МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна
СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ИНСТИТУТ ПЕЧАТИ
Факультет: Полиграфических технологий и оборудования
Специальность: Информационные технологии в дизайне
Форма обучения: очная
Кафедра: Информационных и управляющих систем
КУРСОВАЯ РАБОТА
Дисциплина: Компьютерная обработка изображений
Тема: Исследование характеристик сканера
Выполнил:
Студент группы ИД3 __________ Сурыгина П.М.
(подпись) (Ф.И.О.)
Руководитель:
________________ __________ Кузнецов Ю.В.
(уч.степень, звание) (подпись) (Ф.И.О.)
Дата защиты работы ____________
Оценка _________________________
Санкт-Петербург
2011
Оглавление
Введение. 2
1. Преобразования оригинала. 3
1.1. Этапы преобразования изображения в репродуционной системе. 3
1.1.1. Электрооптический анализ. 3
1.1.2. Функциональные преобразования. 3
1.1.3. Синтез изображений. 4
1.2. Процесс считывания. 4
1.3. Основные технические характеристики. 6
2. Технологии сканирования. 13
2.1. Механизмы.. 13
2.2. Элементы конструкции. 14
2.2.1 Оптические элементы: 14
2.2.2 Источники света: 15
2.2.3 Фотоэлектрические преобразователи: 15
2.3. Типы сканеров, принципы их работы.. 16
2.3.1. Барабанные сканеры.. 16
2.3.2. Проекционные сканеры.. 18
2.3.3. Планшетные сканеры.. 20
3. Анализ работы образца устройства. 22
3.1. Общие сведения об устройстве. 23
3.2. Скорость сканирования. 24
3.3 Качество сканирования. 25
Заключение. 26
Список литературы.. 28
Приложение А.. 29
Приложение Б. 30
Введение
Почти каждый пользователь компьютера постоянно сталкивается с проблемой преобразования документов из бумажной формы в электронную. Однако процедура ввода информации вручную отнимает огромное количество времени и чревата ошибками. Кроме того, вручную можно вводить только тексты, но не изображения. Выходом из положения является сканер, позволяющий вводить в компьютер как изображения, так и текстовые документы.
Целью данной работы является выявление и изучения принципов построения основных характеристик сканера, исследование образца работы сканера базового уровня, оценка качества его работы.
Основной написания курсовой работы послужило изучение предмета «Компьютерная обработка изображений», а так же опыт по таким дисциплинам, как математика и архитектура ЭВМ.
В ходе исследования была изучена и проанализирована специализированная литература, источники, содержащие данные о параметрах тех или иных сканеров в зависимости от области применения
реобразования оригинала
тапы преобразования изображения в репродуционной системе
Когда речь идет о сканировании стоит понимать, что под этим определением понимают прежде всего преобразование оригинала, представленное оптическим сигналом в аналоговый или цифровой сигнал. Весь репродуционный процесс удобно делится на три этапа [1]:
лектрооптический анализ
На данном этапе информация считывается с оригинала, преобразуется в электрический сигнал, где значение тона оказывается функциональным аналогом силы, напряжения, частоты. Далее, в большинстве случаев за исключением ТВ вещания, аналоговый сигнал преобразуют в цифровой. Поэтому АЦП является сегодня неотъемлемой частью сканера.
ункциональные преобразования
Их, в свою очередь, разделяют на четыре группы: преобразования в области низких пространственных частот спектра (преобразования тона и цвета на относительно крупных деталях), преобразования в области высоких пространственных частот (влияют на четкость и резкость изображения – апертурная коррекция, нерезкое маскирование и т.д.), форматные (изменение масштаба, поворот, кадрирование изображения), структурные (растрирование).
интез изображений
Синтез полученного сигнала происходит в соответствии с решаемой технической задачей (вывод, печать, запись, экспонирование).
Вышеперечисленные этапы характеризуют полную репродукционную систему. Однако, если говорить о преобразовании исходного изображения и вывода его на печать, то данные этапы следует рассматривать лишь в контексте некоторой интегрированной системы, включающей в себя несколько репродукционных.
роцесс считывания
С практической точки зрения процесс сканирования представляет собой считывание, в процессе которого происходит перемещение сфокусированного светового луча и поэлементное считывание двумерного изображения, рассчитанного на наблюдение в отраженном или проходящем свете. Световой поток при этом можно собрать и преобразовать в электрический сигнал, пригодный для передачи, обработки и записи.
На рис.1[2] представлен процесс преобразования исходного изображения в электрический сигнал.
Рис. 1.
Цифровое представление изображения
В своей статье Самарин Ю.Н. [2] утверждает, что сегодня преимущественно применяется метод прямоугольного линейного растрового сканирования, при котором одиночный сканирующий луч последовательно перемещается (разворачивается) по прямым линиям с быстрым переходом от конца одной линии сканирования (строки) к началу следующей. Основываясь на данных, полученных в процессе изучения данной темы [1], стоит заметить, что развертывающие устройства различают по виду траектории, описываемой сканирующим пятном, и по способу относительного перемещения считывающего пятна, оригинала и фотоприемника. Развертки бывают электромеханические и целиком или отчасти электронные (без механических перемещений), с плоским или цилиндрическим оригиналодержателем.
В общем случае сигнал, получаемый в результате построчного сканирования, характеризуется тремя «служебными» частотами и соответствующими им временными периодами. Для телевизионного растра это:
· время элемента изображения, определяемое длительностью перемещения считывающего пятна на расстояние равное его размеру, и величина, обратная этому времени - частота видеосигнала (6,5 МГц в широковещательном телевизионном стандарте);
· период строки, равный времени перемещения пятна от начала данной до начала последующей строки, и обратная этому периоду величина - частота строчной развертки (16 кГц);
· время кадра (поля) и частота полей (50 Гц).
Если в одновременной системе все цветоделенные сигналы передаются параллельно, то в последовательных системах соответственно этим временам различают, в частности, способы передачи сигналов и способы формирования цветных и цветоделенных изображений. Цветоделенные сигналы могут передаваться одновременно или последовательно: по элементам, по строкам и по кадрам.
В устройствах ввода, использующих сканирующие фотоприемники, например линейки ПЗС и фотодиодов, накопление используется не во времени всего кадра, а частично, за время строки. Как система с полным (за все время кадра) накоплением может рассматриваться и сканирующие устройства.
сновные технические характеристики
В статьях, посвященных сканированию, репродуцированию описывается множество параметров сканера. Чаще всего упоминаются основные, определяющие область применения устройства:
· разрешение (разрешающая способность);
· разрядность кодирования в АЦП ("глубина" цвета);
· порог чувствительности;
· диапазон оптических плотностей;
· максимальный формат сканирования;
· коэффициент увеличения;
· спектральные характеристики цветоделителя.
Разрешающая способность (оценивается количеством элементов разложения изображения на единицу длины -лин/мм). Величину оптического разрешения можно вычислить, разделив количество светочувствительных элементов в сканирующей линейке на ширину планшета.
Разделяют два вида разрешения: оптическое и интерполируемое. Следует помнить, что оптическое разрешение – это частота дискретизации, в случае отсчета не по времени а по расстоянию. Интерполируемое разрешение получают путем пересчета числового массива в сторону уменьшения или увеличения количества элементов изображения в отсканированном изображении.
Разрядность цвета определяется количеством цветов, которые могут быть переданы (представлены), или количеством разрядов (битов) цифрового кода, содержащим описание цвета одного элемента изображения. Одно с другим связано простой формулой:
Количество цветов = 2Количество бит
В сканере электрический аналоговый сигнал с матрицы светочувствительных элементов преобразуется в цифровой посредством АЦП. Цифровой сигнал, несущий информацию о цвете, характеризуется разрядностью, т.е. количеством двоичных разрядов (битов), которыми кодируется информация о цвете каждого элемента. АЦП определяет количество цветов, которое он может обеспечить.
Порог чувствительности определяется уровнем шумов фотоэлектрического преобразования и шумов квантования АЦП.
В одной из исследуемых мной статей [3] автор подразделял шумы на два вида: регулярный и случайный.
Случайный шум проявляется в виде «снега» или хаотически расположенных инородных точек на изображении и возникает как вследствие нестабильности работы полупроводниковых приборов (при изменении температуры и с течением времени), так и в результате искажений, вносимых электронными компонентами.. Наиболее заметен такой шум на темных областях изображения,, поскольку при равном абсолютном уровне шума соотношение «сигнал/шум» на них будет гораздо меньше, чем на светлых участках. Для минимизации случайного шума перед сканированием, как правило, выполняется процедура калибровки, во время которой измеряются пороговые значения и смещение базового напряжения для каждого светочувствительного элемента.
Регулярный шум возникает вследствие перекрестных помех (наводимых с соседних светочувствительных элементов), кратковременных изменений базового напряжения в ПЗС-матрице, воздействия высокочастотных электрических полей, изменения яркости источника света и т.п. Регулярный шум, в отличие от случайного, очень хорошо заметен, поскольку проявляется в виде горизонтальных, вертикальных либо диагональных полос.
Однако, данный параметр не является основополагающем при выборе сканирующего устройства.
Динамический диапазон сканера характеризует способность сканера различать слабые ступенчатые переходы тона на оригинале. Понятие оптической плотности D используется для характеристики поглощательной способности непрозрачных (отражающих) оригиналов и степени прозрачности прозрачных оригиналов и выражается через десятичный логарифм [1]:
, (1)
где 
- коэффициент пропускания материала (изображения на прозрачной основе), характеризующий его способность поглощать световой поток;
- коэффициент отражения, характеризующий способность материала (изображения на непрозрачной основе) отражать световой поток;
- соответственно световой поток, прошедший материал, и световой поток, отраженный от материала.
Изза несовершенства оптической системы сканера и нелинейности спектральной характеристики фотоприемника значения параметров реальных устройств сканирования всегда ниже теоретически возможных. На практике динамический диапазон сканера определяется как разность между оптической плотностью самых темных Dmax и самых светлых Dmin тонов, которые он может реально различать. Максимальная оптическая плотность оригинала характеризует наиболее темную область оригинала, распознаваемую сканером, более темные области воспринимаются сканером как абсолютно черные. Соответственно минимальная оптическая плотность оригинала характеризует наиболее светлую область оригинала, распознаваемую сканером, — более светлые области воспринимаются сканером как абсолютно белые.
Чем шире динамический диапазон сканера, тем больше градаций яркости он сможет распознать и соответственно тем больше зафиксировать деталей изображения.
Область сканирования (максимальный формат) определяет максимальный размер оригинала в дюймах или в миллиметрах, который может быть сканирован устройством.
Диапазон масштабирования - это интервал величин изменения масштаба оригинала, который может быть выполнен во время сканирования. Он связан с разрешающей способностью сканера: чем выше значение максимального оптического разрешения, тем больше коэффициент увеличения исходного изображения без потери качества.
Величины, которые могут повлиять на диапазон масштабирования и с помощью которых может быть рассчитан объем иллюстрационного файла, определяются с помощью следующих соотношений [1]:
(2)
где d - величина сканирующего пятна,
L - линиатура получаемого растрового изображения;
M - значение масштаба изображения.
(3)
где f - частота считывания оригинала в сканере;
L и M соответственно линиатура и масштаб изображения.
Числовой коэффициент в этих выражениях иногда называют коэффициентом растрирования (screening factor).
Для печати иллюстрации с линиатурой 80 лин/см и увеличением относительно оригинала в три раза последний рекомендуется сканировать, например с частотой разложения f =2*8*3 = 48лин/мм и считывающим пятном d=1/(2LM) =1/f=20 мкм.
Коэффициент 2 учитывает положение теории дискретизации, согласно которому частота несущего колебания должна как минимум в два раза превышать ту частоту в спектре исходного сообщения, которая подлежит воспроизведению.
Кузнецов Ю. В. также выделяет такой важный параметр как спектральные характеристики цветоделителя. [1]
Спектральный состав каждого из цветоделенных оптических сигналов, получаемых за широкополосными (спектрозональными) КЗС фильтрами, характеризуется зависимостью поступающего на соответствующий фотоэлектрический преобразователь интенсивности излучения, от длины его волны. Здесь учитываются характеристики, описываемые следующими выражениями (2):
(4)
Где ρ(λ) - спектральные характеристики излучения осветителя,
τi(λ) и τk(λ) - характеристики пропускания и отражения дихроических зеркал,
α(λ), β(λ), γ(λ) - характеристики пропускания цветокорректирующих фильтров в трех оптических каналах,
η(λ) - характеристики чувствительности ФЭП.
Пределы интегрирования заданы в этих выражениях граничными длинами волн чувствительности фотоприемника, а безразмерные коэффициенты a, b, c обеспечивают определенный баланс сигналов в цветоделительных каналах при считывании нейтрального серого поля.
Если из приведенных выше выражений исключить характеристику отражения (цвет) оригинала ρ(λ), то они представляют собою спектральные характеристики чувствительности цветоделительных каналов устройства электрооптического анализа.
Последующим нелинейным преобразованиям цветоделенных сигналов сопутствуют потери информации, обусловленные действием шумов репродукционной системы. Чтобы исключить или свести к минимуму эти преобразования, характеристики трех каналов должны быть оптимально согласованы с характеристиками оригиналов и предполагаемых средств их отображения.
Большинство сканеров работает, осуществляя цветоделение по трем основным (красному, зеленому и синему — КЗС) участкам видимого спектра. При этом характеристики чувствительности цветоделительных каналов подбирают прежде всего, с учетом:
· спектральных характеристик красителей используемого типа оригиналов(фотографические отпечатки, диапозитивы или негативы и т.д.);
· характеристик основных цветов предполагаемого затем воспроизведения (на мониторе, посредством фотографической записи, печати и т.д.);
· освещения, при котором будет рассматриваться копия.
В этом случае значения сигналов оказываются напрямую связанными с цветами синтеза (количествами красок, интенсивностей возбуждения люминофоров и т. п.) и не нуждаются в существенных дополнительных преобразованиях, влекущих за собой потери информации.
Имея в наличии все необходимые данные о параметрах сканера, пользователь может осуществить все необходимые настройки в соответствии с поставленной задачей. Однако, нельзя также забывать, что в зависимости от типа сканера отличаются и механизмы сканирования. Соответственно при использовании некоторых устройств необходимо учитывать важные нюансы, о которых пойдет речь в следующей главе моей работы.
ехнологии сканирования
еханизмы
Основываясь на утверждениях Самарина Ю.П. [2], хотелось бы упомянуть, что технология сканирования определяется типом и параметрами фотоприемников.
Профессиональные сканеры, предназначенные для использования в системах допечатной подготовки изданий, можно классифицировать следующим образом:
· по характеру расположения оригинала — плоскостные (планшетные), проекционные, барабанные сканеры;
· по характеру перемещения оригинала — сканеры с движущимся и с неподвижным оригиналом;
· по цветности — сканеры цветные и чернобелые;
· по режиму сканирования — сканеры однопроходные (чернобелые и цветные, в которых сканирование цветного оригинала осуществляется за один проход) и трехпроходные;
· по типу и конструкции ФЭП — сканеры с ФЭУ, с одной или тремя линейками ПЗС, с матрицей ПЗС;
· по виду механических перемещений оригинала, ФЭП и оптических элементов — с движущимся ФЭП, с движущимися зеркалами и гибридный, когда перемещаются и считыватель и зеркала, когда движется оригинал.
Вне зависимости от механизма, технологии сканирования, то или иное устройство будет состоять из определенного набора элементов, участвующих в процессе репродуцирования.
лементы конструкции
В исследуемых статьях, материалах встречались различные варианты рассмотрения компонентов сканеров. Так Самарин Ю.Н. [2] рассматривает их как совокупность элементов, устройств. Однако, по моему мнению, более логичным представлением структуры сканера является описанное Кузнецовым Ю.В. [1] классификация тех же элементов на соответствующие группы:
· оптические элементы;
· источники света;
· фотоэлектрические преобразователи.
Далее чуть подробнее про каждую из групп.
2.2.1 Оптические элементы:
· зеркала - изменяют направление светового потока;
· призмы - используются для изменения направления света и цветоделения (наряду с дифракционными решетками и цветными фильтрами);
· диафрагмы – служат для задания элемента разложения в системе;
· волоконные световоды, позволяют передавать световую энергию на большие расстояния по криволинейному пути без значительных потерь;
и т.д.
2.2.2 Источники света:
· ксеноновые газоразрядные лампы - малое время включения, высокая стабильность излучения, небольшие размеры и долгий срок службы. (не очень эффективны с точки зрения соотношения количества потребляемой энергии, интенсивности светового потока, имеют неидеальный спектр).
· люминесцентные лампы с горячим катодом - обладают ровным спектром, малым временем разогрева (нестабильные характеристики, довольно значительные габариты, небольшой срок службы, лампа должна быть включена в процессе всей работы сканера).
· люминесцентные лампы с холодным катодом - имеют очень большой срок службы (от 5 до 10 тыс. часов), низкую рабочую температуру, ровный спектр (довольно большое время прогрева, более высокое энергопотребление).
· светодиоды (LED) - обладают очень малыми габаритами, небольшим энергопотреблением. Не требуют времени для прогрева. Имеют довольно низкую (по сравнению с лампами) интенсивность светового потока, что снижает скорость сканирования и увеличивает уровень шума на изображении. Имеют весьма неравномерный и ограниченный спектр излучения, что неизбежно влечет за собой ухудшение цветопередачи.
2.2.3 Фотоэлектрические преобразователи:
· фотоэлектронные умножители (ФЭУ) – усиливают свет ксеноновой или вольфрамовогалогенной лампы, который с помощью линз или волоконной оптики фокусируется на чрезвычайно малой области оригинала. Особенность ФЭУ как фотоприемника заключается в том, что благодаря системе диодов поток фотоэлектронов удается усилить в миллионы раз.
· приборы с зарядовой связью (ПЗС) - состоит из множества крошечных светочувствительных элементов, которые формируют электрический заряд, пропорциональный интенсивности падающего на них света. В основу работы ПЗС положена зависимость проводимости pnперехода полупроводникового диода от степени его освещенности.
· фотодиоды (ФД) – используют внутренний фотоэффект, имеют малые габариты и незначительную потребляемую мощность. Обеспечивают изменения фототока лишь в 200-300 раз.
Фотоэлектронные умножители могут иногда быть критериями еще одной классификации наиболее часто применяемых сканеров, речь о которой пойдет в следующей части моей работы.
