Принцип работы сканера. Как работает сканер

И так принцип работы сканера ! Основная функция сканеров - получение изображений различных материальных носителей (книг, журналов, фотокарточек, открыток, рисунков, слайдов и так далее) для последующей обработки, хранения и распространения в цифровом формате. Ска­неры могут быть универсальными (то есть рассчитанными на работу с широким спектром разнотипных оригиналов) либо специализированными (например, слайд- сканеры для фотопленок).

Все многообразие сканируемых оригиналов подразделяется на две категории: прозрачные и непрозрачные. Сканирование непрозрачных оригиналов произво­дится в отраженном свете. В этом случае свет от используемого источника падает под определенным углом на оригинал и, отразившись от него, воспринимается светочувствительным элементом.

Сканирование прозрачных оригиналов осуществляется в проходящем свете. Ори­гинал в этом случае располагается между источником света и светочувствительным элементом. Свет от источника проходит сквозь оригинал и затем воспринимается светочувствительным элементом.

Как правило, в универсальных сканерах, позволяющих работать и с прозрачными, и с непрозрачными оригиналами (независимо от их типа), используются два ис­точника света, один из которых задействуется при сканировании в проходящем свете, а другой - при сканировании в отраженном свете.

Получение цветного изображения

Еще 10 лет назад было актуальным разделение сканеров на цветные и монохромные. В настоящее время практически все сканеры являются цветными.

Чтобы разделить световой сигнал, отраженный от оригинала (либо прошедший сквозь него), на три составляющие, соответствующие базовым цветам аддитивной модели (RGB), могут использоваться различные методы.

1. Светофильтры . Свет, излучаемый источником (например, лампой), отраженный от сканируемого объекта или прошедший сквозь него, проецируется на три линейки светочувствительных элементов, каждая из которых снабжена своим светофильтром - красным, зеленым и синим.

2. Несколько источников света или источник с чередующимся цветом . Скани­руемый объект поочередно освещается тремя (или более) источниками света, и соответствующее количество раз считывается информация с одной и той же линейки светочувствительных элементов. Частным случаем является исполь­зование источника света, способного с большой частотой менять цвет излу­чаемого потока (например, массива светодиодов).

3. Призма . В этом случае для выделения цветовых компонентов из отраженного от оригинала света используется призма или аналогичное устройство, что по­зволяет одновременно считывать информацию с каждого из слоев. В современ­ных моделях сканеров призма применяется очень редко.

Типы светочувствительных элементов

Наиболее распространенным типом светочувствительных приборов, используемых в большинстве современных сканеров, является линейный массив элементов ПЗС (CCD) или КМОП (CMOS). Изображение в этом случае считывается построчно в процессе перемещения линейки светочувствительных элементов относительно оригинала, В цветных моделях обычно используются три линейки ПЗС-элементов, каждая из которых считывает образ одного из цветовых каналов RGB.

Иногда используется двухмерный массив (матрица) светочувствительных ПЗС- или КМОП-элементов. В этом случае сканирование всей площади оригинала производится одновременно - аналогично тому, как считывается кадр в цифровых фотоаппаратах.

В некоторых типах сканеров в качестве светочувствительного элемента применя­ется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Считывание изображения посредством ФЭУ обычно производится попиксельно: последовательно вводятся пикселы одной строки изображения, затем - следующей строки и т. д. Такой метод накладывает определенные ограничения на максимальную скорость сканирования. Кроме того, изготовление ФЭУ обходится значительно дороже по сравнению с ПЗС. С другой стороны, ФЭУ обладает значительно более высокой чувствительностью (по срав­нению с ПЗС) и позволяет создавать устройства, обладающие более широким динамическим диапазоном и гораздо меньшим уровнем цифрового шума.

Источники света

Источник света, используемый в конструкции того или иного сканера, в немалой степени влияет на качество получаемого изображения. В настоящее время исполь­зуется четыре типа источников света.

1. Ксеноновые газоразрядные лампы . Их отличает чрезвычайно малое время прогрева, высокая стабильность излучения, небольшие размеры и долгий срок службы. Но, с другой стороны, они не очень эффективны с точки зрения соот­ношения количества потребляемой энергии и интенсивности светового потока, имеют неидеальный спектр (что может вызвать нарушение точности цветопе­редачи) и требуют высокого напряжения питания (порядка 2 кВ).

2. Люминесцентные лампы с горячим катодом . Обладают наибольшей эффек­тивностью, очень ровным спектром (которым к тому же можно управлять в определенных пределах) и малым временем прогрева (порядка 3-5 с). К не­достаткам можно отнести не очень стабильные характеристики, довольно боль­шие габариты, относительно небольшой срок службы (порядка 1000 ч) и необ­ходимость держать лампу постоянно включенной в процессе работы сканера.

3. Люминесцентные лампы с холодным катодом . Имеют очень большой срок службы (от 5 до 10 тыс. ч), низкую рабочую температуру, ровный спектр (кон­струкция некоторых моделей ламп с холодным катодом оптимизирована для повышения интенсивности светового потока, что негативно сказывается на спектральных характеристиках). За перечисленные достоинства приходится расплачиваться довольно большим временем прогрева (от 30 с до нескольких минут) и более высоким, чем у ламп с горячим катодом, энергопотреблением. В настоящее время люминесцентные лампы с холодным катодом используются в подавляющем большинстве моделей планшетных сканеров и МФУ.

4. Светодиоды (LED) . Применяются в ряде моделей протяжных, планшетных и слайд-сканеров. Светодиоды обладают очень малыми габаритами, небольшим энергопотреблением и не требуют времени для прогрева. Обычно используют­ся трехцветные светодиоды, с большой частотой меняющие цвет излучаемого света. Однако светодиоды имеют довольно низкую (по сравнению с газоразряд­ными и люминесцентными лампами) интенсивность светового потока, что приводит к снижению скорости сканирования и увеличению уровня цифрово­го шума в получаемом изображении. Весьма неравномерный и ограниченный спектр излучения неизбежно влечет за собой ухудшение цветопередачи.

Словом сканер (scan - внимательно просматривать, пробегать глазами) обозначается широкий класс устройств, к которым относятся не только рассматриваемые в этой статье продукты для создания цифровых копий изображений, но и…

Основа любого сканера - светочувствительный ПЗС-датчик. Свет, излучаемый модулем подсветки, отражается от оригинала (или проходит сквозь него, если оригиналы прозрачные) и попадает на элементы ПЗС-датчика.

Практически все сканеры оснащаются линейным датчиком, состоящим из большого количества чувствительных ячеек, и сканируют изображение построчно. Датчик перемещается вдоль изображения, экспонируя строки пикселов один за другим.

Глубина передачи цвета и динамический диапазон

Каждый пиксел изображения описывается лишь одной характеристикой - уровнем напряжения на ПЗС-элементе, пропорциональном интенсивности попавшего на него света. Сигнал с ПЗС-датчика поступает на АЦП и преобразуется в цифровую форму - разрядность АЦП определяет точность, с которой будет оцифровано изображение.

Очевидно, что чем выше разрядность АЦП, тем большее количество оттенков может передать сканер. Однако на практике использование АЦП с разрядностью, превышающей 10 бит, чаще всего не оправдано: во-первых, большинство прикладных программ позволяет обрабатывать изображения с максимальной глубиной цвета 8 бит на канал (о разделении цветов см. ниже), а, во-вторых, в большинстве сканеров применяются недорогие ПЗС-датчики, соотношение сигнал-шум которых не достаточно велико. В современных сканерах глубина дискретизации от 8 до 12 бит.

Нередко при оценке точности передачи полутонов используют такую характеристику, как динамический диапазон (диапазон плотности). Динамический диапазон оригинала определяется как десятичный логарифм отношения интенсивностей падающего и отраженного (или прошедшего насквозь в случае прозрачных оригиналов) света. Типичный диапазон плотности типографского отпечатка на мелованной бумаге -- 1,9, фотоотпечатка - от 2,2 до 2,4, негатива или слайда - от 2,8 до 3,2.

Диапазон плотностей для сканера соответственно будет равен (без учета уровня шума) десятичному логарифму отношения уровня белой и черной точек D=log(2n), где n – глубина дискретизации в битах. Несложно посчитать, что динамический диапазон 8-бит сканера который составит 2,4, 10-бит - 3,0. Хотя это теоретические максимальные значения (реальный динамический диапазон несколько у’же) сравнение с диапазонами плотности наиболее распространенных оригиналов (журнальных полос и фотографий) показывает, что для их сканирования достаточно и 8-бит сканера. Кроме того, необходимо учитывать, что многие сканеры, заявленные как 30- и даже 36-бит, передают в ПК лишь 24-бит изображение - «лишние» биты используются электроникой сканера для промежуточных преобразований изображения.

Разрешение, шаг дискретизации

Наиболее важная характеристика сканера, как и любого оптического прибора, - максимальное разрешение, измеряемое предельным числом линий (точек) на единицу длины, которые могут быть распознаны этой оптической системой. Однако следует учитывать, что изготовители сканеров подменяют понятия, называя разрешением иную характеристику - шаг дискретизации.

Так как число и плотность размещения элементов ПЗС-датчика фиксировано, именно оно определяет максимальное количество точек изображения на единицу площади оригинала. В современных сканерах встречаются ПЗС-датчики с 300, 600, 1200 и даже 2400 элементами на дюйм - это позволяет изготовителям говорить о «разрешении» 300, 600, 1200 и 2400 точка/дюйм.

Однако на реальное разрешение сканера оказывают влияние многие другие факторы, такие, как качество оптической системы и подсветки, уровень шума ПЗС-датчика, взаимные наводки его элементов, точность механизма позиционирования и др. Поэтому на практике реальное разрешение сканера заметно меньше плотности размещения элементов ПЗС-датчика. Сегодня судить о качестве сканера по заявленному изготовителем «разрешению» сложно: например, величина 1200 точка/дюйм может быть указана как для недорогого офисного сканера, так и для полупрофессиональной модели. Реальное разрешение может быть установлено только путем испытаний, для которых необходимы специальные эталонные оригиналы.

Часто изготовители прибегают к еще одной хитрости, связанной с шагом дискретизации, указывая такие значения, как 600х1200 точка/дюйм - вторая бо’льшая величина трактуется ими как «разрешение по вертикали». На самом деле к разрешению она имеет еще меньшее отношение, поскольку отражает способность шагового двигателя и привода сканирующей головки позиционировать ПЗС-датчик с соответствующей точностью. При этом сканирование с шагом дискретизации 1200 точка/дюйм не даст сколько-нибудь серьезных преимуществ над установкой 600 точка/дюйм - промежуточные значения получаются путем интерполяции реальных.

Таким образом, заявленное изготовителем «разрешение», как правило, указывает на поколение ПЗС-датчика и уточняет классификацию аппарата, однако делать на его основе выводы о качестве конкретной модели чаще всего нельзя.

Светочувствительный датчик

В настоящее время применяются два варианта конструкции датчика - датчики с оптическим уменьшением (Optical Reduction Sensor, ORS) и контактные датчики (Contact Image Sensor, CIS). В первом случае между сканируемым объектом и датчиком располагается оптическая система (линза), проецирующая изображение оригинала на ПЗС-линейку. Изображение на датчике более мелкое - это важно, так как размер самой ПЗС-линейки, как правило, меньше линейных размеров оригинала. Кроме того, применение оптической системы минимизирует потери отраженного света и обеспечивает хорошее качество сканирования - это главное достоинство сканеров, построенных по схеме с оптическим уменьшением. Система с оптическим уменьшением обеспечивает большую глубину резкости, что позволяет сканировать рельефные оригиналы и даже «фотографировать» небольшие предметы. Однако ORS-сканеры обычно имеют большие размеры и массу - расстояние от ПЗС-датчика до оригинала не может быть меньше фокусного расстояния применяемой линзы, и блок, объединяющий датчик и линзу, достаточно громоздок. Чаще всего схему с оптическим уменьшением применяют для создания планшетных, пленочных и барабанных сканеров (о типах сканеров ниже).

В CIS-сканерах ширина датчика равна ширине сканируемой области, он расположен на минимальном расстоянии от сканируемого объекта и отделен от него стеклом (хотя существуют CIS-сканеры, в которых датчик непосредственно касается оригинала). Конструкция сканирующего модуля сложнее: на нем, кроме чувствительных элементов, размещена и подсветка (как правило, светодиодная), а так как размеры чувствительных элементов значительно меньше размера сканируемого участка изображения, над каждым расположена линза, фокусирующая световой поток. Тем не менее из-за отсутствия оптических элементов с большим фокусным расстоянием в целом такой модуль получается компактным, и CIS-сканеры имеют преимущество по габаритам и массе. CIS-датчики применяются чаще всего в протяжных сканерах, ориентированных на сканирование несброшюрованных документов, но существуют и планшетные модели с контактными датчиками.

Подсветка и цветоделение

ПЗС-датчик позволяет регистрировать только уровень интенсивности света, а не его частоту, иными словами, получаемое им изображение монохромно. Для восстановления из него цветного изображения необходимо выполнить цветоделение. Существует множество схем цветоделения, но все их можно разделить на три группы: с применением фильтров, с изменением цвета подсветки и с разделением луча.

Светофильтры

Наиболее простая и потому распространенная технология - применение цветных фильтров (обычно это красный, синий и зеленый фильтры (RGB), но встречаются модели и с большим количеством опорных цветов, обеспечивающие лучшую цветопередачу), располагаемых между датчиком и сканируемым объектом. В первых цветных сканерах фильтры менялись вручную, позже этот процесс был автоматизирован, но сканирование все равно занимало много времени - каждая линия экспонировалась трижды (сканирование в три прохода с одной экспозицией на каждом). Помимо большого времени сканирования, трехпроходная схема с применением фильтров имела и другие недостатки: для хранения промежуточных изображений требовались емкие многомегабайтные буферы, сложно было обеспечить полную неподвижность оригинала между проходами и точность позиционирования датчика на каждом проходе. Кроме того, светофильтры существенно уменьшают интенсивность светового потока (иногда на них теряется до 80-90% света), а некоторые преобразования изображения могли быть выполнены только после окончания всех трех проходов. Совершенствование технологии автоматической смены фильтров позволило выполнять сканирование в один проход с троекратным экспонированием каждой линейки пикселов. Такой метод цветного сканирования наиболее прост, недорог и поэтому применяется в большинстве современных сканеров.

Основного недостатка сканеров с автоматической сменой фильтров лишены OCCF-устройства (On-Chip Color Filter - цветной фильтр на датчике). В них ПЗС-датчик оснащается не одной, а тремя линейками элементов, каждая из которых имеет собственный светофильтр. Хотя каждая точка по-прежнему экспонируется трижды (для каждого из основных цветов), конструкция датчика позволяет сканировать изображение за один проход. OCCF-сканеры не лишены некоторых недостатков, наиболее заметные из которых - возможность появления артефактов цвета при неравномерном перемещении сканирующей головки, а также низкое качество сканирования рельефных объектов (это объясняется тем, что на разные ПЗС-линейки свет падает под разным углом).

Источники света

Другой способ разделения цветов -- применение нескольких цветных источников света. Такой подход позволяет избежать падения интенсивности света при прохождении светофильтра (как было сказано выше, такое падение может быть весьма существенным) и несколько увеличить скорость сканирования благодаря отсутствию механического блока смены фильтров. Кроме того, при сканировании монохромного изображения могут быть включены все источники света одновременно - увеличение светового потока благоприятно сказывается на качестве сканирования.

Сканирование может проходить как за три прохода - изображение сканируется полностью при свете каждого источника, так и за один. В последнем случае для каждой линии изображения по разу включается каждый источник света. Однопроходный способ сканирования не дает существенного выигрыша во времени сканирования, поскольку каждая линия по-прежнему экспонируется три раза и, кроме того, к времени сканирования добавляются накладные расходы на включение-выключение источников, но зато он гарантирует отсутствие артефактов цвета в результирующем изображении, появляющихся при трехпроходном сканировании из-за неточности позиционирования сканирующей головки.

Необходимо отметить, что в качестве источников света можно использовать как привычные лампы с холодным катодом (флуоресцентные или ксеноновые), так и светодиоды, которые имеют некоторые преимущества - они компактны, потребляют меньше электроэнергии и дешевле. А главное, для получения окрашенного света от лампы нередко применяют светофильтры, что сводит на нет преимущества в интенсивности светового потока - в случае со светодиодами такой проблемы нет.

Использование цветной подсветки для цветоделения имеет ряд существенных минусов. Применение нескольких газонаполненных ламп делает конструкцию громоздкой, тяжелой и менее надежной. Использование же светодиодов хотя и предлагает определенные преимущества, но отрицательно сказывается на качестве цветопередачи - дело в том, что спектры излучения светодиодов очень узкие, спектры светодиодов разных цветов практически не перекрываются, и в результате мощность излучения в областях спектра между опорными цветами оказывается столь мала, что часть информации о цвете теряется.

Разделение пучка

Наиболее совершенный способ цветоделения - разделение пучка полного спектра белого света на хроматические составляющие. При использовании датчика с тремя ПЗС-линейками это позволяет сканировать изображение за один проход и при единственной экспозиции. Разделение пучка предоставляет такие преимущества, как быстрое и качественное сканирование цветных изображений (какие-либо артефакты или искажения цвета исключены), максимальный световой поток при сканировании монохромных изображений. Серьезных недостатков у таких систем нет, если, конечно, не считать чрезвычайную сложность оптической системы (она состоит из нескольких линз, зеркал, фильтров и чрезвычайно требовательна к точности позиционирования сканирующей головки) и соответственно высокую стоимость этого типа сканеров.

Сканер – очень полезное изобретение ХХ века. Во время огромного круговорота различной документации сканер используется очень широко в офисах и в домашних условиях. Вообще сканером называют устройство, которое позволяет переносить информацию или изображения, расположенные на поверхности, в цифровой формат. Процесс преобразования информации называется сканированием. Этот процесс довольно непростой. Наверное, многим становилось интересно, как работает сканер. Попробуем же разобраться в этом замысловатом механизме в данной статье.

Технические принципы работы сканера

Оптика сканера состоит из зеркал и объектива. Источник света посылает световые лучи на оригинал, который необходимо получить на экране компьютера. После этого свет, отразившись, попадает на ту самую оптику. В результате этого получается электрический сигнал, который содержит информацию об активности цвета в точке сканируемого изображения. Далее цветовой сигнал поступает через аппаратный интерфейс на компьютер, на котором информация расшифровывается специальной программой, которая работает со сканером.

Информация полностью показывается на экране компьютера. Чтобы еще лучше понять, как работает сканер, нужно разобраться в устройстве этого механизма. Самой главной деталью устройства можно назвать считывающую головку, которая двигается вдоль и поперек изображения. На этой головке находится фотоприемник. Известны два типа фотопринимающей матрицы.

• Одна из них – ПДС-матрица (прибор с зарядовой связью), которая состоит из множества датчиков, преобразующих падающий на них свет
• Другая – КДИ-матрица (контактный датчик изображения). В КДИ-сканерах используются светодиоды, причем в сканировании цветного изображения обязательно наличие трех светодиодов на пиксел.

Как сканер передает информацию

Сейчас со сканированием сталкиваются абсолютно все. Например, на кассе супермаркета сканируют штрих-код, нанесенный на пачку товара, и на экране появляется наименование с ценой и суммой покупки. А все же интересно, как работает сканер штрих-кода, как ему удается передать такую информацию на экран.

Штрих-кодовые сканеры бывают светодиодными, лазерными и имидж-сканеры. В светодиодных устройствах светоизлучающим элементом является светодиод. Считывается информация ПЗС-матрицей. Также используются лазерные устройства, которые более удобные.

Имидж-сканеры – пик моды. Они самые надежные, быстрые, качественные и ударостойкие. Также они способны считать любой штрих-код. В штрих-коде закладывается информация о продукте, а при направлении светового луча она считывается и преобразуется на экран компьютера или другого устройства. Принцип работы таких сканеров такой же, как и у обычных. Однако, вся сложность заключается в том, что сканируется не сама информация, которая расположена на оригинале, а зашифрованная информация в специальные коды.

Подписка на новости

Подписаться

Вступление

Конструкция абсолютно любого устройства, в особенности, если оно (устройство) включает в себя как электронные, так и механические элементы, может показаться неосведомленному человеку кладезем тайн и загадок, в которых ой как трудно разобраться самому. Планшетные сканеры – как раз такой вариант. При первом рассмотрении устройство сканера не кажется каким-то уж особо сложным: корпус с немногочисленными разъемами и парочкой кнопок, съемная крышка планшета, да стекло, на которое кладутся оригиналы для сканирования. Но вот как "хозяйство" работает, и что обозначают цифры его спецификации – это уже, как говорится, совершенно другая песня. Чтобы научиться ориентироваться в многочисленных моделях сканеров, представленных сегодня на компьютерном рынке, нужно представлять себе реальное значение указываемых производителями характеристик. Но чтобы данная статья была более познавательной, разберем конструкцию сканера, как говорится, в буквальном смысле слова "разберем".
Начнем, пожалуй, с самого важного элемента любого сканера – светочувствительной матрицы, являющейся как бы его "глазами".

Да. Именно 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. С другой стороны, можно взять любой процессор, преобразователь или усилитель, осветить их самым ярким источником света и ожидать какой-либо реакции столь долго, пока не надоест. Результат заранее известен – он будет нулевой, ибо никакие другие электронные компоненты сканера к нему не чувствительны. Если угодно, все они незрячи от рождения. Другое дело – матрица. Световой поток, падая на ее поверхность, 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. А дальше… Дальше электроны будут представлять собой цифровую информацию, обработкой которой займутся другие специалисты. Работа над воссозданием изображения больше не требует помощи матрицы.
Но оставим общие рассуждения. Давайте рассмотрим практическую сторону дела. Большинство современных сканеров для дома и офиса базируются на матрицах двух типов: на CCD (Charge Coupled Device) или на CIS (Contact Image Sensor). Сей факт порождает в умах пользователей два вопроса: в чем разница и что лучше? Если разница заметна даже невооруженным взглядом – корпус CIS-сканера плоский, в сравнении с аналогичным CCD-аппаратом (его высота обычно составляет порядка 40-50 мм), то ответить на второй вопрос гораздо сложнее. Ответ здесь нужно аргументировать, чтобы избежать лавины порождаемых вопросов типа "а чем он лучше?", "а почему он лучше?".
Для начала давайте рассмотрим основные достоинства и недостатки этих двух классов сканеров. Для удобства я свел их в небольшую табличку:


CCD-сканер обладает большей глубиной резкости, нежели его CIS-собрат. Достигается это за счет применения в его конструкции объектива и системы зеркал.

На рисунке, для простоты восприятия, нарисовано лишь одно зеркало,
тогда как у типового сканера их не менее трех-четырех

Сканеры с CCD-матрицей распространены гораздо больше, чем CIS-аппараты. Объяснить это можно тем, что сканеры в большинстве случаев приобретаются не только для оцифровки листовых текстовых документов, но и для сканирования фотографий и цветных изображений. В этом плане, пользователю хочется получить скан с наиболее точной и достоверной цветопередачей, а в аспекте светочувствительности CCD-сканер гораздо строже передает цветовые оттенки, света и полутона, нежели CIS-сканер. Отмечу, что погрешность разброса уровней цветовых оттенков, различаемых стандартными CCD-сканерами составляет порядка ±20%, тогда как у CIS-аппаратов эта погрешность составляет уже ±40%.

Схематическое представление CIS-сенсора

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.

Самый важный элемент сканера – CCD-матрица

На приведенной выше фотографии вы видите CCD-матрицу, которая 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.

Вид сбоку на CCD-матрицу

На виде сбоку можно заметить два обычных винта, которые выполняют "деликатную" роль". С их помощью на этапе сборки сканера производилась точная юстировка матрицы (обратите также внимание на П-образные прорези в печатной плате на виде сверху), чтобы падающий на нее отраженный свет от зеркал ложился бы равномерно по всей ее поверхности. Кстати, в случае перекоса одного из элементов оптической системы воссозданное компьютером изображение окажется "полосатым".

Увеличенное изображение части CCD-матрицы (макросъемка
произведена цифровым фотоаппаратом Canon EOS D60)

На увеличенной фотографии CCD-матрицы достаточно хорошо видно, что CCD-матрица оснащена собственным RGB-фильтром. Именно он и представляет собой главный элемент системы разделения цветов, о чем многие говорят, но мало кто представляет, как на самом деле это работает. Обычно, многие обозреватели ограничиваются стандартной формулировкой: "стандартный планшетный сканер использует источник света, систему разделения цветов и прибор с зарядовой связью (CCD) для сбора оптической информации о сканируемом объекте". На самом деле, свет можно разделить на его цветовые составляющие, а затем сфокусировать на фильтрах матрицы. Столь же немаловажным элементом системы разделения цветов является объектив сканера.

Объектив сканера на самом деле не так велик, как кажется на
фотографии

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.

Расположение основных функциональных узлов сканера

Немаловажным элементом корпуса является транспортный фиксатор, наличие которого призвано уберечь сканирующую каретку от повреждений при транспортировке сканера. Необходимо помнить, что перед включением любого сканера, оснащенного таким фиксатором, нужно осуществить его разблокировку. В противном случае, можно повредить механизмы аппарата. В принципе, производители акцентируют внимание покупателей на этот небольшой нюанс яркими наклейками с соответствующими предупреждениями.
Некоторые полагают, что уж корпус-то никак не может влиять на качество сканирования. Однако это далеко не так. Дело в том, что оптическая система сканера не терпит пыли, поэтому корпус аппарата должен быть герметичным, без каких-либо щелей (даже технологических). Мне не раз попадались модели, которые таким требованиям не соответствовали. Если вам предстоит покупка сканера, то я порекомендовал бы обратить на это внимание.
Также при покупке сканера обратите внимание на возможность отделения крышки планшета. Такое свойство аппарата особенно полезно при сканировании таких оригиналов, как толстые книги или журналы.
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. Также обратите внимание на наличие разметки по периметру планшета.

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".

Кнопки быстрого сканирования – элемент, без которого можно обойтись

На приведенной выше фотографии видно, что каждой кнопке соответствует определенный значок. Типовые функции быстрого старта обычно подразумевают запуск стандартной операции сканирования, с выводом на принтер, с последующей отправкой по электронной почте, по факсу и т.п. Понятно, что для той или иной кнопки заданы конкретные параметры качества сканирования. Впрочем, нажатие на ту или иную кнопку сначала приводит к запуску на компьютере приложения (если таковых несколько), отвечающего за вызываемую операцию. Замечу, что далеко не все SOHO-сканеры снабжены собственным блоком управления, а в профессиональных аппаратах такие элементы отсутствуют и подавно.
Некоторые производители "грешат" тем, что исключают из драйвера сканера ряд настроек, которыми, по их мнению, не пользуются большинство рядовых пользователей. Так, например, в SOHO-сканерах Hewlett-Packard отсутствует возможность изменения gamma-коррекции, загрузки ICC-профилей и многого другого. Зато именно Hewlett-Packard как никто другой любит "баловать" пользователей наличием ряда кнопок быстрого сканирования.

Об источниках света

Абсолютно в каждом сканере используется свой осветитель. Так называется небольшой и мощный модуль, в задачу которого входит включение и выключение лампы сканера (или того, что эту лампу заменяет). В CIS-сканерах в качестве источников света применяют светодиодную линейку, за счет чего данный класс аппаратов потребляет так мало энергии.
В CCD-сканерах оригиналы стандартно освещает люминесцентная лампа с холодным катодом. Ее свет в тысячи раз ярче светодиодов. Но для того чтобы вызвать свечение газа внутри лампы нужно подать на ее вход очень высокое напряжение. Его вырабатывает отдельный блок, называемый инвертором.

Высоковольтный модуль необходим для питания лампы

Инвертор повышает напряжение с пяти Вольт до нескольких киловольт, а также преобразует постоянный ток в переменный.

Вообще различают три главных вида ламп, использующихся в сканерах:

ксеноновая газоразрядная лампа (Xenon Gas Discharge);
флуоресцентная лампа с горячим катодом (Hot Cathode Fluorescent);
флуоресцентная лампа с холодным катодом (Cold Cathode Fluorescent)

Однако в сканерах для дома и офиса по ряду причин используются лишь лампы с холодным катодом.

Лампа с холодным катодом

Лампа сканера закреплена на пластмассовом шасси сканирующей каретки непосредственно над отражателем. Сам отражатель имеет форму рефлектора (эффективного "собирателя" и отражателя света) в форме увеличительного зеркала. Свет от него усиливается, чтобы ярко осветить объект на планшете. Отразившись от оригинала на стекле, свет проходит сквозь щель шасси (на фотографии ее контур я выделил голубым цветом) и принимается первым, самым длинным зеркалом оптической системы.
Среди очевидных преимуществ лампы с холодным катодом можно отметить большой срок службы, который составляет 5 000 – 10 000 часов. По этой причине, кстати, в некоторых сканерах не используются отключение лампы после завершения операции сканирования. Кроме этого, лампы не требуют какого-то дополнительного охлаждения и очень дешевы при производстве. Из недостатков отмечу очень медленное включение. Типовое время разогрева лампы от 30 секунд до нескольких минут.
Лампа оказывает важное воздействие на результат сканирования. Даже при небольшом уходе характеристик источника света изменяется и падающий на приемную матрицу отраженный от оригинала световой поток. Отчасти поэтому и нужно столь длительное время разогрева лампы перед сканированием. Замечу, что некоторые драйверы позволяют уменьшить время разогрева, если качество оцифровки не так важно (например, при сканировании текстовой информации). Добавлю, чтобы как-то скомпенсировать уход характеристик лампы (а это неизбежно происходит при длительной эксплуатации аппарата), сканеры автоматически выполняют процедуру самокалибровки по черно-белой мишени, располагающейся внутри корпуса.

На фотографии хорошо заметно, как под воздействием света с течением
времени тускнеет корпусная пластмасса и калибровочная мишень

Исследуемый сканер не исключение. На приведенной фотографии хорошо видна цветовая мишень, по которой сканер подстраивает цвета перед сканированием, компенсируя "старение" лампы. Здесь видно также и то, что с течением времени тускнеет не только перманентно освещаемая лампой внутрикорпусная пластмасса, но и сама калибровочная мишень. Это, в свою очередь, приводит к уходу цветов и увеличению цветовых искажений.

Лампа с холодным катодом чем-то напоминает лампу дневного
света… только маленькую


При желании из инвертора и лампы с холодным катодом можно
соорудить настольную лампу

На фотографии вы видите нецелевое использование лампы сканера. ;) Модуль инвертора был подключен к стандартному компьютерному блоку питания, для чего к его плате были подпаяны проводки с переходничком. В принципе, если сюда приспособить какой-нибудь держатель, то выйдет довольно-таки неплохая и яркая настольная лампа.

Работа АЦП

Кто помогает процессору сканера "найти общий язык" с матрицей? Конечно же, аналого-цифровой преобразователь, занимающийся переводом аналоговых сигналов в цифровую форму. Этот интересный процесс можно представить следующим образом. Сначала АЦП как бы "взвешивает" входное напряжение, напоминая продавца в магазине, подбирающего набор стандартных гирек того же веса, что и товар. Затем, когда напряжение измеряно, АЦП представляет данные своему "боссу", то бишь процессору, но уже в виде цифр. И в результате все довольны.
Можно представить себя в роли процессора и поинтересоваться, что же происходит на выходе АЦП, при смене входного напряжения? Подадим, к примеру, на вход преобразователя 4 Вольта, потом 9 Вольт. На его выходе появятся следующие вариации цифр: сначала 00000100, затем 00001001. В двоичном коде это цифры 4 и 9. Количество же нулей и единиц, которыми АЦП выражает измеренное значение – это его разрядность, которая измеряется в битах. Такой параметр, как разрядность преобразователя крайне важен для сканера, ведь он характеризует точность измерения входного сигнала.
Сегодня на прилавках магазинов можно увидеть недорогие сканеры, в которых работают преобразователи с разрядностью от 24 до 48 бит. Теоретически всегда лучше выбирать сканер, у которого разрядность больше. При этом следует учитывать одну тонкость: иногда производители крупно пишут на коробках "48 bit", а где-нибудь в уголке мелким шрифтом уточняют: "software 48 bit, hardware 36 bit". Это означает, что большая красивая цифра не имеет ничего общего к точности установленного в сканере АЦП, а реальная разрядность в этом случае составляет 36 бит. Именно на нее и следует ориентироваться. Следует признать, что в домашней практике различия между результатами работы 36-ти и 42-х-битных сканеров практически незаметны (человеческий глаз способен различить примерно 24 бита цветовых оттенков, т.е. около 16,7 млн.). В нашем случае, разрядность преобразователя и глубина цвета – это одно и то же. Ведь преобразователь рассчитывает не что иное, как цвета точек, из которых складывается изображение. Чем больше разрядность преобразователя, тем достовернее сканер может передать цвет каждой точки изображения. Соответственно, тем больше изображение будет походить на оригинал.

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".

В нашем случае интерфейсная плата сочетает SCSI- и USB-порты, а также
располагает двумя гнездами для подключения дополнительных модулей

SCSI (Small Computer Systems Interface)

Сканеры с интерфейсом SCSI были наиболее распространены несколько лет назад. Надо признать, что эра SCSI-сканеров подходит (или уже подошла) к концу. Основная причина – появление высокоскоростных интерфейсов USB и FireWire, не требующих ни особой деликатности при подключении, ни дополнительных адаптеров. Среди достоинств SCSI-интерфейса можно выделить его высокую пропускную способность, а также возможность подключения до семи различных устройств на одну шину. Из основных недостатков SCSI – высокую стоимость организации интерфейса и необходимости задействования дополнительного контроллера.

USB (Universal Serial Bus)

Интерфейс USB получил самое широкое распространение благодаря его интеграции во все современные системные платы в качестве основного разъема для периферийных устройств. Сегодня абсолютное большинство сканеров для дома выпускается именно с USB-интерфейсом. Кроме того, группа CIS-сканеров получает необходимое питание по USB-порту, чем привлекает владельцев портативных компьютеров. Согласитесь, такое качество не реализуешь посредством SCSI.

FireWire (IEEE1394)

При выборе типа подключения, по крайней мере, для меня FireWire-интерфейс является более предпочтительным. FireWire представляет собой последовательный высокоскоростной интерфейс ввода/вывода, отличаясь от USB тем, что для обеспечения соединения он не требует управляющего контроллера. Организация его работы выполнена по схеме peer-to-peer. Собственно за счет этого и достигается более низкая (в сравнении с USB) загрузка центрального процессора.
В скором времени свет увидят периферийные устройства с новой модификацией этого интерфейса – FireWire 800 (IEEE1394b). Именно тогда он станет самым скоростным среди периферийных стандартов, которые когда-либо были разработаны.

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.

Место крепления ремня к сканирующей каретке




Элементы протяжного механизма

За плотный контакт ремня с шестеренками отвечает специальная натяжная пружина, которая надевается непосредственно на него. Лафет со сканирующей кареткой перемещается по направляющим салазкам, вдоль корпуса аппарата (см.фото).

Двигатель

Шаговый 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.

Дополнительные устройства

Для многих планшетных сканеров выпускаются сопутствующие дополнительные приспособления, в большинстве случаев приобретаемые отдельно. Из таковых можно отметить автоподатчик документов и адаптер для сканирования прозрачных оригиналов (слайд-адаптер).

Сканер с автоподатчиком документов представляет собой громоздкую
конструкцию

Автоподатчик бумаги требуется в тех случаях, когда приходится сканировать множество печатных листов стандартного формата. Удостовериться, что к вашему сканеру можно подключить автоподатчик достаточно просто. Для этого можно просто взглянуть на панель подключений и убедиться в наличии гнезда ADF (Automatic Document Feeder). Следует заметить, что автоподатчик документов всегда "привязан" к конкретной модели сканера, либо к серии моделей. Универсального податчика не существует! Причина заключается в том, что данное устройство управляется с интерфейсной платы сканера. Понятно, что работа податчика невозможна при отсутствии связи со сканером, поэтому при покупке будьте внимательны, и удостоверьтесь, что ваш сканер поддерживает работу с конкретным автоподатчиком.

Вид на прозрачное окошко автоподатчика документов с другой
стороны стекла

Работает автоподатчик следующим образом. После этапа автокалибровки и проверки готовности сканер позиционирует каретку перед прозрачным окном автоподатчика. Затем, с его входного лотка поочередно забираются листовые оригиналы, и при проходе через означенное окно они оцифровываются.
Слайд-адаптер представляет собой дополнительное приспособление, предназначенное для оцифровки прозрачных оригиналов (пленок, слайдов и негативов). Существуют два типа таких адаптеров: пассивный, который использует лампу сканера, и активный, просвечивающий прозрачный оригинал собственной лампой.
Активный слайд-адаптер оснащен собственным источником света, просвечивающим прозрачный оригинал. Некоторые модели таких слайд-адаптеров имеют подвижную каретку с источником света, которая приводится двигателем и протяжным механизмом. Источник света перемещается вдоль направляющей, согласно позиционирования каретки сканера. Собственная лампа сканера при этом отключается. Сегодня более распространены модели сканеров для дома и офиса без подвижных частей в модуле слайд-адаптера. Типичный пример – не так давно протестированный нашей тестовой лабораторией EPSON Perfection 3200 Photo . Его источник света встроен в крышку сканера и занимает всю ее полезную поверхность. Для согласования адаптера со сканером из крышки выходит провод с разъемом, подключающийся к специальному гнезду на задней панели аппарата (оно обозначается аббревиатурой XPA). Активизация лампы адаптера происходит автоматически при смене типа оригинала в управляющей программе, что дополнительно сообщается индикатором в крышке сканера. Прозрачные оригиналы устанавливаются в прилагаемые в комплекте шаблоны, которые поддерживают: ленту 35 мм пленки из 12 кадров, четыре 35 мм слайда вставленных в рамки, пленки 120/220 (6 х 9 см) / 4 х 5"". Ну а сами шаблоны кладутся на стекло сканера. Во время сканирования, поток света проходит сквозь прозрачный оригинал, и, попадая на вход оптической системы сканера, обрабатывается аналогичным (как и непрозрачный оригинал) образом. Понятно, что такие свойства сканера, как оптическое разрешение и глубина света при использовании слайд-адаптера не меняются, чего не скажешь о диапазоне оптических плотностей. Этот параметр сканера напрямую зависит от яркости источника света и времени экспонирования. Представить это можно так: чем темнее оригинал, тем меньше света он пропускает, тем дольше нужно времени, чтобы накопители CCD-матрицы собрали нужное количество заряда. Самый темный из прозрачных оригиналов – это рентгеновские пленки (до 3.6D). Чтобы получить с них качественный скан, нужен яркий источник света. Однако диапазон воспроизводимых оптических плотностей сканера отнюдь не определяется только лишь яркостью лампы. Главным образом он зависит от разрядности (или точности) аналого-цифрового преобразователя, качества оптической системы и способностей светочувствительной матрицы.
Пассивный слайд-модуль устроен проще, нежели активный. Такой адаптер использует в качестве источника света лампу самого сканера. Интенсивность светового потока в этом случае существенно ниже, чем в случае с активным адаптером. Соответственно, ниже и качество отсканированных изображений, которое вполне приемлемо, к примеру, для Web. Пассивные слайд-адаптеры также отличаются невысокой ценой.

Заключение

В общем-то, о сканере, как о сложнейшем электронном приборе можно рассказывать довольно долго, но все равно в рамках одной статьи невозможно передать всех интересных нюансов. Сегодня мы выяснили следующее: по каким причинам CCD-сканеры оцифровывают оригиналы гораздо качественнее, чем аппараты с контактным сенсором; почему важна разрядность преобразователя, и чем отличается оптическое разрешение от механического; какие бывают источники света и как они влияют на качество сканирования; как осуществляется взаимодействие электронных и механических частей сканера, и почему слайд-адаптеры подходят далеко не всем аппаратам. В общем, я постарался как можно в более доступной форме рассказать об особенностях современных SOHO-сканеров, и мне будет небезынтересно узнать ваше мнение об этой статье.

Сканером называется устройство, позволяющее вводить в компьютер в графическом виде текст, рисунки, слайды, фотографии и др. На рис. 2.11 изображена общая схема устройства сканера. Свет, идущий от источника освещения, попадает на оригинал в определенной точке. Отразившись от него, свет попадает на оптическую систему сканера. Она состоит из зеркал и объектива (иногда роль оптической системы может играть просто призма). Оптическая система фокусирует свет на фотопринимающем элементе, роль которого - преобразо­вание интенсивности падающего света в электронный вид.

Принцип работы сканера состоит в следующем: в результате преобразования света получается электрический сигнал, содержащий информацию об активности цвета в исходной точке сканируемого изображения. После оцифровки аналогового сигнала в АЦП цифровой сигнал через аппаратный интерфейс сканера идет в компьютер, где его получает и анализирует программа для работы со сканером. После окончания одного такого цикла (освещение оригинала - получение сигнала - преобразование сигнала - получение его программой) источник света и приемник светового отражения перемещается относительно оригинала.

Основной деталью планшетного сканера является считывающая головка, двигающаяся вдоль сканируемого изображения. Важнейшей частью считывающей головки является фотоприемник. На сегодняшний день наиболее распространены два типа фотопринимающей матрицы: ПЗС-матрица (прибор с зарядовой связью, в английских обозначениях - CCD, Couple-Charged Device) и КДИ-матрица (контактный датчик изображения, в английских обозначениях - CIS, Contact Image Sensor).

Основой элемента ПЗС-матриц является фототранзистор, выполненный по технологии МОП (металл-оксид -полупроводник). ПЗС-матрица состоит из множества миниатюрных датчиков, преобразующих падающий на них свет в пропорциональный его интенсивности электрический заряд. Эта технология используется и во многих других приборах для считывания изображений, от мощнейших телескопов до приборов ночного видения.

Данному виду фотоэлементов присущи свои преимущества и недостатки. Среди преимуществ ПЗС необходимо отметить следующие:

• Высокая чувствительность . Квантовая эффективность ПЗС чрезвычайно высока и может достигать 95%. Для сравнения, квантовая эффективность человеческого глаза - около 1%, лучшие фотоэмульсии имеют квантовую эффективность до 3%, фотоэлектронные умножители (светоприемники в барабанных сканерах) - до 20%. Квантовая эффективность определяет способность светоприемника переводить свет в электрические сигналы, то есть выражает эффективность перевода попавших на него квантов (частиц света) в электрический сигнал.
• Широкий спектральный диапазон . ПЗС может реагировать на свет, начиная от гамма- и рентгеновского излучения и заканчивая инфракрасным излучением. Такого диапазона не дает на текущий момент ни одна из матричных технологий.

Принципиального различия между КДИ- и ПЗС матрицами нет. КДИ-сканеры отличаются от ПЗС-сканеров тем, что в них матрица растянута на всю ширину рабочей области, поэтому полностью отсутствует оптическая система.

В КДИ-модификациях сканеров источник освещения заме­няется светодиодами . При этом для цветного сканирования возникает необходимость в трех светодиодах на пиксел, в соответствии со стандартным разложением цвета RGB. Зеркала и объектив в КДИ-сканерах не представлены, так как эта технология обеспечивает прямую проекцию полной повер­хности рабочей области прямо на считывающую матрицу.

Излучение, идущее от светодиодов, отражается от оригинала и, пройдя через линзу, фокусируется на датчике изобра­жения. Датчик изображения - фототранзисторы, сделанные на основе МОП –технологии (аналогично ПЗС). В результате получается аналоговый сигнал, который усиливается в видеоусилителе и идет в АЦП.

Отсутствие оптической системы в таком сканере налагает свои ограничения на такую технологию. Если, например, полный датчик изоб­ражения длиной 216 мм (формат А4) состоит из 54 меньших датчиков, каждый из которых имеет 96 светочувствительных элементов (одно из лучших значений), то в результате получится 24 элементов на миллиметр, что в пересчете на дюймы дает 600 элементов на дюйм.

Для сканирования полноцветного изображения используются три светодиода на один элемент датчика: красный, зеленый и синий, - которые при сканировании включаются по очереди.

В основном положительные стороны КДИ-сканеров объясняются отсутствием оптической системы. Однако в целом они достаточно поверхностные, и большинство из них не связаны с качеством изображения. В этом отношении ПЗС-сканеры явно выигрывают в следующем.

Лучшая глубина резкости. Глубина резкости КДИ-ска­неров ±0,3 мм, тогда как для сканеров с ПЗС она равна ±3 мм. Это означает, что трехмерные предметы, находящиеся на расстоянии 3 мм от общего уровня, будут нормально отсканированы ПЗС-сканером, а изображение, полученное КДИ-сканером, будет нерезким и размытым. На практике такими предметами зачастую являются развернутые толстые книги.

Дольше срок службы. Сканер на основе ПЗС обеспечивает стабильное и неизменное качество в течение 10 000 часов работы, тогда как у КДИ-сканеров после 500 ча­сов работы происходит падение яркости на величину до 30%.

Лучшая чувствительность к оттенкам. ПЗС-сканеры различают уровни оттенков с погрешностью ±20%, в то время как КДИ сканеры - ±40%. Соответственно, передача деталей у ПЗС-сканеров будет значительно лучше.

Меньшая чувствительность к посторонней засветке. Это преимущество связано с тем, что ПЗС-линейка невелика по длине, и благодаря системе зеркал «лишний» свет на нее не проецируется. В КДИ-сканерах линейка значительно больше, оптическая система практически отсутствует, поэтому любое лишнее освещение сразу зна­чительно влияет на результат сканирования.

Разрешение устройства сканера. Максимальное разрешение профессиональных ПЗС-сканеров на данный момент - 3000 ppi, тогда как для КДИ-сканеров верхний предел - 600 ppi.

Характеристики сканеров

* Цветность сканера . Сканеры делятся на цветные, черно-белые (полутоновые) и штриховые черно-белые.

* Разрешение сканера (resolution) - это совокупность параметров, характеризующих минимальный размер деталей изображения, который сканер в состоянии считать.

Для любого сканера независимо от его типа важно разрешение , которое он поддерживает. Оно может колебаться от 100-150 dpi до нескольких тысяч dpi. Наибольшее оно у барабанных сканеров, немного меньше у планшетных. Планшетные сканеры обычно имеют разрешение не менее 300 dpi, обычно около 600. У хороших планшетных сканеров эта цифра может достигать 1200, 2400 dpi или даже больше (до 4000-6000 dpi). А вот у ручных и роликовых оно обычно около 150-300.

Разрешение должно соответствовать задачам, для которых предназначен сканер. Для того, чтобы сканировать фотографии и сохранять их в виде рисунков, чтобы потом посматривать на мониторе, вполне достаточно и 300 точек на дюйм. Для распознавания текста больше 600 тоже не нужно. Если вы хотите сканировать для того, чтобы потом сделать копию на принтере, то, каково бы высоко ни было разрешение у сканера, все упрется в то разрешение, с каким способен печатать принтер.
Разрешение делят на оптическое, механическое и интерполяционное.

Оптическое разрешение (optical resolution) характеризует минимальный размер точки по горизонтали, которую сканер в состоянии распознать. В сканерах, использующих для считывания цветовой информации матрицу (например, планшетных или листопротяжных), эта характеристика определяется отношением количества элементов в линии матрицы к ширине рабочей области. Для других типов сканеров (барабанный) она ограничивается возможностями фокусировки света на фотопринимающем элементе.

Механическое разрешение (mechanical resolution) - количество шагов, которое делает сканирующая каретка, деленное на длину пройденного ею пути. Поскольку на каждом шаге происходит считывание информации матрицей, этот параметр определяет минимальный размер точки по вертикали, которую сканер может распознать. Иногда механическое разрешение тоже называют оптическим, но это неверно, Например, если для какой-либо модели сканера указано оптическое разрешение 300х1200 ppi, то оптическим разрешением будет 300 ppi, а механическим - 1200 ppi. Обычно механическое разрешение в два раза больше оптического, встречаются и модели, в которых оно в четыре раза больше или, напротив, они равны. Ввиду того, что ПЗС-матрица не может сканировать с разрешением по горизонтали больше оптического, для добавления недостающих точек пользуются математические методы интерполяции (иначе вертикальный размер любого отсканированного квадрата получился бы больше горизонтального).

Интерполяционное разрешение - искусственно увеличенное с помощью математических методов разрешение. Программа, входящая, в комплект поставки сканера, пытается довести изображение до этого разрешения путем добавления недостающих точек (например, при реальном разрешении 3х3 программа выдает 9х9). Этот параметр не имеет ничего общего с реальными физическими параметрами ска­нера и может характеризовать только программу обработки изображения.
ПРИМЕЧАНИЕ. Разрешение сканера обычно измеряется в пикселах на дюйм (ppi, pixelperinch). Измерять данный параметр в точках на дюйм (dpi. dotsperinch) в принципе неверно, так как под dpi подразумевается фактиче­ское разрешение принтера, а это несколько иное понятие. Обычно принтер для получения одного цветного пиксела отпечатывает не­сколько точек, и каждая из них отвечает за свою составляющую цвета. Эти точки находятся очень близко, что создает эффект одного пиксела нужного цвета: они как бы сливаются. Соответственно, dpi подразуме­вает количество составляющих цвет точек на дюйм. Под ppi подразуме­вается именно количество полноцветных пикселов на дюйм.

* Разрядность (глубина цвета) - параметр, характеризую­щий количество цветов или оттенков серого (в зависимос­ти от цветности сканера). Разрядность означает, сколько бит используется сканером для представления цвета одной точки изображения. Различают разрядность внешнюю и внутреннюю. Внутренняя разрядность - это количество бит, представляющих точку для внутренних операций в сканере (то есть до прохождения сигналом АЦП и преобразования в цифровой вид). Внешняя разрядность определяет битность цвета после прохождения сигнала через АЦП. Внешняя разрядность сканеров составляет обычно 8 бит (256 оттенков серого) для полутоновых сканеров и 24 бита (по 8 бит на составляющую, итого 16,77 млн. цветов) - для цветных сканеров. Внутренняя разрядность обычно не меньше, а больше внешней. Дополнительные биты во внутренней разрядности (если они есть) используются для улучшения точности цветопе­редачи и снижения влияния искажений на цвет.

* Рабочая область сканера - максимальный формат документа, который сканер в состоянии обработать. Формат за­висит от конструкции и области применения сканера. Так, формат документа для листопротяжных и ручных сканеров ограничен только по ширине. Обычные домашние и офисные сканеры чаще всего соответствуют форматам А4 и принятому на Западе формату Legal. Профессиональные модели могут иметь фиксированные размеры, приспособленные для конкретных оригиналов (например, слайд-сканер 35-миллиметровой пленки), или просто иметь большой формат - до АО.

* Динамический диапазон - еще одна цветовая характеристи­ка. «Качество» отражения света любым оригиналом выражает оптическая плотность. Она вычисляется как десятичный логарифм отношения светового потока, падающего на оригинал, к световому потоку, отраженному от оригинала (для непрозрачных оригиналов) или прошедшему сквозь него (для негативов или слайдов). Оптическая плотность измеря­ется в OD (Optical Density), или просто D, и может меняться в диапазоне от 0,0 D для абсолютно белого (прозрачного) цвета до 4,0 D для идеально черного (непрозрачного) цвета.
Поскольку речь идет о логарифме, например, 2,0 D и 3,0 D будут различаться не на 25%, а в 10 раз. Оптические плотности для некоторых видов оригиналов приведены в табл. 1.
Диапазон оптических плотностей сканера говорит о том, какие из цветов оригинала еще будут распознаны, а какие - уже нет, то есть будут восприняты либо как полностью белые, либо как абсолютно черные.

Диапазон оптических плотностей включает в себя две характеристики: Dмин и Dмакс. Первая, Dмин - такая оптическая плотность оригинала, ниже которой сканер будет считать оригинал идеально белым. Соответственно, Dмакс - такая оптическая плотность оригинала, выше которой сканер будет считать оригинал абсолютно черным. Сам диапазон представляет собой разность Dмин – Dмакс. Диапазон оптических плотностей сканера зависит от качества и разрядности АЦП и фотоэлементов, а также от алгоритма работы контроллера сканера. В табл.2. указаны типичные динамические диапазоны для распространенных видов сканеров.

* Скорость сканирования - параметр, отражающий время, за которое будет отсканирован тот или иной документ. На са­мом деле эта характеристика не может иметь какого-либо значения, так как зависит от быстродействия компьютера, объема его оперативной памяти, от аппаратного интерфейса и т. д. Поэтому быстродействие сканера можно оценивать только для конкретного рабочего места. Иногда этот параметр указыва­ется в характеристиках сканера в миллисекундах на линию.

* Аппаратный интерфейс сканера (интерфейс передачи данных) обеспечивает обмен информацией между сканером и компьютером. От него зависит скорость передачи данных между компьютером и сканером. Эта характеристика может быть очень важна, если есть необходимость в высоком качестве отсканированных фотографий (или каких-либо других графических материалов). Например, для стандартной цветной фотографии размером 10х15 см, отсканиро­ванной с разрешением 720 ppi при разрядности цвета 24 бит (True color), потребуется около 40 Мбайт дискового про­странства. Соответственно, если скорость передачи данных между сканером и компьютером низка, то и ждать результата придется очень долго. Поэтому интерфейс передачи данных по важности ставится наравне с такими характеристиками, как разрешение и глубина цвета. Сейчас на рынке представлены сканеры с пятью типами интерфейсов:

1. Интерфейс LPT (стандартный параллельный порт Centronics). Этот интерфейс один из самых медленных, но и наиболее прост при установке сканера. Иногда встречаются улучшенные варианты - с поддерж­кой (или даже требованием) ЕРР/ЕСР. В таком случае могут возникнуть проблемы с установкой, так как не все компьютеры оборудованы такими портами. Ска­неры с интерфейсом LPT практически всегда имеют «сквозной порт», то есть сканер не монопольно использует LPT-порт, оставляя возможность подключения еще одного устройства (обычно этим устройством бывает принтер).

2. Собственный интерфейс. Его еще иногда называют ISA. Такой интерфейс реализуется в виде отдельной карты, с которой может работать сканер. Такие карты для каждой модели сканера уникальны, из-за чего могут возникнуть проблемы при замене.

3. SCSI-интерфейс - один из наиболее скоростных вариантов интерфейса передачи данных. Однако, если в комплекте со сканером не поставляется SCSI-карта, то могут возникнуть проблемы совместимости с другим контроллером SCSI. Меньше всего проблем создают контроллеры Adaptec. Если в комплект по­ставки сканера включена своя карта, то подключение и использование сканера не вызовут проблем, однако не факт, что другие SCSI-устройства смогут быть установлены на этот контроллер (например, из-за отсутствия или несовместимости драйверов).

4. Интерфейс USB - преемник LPT-интерфейса. Сто­имость USB-сканера ниже, а производительность этого интерфейса - значительно выше, чем для параллельного порта, однако не на всех компьютерах есть поддержка USB.

5. Интерфейс PCMCIA (PC card) - интерфейс для ра­боты с портативными компьютерами.

Пример характеристики сканера класса SOHO (Small Office, Home Office) Agfa Scan:

ПЗС: цветная, 5100 элементов. Сканирование производится по технологии ПЗС (CCD), причем линейка ПЗС - цветная. Количество элементов - стандартное для сканера такого класса (для профессиональных сканеров сейчас - 8640 элементов).
Проходов: 1 (трехпроходные сканеры сейчас практически отсутствуют на рынке).
Формат в отраженном свете: 216х297 мм(8”)х11,7”).Формат несколько больше А4 (210х297 мм). Форматы рабочей области сканеров могут варьироваться, но почти всегда они лежат близко к какому-либо стандартному фор­мату.
Оптический диапазон: 1,8D. Довольно низкий диапазон, но для домашнего использования вполне пригоден.
Глубина цвета: 36 бит. Здесь указана внутренняя разряд­ность. Внешняя почти всегда равна 24 битам для совмести­мости с программным обеспечением.
Скорость сканирования: серый -3,7 мс/линия, цвет - 11,1 мс/линия. Эта характеристика не имеет практического значения, так как здесь не учитывается время передачи дан­ных по интерфейсу и производительность компьютера, от которой тоже зависит скорость считывания.
Интерфейс: USB.
Размеры: ширина 330 мм, высота 105 мм, глубина 450 мм. Вес: 4 кг.
Лампа: cold cathode, автоматическое отключение. Лампа - с холодным катодом, после некоторого времени бездействия отключается для экономии электроэнергии.
Готовность к работе: - Под готовностью сканера к ра­боте подразумевается время его «нагрева» после включения. Данный сканер не требует времени для прогрева.
Температура: 10-40 °С; влажность: 20-85%. Характерис­тики окружающей среды, при которых сканер будет нормально работать. Если предполагается использовать сканер в каких-либо нестандартных условиях, на этот параметр следует обратить внимание.
Совместимость: Windows 98, MacOS on the iMac. На совместимость тоже необходимо обратить внимание, так как от нее строго зависят рамки совместимости. Например, драйверы сканера, работавшие под Windows 98, могут отказаться работать под Windows ME.