2.2 Пристрої введення. 

Пристрої введення

Сканери

Усі сканери поділяються на такі види:

• планшетні,

• барабані,

• для обробки плівок / діапозитивів,

• ручні,

• тривимірні лазерні сканери.

Ці пристрої відрізняються технологією зчитування, яка задає обмеження на якість сканування, і цим визначається функціональне призначення пристроїв.

Технологія сканування. У всіх сканерах застосовується одна з двох технологій зчитування. В одній використовуються CCD-сенсори (сharde coupled device) або прилади із зарядним зв'язком (ПЗЗ) – планшетні сканери та сканери плівок/діапозитивів. В іншій технології використовуються фотоелектронні помножувачі (ФЕП) – барабанні сканери.

Розглянемо першу технологію (рис. 2.4). Сканери мають власне джерело світла, за допомогою якого висвітлюється оригінал. Відбите світло потрапляє на оптичні перетворювачі ПЗЗ, кожна комірка яких є світлочутливим зарядженим конденсатором. Якщо на таку комірку потрапляє світло, то вона втрачає частину заряду. За ступенем розрідженості визначається, наскільки сильним був вплив світла.

ПЗЗ розміщуються в лінійних матрицях (горизонтальних масивах датчиків) для планшетних сканерів, а також в лінійних (або прямокутних) матрицях для сканерів, що обробляють плівки / діапозитиви.

Під час кольорового скануванняі застосовуються три окремі смуги перетворювачів для трьох основних кольорів, або три різних джерела світла.

Залежно від цього виділяються два методи сканування: однопрохідний і трьохпрохідний.

У дешевших трьохпрохідних пристроях з одним рядом датчиків і трьома різнокольоровими лампами або рухомими фільтрами оригінал сканується три рази для кожної складової кольору. При такому способі сканування потрібна висока точність механіки сканера, так як перед кожним проходом каретка, що переміщає лінійку з оптичним перетворювачем, повинна встановлюватися в одне і теж саме початкове положення. Якщо це не виконується, то відбувається зміщення окремих колірних шарів і з'являються кольорові краї (похибки у передачі кольору).

У більш дорогих пристроях реалізовано однопрохідне сканування. Сканери забезпечені трьома рядами оптичних перетворювачів і «опитують» світло за один прохід. У цьому випадку замість вбудованого джерела білого кольору використовуються джерела червоного, синього і зеленого кольорів, і для кожного ряду датчиків є своє джерело світла (при неточній установці ламп можливі помилки сканування, особливо при високій роздільній здатності , які проявляються в кольорових краях) .

В іншому варіанті однопрохідного сканування використовується одне біле джерело, але при цьому набір напівпрозорих дзеркал або призма розкладають світло на три складові, кожна з яких потрапляє на свій ряд оптичних перетворювачів.

За іншою технологією (з використанням ФЕП) сканування засновано на відображенні одиничного точкового променя, що рухається по спіральній траєкторії вздовж барабана, що обертається, з прикріпленим до нього оригіналом. При такому способі проходження променя забезпечується дуже висока роздільна здатність.

Крім того, за технологією ФЕП світло надзвичайно яскравого джерела фокусується на мікрообласті зображення, що дозволяє відтворювати всі тони найтемніших або щільних, практично непрозорих фотоматеріалів.

У результаті процесу сканування зображення розкладається на окремі точки (пікселі), які мають ту чи іншу яскравість або колір. В ідеалі відскановане зображення повинно містити в своєму відцифрованому вигляді дані, необхідні для виведення на друк. 

Якість сканування визначається глибиною кольору і роздільною здатністю.

Глибина кольору задається від 24 до 30 біт (навіть для недорогих пристроїв), що відповідає вибору тонів з 16,7 млн до 1,1 млрд природних відповідно. Завдання глибина кольору в 36 біт (кращі сучасні моделі) дасть вибір тонів з 68 млрд.

Роздільна здатність задається, як відзначалось раніше, в точках на дюйм. Наприклад, значення 300 x 600 точок/д говорить про те, що пристрій може опитувати 300 точок на дюйм (приблизно 12 точок на міліметр) по горизонталі і 600 точок на дюйм (24 точки на міліметр) по вертикалі.

Для сканерів необхідно розрізняти оптичну (фізичну) і логічну (інтерпольовану) роздільну здатність, в останньому випадку за відомими фізичними точками інтерполюються проміжні точки. У разі логічної роздільної здатності може бути вказано значення 4800 і 9600 точок / д.

Залежно від завдання, яке вирішується під час сканування (наприклад, відображення фотографії розміром 9 x 13 см на моніторі з роздільною здатністю 1024 x 768 або сканування документа для розпізнавання) будуть потрібні різні роздільні здатності сканування.

Не рекомендується сканувати з використанням інтерпольованої роздільної здатності, що перевищує максимальну оптичну роздільну здатність пристрою, так як операції математичного усереднення добавлять нові піксели без додавання нових деталей.

Функціональне призначення сканерів пов'язано з технологією сканування. Кожен тип сканера найкраще підходить для специфічної області виведення. Але в даний час для дорогих інструментів, в яких забезпечено високу якість оптичних перетворювачів і точність виконання моделі, функціональні відмінності стираються.

Планшетні сканери – найпоширеніший тип сканерів, особливо зручний у прцессі відцифрування оригіналів типу рисунків і фотознімків. Сканування проводиться у разі проходження над оригіналом планки із закріпленим на ній лінійчатим випромінювачем і фоточутливою матрицею на основі CCD-сенсорів.

ПЗЗ планшетних сканерів простих моделей і проміжного класу дають високий рівень шуму (низька чистота зображення), що може призводити до видимих артефактів типу ліній або паразитних пікселів «неправильного» кольору

У сканерах проміжного і більш високого класів використовуються датчики ПЗЗ з кращими шумовими характеристиками, що виробляють чистіші відцифровані зображення. Такі сканери можуть сканувати також прозорі оригінали, але тільки планшетні сканери найвищого класу можуть відтворювати їх з такою ж якістю, як барабанні сканери або сканери для плівок і діапозитивів.

Найчастіше даний тип сканерів застосовують для сканування фотовідбитків або ілюстрацій на папері, а для сканування прозорих матеріалів застосовується додатковий пристрій – слайд-модуль.

Найбільш популярні та доступні для користувачів планшетні сканери формату А4:

• • • HP ScanJets фірми Hewlett Packard;

    • UMAX Vista S-12 фірми UMAX;

    • АGFA DuoScan T2000XL фірми AGFA;

    • MFC-1200S фірми Mustec.

Барабанні сканери забезпечують відмінну якість обробки: високий оптичний розділ з відтворенням всіх тонів найщільніших матеріалів. Сфера застосування – додрукарська підготовка високоякісної поліграфії, професійна рекламна діяльність.

Недоліки барабанних сканерів: великі габарити і маса, дуже висока вартість і дороге програмне забезпечення. Сканери слайдів призначені тільки для сканування прозорих негативних або позитивних плівок, причому строго стандартних розмірів (наприклад, тільки для 36-мм плівок). Якість сканування пристроєм цього типу наближається до якості сканування барабанним сканером, так як їх ПЗЗдатчики мають дуже високу чутливість і дуже високу роздільну здатність.

Програмне забезпечення сканерів  це комплект 16- і 32-розрядних TWAIN-драйверів і графічний пакет для корекції викривленного сканування.

До графічних програмних пакетів, що супроводжують сканери, відносяться:

• • • Imagepals 2, що складається з двох програм: Album і ImageEditor. Перша керує каталогізацією на інформаційних носіях і забезпечує режим перегляду діапозитивів, який видає один за другим всі діапозитиви на інформаційному носії, заповнюючи екран. Друга програма має багато функцій для подальшого коректування оцифрованих зображень;

    • Iphoto Plus зроблений, як і Imagepals 2, фірмою Ulead і є його усіченою версією;

    • ABC-Graphicssuite містить повні версії програм АВС MediaManager 6.0 і Picture Publisher 6.0. Роботу зі сканером можна організувати і в інших програмах обробки растрової графіки (Corel PhotoPaint, Adobe Photoshop) через стандартний інтерфейс драйверів TWAIN і TWAIN-32.

Тривимірний лазерний сканер. Принцип полягає в роботі лазерного дальноміра, який обчислює відстань до об'єкта і отримує хмару точок. У процесі зйомки для кожної точки записуються три координати (XYZ) і чисельний показник інтенсивності відбитого сигналу. Він визначається властивостями поверхні, на яку падає лазерний промінь. Хмара точок розфарбовується в залежності від ступеня інтенсивності і після сканування виглядає як тривимірне цифрове фото. Більшість сучасних моделей лазерних сканерів мають вбудовану відео- або фотокамеру, завдяки чому хмара точок може бути також забарвлена в реальні кольори.

У цілому схема роботи з приладом полягає в наступному. Лазерний сканер встановлюється на штатив навпроти об'єкта, що знімається. Користувач задає необхідну щільність хмари точок (розділ) і область зйомки, потім запускає процес сканування. Швидкість сканування складає більше 500000 тривимірних точок в секунду.

Для отримання повних даних про об'єкт, як правило, доводиться виконувати дані операції з кількох станцій (позицій). Потім виконується обробка первинних даних зі сканера і підготовка результатів вимірювань в тому вигляді, у якому вони необхідні замовнику. Даний етап не менш важливий, ніж проведення зйомок, і більш трудомісткий і складний.

Профілі і розтини, плоскі плани, тривимірні моделі, обчислення площин і об’ємів поверхонь – все це можна отримати у якості кінцевого результату роботи зі сканером.

Основні сфери застосування тривимірного сканування:

• • • будівництво та архітектура,

    • дорожня зйомка,

    • гірнича справа;

    • моніторинг будівель і споруд,

    • документування надзвичайних ситуацій.

Найбільш популярна компанія Leica Geosystems представляє скануючі системи та програмне забезпечення для сканерів.

Для обробки даних, які отримуються за допомогою сканера, використовується модульна програмна система Cyclone, яка вважається найпопулярнішою в світі і володіє великим пакетом інструментів. Є у Leica і ряд більш вузькоспеціалізованих програм.

Для роботи в традиційних САПР, існує серія програмних продуктів Leica CloudWorx, вбудованих в AutoCAD, MicroStation (компанія Bentley), AVEVA і SmartPlant, що дозволяє користувачам даних програм працювати безпосередньо з хмарами точок.

На сьогоднішній день Leica Geosystems  один з найавторитетніших виробників професійного геодезичного обладнання, чиї технологічні рішення встановлюють світові стандарти в галузі

У дигітайзерах фірми Geo Mouse – графічний планшет Geo Mouse Mini Board має робоче поле 152 x 228 мм, a Geo Mouse Maxi Board – 305 x 457 мм. Широко відомі також графічні планшети фірми MTJTOH (розміри робочого поля до 841 x 1189 мм) і Summa graphics (розміри робочого поля до 1118 x 1524 мм).

Розглянуті планшети придатні для введення графіки і для управління програмним забезпеченням, їх основне застосування – це графічні підсистеми САПР.

Останнім досягненням у розвитку планшетів став планшет-монітор фірми Wacom. У цьому планшеті робочою поверхнею служить дисплей на рідких кристалах з роздільною здатністю не нижче 800 x 600.

Поверхня екрану дуже чутлива до тиску, але стилус (олівець) не залишає на ній слідів.

Для домашнього користування фірма Wacom розробила лінію графічних планшетів Bamboo.

Сфери застосування Bamboo дуже різноманітні: від створення рукописних приміток, особистого підпису та індивідуальних коментарів під час роботи з офісними додатками до ретушування фотографій.

Професійне обладнання Wacom – це графічні планшети Intuos3.

Відмінності професійного ряду графічних планшетів Wacom зводяться до різниці форм-факторів – від A6 Wide до A3 Wide.

Для оптимальної координації рухів руки і очей під час роботи з графічними додатками на більш інтуїтивному рівні Wacom пропонує дві моделі інтерактивних дисплеїв Cintiq з робочою поверхнею в 21 і 12 дюймів, на яких дизайнер може працювати в графічних додатках електронним пером безпосередньо на екрані.

Більша модель оснащена також підставкою, що дозволяє обертати дисплей на 360 градусів (в лежачому положенні) і нахиляти його на 10-60 градусів.

Wacom пропонує 5 різних пер для роботи з графічними планшетами Intuos3 та інтерактивними дисплеями Cintiq (рис. 2.6). Так само існує перо Art Pen, здатне працювати в шести вимірах:

• • • вісь X (вліво і вправо);

    • вісь Y (вгору і вниз);

    • тиск (сила натискання);

    • кут (кут, під яким перо розташоване до поверхні планшета);

    • нахил (напрям, в якому утворений кут);

    • обертання (положення пера щодо своєї вертикально осі)

Всі планшети, в основному, працюють з документами і презентаціями. Тому в комплекті до планшета йде програма JustWrite Office, яка вбудовується в Microsoft Office і додає до нього повну підтримку введення за допомогою пер. А для власників комп'ютерів з установленою ОС Windows Vista Home Premium і вище навіть необхідність в установці програми JustWrite Office відпадає – можливості введення рукописних поміток представлені в самій ОС.

 Цифрові камери

З початку 80-х років минулого століття з'являються нові засоби роботи з зображеннями – цифрові технології відео- та фотозйомок.

Переваги цифрових камер порівнянно з плівковими:

• • • більш низька вартість одного знімка (оскільки відсутня плівка і менше етапів розділення кольорів);

    • скорочення виробничого циклу (вилучено етап прояву плівки і сканування оригіналу);

    • велика точність у передачі кольору порівняно з технологією «плівка і сканування».

Сьогодні більшість цифрових як відео-, так і фотокамер обладнані LCD екранами, на яких можна подивитися зняті знімки. У таку камеру вбудовуються процесор і програмне забезпечення.

Виділяються два типи цифрових камер – скануючі і матричні, кожен з яких зручний для своїх додатків.

У скануючих камерах ПЗЗ-датчики сконфігуровані в єдину лінійну матрицю, яка сканує сформоване оптикою зображення, зчитуючи, подібно планшетному сканеру, одну вузьку горизонтальну смугу.

Лінійні матриці дозволяють цим камерам вводити великі обсяги даних, створюючи цифрові зображення для великоформатного друку, але введення зображень відбувається повільно, причому, камери під час зйомки повинні бути з'єднані з комп'ютером.

У матричних камерах ПЗЗ-датчики розміщуються в прямокутній триколірній матриці. Фіксоване число датчиків дозволяє робити майже моментальні знімки, але обмежує максимальний розмір виведеного на друк зображення. Впровадження мініатюрних засобів зберігання даних звільнило ці камери від зв'язку з комп'ютером, і вони здатні працювати як у кадровому режимі, так і в режимі миттєвої зйомки.

Чутливість сучасних камер за стандартом ISO – Міжнародної організації зі стандартизації –, як правило, не перевищує 100 одиниць (досить низька за фотографічними мірками). Вони оснащені функціями автоматичної установки балансу білого кольору і виставляють час експозиції. Витримка регулюється від 1/4 до 1/1000 с.

При цьому на LCD-екрані відображаються поточні параметри зйомки, дата, число описаних кадрів, обсяг вільної пам'яті та поточний режим компресії (визначає якість зображень, що зберігаються). Максимальна роздільна здатність побутових камер до останнього часу не перевищувала 800 x 600 пікселів (24 біт на колір) при розмірі матриці близько 500 елементів і прогресивному способі зчитування (послідовності рядкового сканування елементів).

Стандартною для більшості застосувань вважається роздільна здатність 640 x 480 і розмір матриці близько 350 тис. елементів. Розмір вбудованої флеш пам'яті 2–4 Мбайт, що дозволяє записувати при різних рівнях JPEG (п. 4.1.2) стиснення від 20 (високої якості) до 200 (низької якості) повних кадрів. Останнім часом з'явилася технологія відцифрування об'ємних об'єктів (MetaFlash). Спочатку виконується кілька знімків спеціальною цифровою камерою Dimage EX, обладнаною матрицею на 1,45 млн активних пікселів, що дає зображення з максимальною роздільною здатністю 1344 x 1008, які записуються на карти CompactFlash.

"Об'ємна фотографія" робиться в два етапи і складається з двох файлів: в одному знаходиться текстура, в іншому – геометрична інформація. Подібний «комплексний» кадр займає приблизно 3,5 Mб. Для отримання текстур застосовується спалах, а для правильного детектування лазерних смуг потрібно однорідне неяскраве освітлення