Рассмотрим основные характеристики оптико-электронной системы сканера: разрешение, глубину цвета, разрядность, оптическую плотность и область высокого разрешения.

Разрешение

Разрешение (Resolution) или разрешающая способность сканера - параметр, характеризующий максимальную точность или степень детальности представления оригинала в цифровом виде. Разрешение измеряется в пикселах на дюйм (pixels per inch , ppi). Нередко разрешение указывают в точках на дюйм (dots per inch , dpi), но эта единица измерения является традиционной для устройств вывода (принтеров). Говоря о разрешении, мы будем использовать ppi. Различают аппаратное (оптическое) и интерполяционное разрешение сканера.

Аппаратное (оптическое) разрешение

Аппаратное (оптическое) разрешение (Hardware/optical Resolution ) непосредственно связано с плотностью размещения светочувствительных элементов в матрице сканера. Это - основной параметр сканера (точнее, его оптико-электронной системы). Обычно указывается разрешение по горизонтали и вертикали, например, 300x600 ppi. Следует ориентироваться на меньшую величину, т. е. на горизонтальное разрешение. Вертикальное разрешение, которое обычно вдвое больше горизонтального, получается в конечном счете интерполяцией (обработкой результатов непосредственного сканирования) и напрямую не связано с плотностью чувствительных элементов (это так называемое разрешение двойного шага ). Чтобы увеличить разрешение сканера, нужно уменьшить размер светочувствительного элемента. Но с уменьшением размера теряется чувствительность элемента к свету и, как следствие, ухудшается соотношение сигнал/шум. Таким образом, повышение разрешения - нетривиальная техническая задача.

Интерполяционное разрешение

Интерполяционное разрешение (Interpolated Resolution ) - разрешение изображения, полученного в результате обработки (интерполяции) отсканированного оригинала. Этот искусственный прием повышения разрешения обычно не приводит к увеличению качества изображения. Представьте себе, что реально отсканированные пикселы изображения раздвинуты, а в образовавшиеся промежутки вставлены "вычисленные" пикселы, похожие в каком-то смысле на своих соседей. Результат такой интерполяции зависит от ее алгоритма, но не от сканера. Однако эту операцию можно выполнить средствами графического редактора, например, Photoshop, причем даже лучше, чем собственным программным обеспечением сканера. Интерполяционное разрешение, как правило, в несколько раз больше аппаратного, но практически это ничего не означает, хотя может ввести в заблуждение покупателя. Значимым параметром является именно аппаратное (оптическое) разрешение.

В техническом паспорте сканера иногда указывается просто разрешение. В этом случае имеется в виду аппаратное (оптическое) разрешение. Нередко указываются и аппаратное, и интерполяционное разрешение, например, 600х 1200 (9600) ppi. Здесь 600 - аппаратное разрешение, а 9600 - интерполяционное.

Различимость линий

Различимость линий (Line detectability ) - максимальное количество параллельных линий на дюйм, которые воспроизводятся с помощью сканера как раздельные линии (без слипаний). Этот параметр характеризует пригодность сканера для работы с чертежами и другими изображениями, содержащими много мелких деталей. Его значение измеряется в линиях на дюйм (lines per inch, Ipi).

Какое разрешение сканера следует выбрать

Этот вопрос чаще других задают при выборе сканера, поскольку разрешение - один из самых главных параметров сканера, от которого существенно зависит возможность получения высококачественных результатов сканирования. Однако это вовсе не означает, что следует стремиться к максимальному возможному разрешению, тем более, что оно дорого стоит.

Вырабатывая требования к разрешению сканера, важно уяснить общий подход. Сканер является устройством, преобразующим оптическую информацию об оригинале в цифровую форму и, следовательно, осуществляющим ее дискретизацию. Наданном этапе рассмотрения кажется, что чем мельче дискретизация (больше разрешение), тем меньше потерь исходной информации. Однако результаты сканировании предназначены для отображения с помощью некоторого устройства вывода, например, монитора или принтера. Эти устройства имеют свою разрешающую способность. Наконец, глаз человека обладает способностью сглаживать изображения. Кроме того, печатные оригиналы, полученные типографским способом или посредством принтера, также имеют дискретную структуру (печатный растр), хотя это может быть и не заметно для невооруженного глаза. Такие оригиналы обладают собственным разрешением.

Итак, есть оригинал с собственным разрешением, сканер со своей разрешающей способностью и результат сканирования, качество которого должно быть как можно выше. Качество результирующего изображения зависит от установленного разрешения сканера, но до некоторого предела. Если установить разрешение сканера больше собственного разрешения оригинала, то от этого качество результата сканирования, вообще говоря, не улучшится. Мы не хотим сказать, что сканирование с более высоким, чем у оригинала, разрешением бесполезно. Есть ряд причин, когда это нужно делать (например, когда мы собираемся увеличивать изображение при выводе на монитор или принтер или когда надо избавиться от муара). Здесь мы обращаем внимание на то, что улучшение качества результирующего изображения за счет повышения разрешения сканера не беспредельно. Можно увеличивать разрешение сканирования, не добиваясь при этом улучшения качества результирующего изображения, но зато увеличивая его объем и время сканирования.

О выборе разрешения сканирования мы еще неоднократно будем говорить в данной главе. Разрешение сканера - это максимальное разрешение, которое можно установить при сканировании. Так какая же величина разрешения нам нужна? Ответ зависит от того, какие изображения вы собираетесь сканировать и на какие устройства выводить. Ниже мы приведем лишь ориентировочные значения.

Если вы собираетесь сканировать изображения для последующего вывода на экран монитора, то обычно достаточно разрешения 72- l00ppi. Для вывода на обычный офисный или домашний струйный принтер - 100-150 ppi, на высококачественный струйный принтер - от 300 ppi.

При сканировании текстов из газет, журналов и книг с целью последующей обработки программами оптического распознавания символов (OCR - Optical Character Recognition) обычно требуется разрешение 200-400 ppi. Для вывода на экран или принтер эта величину можно уменьшить в несколько раз.

Для любительских фотографий обычно требуется 100-300 ppi. Для иллюстраций из роскошных типографских альбомов и буклетов - 300-600ppi.

Если вы собираетесь увеличивать изображение для вывода на экран или принтер без потери качества (четкости), то разрешение сканирования следует установить с некоторым запасом, т. е. увеличить его в 1.5-2 раза по сравнению с приведенными выше значениями.

Рекламным агентствам, например, требуется высококачественное сканирование слайдов и бумажных оригиналов. При сканировании слайдов для вывода на печать в формате 10x15 см потребуется разрешение 1200 ppi, а в формате А4-2400 ppi.

Обобщая изложенное выше, можно сказать, что в большинстве случаев аппаратного разрешения сканера 300 ppi достаточно. Если же сканер имеет разрешение 600 ppi, то это очень хорошо.

Выше я объяснял, почему для сканеров некорректно пользоваться термином точка на дюйм (dots-per-inch - dpi). В различных видах устройств ввода и вывода, которые соединяются с компьютерами, разрешающая способность измеряется в разных единицах, соответствующих данному типу устройства. Разрешающая способность принтеров и компьютерных фотонаборных устройств измеряется в точках на дюйм, считающихся реальными точками, которые наносятся этими устройствами на бумагу или пленку. Эти точки, как правило, овальные или круглые, а в некоторых приборах их размер действительно может изменяться.

В таких специализированных принтерах, как принтеры с термопереносом красителя, может меняться даже интенсивность отдельных точек. Благодаря природе используемых красителей количество переносимого красителя можно варьировать от 0 (отсутствие красителя) до 255 (полный цвет). Во всех случаях независимо от вариации эти устройства изображают точки и их разрешение правильно измерять с помощью такого критерия, так количество точек на дюйм.

Компьютерные дисплеи измеряются в других единицах, пикселях. Разрешение монитора также может вызвать замешательство из-за такого термина, как шаг расположения точек (dot pitch, расстояние между двумя пикселями одного цвета на экране). По отношению к компьютерному дисплею также легко представить себе такие единицы измерения, как пиксели на дюйм (pixels-per-inch - ppi), хотя их количество в действительности может быть не настолько важным, как вы привыкли считать. Ваш компьютер ничего не знает о количестве пикселей на дюйм на мониторе дисплея. Все, что его волнует, - это сколько пикселей в длину и в высоту помещается на экране. Один и тот же монитор может быть настроен на 1024x768 пикселей, 1600x1200 пикселей или (как у меня) на 1920x1440 пикселей. Более высокое разрешение не делает изображение, которое вы видите, более четким. Оно просто делает меньше отдельные элементы. При увеличении разрешающей способности экрана такие элементы, как меню, диалоговые окна и курсоры, становятся меньше, освобождая дополнительное пространство для других элементов, например рисунков. Диалоговое окно размером, скажем, 400x400 пикселей при разрешении монитора 640x480 может занимать почти весь экран. При более высоком разрешении, 1920x1440, оно останется равным точно 400x400 пикселей и не станет четче. Оно просто будет в три раза меньше.

Как уже говорилось выше, многие люди поступают глупо, используя настройки операционной системы Windows для изменения "разрешения" монитора до 72, 96 или 120 точек на дюйм. Эти настройки ничего не меняют на экране, кроме размеров шрифтов, позволяя вам варьировать их для создания комфортного для взгляда внешнего вида. Нешрифтовые изображения будут выглядеть на экране точно так же при любом из этих "разрешений".

ТОЧКИ НА ДЮЙМ ИЛИ ЛИНИИ НА ДЮЙМ

При работе с принтерами или компьютерными фотонаборными устройствами не смущайтесь, если в применении к фотографиям встретите термин линии (или строки) на дюйм (lines-per-inch - l pi). Как вам должно быть известно, фотографии печатаются с помощьюэкранов полутонов. Поскольку во многих видах устройств вывода размер точек не может достаточно изменяться, чтобы описать все различные оттенки и цвета, присутствующие на фотографии, для создания оптического эффекта используются полутона. Участки изображения на экране делятся на крошечные точки разных размеров, которые человеческий глаз воспринимает слитно, в результате чего образуются белые, черные, пастельные и все остальные цвета изображения. Эти точки выстраиваются благодаря различным комбинациям точек принтера, использующих большие точки как матрицы. Например, если одна из этих больших точек, называемых ячейками, имеет размеры 8x 8 точек принтера по каждой стороне, то она содержит от 0 до 64 точек. При печати на страницу наш глаз может увидеть любой из 64 оттенков, которые описываются этими комбинациями.

Размер используемых клеток определяет разрешение экрана полутонов, которое измеряется в строках на дюйм. Предположим, что принтер может давать 1200 точек на дюйм. Если разделить эти 1200 dpi на клетки по 8 точек, получим, что максимальное количество строк на дюйм, которое может выдать этот принтер, равно 150 (1200 разделить на 8). Число линий на дюйм, или линиатура растра, определяет видимое разрешение фотографии, а также количество тонов, которые можно передать. Например, если вы воспользуетесь большей ячейкой размером 1010 точек, это даст 100 оттенков, но разрешение упадет до 120 строк на дюйм. Если вы не будете активно работать с полутонами, вам, вероятно, не понадобится вся эта информация, но она в любом случае поможет избежать путаницы с точками на дюйм и линиями на дюйм. На рис. 3.2 для примера показаны 16 комбинаций точек, возможных для квадратной ячейки принтера со стороной в четыре точки.

В начале этой главы я упоминал о том, что разрешение сканера правильно измерять в выборках (а не точках) на дюйм. Эти выборки собираются в массиве сенсоров, о чем говорилось выше в данной главе. Разрешение сканера в направлении X (ширина оригинала) определяется количеством отдельных сенсоров, считывающих каждую строку. Необходимое количество сенсоров рассчитать довольно просто:35-миллиметровый пленочный сканер может считывать изображение со слайда или негатива, ширина которого приблизительно равна одному дюйму; следовательно, для сканера с разрешением 4000 выборок на дюйм необходимо ровно 4000 отдельных элементов сенсора.

Для пленок большего размера необходимое количество сенсоров возрастает. Для пленочного сканера, способного принимать пленку шириной 6 см (приблизительно 2,25 дюйма), чтобы получилось изображение с разрешением 4000 элементов на дюйм, необходим ряд из 9000 сенсоров. Планшетные сканеры, как правило, сканируют отражающие оригиналы шириной до 8,5 дюймов (21,5 см), поэтому для получения разрешения 3200 выборок на дюйм чего необходимо 27 200 сенсоров. Конечно, планшетные сканеры, которые используются для работы с пленкой, могут воспринимать и диапозитивыи негативы, которые намного меньше, чем само ложе сканирования, - от 1 дюйма (2,5 см) шириной (35-миллиметровая пленка) до листов пленки размером 4x5 дюймов (10x13 см), поэтому при сканировании пленки используются не все сенсоры планшетного сканера. Как можно догадаться, разработка массивов сенсоров с таким огромным количеством отдельных элементов - дело непростое.

Разрешающая способность во втором направлении Y (длина сканируемого изображения) определяется расстоянием, которое сенсор проходит между строками. Оно называется шаговым приростом . Данный сканер будет неспособным к достаточно малому перемещению сенсора по вертикали, чтобы разрешение по вертикали соответствовало горизонтальному разрешению. Вот почему вы можете встретить такие спецификации сканеров, как разрешение 2400 spi по горизонтали на 1200 spi по вертикали. В большинстве случаев, видя такие спецификации, вы можете сказать, что продавец крайне честен. В среде производителей наблюдается тенденция пытаться подогнать величину вертикального разрешения до значения горизонтального, даже если для этого им приходится немного искажать цифры.

Например, сканер, о котором заявляют, что его разрешающая способность по вертикали составляет 2400 spi, в действительности может не давать так много строк в одном дюйме. Сам массив сенсоров, вероятно, в этом направлении шире, чем 1/2400 дюйма, поэтому единственный способ якобы передвинуть сенсор на такое маленькое расстояние - это сделать так, чтобы строки в некоторой степени перекрывались между собой. Обдумывая эту тему, можно понять, что у ПЗС-сенсоров есть еще одно потенциальное преимущество перед элементами КСИ в направлении Y. Если размер ПЗС-сенсора меньше, чем горизонтальный ход сканирования, он точно так же будет меньше и в вертикальном направлении, делая возможным маленький шаговый прирост. Физические размеры элементов КСИ, с другой стороны, больше, поэтому перемещать их по вертикали с крошечным шагом намного сложнее.

Итак, если говорить прямо, горизонтальное и вертикальное разрешение сканера может быть не совсем таким, как заявляется. На разрешение также влияет оптика, которая используется для фокусировки изображения, размер сканируемого участка и форма сенсора.

Более правдивой мерой резкости является частотно-контрастная характеристика, в которой учитывается тот простой факт, что оптические системы (в том числе и встроенные в сканеры) фокусируют все основные цвета спектра в отдельных точках. Разработчики сканеров понимают это, а также знают, что к одним цветам (например, зеленому) человеческий глаз более чувствителен, а к другим (например, синему) - менее. Поэтому оптика и сенсоры разрабатываются таким образом, чтобы оптимизировать резкость зеленого канала, в каком-то смысле за счет синего канала, поскольку в таком случае общая картинка будет казаться "четче". По сути, в сканерах до 60% картинки формирует изображение зеленого канала, 30% - изображение красного и только 10% - изображение синего канала. Все эти факторы вносят вклад в четкость конечного изображения, которое абсолютно нельзя связать с "сырым" значением разрешающей способности в выборках на дюйм (или точках на дюйм), которое так любят приводить продавцы сканеров.

ИНФОРМАЦИЯ ДЛЯ СПЕЦИАЛИСТОВ!

Если вас действительно интересует этот материал или вы просто хотели бы ознакомиться со всеми пунктами, которые учитываются при вычислении реальной четкости отсканированного изображения, найдите в поисковой системе Google (www.google.com) две новые спецификации ISO (International Standards Organization - Международная орга низация по стандартизации), разработанные для сканеров. IS016067-1 касается стандартов измерения разрешающей способности сканеров, предназначенных для отражающих оригиналов, а тех, кто интересуются сканированием пленок, больше заинтересует стандарт IS016067-2. Существует еще один стандарт, ISO 21550, который касается динамического диапазона. Следует заметить, что любые предложенные стандарты, прежде чем стать официальными международными стандартами, должны пройти стадии рабочих проектов, проектов на рассмотрении комитета и еще несколько этапов.

Сканер - устройство для ввода графической растровой информации в ЭВМ. Список приложений сканера почти бесконечен, на сегодняшний день сложились и производятся следующие разновидности этих устройств:

• высококачественные барабанные сканеры, которые способны обрабатывать как прозрачные, так и непрозрачные изображения - от 35-мм пленок до материалов размером 16 футов на 20 дюймов с высоким (свыше 10 000 тнд) разрешением;
• планшетные настольные сканеры универсального назначения;
• компактные сканеры документов, предназначенные исключительно для оптического считывания и распознавания документов;
• специальные фотосканеры, которые работают, перемещая фотографию по неподвижному источнику света;
• сканеры слайдов или негативов, работающие с прозрачными изображениями;
• ручные сканеры для использования на небольшом пространстве стола.

• а - планшетный (flatbed) сканер Epson Perfection 3490;
• б - сканер документов (pass-through scanner) Kodak i30;
• в - сканер кинофильмов (35 mm film scanner) Nikon Coolscan 5000 ED;
• г - ручной сканер Mustek.

Устройство и функционирование сканеров

Сканер - устройство, конвертирующее видимое изображение в поток бинарных сигналов, иными словами - осуществляющее преобразование оптических аналоговых данных в электрические цифровые.

Изображение помещается перед кареткой, которая состоит из источника освещения и массива датчиков.

Свет от трубки поступает на датчики, которые считывают оптические данные (например, ПЗС), затем проходит призмы, линзы и Другие оптические компоненты. Подобно очкам или лупам, эти элементы могут весьма различаться по качеству. Высококачественный сканер использует точную стеклянную, просветленную оптику со светофильтрами исправления цвета. В более дешевых моделях применяются пластмассовые компоненты, чтобы уменьшить затраты.

Интенсивность света, отраженного или прошедшего сквозь изображение и собранного датчиком, преобразуется в напряжение, пропорциональное световой интенсивности.

Датчики сканеров

Датчик изображения обычно реализуется по одной из трех технологий:

• фотоэлектронный умножитель (ФЭУ или photomultiplier tube - РМТ) - технология, унаследованная от барабанных сканеров прошлого;
• прибор с зарядовой связью (ПЗС или charge-coupled device - CCD) - датчик, типичный для настольных сканеров;
• контактный сенсор изображения (contact image sensor - CIS) - более новая технология, которая интегрирует функции и позволяет создавать сканеры более компактных размеров.

Технология фотоэлектронных умножителей

ФЭУ - технология датчиков высокопроизводительных цветных барабанных сканеров, которые используются обычно для подготовки матриц цветной полиграфии. Дорогостоящие и тяжелые в обслуживании, они были основными устройствами ввода изображений в ЭВМ до появления настольных сканеров.

Оригинал изображения здесь тщательно закрепляется на цилиндрическом барабане, который начинает вращаться с высокой скоростью. Каретка с датчиками и осветителями начинает перемещаться вдоль изображения. Управлять разрешением или размером изображения можно, подбирая скорость движения каретки, оптическую силу линз и радиус барабана.

ФЭУ-сканеры имеют два источника освещения, один для сканирования в отраженном свете, другой - для прозрачных оригиналов. Свет подсветки расщепляется на три луча, которые проходят через светофильтры (красный, зеленый и синий), а затем попадают на трубку фотоумножителя, где световая энергия преобразуется в электрический сигнал. ФЭУ-сканеры имеют намного более высокую светочувствительность и более низкий уровень шума, чем сканеры ПЗС, и, следовательно, способны к хорошей передаче тонов, будучи менее восприимчивыми к ошибкам в преломлении или фокусировке света, чем их планшетные коллеги.

Однако барабанные сканеры медленнее и дороже, чем сканеры ПЗС. В настоящее время они обычно используются только в специализированных высокопроизводительных приложениях.

Прибор с зарядовой связью (ПЗС)

Технология прибора с зарядовой связью, которая лежит в основе настольных сканеров, ранее использовалась долгое время в таких устройствах, как телефаксы и цифровые камеры. ПЗС - твердотельное электронное устройство, которое конвертирует свет в электрический заряд. Датчик настольного сканера, как правило, имеет массив (линейку) из тысяч элементов ПЗС, размещенных на подвижной каретке. Отраженный свет лампы сканера, пройдя светофильтры, направляется на массив ПЗС через систему зеркал и линз.

Контактный сенсор (CIS)

Это относительно новая технология Датчиков, которая начала появляться на рынке планшетных сканеров в конце 1990-х годов Сканеры этой системы используют компактные банки красных, зеленых и синих светодиодов в сочетании с линейкой датчиков ПЗС, помещенных чрезвычайно близко к исходному изображению. В результате получен сканер, который меньше, легче, дешевле и экономичнее, чем традиционное устройство на основе ПЗС, однако эта технология еще далека от совершенства.

Показатели эффективности сканера

Механизм датчика - не единственный фактор, который задает эффективность сканера. Следующие показатели являются важными аспектами спецификации устройства:

• разрешающая способность;
• разрядная глубина;
• динамический диапазон.

Разрешающая способность сканера

Разрешающая способность описывает точность устройства и обычно измеряется в точках на дюйм (тнд). Типичная разрешающая способность недорогого настольного сканера в конце 1990-х годов составляла 300 х 300.

Типичный планшетный сканер использует элемент ПЗС для каждого пикселя, так что для настольного сканера, имеющего горизонтальную оптическую разрешающую способность 600 тнд и максимальную ширину документа 8.5", требуется массив из 5100 (5100=600 x 8.5) элементов ПЗС в блоке, известном как сканирующая головка.

Головка устанавливается на каретке, которая перемещается вдоль оригинала изображения. Хотя движение кажется непрерывным, перемещение происходит дискретными шагами (в доли дюйма), и в каждой паузе осуществляется считывание информации. В случае планшетного сканера головка управляется шаговым двигателем - устройством, которое поворачивает ось на данный угол (и не больше) каждый раз, когда подан электрический импульс.

Число физических элементов в массиве ПЗС определяет интервал дискретизации направления X, а количество остановок на дюйм задает дискретизацию направления У. Хотя они обычно упоминаются как «разрешающая способность» сканера, термин не вполне точен. Разрешающая способность (возможность сканера выявить все подробности изображения) определяется качеством электроники, оптики, фильтров и моторного привода, а также частотой дискретизации (оцифровки).

К концу 1998 года максимальная плотность элементов ПЗС в линейке составляла 600 на 1 дюйм. Однако видимая разрешающая способность может быть увеличена, используя методику, известную как интерполяция, которая заключается в программном или аппаратном вычислении промежуточных значений сигнала и их вставке между реальными данными. Некоторые сканеры делают это более эффективно, другие - менее. Естественно, формулируя требования к разрешению сканера, не следует забывать о его согласовании с параметрами устройства вывода информации.

Рассмотрим, как можно было бы оценить требования к разрешению сканеров в зависимости от качества выходного изображения.

Цветная полиграфия

Здесь оборудование, воспроизводящее различные уровни цвета, использует метод, именуемый обработкой полутонов. Наборные устройства, используемые в офсетной печати - технологии печати глянцевых журналов - способны к выводу 133 строк/дюйм. Как показывает опыт, для получения качественной печати разрешение сканера должно быть в 1.5 раза выше, то есть около 200 тнд.

Струйный принтер

При сканировании для последующего вывода на принтер разрешающая способность сканера должна соответствовать разрешающей способности вывода настолько близко, насколько возможно, принимая во внимание относительные размеры оригинала и выходного изображения. Если они одинаковы, никакой корректировки не требуется. Если, однако, выходное изображение должно быть напечатано в ином размере (большем или меньшем, чем оригинал), разрешение сканера должно быть соответственно откорректировано.

Предположим, необходимо от сканированную почтовую марку размером 1 х 1.5 «напечатать на струйном принтере, который имеет разрешение печати 600 тнд, причем изображение должно быть увеличено и составить в размере 2 х 3». Если бы марка сканировалась при разрешении 600 тнд, от сканированное изображение имело бы 600 пикселей по вертикали (1«умножить на 600) и 900 пикселей по горизонтали (1.5» умножить на 600). Увеличение изображения до размера, предназначенного для печати (2 х 3«), уменьшает фактическую разрешающую способность до 300 тнд (900/3=300, поскольку 900 горизонтальных пикселей будут расположены в 3»), и так же в вертикальном измерении. Это только половина разрешающей способности принтера, и качество вывода будет ниже оптимального. Для лучшего качества напечатанного изображения, которое фактически использует 600 тнд, сканирование должно проводиться при 1200 тнд.

Вывод на монитор

Подобные расчеты можно сделать также, если размер выводимого образа меньше, чем оригинал. Предположим, необходимо от сканировать фотографию размером 4 х 5, которая будет отображена на WEB странице в половинном размере, 2 х 2.5. Компьютерные мониторы обычно имеют разрешающую способность 72 или 90 тнд. Сканирование фотографии при 72 тнд дает изображение размером в 288 x 360 пикселей. Сокращение этого размера в 2 раза давало бы изображение с вертикальной разрешающей способностью 144 тнд, что вдвое больше необходимой. В этом примере оригинальное изображение могло быть от сканировано при 36 тнд без потери качества результирующего изображения.

Соотношения, используемые в этих примерах, описываются следующей формулой:

SR=(DR x DW)/OW.

где SR - идеальное разрешение сканера, тнд;

DR - разрешение устройства вывода, тнд;

DW - ширина, с которой изображение будет напечатано или отображено, в дюймах;

OW - ширина сканируемого оригинала, в дюймах.

Интерполяция

Несмотря на то что в спецификациях сканеров могут указываться разрешающие способности в 2400.4800 и 9600, необходимо понимать, что реально они не способны к различению такого уровня подробности. Фактическое оптическое разрешение ПЗС в самых современных сканерах в лучшем случае - 600 х 1200 тнд, и любые более высокие показатели основаны на интерполяции.

Указание неоднородной разрешающей способности (например, 600 х 1200 тнд) обязательно подразумевает аппаратную интерполяцию, так как прием данных при 600 тнд по одной оси (X) и 1200 по другой (Y) явно не приведет к «квадрату» изображения. При 600 х 600 тнд такой сканер будет понижать разрешение в 1200 тнд по оси Y до 600 (обычно это делается путем увеличения вдвое шага двигателя, который перемещает головку), а при 1200 х 1200 - будет интерполировать измерение X. При этом чип интегральной схемы в сканере генерирует дополнительные данные, используя точки, которые фактически сняты сканером, и прогнозируя наиболее вероятный цвет и яркость промежуточных пикселей.

Цветовые сканеры

Головки одних цветовых сканеров содержат единственную флюоресцентную трубку с тремя ПЗС, снабженными цветными фильтрами, в то время как другие имеют три цветные трубки и единственный блок ПЗС. Первые производят полное цветовое изображение за единственный проход, в то время как вторые - за три прохода. Однако с конца 1990-х годов однопроходные устройства составляют большинство цветовых сканеров.

Эти сканеры используют один из двух методов: либо расщепление луча, либо ПЗС с цветовыми фильтрами. В первой конструкции свет, проходящий через призму, разделяется на три первичных цвета, каждый из которых считывается соответствующими ПЗС. Этот метод считается наилучшим для обработки отраженного света, но для снижения затрат многие изготовители используют три массива ПЗС, каждый из которых покрыт фильтрующей пленкой так, чтобы он воспринимал только один из первичных цветов. Будучи технически менее точным, этот метод обычно производит результаты, которые трудно отличить от таковых для сканера с расщеплением луча.

Разрядная глубина

Разрядная (битовая, цветовая) глубина сканера характеризует количество информации, содержащейся в одном пикселе выходного образа. Самый простой сканер (черно-белый сканер на 1 бит) использует для представления каждого пикселя «1» или «0». Чтобы воспроизвести полутона между черным и белым, сканер должен иметь хотя бы 4 бита (для 16=2 4 полутонов) или 8 бит (для 256=2 8 полутонов) на каждый пиксель.

Самые современные цветовые сканеры поддерживают не менее 24 бита, что означает фиксацию 8 бит информации по каждому из первичных цветов (красный, синий, зеленый). Устройство на 24 бита может теоретически фиксировать более чем 16 млн различных цветов, хотя практически это число намного меньше. Это почти фотографическое качество, и упоминается поэтому обычно как «полно цветное» сканирование («true colour» scanning).

В последнее время все более увеличивающийся список изготовителей предлагает сканеры с разрядной глубиной на 36 или 30 бит. Хотя немногие прикладные программы машинной графики способны к обработке изображений с глубиной более чем 24 бита, этот избыток разрешения позволяет осуществлять полезные операции по редактированию графики как в драйверах, так и в приложениях.

Динамический диапазон. Динамический диапазон по своей сути подобен разрядной глубине, которая описывает цветовой диапазон сканера, и определяется как функционированием АЦП сканера, так и чистотой света, качеством цветных фильтров и уровнем любых помех в системе.

Динамический диапазон измеряется в шкале от 0.0 (абсолютно белый) до 4.0 (абсолютно черный), и единственное число, данное Для конкретного сканера, говорит, сколько оттенков модуль может Различить. Большинство цветных планшетных сканеров с трудом воспринимает тонкие различия между темными и светлыми цветами на обоих концах диапазона и имеет динамический диапазон около 2.4. Это конечно, немного, но обычно достаточно для проектов, где идеальный цвет - не самоцель. Для получения большего динамического диапазона следует использовать цветовой планшетный сканер высшего качества с увеличенной разрядной глубиной и улучшенной оптикой. Эти высокопроизводительные модули обычно обеспечивают динамический диапазон между 2.8 и 3.2 и хорошо подходят для большинства приложений, требующих высококачественный цвет (например, офсетная печать). Наиболее близко к пределу динамического диапазона позволяют подойти барабанные сканеры, часто обеспечивающие значения от 3.0 до 3.8.

Теоретически сканер на 24 бита предлагает диапазон 8 бит (256 уровней) для каждого первичного цвета, и различие между двумя из 256 уровней обычно не воспринимается человеческим глазом. К сожалению, наименьшие из значащих битов теряются в шуме, в то время как любые тональные исправления после сканирования еще более сужают диапазон. Именно поэтому лучше всего предварительно устанавливать любые исправления яркости и цвета на уровне драйвера сканера перед заключительным сканированием. Более дорогие сканеры с глубиной 30 или 36 бит имеют намного более широкий диапазон, предлагая более детализированные оттенки, и разрешают пользователю делать тональные исправления, заканчивающиеся приличным 24-битовым изображением. Сканер на 30 бит принимает 10 бит данных на каждый цвет, в то время как сканеры на 36 бит - по 12 бит. Драйвер сканера позволяет пользователю выбрать, какие именно 24 бита из исходных 30 или 36 бит сохранить, а какие - нет. Эта настройка делается путем изменения «кривой цветовой гаммы» (Gamma Curve) и доступна при обращении к Настройке тонов (Tonal Adjustment control) драйвера TWAIN.

Режимы сканирования

Среди общего разнообразия методов представления изображения в ЭВМ наиболее распространенными являются:

• штриховая графика (line art);
• полутоновое изображение (greyscale);
• цветное изображение (colour).

Штриховая графика - наиболее простой формат. Так как сохраняется только черно-белая информация (в компьютере черный цвет представлен как «1» и белый как «0»), требуется только 1 бит данных, чтобы сохранить каждую точку просмотренного изображения. Штриховая графика наиболее подходит при сканировании чертежей или текста.

Полутоновое изображение . В то время как компьютеры могут сохранять и выдавать изображения в полутонах, большинство принтеров не способно печатать различные оттенки серых цветов. Они применяют метод, названный обработкой полутонов, используя точечный растр, имитирующий полутоновую информацию.

Изображения в оттенках серого - наиболее простой метод сохранения графики в компьютере. Человек может различить не более 255 различных оттенков серого, что требует единственного байта данных со значением от 0 до 255. Данный тип изображения составляет эквивалент черно-белой фотографии.

Полноцветные изображения - наиболее объемные и самые сложные, сохраняемые и обрабатываемые в персональном компьютере, используют 24 бита (по 8 на каждый из основных цветов), чтобы представить полный цветовой спектр.

Конструкции сканеров

По областям применения различают персональные и производственные сканеры, а по технической реализации - ручные, планшетные и проекционные устройства.

Классификация сканеров

Существует немало моделей сканеров, которые различаются методом сканирования, допустимым размером оригинала и качеством оптической системы. По способу организации перемещения считывающего узла относительно оригинала сканеры делятся на планшетные, барабанные и ручные. В планшетных сканерах оригинал кладут на стекло, под которым двигается оптико-электронное считывающее устройство. В барабанных сканерах оригинал через входную щель втягивается барабаном в транспортный тракт и пропускается мимо неподвижного считывающего устройства. Барабанные сканеры не дают возможности сканировать книги, переплетенные брошюры и т.п.. Ручной сканер необходимо плавно перемещать вручную по поверхности оригинала, что не очень удобно. При систематическом использовании лучше иметь, хоть и более дорогой, настольный планшетный сканер.

Основные технические характеристики сканеров:

Разрешающая способность. Сканер рассматривает любой объект как набор отдельных точек (пикселов). Плотность пикселов (количество на единицу площади) называется разрешающей способностью сканера и измеряется в dpi (dots per inch - точек на дюйм). Пиксели располагаются строками, образовывая изображение. Процесс сканирования происходит по строкам, вся строка сканируется одновременно. Обычная разрешающая способность сканера составляет 200-720 dpi. Большее значение (свыше 1000) отображает интерполяционную разрешающую способность, достигаемую программным путем с использованием математической обработки параметров расположенных возле точек изображения.

Качество отсканированного материала зависит также от оптической разрешающей способности (определяется количеством светочувствительных диодов CCD-матрицы на дюйм) и механической разрешающей способности (определяется дискретностью движения светочувствительного элемента или системы зеркал относительно листа). Выбор разрешающей способности определяется дальнейшим применением результатов сканирования: для художественных изображений, печатаемых на фотонаборных машинах разрешающая способность должна составлять 1000-1200 dpi, для печати изображения на лазерном или струйном принтере - 300-600 dpi, для просмотра изображения на экране монитора - 72-150 dpi, для распознавания текста - 200-400 dpi.

Глубина представления цветов. При преобразовании оригинала в цифровую форму, сохраняются данные о любом пикселе изображения. Простые сканеры определяют наличие или отсутствие цвета, результирующее изображение будет черно-белым. Для представления пикселов достаточно одного разряда (0 или 1). Для передачи оттенков серого между черным и белым цветом необходимо как минимум 4 разряда (16 оттенков) или 8 разрядов (256 оттенков). Чем больше разрядов, тем качественней передаются цвета. Большинство современных цветных сканеров поддерживает глубину цвета 24 разряда. Соответственно, сканер разрешает распознавать около 16 млн. цветов и можно качественно сканировать фотографии. На рынке сканеров есть модели, которые имеют глубину представления цвета 30 и 34 разряда.

Динамический диапазон. Диапазон оптической плотности, определяет спектр полутонов. Оптическая плотность определяется как отношение падающего света к отраженному и колеблется в диапазоне от 0,0 (абсолютно белое тело) до 4,0 (абсолютно черное тело). Значение диапазона дополняется буквой D и определяет степень его чувствительности. Большинство планшетных сканеров имеют стандартный диапазон 2,4 D, неважно различают близкие оттенки одного цвета, но этого достаточно для непрофессионального пользователя.

Метод сканирования. Качество сканированного цветного изображения зависит от метода накопления сканером данных. Различают два основных метода, которые отличаются количеством проходов CCD-матрицы над оригиналом. Первые сканеры использовали 3-проходное сканирование. При каждом проходе сканировался один из цветов палитры RGB. Современные сканеры используют однопроходную методику, которая разделяет световой луч на составляющие с помощью призмы.

Область сканирования. Максимальный размер сканируемого изображения. Ручные сканеры - до 105 мм, барабанные, планшетные сканеры - от формата А4 до Full Legar (8.5"x14").

Скорость сканирования. Нет стандартной методики, которая определяет производительность сканера. Производители указывают количество миллисекунд сканирования одной строки. Но нужно учитывать также способ подсоединения к компьютеру, драйвер, схему передачи цветов, разрешающую способность. Поэтому скорость сканирования определяется экспериментальным путем.

Модемы

Модем - это устройство, предназначенное для подсоединения компьютера к обычной телефонной линии. Название происходит от сокращения двух слов - Модуляция и Демодуляция.

Компьютер вырабатывает дискретные электрические сигналы (последовательности двоичных нулей и единиц), а по телефонным линиям информация передается в аналоговой форме (то есть в виде сигнала, уровень которого изменяется непрерывно, а не дискретно). Модемы выполняют цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразования. При передаче данных, модемы накладывают цифровые сигналы компьютера на непрерывную частоту телефонной линии (модулируют ее), а при их приеме демодулируют информацию и передают ее в цифровой форме в компьютер. Модемы передают данные по обычным, то есть комутированным, телефонным каналам со скоростью от 300 до 56 000 бит в секунду, а по арендованным (выделенным) каналам скорость может быть и выше. Кроме того, современные модемы осуществляют сжатие данных перед отправлением, и соответственно, реальная скорость может превышать максимальную скорость модема.

По конструктивному выполнению модемы бывают встроенными (вставляются в системный блок компьютера в один из слотов расширения) и внешними (подключаются через один из коммуникационных портов, имеют отдельный корпус и собственный блок питания). Однако, без соответствующего коммуникационного программного обеспечения, важнейшей составляющей которого является протокол, модемы не могут работать. Наиболее распространенными протоколами модемов являются v.32 bis, v.34, v.42 bis и прочие.

Современные модемы для широкого круга пользователей имеют встроенные возможности отправления и получения факсимильных сообщений. Такие устройства называются факсами-модемами. Также, есть возможность поддержки языковых функций, с помощью звукового адаптера.

На выбор типа модема влияют следующие факторы:

• цена: внешние модемы стоят дороже, поскольку в цену входит стоимость корпуса и источника питания;
• наличие свободных портов/слотов: внешний модем подсоединяется к последовательному порту. Внутренний модем к слоту на материнской плате. Если порты или слоты занятые, нужно выбрать одно из устройств;
• удобство пользования: на корпусе внешнего модема имеются индикаторы, отображающие его состояние, а также выключатель источника питания. Для установки внешнего модема не нужно разбирать корпус компьютера.

Контрольные вопросы

1. Какие устройства называются периферийными? Почему?
2. Опишите принцип действия матричных принтеров.
3. Какие вы знаете потребительские характеристики принтеров?
4. В каких единицах измеряется разрешающая способность принтеров и сканеров?
5. В чем состоит принцип действия лазерных принтеров?
6. Какая цветовая модель реализована в цветных струйных принтерах?
7. Для чего предназначенные сканеры? В каких случаях их целесообразно использовать?
8. Чем определяется выбор разрешающей способность сканирования?
9. Какие типы сканеров вы знаете? В чем между ними разница?
10. Какие функции выполняют модемы?
11. Какие факторы влияют на выбор типа модема?

Лекция 8 " Программное обеспечение"

В основу работы компьютеров положен программный принцип управления, состоящий в том, что компьютер выполняет действия по заранее заданной программе. Этот принцип обеспечивает универсальность использования компьютера: в определенный момент времени решается задача соответственно выбранной программе. После ее завершения в память загружается другая программа и т.д.

Программа - это запись алгоритма решения задачи в виде последовательности команд или операторов языком, который понимает компьютер. Конечной целью любой компьютерной программы является управление аппаратными средствами.

Для нормального решения задач на компьютере нужно, чтобы программа была отлажена, не требовала доработок и имела соответствующую документацию. Поэтому, относительно работы на компьютере часто используют термин программное обеспечение (software), под которым понимают совокупность программ, процедур и правил, а также документации, касающихся функционирования системы обработки данных.

Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в неразрывной связи и взаимодействии. Состав программного обеспечения вычислительной системы называется программной конфигурацией. Между программами существует взаимосвязь, то есть работа множества программ базируется на программах низшего уровня.

Междупрограммный интерфейс - это распределение программного обеспечения на несколько связанных между собою уровней. Уровни программного обеспечения представляют собой пирамиду, где каждый высший уровень базируется на программном обеспечении предшествующих уровней. Схематично структура программного обеспечения приведена на рис. 1.

Поскольку видимость (для сканера) цветов и оттенков на бумаге определяется цветом освещения, белый цвет лампы представляется нейтральным и универсальным (позволяющим видеть точки любого цвета). Однако белые лампы быстро теряют яркость и в сканерах, рассчитанных на продолжительное интенсивное сканирование применяют зеленые фосфорные лампы. При этом сканер проявляет тенденцию к подавлению светло-зеленых и светло-голубых цветов на странице. Этот эффект иногда даже используется при обработке форм (распознаваемые формы печатают на светло-голубых или зеленых бланках). Но исторически многие бумаги в сфере страхования и здравоохранения были изготовлены на розовой или красной бумаге, поэтому широкое распространение получили красные лампы для подавления соответствующего фона. В настоящее время все изготовители производственных сканеров допускают заказ устройства с лампой необходимого цвета или заказ дополнительно одной (нескольких) цветных ламп (или светофильтров) для улучшенного сканирования в конкретных обстоятельствах.

Основные технические параметры сканеров

Разрешающая способность

Разрешающая способность, или разрешение, -- один из наиболее важных параметров, характеризующих возможности сканера. Наиболее распространенная единица измерения разрешающей способности сканеров -- количество пикселов на один дюйм (pixels per inch, сокращенно ppi ). Не следует отождествлять ppi с более распространенной аббревиатурой dpi (dots per inch, количество точек на дюйм). Последняя единица используется для измерения разрешающей способности растровых печатающих устройств и имеет несколько иной смысл.

Различают оптическое и интерполированное разрешение. Величину оптического разрешения можно вычислить, разделив количество светочувствительных элементов в сканирующей линейке на ширину планшета. Нетрудно сосчитать, что количество светочувствительных элементов у сканера, имеющего оптическое разрешение 600 ppi и формат планшета Legal (то есть шириной 8,5 дюйма, или 216 мм) должно составлять не менее 5100, а при разрешении 1200 ppi -- 11 000! Говоря о сканере как об абстрактном цифровом устройстве, важно понимать, что оптическое разрешение -- это частота дискретизации , только в данном случае отсчет идет не по времени, а по расстоянию.

В табл. 1 приведены требуемые значения разрешающей способности для наиболее распространенных задач. Как вы можете заметить, при сканировании в отраженном свете в большинстве случаев более чем достаточно разрешения в 300 ppi, а более высокие значения требуются в основном для работы с прозрачными оригиналами, в частности 35-миллиметровыми диапозитивами и негативами.

Многие производители, стремясь привлечь покупателей, указывают в документации и на коробках своих изделий значение оптического разрешения 600x1200 ppi (или соответственно 1200x2400). Однако вдвое большая цифра для вертикальной оси означает не что иное, как сканирование с половинным вертикальным шагом и дальнейшей программной интерполяцией, так что в данном случае оптическое разрешение этих моделей фактически остается равным первой цифре.

Интерполированное разрешение -- это повышение количества пикселов в отсканированном изображении за счет программной обработки. Величина интерполированного разрешения может во много раз превышать величину оптического разрешения, однако следует помнить, что количество информации, полученной с оригинала, будет таким же, как и при сканировании с оптическим разрешением. Иными словами, повысить детальность изображения при сканировании с разрешением, превышающим оптическое, не удастся.