Принцип работы сканера

Простейший сканер работает следующим образом. Сканируемое изображение освещается белым светом. Отраженный свет через уменьшающую линзу попадает на фоточувствительный полупроводниковый элемент, называемый прибором с зарядовой связью – ПЗС (Charge-Coupled Device, CCD), в основу которого положена чувствительность проводимости р – n - перехода обыкновенного полупроводникового диода к степени его освещенности. На р – n – переходе создается заряд, который рассасывается со скоростью, зависящей от освещенности. Чем выше скорость рассасывания, тем больший ток проходит через диод. Каждая строка сканирования изображения соответствует определенным значениям напряжения на ПЗС. Эти значения напряжения преобразуются в цифровую форму через аналого-цифровой преобразователь и передают в компьютер.

Изображение всегда сканируется в формат RAW – а затем конвертируется в обычный графический формат с применением текущих настроек яркости, контрастности, и т.д. Эта конвертация осуществляется либо в самом сканере, либо в компьютере – в зависимости от модели конкретного сканера. На параметры и качество RAW-данных влияют такие аппаратные настройки сканера, как время экспозиции матрицы, уровни калибровки белого и чёрного и др.

Рисунок 2 Схема изображения планшетного сканера

Так, в частности работает планшетный сканер. Следует отметить, что планшетный сканер оцифровывает только двухмерные изображения, расположенные в плоскости предметного стекла. Его устройство напоминает устройство цифрового фотоаппарата. Если перед линейкой светочувствительных элементов установить один большой объектив, который бы фокусировал изображение на плоскости, в которой перемещаются элементы, то сканер мог бы построчно сканировать и трехмерное изображение. Такие камеры есть и предназначены они для высокоточной съемки трехмерных объектов в стационарных условиях. Из-за построчного сканирования плоскости кадрового окна выдержка, с которой производится съемка, достигает десятков минут. Но качество изображения при этом высочайшее – максимально возможное для цифровой технологии вообще.

Для получения цветных сканируемых изображений существуют два типа сканирования - трехпроходное и однопроходное. При однопроходном сканировании линейка светочувствительных элементов последовательно фиксирует цветовые характеристики изображения для каждого из базовых цветов. То есть при каждом проходе меняется цвет подсветки (путем введения в световой поток фильтров), и линейка оцифровывает изображение для каждого базового цвета (красного, зеленого, синего). При последующем сложении цветов получается полноцветная картинка.

Трехпроходное сканирование применялось в первых цифровых сканерах и сегодня используется только в высокоточных барабанных устройствах. Современные планшетные сканеры работают по однопроходной технологии. Для оцифровки цветных изображений светочувствительные элементы делают составными из трех субэлементов. Каждый субэлемент прикрыт светофильтром одного из базовых цветов. Совокупность трех субэлементов со светофильтрами всех базовых цветов составляет триаду (элементы триады расположены параллельными рядами). Благодаря этому, светочувствительные элементы сканирующей линейки способны не только сканировать изображение, но и передать в компьютер его цветовые характеристики.

К основным характеристикам сканера относятся: оптическое разрешение; аппаратное разрешение; тип оптической системы; разрядность цвета; тип подключения к компьютеру.

Рисунок 3 Физическое разрешение сканера

Оптическое разрешение (реальное или физическое разрешение) – основная характеристика сканера. Сканер снимает изображение не целиком, а по строчкам. По вертикали планшетного сканера движется полоска светочувствительных элементов и снимает по точкам изображение строку за строкой. Чем больше светочувствительных элементов у сканера, тем больше точек он может снять с каждой горизонтальной полосы изображения. Обычно оптическое разрешение вычисляют по количеству точек на дюйм – dpi (dots per inch). Стандартный ряд значений разрешения планшетных сканеров выглядит так – 300, 600, 1200, 2400 точек (пикселей) на дюйм. То есть на каждом дюйме (2,54 см) сканирующей линейки расположены в ряд 300, 600, 1200 или 2400 светочувствительных элементов.

Сегодня считается нормой уровень разрешение не менее 600 dpi. Увеличивать разрешение еще дальше – значит, применять более дорогую оптику, более дорогие светочувствительные элементы, а также многократно затягивать время сканирования. Так, для обработки слайдов необходимо более высокое разрешение: не менее 1200 dpi.

Аппаратное разрешение, иначе его называют механическим. Рассмотрим суть аппаратного разрешения на примере планшетного сканера. Сканирование производится построчно, за один цикл линейка светочувствительных элементов считывает изображение с узкого линейного участка поверхности оригинала. Для считывания изображения с соседнего участка транспортный механизм, приводимый в действие шаговым электродвигателем, смещает линейку на небольшое расстояние, и процесс сканирования повторяется.

Величина шага, с которым перемещается сканирующая линейка, обозначается тоже в пикселях на дюйм. Таким образом, полное значение разрешающей способности планшетного сканера обозначается двумя величинами - разрешением по горизонтали (оптическое разрешение) и разрешением по вертикали (шаг, с которым механизм транспортировки перемещает сканирующую линейку вдоль поверхности оригинала). Координатными осями при этом служат боковые стороны предметного стекла сканера, горизонтальная ось совпадает с короткой стороной, вертикальная - с длинной стороной стекла. И светочувствительная линейка, захватывая участок от одной короткой стороны к другой, перемещается вдоль длинных сторон предметного стекла сканера.

Большинство изготовителей указывают разрешение в виде произведения двух чисел, например, 300x600 или 600x1200. Однако действительное оптическое разрешение относится лишь к одному горизонтальному направлению – оси X – и определяется числом элементов ПЗС и качеством оптики. Второй параметр, приводимый большинством изготовителей, иногда называют механическим разрешением, поскольку он указывает минимальный шаг перемещения механизма сканирования, т.е. число шагов на дюйм, которое делает сканер по вертикальной оси Y. Обычно это число вдвое больше оптического разрешения. Некоторые фирмы, торгующие сканерами, предпочитают указывать первым большее значение, например 1200x600, поскольку это производит более благоприятное впечатление. Следует понимать, что действительному оптическому разрешению соответствует меньшее значение.

Тип оптической системы зависит от типа светочувствительных приемных элементов. Различают устройства CCD (Charge-Coupled Device), в которых в качестве светочувствительных элементов применяются полупроводниковые приборы с зарядовой связью, и устройства CIS (Contact Image Sensor), где светочувствительными элементами служат контактные комбинированные датчики.

В CCD-сканерах используется система зеркал, установленная на каретке. Зеркала передают отраженный от изображения свет прямо на светочувствительный элемент – CCD, который в свою очередь генерирует заряд и направляет его к аналого-цифровому преобразователю (АЦП). Изображение считывается построчно, аналоговый сигнал преобразуется в цифровой код – последовательность логических нулей и единиц. Затем компьютерная программа-драйвер согласно цифровым данным восстанавливает изображение, идентичное изображению на поверхности оригинала.

Сенсоры CCD не смогут получить изображение без подсветки, поэтому в сканерах используют флуоресцентные и ксеноновые лампы. Лампы с ксеноном быстро нагреваются и обеспечивают более натуральную подсветку. Из недостатков ксенона отметим высокую стоимость, сильный нагрев и непродолжительный срок службы. Флуоресцентные лампы, в свою очередь, долго нагреваются, но излучают меньше тепла.

Второй тип сенсора – CIS. Этот тип сенсора используется только в сканерах (CCD применяют также в цифровых фото/видеокамерах). Сенсор типа CIS помещается в непосредственной близости от сканируемого объекта, система зеркал не нужна. Вместо сенсора для захвата картинки в CIS используют массив детекторов, накрытых линзами и подсвечиваемых красным, зеленым и синим диодами, которые потребляют крайне мало энергии. Как итог, многие CIS-сканеры не требуют дополнительного питания, им хватает USB/FireWire-шины.

Сканеры - CCD по сравнению с CIS – сканерами имеют глубину резкости в 10 раз больше (+/-3 мм для CCD – сканеров и +/-0.3мм для CIS - сканеров); различают уровни оттенков +/-20%, тогда как CIS сканеры определяют различия в оттенках только +/-40%; имеют возможность достижения более высокого оптического разрешения. Недостатком является то, что такие сканеры приходится оснащать сложной оптической системой, чтобы проецировать широкую строку изображения на миниатюрную матрицу ПЗС. Следствием этого являются большие размеры и большое энергопотребление (из-за этого питание, как правило, приходится получать только от сети). Сканеры - CIS по сравнению с CCD – сканерами имеют меньшие размеры и вес из-за отсутствия оптической системы и зеркал; меньшую цену, так как CIS-элементы заменяют целый набор компонентов сканера, уменьшая стоимость производства.

Таким образом, оптическая система CCD основана на реальной оптике и дает более высокое качество. Система CIS является системой с сенсорным датчиком, что делает ее более дешевой.

Разрядность цвета или глубина цвета (color depth) описывает максимальное количество цветов, которое может воспроизвести сканер. Этот параметр показывает, насколько точна информация об отсканированной точке и обычно выражается в битах на цвет или в битах на цветовой канал. Стандартом в большинстве компьютерных систем является формат TrueColor, в котором каждая точка кодируется тремя байтами или 24 битами (в каждом байте - восемь бит). То есть, на представление каждого основного цвета (R - красный, G - зеленый, B - синий; а вместе - RGB) отводится восемь бит. При этом общее количество цветов, которые можно закодировать, составляет более 16 миллионов. Более тонкие оттенки глаз человека не различает. Внутри сканера цвет может кодироваться и большим числом бит. Для непрофессионального пользователя это не так уж важно - на выходе он все равно получит стандартный 24–х битный цвет. Но увеличение числа разрядов внутри сканера открывает возможность цветовой коррекции изображения без внесения искажений. Причем коррекция может быть как ручной, так и автоматической. Вычислить количество воспроизводимых цветов просто - достаточно возвести двойку в степень разрядности цвета сканера, либо, если разрядность представлена в битах на канал, возвести двойку в степень разрядности цвета в канале и полученное значение возвести в куб. Например, количество цветов, воспроизводимых 24–х битным сканером (8 бит на канал) равно 16777216. Иногда цифры спецификации сканера относятся к внутренней разрядности сканера, которая обычно выше выходной для того, чтобы сканер мог отбросить «шумовые» биты, отфильтровав таким образом образующиеся от влияния перекрестных и внешних помех искажения, и выдать на выходе 24–х битное изображение с максимально чистыми и точными оттенками.