Основные понятия и конструктивныеособенности устройств

ГЛАВА 2. УСТРОЙСТВА ВВОДА И ОЦИФРОВКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ

СВЕТОПРИЕМНИКИ. В настоящее время в настольных издательских системах применяются два типа сканеров, технологические отличия которых определяются способом преобразования интенсивности света в цифровое представление с помощью фотоэлектронных преобразователей (ФЭП).

В качестве ФЭП используются приборы с зарядовой связью (ПЗС), в англоязычной версии - CCD (charge coupled devices), и фотоэлектронные умножители (ФЭУ) - PMT (photomultiplier tubes).

В основу ПЗС заложена проводимость р-n-перехода обыкновенного полупроводникового диода, зависящая от степени его освещенности. ПЗС-элементы объединяются в блоки и представляют собой линейки или матрицы, снабженные схемами управления, позволяющими считывать информацию с каждого элемента. В большинстве сканирующих систем с ПЗС-элементами изображение считывается в два этапа: сначала ток, создаваемый в полупроводниковых кристаллах потоком падающего света, заряжает внутренние емкости элементов с зарядовой связью, затем напряжение с емкостей ПЗС последовательно считывается с одновременной разрядкой ПЗС-элементов. Поскольку полупроводниковые емкости насыщаются при напряжении, близком к напряжению источника питания, диапазон воспринимаемых освещенностей сужается. Создаваемый ими ток затем преобразуется аналого-цифровым преобразователем в цифровую форму, доступную ЭВМ.

Основными проблемами систем с ПЗС являются: темновой ток и его временная и геометрическая неравномерность; коэффициент переноса заряда; неравномерная чувствительность; нелинейность и т.д. Эти характеристики определяют пороговую чувствительность ПЗС-матрицы и ограничивают динамический диапазон устройства. Кроме того, элементы обладают повышенной чувствительностью к температуре и при повышении ее на 5-9°С шумовая составляющая сигнала увеличивается примерно в 2 раза. В настоящее время влияние этих факторов на качество оцифровки сигнала сведено к минимуму.

Самым распространенным решением явилось запоминание массивов начальных напряжений элементов (при отсутствии внешнего освещения) и коэффициентов передачи (определяемых на основании результатов калибровки для максимальной освещенности), считывание результатов с отдельных элементов и «приведение к общему знаменателю» с учетом запомненных индивидуальных характеристик.

Современные технологии позволяют разместить на одной подложке несколько тысяч фотодиодов и при этом увеличить их светочувствительность.

ФЭУ - электровакуумные светочувствительные элементы, преобразующие световой поток в электрический ток.

Принцип действия ФЭУ заключается в том, что светочувствительное окно под действием света испускает несколько электронов, инициирующих образование на специальных электродах электронной лавины, обеспечивая при этом значительные уровни сигнала. Чем больше света попадет на входное окно, тем больше будет выходной ток. Диапазон уровней, при котором преобразование линейно, более 120 дБ. Это позволяет с достаточной точностью распознать более 65 тыс. уровней входного сигнала, что соответствует 16-битному представлению. Кроме того, посредством управляющих параметров ФЭУ можно настроить на различные коэффициенты умножения и максимальную и минимальную чувствительность.

Различие между ФЭУ и ПЗС, при прочих равных условиях, состоит в том, что фотодиоды имеют существенно больший начальный ток (для оптоэлектронных приборов - темновой ток, т.е. ток, протекающий через прибор при полном отсутствии падающего света), чем ФЭУ. За счет этого возрастает шумовая составляющая в считываемом сигнале и уменьшается чувствительность.

В случае увеличения интенсивности источника света происходит насыщение полупроводникового элемента ПЗС, т.е. увеличение освещенности практически не увеличивает выходной ток. Поэтому системы с полупроводниковыми считывающими элементами имеют меньший динамический диапазон входного сигнала и больший уровень шумов (особенно при малой интенсивности падающего света), чем аналогичные устройства, построенные на базе фотоумножителей.

Разрешение. Разрешение - величина, характеризующая количество считываемых элементов на единицу длины. Чаще всего размерность этой величины указывают в точках на дюйм или точках на сантиметр.

Различают оптическое и интерполяционное разрешение. Строго говоря, оптическое разрешение - это количество ПЗС-элементов, задействованных при сканировании оригинала, приходящееся на единицу длины. Интерполяционное разрешение создается введением дополнительных, математически рассчитанных элементов изображения в определенном радиусе между двумя соседними элементами, полученными путем считывания изображения ПЗС-элементами.

Большое разрешение, достигаемое в профессиональных сканерах, обеспечивает возможность больших увеличений.

Используемые в системах сканирования интерполяционные возможности позволяют снизить эффекты малого разрешения, однако объем обрабатываемой информации резко увеличится, а новые элементы изображения не появятся.

Выбор разрешения - одна из наиболее важных задач на стадии оцифровки изображения. При полиграфическом воспроизведении изображения линиатуру полиграфического растра принимают в качестве исходного параметра разрешения сканирования. При сканировании с разрешением, близким к линиатуре, могут возникать искажения изображения, особенно заметные, если на изображении есть резкая граница между цветовыми оттенками, расположенными под углом, близким к углу наклона растра одного из цветов.

Существует математическая зависимость разрешающей способности Res в точках на дюйм (dpi), с учетом которой необходимо сканировать оригинал для получения заданного качества:

Res=Lin * K * М,

где Lin - линиатура полиграфического растра, с которым будет производиться дальнейшая печать (lpi); М - масштаб увеличения изображения; K - так называемый коэффициент качества, лежащий в пределах от 1,5 до 2.

Верхняя теоретическая граница 2 была предложена еще в 1928 г. инженером американской компании AT T Г.Найквистом, и в самом общем виде ее обоснование формулируется следующим образом: для того чтобы результат измерений был лишен искажений, число замеров должно, по меньшей мере, вдвое превышать число деталей.

Механизм сканирования оригиналов. Устройство сканера во многом определяется применяемым ФЭП. В связи с этим принято различать считывание информации по плоскости и по поверхности цилиндра, а сканеры соответственно плоскостные и цилиндрические (барабанные).

Сканирующее устройство для считывания информации в плоскостных сканерах представляет собой линейную матрицу элементов, рассчитанных таким образом, чтобы на нее проецировалось изображение шириной, равной ширине сканируемой области.

Считывание информации может происходить как за один цикл засветки оригинала - однопроходная технология, так и за несколько (обычно за три) - многопроходная технология.

Можно выделить четыре схемы засветки, применяемые в современных сканерах:

1. Специальная головка, в которой расположены три источника света за тремя светофильтрами (красным, зеленым и синим) и ПЗС-матрица с оптической системой, перемещается вдоль сканируемого образца микрошаговым двигателем (в черно-белом сканере одна лампа). При однопроходной технологии на каждом шаге головка фиксируется, и лампы, попеременно зажигаясь, засвечивают ПЗС-матрицу, отображающую цветовой профиль того цвета, лампа которого в данный момент включена. При наблюдении такое сканирование выглядит непрерывным, так как быстродействие ПЗС-элементов составляет доли миллисекунд. Если технология многопроходная (обычно три прохода), то на каждом проходе снимается информация только одного цвета.

2. Световой поток от источника со стабильным спектром излучения, близким к дневному свету (как правило, специальная люминесцентная лампа с цветовой температурой 5000 или 5500 К), проходит через размещенный на прозрачной поверхности (обычно на стекле) оригинал и диафрагму в виде узкой щели, параллельной источнику света. Диафрагма позволяет ограничить размер элемента изображения, считываемый каждым элементом ПЗС-линейки. При сканировании в отраженном свете оригинал освещается «снизу», а специальная ширма препятствует попаданию прямого света от источника в оптический тракт.

«Полоса» света, прошедшая через диафрагму, фокусируется объективом и пропускается через систему полупрозрачных зеркал, распределяющих световой поток на три части, приблизительно равные по интенсивности. Каждый из трех световых пучков пропускается через один из трех светофильтров, соответствующих трем составляющим в аддитивной модели цветового синтеза (красный, синий, зеленый).

3. В некоторых случаях вместо зеркал используют специальные призмы, обеспечивающие разделение светового потока на три части, а в отдельных моделях эти призмы реализуют и функции светофильтров, направляя разные части видимого спектра в разные стороны.

Пучок света, прошедший через фильтр, попадает на линейку с зарядовой связью, расположенную в фокальной плоскости объектива. Таким образом, в каждый момент времени для считывания доступна информация об одной «строке» изображения. Перемещение оригинала относительно тракта «источник света - ПЗС-линейка» обеспечивает второе направление развертки изображения.

Принципиально необходимым для правильной работы планшетного сканера является параллельность источника света, оригинала, диафрагмы и ПЗС-линейки. Кроме того, все три ПЗС-линейки должны одновременно попадать в фокальную плоскость.

4. Вместо трех ПЗС-линеек используется одна, а светофильтры перед ней меняются специальным механизмом. Естественно, изображение вместо одного прохода считывается за три. Применение ПЗС-элементов определяет оптоэлектрические параметры устройства: число распознаваемых оттенков, распознаваемый диапазон оптических плотностей оригиналов и оптическую разрешающую способность.

Показатели качества таких сканеров в большой степени зависят от механических характеристик устройства. Существенное влияние оказывают точность шага и параллельность перемещения сканирующей головки.

ФЭУ традиционно используются в барабанных сканерах. В качестве источника излучения обычно применяются галогенные лампы мощностью 45-60 Вт. Если сканируется прозрачный оригинал, то внутрь барабана помещают источник света с фокусирующей оптической системой; фокус лежит в плоскости оригинала. Если оригинал непрозрачный, источник света находится снаружи. Свет, прошедший (или отраженный) через оригинал, попадает на приемное окно ФЭУ.

Считывание информации по окружности происходит за счет вращения барабана, а вдоль направляющей цилиндра - благодаря специальному ходовому винту. За один элементарный шаг сканирования считывается только одна точка изображения (в сканерах на основе ПЗС - целая строка), размер которой определяется параметрами оптической системы и может быть меньше 1 мкм (чем и определяется оптическое разрешение). Так как вращение можно синхронизировать с очень высокой точностью, а прецизионный ходовой винт обеспечивает погрешности порядка долей микрометра, точность работы таких сканеров значительно выше, чем плоскостных.

При вращающемся барабане невозможно зафиксировать точку сканирования, поэтому для цветного сканирования либо применяется трехпроходная технология, либо используются три ФЭУ с разными спектрами чувствительности (при аддитивном цветовом синтезе).

Поскольку именно апертура в барабанном сканере определяет размер элемента изображения, каждому разрешению сканирования в идеальном случае должна соответствовать своя апертура. Если апертура слишком велика, соседние элементы перекрываются, что ведет к снижению резкости изображения; при малой же апертуре между соседними элементами образуется зазор, что приводит к потере части информации при считывании и одновременно увеличивает шумовую составляющую.

В современных барабанных сканерах количество апертур сканирования ограничено. Если необходимо сканировать с разрешением, для которого нет точно соответствующей ему апертуры, выбирается ближайшая меньшая, при этом количество диафрагм составляет 8-12 вариантов для каждого режима сканирования (отдельно для проходящего и отраженного света).

Для сканирования с различным разрешением большинство барабанных сканеров имеют возможность увеличивать или уменьшать частоту вращения барабана. При этом соответственно изменяется и шаг перемещения считывающей системы.

Преобразование аналогового сигнала в цифровой. В основе любой сканирующей системы лежат аналоговые элементы, воспринимающие бесконечно много уровней входного сигнала. Заключительным этапом обеспечиваемых сканером преобразований является получение информации об изображении, которое передается в ЭВМ в цифровой форме. При этом сигнал преобразуется из аналоговой формы в цифровую.

Аналоговый сигнал может принимать произвольные значения из диапазона допустимых значений - иначе говоря, аналоговый сигнал непрерывен по множеству значений, которые он принимает. Сигнал, преобразованный в цифровой эквивалент, является дискретным по множеству принимаемых значений. Для 8-разрядного преобразования таких значений всего , для 12-разрядного - , для 16-разрядного - . Во всех случаях преобразование аналогового сигнала в цифровую форму дает ошибку округления, составляющую иногда половину веса младшего разряда, названную шумами квантования. Поэтому очень важным параметром всех без исключения сканеров является количество информации, приходящееся на один цвет.

В настольные издательские системы этот параметр вошел под названием глубины цвета и представляет собой максимальное количество оттенков трех основных цветов аддитивного синтеза. Чем больше глубина цвета (или бит информации), тем более приближенный к оригиналу цвет получится на изображении. Современные профессиональные сканеры работают с глубиной 10, 12, 14 и 16 бит/цвет, т.е. при 16-битном представлении цвета изображение содержит 65536 оттенков одного из основных цветов RGB.

Основные стадии сканирования. Любую процедуру считывания информации с изображения для последующей обработки можно укрупненно разбить на шесть стадий:

• считывание информации с оригинала и преобразование ее в электрический сигнал, пропорциональный световому потоку, модулированному считываемым изображением;

• аппаратная компенсация индивидуальных особенностей считывающих элементов;

• коррекция динамического диапазона, обеспечивающая максимально полное использование разрядности сканера или программного обеспечения;

• преобразование информации о световом потоке в информацию об оптической плотности;

• преобразование информации об изображении в какую-либо доступную цветовую модель (RGB, CMYK, CIELab) или в полутоновую (при сканировании черно-белых оригиналов и т.д.);

• цветокоррекция изображения с учетом индивидуальных особенностей оригинала и печатного процесса (градационная, локальная, глобальная и т.д.), а также другие виды коррекции.

В некоторых моделях сканеров имеется дополнительный четвертый канал считывания информации для так называемого «нерезкого маскирования». Этот процесс осуществляется с использованием большей апертуры сканирования, при этом вычисляется сигнал нерезкого маскирования аналоговыми методами и на основании информации, непосредственно считываемой с изображения, получается изображение с меньшим уровнем шумов, чем при аналогичной коррекции резкости цифровыми методами.

При сканировании некоторых оригиналов, особенно отпечатанных полиграфическим способом, необходимо удалить растровую структуру. Это достигается путем сканирования с расфокусировкой оптической системы - дерастрированием (в английском варианте - descreening). Процесс дерастрирования обычно осуществляется в автоматическом режиме путем задания оператором значения линиатуры отпечатанного изображения.

Диапазон чувствительности сканера (в идеале) должен перекрывать динамический диапазон оригинала, чтобы обеспечить распознавание деталей в светах и в тенях изображения. Это особенно важно при сканировании в проходящем свете, где плотности оригинала достигают значений D=3,8-4,2, в то время как для непрозрачных оригиналов оптическая плотность не превышает D=2-2,5.

Современные сканеры, использующие в качестве светоприемников ПЗС-элементы, имеют несколько меньший диапазон распознаваемых оптических плотностей, чем сканеры с ФЭУ. Обычно он составляет от 0,3 до 3,9 и от 0,3 до 4,2 соответственно.

Работа с цветовыми пространствами. Различные фирмы-производители для работы на сканерах используют различные цветовые пространства. Тем не менее основными признаны RGB, CMYK, CIELab. Первые два пространства являются аппаратно-зависимыми, а последнее - математически рассчитанное и лишенное привязки к какому-либо типу оборудования.

Концепция работы с цветом фирмы Heidelberg Prepress основывается на использовании CIELab в качестве внутреннего пространства, которое при необходимости пересчитывается в другие пространства работающих устройств.

На рис. 2.1 приведена общая схема работы с цветовыми пространствами.

Требования к условиям эксплуатации. Для нормальной работы сканера необходимо соблюдать следующие условия:

• располагать сканер вдали от источников помех (воздушных кондиционеров, копировальных машин и т.д.) и сильных магнитных полей;

• избегать мест, подверженных воздействию прямого солнечного света и тепловому воздействию;

• избегать мест, где сканер может быть или сдвинут, или подвергаться вибрации;

• избегать статического электричества;

• не располагать сканер на неустойчивой подставке;

• защищать сканер от влаги, пыли и попадания различных жидкостей;

• при установке расстояние между сканером, стенами или другими объектами должно превышать минимально допустимое в 30 см;

• температура во время работы должна составлять 18-27°С, а влажность 50-70%.

Оригиналы. Оригиналы для сканирования можно разделить на две группы. Непрозрачные оригиналы: фотографии, рисунки, страницы журналов или буклеты - работа с ними осуществляется в отраженном свете. Прозрачные оригиналы: цветные и черно-белые слайды, негативы, а также растрированные фотоформы. В этом случае происходит обработка света, прошедшего через оригинал.

В планшетных сканерах кроме перечисленных выше оригиналов можно сканировать и различные предметы, например наручные часы, металлические монеты и т.д. Получение резкого объемного изображения зависит от глубины резкости оптической системы.

Требования к оригиналам. К сканированию оригиналов предъявляются определенные требования, которые необходимо соблюдать для получения качественных результатов сканирования, а также для уменьшения вероятности повреждения сканера:

• волнистые или погнутые оригиналы необходимо выпрямить, перед тем как помещать их на сканирующий стол;

• нельзя сканировать влажные оригиналы;

• удалить скрепки или зажимы с оригиналов, чтобы исключить возможность нанесения царапин на стеклянные поверхности;

• размер оригинала по возможности не должен превышать размеры зоны сканирования, иначе он может быть поврежден;

• нельзя прикасаться к стеклянной поверхности или держателю оригиналов руками, чтобы не оставлять масляных пятен.

Дата добавления: 2015-04-24