SKANERY

Chociaż budowa skanera jest bardzo prosta, to o jego prawidłowej obsłudze napisano wiele prac naukowych, a nawet doktoratów. Z tego samego oryginału w pozornie takich samych warunkach można otrzymać knot lub arcydzieło. Skanery znajdują zastosowanie przy skanowaniu albumów pełnych starych zdjęć, które w postaci elektronicznej są łatwiejsze do przeglądania, retuszowania i powielania. Podobnie kilometry półek w biurach, ale i w domowych szafach, zapełnionych dokumentami, które z podobnych powodów powinny doczekać się wreszcie swojej cyfrowej analogii. Wśród rozwiązań zasłużonych w rozpowszechnieniu skanerów powinno być złącze USB, dzięki któremu skończyły się problemy z podłączeniem do komputera.

Skanery CCD i CIS.

Podstawowa różnica w budowie skanerów sprowadza się do rodzaju użytego przetwornika światłoczułego. W przypadku skanerów domowych wykorzystuje się dwa typy układów: CCD (Charge Coupled Device) lub CIS (Contact Image Sensor).

[CCD] W pierwszym rozwiązaniu do oświetlenia obiektu używa się zimnej lampy katodowej, która daje dość intensywne światło, zbliżone barwą do naturalnego. Dzięki temu za pomocą urządzeń z przetwornikiem CCD można skanować obiekty trójwymiarowe, które znajdują się nawet w odległości 2-3 cm od szyby skanera. Do niedawna było to uznawane za jedną z zalet, jednak w chwili pojawienia się na rynku tanich aparatów cyfrowych używanie skanera do tego typu zastosowań praktycznie traci sens. Wykorzystanie układu CCD ma również inne zalety. Najważniejszą z nich jest wierność odwzorowania skanowanych obiektów. Dzięki wysokiej rozdzielczości, z jaką mogą pracować skanery wyposażone we wspomniany element, różnica w jakości pomiędzy kopią a oryginałem jest naprawdę niewielka. Inną ważną cechą urządzeń z przetwornikiem CCD jest to, że umożliwiają skanowanie materiałów transparentnych (przezroczystych). Do głównych wad tego typu rozwiązań należy zaliczyć znaczne gabaryty, duży pobór mocy (wymagane jest dodatkowe źródło zasilania) oraz podatność na uszkodzenia, szczególnie podczas transportu.

[CIS] Druga technologia używana w skanerach bazuje na diodach LED. W skanerach CIS używa się kolorowego źródła światła. Montuje się czerwone, zielone i niebieskie LED-y. Świecą po kolei, więc fotoelement w tej samej kolejności mierzy składową odpowiedniego koloru i zamienia padające światło na sygnał elektryczny. W tym przypadku światło ma odcień niebieski i jest raczej mało intensywne. Uniemożliwia to między innymi skanowanie obiektów trójwymiarowych. Ponadto obrabiany dokument musi dokładnie przylegać do powierzchni tafli skanera. Do największych plusów skanerów bazujących na przetwornikach CIS należy zaliczyć ich niewielkie gabaryty. Dotyczy to przede wszystkim grubości. Niewątpliwymi zaletami są również długa żywotność diod LED i małe zapotrzebowanie na energię - w związku z czym skanery CIS mogą być zasilane jedynie z portu USB. Jednak rozwiązanie to, zwłaszcza w porównaniu ze skanerami z przetwornikiem CCD, ma jedną, ale dość istotną wadę - nie najlepszą jakość skanowanych obrazów.

Ograniczenia i zalety obydwu wiodących technologii doprowadziły do podzielenia pomiędzy nie rynku skanerów. Urządzenia CCD dają dokładniejszy obraz ale posiadają znacząco większe gabaryty i wymagają dodatkowego zasilania przez co wykorzystywane są raczej w stacjonarnych lokalizacjach. Z kolei użytkownicy, którzy będą wykorzystywali skaner sporadycznie lub do OCR-u, mogą się natomiast zdecydować na model wykonany w technologii CIS. Modele tego typu sprawdzą się także w przypadku użytkowników mobilnych. Małe ciężar i rozmiary oraz brak zasilacza sprawiają, że niektóre modele zmieszczą się do plecaka lub niewielkiej aktówki. Zamieszczone obok zdjęcie w poglądowy sposób obrazuje dysproporcje pomiędzy skanerami CCD (na dole) i CIS (na wierzchu) o zbliżonych parametrach.

Podstawowe elementy składowe skanera.

W każdym skanerze, CCD czy CIS, znajdziemy pięć zasadniczych części: źródło światła, układ optyczny, element światłoczuły, przetwornik analogowo-cyfrowy i na koniec układ przetwarzania obrazu częściowo programowy, częściowo sprzętowy. Ponieważ przetwornik A/C jest monochromatyczny, więc układ musi być uzupełniony o system separacji koloru.
Wszystko zaczyna się od oświetlenia. Lampa musi świecić w pełnym zakresie długości fal, w przeciwnym razie skaner nie zarejestruje brakujących kolorów, nawet gdyby były na oryginale. Przez czas skanowania wstępnego i właściwego powinna gwarantować stabilność natężenia i koloru światła oraz wydzielać niewiele ciepła.
Oba rodzaje skanerów różnią przede wszystkim system oświetlenia i metoda separacji kolorów.

• W skanerach CCD lampa świeci światłem białym, a separacja kolorów następuje dzięki kolorowym filtrom nałożonym na każdy fotoczujnik.
• W skanerach CIS używa się kolorowego źródła światła. LED-y świecą po kolei, a fotoelement mierzy składową odpowiedniego koloru.

Detektor CCD

Sercem każdego urządzenia, które zamienia obraz na postać elektroniczną (nie tylko cyfrową), jest linijka lub matryca z sensorami. Jest to podzespół elektroniczny składający się z tysięcy lub milionów komórek, w których znajduje się element fotoelektroniczny. Najczęściej jest nim fotodioda, która zamienia impuls świetlny w ładunek elektryczny przekazywany bezpośrednio do kondensatora znajdującego się w komórce. Ładunek jest funkcją czasu i natężenia światła. W zależności od tego, jakie będzie natężenie światła w miejscu, gdzie znajduje się dany detektor, ładunek będzie większy bądź mniejszy (patrz schemat poniżej).

Ładunki przekazywane są do wzmocnienia dalej do przetwornika analogowo-cyfrowego. Obraz zarejestrowany za pomocą jednej "linijki" z detektorami po przetworzeniu byłby monochromatyczny. Rejestrowane jest jedynie natężenie światła, co po zamianie na sygnał cyfrowy mogłoby tworzyć obraz w odcieniach szarości. Aby zarejestrować barwy, stosuje się dwie metody.

CCD z filtrami

Najczęściej wykorzystywanym sposobem jest użycie filtrów RGB, nałożonych na detektory. Do zeskanowania barwnego obrazu potrzebna jest wówczas nie jedna "linijka" - uszeregowany rząd fotodetektorów - a trzy. Na każdej nakładany jest jeden z filtrów RGB - czerwony, zielony i niebieski. Aby zarejestrować barwny piksel, trzeba zebrać dane o natężeniu światła z trzech sąsiadujących ze sobą komórek z innym filtrem. Poszczególne komórki z filtrem R, G lub B przekazują informację o natężeniu światła w danej części spektrum. Następnie na podstawie informacji z trzech komórek tworzony jest barwny piksel. Schemat takiego trzyliniowego sensora przedstawiony jest poniżej.

Sensor monochromatyczny

Druga metoda rejestracji kolorowego obrazu nie wymaga aż trzech rzędów fotodetektorów. Użyty jest tylko jeden, i to nie pokryty filtrami. Może rejestrować barwny obraz dzięki trzykrotnemu naświetlaniu za pomocą opisanych wyżej elektroluminescencyjnych diod RGB. Dane o pikselu przechwytywane są po zaświeceniu się zsynchronizowanych z CCD diod czerwonej, zielonej i niebieskiej.

Przetwornik analogowo-cyfrowy (A/C)

Urządzenie to konwertuje zarejestrowane przez CCD informacje o obrazie na postać cyfrową za pomocą próbkowania analogowego sygnału. Przetwornik analogowo-cyfrowy jest bardzo ważnym elementem skanera. Od częstotliwości próbkowania zależy dokładność odwzorowania skanowanego materiału.

Mechanika skanera

Wyżej wymienione główne elementy skanera muszą być w stosunku do siebie odpowiednio położone, a często też w określony sposób położenie to zmieniać. W przeciwieństwie do aparatów cyfrowych zamiana całego obrazu z oryginału na postać cyfrową nie następuje w jednym momencie. Skanery bowiem nie dysponują matrycami z fotodetektorami, lecz jedynie ich wąskimi fragmentami w postaci "linijek CCD". Aby mogły odczytać cały obszar znacznie większego od siebie oryginału, niezbędny jest mechanizm transportujący sensor. Precyzyjny ruch silnika krokowego jest niezbędny do dokładnego skanowania. Rozdzielczość pozioma skanowanego dokumentu jest uzależniona tylko od jego dokładności (każdy "krok" to rejestracja pikseli tworzących pionowe linie kadru).

Najważniejsze cechy technologii CCD i CMOS

Niezależnie od oświetlenia, na końcu drogi optycznej dochodzi do konwersji sygnału na postać cyfrową. Do tego służą dwie technologie: CCD i CMOS. Komórką światłoczułą w obu przypadkach może być fotodioda lub fototranzystor, różnice między technologiami są zebrane w tabeli poniżej.

Wspólnym problemem obu metod są szumy, zależność czułości fotoczujnika od koloru światła i jego nieliniowa charakterystyka. Rada na drugi i trzeci to przekształcanie wyników, ale walka z szumem nie jest taka prosta. Co prawda, szum można redukować, przedłużając pomiar, ale poprawa jakości w ten sposób kosztowałaby zbyt wiele. Mamy minimalny próg czułości wyznaczony punktem, od którego sygnał świetlny przewyższy poziom szumu (rysunek poniżej). W istocie ten próg decyduje o przydatności skanera do pracy z fotografiami czy tylko z tekstem i grafiką.

Na oryginałach z dużą rozpiętością tonalną są zarówno miejsca jasne jak i bardzo ciemne. W słabym skanerze te drugie nie wyjdą ponad poziom szumów. Ich obraz zleje się w jednolitą czarną plamę.
Od układu optycznego wymagamy dobrego przenoszenia szczegółów i kontrastu. Do sprawdzania tej cechy używa się wzorców, pokazanych na kolejnym rysunku.

Przy za ciemnym oryginale szczegóły toną w szumie. Coraz gęstsze linie odpowiadają wzrostowi rozdzielczości. Wraz z tym wzrostem spada zdolność rozróżniania bieli i czerni, początkowo stopniowo, ale od pewnego zagęszczenia linii - gwałtownie. Objawia się to niwelowaniem różnicy między czarnymi paskami i białym tłem, a w rezultacie pasiasty wzorzec staje się prawie jednolicie szary. Po tym poznajemy kres zdolności rozdzielczej łącznie wszystkich elementów konstrukcji: optyki, mechanizmów transportu i przetwornika analogowo/cyfrowego.

Chociaż kolory podstawowe: czerwony, zielony i niebieski w formułach rachunkowych są jednakowo ważne, to każdy z nich wnosi nieco inny rodzaj informacji o błędach w zeskanowanym obrazie. Warto korzystać z filtrów w programie retuszerskim bądź w sterowniku skanera, aby łatwiej znaleźć przyczynę i wyeliminować niedoskonałości.

Kanał czerwony

Tak jak inne kanały, czerwony wyświetla informacje o ilości swojej składowej w obrazie. Jednak oprócz tego ma tendencje do rejestrowania większego zakresu kontrastu niż inne kanały. Jeśli chcemy się czegoś dowiedzieć o najjaśniejszych i najciemniejszych miejscach skanu, zacznijmy badanie od oglądania czerwonej składowej.

Kanał zielony

Ze wszystkich kanałów RGB zielony jest najbardziej przydatny do ogólnej obróbki obrazu. Podczas gdy czerwony informuje o rozpiętości kontrastu, w zielonym najłatwiej odnajdzie się wszystkie tzw. obiekty o najwyższej częstotliwości. Przez to określenie rozumiemy miejsca, gdzie spotykają się obszary o szczególnie dużej różnicy tonalnej, np. jasne z ciemnym, rozświetlenia z cieniami. Gdyby próbkować kroplomierzem poszczególne fragmenty obrazu, największa różnica ujawniłaby się na granicy między bielą a czernią. To miejsce o ekstremalnie wysokiej częstotliwości.

Krawędź oddzielająca miejsca o dużej różnicy jasności jest tam, gdzie spodziewać się można granicy jakiegoś obiektu. Takie granice są najlepiej widoczne w zielonym kanale składowym. Z tego powodu skanowanie tzw. monochromatyczne naprawdę przeprowadza się w kanale zielonym, z wyłączonymi sensorami pozostałych kolorów. W wypadku kompletu zestawu barw podstawowych CMYK najbardziej przydatny do rozróżniania obiektów wysokiej częstotliwości jest kolor czarny.

Kanał niebieski

Najtrudniejsze do usunięcia wady obrazu kryją się w jego kanale niebieskim. Oczywiście, jeśli skanujemy dużo błękitnego nieba, wielkie powierzchnie w tym kolorze czy też najnowszą kolekcję mody całą w błękitach, możemy się spodziewać szczególnie dużego udziału niebieskiego kanału. Na płaszczyznach wypełnionych tym kolorem bez trudu znajdziemy artefakty wywołane szumem, charakterystyczne ziarno emulsji filmowej, szumy skanera i inne niepożądane efekty skanowania oraz - w wypadku obrazów przechwytywanych z wideo - charakterystyczne rozmazania.

Spojrzenie na niebieską składową pozwoli łatwiej ocenić klasę skanera. W kanale niebieskim szczególnie uwydatni się ziarnista struktura pokrywająca cały obraz. Jej wzory zależą od rodzaju filmu, drobniejsze są na mniej czułej emulsji. Bardzo często zaaplikowanie nawet niewielkiej dawki specjalnych filtrów wyłącznie do niebieskiego kanału pozwala zredukować wadę nie tylko w tym kolorze składowym, ale i w całym obrazie.

Jest bezpośredni związek między bitową głębią kolorów a gęstością optyczną, ale tradycyjnie przyjęło się podawać wartości teoretyczne w bitach, a praktyczne w jednostkach gęstości optycznej D. Tylko na tej podstawie modele, w których producent podaje gęstość optyczną, uważamy za lepsze. Jest w tym wiele racji, bo gdyby poważnie potraktować 48-bitową głębię, tak często podawaną w charakterystyce prawie każdego skanera - powinny one radzić sobie z materiałami o gęstości optycznej 4,8 D. Takie superurządzenie radziłoby sobie z każdym obiektem nadającym się do skanowania, a problem jakości zostałby ostatecznie rozwiązany.

To w teorii, w praktyce niewiele oryginałów możliwych do skanowania osiąga chociażby połowę tej liczby. Od skanera wymagamy, aby jego gęstość optyczna przewyższała tę, którą możemy znaleźć na dokumencie źródłowym. Typowe wartości gęstości optycznej zależnie od pochodzenia oryginałów wynoszą:

• materiały drukowane między 1,0 a 2,0,
• fotografie na papierze między 2,0 a 2,5,
• negatywy między 2,5 a 3,0,
• przezrocza między 3,5 a 4,0.

Jeśli ma nie dojść do utraty szczegółów, gęstość optyczna skanera musi być większa od tych liczb. Sprawdzenie tego parametru nie jest proste. Test gęstości optycznej bez profesjonalnie wykonanego wzorca jest skazany na niepowodzenie.

Warto przypomnieć, że ze względu na użycie skali logarytmicznej gęstość optyczna lepiej oddaje wrażliwość zmysłu wzroku na intensywność światła niż głębia wyrażona w bitach, za pomocą której zwykle podaje się tylko wielkość transmisji, t. Wtedy gęstość optyczna, Q= - log(t); a konkretnie:

• 24-bitowa głębia odpowiada - 2,4 D,
• 30-bitowa głębia - 3,0 D,
• 36-bitowa głębia - 3,6 D,
• 42-bitowa głębia - 4,2 D,
• 48-bitowa głębia - 4,8 D.

Materiał ze strony http://www.grupabs.pl/pliki/Programowanie/UTK/Wyk%B3ady/Wyk%B3ad_40/