Skanery

Skanery - urządzenia ułatwiające dołączanie fotografii, rysunków i obrazów graficznych do dokumentów poddawanych informatycznej obróbce - stają się coraz bardziej popularne. Istnieje wiele sposobów zamiany obrazów graficznych na ich bitowe odpowiedniki, a postęp techniczny w tej dziedzinie sprawia, że urządzenia te stają się coraz tańsze i bardziej efektywne w użyciu.

Skanery - urządzenia ułatwiające dołączanie fotografii, rysunków i obrazów graficznych do dokumentów poddawanych informatycznej obróbce - stają się coraz bardziej popularne. Istnieje wiele sposobów zamiany obrazów graficznych na ich bitowe odpowiedniki, a postęp techniczny w tej dziedzinie sprawia, że urządzenia te stają się coraz tańsze i bardziej efektywne w użyciu.

Skanery czarno-białe

Do 1987 r. skanery potrafiły przetwarzać w zasadzie tylko dwutonowe obrazy czarno-białe. Pojedynczemu punktowi obrazu można było przyporządkować tylko 2 wartości: 0 lub 1 czyli biały lub czarny. Rozwój technologii półprzewodnikowych pozwolił wzbogacić skanery w gamę światłocieni, zwaną w żargonie informatycznym "skalą szarości". Stało się możliwe przyporządkowanie każdemu punktowi obrazu wielu pośrednich "stopni szarości". Początkowo było ich 16, 64, a później, nawet 256 w zależności od przyporządkowania takiemu punktowi odpowiednio dużej porcji pamięci: 4, 6 lub 8 bitów.

Rozdzielczość

zależy głównie od jakości półprzewodnikowego elementu obrazowego skanera - CCD (Charge Coupled Device). Jest to układ scalony złożony z miniaturowych sensorów fotooptycznych. W skanerach ma on postać szeregu gęsto upakowanych elementów światłoczułych, które umożliwiają transformację obrazu (rzutowanego na jego powierzchnię przy pomocy układu soczewek) w mapę ładunków elektrycznych. Warto wspomnieć, że CCD stanowi także "siatkówkę oka" nowoczesnych kamer telewizyjnych. Gęstość upakowania światłoczułych sensorów jest równoważna rozdzielczości skanera. Wytwórcy, oferujący typowe modele, wyposażają skanery w rozdzielczość od 75 do 400 dpi (dots per inch - punktów na cal). Większe rozdzielczości realizowane są na razie za pomocą odpowiedniego oprogramowania. Wykorzystuje się do tego celu interpolację: jeżeli np. dwa sąsiadujące ze sobą punkty obrazu mają wartości (stopnie szarości) równe 100 i 160, to można pomiędzy nie "wstawić" dodatkowy punkt, o wartości równej ich średniej arytmetycznej, w tym przypadku 130. Tego typu operacja spowoduje "zagęszczenie" szarości płaszczyzn jednorodnych i "złagodzenie" przejść pomiędzy obszarami o zdecydowanie różnych stopniach szarości.

Skanery ręczne i automatyczne

Wczytywanie obrazu skanerem ręcznym jest stosunkowo proste i polega na przeciągnięciu głowicy urządzenia nad skanowanym dokumentem. Reszta to kwestia oprogramowania. Skanery automatyczne, przeznaczone do pracy w biurach, z reguły są przystosowane do wczytywania obrazów o rozmiarach 8,5x11 lub 8,5x14 cali. Najprostsze, wymagają jedynie położenia dokumentu na specjalnym oknie, pod którym poruszać się może głowica skanująca. Ten typ nazwano "flat-bed". Skanery, przeznaczone do wczytywania dużych ilości dokumentów, wyposażono w podajnik, z którego pojedyncze kartki pobierane są automatycznie. Skanery typu "overhead", w których głowica porusza się nad płaszczyzną skanowaną, potrafią wczytywać obrazy trójwymiarowe (z niezbyt "głębokim" trzecim wymiarem), ponieważ głębia ostrości głowicy wynosi 0,75". Z ich pomocą można sporządzać cyfrowe obrazy takich przedmiotów, jak np. geograficzne mapy plastyczne oraz sporządzać wizerunki przedmiotów artystycznych (medaliony, płaskorzeźby itp.).

Dylematy rozdzielczości

Wysoka rozdzielczość współczesnych skanerów pozwala na bardzo dobre odwzorowanie obrazu w pamięci komputera. Obraz ten, wyświetlony na ekranie dobrego monitora będzie miał doskonałą jakość, porównywalną z telewizją cyfrową (HDTV). Kłopoty zaczynają się przy wydruku, którego wygląd najczęściej rozczarowuje. Wynika to ze sposobu, w jaki drukarki realizują tzw. "skalę szarości". Zwykle, pojedynczy "szary punkt" składa się z matrycy 2x2, 4x4 lub 16x16 pojedynczych "laserowych kropek". Im większe rozmiary "szarych punktów" drukarki, tym więcej odcieni szarości można im nadać w procesie drukowania. Taka technika druku punktów o różnej szarości nosi nazwę "dithering". Średnica pojedynczej "kropki laserowej" wynosi ok. 0,1 mm. Jeśli dla dwutonowej skali szarości można uzyskać rozdzielczość drukarki rzędu 300 dpi, to dla 64- tonowej tylko 75, a dla 256-tonowej zaledwie 18,75 dpi. Niestety, za "miękkość" obrazu, trzeba zapłacić jego rozdzielczością.

Proces skanowania

jest stosunkowo prosty: leżący na pulpicie skanera obraz oświetlany jest silnym strumieniem światła, pochodzącego z lampy wyładowczej lub układu diod świecących. Podczas oświetlania obrazu, lampa przesuwa się wzdłuż jego powierzchni, dzięki czemu cały obraz jest oświetlony jednorodnie. Światło, odbite od punktów obrazu skupiane jest przez układ soczewek cylindrycznych na elemencie światłoczułym (CCD). Pokazano to na rys. 1. Tutaj, mapa "szarości" obrazu zostaje zamieniona na mapę napięć, o wielkościach proporcjonalnych do natężenia strumienia światła odbitego od punktów obrazu. Sygnał analogowy przesyłany jest do przetwornika analogowo- cyfrowego, który zamienia go na wartości binarne, zrozumiałe dla komputera. Proces ten powtarza się wielokrotnie, dla każdej linii obrazu. W skanerach o rozdzielczości 300 dpi odbywa się to 300 razy w czasie, gdy lampa wyładowcza pokonuje 1 cal drogi, oświetlając skanowany obraz.

Techniki wczytywania obrazów kolorowych

Problem koloru rozwiązywany jest najczęściej techniką trzech przebiegów skanowania (rys. 2). Analiza obrazu dokonywana jest więc trzykrotnie: dla każdej z barw podstawowych (RGB - czerwonej, zielonej i niebieskiej) budowane są zbiory takie, jak dla obrazów czarno-białych.

"Szare" zbiory dla każdego z kolorów powstają w trakcie osobnych (trzech) przebiegów głowicy skanującej. Stawia to szczególnie wysokie wymagania mechanicznej części skanera. Aby obrazy były wyraźne, a barwy dobrze zdefiniowane, wszystkie punkty trzech obrazów muszą do siebie idealnie pasować. W przeciwnym razie obraz będzie wyglądał tak, jak w przeciętnym polskim kolorowym tygodniku (chociaż ostatnio ich jakość wyraźnie się poprawia). Ten sposób budowy barwnych obrazów stosuje w swoich urządzeniach firma MICROTEK. Dla 8-bitowej skali szarości każdego z trzech zbiorów RGB, otrzymamy 24 bity informacji o kolorze, dla każdego punktu obrazu. Da to w sumie liczbę ponad 16,7 mln kolorów.

Poza szczególnymi wymaganiami technicznymi, trójprzebiegowe skanowanie ma jeszcze jedną niedogodność: wykonywana trzykrotnie jest procesem dość czasochłonnym. Dlatego też wymyślono szybszy sposób: skanowanie jednoprzebiegowe. Skanery firm Epson i Sharp wczytują obraz już po jednym przebiegu głowicy skanującej. Kolejno, każdą wczytywaną linię skanowanego obrazu oświetlają trzy niezależne źródła światła o barwach podstawowych RGB. Powstają w ten sposób jednocześnie trzy pliki informacji dla każdego z podstawowych kolorów. Przy tej technice mechaniczna strona urządzenia nie jest aż tak krytycznym czynnikiem, jak w skanerze trójprzebiegowym. Natomiast źródłem kłopotów jest konieczność dobrania trzech lamp RGB o identycznym natężeniu światła. Nawet drobne niedopasowanie jednej z nich spowoduje zafałszowanie barwy generowanej przez tę lampę.

Wadę tę usunął w swych skanerach Hewlett-Packard, stosując technikę skanowania jednoprzebiegowego, rys. 3., w której rozdzielenie barw następuje na drodze dwukrotnego odbicia od specjalnych, cienkowarstwowych filtrów selektywnych. Filtr taki posiada trzy warstwy odbijające światło, przy czym każda z nich odbija promienie o jednej barwie, pozostałe przepuszczając. Zasadę jego działania ilustruje rys. nr 4.

Rozdzielone w ten sposób promienie padają na mozaikę światłoczułych sensorów o specjalnej konstrukcji. Mozaika taka składa się z trzech rządków światłoczułych komórek, a każdej z barw odpowiada jeden z nich. Pojedynczy sensor ma wymiary 8x8 ćm, a odległości między nimi są rzędu 200 ćm. Dalszy proces odbywa się zupełnie tak samo, jak dla technik już opisanych. Podobnej metody używa w swoich skanerach firma RICOH z tą różnicą, że zamiast zintegrowanego zespołu elementów światłoczułych, używa oddzielnych CCD dla każdego koloru.

Najnowsze rozwiązanie stosuje w swoich skanerach firma Seiko. Skanowany obraz oświetla jednokrotnie światło białe. Rolę sensorów pełni płytka krzemowa o długości 8,5". Na niej, w trzech rzędach (każdy z nich przeznaczony jest do rejestracji jednej z podstawowych barw) umieszczone są fototranzystory. Na całej płytce upakowano ich 10 200 czyli na jeden rząd przypada 3400 szt., co pozwala na rejestrację obrazów z rozdzielczością równą 400 dpi. Każdy z fototranzystorów pokryty jest filtrem o odpowiedniej barwie. Tak duże rozmiary fotoczułej "listewki" pozwalają na redukcję dosyć kosztownego układu optycznego, stosowanego w innych skanerach.

Zadyszka dysków

Informacje wczytane przy pomocy skanera muszą być zapamiętane np. w celu obróbki obrazu, korekty i dalszego wykorzystania. Wymaga to dużych pamięci. Dla przykładu, obraz o rozmiarach 8x10" zarejestrowany z 8-bitową gamą światłocieni (256 odcieni szarości) i przy rozdzielczości 400 dpi, zmieści się w pliku o wielkości 12,8 MB. Poprawienie jego rozdzielczości do 1600 dpi poprzez wykorzystanie algorytmu interpolacji, powiększy zbiór do 204,8 MB. Oczywiście, obraz kolorowy zarekwiruje trzykrotnie więcej miejsca w pamięci niż czarno-biały. Pewnym rozwiązaniem są sposoby kompresji obrazów, dające oszczędności pamięci rzędu 50-80%, ale nie jest to wystarczające i chwilowo, podczas korzystania ze skanerów, należy zachować raczej pewną powściągliwość...


TOP 200