Сканер на основе линейных сенсоров что это
Обновлено: 06.07.2024
Планетарные сканеры востребованный класс профессионального оборудования. На рынке существует большое количество моделей и модификаций. По многим параметрам они схожи, но существуют и различия, напрямую влияющие на качество итоговых изображений. Одна из определяющих характеристик — сканирующая система.
Современные планетарные сканеры делятся ни три основных вида: фотоаппаратные, устройства на основе линейных сенсоров и сканеры на матричных сенсорах. Если фотоаппараты используются в бюджетном сегменте, то линейки и матрицы конкурируют в классе высококачественных сканеров, где наиболее популярны две технологии — трехлинейные датчики ПЗС и КМОП матрицы с разрешением 70 Мп.
Рассмотрим сканеры премиального сегмента.
Какие же сканеры лучше — с ПЗС или КМОП? В этом обзоре мы постараемся ответить на этот вопрос, сравнив две технологии по нескольким параметрам.
Линейный прибор с зарядовой связью или ПЗС — это аналоговая интегральная микросхема, которая состоит из светочувствительных фотодиодов, способных преобразовывать световую энергию в заряд. Изобретенная в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом, технология приобрела широкое применение благодаря компании Sony, которая наладила производство ПЗС для своих камер.
КМОП расшифровывается как «комплементарная структура металл-оксид-полупроводник» и представляет собой светочувствительную матрицу, состоящую из набора фотоприемников. Технология зародилась еще в 60-х годах двадцатого века, но обрела популярность лишь в начале 1990-х. Дело в том, что до этого времени разрыв по основным параметрам с ПЗС был настолько велик, что матрицы на основе КМОП не получали заметного развития.
Использование в сканерах
Процесс обработки изображения в КМОП сенсоре начинается с попадания световых лучей, которые отражаются от оригинала, на поверхность сканирующей матрицы. Далее, во время экспозиции, происходит накопление заряда на светодиодах и последующее считывание полученных параметров. Это происходит в произвольной форме и зависит от момента попадания фотона на считывающее устройство.
Устройство КМОП матрицы
Путем смешения красного, зеленого и синего можно получить любой другой цвет. Одной из особенностей КМОП-сенсоров является то, что каждый пиксель регистрирует только один из этих цветов. А для того, чтобы получить остальные используют так называемый фильтр Байера.
Фильтр Байера
Важной составляющей работы матриц на основе КМОП является использование в процессе построения изображения фильтра Байера. Фильтр используется как барьер перед матрицей и пропускает только один цвет: зеленый, красный или синий. Итоговое изображение получается путем сложного арифметического усреднения информации, полученной с четырёх (зелёных пикселей в 2 раза больше, поэтому не три, а четыре) соседних сенсоров разных цветов.
Трехлинейный ПЗС сенсор
Напротив сканеры на основе линейных сенсоров ПЗС полностью захватывают красные, зеленые и синие линии, одну за другой. Далее изображение проецируется на линейный ПЗС-датчик. Линейка перемещается и поочередно захватывает красные, зеленые и синие элементы. Затем компьютер размещает линии в нужном порядке, и формирует RGB-изображение. Формирование электронного образа в полном разрешении происходит без фильтра Байера.
Фактор использования фильтра Байера напрямую отражается на контрастности и разрешении сканируемого документа. При одинаковых условиях использования ПЗС и КМОП, динамический диапазон последней зачастую значительно уступает, поскольку 2/3 цветовой информации отсекается фильтром.
Каждый субпиксель в КМОП представляется обычным пикселем, хотя фиксирует только один канал из трёх. В ПЗС-системе каждый пиксель принимает все цвета.
Разрешение — определяющий параметр для всех цифровых изображений. За счет «построчной» обработки элементов, линейный ПЗС сенсор способен формировать на каждой из линий максимальное количество пикселей.
Работа линейного ПЗС сенсора («построчное сканирование»)
С другой стороны, матрица «снимает» образ за один прием и четко ограничена в количестве точек на дюйм. Недостающие компоненты рассчитываются процессором на основании данных из соседних пикселей в результате интерполяции, что не является повышением разрешения, а лишь присвоение рядовых значений цвета близлежащих точек. Поэтому показатели разрешения линейных сенсоров, особенно при способе сканирования по «узкой» стороне оригинала, будут выше.
Процесс интерполяции (добавление значений в соседние пиксели)
Самый доступный планетарный сканер с трехлинейным ПЗС в России — ЭЛАР ПланСкан А2В. Его цена стартует с отметки 1,2 млн. руб. Аналогичный по характеристикам сканер формата А2+ на основе КМОП матрицы 70 Мп — Book2net Kiosk начинается от 2,5 млн. руб.
В противовес качеству, матрицы выигрывают в скорости сканирования, которая составляет вместе с обработкой пикселей, 1-2 секунды, против примерно 4-6 секунд сканирования ПЗС-линейкой.
Процессы оцифровки
Специфика работы со сшитыми оригиналами предполагает использование V-образного режима колыбели сканера, когда документ сканируется с неполным раскрытием. Такой процесс оцифровки включает перенос полученного образа в двумерную плоскость, или иными словами — выравнивание изображения. В этом отношении матрица уступает линейным сенсорам. Это происходит из-за того, что изображение снимается целиком, что влечет необходимость фокусировки на общей площади сканирования, обуславливая возникновение геометрических искажений по краям электронных образов и необходимость выравнивания из V-режима с помощью алгоритма компенсации перспективы. Поэтому, зачастую у сканеров с КМОП V-режим не предусмотрен или, в некоторых моделях, реализуется с использованием двух камер для каждой половины колыбели.
Характерные геометрические искажения для сканеров с КМОП-матрицей
В отличие от КМОП линейный датчик формирует образ постепенно. Дополнительно сканеры на основе линейных ПЗС оснащаются «следящими» системами лазерной фокусировки, что позволяет непрерывно фокусироваться на крайних точках документа, несмотря на перепады высоты от края страницы до корешка, тем самым обеспечивая процессор точной информацией для расчета компенсации геометрических искажений при сканировании в V-образном режиме. Поэтому выравнивание страниц у «линейных» сканеров производится более целостно.
Сканирование книги в V-режиме с последующим выравниванием
В отделе сканирования РГБ приоритет отдан сканерам на основе ПЗС сенсоров. Основной парк оборудования составляют планетарные сканеры ЭЛАР ПланСкан А2В, сканирующая система которых включает 3 ПЗС-линейки по 7500 пикселей каждая.
Отдельно стоит рассмотреть задачи по крупноформатному сканированию. Планетарные сканеры на основе КМОП матриц от формата А1 и более также в основном оснащаются сразу двумя камерами. Сделано это для улучшения показателей разрешения больших оригиналов, однако такой подход предполагает ряд компромиссов. Первым из них является необходимость программного сшивания двух половин оригинала, что даже с учетом использования продвинутых алгоритмов влечет нарушение целостности изображения, особенно при задачах высококачественной оцифровки иллюстраций или текстовых разворотов.
Второй, но не менее значимый — надежность и обслуживание. Так как обе камеры работают попеременно, ровно в два раза повышается риск поломки одного из элементов, а также увеличиваются расходы на обслуживание. Не стоит забывать, что отказ любой из камер полностью останавливает работоспособность сканера.
Стоимость производства КМОП-матриц возрастает с увеличением разрешения сенсора. Если 18 Мп матрица дешевле практически любой ПЗС-линейки, то матрица на 70 Мп уже существенно дороже. Поэтому планетарные сканеры с оптическим разрешением от 300 dpi на основе КМОП-матриц стоят дороже аналогичных сканеров на основе линейных ПЗС сенсоров.
Технология линейных ПЗС в большой степени распространена в комплексах высококачественного сканирования, которые создают детализированные изображения на формате до 2А0 без использования программной сшивки. Такие сканеры могут формировать крупноформатные изображения без геометрических искажений и потери разрешения. В зависимости от модели сканирующая система в процессе оцифровки либо движется сама, либо приводится в движение непосредственно поверхность сканирования, которая проходит под статичным блоком сканирующей системы. Серийные планетарные сканеры на основе ПЗС способны достигать значительных показателей разрешения — до 600 dpi на формате А0+ (при размере оригинала 914 мм x 1524 мм).
Пример высококачественного сканирования с применением трехлинейного ПЗС-сенсора
Наряду с этим единственный сканирующий элемент уменьшает количество узлов и расходных материалов в сканирующей системе, что повышает общую надежность конструкции и сокращает расходы на сервисное обслуживание.
Распространенной проблемой КМОП матриц является перегрев. Так как матрица в сканере находится в рабочем состоянии постоянно, зачастую в процессе длительной эксплуатации электроника нагревается и приводит к перегреву пиксельной структуры, что увеличивает цифровой «шум» скан-образов. Линейные датчики ПЗС напротив включаются только во время сканирования, поэтому такая проблема на линейных сенсорах исключена
Сравнительное тестирование
Для наглядной демонстрации работы сканирующих систем мы провели ряд тестов по ключевым параметрам. В качестве испытуемых были выбраны немецкий Microbox Book2net Kiosk на основе КМОП-матрицы 70 Мп и отечественный ЭЛАР ПланСкан А2В с трехлинейным ПЗС сенсором.
1. Цветопередача
Сканирование цветовых мишеней при одинаковых условиях внешнего освещения и настройках разрешения. Тестовая оцифровка предполагает отключение всех функций обработки.
Оба изображения тест-объекта соответствуют профессиональным стандартам, однако результат ПЗС датчика отличается точностью цветопередачи с большим количеством различимых тонов. Этот фактор не играет ведущей роли при сканировании текстовых оригиналов, однако будет весьма значительным для работы с иллюстрациями.
2. Равномерность освещения
Работа осветителей сканеров на основе КМОП не связана с технологической реализацией сканирующей системы — это, как правило, всегда независимо закрепленные лампы. Вследствие чего система имеет большую чувствительность к внешним факторам, а мощности светового потока, вынужденного рассеиваться по всей области сканирования, недостаточно для равномерного распределения света на документе. Поэтому одна из главных особенностей сканеров с КМОП — это затенение краев на изображении. Что отчетливо видно на тестовом образце.
Сканер на основе датчика ПЗС показывает более равномерное распределение светового потока. За счет синхронного LED-освещения, которое проходит вдоль оригинала постепенно, обеспечивается большая однородность освещенности документа.
3. Разрешение
Для визуального контроля и оценки оптического разрешения рекомендуется использовать тест-объект ТО-2 (ГОСТ 13.1.701-95), который поочередно сканируется на каждом устройстве под углом 45 градусов. Тест-объект содержит набор перпендикулярно расположенных групп пар линий с различной частотой. Для оценки необходимо выбрать группу, элементы которой различимы и читаемы. Значение 9.0 соизмеримо с разрешением 600 dpi
По результатам тестирования на объектах, полученных с КМОП сенсора, отчетливо читаются линий до отметки 6.3 и различаются до значения 7.1. Показатели 9.0 — неразличимы. Что, не смотря на большое количество мегапикселей в матрице (70 Мп), не соответствует заявленным производителем показателям оптического разрешения, а именно не обеспечивает 600 точек на дюйм на изображении формата А2.
На тест-объекте сканера с линейным ПЗС хорошо читается отметка 8.0 и различаются линии до значения 9.0, что в полной мере соответствует оптическому разрешению 600 dpi на формате А2.
Вывод
Проведенное тестирование подтверждает, что обе системы могут использоваться для задач профессиональной оцифровки КМОП матрица и трехлинейный ПЗС демонстрируют высокие показатели сканирования и с технической точки зрения оправдывают выбор производителей планетарных сканеров. Наряду с этим линейный ПЗС в ряде случаев показал лучшие результаты: у него выше оптическое разрешение, лучше точность цветопередачи и равномерность освещения, что обуславливается отсутствием фильтра Байера и конструктивными различиями сканирующих систем.
Дополнительным преимуществом ПЗС является возможность сканирования крупноформатных документов в высококачественном режиме без применения программной сшивки.
В целом при прочих равных существенный дисбаланс двух технологий наблюдается в цене. При сопоставимых характеристиках производство трехлинейной ПЗС существенно дешевле 70 Мп КМОП матрицы. Что отражается на итоговой стоимости планетарных сканеров. Аналогичные по классу устройства имеют практически двукратную разницу в цене.
К примеру, стоимость подопытных моделей, с помощью которых проводилось тестирование, различается кардинально. Так на сегодняшний день цена ЭЛАР ПланСкан А2В с трехлинейным ПЗС около 1,2 млн. руб., а Microbox Book2net Kiosk с КМОП матрицей 70 Мп более 3 млн. руб.
Отсюда возникает главный вопрос — какая технология лучше? Каждый решает сам и выбирает сканер исходя из своих потребностей и задач. Очевидно только одно, в России пользователи уже сделали выбор — по итогам 2016 года по данным CNews Analytics планетарный сканер ЭЛАР ПланСкан А2В на основе линейного ПЗС стал одним из самых популярных сканеров в стране и по показателям продаж существенно обогнал различные модели планетарных сканеров на основе матричных сенсоров.
Незрелый ананас, для человека справедливого,
всегда хуже зрелой смородины.
(C) Козьма Прутков
CCD (Charge-Coupled Device, прибор с зарядовой связью - ПЗС) - светочувствительный элемент представляет собой узкую полоску из множества фотодатчиков, на которую при сканировании на каждом шаге двигателя отражается от документа и через систему зеркал попадает свет от лампы, установленной на каретке. На каждом шаге каретки сканер фиксирует одну горизонтальную полоску оригинала, разбитую в свою очередь на некоторое количество пикселей на CCD-линейке. Итоговое изображение, составленное из полосок, представляет собой как бы мозаику из пикселей одинакового размера и разного цвета. Для проецирования изображения с подсвеченного оригинала на CCD-линейку используется специальная оптическая система из объектива и нескольких зеркал.
Рис.1. Устройство каретки сканера на основе CCD матрицы.
CIS (Contact Image Sensor, контактный датчик изображения) - светочувствительный элемент представляет собой линейку одинаковых фотодатчиков, равную по ширине рабочему полю сканирования, непосредственно воспринимающих световой поток от оригинала. Оптическая система - зеркала, преломляющая призма, объектив - полностью отсутствует.
Рис.2. Устройство каретки сканера на основе CIS матрицы.
Mustek Be@rPaw 1200CU Plus - планшетный сканер для домашнего использования. В сканере используется CIS-матрица (Contact Image Sensor). Аппаратные разрешения: 600х1200dpi
Epson Perfection 1270 - планшетный сканер, предназначенный для домашних пользователей. В сканере используется цветной линейный датчик CCD (Charge-Coupled Device). Аппаратные разрешения: 1200х2400dpi
Смотри и сравнивай
Чтобы сравнить сканеры CCD и CIS, применительно к оцифровке печатных изданий, я отсканировал в оттенках серого с разрешением 300dpi один и тоже разворот середины брошюры с текстом в 10-ти миллиметрах от кромки переплета. Для наглядности отличий в резкости получаемого результата сканировал с разной степенью прилегания материала к стеклу. Фильтры пост обработки в драйверах отключены. Полученные сканы обработке, кроме обрезки и преобразования в jpg, не подвергались.
Рис.3. Окна настроек драйверов при сканировании.
Рис.4. Хороший прижим: 6 мм от стекла до кромки переплета.
Линия сканирования перпендикулярна строкам.
Рис.5. Средний прижим: 20 мм от стекла до кромки переплета.
Линия сканирования перпендикулярна строкам.
Рис.6. Без прижима: 38 мм от стекла до кромки переплета.
Линия сканирования перпендикулярна строкам.
Рис.7. Без прижима: 38 мм от стекла до кромки переплета. Линия сканирования параллельна строкам, а переплет расположен по центру планшета.
Условия: сканирую всю область формата А4 в оттенках серого при разрешении 300dpi.
Все замеры делаю по часам с точностью до секунды.
Подопытный CIS сканер медленнее в 3,8 раза!
Отмечу, что обнаруженные тормоза, скорее всего, не общая характеристика CIS-сканеров, а особенность конкретной модели. Т.к. в спецификации на Mustek Be@rPaw 1200CU Plus указан тип интерфейса USB 1.1, тогда как у Epson Perfection 1270 используется USB 2.0.
Повторив тест на скорость Epson Perfection 1270 для сканирования в цветном режиме 48bit 300dpi я получил практически те же результаты, хотя в его характеристиках, найденных в Интернете, указаны такие параметры: черно-белый текст, А4, 300 dpi: 13 секунд; цветное фото A4, 300 dpi: 19 секунд.
Мнения "ведущих собаководов"
Информация от консультантов сети магазинов компьютерной техники "Позитроника" (21.03.2007):
CCD-сканеры имеют ряд неоспоримых преимуществ перед CIS-моделями.
Во-первых, они обеспечивают большую (примерно в 10 раз) глубину резкости. Это означает, что с CCD-сканером 3-мерные объекты или даже книги и журналы будут отсканированы с хорошей резкостью. При сканировании CIS сканером сканируемый объект должен быть максимально плоским, иначе полученное изображение будет размытым и нерезким.
Во-вторых, они обеспечивают лучшую чувствительность к оттенкам.
В-третьих, срок службы таких сканеров значительно продолжительнее. CCD сканеры обеспечивают стабильно высокое качество сканирования в течение более 10 тыс. часов. У существующих в настоящее время CIS сканеров наблюдается падение яркости в среднем на 30% после нескольких сотен часов работы.
В-четвертых, CCD-сканеры имеют более высокую разрешающую способность.
Для объективности заметим, что разработчики и конструкторы обоих типов сканеров не перестают совершенствовать свои творения, поэтому соревнование между ними еще не закончилось абсолютной победой одного из участников.
Фрагмент статьи о тестировании МФУ OKI B2500 MFP (19.06.2007):
Примененная недорогая CIS-технология имеет некоторые недостатки, одними из главных являются неточная цветопередача и слабые показатели глубины сканирования (возможность передать объем сканируемого предмета).
Тест на глубину сканирования (охват объема) проводился с помощью линейки, установленной под углом, образуя, таким образом, со стеклом сканера и опорой прямоугольный треугольник. Высота опоры (один катет прямоугольного треугольника) равна 1.5 см - спичечный коробок, длина части линейки от стекла до опоры (гипотенуза) равна 10 см.
Рис.8.
Видно, что четко различимая часть линейки составляет примерно 1 см, откуда простым расчетом получим глубину сканирования около 1.5 мм. Что ж, не шибко хороший результат, но ведь это "заслуга" примененной в сканере CIS-матрицы.
Посмотрев на это всё. (IMHO, но не только)
Глубину сканирования Epson Perfection 1270 проверяю по технологии, приведенной выше в отрывке статьи о тестировании МФУ, при помощи линейки и спичечного коробка. Сравните с рисунком 8 или со своим сканером.
Рис.9. Тест на глубину сканирования (охват объема) CCD-сканера Epson Perfection 1270.
Даже при относительно хорошем прижиме сканируемого объекта к стеклу планшета, как это видно на рисунке 3, CIS-сканер размывает места находящиеся в долях миллиметра от стекла. Малая глубина резкости обусловлена отсутствием оптики - название "контактный датчик" говорит само за себя.
Можно было бы прижать чуть сильнее и проблема пропадет, решат некоторые. Вот тут то мы и наступим на грабли!
Из-за того, что каретка с другой стороны очень близко прижимается к стеклу, малейший прогиб планшета может привести к подтормаживанию каретки и в результате образуются "сдавленные" промежутки. Если сканируем простой текст для дальнейшей обработки в программе OCR - это еще пол беды, а вот если сканируем графику или схемы - хорошего мало.
Рис.10. Скан сильно прижатого текста. Линия сканирования параллельна строкам.
Изменена экспозиция для выделения проблемного участка скана.
Кроме малой глубины резкости (из-за отсутствия оптики) у CIS-сканера есть еще один принципиальный недостаток - небольшие зазоры между соседними фотодатчиками. Чтобы сделать его менее заметным CIS-матрицу фокусируют чуть ниже плоскости планшета, т.е. CIS-сканеры изначально дают слегка размытый результат (или, если хотите, сглаженный - менеджеры по продажам иногда относят эту особенность технологии к достоинствам). Проявление этого недостатка становится заметным на потерявших резкость участках скана в виде полосатости, которая хорошо видна, например, на рисунке 6.
А у CCD-сканера наоборот есть недостаток связанный с наличием оптики - разный ход луча (разное расстояние) при сканировании изображения в центре и по краям. Искажение от этой особенности CCD-сканера на изображении начинает проявляться только если объект сканирования отходит от планшета. Т.е. проблемы с геометрией у CCD-сканера начинаются там же, где начинаются проблемы с резкостью у CIS-сканера. Но даже сильно искаженное изображение CCD-сканера пригодно к применению, в отличие от размытого изображения CIS-сканера (см. рисунок 6).
Кроме того искажения можно минимизировать, расположив сканируемую книгу на планшете так, чтобы переплет был перпендикулярен линии сканирования и располагался как можно ближе к центру планшета. Пример такого скана на рисунке 7, а тот же фрагмент с искажениями на рисунке 6. Правда при сканировании обычной книги этим способом разворот не поместится на планшет целиком и придется сканировать каждую страницу в отдельности.
Еще один из часто называемых недостатков CCD-сканера - длительный прогорев лампы. Но у подопытного сканера лампа включается сразу после включения его в сеть и отключается автоматически только при длительном простое. Т.е. при пакетном сканировании, по крайней мере у этой конкретной модели, абсолютно нет задержек по этой причине. Обратная сторона медали: из-за того, что лампа выделяет тепло, на внутренней поверхности стеклянного планшета с течением времени появляется налет, который нужно чистить, иначе на изображении появится синева и нечеткость. Вывод: включай CCD-сканер в розетку только тогда, когда собрался сканировать.
Как одно из достоинств CIS-сканера указывают его постоянную готовность к сканированию, тогда почему время от нажатия на кнопку сканирования до фактического начала сканирования у подопытного CIS-сканера больше (см. раздел "Перегонки" выше), чем у подопытного CCD-сканера? Ответ прост: перед сканированием каретка сканера проходит цикл калибровки на специальной области под планшетом вне зоны сканирования и более медлительный сканер проходит этот цикл дольше.
Использование CIS-матрицы не только заметно уменьшает габариты и вес устройства, но и позволяет использовать питание от компьютера через USB-интерфейс. Кроме того CIS-сканеры работают, как правило, гораздо тише. Хотя, IMHO, плата за меньший шум - медлительность.
Считается, что отсутствие оптики делает CIS-сканер менее чувствительным к внешним механическим воздействиям, т.е. его труднее испортить неаккуратным обращением. Но следует учесть также и то, что стекло планшета у такого сканера часто тоньше, чем у его конкурента с оптикой.
В одной из публикаций, датируемой концом 2003-го года, приведена краткая сводная таблица достоинств и недостатков сканеров обоих технологий. Вот эта таблица с моими исправлениями, которые выделены цветом и знаком вопроса.
Красным цветом выделены и зачеркнуты характеристики, которые к середине 2007 года утратили актуальность. Синим со знаком вопроса - характеристики, которые характерны не для всех моделей. Зеленым цветом - мой комментарий.
Что изменилось по состоянию на середину 2007-го года?
У CCD-сканеров существенно снизилась цена и в нижнем ценовом диапазоне есть модели у которых нет задержек при пакетном сканировании, связанных с прогревом лампы.
У CIS-сканеров увеличено разрешение до 2400x4800 dpi, правда пока только у более дорогих моделей, и у некоторых моделей появилась возможность работать со слайд-адаптерами.
Например компания Canon выпускает CIS-сканер CanoScan LiDE 80 - новую ведущую модель с функцией сканирования фотоплёнок, далее цитата с сайта Canon: "Это - первый в мире сканер с контактным датчиком изображения (Contact Image Sensor, или CIS) и функцией сканирования фотоплёнок, первый в мире CIS-сканер с разрешением 2400x4800 точек на дюйм и первый в мире CIS-сканер с применением технологии FARE (Автоматическое ретуширование и улучшение изображений на плёнке). Сочетание всех этих технологических достижений в столь компактной модели - толщиной всего 38 мм. ". Розничная цена на него по состоянию на лето 2007-го года чуть меньше 180 у.е.
Для сравнения цена подопытного CIS-сканера Mustek Be@rPaw 1200CU Plus около 45 у.е., а цена подопытного CCD-сканера Epson Perfection 1270 около 65 у.е.
Выбор сканера для домашнего сканирования книг (IMHO)
Для сканирования большинства книг важна в первую очередь скорость при хорошем качестве.
Именно поэтому для сканирования книг без сложных иллюстраций выбираю разрешение 300dpi.
CCD-сканер, на мой взгляд, обеспечивает наилучшие качество и скорость сканирования.
При выборе модели нужно обратить особое внимание на время полного цикла сканирования, которое сильно зависит от способа прогрева лампы и интерфейса передачи данных на компьютер.
Преимущества CIS-сканера не имеют отношения к качеству получаемого изображения и относятся к потребительским характеристикам, которые могут быть востребованы только в случае, когда возникла необходимость сканировать в читальном зале на ноутбук и нет возможности подключиться к электросети.
Мой путь по граблям. :)
Когда я брал себе сканер то не подозревал, что буду использовать его для перевода книг в электронный вид и уж тем более не задумывался о таких тонкостях как тип приемного элемента. По крайней мере я хоть знал, чем отличается максимальное оптическое разрешение от просто максимального (интерполированного), которое производители сканеров любят писать большими буквами сами знаете для чего.
Главными показателями при выборе сканера для меня тогда были:
1) цена - сами понимаете, чем дешевле, тем "зачем платить больше?";
2) качество сканирования - как его определить, если до этого весь опыт в сканировании сводился к скану нескольких фотографий, да нескольких страниц текста на случайных сканерах. ;
3) удобство пользования - лишнего места на столе нет, да и свободные розетки на удлинителе сами не появляются;
4) надежность - чтобы не ломался.
Выбор модели также оказался делом случая. На работе был Mustek Be@rPaw 2448 Plus (со слайд модулем), а это кстати сказать CCD сканер. Для дома выбрал модель попроще - Mustek Be@rPaw 1200, а это опять таки CCD сканер (но тогда я об этом не задумывался). Продавец на фирме сказал, что у них есть за меньшие деньги новая модель с питанием от USB. Когда я спросил - "а в чем разница и почему дешевле?" - мне ответили: "так ведь экономия на блоке питания, а в остальном всё то же самое".
Но теперь то ясно, что Mustek Be@rPaw 1200CU Plus ЭТО УЖЕ CIS СКАНЕР!
И этот CIS-сканер меня долго устраивал! Для сканирования фотографий небольшое размытие (или сглаживание) только на пользу. FineReader с его сканами текста справлялся на ура. Плюс дополнительные пользовательские удобства: отсутствие блока питания, малый вес и габариты.
Пока не наступил на грабли - хотел задать на форуме вопрос о "подгоревшем" блоке стиральной машинки, положил плату на сканер - а результат совсем нечеткий :(
О сканировании книг повторяться не буду, всё видно на примерах из раздела "Смотри и сравнивай".
Когда решил найти ему замену как нельзя более кстати прочитал статью monday2000 "Описание покупки сканера (январь 2007)"
Теперь вполне доволен CCD-сканером Epson Perfection 1270.
Расшифровка некоторых терминов для людей далеких от техники
Датчик (он же сенсор, он же рецептор) - устройство, непосредственно принимающее, преобразующее и передающее специальным приборам данные каких-н. измерений.
IMHO (In My Humble Opinion) - по моему скромному мнению.
OCR (Optical Character Recognition) - оптическое распознавание символов, автоматическое распознавание с помощью специальных программ графических изображений символов печатного текста и преобразование их в формат, пригодный для обработки текстовыми процессорами, редакторами текстов и т. д.
Ссылки для любознательных
Ограничения на использование информации из этой статьи
Никаких ограничений.
Каждый, кто прочитал эту статью и кому не лень, имеет право:
- распечатать или выучить наизусть эту статью целиком или любую её часть, без ограничений;
- копировать эту статью целиком или любую её часть на сменный или не очень носитель любым способом, кроме противоестественного;
- использовать полученную из этой статьи информацию на своё усмотрение;
- не соглашаться с приводимой в этой статье информацией, особенно с выводами и утверждениями из разделов помеченных аббревиатурой IMHO, но в случае несогласия с каким либо пунктом - слов "бред", "фигня" (и им подобных) недостаточно - пожалуйста аргументируйте свои возражения.
При использовании любой части этой статьи в своих публикациях ссылка на Infanata желательна.
"Используй то, что под рукой и не ищи себе другое", (C) Филиас Фогг, мультик "80 дней вокруг света".
И очень маленький совет от меня напоследок: не нужно устраивать перегонки "кто больше книг запостит на сайт" - сделай не десять, а одну самую интересную настолько качественно, насколько сумеешь.
Книжные сканеры отличаются от сканеров другого типа, поскольку поверхность раскрытой книги не является плоской. С точки зрения механики, сканирование книг представляет собой сложную задачу, и, если бы книги изобретались современными инженерами, они, скорее всего, были бы созданы в бесконечной форме, прокручиваемыми между двумя небольшими трубками, подобно пленке. Если бы это было так, потребность в специализированных книжных сканерах отсутствовала бы.
К сожалению, Йоханнес Гутенберг не думал о сканировании, когда он придумывал книги 600 лет назад.
Для цели сканирования книг мы настоятельно рекомендуем использование именно книжного сканера, который сканирует раскрытую книгу сверху, так же как вы ее читаете. Для этого были разработаны разнообразные книжные колыбели и другие подобные устройства. Однако, здесь мы хотели бы сосредоточиться на более тонких моментах, которые являются более уязвимыми для некорректной и вводящей в заблуждение информации.
На рынке книжных сканеров в настоящее время доминирует несколько известных производителей, однако, множество небольших компаний также пытается получить свою долю. К сожалению, для покупателей, некоторые из этих компаний декларируют нереалистичные характеристики предлагаемых ими устройств, которые превосходят возможности современной физики.
В последние несколько лет некоторые производители стали устанавливать на штатив цифровые камеры и снабжать такие устройства экраном для большего сходства с настоящими книжными сканерами. Они тоже называют свои устройства на базе цифровых камер «книжными сканерами», которые, на самом деле, таковыми не являются, поскольку сканер сканирует документ, а цифровая камера делает фотографию. Это привело к определенной путанице на рынке, и цель данного документа – непредвзято разъяснить некоторые технические понятия и их влияние на качество сканирования, его скорость и обработку.
Цифровые камеры
В цифровых камерах используются матрицы CCD, состоящие из множества мельчайших пикселов, закрытых фильтром Байера, в свою очередь состоящим из комбинаций двух зеленых, одного красного и одного синего пиксела, организованных в квадрат. Это вдвое снижает разрешение для зеленого канала и в четыре раза – для красного и синего каналов. Малый размер пикселов также повышает уровень шума по сравнению с линейными сенсорами. На следующих рисунках показана технология создания цветного изображения с помощью фильтра Байера.
Сканеры
Профессиональные сканеры снабжены линейными сенсорами, воспринимающими красные, зеленые и синие линии одну за другой, отраженные от документа, освещаемого белым светом. Изображение уменьшается с помощью объектива и проецируется на линейный CCD сенсор. Объект (документ) движется синхронно с экспозицией элементов CCD сенсора. В ряде книжных сканеров камера и оптическая система (объективы) могут двигаться относительно документа или быть неподвижными, но дополнительно снабжаться вращающимся зеркалом, имитирующим движение. Красный элемент будет захватывать одну линию изображения, следующую за зеленым и синим элементами. И, в конечном итоге, изображение будет составлено из величин RGB с максимальным разрешением и без каких-либо искажений, вносимых фильтром Байера.
Трехэлементные сенсоры преобразуют свет, поступающий от объекта, в электрические сигналы. Красный, зеленый и синий фильтры, расположенные в трех последовательных рядах CCD элементов, обеспечивают очень высокое значение цветовой гамма-функции, что для CCD сканеров является типичным. Пиксел в высококачественном CCD сенсоре гораздо больше, чем в цифровой камере и имеет типовой размер порядка
10 мкм x 10 мкм, что очень важно, поскольку больший размер элемента позволяет снизить шумы и другие негативные эффекты.
Объективы сканеров
При разрешении 600 dpi один пиксел на оригинале имеет размер 64 мкм x 64 мкм, поэтому для получения изображения размером 10 мкм x 10 мкм в CCD сканерах используются объективы с уменьшением 1:6,4. Это обеспечивает значительную глубину фокуса на большой оптической длине. Почти все книжные сканеры на сегодняшний день используют камеру, состоящую из объектива и линейного CCD сенсора.
Качество объектива для CCD сканера является очень важным фактором, влияющим на конечное качество сканирующей системы, но при этом ограничения для него гораздо меньше, чем для объективов высококачественных цифровых камер. Причиной этого является тот факт, что в объективах CCD сканеров используется только центральная область линз. Объектив цифровой камеры должен быть не только почти в два раза больше в диаметре, но при этом он будет создавать существенные цветовые аберрации, подушкообразные геометрические искажения, а также потерю интенсивности во внешних углах. Сканеры, кроме того, используются не только для получения изображений как таковых, но и в системах управления, поэтому для сканеров точность является ключевым фактором.. Если производитель предлагает «книжный сканер» с камерой, делающей один снимок, матричной камерой или чипом, скорее всего, это обычная цифровая камера, смонтированная на сверхдорогом стенде. Цифровые камеры разработаны для получения изображения объектов на различных расстояниях, некоторые из которых находятся в фокусе, а другие – не в фокусе.
Полезное время жизни
Учтите, что маркетинговые департаменты некоторых производителей цифровых камер гораздо более изобретательны чем инженерные. Мы видели рекламу цифровых камер в 300.000.000 циклов экспозиции, что должно соответствовать времени жизни в 240 лет!
Многие заказчики уже разочаровались в своих решениях о приобретении сканирующего оборудования, которые базировались на опубликованных спецификациях или даже на данных в рамках официальных тендеров, поскольку некоторые из этих спецификаций вводят в заблуждение, если не полностью противоречат истине.
Производитель должен нести ответственность за распространяемые технические спецификации.Прежде чем купить, попросите предоставить образцы сканов при самом высоком декларируемом разрешении. Не верьте указанным цифрам разрешения или количеству мегапикселов, прежде чем не проверите это сами.
Но что такое разрешение и насколько высокое разрешение требуется для того или иного проекта по оцифровке? Это одна из наиболее запутанных тем на рынке книжных сканеров и задача следующей части разъяснить объективную правду на основе научного подхода.
Разрешение
Сканер, как уже говорилось, последовательно сканирует красный, зеленый и синий цвета один за другим и, таким образом, создает идеальные с геометрической точки зрения RGB пиксели. Все цифровые камеры снабжены фильтром Байера, который уменьшает эффективное разрешение наполовину для зеленого канала и на четверть для красного и синего каналов. Полученные пиксели должны быть проинтерполированы с помощью программного обеспечения, что создает еще больше погрешностей.
Изображение слева получено с помощью цифровой камеры, а правое – с помощью книжного сканера, оба при разрешении 200dpi только потому, что это максимальное разрешение, поддерживаемое цифровой камерой. Производитель называет это книжным сканером, но, если Вы сравните два изображения, разница становится очевидной. Левое изображение размыто и полно искажений. Оно также характеризуется высоким уровнем шума, что типично для цифровых камер нижнего сегмента с их крайне малым размером пиксела. При этом во многих цифровых камерах пытаются сгладить эффект шума, жертвуя при этом еще большим количеством деталей, что неприемлемо при сканировании документов. «Красивая картинка» не может заменить точный скан. Производитель должен нести ответственность за распространяемые технические спецификации. Прежде чем купить, попросите предоставить образцы сканов при самом высоком декларируемом разрешении. Не верьте указанным цифрам разрешения или количеству мегапикселов, прежде чем не проверите это сами. Неспособность воссоздавать прямые черные и белые линии также создает проблему для любого OCR программного обеспечения при распознавании
размытого текста.
Размер документа
Книжные сканеры имеют максимальную длину и ширину зоны сканирования, как правило, соответствующую формату А0. Маркетинговый департамент одного из производителей «книжных сканеров» на базе цифровых камер, которые захватывают область на 20% большую чем А3, обозначил это как «почти А2». Поэтому для Вас важно определить максимальный размер документа, предназначенного для сканирования. Чем больше исходный документ, тем более количество пикселов потребуется при сканировании. В следующей таблице дано количество пикселов, необходимое для сканера при сканировании вдоль длинной стороны документа, и при сканировании вдоль короткой стороны. В первом случае необходимо меньше пикселов, но требуется больше времени, во втором случае – больше пикселов, но меньше времени. Некоторые производители используют цифровые камеры и утверждают, что это тоже сканеры, что не соответствует действительности.
Тем не менее, в следующей таблице мы также указали необходимые требования в мегапикселах для цифровых
камер.
| A0 /E-size | A1 / D-size | A2 / C-size | A3 / B-size | A4 / letter | ||
| Слева направо | 200 dpi | 3 x 6700 | 3 x 4700 | 3 x 3400 | 3 x 2400 | 3 x 1700 |
| Сверху вниз | 3 x 9400 | 3 x 6700 | 3 x 4700 | 3 x 3400 | 3 x 2400 | |
| Цифровая камера | 124 Mpixel | 62 Mpixel | 31 Mpixel | 16 Mpixel | 8 Mpixel | |
| Слева направо | 300 dpi | 3 x 10000 | 3 x 7100 | 3 x 5000 | 3 x 3600 | 3 x 2500 |
| Сверху вниз | 3 x 14100 | 3 x 10000 | 3 x 7100 | 3 x 5000 | 3 x 3600 | |
| Цифровая камера | 279 Mpixel | 140 Mpixel | 70 Mpixel | 35 Mpixel | 18 Mpixel | |
| Слева направо | 400 dpi | 3 x 13300 | 3 x 9400 | 3 x 6700 | 3 x 4700 | 3 x 3400 |
| Сверху вниз | 3 x 18800 | 3 x 13300 | 3 x 9400 | 3 x 6700 | 3 x 4700 | |
| Цифровая камера | 496 Mpixel | 248 Mpixel | 124 Mpixel | 62 Mpixel | 31 Mpixel | |
| Слева направо | 600 dpi | 3 x 19900 | 3 x 14100 | 3 x 10000 | 3 x 7100 | 3 x 5000 |
| Сверху вниз | x 28100 | 3 x 19900 | 3 x 14100 | 3 x 10000 | 3 x 7100 | |
| Цифровая камера | 1116 Mpixel | 558 Mpixel | 279 Mpixel | 140 Mpixel | 70 Mpixel |
Примечание: Если производитель устройств на базе цифровых камер показывает половину необходимого числа пикселов, подсчитанных в таблице выше, значит они считают красную, зеленую и синюю точки за одну и интерполируют два выпадающих цвета на точку. Другими словами, в этом случае 1/3 пикселов реальные, а 2/3 интерполированные. В приведенной таблице предполагается, что 2/3 пикселов цветовой информации являются реальными и только 1/3 интерполированными, что дает менее качественный результат, чем может дать сканер.
Некоторые производители утверждают, что они с помощью их 30-мегапиксельных камер могут оцифровать документ формата А2 с разрешением 400dpi, но приведенная таблица доказывает их неправоту, поскольку для этого требуется матрица, как минимум, 124 мегапиксела. При разрешении 600dpi самые большие матрицы, доступные сегодня по цене в тысячи долларов или евро, могут оцифровать только формат А4, что недостаточно для серьезного сканирования книг.
Все книжные сканеры оснащены линейными сенсорами высокого разрешения, а иначе они не могут называться сканерами. Если производитель, использующий для оцифровки цифровые камеры, утверждает, что их оборудование приближается к типичному разрешению сканеров в 300dpi и выше, взгляните на таблицу, приведенную выше, и выясните правду.Скорость и экспозиция
В процессе сканирования в секунду сканером обрабатывается несколько тысяч изображений, и поэтому он нечувствителен к погрешностям движения документа относительно камеры, вибрациям и т.д. При этом в процессе сканирования освещается только небольшая область оригинала, которая сканируется в данный момент. Свет сканера является высококачественным и интенсивным. Отражаясь от оригинала, он дает изображения высокого качества с низким уровнем шумов. Типовое значение времени экспонирования для сканеров находится в диапазоне от 250 до 1500 мкс.
С другой стороны, цифровые камеры требуют времени экспозиции в пару секунд, что делает их очень чувствительными к любому виду смещения камеры, книги, оператора и даже пола в помещении, в котором используется эта цифровая камера.
Количество света также является определяющим фактором. Некоторые производители утверждают, что их сканерам не нужны источники света, в связи с чем они не производят инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Поскольку предыдущее утверждение верно по определению, последнее является заблуждением. Такие сканеры полностью зависят от окружающего освещения, и это эквивалентно фотографированию при плохом освещении без вспышки. Все знают, что результат такого фотографирования непредсказуем с точки зрения цветового баланса, шумов, отражений и т.д.
Хорошие книжные сканеры снабжены собственным, точно управляемым высококачественным источником света. Уровень освещения в зоне сканирования должен быть высоким и при этом не должны освещаться объекты вне указанной зоны.
Высокий уровень освещения, обеспечиваемый сканером, необходим для усиления «полезной составляющей» относительно фонового освещения для того чтобы перекрыть все проблемы, создаваемые окружающим светом.
Источники света сканеров должны быть, как правило, в 10 – 20 раз ярче, чем окружающий свет, подавляя
восприятие неконтролируемого окружающего освещения до уровня невидимого.
В то же время, все области оригинала, не подвергающиеся сканированию в данный момент времени, должны быть защищены от световой экспозиции, также как и оператор. Книжные сканеры, в которых данные правила выполняются, снабжены движущейся световой линейкой или LED источником высокой интенсивности, свет от которого разворачивается по поверхности книги в процессе ее сканирования. Интенсивность света в процессе сканирования поддерживается постоянной даже при различных расстояниях до объекта и углах. Все книжные сканеры большинства участников рынка снабжены движущейся световой линейкой.
В современном книжном сканере используется движущаяся световая линейка, составленная из высококачественных белых светодиодов. Устройство, освещающее сразу всю область сканирования, или не освещающая ее вообще, скорее всего, представляет собой не сканер, а сверхдорогую цифровую камеру.Биты, плотность и шум
Вероятно, самое большое заблуждение, касающееся технологии сканирования, это глубина цвета, также называемая цветовым разрешением. Первое, что необходимо запомнить, глубина цвета и динамический диапазон это не одно и то же. Здесь мы объясним это различие. Большинство сканеров сегодня имеют глубину цвета, по крайней мере, 30 bit, а многие - 36, 42 или 48 bit. Большее количество бит необходимо для передачи цифровых величин, поддерживающих лучший динамический диапазон. Поскольку эти два фактора часто связаны, существует также второе требование. Для высококачественных CCD линеек с низким уровнем шумов, а также для электроники, необходим больший динамический диапазон сигнала. Если утверждается, что сканер
имеет глубину цвета 48 bit, это не имеет никакого отношения к реальной оптической плотности, а означает лишь то, что в устройстве используется 16-разрядный аналогоцифровой преобразователь.
В следующей таблице приведены теоретические значения максимальной оптической плотности при различных значениях глубины цвета. Если Вы найдете эти значения в спецификации сканера, их спокойно можно игнорировать, поскольку они определяют «размер контейнера», а не его содержимое.
| Разрядность, (bit) | Двоичныхъ единиц | Макс. плотность (шум -0) | Макс. плотность (шум - 1 bit) |
| 30 | 1024 | 3.0 | 2.7 |
| 36 | 4096 | 3.6 | 3.3 |
| 42 | 16384 | 4.2 | 3.9 |
| 48 | 65536 | 4.8 | 4.5 |
Диапазон плотностей в реальности гораздо ниже расчетного. Таблица ниже дает диапазон плотностей для
реальных материалов.
| Материал | Макс. плотность |
| Газета | 1.8 |
| Отражающая фотобумага | 2.0 |
| Высококачественная печать на бумаге | 2.6 |
| Высококачественная пленка | 3.2 |
Вывод понятен: глубины цвета 36 bit достаточно для передачи всей необходимой цифровой информации о диапазоне оптической плотности самых качественных оригиналов на пленке. Большие величины «контейнера» являются излишними, к тому же замедляющими работу системы. Некоторые системы могут использовать разрядность больше чем 36 bit для обеспечения возможности коррекции яркости и значения гамма-функции на этапе последующей обработки, однако это не означает, что диапазон оптической плотности при этом будет выше.
Гораздо более существенным моментом чем глубина цвета является уровень шума системы. Современные книжные сканеры снабжены линейными сенсорами с большими размерами элементов до 10 х 10 мкм, которые могут накапливать большое количество фотонов до момента насыщения. Большое количество фотонов означает меньший уровень шума. Если уменьшить размер элемента вдвое, уровень шума удваивается, и одна из проблем цифровых камер именно в этом. На сегодняшний день размеры элемента матрицы цифровой камеры составляют одну десятую часть размера элемента линейного сенсора, и требуется большое количество вычислений для того чтобы получить более или менее приличное изображение на выходе.
Читайте также: