Сканеры

Настольные сканеры появились в 80-х годах и сразу стали объектом повышенного внимания, но сложность использования, отсутствия универсального программного обеспечения, а самое главное, высокая цена не позволяли выйти сканерам за пределы специализированного использования. С тех пор прошло не так уж и много времени, но выделилось целое направление настольных сканеров предназначенных в основном для офисного и домашнего использования. Причем, за последние несколько лет, благодаря невероятному снижению цен популярность сканеров значительным образом выросла. Цена хорошего планшетного сканера сегодня соизмерима с ценой хорошей видео карты или принтера, поэтому логично продолжить покупку компьютера и принтера, приобретением сканера.

  Настольный сканер незаменим при работе с компьютером, если у Вас есть потребность делать вставки графических изображений или текстов с бумажных носителей в документы, создаваемые при помощи компьютера. Современные настольные сканеры достаточны просты в использовании, имеют интуитивно-понятный интерфейс, но существует ряд характеристик и особенностей, на которые следует обращать внимание при выборе сканера. Также необходимо соблюдать некоторые меры предосторожности при подключении, дальнейшем использовании сканеров.

  Сканеры различаются по способу считывания оригинала. Протягивающие сканеры втягивают оригинал посредством транспортных колесиков и протягивают его мимо сенсоров, считывающих информацию. Ручные сканеры не используют механизма протяжки. Пользователь должен вручную - по возможности равномерно и не слишком быстро или медленно - протянуть над оригиналом считывающую головку. Из-за вытекающей из этого недостаточной точности сканирования (из-за дрожания руки, ведущей сканер), ручные сканеры лишь условно пригодны для " схватывания " изображений. Кроме того, их разрешение слишком мало. Планшетные сканеры более просты в обслуживании. Как и в копировальном аппарате, пользователь кладет оригинал, который может быть и упаковкой и объемной книгой, на горизонтальную стеклянную пластину. После начала процесса сканирования каретка со считывающей электроникой передвигается по-строчно вдоль подлежащей считыванию области.

Качество сканирования

  Большинство сканеров для считывания информации используют расположенные в полоску CCD-сенсоры (Charge Coupled Device) - полупроводниковые устройства с зарядовой связью, которые состоят из кремниевых полупроводниковых элементов. Многие тысячи их составлены вплотную друг к другу в виде полоски, и от их количества зависит горизонтальное разрешение. Вертикальное разрешение зависит от величины шага перемещения оригинала вдоль CCD-сенсоров или, наоборот, каретки с CCD-сенсорами вдоль оригинала.
Оптическое разрешение определяется числом используемых CCD. Сканер с оптическим разрешением 600 dpi распознает больше деталей (дает более чистые линии), чем с 400 dpi. Оптическое разрешение сканера может быть увеличено лишь посредством программной интерполяции. Однако это не более, чем видимость: ведь несмотря на то, что этим трюком достигается разрешение во многие тысячи dpi, богатство деталей оригинала не возрастает.

Равным образом важным для качества сканера является то, сколько цветов или градаций серого цвета различают сенсоры. Если сканер различает только черное и белое, говорят об одном бите глубины цвета. При распознавании 16 градаций серого цвета идет речь о 4-х битах глубины цвета, а с восемью битами можно различать до 256 оттенков. Черно-белые сканеры работают с глубиной цвета от 8 до 10 бит при значениях, начиная, с 24 бит, всегда имеется в виду цветной сканер.

Для точного понимания принципа работы цветного сканера необходимо рассмотреть процесс считывания в деталях.

Преобразование данных

  Чтобы компьютер мог обрабатывать фотографии, чертежи или тексты, сканер преобразовывает их в цифровую форму. Это означает, что оригинал разлагается на отдельные точки (пиксели), которые имеют ту или иную яркость и цвет.

Чтобы измерить их значения, применяются оптические преобразователи - CCD-сенсоры. Аббревиатура CCD означает "Charge Coupled Device" и может быть переведена как "элемент с перемещением зарядов". Отдельная ячейка CCD-сенсора состоит из светочувствительного заряженного конденсатора. Когда на эту ячейку попадает свет, она теряет часть заряда. По степени разряженности может быть установлено, насколько сильным было воздействие света.

Современное состояние техники таково, что ячейка распознает 1024 различных значений яркости. Уже имеются устройства, которые могут определять 2048 значений. Чем выше разрешение сканера, тем больше CCD-ячеек имеет оптический преобразователь и тем меньшие размеры имеет каждая из них. Так, например, CCD-ячейка в сканере с оптическим разрешением 600 точек на дюйм имеет ширину всего 0,042 мм. Принцип действия CCD-сенсоров имеет и недостатки. Наибольшим из них является инерционность заряда. С одной стороны, ячейка нуждается в определенном времени, чтобы достичь самого низкого уровня заряженности при воздействии света, а с другой, проходит определенное время, пока она снова полностью зарядится для следующего измерения. Эти два промежутка времени в основном и определяют скорость работы сканера.
Если CCD-сенсор перемещается слишком быстро, то его ячейки не успевают преобразовывать свет в электрические сигналы и на получаемом изображении появляются полосы. Такое явление в современных устройствах уже не наблюдается, благодаря продвинувшейся вперед технологии.

Для сканирования цветных оригиналов в сканере должны быть дополнительные элементы, ибо CCD-сенсоры реагируют только на различия в яркости. Любой цвет получается суммированием трех основных цветов - красного (R), зеленого (G) и синего (В). Так, например, формируется цвет на экранах цветных мониторов. Чтобы выделить три основных цвета, в сканерах применяются три различных метода.

Самым дешевым из них является так называемый метод тройного прохода. В этом случае оптический преобразователь трижды проходит над оригиналом. При каждом проходе перед CCD-сенсором включается цветной фильтр: например сначала красный, потом зеленый и, наконец, синий. Тогда CCD-сенсор воспринимает значения яркости сначала для красных, затем для зеленых и в заключение для синих составляющих изображения 

Недостатком этого метода является то, что механика сканера должна все время работать очень точно, так как каретка, которая перемещает оптический преобразователь, должна отъезжать назад и каждый раз устанавливаться в одну и ту же исходную точку. Если этого не происходит, а причина может быть и в износе, то получаются смещения отдельных цветовых слоев, и появляются цветные кромки.

Второй метод заключается в том, чтобы вместо одного встроенного источника света использовать три разных. Эти источники света являются не белыми, как обычно, а имеют красный, зеленый и синий цвета. Тогда достаточно одногоединственного прохода для сканирования (отсюда и название Single-Pass), так как для каждого ряда датчиков имеется свой источник света 

Ошибки сканирования, особенно при высоких разрешениях, в этом методе могут получаться из-за того, что лампы установлены не точно. Поэтому из-за разного угла отражения появляются цветные кромки.

Наконец, третий метод является самым точным, но, к сожалению, и самым дорогим. В нем призма разлагает отраженный от оригинала луч света на три основных составляющих.

Три луча попадают в конце концов на три CCD-сенсора. Вместо призмы применяют также систему полупрозрачных зеркал и установленных перед CCD-сенсорами три цветных фильтра. При этом методе не только три оптических преобразователя должны быть точно установлены, но и чувствительность всех элементов должна быть одинаковой. Преимуществом является то, что процесс сканирования происходит очень быстро и зависит только от времени реакции CCD-сенсоров

TWAIN - интерфейс стандарт для сканеров

Долгое время можно было управлять сканером только с помощью специфических для каждого сканера команд, это приводило к тому что сканер поддерживался не любым программным обеспечением.
С некоторых пор этому положен конец: изготовители программ и сканеров согласились на стандартный программный интерфейс, чтобы можно было с помощью одних и тех же команд управлять любым сканером. Преобразование этих команд в специфические для каждого сканера команды берет на себя так называемый Twain-драйвер.

TWAIN означает "Technology without an imported name" (технология без встроенного имени). Twain драйвер сканера - это программное приложение с графическим интерфейсом, которое несет на себе функции панели управления сканером и осуществляет передачу данных от сканера в программное приложение, из которого вы вызываете сканер. С помощью Twain драйвера производится установка параметров и области сканирования, предварительное сканирование и просмотр, обеспечивается возможность цветокорректировки и постобработки получаемого изображения.

Но, как говорится, нет стандарта без исключения. Особенно досадным это представляется для Windows 95. Дело в том, что имеются две версии 32-битового TWAIN-драйвера, а именно версии 1.5 и 1.6. Они не вполне совместимы между собой. Например, программное обеспечение для обработки графики, разработанное для версии 1.5, отказывается работать с версией 1.6 и наоборот.

Некоторые полезные свойства, не всегда встречающиеся в TWAIN-модулях:
· возможность автоматического определения настроек сканирования.
· окно предварительного просмотра с выбором сканируемого участка и отображением результата производимых настроек и коррекции изображения в реальном времени.
· плавные регулировки яркости, контрастности, гамма-коррекции.
· выбор точек чёрного и белого, желательно и "пипеткой" и заданием значения.
· фильтр подавления печатного растра, многоуровневый или настраиваемый.
· инверсия (негатив) и отражение (переворот) оригинала.
· встроенная система цветосинхронизации с набором профилей, позволяющая скорректировать сканируемое изображение под конкретное устройство вывода или преобразовать его в CMYK.
· возможность сканирования через сеть.
· разнообразные встроенные в драйвер фильтры коррекции резкости и подчёркивания границ изображения. Уступают имеющимся в Adobe Photoshop (исключение - программа LinoColor сканеров Linotype-Hell).

Функциональные возможности, встречающиеся в профессиональных моделях:
· тональная коррекция раздельными по RGB/CMYK кривыми , раздельно в светах, тенях и полутонах.
· компенсация "цветового сдвига" оригинала, численным заданием вычитаемого цвета или указанием образцового цвета, который должна иметь указанная оператором точка изображения после сканирования.
· автоматическое вычитание цвета фотоплёнки слайда (не заменяет собой компенсацию цветового сдвига ввиду возможных собственных искажений цвета на слайде, но и не повредит).
· возможность пакетного и группового сканирования, автоматическое распознавание слайдов в рамках.
· выполнение цветоделения с заданием соответствующих профилей и параметров печати. Издательские пакеты обычно сложнее в настройке цветоделения, но выполняют его качественнее, чем драйвер сканера (исключение - программа LinoColor сканеров Linotype-Hell. Но и обходится она в настоящие деньги).
· фильтр подавления печатного растра с возможностью тонкой настройки оператором.

Аппаратный интерфейс 

Цифровые данные от сканера передаются в компьютер посредством аппаратного интерфейса. Наиболее распространенный способ передачи данных для планшетных сканеров - это SCSI интерфейс, который является платформо-независимым и позволяет использовать сканер, как на Macintosh, так и на PC. Большинство производителей комплектует сканер урезанным адаптером SCSI, позволяющим подключить только сканер.

В последнее время все большей популярностью пользуются модели, подключаемые к параллельному порту компьютера, не требующие снимать крышку системного блока компьютера для установки платы. Как правило, все сканеры с таким интерфейсом, имеют прозрачный порт для подключения принтера.
Кроме того сейчас есть планшетные сканеры, которые имеют собственную интерфейсную плату, которая помимо функции передачи данных, осуществляет электрическое питание сканера от системного блока компьютера. Подключение такого сканера сводится к установке интерфейсной платы, подключении шнура сканера к внешнему разъему на плате, установке драйверов и программного обеспечения. Питание на сканер будет подаваться только при запуске программы сканирования

Глубина цвета

Человеческий глаз способен воспринимать порядка 17 миллионов оттенков цвета или 256 градаций серого (фотографическое качество). Это соответствует 24-битному представлению цвета или 8-битному для изображения в градациях серого. 

Сейчас Вы вряд ли сможете найти черно-белые планшетные сканеры, потому что производится огромное число доступных цветных моделей. Ниже описан механизм получения цвета в сканере.

В сканере электрический сигнал с CCD матрицы преобразуется в цифровой при помощи аналого-цифрового преобразователя. Разрядность АЦП и качество исполнения СCD определяет глубину цвета сканера. Получая по каждой цветовой составляющей 256 градаций (8 бит), в цвете выходит 8х3=24 бит=16.77 млн. оттенков.
Все настольные сканеры сейчас позволяют получить 24-битный цвет. Графические адаптеры и мониторы поддерживают 24-битный цвет, но уже не поддерживают 30 или 36 битный цвет. 

При этом также существуют сканеры с 30 битным и 36 битным представлением цвета (10 и 12 бит соответственно на каждую составляющую). Реально Вы будете работать с 24-битным цветом, но при большой разрядности АЦП, имея избыточную информацию, можно производить цветовую корректировку изображения в большом диапазоне без потери качества. Сканеры, имеющие большую глубину цвета, позволяют сохранить больше оттенков и переходов в темных тонах.

Диапазон оптических плотностей. 

Оптическая плотность - это характеристика оригинала. Вычисляется как десятичный логарифм отношения света падающего к свету отраженному (при сканировании непрозрачных оригиналов) или проходящему (при сканирования слайдов и негативов). Минимально возможное значение 0.0 D - идеально белый оригинал. Максимально возможное значение 4.0 D - идеально черный оригинал. На практике диапазон оптических плотностей характеризует способность сканера охватывать разные оригиналы. Чем больше диапазон тем лучше..

Диапазон оптических плотностей сканера определяется оптикой сканера и глубиной цвета.
Реально при сканировании непрозрачных оригиналов сканер со значение 2.5 D будет хорошо справляться с возложенными на него задачами Эта основная причина почему Вы не найдете значение этой характеристики для многих, представленных на рынке настольных планшетных сканеров

Разрешение

Оптическое разрешение - одна из основных характеристик сканера. Измеряется в точках на дюйм, DPI. Для настольных сканеров Вы можете встретить: 300х300, 400х400, 300х600, 400х800, 600х600, 600х1200 dpi.
Для понимания, что такое оптическое разрешение представьте себе шахматную доску 8х8 размером дюймХдюйм (дюйм=2.54 см). Разрешение этой доски будет 8х8. Если эта доска будет иметь триста квадратов по каждой оси, то соответственно ее раз-решение будет 300х300. Соответственно чем больше разрешение тем более детальную информацию об изображении можно получить.

Касательно механизма сканера, оптическое разрешение сканера определяется ПЗС матрицей по горизонтальной оси. Количество шагов на дюйм, которое позволяет делать двигатель сканера при перемещении каретки, определяет разрешение по вертикальной оси. В связи с этим многие производители указывают разные значения по горизонтали и вертикали, как правило, таким образом завышая реальное разрешение, так как у сканера с разрешением 300х600 (300 по линейке ПЗС и 600 по шаговому двигателю) при заданном разрешении 600 программное приложение (иногда это делается на аппаратном уровне) будет искусственным образом увеличивать разрешение по линейки математически рассчитывая недостающие точки. Представьте если бы он реально сканировал с разными значениями по вертикали и горизонтали, то получая с одного дюйма по одной оси в два раза больше точек чем по другой, итоговое изображение было бы растянуто в два раза по вертикальной оси. Поэтому при выборе сканера во внимание нужно принимать меньшее значение, которое показывает реальное оптическое разрешение сканера.

Механическое: количество раз "считывания" информации CCD-матрицей, поделённое на длину пути, пройденного за это время сканирующей кареткой. Иногда его тоже называют оптическим ("оптическое разрешение 300х600"), но на самом деле это не так (оптическое будет 300, а 600 - это тоже реальное разрешение, но механизма, а не оптики). Как правило, механическое разрешение задаётся изготовителем в 2 раза больше оптического (иногда равным ему или в 4 раза большим), при этом, поскольку CCD-матрица не может сканировать с разрешением выше оптического, а сканируемый квадрат должен остаться квадратом, недостающие "по ширине" точки рассчитываются (интерполируются). Интерполяция же не только не даёт видимого повышения качества при сканировании полноцветных оригиналов, но и может ухудшить чёткость и заметно понизить скорость сканирования. 

Физическое разрешение, истинное разрешение, реальное разрешение: всё, что както определяется механизмом сканера. 

Интерполяционное - произвольно выбранное разрешение, до которого программа сканера якобы берётся "сама рассчитать" недостающие точки (например, выдать 16х16 точек, получив со сканера 3х3 точки). Ценность величины этого показателя сомнительна и он не имеет совсем никакого отношения к механизму сканера. Заметим, что оригиналы типа гравюр иногда действительно лучше увеличивать, сканируя с интерполяционным разрешением, масштабирование же цветного изображения обычно всегда лучше делать в Adobe Photoshop и сканировать при этом с разрешением, равным оптическому (то есть для сканера с указанным "оптическим" - на самом деле физическим - разрешением 300х1200dpi надо выставлять 300dpi). Если Вам нужно отсканировать полноцветное изображение с разрешением меньше оптического, то лучше задавать разрешение, кратное оптическому (то есть для сканера 300х1200dpi выставлять 300dpi или 150dpi, но не 200dpi!) или ближайшее большее и масштабировать в Adobe Photoshop. 

Главная задача при сканировании полноцветного изображения - получить на выходе сканера максимум РЕАЛЬНОЙ информации. Информация с отдельной ячейки CCD-матрицы реальна, а вот результат, например, сканирования с разрешением 2/3 от оптического - интерполяция драйвером или контроллером сканера информации с трёхсот ячеек в двести пикселов.

Дополнительное оборудование

Некоторые планшетные сканеры, помимо использования для сканирования непрозрачных оригиналов, можно использовать для сканирования прозрачных пленок, слайдов, негативов, рентгеновских снимков и т.д.

Для этих служит слайд-адаптер, который устанавливается вместо крышки сканера и при сканировании пленок, заменяет лампу подсветки на каретке сканера (она отключается), собственным источником света. На систему зеркал в таком случае попадает свет не отраженный, а проходящий через прозрачный оригинал.
Для сканирования большого числа стандартных оригиналов (например: бланки, визитки и т.д.) можно укомплектовать сканер автоподатчиком бумаги. Автоподатчик также устанавливается вместо крышки и при сканировании с использованием автоподатчика, оригиналы протягиваются механизмом подачи мимо лампы подсветки, каретка при этом не передвигается.

Не к каждому настольному планшетному сканеру Вы сможете приобрести слайд-адаптер или автоподатчик, поэтому если у Вас может возникнуть необходимость в одном из этих устройств, то нужно выяснять это заблаговременно.

Калибрация, характеризация, цветокоррекция

Важно понимать разницу между двумя типами калибрации сканеров: 
· периодически проводимая калибрационная процедура по двум или даже одному оттенку серого цвета предназначена для компенсации старения лампы. 

· характеризация сканера - создание цветового профиля сканера для системы цветосинхронизации. 
Первая лишь слегка меняет форму корректировочной кривой и не способна внести фатальные изменения в информацию о цвете точки. Цветовой профиль устройства же может выдавать советы типа "будем считать все 40-процентные чисто красные участки имеющими на самом деле ещё и 10 процентов синего, а все 50-процентные оставим без изменений". Берётесь восстановить правильные оттенки у обработанных таким образом изображений? 

Применяемые в производстве средства характеризации заметно мощнее идущих в комплекте с распространёнными типами сканеров, поэтому не стоит с ходу отвергать заводской профиль и считать, что некая процедура с участием цветной мишени даст заведомо лучший результат. Современные препресс-сканеры обычно поставляются откалиброванными под прилагаемый типовой профиль на заводе или же в комплекте с индивидуальным профилем и обеспечивают вполне приемлемую точность цветопередачи. 
Обычные фотографии или слайды сами нуждаются в коррекции цвета - цвета даже на плёнке разных производителей передаются совершенно по разному, а фотографии из "экспресс-печати" обычно имеют радикально сбитый цветовой баланс, так как печать по умолчанию выполняется в режиме автоматической цветокоррекции. 

Мораль: нет смысла создавать профиль сканера по цветной мишеньке на фотобумаге AGFA ( срок годности этих мишеней - 1 год) для того, чтобы сканировать слайд на плёнке FUJI. 
Также нет явной пользы от вычитания драйвером сканера цвета чистой плёнки при сканировании слайда, если всё равно будет производиться цветокоррекция. 

Предназначенные для многократного использования изображения лучше сканировать без каких-либо коррекций, "как есть". Сохранив уже скорректированное изображение и подвергая его повторной коррекции, потеряете в качестве или вообще не сможете получить приемлемый результат. 
Производя коррекцию цвета по изображению на мониторе, нужно хотя бы выставить его цветовую температуру (5000K, если это изображение будет печататься на бумаге) и гамму (1.8). 

Также необходимо представлять себе работу систем цветосинхронизации: полученные драйвером сканера цвета точек могут быть вначале изменены им самим по невсегда-понятно-для-каких-случаев-предназначенному профилю, если активизирована встроенная система управления. Причём попутно драйвер может пытаться подстроить-ся к монитору, тоже непонятно к какому, и внести предварительную коррекцию для принтера, в надежде что изображение не будут рассматривать, а будут печатать без всякой цветокоррекции. Далее данные передаются в программу, из которой производится сканирование. Если активирована её встроенная система управления цветом, может быть ЕЩЁ РАЗ проведена коррекция полученных данных по профилю неведомого сканера, затем по профилю неведомого монитора при выводе на монитор и по профилю неведомого принтера при печати.

Поверх всего этого ещё есть операционная система и специальные программы цветосинхронизации, которые могут "подправить" передаваемые на принтер и монитор данные, ну и возможность автоматической цветокоррекции в драйвере или растеризаторе принтера. 
Важно понять, что только одна система цветосинхронизации должна производить эти коррекции. Если в драйвере сканера уже выбрана цветокоррекция под принтер - прикладная программа и операционная система должны посылать данные на принтер без изменений, а цвета на мониторе будут "не те". 
В полиграфии цвет часто проверяют "вслепую" - не по монитору, а по процентному соотношению цветов в данной точке. Известно, какие значения соответствуют телесному цвету, траве, небу и так далее.

Основные термины

Оптическое разрешение: Число точек изображения, которые сканер может в действительности считать (обозначается также как "физическое разрешение").
CMYK: Используемая при четырехцветной печати (субтрактивное смешение цветов) система цветов с цветами Cyan, Magenta, Yellow и Krimson (циан, магента, желтый и иссиня-черный).

Цветоделение: Разделение цветной графики на отдельные составляющие, к примеру, на RGB или CMYK-отпечатки, яркость, насыщенность и т. д. 
Интерполяция: Методика, при которой "не схватываемые" сканером точки изображения (при превышении оптического разрешения сканера) заполняются пикселями, чьи цвет или яркость являются промежуточными между двумя соседними распознанными точками. Вместо резких контрастов таким образом получаются более мягкие переходы.
Цветокалибровка: Точное выравнивание цветов в соединенных между собой устройствах ввода и вывода. 

Пиксель: Элемент изображения. 
Prescan: Предварительный просмотр результатов сканирования, при котором можно выбрать желаемую часть изображения. 
RGB: Аддитивные основные цвета: красный, зеленый и голубой (Red, Green, Blue). При смешении в равных пропорциях они дают белый цвет (аддитивное смешение цветов)

Некоторые параметры CCD матрицы:
уровень шума - ограничивает динамический диапазон и реальное число разрядов данных, содержащих полезные данные. В принципе ничто не мешает к дешёвой шумящей матрице подключить 36-битный АЦП, но вряд ли качество получаемого изображения от этого улучшится. Правда, и не ухудшится. 
разброс чувствительности от ячейки к ячейке - даже если в сканере предусмотрена калибрация, она выполняется по усреднённым значениям с нескольких ячеек. 
уровень перекрёстных помех - ярко освещённая ячейка влияет на соседние. 
совмещение цветов - в однопроходных сканерах цвета разделяются тремя линейками CCD-матрицы.