимо соответствующее ПО. Кроме того, нет гарантии отсутствия ошибок в интерпретации изображения. Для получения лучшего качества копии введенного изображения следует выбрать сканер и ПО, обеспечивающие работу в режиме воспроизведения шкалы яркости, или серой шкалы. В этом случае используется непосредственно многобитовое сканирование без какой-либо последующей обработки изображения. Воспроизведение 256 оттенков серого цвета оказывается максимально достаточным, так как человеческий глаз не в состоянии различить более «тонкую» градацию. В случае обеспечения такого уровня переходы между участками изображения с различной яркостью становятся плавными и выглядят вполне естественно. Однако при использовании 8-битового кодирования процесс сканирования фотографии размером 8x10 см может потребовать 5 Мбайт дисковой памяти. Процесс сканирования с 16, 32 или 64 уровнями требует меньших ресурсов, но качество изображения при этом снижается. В соответствии с конструктивным исполнением сканеры делятся на настольные и портативные (ручные). Настольные сканеры представляют собой высококачественные устройства, большинство из которых стоит не менее 1500 долл. Настольные сканеры бывают планшетного типа, либо похожими на фотоувеличитель, либо с роликовыми направляющими, а также с другими средствами подачи бумаги. Сканеры с подачей бумаги напоминают печатающие устройства. ' В качестве примеров настольных сканеров охарактеризуем три изделия, выпускаемые фирмами Kurzweil Computer Products и Datacopy, являющиеся дочерними компаниями фирмы Xerox Imaging Systems. Модель Datacopy 730GS стоимостью 1300 долл. представляет собой сканер планшетного типа, предназначенный для ввода как графической, так и текстовой информации. Помимо обеспечения интерпретации 16 или 64 уровней серой шкалы устройство имеет 27 различных значений разрешения в диапазоне 60 — 450 точек на дюйм. Однако при максимальных значениях двух этих параметров потребуется более 23 мин. для ввода информации и порядка 20 Мбайт на диске для ее записи. Для ввода фотографии с 16 уровнями серой шкалы при разрешении 60 точек на дюйм требуется 1 мин. Программой ввода изображений PC Image обеспечивается возможность записи файлов в четырех форматах. Дополнительно к этому она предоставляет широкий спектр возможностей для редактирования изображений, хотя больших успехов можно Добиться с использованием независимых графических редакторов PC Paintbrush IV Plus и Publisher's Paintbrush. Сканером распознается большое количество стандартных шрифтов и, кроме этого, имеются возможности его «обучения». Устройство Kurzweil Discover 73200 модели 5 стоимостью 4995 долл. представляет собой сканер, который ориентирован на ввод только текстовой информации, при этом распознаются различные шрифты и обеспечиваются три уровня управления контрастностью. Интерпретация букв осуществляется методами искусственного интеллекта, реализованными в программных средствах. Обеспечивается запись информации в файлы 16-ти текстовых форматов. Сканер поставляется с сопроцессорной платой, содержащей 2-Мбайт ОЗУ. Если уместны автомобильные аналоги, то модель Kurzweil К- 5000 можно назвать Кадиллаком как по стоимости (15950 долл.), так и по быстродействию и качеству. В его состав входит плата сопроцессора, содержащая МП МС 68020 и 4-Мбайт ОЗУ. Для ввода фотографии при разрешающей способности 400 точек на дюйм в режиме серой шкалы требуется менее пяти минут. Имеется возможность ввода текстовой информации. В программных средствах распознавания символов при этом использованы методы искусственного интеллекта. В графическом режиме данная модель обеспечивает наилучшие по качеству параметры, но для реализации её возможностей требуется печатающее устройство с аналогичными характеристиками. Портативные сканеры стоят, как правило, дёшево. Но по сравнению с настольными они обладают весьма скромными возможностями. Кроме того, малейшая вибрация в процессе ручного сканирования приводит к искажению изображения. Портативный сканер похож на большую «мышь» с длинным «хвостом», который подключается к ПЭВМ. Комплект поставки, аналогично настольным сканерам, включает необходимое ПО. Работа с таким аппаратом состоит в том, что оригинал помещается на плоскую поверхность, сканер устанавливается на одной из его сторон и, после нажатия кнопки пуска, медленно перемещается по оригиналу вручную. Неоспоримым достоинством ручного сканера является возможность обработки не только плоских изображений. О вводе текстов в ПЭВМ необходимо сказать особо. Мы определили сканер как устройство ввода графической информации. Введённый рисунок записывается на внешний носитель информации специальном в формате и может быть отредактирован посредством графического редактора и/или отпечатан принтером в медленном графическом режиме. Текст же, хотя по внешнему виду и является частным случаем изображения, в ПЭВМ обрабатывается иначе. Эти особенности перечислены ниже: - тексты хранятся в текстовых форматах, которые требуют существенно меньше внешней памяти (байт на символ, а не байт на точку при 256-битов сканировании); - тексты обрабатываются текстовыми, а не графическими редакторами; - текст может быть напечатан принтером в гораздо более быстром текстовом режиме; - с текстом можно производить манипуляции, недоступные для изображений, например, понимание (уяснение) и умозаключения. Обеспечить ввод напечатанного или рукописного текста можно одним из следующих способов: 1) использовать специальное устройство оптического распознавания символов; 2) применить сканер с программными средствами для распознавания символов. Устройства оптического распознавания символов появились около 5 лет назад. Однако они весьма дороги и обладают ограниченными вожможностями. Проблемы возникают даже при вводе текстов с пропорциональными шрифтами (с переменной шириной символа), не говоря уже о рукописных текстах. При втором способе сканер, как обычно, вводит изображение. Затем оно читается специальными программными средствами и преобразуется в текстовый формат. Здесь не обойтись без методов искусственного интеллекта, в частности, теории распознавания образов. Такое ПО достаточно сложно, но в этой области достигнуты заметные успехи. В качестве образца для подражания можно назвать систему The Typist американской фирмы Caer, включающую ручной сканер, программный распознаватель символов и программу обеспечения целостности образа. Одним из основных показателей качества системы ввода текста является точность идентификации вводимых символов, или вероятность ошибок при вводе. Как мы уже видели, многие устройства ввода сочетают в себе возможности сканеров и устройств оптического распознавания символов.
Устройство сканера. Современный сканер функционально состоит из двух частей: сканирующего механизма (engine) и программной части (TWAIN-модуля).
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). 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. Однако с другой стороны, именно оптика обеспечивает очевидный выигрыш в качестве. Замечу, требования к оптике очень высоки, поэтому слухи, что в некоторых моделях сканеров применяются, де, "пластмассовые зеркала" сильно преувеличены, если не сказать "вымышлены".;) 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, если не ошибаюсь, пока что 1200 dpi. Но, в общем-то, сбрасывать со щитов CIS-технологию не стоит. Все технологии стремительно развивается. 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. Оцифровать оригинал и перевести его в текстовый файл они могут где бы то ни было, не завязываясь с близостью электрических сетей, что позволяет закрыть глаза на ряд недостатков контактного сенсора. Собственно поэтому, ответить на вопрос "какой сканер лучше" можно исходя из ваших конкретных запросов. 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. 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".
Процессор
Современные сканеры оснащают специализированными процессорами. В число задач такого процессора входит согласование действий всех цепей и узлов, а также формирование данных об изображении для передачи персональному компьютеру. В некоторых моделях сканеров на процессор возлагаются также функции контроллера интерфейса. Список программных инструкций для процессора хранится в микросхеме постоянной памяти. Данные в эту микросхему записываются производителем сканера на этапе производства. Содержимое микросхемы называется "микропрограммой" или "firmware". У некоторых профессиональных сканеров предусмотрена возможность ее обновления, но в недорогих моделях для дома и офиса это обычно не требуется. Помимо микросхемы постоянной памяти в сканерах используется и оперативная память, играющая роль буфера (ее типовые значения – 1 или 2 Мбайт). Сюда направляется сканируемая информация, которая практически сразу передается на ПК. После отправки содержимого из памяти персональному компьютеру, процессор обнуляет буфер для формирования новой посылки. Замечу, что инструкции для процессора также заносятся в ячейки оперативной памяти, но уже самого процессора (для этого он оснащен несколькими килобайтами собственной "оперативки"). Организация его памяти построена по принципу конвейера, т.е. после выполнения инструкции, стоящей в очереди первой, ее место занимает вторая, а место последней – новая инструкция. Объем оперативной памяти сканера ранее указывался производителями в технических спецификациях сканеров. Однако, т.к. данный параметр практически не сказывается на быстродействии аппарата, в современных сканерах он часто умалчивается. Умалчивается он и в том случае, если конкретный сканер использует некоторую область оперативной памяти самого компьютера, что реализуется средствами драйвера.
Контроллер интерфейса
За обмен информацией и командами между сканером и компьютером отвечает контроллер интерфейса. Как я отмечал выше, данная микросхема может отсутствовать в том случае, если процессор располагает интегрированным модулем контроллера. В эпоху "двушек" и "трешек" сканеры выпускались с интерфейсами SCSI, IEEE1284 (LPT) и даже с RS-232. Сегодняшний ассортимент SOHO-сканеров огранивается интерфейсами USB, FireWire и SCSI. Одно время ходили слухи о появлении Bluetooth-сканеров, но пока дальше слухов дело не пошло. Совершенно очевидно, что в аппаратах с разными интерфейсами установлены такие же разные контроллеры. Между собой они не совместимы, потому как "говорят на разных языках".
Протяжный механизм Основной подвижный модуль сканера – его сканирующая каретка. В нее входят оптический блок, с системой линз и зеркал, светочувствительная матрица, лампа с холодным катодом (если это CCD-сканер) и плата инвертора. К сканирующей каретке жестко закреплен зубчатый протяжный ремень, который приводит в движение шаговый двигатель аппарата.
Двигатель Шаговый электродвигатель (Step Motor) может поворачивать шпиндель в обе стороны совсем небольшими шажками. Из-за этой особенности всегда есть возможность переместить каретку сканера на строго определенное расстояние. Такой двигатель есть в каждом планшетном сканере. Он вращает редуктор (шестеренки, которые вы видите на фотографии) и приводит в движение каретку, в которой заключен оптический блок, лампа, и матрица. За выбор направления и скорости вращения отвечает специальная микросхема – контроллер двигателя. Точность перемещения каретки называют механическим разрешением по направлению "Y" (Y-direction).
Оптическое разрешение сканера – направление X, а его механическое разрешение – направление Y
Вообще, оптическое разрешение определяется числом элементов линии матрицы, деленное на ширину рабочей области. Механическое – число шагов сканирующей каретки по направлению движения Y. В спецификациях к сканерам можно встретить обозначения, типа, "600х1200". Здесь вторая цифра и есть механическое разрешение, тогда как первая характеризует оптическое разрешение сканера. Различают также интерполированное разрешение, которое иногда на несколько порядков больше значений оптического, но никак не зависит от физического оснащения аппарата. Я бы назвал его "разрешением масштабирования". Функции интерполирования (увеличения оригинального изображения) исполняет программное обеспечение сканера. Ценность указываемых производителями значений интерполяции сомнительна – любое изображение можно с тем же успехом увеличить средствами Photoshop.
Внутренности двигателя
Редуктор
Сердечник двигателя с внешней стороны соединен зубчатой передачей, представляющей простейший редуктор. Его большая шестеренка и протягивает ремешок, к которому закреплена сканирующая каретка.
Блок питания
Блок питания сканера
Домашние или офисные сканеры потребляют не слишком много энергии от сети, поэтому в блоках питания SOHO-аппаратов не найти мощных элементов. Внутренний блок питания рассматриваемого в данной статье аппарата выдает напряжения 24 Вольт / 0.69 А, 12 Вольт / 0.15 А и 5 Вольт / 1 А. Т.к. для источника света – лампы с холодным катодом, требуется высокое напряжение в несколько киловольт, за ее питание отвечает отдельный блок, о котором я рассказывал чуть выше.
|
