Реферат: Сканеры

Лекция №8 КДИ –сканеры<m:mathPr> <m:mathFont m:val=«Cambria Math»/> <m:brkBin m:val=«before»/> <m:brkBinSub m:val="--"/> <m:smallFrac m:val=«off»/> <m:dispDef/> <m:lMargin m:val=«0»/> <m:rMargin m:val=«0»/> <m:defJc m:val=«centerGroup»/> <m:wrapIndent m:val=«1440»/> <m:intLim m:val=«subSup»/> <m:naryLim m:val=«undOvr»/> </m:mathPr>

Лекция №8 КДИ –сканеры

1.    Принцип действия КДИ сканера.

2.Особенностиприменения объективов и источников освещения.

3.Сравнительнаяхарактеристика  ПЗС и КДИ сканеров.

4.Слайд-модулии слайд-сканеры.

1.Принципдействия КДИ сканера

На рис.1 изображено устройство КДИ- сканеров.

Рис. 1. 1- сканирующая каретка; 2- источникосвещения (светодиоды); 3- линзы; 4- КДИ- матрица.

Рис. 2. КДИ-сканер CanoScanN650U

КДИ-матрицы используются ужедовольно долгое время в устройствах типа факса. Однако в сканерах их началииспользовать совсем недавно. Первые серийные планшет­ные сканеры, основанные наэтой технологии, были выпу­щены в 1998 году. Главной деталью КДИ-сканера, как илюбого планшетного, является сканирующая головка. Ска­нирующая головка состоит:

— из источников света —светодиодов;

— цилиндрической линзы(набора линз);

-        печатной платы, на которой находятся чувствительные элементы (датчики),видеоусилитель, регистры и буферы. Подробная схема устройства головкиизображена на рис. 3.

Рис3.Устройство сканирующей головки. 1- набор светодиодов; 2- линзы; 3-фотоэлементы; 4-  регистр сдвига; 5-видеоусилитель; 6- выход (АЦП).

Излучение, идущее отсветодиодов, отражается от оригина­ла и, пройдя через линзу, фокусируется надатчике изобра­жения. Датчик изображения — фототранзисторы, сделан­ные наоснове МОП (аналогично ПЗС). В результате получается аналоговый сигнал, которыйусиливается в ви­деоусилителе и поступает на вход АЦП.

Датчик изображения обычносостоит не из одной, а из не­скольких линеек, последовательно соединенных водну. Отсутствие оптической системы налагает свои ограничения на такуютехнологию. Если, например, полный датчик изоб­ражения длиной 216 мм (форматА4) состоит из 27 мень­ших датчиков, каждый из которых имеет 96светочувствитель­ных элементов (одно из лучших значений), то в результатеполучится 12 элементов на миллиметр, что в пересчете на дюймы дает 300элементов на дюйм.

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

Внекоторых моделях сканеров встречаются головки, выполняющие полноцветноесчитывание за один раз. Достигается это за счет ис­пользования специальныхсветофильтров на интегрированных схе­мах. В качестве источника освещения в данномслучае используются не светодиоды, а лампы с холодным катодом.

3.Особенностиприменения объективов и источников освещения

Источник освещения. ВКДИ-модификациях сканеров источник освещения заме­няется светодиодами. При этомдля цветного сканирования возникает необходимость в трех светодиодах на пиксел,в соответствии со стандартным разложением цвета RGB. Зер­кала и объектив вКДИ-сканерах не представлены, так как эта технология обеспечивает прямуюпроекцию полной повер­хности рабочей области прямо на считывающую матрицу.

Во многих профессиональныхпланшетных сканерах уста­новлен не один, а несколько объективов, что позволяетпереключаться с одного на другой и таким образом зна­чительно повыситьоптическое разрешение, хотя при этом уменьшается рабочая область. Реализованаэта возмож­ность следующим образом: при сканировании полной ра­бочей областиобъектив проецирует ее полную ширину на полную длину ПЗС-линейки. Например,если при фокуси­ровке один дюйм проецируется на 600 элементов ПЗС-линейки, торазрешение будет 600 ppi. Если на те же 600элементов с помощью другого объектива фокусировать полдюйма, то разрешение,соответственно, увеличится вдвое — до 1200 ppi. Такая конструкция даетвозможность получать очень высокое оптическое разрешение, однако при максимальномразрешении рабочая область становится очень малой.

Например, модель ScanMate F8 Plus с разрешением 4000 ppi даетвозможность сканировать оригинал, ширина которого не больше 54,9мм. Для этой же модели разрешение напол­ной рабочей области (279,4х430,8 мм) — 700 ppi.

Линза. В ПЗС- и КДИ-сканерах линза играет несколько раз­ные роли. ВПЗС-сканерах свет, идущий от оригинала, по­падает с помощью зеркал налинзу-объектив (или прямо на призму), которая проецирует ширину рабочей областискане­ра на ширину ПЗС-матрицы. При этом к качеству и точнос­ти настройки линзыобъектива (или призмы) предъявляют­ся весьма высокие требования, особенно припроецировании краев рабочей области сканера.

В наиболее мощных моделяхпланшетных сканеров исполь­зуются два и более объективов, причем режимы ихисполь­зования можно переключать. При этом помимо главного (то есть обычного)режима доступны усиленные режимы, когда один из дополнительных объективовпроецирует на полную поверхность ПЗС-матрицы только часть полной рабочейповерхности сканера. Таким образом, для изобра­жения меньшего размераиспользовано такое же количе­ство точек (элементов) ПЗС-матрицы, как и дляполного, то есть увеличивается качество сканирования (оптическое разрешение). ВКДИ-сканерах может быть не одна линза, а много — по количеству элементовлинейки фотоприемни­ка. Каждая из них играет роль маленького проектора, кото­рыйфокусирует попадающий на него свет на соответству­ющий фотоэлемент.

Разберем для наглядностихарактеристики сканера класса SOHO (Small Office, Home Office) Agfa SnapScan 1212u.

ПЗС: цветная, 5100 элементов. Сканирование производится по технологии ПЗС (CCD),причем линейка ПЗС — цветная. Количество элементов — стандартное для сканератакого класса (для профессиональных сканеров сейчас — 8640 элементов).

Число проходов: 1 (трехпроходные сканеры сейчас практически отсутствуют на рынке).

Формат в отраженном свете: 216х297 мм (8,5х11,7").Форматнесколько больше А4 (210х297 мм). Форматы рабочей области сканеров могутварьироваться, но почти всегда они лежат близко к какому-либо стандартному фор­мату.     

Оптический диапазон: 1,8D.Довольно низкий диапазон, нодля домашнего использования вполне пригоден.

Глубина цвета: 36 бит. Здесь указана внутренняя разряд­ность. Внешняяпочти всегда равна 24 битам для совмести­мости с программным обеспечением.

Скорость сканирования: серый — 3,7 мс/линия, цвет — 11,1 мс/линия. Эта характеристика не имеетпрактического значения, так как здесь не учитывается время передачи дан­ных поинтерфейсу и производительность компьютера, от которой тоже зависит скоростьсчитывания.

Интерфейс: USB. Сканер рассчитан на шинуUSB, а с ней необходимо соблюдать аккуратность, так как существу­ютUSB-сканеры, не поддерживающие плату расшире­ния USB и работающие только спортом USB на главной плате.

Размеры: ширина 330 мм, высота 105 мм, глубина 450мм. Вес: 4кг.

Лампа: coldcathode, автоматическое отключение. Лампа — с холодным катодом, после некотороговремени бездей­ствия отключается для экономии электроэнергии.

Готовность к работе:— Под готовностью сканера кра­боте подразумевается время его «нагрева» после включе­ния. Данный сканер нетребует времени для прогрева.

Температура: 10-40 °С; влажность: 20-85%. Характерис­тики окружающейсреды, при которых сканер будет нор­мально работать. Если предполагаетсяиспользовать ска­нер в каких-либо нестандартных условиях, на этот параметрследует обратить внимание.

Совместимость: Windows 98, MacOS withe iMac. На совме­стимость тоженеобходимо обратить внимание, так как от нее строго зависят рамкисовместимости. Например, драйве­ры сканера, работавшие под Windows98, могут отказаться работать под Windows ME.

3.     Сравнительная характеристика  ПЗС и КДИ сканеров

В связис быстрым развитием и широкой рекламой КДИ-технологии возникает вопрос: а такли хороши эти сканеры? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим основные осо­бенностиэтой технологии и сравним характеристики.

Если сравнить основныехарактеристики, результат явно ока­зывается в пользу ПЗС-технологий. Однако и уКДИ-сканеров есть свои преимущества. Среди положительных сто­рон этих сканеровнеобходимо отметить следующие:

— Меньшие габариты. Сканеры, использующие техноло­гию КДИ, имеют меньшие размеры и вес,чем сканеры на основе ПЗС.

— Меньшая стоимость. Вместо объектива, зеркал, призмы и самогофотоэлемента в этих сканерах используется только КДИ-линейка, что позволяетзначительно сни­зить стоимость сканеров такого типа.

— Меньшая потребляемая мощность. Это достигается за счет применения светодиодоввместо лампы с холодным катодом. Если для ПЗС-сканера нормальная потребляе­маямощность 12 Вт, то для КДИ-сканера — 2,5 Вт.

— Равномерность качества. Для ПЗС-сканеров качество сканирования можетсущественно различаться в центре рабочей области и по краям. Этот эффектявляется следствием недостатков фокусировки оптической систе­мы и неизбежен длялюбых приборов, в которых исполь­зуется объектив (например, в обычныхфотоаппаратах). В КДИ-сканерах качество сканирования абсолютно рав­номерно, таккак оптическая система отсутствует.

— Работа в экстремальных условиях. КДИ-сканеры гораз­до менее чувствительны квнешним условиям. Напри­мер, некоторые модели сканеров могут работать, стоя наребре (в таком случае для устойчивости им необхо­дима специальная подставка).

В основном положительныестороны КДИ-сканеров объяс­няются отсутствием оптической системы. Однако вцелом они достаточно поверхностные, и большинство из них не связаны с качествомизображения. 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, чтотрехмерные предметы, находя­щиеся на расстоянии 3 мм от общего уровня, будутнор­мально отсканированы ПЗС-сканером, а изображение, полученное КДИ-сканером,будет нерезким и размытым. На практике такими предметами зачастую являются раз­вернутыетолстые книги.

— Дольше срокслужбы. Сканер на основе ПЗС обеспечи­вает стабильное и неизменное качествов течение 10 000 часов работы, тогда как у КДИ-сканеров после 500 ча­сов работыпроисходит падение яркости на величину до 30%.

— Лучшая чувствительность к оттенкам. ПЗС-сканеры различают уровни оттенков спогрешностью ±20%, в то время как КДИсканеры — ±40%. Соответственно, передачадеталей у ПЗС-сканеров будет значительно лучше.

Меньшая чувствительность кпосторонней засветке. Это преимущество связано с тем, что ПЗС-линейка невели­капо длине, и благодаря системе зеркал «лишний» свет на нее не проецируется. ВКДИ-сканерах линейка зна­чительно больше, оптическая система практическиотсутствует, поэтому любое лишнее освещение сразу зна­чительно влияет нарезультат сканирования.

-Разрешение сканера. Максимальное разрешение профес­сиональныхПЗС-сканеров на данный момент — 3000 ppi, тогда как для КДИ-сканеровверхний предел — 690 ppi.

4.     Слайд-модули и слайд-сканеры

Большинство планшетныхсканеров предназначено для ска­нирования непрозрачных оригиналов. Даже самыелучшие из таких сканеров сами по себе несмотря на высокие раз­решение идинамический диапазон не дадут приемлемого качества при сканировании прозрачныхматериалов (нега­тивов, слайдов). Конечно, существуют слайд-сканеры, но цена ихнамного выше, а возможность сканирования не­прозрачных оригиналов у нихотсутствует. Поэтому и по­явилась необходимость в дополнении обычного планшет­ногосканера модулем для сканирования слайдов.

Сегодня большинствосканеров, которые заявляются как 30 битные, либо стандартно комплектуютсяслайд-моду­лями, либо имеют возможность установки этих модулей.

Существует несколькоконструктивных решений слайд-модуля.

 «Зеркало». Такой слайд-модуль — этопросто зеркало, устанавливаемое с внутренней стороны крышки скане­ра. В данномварианте свет от лампы попадает на зерка­ло, после чего его принимаетфотоэлемент. По качеству этот вид слайд-модулей значительно уступает остальнымвариантам, однако и цена его невысока.

«Рассеивающее стекло». Эта конструкция выполнена в виде лампы,расположенной на внутренней стороне крышки сканера. По замыслу освещение,создаваемое лампой, должно быть равномерным по всей поверхнос­ти сканирования.Однако обычно этого достичь не уда­ется, поэтому область более или менеекачественного сканирования не превышает 10х15 см. При сканирова­нии с такиммодулем необходимо обратить внимание на равномерность освещения, так как слайд,отсканиро­ванный в этой области, будет иметь лучшее возможное при такойконструкции качество.

 «Подвижная лампа». В этой конструкции модуляпод­вижная лампа встраивается в верхнюю крышку скане­ра. Иногда крышка с лампойделается съемной. Лампа при сканировании движется параллельно считывающейголовке сканера,  поэтому головкасчитывает свет, про­шедший через слайд, а не отраженный. Такая конструк­циядает самое лучшее качество, поскольку освещение получается реально равномерным.С помощью этого модуля можно сканировать даже сильно затемненные слайды,увеличив яркость лампы.

Для любого вариантаконструкции слайд-модуля качество сканирования все же сильно зависит отсканера. Минималь­ная глубина цвета для работы с прозрачными оригинала­ми — 30бит, оптическая плотность должна быть не ниже 3,OD, а оптическое разрешение —как минимум 600 ppi. Очень важен также вопрос совместимостислайд-модуля и сканера. Нет никакого стандарта для слайд-модулей, поэтомубольшинство производителей сканеров поставляют слайд модули либо в комплектесканера, либо отдельно. Но и тут не всегда гарантирована полная совместимость,поэтому всегда надо обращать на это особое внимание.

Слайд-сканеры. Несмотря на то, что все преимущества на стороне цифровыхкамер, многие люди продолжают использовать обычные фо­тоаппараты.Соответственно, растет потребность в каче­ственном сканировании пленок инегативов. Сканирование таких оригиналов с помощью барабанных сканеров даеточень высокое качество, обычно не требуемое и потому неоправданно дорогое. Еслиже сканировать с помощью планшетного сканера со слайд-модулем, то качествоможет оказаться слишком низким. Поэтому и растет рынок слайд-сканеров,созданных для сканирования только прозрачных оригиналов.

Рис 35 миллемитровый слайд-сканер

По принципу действия обычныйслайд-сканер практически аналогичен планшетному сканеру. Основным различием яв­ляетсято, что у слайд-сканеров осветитель и фотоприем­ник находятся по разные стороныот сканируемого ори­гинала. Это и дает возможность сканировать прозрачныеизображения.

Главной проблемой присканировании слайдов и пленок является их широкий диапазон оптическихплотностей — 2,9-4,0. Соответственно, для такого типа сканеров качествоПЗС-матрицы должно быть значительно выше, чем для планшетных сканеров среднегокласса. Поэтому минималь­ный динамический диапазон слайд-сканеров — от 3,OD ивыше, а для хороших слайд-сканеров — от 3,4D и выше. Это значение —минимальное, при котором результат ска­нирования негатива будет качественным.Для достижения такого широкого диапазона необходима внутренняя разряд­ность какминимум в 30 бит, а для сканеров классом выше — 36 бит, а иногда и 48. Этообеспечивает более эффективное отсечение шумов, возникающих как на АЦП, так ипрямо на ПЗС-матрице. Важную роль играет и малый размер пле­нок: для полученияприличного качества необходимо вы­сокое оптическое разрешение. Дляслайд-сканера среднего класса нормальным является разрешение 2000 ppi.Однако, если есть необходимость вывести результат сканирования 35-миллиметровойпленки, например, на формат А4, то тако­го разрешения не хватит — необходимо,как минимум,  2500 ppi. Приэтом существуют такие слайд-сканеры, которые (аналогично планшетным со сменнымиобъективами) могут обеспечить максимальное разрешение только на пленках 35 мм,а для оригиналов больших размеров — снижают его.

Самые дешевые слайд-сканерыобычно предназначены толь­ко для сканирования фотопленок, болеепрофессиональные модели комплектуются наборами рамок разного формата. Иногда вкомплект включаются планшеты на несколько оригиналов или даже устройствоавтоматической подачи слайдов.

Аналогично барабаннымсканерам в высококачественных моделях слайд-сканеров используются DSP.