Скенер (Scanner)


 Скенерът се използва за въвеждане на графична информация. Скенерите работят на принципа на оптическо  заснемане на изображението от хартиено копие или фотофилм. Те имат сканираща глава, която обхожда всяка точка на изображението и я заснема, кодирайки цвета или тона и като съответно число. Скенерите биват цветни и чернобели. Добрите цветни скенери разпознават над 16 милиона цвята. Скенерите се управляват от специални интерфейсни платки, които се монтират на един от слотовете за разширение на РС и ползват специален софтуер за сканиране.

1. Създаване на скенера

От всички компютърни устройства, използвани във фотографията, скенерът е най-старото по време на изобретяване. През 1885 г. италианския физик Казели създава прибор за предаване на изображение наречен пантелеграф. В този прибор иглата сканира изображение нарисувано от токопроводящо мастило. С изобратяването на фотоелементите бил създаден фототелеграфа, в който тънък лъч светлина се премества по повърхността на закрепена на барабан фотография. Отразената от повърхността на изображението светлина попада на катода на фотоелемента, предизвиквайки емисия на ток пропорционален на отражателната способност.

В  началото на века немския физик Корн създава фототелеграф, който по нищо не се отличават от  съвременните барабанни скенери (на фигурата заедно с портрет на изобретателя), с който отсканираните данни са предадени на повече от 1000 км. на 6 ноември 1906г. В него става механическо сканиране на изображението по две координати и осветяване на всяка точка поотделно. Преминаващата през нея светлина се възприема от селенов фотоприемник, следователно няма погрешност свързана с не идентичността на чувствителните елементи. Това е най-стария, най-качествен, но и най-скъп способ.  При него няма ограничение на числото точки от които се състои изображението. Тези скенери изискват закрепване на изображението на барабан и не са подходящи за сканиране на неогъващи се плоскости.

          Развитието на полупроводниковите технологии позволило да се обединят няколко фотоприемници в една линия и така преместването при сканиране се осъществявало вече по една координата. Това довело да раждането на планшетните, ролковите и ръчните скенери. Техните оптически схеми са напълно еднакви и могат да се представят като обектив, който фокусира реда на изображение върху линеен фотоприемник. Обикновенно обектива и линията от фотоелементи са твърдо свързани и се преместват спрямо фотографията.

         В някой случай механическо преместване на фотоприемника и източника на светлина липсва и става електронно сканиране на цялото изображение.

2. Приложение  на скенера

Компютърният скенер вече не е мечтата на любителите на фантастика, имайки се в предвид, че това е устройство, което премества нещата от едно измерение в друго. То “взима” триизмерни обекти, като например рисунка, страници от книги или списания, дори и малки обекти, например монети, и ги “превръща” в двуизмерни изображения. Без усилията на извънземната технология съвременният скенер може да превърне изображенията, които виждате в истинския свят и които да речем сте запечатали на фотолента в компютърна графика, готова за използване във вашите документи или за редактиране.

Скенерите доста приличат на ксерокса. Скенерът прави цифрово копие, преобразувайки документа или изображението в електронна форма, която по-късно можете да редактирате или да обработвате. Веднъж сканирано изображението може да бъде запомнено като файл и след това обработено от графични програми, като Рaint, Photoshop, Corel-Photo и др.

С помоща на софтуер за графично разпознаване  на символи (OCROptic Character Recognize), който върви заедно със скенера може да се конвертира сканираното изображение на документа до текст. Този текст може да се вмъква и редактира в текстообработваща програма или таблици.

3. Видове скенери

А) Според начина на работа

Ø     Ръчни скенери

Те са малки скенери, които можете да плъзгате върху изображението, което желаете да сканирате, като сканиращата глава се мести ръчно върху оригинала. Ръчните скенери обикновено са широки няколко инча, така че ако искаме да сканираме цяла страница трябва да го направим на отделни ленти. Тези ленти по-късно трябва да ги съединим. Скенерът получава информация за линейното преместване върху листа с помоща на ролка, определяйки колко бързо и на каква дължина сме преместили главата. Това позволява на сканиращия софтуер да определи кога да въведе следващия ред от пиксели. Сканирането на ленти създава проблеми, понеже е трудно да се сканират неизкривени и паралелни ленти.Допуснатите грешки при наслагване на лентите една до друга се коригират от софтуера.

 Ръчните скенери обикновено са свързани с интерфейсна кутия, която от своя страна е свързана с РС. Поради малките размери и относително ниското качество рядко се използват за сериозни графични приложения. Често се ползват за забавление – да сканирате тапета на стената или десена на ризата си. Само някой от тези скенери са цветни. Най-често се използват за сканиране на текст.

Ø     Барабанни скенери (drum scanners)

При тях се монтира сензора неподвижно в тялото на скенера, хартията се прекарва през няколко барабана и се сканира цялата страница едновременно. При тях не може да се вмъкне и сканира книга – изображението трябва да бъде с точно определена дебелина.

Ø     Настолни скенери

Безкрайното множество от настолни скенери на пазара може да се раздели на три основни групи :

·        Плоски скенери

·        Скенери за диапозитиви

·        Настолни барабанни скенери

Плоски скенери

Плоските скенери се използват най-често и са най-евтини. Днес повечето настолни скенери са цветни. Цветните модели сканират снимки или рисунки чрез отразяване на светлината от тях и насочването и през филтри, които разлагат изображението на червена, зелена и синя (RGB) компонента. След преминаването през филтрите светлината попада върху устройство, което я превръща в ел. заряд.

Скенери за диапозитиви

Скенерите за диапозитиви работят на принцип, подобен на този на плоските, но светлината преминава през оригинала. Оригиналът не отразява светлината.

Много от плоските скенери се предлагат на пазара с приставка за сканиране на диапозитиви. Приставката за диапозитиви замества непрозрачния капак със светлинен източник. Светлината вече преминава отгоре и влиза в тялото на скенера.

Настолни барабанни скенери

Настолните барабанни скенери са относително нов вид, който обединява качеството на високотехнологичните барабанни скенери, поносима цена и удобствата на настолните скенери. При тях се използват РМТ (фотоумножители) вместо CCD (фотоклетки) за преобразуване на изображението. РМТ са чувствителни към по-широк диапазон тонове от CCD и поради това се получават по-качествени сканирани изображения.

Б) Според цвета на генерираното изображение

Ø     Черно бели

Сензорите при тях са независими от цвета. Те реагират на интензивността на светлината, така че ако осветите оригинала с бяла светлина, сензорът ще даде черно бяло изображение.

Ø     Цветни скенери

4. Основни принципи и технология на сканирането

С течение на годините скенерите не са се променили по отношение на основния им принцип на работа : изображението се осветява и отразената от него светлина се преобразува от фоточувствителни клетки до напрежение, което се конвертира в цифров (двоичен вид) и се изпраща към компютъра. Настолните скенери използват две технологии за сканиране :

·        Контактен сензор за изображението CIS (Contact Image Sensor)

·        Устройства със зарядно пренасяне CCD (Charge Coupled Device) – това е по старата технология.

 

CIS скенери

Тази технология на сканиране е по-нова и се среща по-рядко от CCD. Тя се използва от Canon при - CanoScan FB630U скенера. При този тип скенери сложната оптическа система е заменена с ред от сензори, които се намират на няколко милиметра под стъклената повърхност. Осветяването се извършва от ред зелени, червени и сини светодиоди (LEDs), разположени един до друг, за да образуват бяла светлина. Отразената от изображението светлина попада върху фоточувствителните елементи на сензора. С помоща на филтри светлината се разделя на трите основни цвята. Вградения в чипа аналого-цифров преобразувател конвертира информацията от сензора в двоичен вид.

Отсъствието на оптична система прави този тип скенери много леки и тънки, а използването на светодиоди за източник на светлина намалява консумацията.

CCD скенери

По голяма част от скенерите са базирани на тази технология. Този тип устройства се характеризират с по-сложна система състояща се от : източник на светлина, огледала, лещи, CCD и аналого-цифров преобразувател.  Отразената светлина се насочва от система от огледала, след което се фокусира от леща и достига до CCD. Той представлява масив от светлочувствителни елементи, които преобразуват попадналата върху тях светлина в напрежение. Различните степени на светлината дават различен интензитет на цвета. По-високия интензитет води до по - високо напрежение върху CCD  елемента и по – реалистичен цвят на сканираното изображение. Всеки елемент има три филтъра – за червена, зелена и синя светлина. Някои CCD скенери извършват три отделни сканирания за всеки един от цветовете. По-новите модели, известни като еднопасови (Single Pass) имат възможност да прочетат и трите цвята наведнъж. След като отразената светлина е преобразувана в напрежение, то се подава на аналого-цифров преобразовател , който конвертира информацията за цвета в двоичен код.

Сложната оптична система от огледала и лещи води до по-големи размери и тегло на скенерите, но засега те продължават да бъдат по-надеждни за постигане на добро качество на сканираното изображение.

В обикновения скенер, светлинните сензори включват линеарни (следователно едноизмерни) масиви от CCD(Charged Coupled Devices), натъпкани по 100 на инч в тясна лента, която преминава през пълната ширина на най-голямото изображение, което може да бъде сканирано. Ширината на всеки елемент от сканирането зависи от най-малката област, която самостоятелно може да бъде изследвана, като по такъв начин, колкото по-хубава е резолюцията на скенера, толкова повече детайли могат да бъдат обхванaти от скенера. Електрическата верига в скенера чете всеки “чувствителен” елемент от реда, един по един, като го прави по строго определен ред. От тази информация, скенера създава низ от серийна информация, представляваща яркостта на всяка точка във всеки самостоятелен ред, който е сканиран. След като скенера събере и подреди информацията от всяка точка на реда, чувствителния му елемент започва да чете следващия ред.

5. Основни параметри на скенерите

·        Оптична разделителна способност – един от основните параметри на скенера, който има отношение към качеството и детайлите на сканираното изображение. Тя се измерва в брой точки на инч – dpi, като се посочват две стойности – напр. 600х1200 dpi. Първата се отнася до максималния бр. точки по хоризонталата, които могат да бъдат сканирани и е равен на бр. на сканиращите елементи на един инч. Втората стойност е свързана с вертикалната разделителна способност. При сканиране рамото се движи по дължината на изображението от стъпков двигател. Този двигател трябва да бъде точен, за да може движението да бъде бавно и равномерно. В противен случай изображението няма да бъде пропорционално. Типичната вертикална стъпка е 1/1200 от инча, което дава вертикалната разделителна способност 1200 dpi

·        Дълбочина на цвета – параметър на скенерите, който се дава в брой битове. Прецизността на цветовете се определя от чувствителността на сензорния елемент. Типичната дълбочина на цвета при по-старите класове скенери е 24 бита (по 8 бита за всеки основен цвят), но по-новите модели са вече с 36 или 42 бита дълбочина на цвета.

         TWAIN драйвера на скенера (наречен MiraScan) е толкова богат на възможности и настройки (тип на носителя, филтри, корекция на цветовете и светлосенките и т.н.), че по-голяма част от обработката на изображението може да се извърши още по време на самото сканиране, вместо в графичния редактор.

Скенерите се отличават още по скорост на сканиране, динамичен обхват, т.н. D-max (съкращение на Maximum Image Density), т.е. Максимална плътност на изображението (колкото по-плътно е едно изображение, толкова по-тъмно става), адаптери за прозрачност(transparency adapters), т.н. Optical Character Recognition и др.

 

6. Софтуер за сканиране и етапи при сканирането

 

         Почти всички скенери се доставят с основен софтуер, който е необходим при сканиране. Всички програми за цветно сканиране предлагат някой функции с помоща на които може да се определят следните етапи на сканиране :

Ø     Избор на изображение и подготовката му за сканиране – почистване от драскотини, прах, следи от пръсти.

Ø     Оценка на оригинала – базира се на следните фактори :

-         експозиция – дали оригинала е преекспониран или недоекспониран (той е по-тъмен и не улавя всички  подробности)

-         цветен оттенък (преобладаващ цвят)

-         рязкост – тази част от сцената, която е на фокус

Ø     Предварително сканиране (prescan) – това е бързо сканиране при ниска разделителна способност, което позволява да получите предварителен изглед на изображението и да нагласите размерите му(cropping). Ако скенерът и софтуерът позволяват може да се направят някой настройки и корекция на цветовете. Следва корекция в рязкостта (sharpening) – върши се когато е необходимо да се коригира замъглен оригинал или ако при сканирането оригиналът не е бил фокусиран добре.

Ø     Изрязване

Ø     Някакво управление на разделителната способност

Ø     Възможност за избор на типа на оригинала - цветен, степен на сивото или щрих

Ø     Управление на яркостта и контраста

Ø     Баланс на цветовете

Ø     Подобряване на рязкостта

Ø     Установяване на размера на изображението и разделителната способност

Ø     Преобразуване от негатив в позитив

Ø     Записване на изображението в подходящ файлов формат

 

7. Свързване на скенера към РС – то

 

         Срещат се три варианта на свързване към компютъра – чрез паралелен порт, чрез USB и SCSI интерфейса. Някой от евтините скенери работят с паралелен интерфейс, но тъй като все повече системи поддържат USB портове, USB скенерите вече почти изместиха паралелните. На теория скоростта на USB порта е между тази на мудния паралелен порт и бързата SCSI връзка. Но докато скенер с SCSI интерфейс изисква добавяне на SCSI адаптер, да се зададат адреси и да се терминира последното устройство, то инсталирането на USB скенер става съвсем лесно и бързо.

 

8. Представители на настолните скенери

Този скенер е с USB интерфейс и неговата максимална разрешителна оптическа способност е  600x1200 dpi.

  • Модел : SnapScan Touch
  • Фирма-производител : AGFA
  • Тип на използвания приемен елемент : CCD
  • Цена : $150

AGFA е една доста авторитетна и известна компания, произвеждаща скенери. Преди операцията сканиране е необходимо да се подгреят лампите със студен катод, после скенера се автокалибрира, и едва след това започва сканирането.

Новите модели на AGFA,  са цветни еднопасови планшетни скенери. Подвключването е посредством USB-порта. Скенера има четири кнопки за управление, които са разположени така, че приличат на лапа на тигър и са направени от мека гума. Тези копки са предназначени за  бърз избор на типа на сканиране.Така изглежда екрана при работа със скенера и софтуера ScanWise.         

Драйверите за  скенера AGFA SnapScan Touch — това е програмата ScanWise.

Програмата за сканиране ScanWise, се предоставя с всички линейни скенери SnapScan, удоволетворява изискванията както на професионалистите, така и на неопитните потребители. За да се работи с нея е необходимо да се запознаеш  с инструкцията.

Преди включване на скенера не трябва да се забравя  да се разблокира.

Скенера е доста тих при работа  и заслужава висока оценка.

 

 

 

  • Модел : ScanExpress 1200UB
  • Фирма-производител : Mustek
  • Тип на приемния елемент : CIS
  • Цена : $70

 

Скенера Mustek ScanExpress 1200UB е различен по това, че използва приемни CIS-елементи. Всички апарати построени по CIS-технологията имат неголеми размери (дебелина) и малко тегло, в сравнение с CCD-скенерите. Но най-голямото достоинство на ScanExpress 1200UB е отсъствието на външен източник на захранване. Към  него е подвключен само кабела за USB. Апарата се  захранва от шината на USB, което позволява да го причислим към мобилните утройства.  Оптическото разрешение е 600 dpi, а областта на сканиране е равна на стандартния размер на листа формат А4. На добро ниво са  изпълнени и  драйверите на скенера. Това дава възможност леко и просто да може да се задават всички необходими параметри за сканиране в главния прозорец.

Интерфейсния прозорец на скенера Mustek ScanExpress 1200UB е  показан по долу.

Допълнителните опции за настройка се намират под капака. Когато се  отвори капака на скенера, автоматически се запуска програмния интерфейс. При  работа е напълно безшумен.

 

9. Какво е това калибровка ?

 

Калибриране – това е процес на настройка на някой или всички устройства да показват или улавят изображенията така, че цветовете да се обработват по един предсказуем и видимо съдържателен начин. Целта на калибрирането е да се запазят цветовете на оригинала при максимално използване възможностите на системата. Това се постига чрез оптимизиране на всяко устройство, така че да дава максимално точни и съдържателни резултати чрез развиване на цветни взаимовръзки между устройствата.

 

10. Скенер за пръстови отпечатъци (fingerprint скенер)

       Компютъризираните скенери за пръстови отпечатъци(fingerprint скенери) винаги са участвали в сюжета на повечето шпионски трилъри и до скоро бяха доста екзотична технология. В изминалите няколко години, въпреки това скенерите се разпространиха на много места – в полицейските управления, строго-охраняваните сгради и дори на компютърните клавиатури. Личен USB скенер за пръстови отпечатъци може да бъде закупен за по-малко от 100 USD и по този начин компютъра на потребителя бива защитен по високотехнологичен биометричен начин. Вместо, например, потребителя да въвежда парола, той просто може да постави своя палец на скенера и след проверката да получи достъп до своя компютър.

       Пръстовите отпечатъци са едни от странните обрати на съдбата. Оказва се, че хората имат вградени лесно достижими „карти за самоличност”.

       Сканиращата система на fingerprint скенерите има две основни функции – тя трябва да „снима” вашия пръст и тя трябва да определи дали набразденостите и долчинките на това изображения съвпадат с типа на тези набраздености и долчинки в предварително сканираните изображения.

       Съществуват много различни начини да бъде взето изображението на нечий пръст. Най-известните методи в наши дни са тези на оптичното сканиране и капацитетното сканиране. И двата метода в крайна сметка съставят същото изображение, но самата направа на това изображение преминава през различни етапи.

        „Сърцето” на оптичния скенер е CCD(Charge Coupled Device). Това е същата светлинно-сензорна система, която се използва при цифровите камери. Тази система е низ от светлочувствителни диоди наречени фотосит, които генерират електрически сигнал при допир със светлинни фотони. Всеки фотосит записва пиксел, малка точка представяща светлината, която попада в тази точка. Светлите и тъмните пиксели от изображението на сканираната област (пръст, например). Обикновено, устройство за превръщане на аналогова в цифрова информация е в самия скенер и превръща аналоговия електричен сигнал в цифрова репрезентация на изображението.

       Сканиращият процес започва, когато човека постави своя пръст на стъклената пластинка. Тогава CCD камерата прави снимката. Скенера има свой собствен светлинен източник, обикновено низ от излъчващи светлина диоди, за да освети долчинките в отпечатъка на пръста. CCD системата всъщност генерира обърнато изображение на пръста, с по-тъмни области, които представят по-достъпните към светлина места и по-светли области, които представляват по-малко осветяваните места.

       Преди да започне процеса на сравняване на оригиналния отпечатък с този, който е бил използван за идентификация, процесора на скенера е длъжен да се увери, че CCD е направил достатъчно ясна снимка. Процесорът проверява средната тъмнина на пикселите или цялостните стойности при малки мостри от изображението. След това той може да обяви сканирането за успешно или не в зависимост от това дали изображението е твърде тъмно или твърде светло.

       Ако степента на тъмнина е нормална, сканиращата система продължава своята работа, като проверява дефиницията на изображението (колко ясен е сканирания отпечатък). Процесорът се „вглежда” в няколко прави линии, които се движат хоризонтално и вертикално през изображението. Ако изображението на отпечатъка е добре дефинирано, линия преминаваща перпендикулярно през долчинките ще бъде съставена при много тъмните и много светлите области пиксели от изображението.

       Ако процесора намери, че изображението е отсечен, ясен и правилно изготвен, устройството продължава напред в своя алгоритъм към сравняването на компютърния отпечатък с оригиналния, който е запазен във файл.

       Процесорът сравнява отпечатъците в режим наричан още „minutiae”(„малки подробности”). Обикновено професионалистите в тази област се концентрират върху точките където долчинките свършват или където се разделят на две (раздвоенията). Взети заедно, тези и други отличителни качества биват наричан като едно цяло – typical (нещо типично).

       Системният софтуер на скенера използва много сложни алгоритми, за да разпознае и анализира тези „малки подробности”. Основната идея е да се измерят съседните точки в тези „малки подробности”, като това става по същия начин, по който част от небето се познава по позициите на звездите. Един прост начин да се сравнят формите на „малките подробности” е да се осмислят формите, които се получават, когато се прекара права линия през тях. Ако две точки имат три края на долчинки и две разклонения, които формират същата форма със същите измерения, като съществува голяма вероятност тези точки всъщност да са една и съща точка.

       За да бъде намерено съвпадението, сканиращата система не трябва да намери целия модел на „дребните подробности” и в пробата и в оригинала, тя просто трябва да намери достатъчен брой общи черти между тези два отпечатъка. Точният номер е различен според сканиращата програма.

       Съществуват няколко начина, по които системата за сигурност може да определи дали някой потребител е оторизиран да я използва. Повечето системи са нащрек за следващите три неща:

o       какво имате

o       какво знаете

o       кой сте вие

       За да преминете етапа на „какво имате” трябва да имате нещо в себе си, да речем идентификационна карта с магнитна ивица. Системите от сорта на „какво знаете” изискват да бъде въведена парола или PIN код. „Кой сте вие” системите търсят физическо доказателство за това, че вие сте този, който казвате че сте – често това доказателство е отпечатък, гласово разпознаване или анализ на ириса. Системите от вида „Кой сте вие” имат доста предимства пред останалите системи. Например : физическите дадености са много по-трудни за фалшифициране, от колкото идентификационните карти - не може да бъде „познат” отпечатък, така както това може да стане с парола ; не можете да „промените” вашия отпечатък, ирис или глас, така както можете да вземете чужда карта за достъп ; не можете да забравите вашия отпечатък, така както можете да забравите парола

       Но колкото и предимства да имат, понякога скенерите за отпечатък не са безгрешни и при тях се появяват някои основни недостатъци. Оптичните скенери не винаги могат да различат изображението на мострата от пръстовия отпечатък и самия пръстов отпечатък и капацитивните скенери могат понякога да бъдат заблудени от повърхността на нечий отпечатък. Ако някой получи достъп до оторизираните оригинални отпечатъци той може да „излъже” скенера. В най-лошият случай криминално проявено лице може да отреже нечий пръст, за да премине през сканиращата система за сигурност. Някои скенери притежават допълнителни сензори за пулс и топлина, за да установят дали пръста е „все още жив”.

       Но дори и с значими недостатъци, скенерите за отпечатък и биометричните системи са отлични средства за идентификация. За в бъдеще е много вероятно те да станат основна част от всекидневния живот на хората, също както ключовете, картите и паролите в днешно време.

11. Нови технологии

 

Sharp обявиха, че са направили уникален CCD сензор с разделителна способност 10 Mpx и пренебрежими размери - 7.17 x 5.31 мм. Според тях, той може да заснеме снимки с максимална резолюция 3766 x 2801 пиксела, но не бързайте да се радвате от многото точки. Колкото повече е по-малък сензора, толкова по-малко става мястото за една точка, така има по-малко светлина за тях. За сравнение ще използваме площта на CCD сензора при Canon или Nikon, което е 864 мм2, а матрицата на Sharp е едва с площ 38 мм2. Така че, не се радвайте на многото мегапиксели в името, но все пак този сензор ще намери приложение в цифровите камери от нисък клас

 

 

Литература :

1.  http://scanservice.euro.ru/scanner/scanfoto.htm

2. Людмила Иванова – „Въведение в РС” – учебно помагало по информатика за 11 клас   СИЕЛА-София 2004

3. Джонатан Хорнстейн – „Сканиране” – Инфо Дар -София 1995