77148

Сканеры. Типы сканеров. Аппаратные интерфейсы

Реферат

Информатика, кибернетика и программирование

Сейчас ситуация очень изменилась и сканеры получили широкое распространение. Сканеры применяются в полиграфии и настольной издательской деятельности медицине. Существует большое количество сканеров разных типов но только некоторые из них применимы в САПР.

Русский

2015-02-01

166 KB

3 чел.

СКАНЕРЫ

Сканирование преобразует оригиналы текстовых и графических документов в цифровые данные с целью их использования на компьютерных рабочих станциях. Идея сканирования появилась в 80-е годы, но существующие сканирующие системы имели очень высокие цены на аппаратные средства, и жесткие ограничения в работе программного обеспечения и рабочих станций. Сейчас ситуация очень изменилась, и сканеры получили широкое распространение.

Появилась возможность сканирования старых чертежей и других документов с целью их дальнейшего использования в таких областях, как строительство, архитектура, машиностроение, судостроение, картография, аэрокосмическая промышленность, энергетика. Сканеры применяются в полиграфии и настольной издательской деятельности, медицине.

Сканирующие системы могут решать следующие задачи обработки сканированных изображений:

- хранение - сохранение файла изображения в состоянии "архивной готовности" на магнитном или оптическом диске

- редактирование - чистка изображения, добавление нового материала

- тиражирование - печать твердой копии растрового файла изображения.

Этот минимальный круг задач может быть существенно расширен.

Существует большое количество сканеров разных типов, но только некоторые из них применимы в САПР. Помимо сканеров формата А1 и А0, есть ручные, планшетные, слайдовые сканеры, сканер для апертурных карт, сканирующие головки. Некоторые из них производят только черно-белое изображение, другие - изображение в шкале серого, и лишь немногие - полноценное 24-битовое цветное изображение. Нужный вам тип устройства, его возможности и разрешение можно определить, зная, какого типа изображения вы намерены получать при сканировании и каким образом вы собираетесь использовать полученный электронный файл.

При выборе сканера, учитывают следующие характеристики:

- стоимость изделия;

- качество получаемых растровых изображений;

- набор функциональных возможностей, по которым оценивается возможность применения сканера для решения конкретных задач;

- величину эксплуатационных затрат, включающую расходы на обслуживание, амортизацию и потребление энергии;

- производительность;

- удобство работы, сервис.

Использованный здесь порядок характеристик является произвольным, поскольку их значимость каждый пользователь выбирает, руководствуясь собственными критериями.

При выборе сканера целесообразно проводить оценку на основании технических характеристик, приводимых в документации или проспектах. Однако для правильной интерпретации приводимых данных требуется понимание того, какие параметры действительно определяют качество получаемых результатов, а какие в основном служат для привлечения покупателя.

Аппаратные интерфейсы

В настоящее время большинство планшетных сканеров и сканеров большого формата используют для связи с компьютером интерфейс SCSI. Этот интерфейс имеет то преимущество, что его, при условии наличия соответствующего драйвера, поддерживает широкий ряд аппаратных платформ, будь то PC, Macintosh, или рабочие станции UNIX. Некоторые из сканеров большого формата и почти все РС -совместимые ручные сканеры используют платформозависимые ISA-интерфейсы, что исключает их использование на других платформах. Поэтому, если вы собираетесь приобрести не ручной, а какой-либо иной сканер, то выбирайте устройство со SCSI-интерфейсом, чтобы не ограничить себя и свой сканер каким-либо одним типом компьютера и архитектурой шины.

Программные интерфейсы

Поскольку Microsoft так и не представил стандартного формата драйвера для сканеров, производители аппаратных и программных средств рынка сканеров соединили свои усилия в создании собственного формата драйвера, Twain.

Twain разработан для ввода изображения от любого растрового источника: ручного сканера, слайдового сканера, цифровой фотокамеры и др. Это драйвер, при помощи которого любая, поддерживающая Twain, программа может импортировать растровые результаты. Стандарт Twain должен максимально упростить общение с любым устройством ввода изображения.

Пока драйверы Twain не доступны для сканеров большого формата, однако, если вы приобретаете ручной или планшетный сканер, то выбирать надо из тех, которые поддерживают интерфейс Twain. Этот стандарт наиболее распространен в среде Windows, однако спецификации Twain включают поддержку Макинтоша и расширяемы до поддержки других операционных систем, таких как UNIX и OS/2.

Цвет желаете?

Сканеры могут выводить три различных типа изображений. Для программ сканирования чертежей с целью архивации или конвертирования растра в вектор достаточно бинарных, или черно-белых, сканеры. Такие сканеры абсолютно не способны справиться с фотографиями и, естественно, являются самыми дешевыми из всех трех типов. Полутоновые сканеры могут сканировать как чертежи, так и фотографии, обычно производя либо 64 (4-бит), либо 256 (8-бит) оттенков серого. Некоторые сканеры (такие как рентгеновские сканеры) могут производить 12-битовую шкалу серого, где имеется большее число уровней для точного представления данных. Цветные сканеры способны на все вышеописанное, плюс цвет. Наиболее часто, особенно для настольных сканеров, это 24-битовый цвет, что дает палитру 16.4 млн. различных цветов. Считается, что такая палитра точно воспроизводит "реальный" цвет. Это также означает, что изображение может быть очень большого размера. Возможности воспроизведения цвета имеют ручные, настольные и напольные сканеры большого формата. Однако, поскольку цвет на большом формате не является необходимостью для большинства пользователей САПР спрос на такие сканеры невелик и цена на них не менее за $40,000.

Разрешение сканирования

В процессе сканирования документ проходит над сканирующей линейкой, состоящей из нескольких камер (обычно не более трех). Эти камеры похожи на фотоаппараты, за тем исключением, что изображение фиксируется не пленкой, а массивом CCD. Массив состоит из нескольких тысяч светочувствительных регистрирующих элементов (приборов с зарядовой связью), расположенных в ряд. Когда свет попадает на массив, каждый элемент генерирует электрический сигнал - чем больше света, тем выше сигнал.

Сгенерированный каждым элементом сигнал, называемый пикселем, затем конвертируется в цифровое значение от 0 до 255 (что называется значением в шкале серого). Поскольку массив одномерный, необходимо двигать документ, давая камерам возможность захватывать изображение построчно. Каждая из этих строк называется строкой сканирования. Собрав все строки сканирования, мы получим полный рисунок.

Следует отличать истинное, оптическое, от программно-обеспечиваемого разрешения. Кроме того, увеличение разрешения вдоль сканирующей линейки и в направлении движения оригинала достигается различными способами.

Оптическое разрешение вдоль сканирующей линейки определяется количеством регистрирующих элементов CCD. Оптическое разрешение в современных моделях сканеров формата А0 не превосходит 400 DPI.

Увеличение разрешения достигается использованием специального программного обеспечения, которое интерполирует результаты сканирования. Программное обеспечение сканера вставляет дополнительный пиксель между каждой парой соседних пикселов и присваивает добавленному пикселю усредненное значение цвета прилежащих пикселов. Таким образом, сканер, о котором в проспекте говорится, что он имеет разрешение 500 DPI, обычно имеет камеру с оптическим разрешением только 270 DPI, а сканер, заявленный, как имеющий разрешение 800 DPI, на самом деле имеет камеру с разрешением 450 DPI.

Значение разрешения в направлении движения оригинала определяется скоростью перемещения документа относительно линейки сканирования (камер CCD). При уменьшении скорости увеличивается разрешение сканирования и наоборот. Таким образом, сканер, заявленный, как имеющий разрешение 800 DPI, и в самом деле может физически сканировать 800 DPI по оси движения, сканируя при этом 400 DPI вдоль сканирующей линейки. Уменьшая разрешение сканирования, можно тем самым уменьшить время сканирования.

При высоких значениях разрешения, получаемых при интерполяции, изображение выглядит лучше - сглаживаются границы растровых объектов и четче прорабатываются мелкие детали. Это полезно, для тех пользователей, которым важно визуальное качество сканированного изображения, однако подобная интерполяция не сделает ничего или почти ничего для программы автоматической векторизации.

Сшивание изображения

Высокого оптического разрешения можно достичь при использовании высокой плотности регистрирующих элементов CCD или при использовании двух или трех CCD вместе. При нескольких CCD начинаются проблемы при сшивании частей сканируемого изображения. Но, поскольку CCD располагаются в фиксированном положении, они могут быть откалиброваны с целью устранения сдвигов. В зависимости от модели сканера выравнивание производится либо автоматически, либо при помощи настроек пользователем. Любой из этих методов прост для пользователя, но выравнивание вручную может дать более точные результаты, чем автоматическое аппаратное выравнивание, результат которого практически всегда сдвинут на один пиксель. Некоторые сканеры, хотя и не все, чувствительны к перепадам температуры, для них выравнивание требуется чаще, чем для других.

Порог чувствительности

Полутоновые сканеры производят два типа данных: полутоновые и бинарные. При полутоновом способе воспроизведения каждый пиксель может иметь много возможных уровней яркости. При бинарном - только два возможных уровня. Перевод полутоновых данных в бинарные происходит за счет процесса, называемого выбором порога чувствительности.

В полутоновом изображении яркость каждого пикселя выражается как значение от 0 до 255, 0 - белое и 255 - черное. Чтобы преобразовать это значение в бинарное, сканер должен определить точку в этом диапазоне, выше которой пиксель становится белым, а ниже - черным. Эта точка и называется порогом чувствительности.

Сканер выполняет такую настройку, интерпретируя разные уровни контрастности изображения для отделения изображения от фона. Самый простой метод - установить один уровень для всего документа, выбрав среднее значение, которое обеспечит компромисс. Этот параметр обычно устанавливается во время предварительного сканирования, когда сканер совершает один (полный или частичный) проход по изображению и определяет подходящее значение порога чувствительности или дает возможность пользователю установить это значение. Используется и такая вариация этого метода, когда сканер несколько раз проходит туда-сюда по части изображения, давая возможность пользователю сразу увидеть результат, получаемый при различных значениях порога чувствительности.

Некоторые сканеры разбивают документ на плитки - обычно квадратики 2 х 2 дюйма или одно-дюймовые полоски, - чтобы для разных частей чертежа могли быть установлены различные значения порога чувствительности. Это дает лучший результат, чем метод с одним значением, но и этот метод не справляется с перепадами контрастности внутри каждой плитки (полоски).

Самое последнее новшество, до сих пор внедренное только одной компанией, Vidar, называется Adaptive Area Thresholding. Вместо использования относительно больших плиток, изображение разбивается на крошечные ячейки, со стороной не более одной или двух десятых дюйма. Этот метод гораздо лучше справляется с перепадами контрастности и даже, в сочетании с многократным прогоном чертежа, может быть использован для достижения идеальных установок порога чувствительности.

Типы сканеров

Сканеры, работающие с прозрачными носителями:

- Барабанный сканер;

- Цветной слайд-сканер с одним CCD;

- Цветной слайд-сканер с 3-мя CCD;

- Сканер с CDD-массивом.

Сканеры, работающие с непрозрачными носителями:

- Сканирующая головка на плоттере;

- Планшетный сканер;

- Рулонный сканер;

- Проекционный сканер.

Среди показанных схем нет ручного сканера ввиду того, что его применение в качестве устройства ввода ограничено очень узким кругом задач, слабо связанных с тематикой инженерного документооборота.

Барабанный сканер

В каждый момент времени сканер считывает информацию с одной точки носителя. Поэтому для получения изображения необходимо взаимное перемещение сканирующего элемента и носителя по двум координатам. Это достигается за счет вращения барабана с наклеенным на него носителем (слайдом) и линейного перемещения сканирующего элемента и источника света вдоль оси барабана

Рисунок 1 – Барабанный сканер

Цветной слайд-сканер с одним CCD

Сканирующим элементом в большинстве сканеров является charge-coupled device (CCD), по-русски - прибор с зарядовой связью (ПЗС). Линейные CCD-сканеры обеспечивают взаимное перемещение носителя и линейного сканирующего элемента (CCD) вдоль одной оси. Последовательно, полоска за полоской, исходное изображение фокусируется на линейке CCD. Для получения цветного изображения применяются фильтры трех базовых цветов. За один проход "считывается" один цветовой слой.

Рисунок 2 - Цветной слайд-сканер с одним CCD

Цветной слайд-сканер с 3-мя CCD

Устройство, аналогичное цветному слайд-сканеру с одним CCD. Отличие заключается

Рисунок 3 - Цветной слайд-сканер с 3-мя CCD

в использовании трех различных сканирующих элементов для каждого базового цвета - красного, зеленого, синего. Изображение получается за один проход.

Сканер с CDD-массивом

Массив CCD, аналогичный тому, который применяется в видеокамерах, позволяет получить изображение без взаимного перемещения носителя и сканирующего элемента. Похожую конструкцию имеют проекционные сканеры, работающие с непрозрачными носителями.

Рисунок 4 - Сканер с CDD-массивом

Сканирующая головка на плоттере

Сканирующая головка - это недорогое CCD. Размеры и разрешающая способность невелики. Поэтому, чтобы отсканировать чертеж, необходимо взаимное перемещение носителя и головки по двум координатам. Это обеспечивается кинематикой плоттера. За один проход сканируется одна полоска. Склеивание полосок происходит автоматически с помощью прилагаемого программного обеспечения. Однако из-за механических погрешностей склеивание никогда не бывает точным, поэтому для полученного изображения характерна практически некомпенсируемая "полосатость".

Рисунок 5 - Сканирующая головка на плоттере

Планшетный сканер

Схема работы полностью аналогична схеме работы линейного CCD-сканера, за

исключением того, что перемещается CCD и фокусируются отраженные лучи, а не проходящие. Такая конструкция типична для большинства настольных сканеров формата А3 и А4. Как правило, используется один элемент CCD (для монохромных изображений).

Рулонный сканер

Рисунок 6 – Рулонный сканер

Кинематическая схема этого сканера повторяет схему линейного CCD-сканера. CDD неподвижны, перемещается носитель. Фокусируются отраженные лучи. Когда по такой схеме изготавливают сканеры большого формата (А1 или А0), то, как правило, используется не один элемент CCD, а несколько, установленных друг за другом в линейку. Специальное устройство обеспечивает точную стыковку изображений, полученных каждым CCD. Процесс коррекции взаимного расположения CCD (юстировка) в новых сканерах автоматизирован. В настоящее время это практически единственная конструктивная схема работы сканеров большого формата, как черно-белых, так и цветных. Вариации этой схемы касаются тракта, по которому перемещается носитель: он может быть прямолинейным, что позволяет избежать лишних деформаций носителя, а может быть изогнутым, что ограничивает применение некоторых видов носителей в таких сканерах (жестких, повышенной толщины).

Проекционный сканер

Массив CCD, аналогичный тому, который применяется в видеокамерах, позволяет получить изображение без взаимного перемещения носителя и сканирующего элемента. Разрешение таких сканеров ограничено, но зато они могут сканировать носители произвольной толщины и даже вовсе неплоские предметы.

Рисунок 7 - Проекционный сканер


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

70736. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВМ И СИСТЕМ 154.5 KB
  Устройство отображения описывается структурой данных типа HDC которая называется контекстом отображения. В этой структуре хранятся различные характеристики устройства отображения контекст устройства и набор инструментов для рисования выбранных в контекст по умолчанию.
70737. ПРАКТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ВЫЧИСЛЕНИЯ Z-ПРЕОБРАЗОВАНИЯ 1.22 MB
  Современные дискретные системы обработки сигналов широко используются в аппаратуре связи, медицине (томография и ультразвуковое обследование), экономике (анализе и прогнозирование состояния отраслей экономики)...