Полутоновые сканеры используют максимальную разрешающую способность, как правило, только в двухуровневом режиме. Обычно они поддерживают 16, 64 или 256 оттенков серого цвета для 4-, 6- и 8-разрядного кода, который ставится при этом в соответствие каждой точке изображения. Разрешающая способность сканера измеряется в количестве различаемых точек на дюйм изображения — dpi (dot per inch). Если в первых моделях сканеров разрешающая способность была 200—300 dpi, то в современных моделях это, как правило, 400, а то и 800 dpi. Некоторые сканеры обеспечивают аппаратное разрешение 600х1200 dpi. В ряде случаев разрешение сканера может устанавливаться программным путем в процессе работы из ряда значений: 75, 1 150, 200, 300 и 400 dpi.
Надо сказать, что благодаря операции интерполяции, выполняемой, как правило, программно, современные сканеры могут иметь разрешение 800 и даже 1600 dpi. В результате интерполяции на получаемом при сканировании изображении сглаживаются кривые линии и исчезают неровности диагональных линий. Напомним, что интерполяция позволяет отыскивать значения промежуточных величин по уже известным значениям. Например, в результате сканирования один из пикселов имеет значение уровня серого цвета 48, а соседний с ним — 76. Использование простейшей линейной интерполяции позволяет сделать предположение о том, что значение уровня серого цвета для промежуточного пикселя могло бы быть равно 62. Если вставить все оценочные значения пикселов в файл отсканированного изображения, то разрешающая способность сканера как бы удвоится, то есть вместо обычных 400 dpi станет равной 800 dpi.
Черно-белые сканеры.
Попробуем объяснить принцип работы черно-белого сканера. Сканируемое изображение освещается белым светом, получаемым, как правило, от флуоресцентной лампы. Отраженный свет через редуцирующую (уменьшающую) линзу попадает на фоточувствительный полупроводниковый элемент, называемый прибором с зарядовой связью ПЗС (Change- Coupled Device, CCD), в основу которого положена чувствительность проводимости p-n-перехода обыкновенного полупроводникового диода к степени его освещенности. На p-n-переходе создается заряд, который рассасывается со скоростью, зависящей от освещенности. Чем выше скорость рассасывания, тем больший ток проходит через диод.
Рис.1. Блок схема черно-белого сканера.
Каждая строка сканирования изображения соответствует определенным значениям напряжения на ПЗС. Эти значения напряжения преобразуются в цифровую форму либо через аналого-цифровой преобразователь АЦП (для полутоновых сканеров), либо через компаратор (для двухуровневых сканеров). Компаратор сравнивает два значения (напряжение или ток) от ПЗС и опорное (рис. 1), причем в зависимости от результата сравнения на его выходе формируется сигнал 0 (черный цвет) или 1 (белый). Разрядность АЦП для полутоновых сканеров зависит от количества поддерживаемых уровней серого цвета. Например, сканер, поддерживающий 64 уровня серого, должен иметь 6-разрядный АЦП. Каким образом сканируется каждая следующая строка изображения, целиком зависит от типа используемого сканера. Напомним, что у планшетных сканеров движется сканирующая головка, а в рулонных сканерах она остается неподвижной, потому что движется носитель с изображением — бумага.
Цветные сканеры.
В настоящее время существует несколько технологий для получения цветных сканируемых изображений. Один из наиболее общих принципов работы цветного сканера заключается в следующем. Сканируемое изображение освещается уже не белым цветом, а через вращающийся RGB-светофильтр (рис. 2). Для каждого из основных цветов (красного, зеленого и синего) последовательность операций практически не отличается от последовательности действий при сканировании черно-белого изображения. Исключение составляет, пожалуй, только этап предварительной обработки и гамма-коррекции цветов, перед тем как информация передается в компьютер. Понятно, что этот этап является общим для всех цветных сканеров.
В результате трех проходов сканирования получается файл, содержащий образ изображения в трех основных цветах — RGB (образ композитного сигнала). Если используется восьмиразрядный АЦП, который поддерживает 256 оттенков для одного цвета, то каждой точке изображения ставится в соответствие один из 16,7 миллиона возможных цветов (24 разряда). Сканеры, использующие подобный принцип действия, выпускаются, например, фирмой Microtek.
Рис.2. Блок-схема цветного сканера с вращающимся RGB-фильтром. Надо отметить, что наиболее существенным недостатком описанного выше метода является увеличение времени сканирования в три раза. Проблему может представлять также «выравнивание» пикселов при каждом из трех проходов, так как в противном случае возможно размывание оттенков и «смазывание» цветов.
В сканерах известных японских фирм Epson и Sharp, как правило, вместо одного источника света используется три, для каждого цвета отдельно. Это позволяет сканировать изображение всего за один проход и исключает неверное «выравнивание» пикселов. Сложности этого метода заключаются обычно в подборе источников света со стабильными характеристиками.
Другая японская фирма — Seiko Instruments — разработала Цветной планшетный сканер SpectraPoint, в котором элементы ПЗС были заменены фототранзисторами. На ширине 8,5 дюйма размещено 10200 фототранзисторов, расположенных в три колонки по 3400 в каждой. Три цветных фильтра (RGB) устроены так, что каждая колонка фототранзисторов воспринимает только один основной цвет. Высокая плотность интегральных фототранзисторов позволяет достигать хорошей разрешающей способности — 400 dpi (3400/8,5) — без использования редуцирующей линзы.
Принцип действия цветного сканера ScanJet Iic фирмы Hewlett Packard несколько иной. Источник белого света освещает сканируемое изображение, а отраженный свет через редуцирующую линзу попадает на трех полосную ПЗС через систему специальных фильтров, которые и разделяют белый свет на три компонента: красный, зеленый и синий (рис. 3). Физика работы подобных фильтров связана с явлением дихроизма, заключающегося в различной окраске одноосных кристаллов в проходящем белом свете в зависимости от положения оптической оси. В рассматриваемом случае фильтрация осуществляется парой таких фильтров, каждый из которых представляет собой «сэндвич» из двух тонких и одного более толстого слоя кристаллов. Первый слой первого фильтра отражает синий свет, но пропускает зеленый и красный. Второй слой отражает зеленый свет и пропускает красный, который отражается только от третьего слоя. Во втором фильтре, наоборот, от первого слоя отражается красный свет, от второго — зеленый, а от третьего — синий. После системы фильтров разделенный красный, зеленый и синий свет попадает на собственную полосу ПЗС, каждый элемент которого имеет размер около 8 мкм. Дальнейшая обработка сигналов цветности практически не отличается от обычной. Заметим, что подобный принцип работы (с некоторыми отличиями, разумеется) используется и в цветных сканерах фирмы Ricoh.
Рис.3. Блок-схема сканера с dichroic-фильтрами.
Аппаратные интерфейсы сканеров.
Для связи с компьютером сканеры могут использовать специальную 8- или 16-разрядную интерфейсную плату, вставляемую в соответствующий слот расширения. Для портативных компьютеров подходит устройство PC Card. Кроме того, в настоящее время достаточно широкое распространение получили стандартные интерфейсы, применяемые в IBM PC-совместимых компьютерах (последовательный и параллельный порты, а также интерфейс SCSI). Стоит отметить, что в случае стандартного интерфейса у пользователя не возникает проблем с разделением системных ресурсов: портов ввода-вывода, прерываний IRQ и каналов прямого доступа DMA.
По понятным причинам наиболее медленно передача данных осуществляется через последовательный порт (RS-232C). Именно поэтому в ряде последних ручных или комбинированных моделей сканеров для связи с компьютером применяется стандартный параллельный порт. Это очень удобно, например, при работе с портативным компьютером.
Программные интерфейсы и TWAIN.
Для управления работой сканера (впрочем, как и иного устройства) необходима соответствующая программа — драйвер. В этом случае управление идет не на уровне "железа" (портов ввода-вывода), а через функции или точки входа драйвера. До недавнего времени каждый драйвер для сканера имел свой собственный интерфейс. Это было достаточно неудобно, поскольку для каждой модели сканера требовалась своя прикладная программа. Логичнее было бы наоборот, если бы с одной прикладной программой могли работать несколько моделей сканеров. Это стало возможным благодаря TWAIN.
TWAIN — это стандарт, согласно которому осуществляется обмен данными между прикладной программой и внешним устройством (читай — его драйвером). Напомним, что консорциум TWAIN был организован с участием представителей компаний Aldus, Caere, Eastman Kodak, Hewlett Packard & Logitech. Основной целью создания TWAIN-спецификации было решение проблемы совместимости, то есть легкого объединения различных устройств ввода с любым программным обеспечением. Конкретизируя, можно выделить несколько основных вопросов: во-первых, поддержку различных платформ компьютеров; во-вторых, поддержку различных устройств, включая разнообразные сканеры и устройства ввода видео; в-третьих, возможность работы с различными формата данных. Благодаря использованию TWAIN-интерфейса можно вводить изображение одновременно с работой в прикладной программе, поддерживающей TWAIN, например CorelDraw, Picture Publisher, PhotoFinish. Таким образом, любая TWAIN -совместимая программа будет работать с TWAIN-совместимым сканером.