Технология считывания данных в современных устройствах оцифровки изображений. Принцип работы черно-белых и цветных сканеров. Цифровое кодирование изображений. Программные интерфейсы и TWAIN. Способ формирования изображения. Преимущество галогенной лампы.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Введение

Почти каждый пользователь компьютера постоянно сталкивается с проблемой преобразования документов из бумажной формы в электронную. Однако процедура ввода информации вручную отнимает огромное количество времени и чревата ошибками. Кроме того, вручную можно вводить только тексты, но не изображения. Выходом из положения является сканер.

Сканером называется устройство, позволяющее вводить в компьютер образы изображений, представленных в виде текста, рисунков, слайдов, фотографий или другой графической информации.

сканер цифровой кодирование

Источники света

Источники света, зеркала и линзы являются конструктивными элементами сканера и непосредственно влияют на качество сканированного изображения. Оптическая система сканера должна быть жестко закреплена на каретке, а ее отдельные части не должны менять взаимного положения. Например, если отклоняющие зеркала не связаны жестко с линзами и перемещаются вместе с ними по направляющим в процессе сканирования, то фокусное расстояние оптической системы может измениться и, тем самым, привести к искажению вводимого изображения.

Сканер в состоянии распознать все цвета на оригинале только в том случае, если используемый источник света имеет равномерную спектральную характеристику. Поэтому идеальный источник должен излучать белый свет, образующийся из совокупности всех цветов спектра -- от фиолетового до красного.

При использовании в качестве источника света светодиодов зеленого свечения средняя часть спектра оказывается частично невостребованной, поэтому не все цвета оригинала будут фиксироваться адекватно. Такие не полностью передаваемые (выпадающие) цвета (drop-out colours) должны быть указаны в описании сканера. К сожалению, далеко не все производители сканеров приводят в сопроводительной технической документации эту важную информацию.

Невооруженным глазом трудно правильно оценить качество излучения источника света, так как свет, кажущийся белым, может характеризоваться неравномерным спектральным распределением. Например, белый флуоресцентный свет не обеспечивает точной передачи желтого цвета.

Существует множество источников света, каждый из которых имеет уникальную спектральную характеристику. Преимущество галогенной лампы заключается в практически равномерной спектральной характеристике и высокой интенсивности ее излучения. Недостаток -- выделяется много тепла, поэтому для ее охлаждения необходим вентилятор.

В дорогих планшетных сканерах используются или вольфрамовые галогенные лампы, или флуоресцентные источники с холодным катодом, характеризующиеся пониженным выделением тепла. Это позволяет поместить сканирующий механизм ближе к оригиналу и дольше его экспонировать, благодаря чему улучшается качество фиксируемого изображения.

При сканировании слайдов и негативов, относящихся к категории прозрачных оригиналов, применяется другая технология: свет от источника проходит сквозь оригинал, а регистрация осуществляется в проходящем свете (как в проекционных аппаратах).

Цифровое кодирование изображений

Сканирование иногда называют цифровым кодированием изображения, так как происходит преобразование аналогового сигнала яркости в цифровую форму, понятную компьютеру. Под термином сканирование следует понимать получение цифрового изображения -- процесс преобразования визуальной информации в цифровую. Поэтому подготовку оригиналов для ввода в компьютер часто называют оцифровкой (digitizing). Изображение при этом разбивается на элементарные частицы, называемые пикселами (pixels), каждому из которых соответствует определенный код яркости и цветового оттенка.

Как вам, вероятно, уже известно, черные объекты равномерно поглощают все цвета спектра видимого излучения, а белые отражают их. Чем больше света поглощает объект, тем темнее он выглядит, и наоборот, чем больше света объект отражает, тем светлее он нам кажется.

Однако нет таких абсолютно черных тел, способных поглотить весь свет, как нет зеркала, которое в состоянии отразить 100% излучения. Те объекты, которые мы видим в сером цвете, не относятся ни к той, ни к другой категории, так как одна часть света ими поглощается, а другая отражается. Если объект поглощает преимущественно один из основных цветов спектра, то цвет объекта имеет соответствующий оттенок.

В сканерах реализуются различные способы фиксирования изображений. Если количество принимаемого датчиком света не превышает предварительно установленного порога чувствительности (threshold), фиксируемый элемент оригинала воспринимается как черный. В противном случае ему присваивается кодовое значение, соответствующее либо белому цвету, либо (для полутоновых сканеров) оттенку серого цвета.

В некоторых сканерах предусматривается возможность настройки порога чувствительности. Это позволяет получать изображения сканируемых оригиналов в широком диапазоне яркости -- от искусственно затемненных (почти грязных) до осветленных настолько, что текстура бумаги начинает восприниматься как элементы изображения. Программное обеспечение для настройки шкалы яркости позволяет изменять значения уровней серого цвета, т. е. производить корректировку так называемой серой карты (gray тар).

Принцип работы цветных сканеров аналогичен описанному выше за исключением того обстоятельства, что порог чувствительности в данном случае определяется для каждого из основных цветов системы цветообразования.

Последовательно считывая информацию о каждом элементе источника изображения, датчик перемещается вдоль него до тех пор, пока не будет зафиксирован весь образ. Это происходит очень быстро -- процедура сканирования обычно занимает всего несколько секунд.

Способ формирования изображения

В процессе сканирования оригинал освещается источником света. Отраженный (или преломленный) свет с помощью специальной оптической системы направляется на датчик в виде линейки или матрицы светочувствительных элементов, которые преобразуют интенсивность принимаемого света в соответствующее значение напряжения. Аналоговый сигнал преобразуется в цифровой, и в этом виде информация об изображении может быть введена в компьютер.

Светочувствительные датчики

Технология считывания данных в современных устройствах оцифровки изображений реализуется преимущественно на основе использования светочувствительных датчиков двух типов: фотоэлектронных умножителей (ФЭУ от англ. РМТ -- photomultiplier tube) или приборов с зарядовой связью (ПЗС от англ. CCD -- charge-coupled device). Используемые во всех устройствах ввода аналого-цифровые преобразователи {АЦПот англ. ADC -- analogue-to-digital converter) либо компараторы (comparators) преобразуют считанную информацию в понятные для компьютера цифровые данные.

Фотоэлектронные умножители

Фотоэлектронные умножители в качестве светочувствительных приборов используются в барабанных сканерах. Основанные на ламповой технологии ФЭУ усиливают свет ксеноновой или вольфрамо-галогенной лампы, который с помощью конденсорных линз и волоконной оптики фокусируется на чрезвычайно малой области оригинала.(рис.1)



U-- 1, J

Фрагмент изображения

Рис. 1. Схема работы ФЭУ барабанного сканера

Приборы с зарядовой связью

Датчик на основе ПЗС -- это твердотельный электронный компонент, состоящий из множества крошечных светочувствительных элементов, которые формируют электрический заряд, пропорциональный интенсивности падающего на них света. В основу работы ПЗС положена зависимость проводимости р--л-перехода обыкновенного полупроводникового диода от степени его освещенности (рис.2)/



Рис. 2. Пример использования линейного ПЗС в планшетном сканере

Тип изображения

При сканировании нужно стремиться получить результат, требующий минимальной доработки. Предварительное изучение оригинала имеет первостепенное значение, потому что его особенностями определяется выбор режима сканирования и последующей обработки изображения.

Оригинальное изображение принято классифицировать по нескольким характеристикам: тону, цвету и типу носителя. Тоновая характеристика оригинала (shadows, midtones или highlight) важна в первую очередь для определения методов обработки изображения программными средствами, а на выбор типа сканера в основном влияют цветовая характеристика изображения и тип носителя графической информации.

По цветовому содержанию оригиналы и, соответственно, сканеры делятся на черно-белые, полутоновые и цветные.

Черно-белые сканеры

Черно-белые сканеры (рис. 3) работают в двухуровневом (bilevel) режиме, воспринимая или черный, или белый цвет. Сканируемое изображение освещается белым светом.

Рис. 3. Механизм работы черно-белого сканера

Для этого применяется, как правило, флуоресцентная лампа. Отраженный свет через редуцирующую (уменьшающую) линзу попадает на фоточувствительные полупроводниковые элементы ПЗС-датчика.

Каждой строке сканируемого изображения соответствуют определенные, в зависимости от освещенности, зн...