Возможности сканирующей системы

Оглавление 

1. История развития сканирующих устройств 3

1.1 Ручные сканеры 5

1.2 Настольные сканеры 5

1.3 Планшетные сканеры  6

1.4 Рулонные сканеры 7

1.5 Проекционные сканеры 8

2. Описание процесса сканирования 8

2.1 Механизм сканера 9

2.2 Процесс сканирования 11

2.3 Принцип работы CCD (светочувствительный элемент) 12

2.4 Принцип работы AD преобразователя 13

2.5 Процесс распознавания сканером цвета 14

2.6 Технические данные 15

2.7 Интерполированная разрешающая способность 16

3. CCD или CIS: технологии сканеров 19

3.1 CCD 19

3.2 CIS (Contact Image Sensor) 21

4. 3D сканирование 23

4.1 Описание сканирующей системы 24

4.2 Технические характеристики 25

4.3 Программное обеспечение Cyclone 6.0 25

   4.3.1 Cyclone-SCAN - управление сканером 27

   4.3.2 Cyclone-REGISTER - уравнивание облаков точек 29

    4.3.3 Cyclone-MODEL - измерения, моделирование и чертежи 33

   4.3.4 Leica Cyclone - VIEWER и VIEWER PRO – измерения и 

   визуализация объектов 37

   4.3.5 Leica COE (Cyclone Object Exchange) - обмен данными 37

   4.3.6 Cyclone CloudWorx для AutoCAD 38

5. Возможности  сканирующей системы 39

  5.1 Основы технологии лазерного сканирования 39

  5.2 Принцип работы сканирующей системы 42

6. Заключение 45 

Сканер (англ. scanner) — устройство, которое, анализируя какой-либо объект, создаёт цифровую копию изображения объекта. Процесс получения этой копии называется сканированием. 

      Сканеры предназначены для ввода графической  информации. С помощью сканеров можно  вводить и знаковую информацию. В  этом случае исходный материал вводится в графическом виде, после чего обрабатывается специальными программными средствами. Сканирование документов – процесс создания электронного изображения бумажного документа, напоминает его фотографирование.

1. История развития сканирующих  устройств.

      Из всех компьютерных устройств, сканер – одно из самых старых по времени из изобретений. Системы для сканирования изображения являются неотъемлемой частью таких устройств, как фототелеграф, телефакс, телекамера и существуют уже более ста лет. В 1855 году итальянский физик Казелли создал прибор для передачи изображений, названный "пантелеграфом". В этом приборе игла сканировала изображение, нарисованное токопроводящими чернилами. С изобретением фотоэлемента был создан фототелеграф, в котором тонкий луч света перемещался по поверхности закрепленной на барабане фотографии. Свет, отражаясь от поверхности изображения, попадает на катод фотоэлемента, вызывая ток эмиссии, пропорциональный отражательной способности. В начале века немецким физиком Корном был создан фототелеграф, который ничем принципиально не отличается от современных барабанных сканеров. В нем происходит механическое сканирование изображения по двум координатам и освещается каждая точка в отдельности. Проходящий через нее свет воспринимается одним селеновым фотоприемником - следовательно, отсутствует погрешность, связанная с неидентичностью чувствительных элементов. Это самый старый и на сегодняшний день самый качественный, но и самый дорогой способ. Он не имеет принципиальных ограничений на число точек, из которых будет составлено изображение. Развитие полупроводниковых технологий позволило объединить несколько фотоприемников в одну линейку и обойтись перемещением только по одной координате. Это привело к рождению планшетных, рулонных, проекционных и ручных сканеров. Их оптическая схема абсолютно одинакова и может быть представлена в виде объектива, фокусирующего строку изображения на линейку фотоприемников. Различие заключается в способе перемещения фотографии, линейки фотоприемников и объектива. Обычно объектив и линейка фотоэлементов жестко связаны и перемещаются относительно фотографии. Разрешение подобных устройств обусловлено числом чувствительных элементов в линейке, и если ширина фотографии меньше рабочей поверхности сканера, то используется только часть фотоэлементов. В некоторых проекционных сканерах и студийных цифровых фотоаппаратах происходит перемещение линейки фотоприемников относительно изображения, сформированного неподвижным объективом. Проекционные сканеры позволяют сфокусировать объект на всю ширину линейки чувствительных элементов и, таким образом, вне зависимости от размера изображения получить максимально возможное разрешение.  

      Современный сканер функционально состоит из двух частей: собственно сканирующего механизма (engine) и программной части (TWAIN-модуль, система управления цветом и прочее).

      Принцип работы (планшетный):

      Оригинал  располагается на прозрачном неподвижном  стекле, вдоль которого передвигается  сканирующая каретка с источником света (если сканируется прозрачный оригинал, используется так называемый слайд-модуль - крышка, в которой  параллельно сканирующей каретке  сканера перемещается вторая лампа).

      Оптическая  система сканера (состоит из обьектива  и зеркал или призмы) проецирует световой поток от сканируемого оригинала  на приёмный элемент, осуществляющий разделение информации о цветах - три параллельных линейки из равного числа отдельных  светочувствительных элементов, принимающие  информацию о содержании "своих" цветов. В трёхпроходных сканерах используются лампы разных цветов или  же меняющиеся светофильтры на лампе  или CCD-матрице. Приёмный элемент преобразует  уровень освещенности в уровень  напряжения (все ещё аналоговую информацию). Далее, после возможной коррекции  и обработки, аналоговый сигнал поступает  на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). С АЦП информация выходит  уже в двоичном виде и, после обработки  в контроллере сканера через  интерфейс с компьютером поступает  в драйвер сканера - обычно это  так называемый TWAIN-модуль, с которым  уже взаимодействуют прикладные программы.

      Классификация современных сканеров:

      1.1 Ручные сканеры

      В основу работы ручных сканеров положен процесс регистрации отраженных лучей светодиодов от поверхности сканируемого документа. Для того чтобы ввести в компьютер какой-либо документ при помощи этого устройства, надо без резких движений провести сканирующей головкой по соответствующему изображению. Таким образом, проблема перемещения считывающей головки относительно бумаги целиком ложится на пользователя. Равномерность перемещения сканера существенно сказывается на качестве вводимого в компьютер изображения. В ряде моделей для подтверждения нормального ввода имеется специальный индикатор. Ширина вводимого изображения для ручных сканеров не превышает обычно 4 дюймов (10 см). В некоторых моделях ручных сканеров для повышения разрешающей способности уменьшают ширину вводимого изображения. Современные ручные сканеры могут обеспечивать автоматическую "склейку" вводимого изображения, то есть формируют целое изображение из отдельно вводимых его частей. Благодаря этому, при помощи ручного сканера невозможно ввести изображения даже формата А4 за один проход. 

      К основным достоинствам такого типа сканеров относятся: 
низкая стоимость. Поскольку в ручных сканерах в качестве позиционирующего модуля выступает пользователь, отпадает необходимость в этом дорогом элементе; портативность. С появлением ручных сканеров, подключаемых к параллельному порту, их можно использовать как с настольными, так и с портативными компьютерами; 
сканирование книг без их повреждения. С помощью ручного сканера можно отсканировать книгу, не сгибая и не разрывая ее. Это особенно важно при сканировании старинных книг или древних манускриптов.  
Первые модели ручных сканеров подключались к компьютеру с помощью интерфейсной карты, которой необходимо было выделять отдельное прерывание, канал прямого доступа к памяти и адрес ввода-вывода. В настоящее время практически все устройства этого класса подключаются к параллельному порту, освобождая, таким образом, необходимые ресурсы.

      1.2 Настольные сканеры:

      В России модели с реднего класса (настольные офисные сканеры документов) в  силу своей универсальности являются наиболее часто используемым типом  сканерного оборудования. Настольные сканеры называют и страничными, и. планшетными, и даже авто сканерами. Такие сканеры позволяют вводить  изображения размерами 8,5 на 11 или 8,5 на 14 дюймов. Они выпускаются со SCSI или скоростными видео- интерфейсами, обычно допускают сканирование с  планшета или с использованием интегрированного устройства автоподачи документов. Существуют три разновидности настольных сканеров: планшетные (flatbed), рулонные (shett-fed) и проекционные(overhead).

      1.3 Планшетные сканеры  

      Планшетные  сканеры, особенно предназначенные  для чего-то кроме подарка или  использования в качестве игрушки, при внешней простоте являются весьма интересными и довольно сложными опто-электронно-механическими устройствами. Однако конструкция их устоялась, производство хорошо налажено и технологически не является чем-то запредельным, так что  обычно планшетные сканеры в ценовом  диапазоне до 10000 долларов (включая  такие известные имена, как AGFA, Linotype-Hell и UMAX) производятся на Тайване.

      Основным  отличием планшетных сканеров является то, что сканирующая головка перемещается относительно бумаги с помощью шагового двигателя. Понятно, что рассмотренная  конструкция изделия позволяет  сканировать не только отдельные  листы, но и страницы журнала или  книги.

      Оптическое  разрешение настольных сканеров регулируется в диапазоне 100-800 dpi. Скорости сканирования достигают 64 страниц в минуту. На планшетных настольных сканерах можно  сканировать неразброшюрованные документы, книжные страницы, документы нестандартного размера или полиграфического исполнения. Универсальный характер устройств  подчеркивается в последнее время  выпуском моделей, позволяющих наряду со скоростным вводом документов полноценно (до 16.7 млн. цветов) сканировать в цвете. Несмотря на то, что паспортная производительность отдельных моделей настольных сканеров не уступает и даже, иной раз, превосходит соответствующие показатели специализированных производственных сканеров, во избежание частых замен изнашивающихся элементов устройства (главным образом, ламп, роликов и прокладок), настольные модели не следует использовать в режимах полносменного или круглосуточного сканирования. При условии непревышения рекомендованных дневных нагрузок (приблизительно 5 часов сканирования в день) среднее время между отказами для старших моделей настольных скоростных сканеров составляет около трех лет (при этом в зависимости от модели после сканирования каждых 100-200 тысяч страниц потребуется замена расходуемых элементов - consumables).

    Планшетные  сканеры в свою очередь классифицируются  на однопроходные или трехпроходные.  
    Раньше для цветного сканирования приходилось использовать трехпроходную технологию, то есть первый проход с красным фильтром для получения красной составляющей, второй - для зеленой составляющей и третий - для синей. Такой метод имеет два существенных недостатка: малая скорость работы и проблема объединения трех отдельных сканов в один, с вытекающим отсюда несовмещением цветов. Решением стало создания True Color CCD, позволяющих воспринимать все три цветовые составляющие цветного изображения за один проход. Cейчас на рынке нет трехпроходных сканеров.

      True Color CCD является стандартом на  данный момент и в мире уже  никто не выпускает трехпроходные  сканеры. Однопроходные сканеры  используют одну из двух подсистем  для получения данных о цвете  изображения: некоторые используют  ПЗС со специальным покрытием,  которое фильтрует цвет по  составляющим, другие используют  призму для разделения цветов.

      True Color CCD является стандартом на  данный момент и в мире уже  никто не выпускает трехпроходные  сканеры. Однопроходные сканеры  используют одну из двух подсистем  для получения данных о цвете  изображения: некоторые используют  ПЗС со специальным покрытием,  которое фильтрует цвет по  составляющим, другие используют  призму для разделения цветов.

      1.4 Рулонные сканеры

      Рулонные  сканеры представляют собой монохромные  устройства, предназначенные главным  образом для ввода документов в машину, с помощью оптического распознавания символов OCR (Optical Character Recognition). Работа рулонных сканеров происходит следующим образом: отдельные листы документов протягиваются через такое устройство, при этом и осуществляется их сканирование. Таким образом, в данном случае сканирующая головка остается на месте, уже относительно нее перемещается бумага. Понятно, что в этом случае сканирование страниц книг и журналов просто невозможно. Для удобства работы рулонные сканеры обычно оснащаются устройствами для автоматической подачи страниц. 

      1.5 Проекционные сканеры

      Разновидность настольных сканеров — проекционные сканеры, которые напоминают своеобразный проекционный аппарат (или фотоувеличитель). Вводимый документ кладется на поверхность сканирования изображением вверх, блок сканирования находится при этом также сверху. Перемещается только сканирующее устройство. Основной особенностью данных сканеров является возможность сканирования проекций трехмерных изображений. Комбинированный сканер обеспечивает работу в двух режимах: протягивания листов (сканирование оригиналов форматом от визитной карточки до21,6 см) и самодвижущегося сканера. Для реализации последнего режима сканера необходимо снять нижнюю крышку. При этом валики, которые обычно протягивают бумагу, служат для передвижения сканера по сканируемой поверхности. Хотя понятно, что ширина вводимого сканером изображения в обоих режимах не изменяется (чуть больше формата А4), однако в самодвижущемся режиме можно сканировать изображение с листа бумаги, превышающего этот формат, или вводить информацию со страниц книги.

2. Описание процесса сканирования

Чтобы сканировать документ, сканер использует световые и светочувствительные элементы:

Лампа излучает свет, чтобы осветить документ.

Свет  отражается от документа и фиксируется  светочувствительными элементами.

Светочувствительные элементы превращают полученный свет в электрическое напряжение.

Это напряжение аналогового сигнала преобразуется  в цифровые сигналы (0 и 1), которые могут быть поняты компьютером.

Поскольку отраженный свет изменяется со свойствами документа полученное напряжение точно  описывает документ. Например, свет отражённый красным пятном на документе  отличается от света отражённого  синим пятном.

     2.1 Механизм сканера

Сегодня многочисленные типы сканеров, типа карманных  сканеров, сканеров с протяжкой листов, планшетных сканеров, сканеров фотографий, устройства барабанного типа или  даже трёхмерные сканеры широко представлены на рынке. Однако, планшетные сканеры  наиболее популярные и повседневно  используемые, поэтому в этой статье сосредоточимся на планшетном механизме  сканера. 

Планшетный  механизм CCD сканера состоит из следующих  частей: 

     2.2 Процесс сканирования 

В анимированом процессе сканирования(см. изображение  ниже) можно наблюдать как сканирующая  головка двигается поперёк документа, постепенно переводя оригинал документа  в цифровой формат. 

Вы можете видеть как лампа излучает свет, который освещает документ, а затем  отражается и направляется посредством  зеркал к линзе и через неё  и светофильтры на светочувствительный  элемент. Светочувствительный элемент  превращает свет в электрическое  напряжение, которое преобразуется  в цифровой сигнал посредством AD преобразователя. Полученные цифровые сигналы передаются на компьютер.

Сканирующаяся головка перемещается вдоль документа  сканируя линию за линией. После  каждой линии полученная информация передаётся на компьютер. 

     2.3 Принцип работы CCD (светочувствительный элемент)

     Светочувствительный элемент - это главный компонент  сканера, поскольку он превращает отражённый свет в читаемую компьютером информацию.

     CCD это аббревиатура от Charge Coupled Device(полупроводниковая  светочувствительная матрица).

     Светочувствительный элемент состоит из нескольких крошечных  светочувствительных диодов, названных  фотоячейками(photosites), размещенными в  ряд. Фотоячейки могут переводить фотоны(свет) в электроны(электрический заряд). Электрический заряд начинает накапливаться  в случае попадания света на фотоячейку, и затем переносится электрическое  напряжение. Чем более яркий свет, который поражает каждую фотоячейку, тем больше электрический заряд, который накапливается на этой фотоячейке, и выше напряжение, переданное этой фотоячейкой. 

     Изображение состоит из многочисленных элементов  изображения(пикселей). Каждая фотоячейка фиксирует один пиксель в линии. Как только первая линия со сканирована, мотор каретки перемещает светочувствительный  элемент к следующей линии.

     2.4 Принцип работы AD преобразователя

     AD преобразователь конвертирует значения  напряжения аналогового сигнала,  переданное фотоячейками, в цифровые  сигналы, которые могут быть  поняты компьютером.

     Цифровые  сигналы описывают документ менее  точно чем значения напряжения аналогового  сигнала. Это связано с тем, что  аналоговые средние величины, которые  устанавливают каждый отдельный  уровень яркости, могут быть превращены в удельное значение напряжения аналогового  сигнала, однако компьютеры понимают только два цифровых значения: 0 (выкл.) и 1 (вкл.). Поэтому, для того чтоб представить  более чем два аналоговых значения, используются комбинации из этих двух цифровых значений.

     Например, если цифровой сигнал составлен из 4 цифр, 16 значений напряжения аналогового  сигнала могут быть представлены цифровым сигналом как 2(4) =16 /два в  четвёртой степени/. В этом случае возможны следующие комбинации: 0000, 0001, 0010, 0100, 1000, 0011, 0101, 1001, 0110, 1010, 1100, 0111, 1011, 1101, 1110, 1111. Эти цифры называют битами. На следующем рисунке представлена схема 4-х битового сигнала, который  не может полностью представить  весь диапазон значений напряжений, поскольку 16 сигналов недостаточно, чтобы представить  хотя бы приближённую характеристику каждого значения напряжения.

     Как мы можем видеть в примере выше, 4 битовых сигнала только в состоянии  представить 16 различных значений. Эти средние величины могут установить только 16 уровней яркости в пикселе, которых явно недостаточно для отображения  со сканированного изображения в  среднем качестве. Поэтому, для представления  хорошей градации яркости, обычно используются 8 битовые сигналы. Так 2(8)=256 /два в  восьмой степени/, устанавливает 256 уровней яркости, которые могут  быть представлены в пикселе. 8 битов  также называют 1 байтом.

     2.5 Процесс распознавания сканером цвета

Для распознавания  и представления цветов сканер использует систему цветов RGB(red, green, blue), которая  основана на трёх цветах: красный, зелёный  и синий. Другие цвета получаются путём смешения этих трёх в различных  пропорциях. Если красный, зелёный и  синий цвета смешаны в равном соотношении, получается белый цвет. 

Поскольку все цвета системы RGB составлены из красного , зелёного и синего цветов, они могут быть со сканированы  отдельно и воссоединены позже. Это  делается посредством светофильтров. Сканер оборудован одним фильтром для  красного цвета, одним фильтром для  зелёного и одним для синего. Отраженный свет проходит через соответствующий  фильтр и попадает на светочувствительный  элемент. Фотоячейка получает заряд  напряжения, которое затем, с помощью AD преобразователя, конвертируется в цифровой сигнал. После того как докумет со сканирован, 3 цветных изображения воссоединяются, чтобы корректно отобразить оригинал.

Возвращаясь к уровням яркости цветного изображения: если AD преобразователь использует 8 битовых сигналов, чтобы представить  уровень яркости каждого цвета, то получается 2(8) = 256 оттенков красного цвета, 2(8) = 256 оттенков зелёного и 2(8) = 256 оттенков синего, которые могут быть представлены в пикселе. Комбинируя эти цвета можно получить 2(24) = 16.7 миллионов цветов в целом, которые  могут быть представлены в пикселе.

     2.6 Технические данные

1) Разрешающая  способность 

Разрешающая способность говорит нам сколько  пикселей или точек на дюйм может  быть зафиксировано и обозначено в ppi (пиксели на дюйм) или dpi (точки  на дюйм). Чем больше пикселей или  точек зафиксированы, тем выше детализация  в со сканированном изображении. Разрешающая способность 300 x 300 dpi соответствует 90 000 точкам в сумме на участке  в один квадратный дюйм.

Оптическая  разрешающая способность

Оптическая  разрешающая способность зависит  от количества фотоячеек на светочувствительном  элементе (горизонтальная оптическая разрешающая способность) и от размера  шага мотора каретки, который перемещает светочувствительный элемент поперек  документа (вертикальная оптическая разрешающая  способность).

     2.7 Интерполированная разрешающая способность

Принимая  во внимание, что оптическая разрешающая  способность может быть достигнута техническими средствами, интерполированная  разрешающая способность достигнута программным обеспечением сканера. Посредством алгоритмов программное  обеспечение создает дополнительные(виртуальные) пиксели между реальными пикселями, зафиксированными светочувствительным  элементом, таким образом достигается  максимально возможная разрешающая  способность. Эти дополнительные пиксели - это усреднённое значение цвета, и яркости полученное из смежных  пикселей. Поскольку эти дополнительные пиксели реально не отражают сканируемый  документ, они менее точны и  не расширяют качество изображения. Поэтому по критерию качества картинки для сканера оптическое значение разрешающей способности более  важно. 

Иногда, однако, интерполяция важна когда  горизонтальная оптическая разрешающая  способность, которая зависит от количества фотоячеек на светочувствительном  элементе, ограничена. Например, если бы сканер работал с оптической разрешающей  способностью 300 x 600 точек на дюйм, со сканированное изображение было бы деформировано, поскольку горизонтальная оптическая разрешающая способность ниже чем вертикальная оптическая разрешающая способность. В этом случае оптическая разрешающая способность должна быть интерполирована, чтобы достигнуть 600 x 600 точек на дюйм.