Лекція 10

Лекція 10

Сканери: конструкція, принцип дії

Сканер є пристроєм, який дозволяє оцифровувати зображення фотографій, малюнків, книг, монет, друкарських плат і інших більш менш плоских об'єктів. Раніше сканери коштували досить дорого, але зараз ціни на них знизилися, так що тепер вони використовуються досить часто.

Не дивлячись на велику кількість моделей сканерів, класифікувати їх можна всього по декількох ознаках:

- можливості оцифрування кольорового зображення,

- способу формування зображення, особливостям використання (тип механізму або його відсутність),

- максимальному дозволу,

- інтерфейсу, тобто способу підключення до РС.

З першим все зрозуміло - для введення кольорового зображення потрібний кольоровий сканер. Зазвичай у кольорових сканерів колірний дозвіл 24 або 32 бита, у деяких моделей більше. Внутрішньо представлення кольору, як правило, більше, ніж зовнішнє. Якщо сканер чорно-білий, то мова йде про тому, скільки градацій сірого може розрізнити фотоелемент сканера. На якість сканування, особливо кольорового, сильно впливає колірна чутливість скануючого елементу. Чим більше його колірний діапазон, тим плавніше виходять колірні переходи і тим правдивіше виглядає отримане зображення. Хороші кольорові сканери здатні давати зображення практично фотографічної якості, а ось дешевим сканерам до нього, м'яко кажучи, далеченько.

Способів формування зображення три. Вони відповідно здійснюються приладом із зарядовим зв'язком (ПЗЗ), фотоелектронним помножувачем (ФЕП) або так званим контактним датчиком. ПЗЗ - це твердотільний електронний компонент, що складається з безлічі мініатюрних датчиків, що перетворюють падаюче на них світло в пропорційний його інтенсивності електричний заряд. У основу ПЗЗ покладена чутливість провідності p-n-перехода звичайного напівпровідникового діода до ступеня його освітленості. На p-n-переході створюється заряд, який зменшується з швидкістю, залежною від освітленості. Чим менше заряд, тим більше струм через діод.

Залежно від типу сканера (про це далі) ПЗЗ можуть мати різну конфігурацію. При лінійному способі прочитування мікродатчики ПЗЗ розміщуються на кристалі в одну лінію (для трипрохідного сканування) або три лінії (для однопрохідного сканування). Дешеві сканери обробляють оригінал за три проходи, більш дорогі і якісні використовують другий спосіб, який краще, оскільки продуктивніший. Спосіб відносно недорогий і дозволяє сканувати з високою якістю, тому ПЗЗ-СКАНЕРИ є найбільш поширеними. ПЗЗ також широко використовується в цифрових камерах.

У барабанних сканерах як світлочутливі прилади застосовуються фотоелектронні помножувачі. Джерелом світла служить ксеонова або вольфрамо-галогенна лампа. Її випромінювання за допомогою системи конденсаторних лінз і волоконної оптики фокусується на надзвичайно невеликій області сканованого об'єкту. ФЕП здійснюють електронне посилення відбитого від оригіналу світла (чим більше інтенсивність світла, тим більше електричний сигнал). Потрапляючи на катод ФЕП, світло вибиває з нього електрони, які, проходячи через пластини динодов, викликають вторинну електронну емісію. Коефіцієнт посилення залежить від властивостей матеріалу і кількості динодов. Напруга, прямо пропорційна освітленості катода ФЕП, знімається з анода і потім перетвориться в цифровий код. Фотоелектронні помножувачі дорогі, тому великої популярності не отримали.

Ще одна, технологія, що недавно з'явилася, називається CIS (Contact Image Sensor). Скануюча головка, виконана по CIS-технологии, має 3 основних компоненту – джерело світла, спеціальну циліндрову лінзу (або набір лінз), а також приймальний елемент з електронною начинкою для формування вихідного аналогового сигналу і синхронізації з іншими компонентами сканера, виконаними на єдиній друкарській платі. Як джерело світла у більшості сканерів з контактним датчиком використовуються світлодіоди, випромінювання яких відбивається від сканованого зображення, і, пройшовши через лінзу, фокусується на датчику зображення, який представлений фототранзисторами, виконаними за технологією MOS. На виході виходить аналоговий сигнал, який посилюється і подається на вхід аналого-цифрового перетворювача. В тому випадку, якщо необхідно сканувати кольорове зображення, джерелом світла служать світлодіоди трьох основних квітів (червоний, зелений, синій).

Оскільки світлодіоди, як і будь-яке інше джерело світла, не ідеальні, виникає ряд проблем, які потрібно вирішити виробникам сканерів:

- існують відмінності в інтенсивності свічення світлодіодів у складі однієї лінійки, причому різниця може досягати 50%.

- світлодіоди червоного кольору здатні при однаковій силі струму через них віддавати практично удвічі більше світловій енергії, чим світлодіоди синього і зеленого кольору.

- спостерігатимуться відмінності в інтенсивностях свічення світлодіодів у різних скануючих головок, навіть від одного виробника.

- нарешті, з часом наголошується зниження інтенсивності свічення, за деякими даними вже через 500 годин використання світлодіодів їх яскравість може знизитися на 30%. Тому виробники сканерів удаються до достатньо складної процедури калібрування скануючого елементу, вироблюваного перед кожним скануванням.

Плюсом сканерів, зроблених за такою технологією, є їх невеликі габарити і енергоспоживання, низька вартість при досить непоганій якості, тому сьогодні всі сканери нижчого і багато сканерів середнього цінового діапазону мають контактні датчики. Проте все ж таки якість сканування у них нижча, ніж у традиційних сканерів з ПЗЗ-ДАТЧИКАМІ, але вони і стоять подорожче.

Для користувача найбільш важливий тип самого сканера. Сканери бувають:

  • Ручні
  • Планшетні
  • Барабанні
  • Роликові
  • Проекційні

Ручні сканери найпростіші і тому дешевші. У невеликому корпусі знаходиться лише датчик і джерело світла, а переміщення цього агрегату щодо об'єкту здійснюється уручну. Природно, така технологія не є хорошою ні в одному відношенні, тому що само по собі якість сканування невисоко, і воно ще більше погіршується нерівномірністю переміщення сканера уздовж оригіналу. Якщо потрібно відсканувати великий оригінал, то доводитися робити це по частинах, а потім зшивати отримані шматочки, що, природно, дуже незручно. Нарешті, весь час возити сканер по поверхні (тому ручні канери часто називають граблями) теж мало кому принесе задоволення. Отже такі пристрої практично ніколи не використовуються, навіть не дивлячись на їх низьку вартість.

До категорії планшетних сканерів (часто їх називають ще настольными, але, здається, це неправильно, оскільки, наприклад, барабанний сканер теж не на підлогу ставиться) відносяться сканери, в яких скануюча головка переміщається уздовж оригіналу за допомогою крокового двигуна. Як і у копіювальних апаратів, у таких сканерів є кришка з дзеркалом (у сканерів з контактним датчиком внутрішня поверхня, навпаки, темного кольору), що дозволяє сканувати найрізноманітніші об'єкти. Зазвичай планшетний сканер призначений для сканування листів формату А4, але є сканери і великих розмірів. Багато сканерів можуть бути оснащені спеціальним слайд-адаптером (зазвичай отримується окремо), який перетворює сканер на слайд-сканер. До речі, є окремі слайд-сканеры, деякі з них навіть вставляються в 5" відсік, але планшетний сканер з адптером поза сумнівом универсальней і тому предпочтительней (якщо звичайно, не потрібно сканувати виключно слайди). Планшетні сканери унаслідок високої якості і досить низької вартості і простота використання, а також універсальності, набули повсюдного поширення. Мабуть, єдиним їх недоліком є великі габарити. При покупці планшетного сканера слід звернути увагу на те, за скільки проходів обробляється оргинал. Хороші сканери роблять це за один прохід, а ось дешевим необхідно цілих три, про що вже мовилося.

                                                                                     

У барабанних сканерах оригінал закріплюється на поверхні з прозорого матеріалу циліндрової форми (барабані), яка укріплена на масивній підставі, яка забезпечує необхідну стійкість. Барабан обертається з високою швидкістю (від 300 до 1350 оборотів в хвилину), а скануючий датчик, що знаходиться поряд з ним, через крихітну конусоподібну апертуру піксел за пікселом прочитує зображення. У барабанних сканерах використовуються датчики на основі ФЕП. Недолік барабанних сканерів в тому, що неможливо сканувати об'єкти, відмінні від листа, що гнеться, а також в тому, що вартість їх набагато перевищує вартість аналогічних планшетних сканерів. Зате у них найвище качестово отриманого зображення. Тому барабанні сканери використовуються в основному в офісній діяльності (типовий приклад - підрахунок голосів після виборів), коли важлива надійність і якість і не потрібно сканувати об'ємні об'єкти. Із-за великого барабана і масивної підстави важать такі апарати досить багато - до 100 кілограмів і більше (до речі, професійне захворювання людей, що займаються роботою з ними, є грижа). Отже навряд чи барабанний сканер підходить для використання будинку або в малому офісі, тим більше що хороші сучасні планшетні сканери практично не поступаються за якістю барабанним.

Ще один досить вид, що рідко зустрічається, - роликові сканери. У них оригінал пропускається за допомогою системи роликів (як в принтерах) і прочитується звичайною ПЗЗ-МАТРІЦЕЙ. Аналогом цих пристроїв є факс. До речі, багато роликові сканеы можуть передавати відскановане зображення як факсимільний документ, так що розглядати їх варто швидше не як сканери, а як факси, які можна підключити до комп'ютера і використовувати як сканер. Очевидно, що область застосування роликових сканров досить обмежена, хоча, з іншого боку, жоден інший сканер не може похвалитися умінням самостійно відправляти факси.

Проекційні сканери працюють приблизно також, як фотоапарат (ксати, цифрову фото- або відеокамеру теж можна розглядати як сканер). Оригінал распологается на підставці під скануючою головкою на відстані близько 30 cm. Зовнішнє освітлення цілком достатньо, тому власне підсвічування необов'язкове. Механізм повороту датчика усередині головки направляє його послідовно на кожну лінію об'єкту. Значної популярності проекційні сканери не отримали.

Ще один, декілька оригінальний спосіб полягає в установці скануючої головки в принтер замість стандартної. Взагалі-то ідея не нова - ще у восьмидесятих роках любителі поїти конструювали такі "принтеросканеры". Сенс цієї ідеї в тому, що, після заміни друкуючої головки на головку з фотоелементом і відповідною електронікою, в принтер вставляється лист, який потрібно відсканувати, і на друк пускається який-небудь документ з суцільною заливкою. Принтер справно пересуває головку по сканованому об'єкту, і таким чином ми поступово отримуємо попиксельный образ малюнка. Залишається тільки написати потрібні драйвера, щоб все було красиво, просто і зрозуміло, і виходить принтер і сканер за сумісництвом. Адже скануюча головка стоїть в порівнянні з сканером дуже дешево, а якщо принтер вже є (а він дійсно є, тому що, взагалі-то, зазвичай купують спочатку принтер, якщо тільки не йде мова про яку-небудь специфічну ситуацію), то мало хто з сусідів може похвалитися тим, що купив сканер вдесятеро дешевше. Все ну просто лопнуть від заздрості і побіжать в Sunrise (або куди вони там побіжать) за такою ж штучкою. Правда, невелика проблема в тому, що не на кожен принтер підходить перша головка, що попалася. І навіть якщо підійде, то як ви її підключатимете, а де узяти драйвера? Звичайно, якщо ви майстер на всі руки і до того ж відмінний програміст, то це не складе ніяких труднощів. А для тих, у кого руки ростуть звідти, звідки винні рости ноги, і хто взагалі навіть і не здогадується, що це за таке загадкове слово "програмування", фірми-виробники передбачили вже готові моделі принтерів з назвами типу "scanner upgradeble". Природно, скануючі головки пропонуються за окрему платню. Особисто я не бачу тут нічого хорошого, окрім ціни. Якість отриманого зображення помітно поступається нормальним сканерам, та і навряд чи комусь подобається постійно піднімати кришку принтера і лазити туди, щоб замінити головку. А швидкість сканування буде менша, ніж у найповільнішого планшетного сканера. І дозвіл буде не більший, ніж у принтера, а у принтера, як відомо, воно не найвище. Отже відмінність між справжнім сканером і головкою з фотоелементом, посадженою на вал принтера, приблизно таке, як, скажімо, між танком і підводним човном, хоча певна схожість між двома останніми предметами неодмінно є.

Для будь-якого сканера незалежно від його типу важливий дозвіл, який він підтримує. Він може коливатися від 100-150 dpi до до декількох тисяч dpi. Найбільший він у барабанних сканерів, трохи менше у планшетних. Планшетні сканери зазвичай мають дозвіл не менше 300 dpi, зазвичай близько 600. У хороших планшетних сканерів ця цифра може досягати 1200, 2400 dpi або навіть більше (до 4000-6000 dpi). А ось у ручних і роликових він звичайне близько 150-300, іноді більше. Дозвіл повинен відповідати завданням, для яких призначений сканер. Для того, щоб сканувати фотографії і зберігати їх у вигляді малюнків, щоб потім поглядати на моніторі, цілком достатньо і 300 крапок на дюйм. Для розпізнавання тексту більше 600 теж не потрібно. Якщо ви хочете сканувати для того, щоб потім зробити копію на принтері, то, як би високо не був дозвіл у сканера, все упреться в той дозвіл, з яким здатний друкувати принтер.

Часто дозвіл по горизонталі і вертикалі неоднаковий. Менша цифра у такому разі, як правило, позначає крок двигуна, а велика - дозвіл самого скануючого эдемента. Наприклад, 1200х600 dpi означає, що датчик здатний відсканувати оригінал з дозволом 1200 dpi, а крок двигуна, який переміщає цей датчик, обмежений 1/600 дюйма. Здається, дозволи порядка 2400х1200 dpi достатньо практично для будь-яких завдань (у тому числі і для підробки деяких документів і цінних паперів, якщо комусь хочеться спробувати), але не варто зараз купувати сканер з дозволом меншим, ніж 300 крапок на дюйм. При меншому дозволі починають помітно гірше працювати програми розпізнавання тексту, а принтер, для якого б менше ніж 300 dpi було граничним значенням, зараз знайти нелегко. Та і сканери з меншим дозволом (не вважаючи хіба що ручних, які мало кому потрібні) сьогодні вже не випускаються. Отже мінімумом швидше можна назвати що-небудь в районі 600х600 або, на худий кінець, 600х300 dpi.

Варто розрізняти дійсний дозвіл і дозвіл з урахуванням інтерполяційних можливостей пристрою. Дійсний дозвіл - дозвіл, з яким сканер може дійсно обробити оригінал. Але за допомогою інтерполяції (змішуванні декількох окремих елементів з метою отримати новий, але об'єктивніший) його можо підвищувати. Наприклад, якщо два сусідні піксели мають сответственно колірне насичення 36 і 88, то предпологается, що піксел, що стоїть між ними, має насиченість 62. Таким чином, дозвіл підвищується удвічі. У багатьох випадках це корисно (наприклад, при скануванні малюнків і фотографій), але краще, звичайно ж, мати високий реальний дозвіл.

 

Спрособи підключення сканера до комп’ютера

Найстаріший з них - підключити сканер до паралельного порту. Проте, він поганий тим, що швидкість цього самого порту вельми і вельми невелика, так що у багатьох випадках швидкість сканування обмежується саме портом, а не сканером. Крім того, сам по собі паралельний порт вже застарів, так що покуать сканер для паралельного порту зараз вже навряд чи стоїть. Ну тільки якщо на материнській платі немає роз'ємів USB і не вистачає грошей на SCSI (див. далі), але тоді, коли ви поміняєте системну плату на новішу, USB буде, так що зв'язуватися з антикварними технологіями варто тільки в тому випадку, якщо грошей на SCSI-контроллер або на нову системну плату немає зовсім і в майбутньому не передбачається, а сканер дуже потрібний хоч який-небудь.

Більш кращий варіант - скористатися шиною USB. Її пропускна спроможність помітно вище, ніж паралельного порту, тому гальм в роботі сканера декілька менше. В даний час він найвиграшніший в плані співвідношення ціни і якості, оскільки порти USB є на всіх більш менш современых системних платах, а різниці у вартості сканера для паралельного порту і аналогічного сканера для шини USB немає. До того ж ви додатково отримуєте простішу установку і можливість спокійний подключать/отключать пристрій під час роботи комп'ютера. Практично всі сканери, що випускаються зараз, можуть підключатися до USB.

Але якщо ви не хочете взагалі ніяких зайвих пригальмовувань, то тут може допомогти SCSI-интерфейс. Зазвичай SCSI-сканеры продаються вже зі своїми контроллерами (і тому стоять дорожче, ніж сканери для USB або LPT), але іноді можна купити і без нього. Останній варіант краще тоді, якщо у вас вже є SCSI-контроллер, оскільки другий навряд чи знадобиться, і не треба платити зайві гроші. Якщо в комплекті все-таки идует свій контроллер, то він є спрощеною версією справжнього SCSI-контроллера і підключити до нього, як правило, що-небудь окрім сканера (а часто і сканера тільки цій моделі або, що рідше, сканера тільки цієї фірми) не вийде. Слід зазначити, що іноді роз'єм кабелю для підключення до контроллера буває нестандартний, і використовувати сканер з іншим контроллером не представляється можливим (хоча звичайно, кабель за бажання можна і поміняти), тому потрібно звертати увагу на відповідність роз'єму стандарту - тоді ви уникнете можливих неприємностей з використанням сканера з нерідним контроллером. Оскільки пропускна спроможність шини SCSI набагато більша, ніж USB і тим більше паралельного порту, той час сканування зменшується дуже навіть помітно. SCSI-контроллер вставляється у вільний слот шини PCI. Раніше були контроллери для шини ISA, але тепер вони застаріли і знайти їх досить важко, та і не варто шукати, оскільки шина ISA не відрізняється хорошою швидкодією і продуктивність сканера, підключеного до ISA-контроллеру, може впасти. Отже якщо є гроші і вам дійсно потрібно сканувати досить часто, то перевага, безумовно, варто віддавати сканерам з SCSI-интерфейсом.