Технологический лицей г.Сыктывкар

Сканер

Сканер - это внешнее устройство ПЭВМ, позволяющее вводить двухмерное (т.е. плоское) изображение.

Конструкция сканеров в значительной степени определяется типом вводимого изображения: штриховое или полутоновое, монохромное или цветное.

Штриховое изображение (рисунок, текст) состоит из темных линий на светлом фоне. По яркости элементы рисунка могут быть либо темными, либо светлыми - промежуточных значений в штриховом рисунке нет.

Полутоновое изображение (рисунок, фотография) состоит из элементов, различающихся яркостью. Для монохромных изображений степень светлоты элементов изображения оценивается интенсивностью оттенков серого. Технические средства способны различать ограниченное количество оттенков серого, поэтому аналоговая величина - степень светлоты элемента изображения - подвергается дискретизации и оценивается числом по дискретной шкале серого. (Шкала серого представляет собой набор полей с оттенками серого, с одной стороны которой находится белый цвет, а с другой - черный.)

; Для точности передачи изображения существенное значение имеет разрешающая способность считывающей или воспроизводящей аппаратуры, которая оценивается количеством наименьших элементов изображения (пиксел или точек) на единицу длины (сантиметр или дюйм). Газетные фотографии выполняются с разрешающей способностью 65 точек на дюйм, фотографии в журналах -150 точек на дюйм. Матричный принтер может обеспечить разрешающую способность до 300 точек на дюйм, струйные и лазерные принтеры - до 1000. Но точки в принтерах и в полиграфических материалах неодинаковы: в полиграфических материалах расстояние между центрами точек стандартное, интенсивность всех темных точек одинакова, а размеры точек различаются - впечатление серого создается за счет изменения их размеров. Поскольку расстояние между точками не меняется, увеличение размеров темной точки приводит к уменьшению светлого промежутка и смещению оттенка серого в сторону более темного.

Матричные и лазерные принтеры изменить размеры точек не могут. Поэтому при формировании полутонового изображения пикселы группируются, образуя более крупные элементы изображения - ПЭЛы (рис.7.1).

На рис.7.1, а изображен 100%-ный черный ПЭЛ, на рис.7.1, б и 7.1, в -ПЭЛы, соответствующие 50%-ному уровню серого тона.

Рис. 7.1. Укрупнение элементов изображения: формирование ПЭЛов

Если разрешающую способность лазерного принтера измерять не количеством пиксел на дюйм, а количеством ПЭЛов на дюйм, то она приближается к разрешающей способности, обеспечиваемой в полиграфических изданиях журнального типа.

Использование ПЭЛов в принтерах позволяет также устранить ступенчатость формы матричных изображений наклонных линий.

При считывании и отображении полутоновых изображений существенное место занимает вопрос: какое количество уровней серого должна обеспечивать (воспринимать или отображать) аппаратура?

Глаз человека способен различать около 200 оттенков серого. Поэтому требовать от аппаратуры большего разрешения не следует. Для оцифровки такого количества оттенков необходимо 8 бит на каждый ПЭЛ. Для хранения оцифрованного изображения размером 9 х 12см при разрешающей способности 300 ПЭЛ на дюйм необходимо около 1 Мбайт памяти.

Принцип работы сканера заключается в том, что поверхность изображения освещается перемещающимся лучом света, а светочувствительный прибор (фотоэлемент, фотодиод или фотоэлектронный умножитель) воспринимает отраженный свет, интенсивность которого зависит от яркости освещенного участка изображения, и преобразовывает его в электрический сигнал. Полученный электрический сигнал преобразовывается из аналоговой в цифровую форму и в виде цифровой характеристики яркости точки поступает в ЭВМ.

Такой сканер считывает изображение в графическом виде; полученное изображение может быть сохранено в памяти ЭВМ, обработано графическим редактором или выведено на дисплей или принтер. Если был введен текст, то при отображении на дисплее или принтере его можно прочитать. Использовать же текстовые редакторы для работы (редактирования, форматирования) с таким документом не представляется возможным.

Перед обработкой просканированного изображения текстовым редактором необходимо графическое изображение текста преобразовать в код ASCH. Такое преобразование осуществляется программными или аппаратурными средствами распознавания образов.

Луч света, с помощью которого сканируется изображение, должен последовательно, элемент за элементом осветить все изображение. В зависимости оттого, каким образом осуществляется последовательное освещение элементов изображения, различаются оптические читающие устройства со считыванием изображений линейкой и матрицей фотоэлементов, со спиральной барабанной разверткой; со считыванием методом “бегущего луча”, “слежением за контуром”.

Считывание линейкой фотоэлементов заключается в том, что изображение освещается полоской света, а отраженный свет падает на фотоэлементы, смонтированные в виде линейки. Каждый фотоэлемент фиксирует попавшую на него часть светового потока. Электрический сигнал считывается последовательно со всех элементов линейки. После считывания полоска света (вместе со считывающей головкой) перемещается на следующую часть документа (или полоска света неподвижна, а перемещается документ относительно считывающей головки).

Считывание матрицей фотоэлементов производится аналогично, но фотоэлементы смонтированы в виде матрицы (например, размером со считываемый документ). Освещение документа в этом случае производится всего целиком, а не отдельной полоски. Перемещения документа относительно считывающей головки не требуется.

Если фотоэлементы выполняются в виде микросхемы, то разрешающая способность такого считывателя может быть достаточно высокой. Если же они выполнены в виде отдельных конструктивных элементов и собираются в линейку или матрицу при сборке устройства, то из-за больших физических размеров компонентов считыватель обладает невысокой разрешающей способностью. Повысить разрешающую способность линейки или матрицы можно, проектируя на нее считываемое изображение с увеличением.

Оптические считыватели со спиральной барабанной разверткой состоят из барабана с закрепленным на нем носителем считываемого изображения, зеркала, источника света, фотоэлемента и механического привода для вращения барабана и перемещения зеркала (рис.7.2).

Рис. 7.2. Схема оптического считывателя со спиральной барабанной разверткой

Зеркало служит для отклонения на 90° тонкого луча света. Отражаясь от зеркала, луч падает на образующую барабана и освещает точку на его поверхности (а к поверхности барабана прикреплен носитель считываемого изображения).

Вращение барабана и перемещение зеркала вдоль его образующей происходят одновременно, благодаря чему луч по спирали “разворачивает” изображение, находящееся на поверхности барабана.

Отраженный от барабана свет воспринимается фотоэлементом.

Оптические считыватели методом “бегущего луча” построены по принципу растровой развертки. В качестве луча света может использоваться либо свет от экрана электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), либо лазерный луч, отклоняемый системой зеркал.

Схема считывания изображений методом “бегущего луча” с использованием ЭЛТ приведена на рис.7.3.

В состав считывателя входят: генератор развертки, ЭЛТ, экран со считываемым изображением, объектив, фотоэлемент и блок кодирования изображения с АЦП.

Генератор развертки вырабатывает напряжение, перемещающее электронный луч на экране ЭЛТ. Нанесенный на экран люминофор является перемещающимся источником света (для этого ЭЛТ должна иметь люминофор с очень коротким послесвечением): электронный луч рисует на экране матрицу точек, которая проектируется на экран со считываемым изображением. Каждый пиксел экрана работает как импульный источник света: при вспыхивании он освещает соответствующую точку изображения, отраженный свет от которой фиксируется фотоэлементом и преобразовывается в цифровой код изображения.

Считывание “слежение за контуром” производится аналогично (рис. 7.4), но генератор развертки рисует на экране матрицу или растр только до того момента, пока на изображении не встретилась линия. После этого блок сканирования переключает генератор развертки в режим слежения за контуром и запоминает направление перемещения луча - эта информация оформляется как векторное описание считанного изображения.

Рис. 7.3. Схема оптического считывателя методом “бегущего луча”

Все рассмотренные системы считывания изображения позволяют получить графическое (но не символьное) представление информации.

Но аппаратурные средства могут преобразовывать считанное изображение в символьный вид. Для этого используются устройства считывания с распознаванием: сравнением с эталонами, методом зондов и нейронные системы типа “перцептрон”.

Принцип действия считывателя с распознаванием методом эталонов виден из структурной схемы (рис.7.5).

Блок считывания (в качестве которого может использоваться любой рассмотренный ранее считыватель) передает цифровое описание считанного изображения (или его фрагмента) в сравнивающее устройство, на другой вход которого поступают описания известных объектов из памяти с эталонами. При совпадении эталона со считанным изображением вырабатывается сигнал распознавания, и на выход считывателя выдается код распознанного элемента (если распознается текст - то код ASCII).

Рис. 7.4. Схема оптического считывателя методом “слежения за контуром”

Рис. 7.5 Схема считывателя с распознаванием сравнением с эталонами

Метод зондов заключается в особом построении линеек (или матриц) фотоэлементов. Например, зонд может состоять из горизонтальных, вертикальных и наклонных линеек фотоэлементов (рис.7.6).

Рис. 7.6. Принцип считывания методом зондов

На такой зонд проецируется распознаваемый символ. По комбинации затененных линеек опознается символ, и на выход распознающей системы поступает код распознанного символа.

Распознающее устройство типа “перцептрон” имеет матрицу фотоэлементов (Аi), суммирующие блоки (Sj ) и решающие элементы (К1) (рис.7.7).

Рис. 7.7. Распознающее устройство типа “перцептрон”

Матрица фотоэлементов Аi связана со всеми суммирующими элементами Sj, которые, в свою очередь, связаны с решающими элементами К1. Вначале (пока перцептрон не обучен) веса связей элементов Аi с Sj одинаковы.

В процессе обучения на фотоэлементы проецируется какое-либо изображение (взятое из обучающей выборки). Веса связей Аi с Sj изменяются (например, случайным образом) до тех пор, пока при определенном сочетании сигналов А, на выходе не образуется код распознаваемого изображения. После этого из обучающей выборки берется следующее изображение и проецируется на матрицу фотоэлементов, после чего веса связей Аi с Sj корректируются до получения на выходе К1 правильного кода распознаваемого изображения.

После обучения перцептрона он способен распознавать образы, поступившие в виде изображения на матрицу фотоэлементов, выдавая на выходе их коды.

Перцептрон относится к параллельным (нейронным) системам, так как в нем используется принцип распознавания, реализованный в нейронных сетях живых организмов.

Суммирующие элементы перцептрона представляют собой аналоговые сумматоры, выдающие на выходе сумму сигналов, поступивших на входы с учетом веса каждого входа (того самого веса, который изменялся в процессе обучения).

Решающие элементы могут быть построены по принципу выделения наибольшего или наименьшего из поступивших на них сигналов, но могут быть построены и на основе более сложных алгоритмов.

Введение в схему перцептрона обратных связей (с выхода на вход) позволяет реализовать в них самообучение.

Учитывая разницу между пикселом и ПЭЛом, а также то, что современные сканеры могут иметь разрешающую способность, превышающую 1000 пиксел на дюйм, удается программным путем повысить чувствительность сканера в определении яркостных характеристик считанных изображений. Эта процедура называется фильтрованием и приводит к получению смазанных изображений, так как при увеличении количества уровней серого снижается контрастность.

Конструктивно сканеры выпускаются в двух вариантах: портативные и настольные.

Портативные сканеры представляют собой устройство, внешне похожее на мышь, которое перемещается по вводимому в ЭВМ изображению. Обычно сканеры имеют небольшие размеры (ширина 2,5 дюйма = 6,4 см). Поэтому большие изображения (как, например, лист текста формата A4) приходится считывать за несколько проходов. Но в поставляемом вместе со сканером программном обеспечении предусмотрена функция “склейки” изображений, которая позволяет соединить считанные за разные проходы части в единое целое. Разрешающая способность таких сканеров редко превышает 400 пиксел на дюйм, каждый пиксел сопровождается четырехбитовым кодом уровня серого, что соответствует 16 оттенкам шкалы яркости. Считанное таким сканером изображение можно распечатать без преобразования на цветном принтере. Для печати же на черно-белом принтере его нужно преобразовать из полутонового в" штриховое, шкала яркости которого имеет только два уровня - белое и черное.

Настольные сканеры выпускаются трех типов:

sheet-fed- строчный сканер, в котором носитель изображения пропускается через неподвижную считывающую головку (считывать можно только листовой материал, книги и журналы - нельзя);

flat-bed - страничный сканер, в котором считываемое изображение неподвижно;

over-head- сканер-планшет проекторного типа, в котором считываемое изображение помещается на экране (изображением вверх), считывающий блок расположен вверху устройства.

Сравнительный анализ сканеров различных фирм, проводимый журналом PC Magazine, неоднократно отмечал высокое качество сканеров фирмы Hewlet Packard, представителями которых являются черно-белый сканер Scan Jet IIP и цветной Scan Jet IIiсх. Они обеспечивают оптическое разрешение 300—400 точек на дюйм, способны воспринять 256 оттенков серого. Сканер читает страницу формата A4 за 10 с. Но фирменное программное обеспечение осуществляет распознавание только латинских символов. Удовлетворительная степень распознавания символов достигается только для текстов, отпечатанных на пишущей машинке или шрифтом Courier на лазерном или струйном принтере.