Технологии оцифровки

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, значения напряжения на выходе чувствительного элемента. Эти значения напряжения преобразуются в цифровые компаратором. Компаратор сравнивает напряжение или ток от ПЗС с опорным (пороговым) значением и на выходе формирует сигнал 0 (белый цвет) или 1 (черный цвет).

В таких сканерах предусматривается настройка порога чувствительности, что позволяет сканировать различные оригиналы - от слишком светлых до чрезмерно затемненных.

Полутоновые сканеры

Для цифрового представления полутонового изображения вводится понятие градации шкалы яркости. Полутоновые сканеры передают в компьютер значение яркости каждой сканируемой точки изображения. Для освещения сканируемого изображения обычно применяется также белая флуоресцентная лампа. Существуют модели сканеров, способные различать 16, 64 и 256 градаций яркости.

Функциональная схема полутонового сканера практически не отличается от схемы его черно-белого аналога, за исключением необходимости использования аналого-цифрового преобразователя, разрядность которого зависит от количества поддерживаемых уровней серого цвета (рис. 4). Например, сканер, поддерживающий 256 уровней серого, должен быть оснащен 8-разрядным АЦП.

В некоторых полутоновых сканерах для эмуляции изображений непрерывного тона применяется техника формирования полутонов (screening), а с помощью программных средств регулировки тоновой кривой можно изменять чувствительность сканера в пределах всего спектра доступных оттенков серого цвета.

Рис. 4. Механизм работы полутонового сканера

Цветные сканеры

Цветной сканер должен различать основные цвета (красный, зеленый и синий). Для этого применяются различные технологии. Например, в цветном сканере с одним источником света сканирование оригинала может осуществляться в три прохода с последовательным применением различных фильтров (красного, зеленого, синего), поочередно размещаемых между источником света и оригиналом. Сканируемое изображение освещается белым светом не непосредственно, а через вращающийся RGB-светофильтр (рис. 5). Для каждого из основных цветов последовательность операций практически не отличается от последовательности операций при сканировании полутонового изображения. Существенными недостатками описанного метода являются увеличение времени сканирования в три раза и необходимость точного совмещения цветовых слоев, так как в противном случае возможно размывание деталей изображения.

В других сканерах могут использоваться три источника света: красный, зеленый, синий; сканирование при этом производится однократно и источники света, взаимодействуют поочередно, кратковременно освещая оригинал (рис. 6). Этот метод позволяет избежать несовмещения цветов, однако появляется другая сложность - подбор источников света со стабильными характеристиками.

Рис. 5. Механизм работы трехпроходного цветного сканера с вращающимся RGB-светофильтром

Рис. 6. Механизм работы однопроходного цветного сканера с тремя источниками света

В некоторых цветных сканерах используется один источник света, но сканирование цветных оригиналов, тем не менее, осуществляется за один проход. Например, в цветном планшетном сканере SpectraPoint фирмы Seiko Instruments вместо элементов ПЗС используются фототранзисторы, размещенные в три линейки, а три цветных фильтра расположены так, что каждая линейка фототранзисторов освещается только своим цветом без применения редуцирующей линзы.

Однако наибольшее распространение получили цветные сканеры, оборудованные системой ПЗС-датчиков, состоящей из трех независимых линеек для каждого цвета (рис. 7). Оригинал освещается белым светом, а отраженный свет через редуцирующую линзу попадает на трехполосный ПЗС через систему специальных фильтров, которые и разделяют белый свет на три составляющие. Принцип работы таких фильтров основан на использовании явления дихроизма, заключающегося в изменении окраски кристаллов в проходящем белом свете в зависимости от положения их оптической оси.

Рис. 7. Механизм работы однопроходного цветного сканера с трехполосным ПЗС

После прохождения системы фильтров разделенные красный, зеленый и синий свет попадают каждый на свою линейку ПЗС. Путем последовательно выполняемых операций считывания тонового распределения по основным цветам можно получить информацию, необходимую для воспроизведения цветов изображения. Таким образом, цветные сканеры различаются по способу считывания информации - за один проход (сканеры фирм Ricoh, Hewlett-Packard) или за три (сканеры фирмы Microtek), а также по количеству источников света (в моделях фирм Epson и Sharp вместо одного используются три, для каждого цвета отдельно).

Программные интерфейсы и TWAIN

Для управления работой сканера (впрочем, как и иного устройства) необходима соответствующая программа - драйвер. В этом случае управление идет не на уровне "железа" (портов ввода-вывода), а через функции или точки входа драйвера. До недавнего времени каждый драйвер для сканера имел свой собственный интерфейс. Это было достаточно неудобно, поскольку для каждой модели сканера требовалась своя прикладная программа. Логичнее было бы наоборот, если бы с одной прикладной программой могли работать несколько моделей сканеров. Это стало возможным благодаря TWAIN.

TWAIN - это стандарт, согласно которому осуществляется обмен данными между прикладной программой и внешним устройством (читай - его драйвером). Напомним, что консорциум TWAIN был организован с участием представителей компаний Aldus, Caere, Eastman Kodak, Hewlett Packard & Logitech. Основной целью создания TWAIN-спецификации было решение проблемы совместимости, то есть легкого объединения различных устройств ввода с любым программным обеспечением. Конкретизируя, можно выделить несколько основных вопросов: во-первых, поддержку различных платформ компьютеров; во-вторых, поддержку различных устройств, включая разнообразные сканеры и устройства ввода видео; в-третьих, возможность работы с различными формата данных. Благодаря использованию TWAIN-интерфейса можно вводить изображение одновременно с работой в прикладной программе, поддерживающей TWAIN, например CorelDraw, Picture Publisher, PhotoFinish. Таким образом, любая TWAIN -совместимая программа будет работать с TWAIN-совместимым сканером.

В заключение стоит отметить, что образы изображений в компьютере могут храниться в графических файлах различных форматов, например TIFF, РСХ, ВМР, GIF и других. Надо иметь в ввиду, что при сканировании изображений файлы получаются достаточно громоздкими и могут достигать десятков и сотен мегабайт. Для уменьшения объема хранимой информации используется обычно процесс компрессии (сжатия) таких файлов.

Список использованной литературы

1.«Принцип работы сканера» журнал «КомпьютерПресс» № 6, июнь 2005 г.

2.«Сканеры» журнал «Компьютеры + программы» № 3, март 2003 г.

.«Технологии оцифровки библиотеки» журнал «Научно-техническая информация» №1, январь 2006 г.

Больше работ по теме: