Цифровое оборудование

Главная > Как устроен компьютер > Как устроен сканер >
Меню:

Как устроен сканер

Если уж мы рассматриваем вопрос «может ли компьютер мыслить», то совершенно логично было бы рассмотреть вопрос о том, может ли компьютер видеть? И если может, то как? На сегодняшний день существует три основных способа, реализовать компьютерное зрение, обладающих разными принципиальными особенностями.

Первый способ – цифровая фотография. Ее основная особенность в том, что она позволяет получить цифровое изображение сразу, за один прием, сохранить его, и при этом это изображение является статическим. Для получения изображения таким способом необходимо, чтобы количество светочувствительных элементов датчика изображения равнялось количеству пикселей, из которых будет состоять полученное изображение, и чтобы все они работали одновременно. В силу технологических особенностей цифровая фотография позволяет получать изображения ограниченного разрешения.

Второй способ компьютерного зрения – цифровая видеозапись. В этом случае, результатом служит не одно цифровое изображение, а серия изображений, получаемых с равным интервалом. Видеозапись позволяет зафиксировать не только статический вид объекта, но и его изменение во времени. Технологически, цифровая видеозапись возможна с меньшими разрешениями, чем фотосъемка, и чем меньше временной интервал между кадрами, тем меньшее разрешение можно получить. Существуют видеокамеры, позволяющие получать более миллиона кадров в секунду, и такие камеры используются для изучения быстротекущих физических процессов.

Третий способ реализации компьютерного зрения позволяет получать изображения максимального разрешения, которое может составлять несколько сотен мегапикселей и более. Принципиальных ограничений на размер цифрового изображения в этом случае не существует, однако чем большее разрешение изображения мы хотим получить, тем больше времени на это потребуется. Суть этого способа состоит в перемещении светочувствительного датчика, либо группы датчиков, по изображению и последовательная оцифровка его участков. Этот принцип называется сканированием изображения.

Принцип сканирования в той или иной степени применяется в любых устройствах получения цифрового изображения, включая фотоаппараты и видеокамеры. Однако если фотоаппараты и видеокамеры можно рассматривать как отдельные классы цифровых устройств, то все остальные устройства, в которых цифровое изображение получается в результате сканирования, безусловно, следует отнести к одному общему классу устройств, называемых сканерами. В результате этого возникает великое разнообразие всевозможных типов сканеров.

Самый распространенный тип сканеров, известный каждому – планшетные сканеры. Планшетные сканеры представляют собой поверхность, обычно форматом чуть больше обычного листа бумаги. Изображение на листе бумаге, размещенной на этой поверхности, сканируется специальным датчиком. Датчик изображения способен одновременно считывать одну строку пикселей поперек листа бумаги. Датчик перемещается вдоль листа бумаги, считывая строку за строкой. Строки пикселей, по мере считывания, передаются в компьютер, где и складываются в целое изображение.

По конструкции современные планшетные сканеры бывают двух основных видов. Сканеры, построенные по традиционной схеме, в качестве датчика изображения используют одну линейную светочувствительную матрицу. Эта матрица представляет собой микросхему с прозрачным корпусом, внутри которой расположена линейка светочувствительных элементов. Такая линейка имеет ширину в три пикселя для цветных матриц, и в один пиксель для черно-белых матриц. В цветных матрицах три линии шириной в один пиксель покрыты светофильтрами трех основных цветов, соответственно красного, зеленого и синего. В черно-белых матрицах светофильтры отсутствуют. По длине линейка состоит из разного количества пикселей, например для планшетных сканеров с разрешением 1200 dpi, в линейке должно быть более 10000 пикселей. Физическая длина этой линейки составляет около 22 мм. Изображение с листа бумаги проецируется на эту линейку при помощи специальной оптической схемы. На расстоянии 10-15 мм от линейной матрицы расположен объектив. Для того, чтобы при помощи объектива спроецировать изображение с листа бумаги шириной 22 см на светочувствительную линейку шириной 22 мм, расстояние от бумаги до объектива должно быть в 10 раз больше, чем от объектива до матрицы, соответственно, 10-15 см. Чтобы эта конструкция не была слишком большой, оптическая ось объектива расположена горизонтально, а изображение проецируется через систему зеркал. Такие сканеры еще называют сканерами зеркально-линзового типа. Оптическое разрешение таких сканеров представляет собой отношение ширины бумаги к количеству пикселей светочувствительного элемента.

Оптическая схема зеркально-линзового сканера.

Оптическая система такого сканера выполнена в едином корпусе и перемещается вдоль листа бумаги. Для перемещения служит шаговый двигатель, управляемый встроенным микрокомпьютером сканера. При разрешении 1200 dpi оптическая система должна перемещаться с шагом величиной примерно 2 сотых миллиметра. Однако шаговый двигатель может перемещать ее и с меньшим шагом. В этом случае, вдоль листа бумаги можно получить и большее разрешение. Но если сделать это без изменения разрешения матрицы, изображение вытянется. Для сохранения пропорций изображения, разрешение поперек листа бумаги также придется увеличить, но уже программным путем, за счет интерполяции.

Помимо собственно сканирования, изображение нужно освещать в процессе сканирования. Для этого служит длинная узкая лампа, размещенная на подвижной оптической системе в непосредственной близости от листа бумаги. Эта электролюминесцентная лампа имеет белый цвет свечения. Для получения постоянной интенсивности свечения лампы перед сканированием ее необходимо разогреть. После разогрева лампы встроенный микропроцессор сканера производит его калибровку путем сканирования специальной эталонной полоски белого цвета, закрепленной на внутренней стороне крышки сканера на краю стеклянной поверхности.

Планшетные сканеры зеркально-линзового типа имеют ненулевую глубину резкости. Это означает, что резким можно отсканировать как объект плотно прижатый к стеклу, так и объект находящийся в двух-трех сантиметрах от стекла. Причем объект, находящийся на расстоянии полуметра от стекла, будет конечно размыт, но и его контуры тоже будут вполне различимы. Поэтому если вы попытаетесь рассмотреть сканирующую систему в процессе сканирования, вы можете получить свой портрет, правда не очень резкий, но вполне узнаваемый.

На основе этого свойства планшетных сканеров, возник даже отдельный вид художественного творчества – сканограммы. Глубина резкости планшетных сканеров зеркально-линзового типа позволяет сканировать не только плоские, но и объемные предметы. Если помимо собственной лампы сканера использовать дополнительную внешнюю подсветку, можно получать довольно интересные и красивые изображения. В особенности, интересные изображения можно получать при сканировании различных камней и минералов, и осенних листьев. Кроме того, используя максимальное изображение сканера, таким же образом можно получать и увеличенные изображения предметов, т.е. по сути, осуществлять макросъемку. В общем, в этой области явно имеется определенное поле для фантазии и приложения творческих способностей.

Другой распространенный тип современных планшетных сканеров – сканеры с контактным датчиком изображения. Эта технология сканирования называется CIS (Contact Image Sensor). В сканерах этого типа светочувствительный элемент имеет ширину равную ширине листа бумаги и состоит из множества отдельных светочувствительных линеек. Каждая такая светочувствительная линейка имеет собственную фокусирующую линзу. Вся эта конструкция расположена в непосредственной близости от сканируемого изображения. За счет такого расположения, глубина резкости у сканеров этого типа существенно ниже, что может вызывать проблемы при сканировании документов, недостаточно плотно прилегающих к стеклу сканера, например раскрытых книг.

В большинстве случаев, применяемые в сканерах этого типа светочувствительные элементы не имеют светофильтров и не могут различать цвета. Для сканирования цветных изображений в таких сканерах используется подсветка светом трех основных цветов – красного, синего и зеленого. Так например, фирма Canon в своих сканерах использует технологию LIDE – LED InDirect Exposure. Суть этой технологии заключается в том, что трехцветные светодиоды, используемые в качестве источника света, освещают через призмы специальной формы световод, который собирает лучи в однородный пучок, равномерно освещающий сканируемый оригинал по всей ширине и фокусирующий свет на сканируемом изображении. Сканирование каждой строки пикселей осуществляется в три приема - сначала сканируется изображение с красной подсветкой, затем с зеленой, и затем с синей. 

Оптическая схема сканера с контактным датчиком изображения.

Основные достоинства планшетных сканеров с контактным датчиком изображения – небольшие габариты и малое энергопотребление. Отсутствие сложной оптической системы зеркал позволяет уменьшить толщину устройства в целом до трех сантиметров.

А отсутствие люминесцентной лампы подсветки позволяет уменьшить потребление электроэнергии до такого значения, при котором питание можно получать от USB порта компьютера, отказавшись от собственного источника питания.

Очень часто возникает потребность в сканировании не только бумажных документов и фотографий на бумаге, но и фотографий на пленке – слайдов и негативов. Для этого многие планшетные сканеры могут оснащаться встроенными, или приобретаемыми отдельно, слайд-модулями. Такой модуль позволяет сканировать пленку, но с разрешением, не превышающим разрешение сканера. Конечно, разрешение дорогого современного планшетного сканера формально может позволять сканировать и пленку. Если сканер обладает оптическим разрешением, к примеру, 4800 dpi, то короткая сторона кадра на пленке, имеющая размер как раз около дюйма, получится длиной около 4500 пикселей. Такое разрешение, вообще говоря, превосходит то разрешение, которое может обеспечить сама пленка. Однако для сканирования с таким разрешением необходима очень точная фокусировка, чего планшетные сканеры, как правило, не обеспечивают. Поэтому, какое бы не было разрешение планшетного сканера, сканировать на нем пленку с разрешением более 2000 dpi никакого смысла нет.

Для высококачественного сканирования фотопленок применяют специальные слайд-сканеры. Это менее распространенное и более дорогое устройство, чем обычные планшетные сканеры. В большинстве слайд-сканеров применяют светочувствительные датчики, аналогичные датчикам планшетных сканеров зеркально-линзового типа. Принципиальное отличие слайд-сканеров от планшетных сканеров состоит в том, что помимо разных размеров сканируемой области, в слайд-сканерах предусмотрена автоматическая фокусировка. Специальный шаговый электродвигатель может перемещать объектив и светочувствительный датчик, относительно пленки. Перемещение осуществляется под управлением встроенного микрокомпьютера по алгоритму, аналогичному алгоритму фокусировки цифрового фотоаппарата, для получения максимально резкого изображения.

Если при сканировании текстовых документов значение имеет в первую очередь разрешение сканера, то при сканировании фотографий и тем более фотопленок, не менее важную роль играет разрядность представления цвета и динамический диапазон.

Глубина цвета, или разрядность, характеризует количество бит, применяемых для хранения информации о цвете каждого пикселя. Черно-белые сканеры, как правило, имеют 8 разрядов, а цветные сканеры, как минимум, 24 разряда (по 8 бит на каждый цвет). Более дорогие и совершенные сканеры могут иметь разрядность 30 или 36 (по 10 или 12 бит на каждый канал). Существует внутренняя и внешняя разрядность представления цвета. Внутренняя разрядность говорит о том, сколько разрядов представления цвета используется при обработке изображения внутри сканера, а внешняя – сколько разрядов цвета передается из сканера в компьютер. Внутренняя разрядность может быть выше внешней, но решающее значение для последующей обработки фотоизображения имеет именно внешняя разрядность. Более дорогие и совершенные сканеры имеют внешнюю разрядность 30, 36, 42 бит или выше.

Диапазон оптических плотностей — это динамический диапазон сканера, который во многом определяется его разрядностью. Он характеризует возможность сканера правильно передавать детали изображения как в очень светлых, так и очень темных его участках. Динамический диапазон обозначается как D и измеряется по логарифмической шкале. Вообще говоря, чем больше значение этого параметра – тем лучше. Для сканирования непрозрачных оригиналов (фотографий на бумаге) обычно бывает достаточно динамического диапазона 2,6D. Сканирование фотопленок может требовать больших значений динамического диапазона, до 3,8D. 

Помимо уже описанных основных типов сканеров, существует множество других их разновидностей.

Барабанные сканеры - старшая ветвь сканеров,  обеспечивающая наилучшее качество и скорость сканирования. Оригинальное изображение закрепляется на барабане. При сканировании барабан вращается со скоростью около 1000 оборотов в минуту. Свет галогенной лампы концентрируется на микроточке оригинала, луч разделяется на три канала по числу основных цветов и передается на фотоэлектронный умножитель. По мере сканирования фотоэлектронный умножитель смещается вдоль оси барабана. Подсветка изображения может осуществляться как снаружи барабана, так и изнутри, что позволяет сканировать и прозрачные, и непрозрачные оригиналы. Благодаря такой системе на выходе сканера получается изображение высочайшего качества (свыше 10000 dpi при разрядности 48 бит). Такие устройства являются не только наиболее качественными, но и наиболее дорогими, стоимость такого сканера может составлять 20 000 долларов и более.

Книжные сканеры, по сути, представляют собой цифровой фотоаппарат, закрепленный на специальном штативе. Перед фотоаппаратом может располагаться раскрытая книга, или другой оригинал. Штатив может быть оборудован специальным устройством для автоматического переворачивания страниц. Такой сканер незаменим при необходимости сканирования книг в больших объемах, например в библиотеках. Стоимость такого сканера может составлять около 20 000 долларов.

Трехмерное сканирование – технология, имеющая огромное значение и очень много областей применения. Цифровая фотография, обычное сканирование, видеосъемка позволяют получать изображение объекта, но не дают никакого представления о его форме. В то же время, такая информация жизненно необходима практически в любых областях науки и производства. Поэтому построение трехмерных компьютерных моделей объектов и создание технологий для трехмерного сканирования предметов превратилось в отдельную и весьма развитую область компьютерной науки. Устройства, позволяющие получать трехмерную компьютерную модель объекта, называют трехмерными сканерами. Сегодня существует множество подобных устройств, использующих разные способы сканирования и позволяющих получать трехмерные модели самых разнообразных объектов – начиная от трехмерного сканирования человеческого лица и заканчивая трехмерным сканированием поверхности нашей планеты.

Ручные сканеры - устаревший тип сканеров. Имевшие в свое время широкое распространение и сравнительно низкую цену, эти устройства не позволяли получить качественное изображение хотя бы одной полной страницы текста. Оптическая система таких сканеров была похожа на оптическую систему обычных планшетных сканеров, а вот сам планшет и двигатель перемещения оптической системы отсутствовали. При сканировании сканер приходилось рукой перемещать по поверхности бумаги, что очевидно невозможно сделать равномерно и точно. Поэтому изображение, полученное таким сканером, практически всегда было искаженным.

Портативные сканеры. В поисках новых приложений для своей продукции производители стремятся сделать сканеры как можно меньшего размера. В результате возникло несколько разновидностей цифровых устройств, позволяющих сканировать различные документы. Во-первых, это построчные сканеры, напоминающие ручку. Проводя таким сканером по строчке текста как ручкой можно получить графическое изображение этой строчки и после обработки получить его текстовую форму. Такие сканеры не подходят для сканирования изображений, но в перспективе могут найти широкое применение не как самостоятельное устройство, а в качестве компонента мобильного телефона.

Другие портативные сканеры, также по форме напоминают ручку, только немного больше. Длина сканирующего элемента этого сканера соответствует ширине страницы, и проводя таким сканером по листу бумаги, можно получать его графическое изображение. Достоинство такого сканера состоит в том, что помимо небольших размеров, в нем предусмотрена внутренняя память для хранения изображений и питание от аккумуляторов. Но поскольку принцип его действия аналогичен старым ручным сканерам, получать с его помощью качественное изображение  вряд ли получится.

Самые большие из портативных сканеров имеют щель для бумажного документа и механизм его автоматической протяжки. Это позволяет получать более качественные изображения, но делает сканер уже не очень-то портативным. Кроме того, такой сканер не позволяет отсканировать документ, который по размерам не проходит в механизм протяжки.     

Не смотря на все усилия производителей по совершенствованию портативных сканеров, все их разновидности имеют мало шансов на выживание. Портативные цифровые фотоаппараты почти во всех случаях позволяют справиться с задачей сканирования в неподходящих условиях, но при этом представляют собой намного более универсальное устройство.

Протяжные сканеры, сканирующие отдельные документы при протяжке через сканирующий механизм, довольно редко встречаются в виде отдельного устройства, но присутствуют в составе любого факса. Кроме того, они выпускаются в виде приставок к принтерам и позволяют расширять их возможности.

Сканирующая доска. Эти устройства, имеют внешний вид аудиторной доски, но позволяют не только писать на ней, но и получать копию написанного в электронной форме. Такие устройства незаменимы при проведении конференций и других научных мероприятий, очень полезны и в повседневной учебной деятельности.

Сканеры штрих-кода мы видим каждый день при посещении любого современного супермаркета. Эти сканеры предназначены исключительно для одной задачи – организации учета товаров и других предметов при продаже, хранении и перемещении. На упаковке каждого товара имеется специальная наклейка со штрих-кодом, позволяющая легко ее отсканировать и преобразовать в код этого товара. Кассир, поднося наклейку к сканеру, автоматически получает из базы данных и видит на экране монитора наименование товара, его цену и другие характеристики.

Растровые электронные микроскопы, широко применяемые в научных исследованиях также можно отнести к сканирующим устройствам. В таких микроскопах сфокусированный пучок электронов последовательно сканирует поверхность изучаемого образца, а отраженное излучение регистрируется специальными датчиками, и передается в компьютер. В компьютере, таким образом, формируется увеличенное растровое изображение поверхности исследуемого предмета.

Широкое применение сканирующие устройства нашли и в медицине. Существует множество различных устройств, для сканирования внутренних органов человека при помощи безвредных ультразвуковых или магнитно-резонансных методов. Такие устройства незаменимы при диагностике многих различных заболеваний.

Автор текста - Молчанов Н.Н.
Дополнительно:
Разделы:
Мехмат
Как устроен процессор
Как устроен компьютер
Как устроен фотоаппарат
Фото-термины
Как починить фотоаппарат
Цифровое видео и ТВ
Электротехника и электробезопасность
Web
Мобильные устройства
Радиоэлектроника
Телефонная связь
Сети и сетевое оборудование
Программное обеспечение
Разное
Другие сайты:
Тойота-ФАК
Все об эксплуатации автомобилей марки "Тойота"
Фотобанк
Продажа высококачественных фотографий для полиграфии
Железная дорога
Коллекция масштабных моделей железнодорожного подвижного состава
Веб-камера
Веб-камера с возможностью управления установленная на 13-м этаже главного здания МГУ
МГУ в фотографиях
Большой архив фотографий главного здания МГУ
Отправить сообщение владельцу сайта можно здесь.