2.5.3. Сканеры

Сканером (от англ, scanner) называется устройство ввода, позволяющее вводить в ЭВМ изображения. Ввод изображений может потребоваться при размножении документов, для их редактирования с последующей выдачей, а также в системах хранения и поиска изображений. Сканеры являются дополнительными ПУ ПЭВМ. При комплектации сканером и высококачест­венным печатающим устройством ПЭВМ превращается в АРМ для подготовки и издания различных информационных материалов.

Использование сканеров для ввода в ПЭВМ изображений (текстовой и графической инфор­мации) уже имеет как минимум пятилетнюю историю. Сейчас на рынке представлено не менее 150 различных устройств — от ручных портативных сканеров по цене 200 долл. до сложных систем стоимостью свыше 16000 долл. Ведущую роль в производстве сканеров играют японские фирмы. С ними не без успеха соперничают американские компании. Жесткая конкуренция обеспечивает неуклонное улучшение характеристик и качества наряду со снижением стоимости сканирующих устройств.

Сканеры характеризуются:

— разрешающей способностью (разрешением);

— количеством воспринимаемых оттенков;

— возможностью ввода цветных изображений или отсутствием таковой;

— быстродействием;

— размером обрабатываемых изображений;

— стоимостью.

Большинство из этих показателей рассмотрим на фоне изложения принципов работы скани­рующих устройств.

Аналогично копировальному устройству сканер освещает оригинал, а светочувствительный датчик сканера с определенной частотой производит замеры интенсивности отраженного оригиналом света Разрешающая способность сканера прямо пропорциональна частоте замеров. В процессе скани­рования устройство выполняет преобразование величины интенсивности в двоичный код, который передается в ЭВМ для дальнейшей обработки. Если сканер при каждом замере регистрирует всего один бит информации, то он распознает только два цвета — черный и белый. В зависимости от количества битов, соответствующих одному замеру, сканер может распознавать большее или меньшее количество оттенков от черного до белого. Так, при 4-битовом кодировании имеется возможность распознавания 16 различных оттенков. Восьмибитовые же сканеры обеспечивают регистрацию 256 градаций серого цвета В зависимости от спектра сканирующего луча сканер может не реагировать на изображения, выполненные тем или иным цветом.

Большинство выпускаемых сканеров являются черно-белыми, т.е. даже при считывании цветных изображений происходит их «превращение» в черно-белые. Однако в 1989 г. на рынке появились и цветные сканеры. Возможность цветного сканирования не исключалась и раньше, но соответ­ствующее оборудование стоило слишком дорого (обычно десятки тысяч долларов). И только недавно выпущенные устройства JX-450 фирмы Sharp, Scanmaster фирмы Howtek, Epson ES-300C компании Seiko Epson, а также некоторые другие оказались доступными по цене.

Программные средства, управляющие работой сканера, с учетом возможностей самого сканера могут обеспечивать один из трех режимов сканирования:

1) сканирование штрихового рисунка;

2) сканирование изображения с полутоновой интерпретацией;

3) сканирование шкалы яркости (серой шкалы).

Для обеспечения первых двух режимов достаточно иметь сканер с однобитовым кодированием, причем второй режим реализуется исключительно программными средствами. Третий же режим требует устройства с многобитовым кодированием. Штриховой рисунок представляет собой изо­бражение, содержащее только черные и белые участки, без каких-либо промежуточных оттенков. Сканирование такого изображения не требует дорогостоящих сканеров, сложного программного обеспечения и большого объема памяти для хранения изображения.

Два последних режима применяются для сканирования полнокровных изображений, в том числе, конечно, и штриховых рисунков.

Если поближе рассмотреть иллюстрацию в газете, то можно увидеть, что она не содержит непрерывных полутоновых переходов, а представляет собой множество точек. Такое изображение называется полутоновым. При просмотре с большего расстояния точки полутонового изображения сливаются вместе и создают имитацию оттенков. Для воспроизведения различных оттенков при­меняется следующая техника. Расстояние между центрами точек по вертикали и горизонтали остается постоянным и измеряется количеством линий на дюйм (точек на дюйм), где 1 дюйм = 2,54 см. Размеры же точек изменяются, причем более крупные точки создают впечатление темного цвета, а точки с меньшими размерами делают изображение более светлым. Описанное «растровое» представление для газетных фотографий формируется обычно 65 точечными линиями на дюйм. Для журналов с хорошим качеством иллюстративного материала этот показатель равен 133 или 155.

Работа большинства систем сканирования основана именно на принципе полутоновой интер­претации. Такое сканирование по-прежнему является однобитовым, но введенное изображение подвергается затем программно-реализованной процедуре фильтрования с целью получения «смазанного» изображения. Термин «смазанное» в данном случае связан с методом имитации промежуточных оттенков серого цвета посредством изменения размеров точек. Если введенное и обработанное таким образом изображение распечатать, то получится полутоновый рисунок, как в газете или журнале. Для хранения отфильтрованного изображения требуется больший объем памяти, а для его формирования необходимо соответствующее ПО. Кроме того, нет гарантии отсутствия ошибок в интерпретации изображения.

Для получения лучшего качества копии введенного изображения следует выбрать сканер и ПО, обеспечивающие работу в режиме воспроизведения шкалы яркости, или серой шкалы. В этом случае используется непосредственно многобитовое сканирование без какой-либо последующей обработки изображения. Воспроизведение 256 оттенков серого цвета оказывается максимально достаточным, так как человеческий глаз не в состоянии различить более «тонкую» градацию. В случае обеспечения такого уровня переходы между участками изображения с различной яркостью становятся плавными и выглядят вполне естественно. Однако при использовании 8-битового кодирования процесс сканирования фотографии размером 8x10 см может потребовать 5 Мбайт дисковой памяти. Процесс сканирования с 16, 32 или 64 уровнями требует меньших ресурсов, но качество изображения при этом снижается.

В соответствии с конструктивным исполнением сканеры делятся на настольные и портативные (ручные).

Настольные сканеры представляют собой высококачественные устройства, большинство из которых стоит не менее 1500 долл. Настольные сканеры бывают планшетного типа, либо похожими на фотоувеличитель, либо с роликовыми направляющими, а также с другими средствами подачи бумаги. Сканеры с подачей бумаги напоминают печатающие устройства.

В качестве примеров настольных сканеров охарактеризуем три изделия, выпускаемые фирмами Kurzweil Computer Products и Datacopy, являющиеся дочерними компаниями фирмы Xerox Imaging Systems.

Модель Datacopy 730GS стоимостью 1300 долл. представляет собой сканер планшетного типа, предназначенный для ввода как графической, так и текстовой информации. Помимо обеспечения интерпретации 16 или 64 уровней серой шкалы устройство имеет 27 различных значений разрешения в диапазоне 60 — 450 точек на дюйм. Однако при максимальных значениях двух этих параметров потребуется более 23 мин. для ввода информации и порядка 20 Мбайт на диске для ее записи. Для ввода фотографии с 16 уровнями серой шкалы при разрешении 60 точек на дюйм требуется 1 мин. Программой ввода изображений PC Image обеспечивается возможность записи файлов в четырех форматах. Дополнительно к этому она предоставляет широкий спектр возможностей для редактирования изображений, хотя больших успехов можно добиться с использованием независимых графических редакторов PC Paintbrush IV Plus и Publisher's Paintbrush. Сканером распознается большое количество стандартных шрифтов и, кроме этого, имеются возможности его «обучения».

Устройство Kurzweil Discover 73200 модели 5 стоимостью 4995 долл. представляет собой сканер, который ориентирован на ввод только текстовой информации, при этом распознаются различные шрифты и обеспечиваются три уровня управления контрастностью. Интерпретация букв осуществляется методами искусственного интеллекта, реализованными в программных сред­ствах. Обеспечивается запись информации в файлы 16-ти текстовых форматов. Сканер постав­ляется с сопроцессорной платой, содержащей 2-Мбайт ОЗУ.

Если уместны автомобильные аналоги, то модель Kurzweil K-5000 можно назвать Кадиллаком как по стоимости (15950 долл.), так и по быстродействию и качеству. В его состав входит плата сопроцессора, содержащая МП MC68020 и 4-Мбайт ОЗУ. Для ввода фотографии при разре­шающей способности 400 точек на дюйм в режиме серой шкалы требуется менее 5 мин. Имеется возможность ввода текстовой информации. В программных средствах распознавания символов при этом использованы методы искусственного интеллекта. В графическом режиме данная модель обеспечивает наилучшие по качеству параметры, но для реализации ее возможностей требуется печатающее устройство с аналогичными характеристиками.

Портативные сканеры стоят, как правило, дешево. Но по сравнению с настольными они обладают весьма скромными возможностями. Кроме того, малейшая вибрация в процессе ручного сканирования приводит к искажению изображения. Портативный сканер похож на большую «мышь» с длинным «хвостом», который подключается к ПЭВМ. Комплект поставки, аналогично настольным сканерам, включает необходимое ПО. Работа с таким аппаратом состоит в том, что оригинал помещается на плоскую поверхность, сканер устанавливается на одной из его сторон и, после нажатия кнопки пуска, медленно перемещается по оригиналу вручную. Неоспоримым достоинством ручного сканера является возможность обработки не только плоских изображений.

О вводе текстов в ПЭВМ необходимо сказать особо. Мы определили сканер как устройство ввода графической информации. Введенный рисунок записывается на внешний носитель инфор­мации в специальном формате и может быть отредактирован посредством графического редактора и/или отпечатан принтером в медленном графическом режиме. Текст же, хотя по внешнему виду и является частным случаем изображения, в ПЭВМ обрабатывается иначе. Эти особенности перечислены ниже:

— тексты хранятся в текстовых форматах, которые требуют существенно меньше внешней памяти (байт на символ, а не байт на точку, при 256-битовом сканировании);

— тексты обрабатываются текстовыми, а не графическими редакторами;

— текст может быть напечатан принтером в гораздо более быстром текстовом режиме;

— с текстом можно производить манипуляции, недоступные для изображений, например, понимание (уяснение) и умозаключения.

Обеспечить ввод напечатанного или рукописного текста можно одним из следующих способов:

1) использовать специальное устройство оптического распознавания символов;

2) применить сканер с программными средствами для распознавания символов. Устройства оптического распознавания символов появились около пяти лет назад. Однако они

весьма дороги и обладают ограниченными возможностями. Проблемы возникают даже при вводе текстов с пропорциональными шрифтами (с переменной шириной символа), не говоря уже о рукописных текстах.

При втором способе сканер, как обычно, вводит изображение. Затем оно читается специаль­ными программными средствами и преобразуется в текстовый формат. Здесь не обойтись без методов искусственного интеллекта, в частности, теории распознавания образов. Такое ПО достаточно сложно, но в этой области достигнуты заметные успехи. В качестве образца для подражания можно назвать систему The Typist американской фирмы Саег, включающую ручной сканер, программный распознаватель символов и программу обеспечения целостности образа.

Одним из основных показателей качества системы ввода текстов является точность иденти­фикации вводимых символов, или вероятность ошибок при вводе.

Как мы уже видели, многие устройства ввода сочетают в себе возможности сканеров и устройств оптического распознавания символов.