Устройства ввода информации в персональный компьютер. Разновидности устройств ввода

     8.4 Считывание изображения.

     Механизмы считывания изображения базируются или на фотоумножителе,  или на ПЗС.  Фотоумножитель  проще  всего

сравнить с радиолампой-фотосенсором, у которой имеются пластины катода и анода и которая конвертирует свет в электрический сигнал.  Считываемая информация  подается  на фотоумножитель точка за точкой с помощью засвечивающего луча.  ПЗС - относительно  дешевый полу  проводниковый элемент довольно малого размера. ПЗС так же как и умножитель конвертирует световую  энергию  в  электрический  сигнал.  Набор  элементарных ПЗС-элементов располагают последовательно в линию, получая линейку для считывания сразу целой строки,  естественно и освещается  сразу  целая строка оригинала.  Цветное изображение такими сканерами считывается за три прохода ( с помощью RGB-светофильтра ).  Многие сканеры имеют  три параллельные линейки  ПЗС,  тогда сканирование цветных оригиналов осуществляется за один проход,  так как каждая линейка считывает один  из трех  базовых цветов.  Потенциально ПЗС-сканеры более быстродейственны чем барабанные сканеры на фотоумножителях.

    Черно-белые  сканеры.

    Попробуем объяснить принцип работы черно-белого сканера. Сканируемое изображение освещается белым светом, получаемым, как  правило, от флуоресцентной лампы. Отраженный свет через редуцирующую (уменьшающую) линзу попадает на фоточувствительный полупроводниковый элемент, называемый прибором с зарядовой связью ПЗС (Change- Coupled Device, CCD), в основу которого положена чувствительность проводимости p-n-перехода обыкновенного полупроводникового диода к степени его освещенности. На p-n-переходе создается заряд, который рассасывается со скоростью, зависящей от освещенности. Чем выше скорость рассасывания, тем больший ток проходит через диод.

    Рис.1.  Блок схема черно-белого сканера. 

    Каждая  строка сканирования изображения соответствует  определенным значениям напряжения на ПЗС. Эти значения напряжения преобразуются в цифровую форму либо через аналого-цифровой преобразователь АЦП (для полутоновых сканеров), либо через компаратор (для двухуровневых сканеров). Компаратор сравнивает два значения (напряжение или ток) от ПЗС и опорное (рис. 1), причем в зависимости от результата сравнения на его выходе формируется сигнал 0 (черный цвет) или 1 (белый). Разрядность АЦП для полутоновых сканеров зависит от количества поддерживаемых уровней серого цвета. Например, сканер, поддерживающий 64 уровня серого, должен иметь 6-разрядный АЦП. Каким образом сканируется каждая следующая строка изображения, целиком зависит от типа используемого сканера. Напомним, что у планшетных сканеров движется сканирующая головка, а в рулонных сканерах она остается неподвижной, потому что движется носитель с изображением — бумага. 

    Цветные сканеры.

    В настоящее время существует несколько  технологий для получения цветных  сканируемых изображений. Один из наиболее общих принципов работы цветного сканера заключается в следующем. Сканируемое изображение освещается уже не белым цветом, а через вращающийся RGB-светофильтр (рис. 2). Для каждого из основных цветов (красного, зеленого и синего) последовательность операций практически не отличается от последовательности действий при сканировании черно-белого изображения. Исключение составляет, пожалуй, только этап предварительной обработки и гамма-коррекции цветов, перед тем как информация передается в компьютер. Понятно, что этот этап является общим для всех цветных сканеров.

    В результате трех проходов сканирования получается файл, содержащий образ изображения в трех основных цветах — RGB (образ композитного сигнала). Если используется восьмиразрядный АЦП, который поддерживает 256 оттенков для одного цвета, то каждой точке изображения ставится в соответствие один из 16,7 миллиона возможных цветов (24 разряда). Сканеры, использующие подобный принцип действия, выпускаются, например, фирмой Microtek. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Рис.2. Блок-схема  цветного сканера  с вращающимся  RGB-фильтром. 

    Надо  отметить, что наиболее существенным недостатком описанного выше метода является увеличение времени сканирования в три раза. Проблему может представлять также «выравнивание» пикселов при каждом из трех проходов, так как в противном случае возможно размывание оттенков и «смазывание» цветов.

    В сканерах известных японских фирм Epson и Sharp, как правило, вместо одного источника света используется три, для каждого цвета отдельно. Это позволяет сканировать изображение всего за один проход и исключает неверное «выравнивание» пикселов. Сложности этого метода заключаются обычно в подборе источников света со стабильными характеристиками.

    Другая  японская фирма — Seiko Instruments — разработала Цветной планшетный сканер SpectraPoint, в котором элементы ПЗС были заменены фототранзисторами. На ширине 8,5 дюйма размещено 10200 фототранзисторов, расположенных в три колонки по 3400 в каждой. Три цветных фильтра (RGB) устроены так, что каждая колонка фототранзисторов воспринимает только один основной цвет. Высокая плотность интегральных фототранзисторов  позволяет достигать хорошей разрешающей способности — 400 dpi (3400/8,5)  — без использования редуцирующей линзы.

    Принцип действия цветного сканера ScanJet Iic фирмы Hewlett Packard несколько иной. Источник белого света освещает сканируемое изображение, а отраженный свет через редуцирующую линзу попадает на трех полосную ПЗС через систему специальных фильтров, которые и разделяют белый свет на три компонента: красный, зеленый и синий (рис. 3). Физика работы подобных фильтров связана с явлением дихроизма, заключающегося в различной окраске одноосных кристаллов в проходящем белом свете в зависимости от положения оптической оси. В рассматриваемом случае фильтрация осуществляется парой таких фильтров, каждый из которых представляет собой «сэндвич» из двух тонких и одного более толстого слоя кристаллов. Первый слой первого фильтра отражает синий свет, но пропускает зеленый и красный. Второй слой отражает зеленый свет и пропускает красный, который отражается только от третьего слоя. Во втором фильтре, наоборот, от первого слоя отражается красный свет, от второго — зеленый, а от третьего — синий. После системы фильтров разделенный красный, зеленый и синий свет попадает на собственную полосу ПЗС, каждый элемент которого имеет размер около 8 мкм. Дальнейшая обработка сигналов цветности практически не отличается от обычной. Заметим, что подобный принцип работы (с некоторыми отличиями, разумеется) используется и в цветных сканерах фирмы Ricoh. 
 
 
 
 

    8.5 Аппаратные интерфейсы сканеров.

    Для связи с компьютером сканеры могут использовать специальную 8- или 16-разрядную интерфейсную плату, вставляемую в соответствующий слот расширения. Для портативных компьютеров подходит устройство PC Card. Кроме того, в настоящее время достаточно широкое распространение получили стандартные интерфейсы,  применяемые в IBM PC-совместимых компьютерах (последовательный и параллельный порты, а также интерфейс SCSI). Стоит отметить, что в случае стандартного интерфейса у пользователя не возникает проблем с разделением системных ресурсов: портов ввода-вывода, прерываний IRQ и каналов прямого доступа DMA.

    По  понятным причинам наиболее медленно передача данных осуществляется через  последовательный порт (RS-232C). Именно поэтому в ряде последних ручных или комбинированных моделей сканеров для связи с компьютером применяется стандартный параллельный порт. Это очень удобно, например, при работе с портативным компьютером. 

    8.6 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. 

8.7 Качество изображения.

     Сканеры различаются по многим параметрам технология считывания изорбражения, типу механизма  и некоторым другим.

     Существуют  параметры сканирующего  устройства,  влияющие  на  качество изображения. К  таким параметрам относится оптическая разрешающая способность, число передаваемых полутонов и цветов,  диапазон  оптических плотностей, интеллектуальность сканера,  световые искажения,  точность фукосировки ( резкость ). 

8.8 Интеллектуальность сканера.

     Под интеллектуальностью обычно подразумевается  способность сканера с помощью  заложенных в нем аппаратным и  поставляемых с  ним  программных  средств автоматически настраиваться  и минимизировать потери качества.  Наиболее ценятся сканеры,  обладающие способностью автокалибровки,  т.е.  настройки на денамический диапазон плотностей оригинала,  а также компенсации цветовых искажений.  Допустим, мы  имеем  ПЗС-сканер,  воспринимающий  оптический диапазон плотностей до 3.2.  С его помощью нам нужно отсканировать  слайд,  имеющий максимальную оптическую плотность 4.0. "Хороший" сканер сначала делает предварительное сканирование для анализа оригинала и получения  диаграммы оптических плоскостей. После анализа диаграммы сканер производит свою автокалибровку с целью сдвига своего динамического  диапазона восприятия оптических плотностей.  таким образом минимизируются потери в "тенях" благодаря сокращению потерь в "светах". 

8.9 Цветовые искажения сканеров.

         Каждый сканер обладает своими собственными недостатками при восприятии  цветов  и  общими  недостатками, присущими данной  модели.  Общие  недостатки  обусловлены техническими возможностями и механическими характеристиками модели. Собственный недостаток сканера  обусловлен  индивидуальной  способностью освещающего оригинал источника света и считывающего элемента.  Считается,  что все продаваемые сканеры проходят заводскую калибровку. Однако, если сканер имеет функцию автокалибровки, то это большое преимущество перед сканером, лишенным такой функции. Автокалибровка сканера позволяет скорректировать цветовые искажения и увеличить число распознаваемых  цветовых оттенков. Поскольку источник света имеет свойство изменять свои характеристики со временем,  как,  впрочем,  и считывающий элемент, наличие автокалибровки приобретает первостепенное значение,  если Вы постоянно с цветными полутоновыми изображениями. Практически все современные модели сканеров обладают такой функцией 

    Выбор сканера.

    В офисе сканер может эффективно использоваться для работы как с текстами (OCR), так и с изображениями. В первом случае можно ориентироваться на недорогую черно-белую модель с разрешением 200—300 dpi. Для ввода коротких документов может пригодиться даже ручной сканер. При больших объемах следует остановиться на сканере с автоматической подачей оригиналов. В зависимости от сложности вводимых в компьютер изображений может потребоваться сканер с разрешением 300—600 dpi (с интерполяцией до 1200 dpi), с возможностью восприятия до 16,7 миллиона оттенков цветов (24-разрядное кодирование) и производительным интерфейсом (SCSI-2). Во всех случаях надо удостовериться, что в комплект со сканером входит соответствующее программное обеспечение, будь то OCR-программы или графический пакет. Не стоит забывать также и о TWAIN-совместимости.