Автоматизация производственных процессов

Рис.5 Схема проекционного сканера для работы с непрозрачным оригиналом

В некоторых  моделях проекционных сканеров свет через линзу освещает оригинал целиком, а отраженный свет фиксируется с  помощью ПЗСматрицы. Подобная конструкция сканера позволяет избежать влияния внешних возмущений и добиться более высокого качества сканированных изображений. Максимальный размер оригинала может быть до 300 x 400 см.

Класс проекционных слайдовых сканеров определяется максимальным размером оригинала, с  которым он может работать. Если сканеры среднего класса предназначены для обработки 35миллиметровых негативных и позитивных пленок, то устройства высокого класса могут выполнять сканирование прозрачных оригиналов cредних (6 x 7 см, 2_1/4 x 2_1/4 и 4 x 5 дюймов) и больших форматов до (42 x 52 см).

Оптическое  разрешение слайдовых сканеров составляет от 2000 до 5000 dpi в зависимости от класса устройства. Слайдовый сканер во многом напоминает планшетный. Различие состоит лишь в том, что слайдсканер фиксирует образ сканируемого изображения в проходящем свете, а соответственно источник света, оригинал и фотоприемник в нем имеют другое взаимное расположение. Для фиксирования цвета и уровней серого в слайдсканерах используются либо наборы линеек ПЗС, либо матрицы ПЗС (рис. 6).

Рис 6 Схема проекционного слайдового сканера с матрицей ПЗС-датчиков 

В некоторых  сканерах для повышения отношения  «сигнал/шум», характеризующего качество считывания информации, применяются  дополнительные компенсационные методы, например более яркие источники  света.

Оптическая  плотность цветных слайдов и  диапозитивов обычно находится в  пределах от 2,8 до 3,0. Поэтому динамический диапазон слайдовых сканеров высокого класса должен быть не менее 3,0. Для  кодирования цвета используются 8,14 и даже 16 бит на канал.

Проекционные  сканеры обладают следующими достоинствами:

• удобство позиционирования оригинала. Непрозрачный оригинал располагается лицевой стороной вверх, что облегчает процедуру его выравнивания. На подставке сканера, как правило, имеются специальные направляющие, которые можно использовать для точного позиционирования оригинала;
• небольшая занимаемая площадь. Проекционные сканеры занимают на рабочем столе лишь чуть больше места, чем сканируемый объект;
• разнообразие сканируемых непрозрачных оригиналов. Не помещающийся на подставке оригинал можно сканировать по частям. Этот процесс реализуется даже проще, чем в случае использования планшетного сканера, поскольку видно, какие части оригинала уже отсканированы;
• возможность пакетного автоматического сканирования слайдов.

К недостаткам  проекционных сканеров следует отнести  сложность сканирования переплетенных  оригиналов. В отличие от планшетных сканеров, где книга удерживается в развернутом виде за счет прижима  крышкой, в проекционных сканерах ее необходимо расположить лицевой стороной вверх и прижать стеклом или специальным держателем. [4]

Технические параметры

Основные  технические параметры сканеров:

• разрешение (разрешающая способность);
• глубина цвета;
• порог чувствительности;
• динамический диапазон оптических плотностей;
• максимальный формат сканирования;
• коэффициент увеличения.

Важными характеристиками сканера, определяющими  область его применения, являются режимы сканирования, тип механизма  сканирования оригиналов и некоторые другие технические данные.

Разрешение. Разрешение (разрешающая способность) — величина, характеризующая количество считываемых элементов изображения на единицу длины. Обычно размерность этой величины указывают в точках на дюйм. Различают физическое (аппаратное) разрешение и интерполяционное разрешение сканера.

Физическое  разрешение характеризует конструктивные возможности сканера в дискретизации изображения по горизонтали и вертикали. Горизонтальное оптическое разрешение планшетных (плоскостных) сканеров, имеющих фиксированное фокусное расстояние, определяется как отношение количества отдельных светочувствительных элементов в линейке (или линейках) фотоприемника к максимальной ширине рабочей области сканера. Высокое значение оптического разрешения достигается за счет увеличения плотности регистрирующих элементов или одновременного использования нескольких фотоприемников. В последнем случае отдельные части вводимого изображения объединяются автоматически или вручную. Расстояние, на которое с помощью шагового механизма смещается сканирующая головка, определяет разрешающую способность сканера по вертикали. Разрешение вводимого изображения в вертикальном направлении определяет скорость перемещения фотоприемника относительно оригинала (или наоборот). При уменьшении разрешения увеличивается скорость сканирования.

В проекционных сканерах, оптическое разрешение обычно выражается в общем числе точек  в снимке, поскольку степень детализации  зафиксированного изображения зависит  от удаленности объекта сканирования от регистрирующей камеры. Оптическое разрешение барабанных сканеров зависит от характеристик шагового двигателя и апертуры объектива, а также от яркости используемого источника света и максимальной частоты вращения барабана.

Во многих сканерах предусматривается возможность программного повышения разрешения — интерполяции. Однако это не повышает степени детализации представления изображения, а лишь понижает его зернистость. При интерполяции сканер считывает с оригинала графическую информацию на пределе своего физического разрешения и включает в формируемый образ изображения дополнительные элементы, присваивая им усредненные значения цвета соседних, реально считанных точек. Применение интерполяции в некоторых случаях позволяет добиваться хороших результатов: сглаживаются границы растровых объектов и четче прорабатываются мелкие детали.

Глубина цвета — это количество битов, которые сканер может назначить при оцифровывании точки. При сканировании считывается аналоговый сигнал, характеризующий значение оптической плотности изображения. Аналоговый сигнал (рис. 7 а) может принимать значения из диапазона допустимых величин. Сигнал, преобразованный в цифровой эквивалент, является дискретным по множеству принимаемых значений (рис. 7 б). Для 8разрядного преобразования (2⁸) таких значений всего 256 (рис. 7 в), для 12разрядного (2¹²) — 4096, для 16разрядного (2¹⁶) — 65 536. Во всех случаях преобразование аналогового сигнала в цифровую форму дает ошибку округления, составляющую иногда половину веса младшего разряда, называемую шумами квантования.

Следует отметить, что в некоторых сканерах используются 10битовая (1024 уровня серого), 12битовая (4096 уровней серого) или даже 16битовая шкала градации яркости. Однако программы обработки изображений оперируют только 8разрядными данными. Преимущество этих сканеров заключается в снижении шумов квантования.

Рис. 7 Сигнал (пример), характеризующий распределение оптической плотности в точках (x) линии сканирования 

Порог чувствительности. При полутоновом сканировании яркость каждой точки может принимать одно из множества возможных значений (градаций яркости), а при бинарном — только одно из двух. В бинарном режиме сканер преобразует данные путем сравнения их с определенным порогом (уровнем черного). Поскольку сканер способен различать оттенки серого, следует установить порог чувствительности таким образом, чтобы сканер мог произвести классификацию элементов изображения на черные и белые. Яркость каждой точки полутонового 8битового изображения выражается числом от 0 до 255 (0 — белый, 255 — черный). Чтобы преобразовать полутоновое изображение в бинарное, сканер должен «знать» уровень (число), выше которого точка считается белого цвета (0), а ниже — черного (1). Этот уровень и называется порогом чувствительности.

Динамический диапазон (диапазон оптической плотности) сканера характеризует его способность различать переходы между смежными тонами на изображении. Понятие оптической плотности D используется для характеристики поглощательной способности непрозрачных (отражающих) оригиналов и степени прозрачности прозрачных оригиналов и выражается через десятичный логарифм:

,

где  — коэффициент пропускания материала (изображения на прозрачной основе) (рис. 8а), характеризующий его способность поглощать световой поток ;  — коэффициент отражения (рис. 8б), характеризующий способность материала (изображения на непрозрачной основе) отражать световой поток ;  — соответственно световой поток, прошедший материал, и световой поток, отраженный от материала.

Оптической плотности D = 0,05 соответствуют значения или ; D = 1 соответствуют значения и ;  

Рис. 8 Определение оптической плотности: а — изображение на прозрачной основе; б — изображение на непрозрачной основе

Из-за несовершенства оптической системы сканера и нелинейности спектральной характеристики фотоприемника значения параметров реальных устройств сканирования всегда ниже теоретически возможных. На практике динамический диапазон сканера определяется как разность между оптической плотностью самых темных Dmax и самых светлых Dmin тонов, которые он может реально различать. Максимальная оптическая плотность оригинала характеризует наиболее темную область оригинала, распознаваемую сканером, более темные области воспринимаются сканером как абсолютно черные. Соответственно минимальная оптическая плотность оригинала характеризует наиболее светлую область оригинала, распознаваемую сканером, — более светлые области воспринимаются сканером как абсолютно белые.

Чем шире динамический диапазон сканера, тем больше градаций яркости он сможет распознать и соответственно тем больше зафиксировать деталей изображения. Практически невозможно получить цифровое изображение с плотностью тона, превышающей 4,0. Видимо, исходя из этого, диапазон оптических плотностей сканера часто ограничивают именно этим значением.

Область сканирования определяет максимальный размер оригинала в дюймах или в миллиметрах, который может быть сканирован устройством. Иногда используется также термин максимальный формат.

Коэффициент увеличения показывает (обычно в процентах), во сколько раз можно увеличить изображение оригинала в процессе сканирования. В зависимости от типа и класса сканера требуемый коэффициент увеличения либо определяется автоматически, либо устанавливается пользователем вручную перед сканированием. В автоматическом режиме драйвер сканера вычисляет требуемое входное разрешение, учитывая размер оригинала и выбранный коэффициент увеличения. Существует математическая зависимость разрешающей способности R в точках на дюйм (dpi), с учетом которой необходимо сканировать оригинал для получения заданного качества: R=LKM,

где L — линиатура полиграфического растра, с которым будет производиться дальнейшая печать (lpi); М — коэффициент масштаба; К — так называемый коэффициент качества, значение которого лежит в пределах от 1,5 до 2.

Технология сканирования определяется количеством, типом и параметрами используемых фотоприемников (фотоэлектрических преобразователей).

В современных  сканерах применяются в основном фотоприемники двух типов: фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и приборы с зарядовой связью (ПЗС). Иногда применяются фотодиоды (ФД).

Фотоэлектронные умножители в качестве светочувствительных  приборов используются в барабанных сканерах. ФЭУ усиливают свет ксеноновой или вольфрамовогалогенной лампы, промодулированный изображением, который с помощью конденсорных линз или волоконной оптики фокусируется на чрезвычайно малой области оригинала. Фототок, возникающий в фотоэлементе под воздействием света, прямо пропорционален интенсивности падающего на него светового потока. Особенность ФЭУ как фотоприемника заключается в том, что благодаря системе динодов коэффициент пропорциональности удается увеличить в миллионы раз (до восьми порядков). Спектральный диапазон ФЭУ для полиграфических целей также безупречен, поскольку он полностью перекрывает видимый спектр световых волн.

Датчик  на основе ПЗС состоит из множества  крошечных светочувствительных  элементов, которые формируют электрический  заряд, пропорциональный интенсивности падающего на них света. В основу работы ПЗС положена зависимость проводимости pnперехода полупроводникового диода от степени его освещенности. В одной линейке ПЗС может быть от нескольких сотен до нескольких тысяч фоточувствительных ячеек. Размер элементарной ячейки ПЗС является критичным параметром, так как от него зависит не только разрешающая способность сканера, но и максимальная величина удерживаемого заряда, а следовательно, и динамический диапазон устройства. Увеличение разрешающей способности сканера приводит к сужению его динамического диапазона. Хотя и считается, что спектральный диапазон ПЗС может перекрывать весь видимый спектр, но, как и у большинства полупроводниковых фотоприемников, синяя область спектра для них труднодоступна, а наибольшая чувствительность наблюдается ближе к красной области.

ПЗС используют в основном в планшетных и проекционных сканерах.

Механизм сканирования оригиналов. Устройство сканера во многом определяется применяемым в нем фотоприемником. Профессиональные сканеры, предназначенные для использования в системах допечатной подготовки изданий, можно классифицировать следующим образом: