Введение
Устройствами ввода являются те устройства, посредством которых можно ввести информацию в компьютер. Главное их предназначение - реализовывать воздействие на машину. Разнообразие выпускаемых устройств ввода породили целые технологии от осязаемых до голосовых. Хотя они работают по различным принципам, но предназначаются для реализации одной задачи - позволить человеку связаться с компьютером. Устройства ввода графической информации находят широкое распространение благодаря компактности и наглядности способа представления информации для человека. По степени автоматизации поиска и выделения элементов изображения устройства ввода графической информации делятся на два больших класса: автоматические и полуавтоматические. В полуавтоматических устройствах ввода графической информации функции поиска и выделения элементов изображения возлагаются на человека, а преобразование координат считываемых точек выполняется автоматически. В полуавтоматических устройствах процесс поиска и выделения элементов изображения осуществляется без участия человека. Эти устройства строятся либо по принципу сканирования всего изображения с последующей его обработкой и переводом из растровой формы представления в векторную, либо по принципу слежения за линией, обеспечивающей считывание графической информации, представленной в виде графиков, диаграмм, контурных изображений. Основными областями применения устройств ввода графической информации являются системы автоматизированного проектирования, обработки изображений, обучения, управление процессами, мультипликации и многие другие. К этим устройствам относятся сканеры, кодирующие планшеты (дигитайзеры), световое перо, сенсорные экраны, цифровые фотокамеры, видеокамеры, клавиатура компьютера, манипулятор "мышь" и другие.
Сканер
Сканер относится к автоматическим устройствам ввода графической информации. Существуют несколько типов сканеров, различающихся по способу перемещения считывающего механизма (его головки) и оригинала относительно друг друга: ручной, рулонный, планшетный, проекционный и барабанный.
Ручной сканер - самый простой тип сканера. Здесь роль привода считывающего механизма выполняет рука человека, и по характеру работы этот тип сканеров чем-то напоминает мышь. Очевидно что, насколько равномерно пользователь перемещает сканер, зависит степень искажения передаваемого в компьютер изображения. К основным достоинствам этого типа сканеров относятся небольшие габаритные размеры и сравнительно низкая цена, а недостатки вытекают из принципа конструкции. При помощи таких сканеров невозможно ввести изображение формата А4 за один проход, поскольку считывающая головка имеет малые габариты (стандартная ширина - 105 мм). Современные ручные сканеры могут обеспечивать автоматическую "склейку" изображения , то есть формируют целое изображение из отдельно вводимых его частей. В общем добиться высокого качества изображения с их помощью очень трудно, поэтому ручные сканеры можно использовать для ограниченного круга задач. Кроме того, они совершенно лишены "интеллектуальности", свойственной другим типам сканеров.
У рулонных сканеров сканирующая головка стоит на месте, а бумага перемещается относительно нее с помощью протяжного механизма (как в матричном принтере). Основное достоинство - при сравнительно невысокой цене сканера - возможность ввода документов формата А4. Однако отсканировать книгу удастся, лишь предварительно разделив ее на отдельные листы.
Этого недостатка лишены планшетные (наиболее распространенный тип) сканеры, у которых сканирующая головка перемещается относительно бумаги с помощью шагового двигателя. Первоначально использовались для сканирования непрозрачных оригиналов. Почти все модели имеют съемную крышку, что позволяет сканировать "толстые" оригиналы (журналы, книги). Дополнительно некоторые модели могут оснащаться механизмом подачи отдельных листов. В последнее время многие фирмы-лидеры в производстве планшетных сканеров стали дополнительно предлагать слайд-модуль (для сканирования прозрачных оригиналов). Слайд-модуль имеет свой расположенный сверху источник света. Такой слайд-модуль устанавливается на планшетный сканер вместо простой крышки и превращает его в универсальный.
У проекционных сканеров считывающая часть перемещается при помощи микромеханизма. Внешний вид их напоминает фотоувеличитель. Некоторые из этих сканеров не используют специального источника света, им достаточно естественного освещения. Хотя проекционные сканеры обеспечивают сканирование с высоким разрешением и качеством слайдов небольшого формата (как правило, размером не более 4 на 5 дюймов), документов, книг, добавляя способность вводить в компьютер проекции трехмерных предметов, они обладают существенным недостатком - низкой скоростью сканирования. Существуют две модификации: с горизонтальным и вертикальным расположением оптической оси считывания.
Основное отличие барабанных сканеров состоит в том, что оригинал закрепляется на прозрачном барабане, который вращается с большой скоростью. Считывающий элемент располагается максимально близко от оригинала. Данная конструкция обеспечивает наибольшее качество сканирования. Обычно в барабанные сканеры устанавливают три фотоумножителя, и сканирование осуществляется за один проход. "Младшие" модели у некоторых фирм с целью удешевления используют вместо фотоумножителя фотодиод в качестве считывающего элемента. Барабанные сканеры способны сканировать непрозрачные и прозрачные одновременно.
Типов оригиналов бывает всего два: прозрачные (негативные и позитивные слайды), которые сканируют в проходящем свете, и непрозрачные, сканируемые в отраженном свете. Непрозрачные оригиналы представляют собой либо аналоговые изображения - фотографии, либо дискретные - иллюстрации из печатных изданий.
Считывание изображения
Несмотря на большое многообразие, практически все они основаны на едином принципе считывания данных. Развертка изображения по оси Y осуществляется чисто механически, по оси X картинка считывается многоэлементным фотоприемными линейками с использованием протяженного осветителя и объектива: графическое изображение равномерно освещается и отраженный световой поток попадает на фотоприемную линейку, представляющую собой рецепторное поле. Каждый фотоприемник формирует на выходе электрический сигнал, пропорциональный принятому световому потоку то соответствующего элемента изображения. Выходы элементов линейки последовательно опрашиваются. Электрический сигнал с его выхода с помощью АЦП преобразуется в двоичный код (для многоградационных графических изображений); этот код совместно с номером фотоприемника представляет описание графического элемента, он передается в ЭВМ. Число фотоприемников в линейке составляет от 2000 и выше. Кроме стандартных решений с линейкой в последнее время стали применяться комбинированные датчики протяженного типа. Каждый элемент такого датчика представляет собой сочетание фотоприемника, осветителя и элементарного оптического преобразователя. Механизмы считывания изображения базируются или на фотоумножителе, или на ПЗС. Фотоумножитель проще всего сравнить с радиолампой-фотосенсором, у которой имеются пластины катода и анода и которая конвертирует свет в электрический сигнал. Считываемая информация подается на фотоумножитель точка за точкой с помощью засвечивающего луча. ПЗС - относительно дешевый полупроводниковый элемент довольно малого размера. ПЗС так же как и умножитель конвертирует световую энергию в электрический сигнал. Набор элементарных ПЗС-элементов располагают последовательно в линию, получая линейку для считывания сразу целой строки, естественно и освещается целая строка оригинала. Цветное изображение такими сканерами считывается за три прохода (с помощью RGB-светофильтра). Многие сканеры имеют три параллельные линейки ПЗС, тогда сканирование цветных оригиналов осуществляется за один проход, так как каждая линейка считывает один из трех базовых цветов. Потенциально ПЗС-сканеры более быстродейственны чем барабанные сканеры на фотоумножителях.
Типы обрабатываемых изображений
По данному критерию сканеры подразделяются на черно-белые, "серые" и цветные. Черно-белые сканеры предназначены для ввода рисунков, текста, чертежей и позволяют вводить изображение в единственном режиме - 1 bpp (бит на пиксель, bits per pixel). Значение этого бита (1 или 0) определяет черную или белую точку. "Серые" сканеры содержат аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и позволяют вводить изображение в режиме несколько бит на точку. Количество градаций серого для таких сканеров равно 2n, где n - число bpp. Для bpp=8 имеется 2^8=256 градаций серого, для bpp=6 - 2^6=64 градаций. Уже стали достоянием истории сканеры, которые не имели АЦП и для получения числа bpp более 1 были вынуждены необходимое количество раз проходить одну и ту же строчку. Однако надо отличать "серые" сканеры от эмулирующих серое. Последние поддерживают полутоновый режим. При этом режиме число bpp не меняется и равно 1, а "серость" достигается за счет механизма dithering (размывания), обеспечивающего пользователю возможность получать "серую" картинку, сканируя изображение в черно-белом режиме (с числом bpp 1). Градации серого эмулируются с помощью плотности черных точек (то есть разного количества черных точек на единицу площади изображения). Происходит это следующим образом: все изображение разбивается на участки определенного размера (2*2, 4*4, 8*8), называемые dither pattern (размываемый шаблон). Для каждой точки участка существует свое значение порога, отделяющего черное от белого. Поэтому соседние точки, отличающиеся друг от друга по степени отражения света, могут в результате оказаться одинаковыми, в то время как при простом черно-белом сканировании они были бы разными. Размер участка определяет число градаций серого, которое способен эмулировать сканер. Dither pattern бывают нескольких разновидностей: "fine" (точный),"coarse" (грубый),"bayer" и другие. Для ручных сканеров имеется возможность выбора из трех или четырех, а вид pattern заранее предопределен. В отличии от них планшетные сканеры предоставляют возможность более широкого выбора, а также определения собственных pattern. У цветных сканеров число bpp обычно равно 24, то есть по 8 бит на точку для каждого из цветов (RGB). Соответственно число воспринимаемых цветов - 16777216. Цветные сканеры могут работать и в "сером", и в черно-белом режиме.