Сканеры - Технологическая часть проекта предприятия допечатного производства

В системах допечатной подготовки изданий в настоящее время применяются планшетные (полутоновые и цветные), проекционные и барабанные цветные сканеры высокого разрешения.

Планшетные сканеры построены по принципу плоской развертки (отсюда их второе название - плоскостные), при которой считываемый оригинал располагается на плоском подвижном или неподвижном оригиналодержателе.

При сканировании оригинала осуществляется построчное считывание изображения. В качестве приемников и анализаторов оптического изображения при считывании оригинала в большинстве сканеров используются линейные ПЗС, на которые проецирует изображение строки объектив или линза. При этом в сканерах без оптического масштабирования изображения и с постоянным оптическим разрешением ПЗС и объектив неподвижны. В сканерах, обладающих возможностью оптического масштабирования и изменения оптического разрешения, применяются несколько линз и линеек ПЗС или подвижные объективы и фотоприемники.

Ниже представлена принципиальная схема плоскостного сканера с подвижным оригиналодержателем.

Непрозрачный оригинал 2 закрепляется на плоском оригиналодержателе 1, который перемещается передачей винт-гайка 3 от шагового электродвигателя 4 с блоком управления 5. Освещение оригинала производится осветителем 13, в состав которого входят лампа и отражатель. Свет, отраженный от оригинала 2, поворотным зеркалом 12 направляется в объектив 8, который формирует уменьшенное изображение строки оригинала в рабочей плоскости линейки ПЗС 7. Осветитель 13, элементы оптической системы 12 и 8, а также линейка ПЗС 7 в этом устройстве неподвижны.

ПЗС преобразует световые сигналы, отраженные от строки изображения, в последовательность пропорциональных им аналоговых электрических сигналов. Аналоговые сигналы от ПЗС в блоке обработки сигналов 9 усиливаются и преобразуются в цифровую форму. Цифровые сигналы направляются в буферную память 10 и далее в блок интерфейса 11. Через блок интерфейса сигналы передаются в ПЭВМ. Для согласования во времени работы блока управления 5 с шаговым двигателем 4, блока обработки сигналов 9 и буферной памяти 10 блок синхронизации 6 формирует стабильную по частоте последовательность управляющих синхроимпульсов.

Ниже представлена принципиальная схема плоскостного сканера с неподвижным оригиналодержателем.

Оригинал 1 закреплен на неподвижном прозрачном оригиналодержателе 2. Объектив 11 и линейка ПЗС 8 также неподвижны. Развертка изображения осуществляется за счет перемещения двух кареток 5 и 17. Для того чтобы сумма отрезков оптической оси от оригинала до первой главной плоскости объектива 11 сохранялась постоянной и, следовательно, строки оригинала проецировались на фотоприемник (ПЗС) 8 без искажений, каретка 5 с осветителем 3 и зеркалом 4 должна перемещаться со скоростью, вдвое большей, чем каретка с зеркалами 16 и 18. Для привода кареток используются электродвигатель 12, редуктор 13 и барабан 14. На барабане 14 намотан трос 20, который огибает неподвижный блок 19 и крепится к каретке 5. Для привода каретки 17 используется трос 7, проходящий через блок 6, ось которого закреплена на каретке 17. Один конец троса 7 крепится к каретке 5, а другой конец троса 7 - к корпусу сканера. Для натяжения троса 7 используется пружина 15, один конец которой прикреплен к корпусу сканера, а другой - к тросу 10, перекинутому через неподвижный блок 9 и прикрепленному к каретке 17.

Цветной сканер должен различать основные цвета (красный, зеленый и синий). Для этого применяются различные технологии. Например, в цветном сканере с одним источником света сканирование оригинала может осуществляться в три прохода с последовательным применением различных фильтров (красного, зеленого, синего). При этом светофильтры могут устанавливаться поочередно между оригиналом и фотоприемником

Или между источником света и оригиналом:

С помощью поворотных светофильтров. В результате трех проходов сканирования получается файл, содержащий образ изображения в трех основных цветах С RGB.

Существенными недостатками описанного метода являются увеличение времени сканирования в 3 раза и необходимость точного совмещения цветовых слоев, так как в противном случае возможно размывание деталей изображения.

В других сканерах могут использоваться три источника света: красный, зеленый, синий. Сканирование при этом производится однократно и источники света работают поочередно, кратковременно освещая оригинал.

Этот метод позволяет избежать несовмещения цветов, однако появляется другая сложность - подбор источников света со стабильными характеристиками.

Во многих цветных сканерах используется один источник света, но сканирование цветных оригиналов тем не менее осуществляется за один проход. Для этого сканеры оборудованы системой ПЗС - датчиков, состоящей из трех независимых линеек для каждого цвета.

Оригинал освещается белым светом, а отраженный свет через редуцирующую линзу и систему специальных фильтров, которые и разделяют белый свет на три составляющие, попадает на трехполосный ПЗС. Принцип работы таких фильтров основан на использовании явления дихроизма, заключающегося в изменении окраски кристаллов в проходящем белом свете в зависимости от положения их оптической оси. После прохождения системы фильтров разделенные световые потоки - красный, зеленый и синий - попадают каждый на свою линейку ПЗС. Путем последовательно выполняемых операций считывания тонового распределения в каждой строке по основным цветам можно получить информацию, необходимую для воспроизведения цветов изображения.

В однопроходных цветных сканерах с одним элементом ПЗС и одним источником света используется система цветоделительных светофильтров. ‚ процессе сканированиякаждой строки изображения три фильтра быстро сменяют один другой и тем самым последовательно создается цифровой образ строки для каждого цвета. Схема такого сканера:

Осветительная система сканера состоит из двух частей: для непрозрачных оригиналов и прозрачных оригиналов. В осветительной системе, состоящей из оптико-волоконных световодов и источника белого света (галогенной лампы), установлена вращающаяся с высокой частотой турель с тремя цветными светофильтрами. В осветительной системе для непрозрачных оригиналов оптико-волоконный жгут световодов, пропускающий свет того или иного цвета, раздваивается и освещение оригинала производится двумя осветителями. В осветительной системе для прозрачных оригиналов оптико-волоконный жгут состоит из световодов с переменным диаметром, который увеличивается по мере удаления от источника света и образует оптико-волоконную пластину.

Эта оптико-волоконная пластина заканчивается линзой, которая проецирует поток света на прозрачный оригинал.

Имеющиеся на оригинале грязь, соринки и другие посторонние предметы могут при сканировании создать большую проблему. Поэтому в некоторых сканерах применяют специальную асферическую осветительную линзу, которая до минимума уменьшает эффект помех от частичек пыли, царапин и отпечатков пальцев на оригинале. Это происходит за счет того, что возникающие пустоты заполняются светом от рядом лежащих областей оригинала.

Вот как можно минимизировать помехи, вызванные наличием посторонних частиц на поверхности оригинала, за счет того, что лучи света попадают в дефектную область одновременно с различных направлений.

Асферическая осветительная линза сконструирована так, что она имеет меньшую кривизну по краям, чем в середине, поэтому свет может фокусироваться не только в середине линзы, но и по ее краям, что позволяет почти полностью компенсировать отклонения светового потока.

Обычная осветительная линза также может собирать в пучок свет с различных направлений, но самая интенсивная часть излучения исходит, как правило, из середины линзы, и имеющиеся на ее краях лучи используются лишь в незначительной мере. Поэтому маловероятно, что различные погрешности, возникающие из-за соринок и других мелких частиц, компенсируются светом, чтобы свести к минимуму ошибки в отсканированном изображении. Недостатком асферических линз по сравнению с обычными является сложность их изготовления.

Применяются планшетные однопроходные цветные сканеры с двумя одинаковыми линейками ПЗС. Один ПЗС используется для широкоформатных оригиналов, а другой - для оригиналов малого формата. Это позволяет значительно повысить разрешение при сканировании малоформатных изображений, так как меньшее по размеру изображение сканируемой строки приходится на то же количество светочувствительных элементов ПЗС что и при сканировании большого оригинала.

На оригиналодержателе 1 закрепляется оригинал и при сканировании оригиналодержатель перемещается в зону, где в зависимости от вида оригинала происходит засветка участка изображения с помощью световодов 2. Свет в них поступает от галогенной лампы 3 мощностью 100 ‚т, пройдя через один из фильтров RGB - 4 или нейтрально-серый фильтр. Разворачивающее зеркало 5 направляет световой поток по нужному световоду. После того как свет разворачивается под углом 90 зеркалом 6, он попадает на систему линз 7 или 8 (в зависимости от заданного разрешения) и, пройдя их, попадает на одну из линеек ПЗС 9. Далее определенное напряжение поступает на аналого-цифровой преобразователь 10, который формирует цифровой сигнал и передает его на управляющий компьютер.

Современные планшетные сканеры обеспечивают сканирование прозрачных и непрозрачных оригиналов с оптическим разрешением 5000 dpi. Интерполяционная разрешающая способность их достигает 11000 dpi, динамический диапазон - 3,7 - 4,0.

Основными достоинствами планшетных сканеров являются:

    * простота использования. Технология сканирования способствует быстрому вводу оригиналов различных форматов, что не всегда возможно при использовании других сканеров; * сканирование оригиналов различных размеров. Если максимальный размер сканируемого оригинала зависит только от размера рабочей области сканера, то его минимальный размер не ограничивается; * широкий диапазон оригиналов. Планшетные сканеры можно использовать для сканирования прозрачных и большинства плоских непрозрачных оригиналов. Как и у копировальных аппаратов, у планшетных сканеров есть крышка, прижимающая к рабочей поверхности такие нестандартные оригиналы, как, например, книга; * сканирование небольших трехмерных объектов. Можно сканировать трехмерные объекты небольших размеров, такие, как ключи, часы, монеты, листья и т. п. Однако результат не всегда может получиться удовлетворительным; * возможность установки дополнительных устройств: например, механизма автоматической подачи оригиналов или диапозитивной приставки для сканеров, работающих только с непрозрачными оригиналами; * сканирование оригиналов нестандартного большого формата. Оригиналы большого (более А4) формата можно отсканировать по частям, а затем объединить их в каком-либо графическом редакторе; * высокая скорость сканирования. Современные однопроходные планшетные сканеры позволяют сканировать цветные оригиналы стандартных форматов с высоким разрешением всего за 20-30 с.

К недостаткам планшетных сканеров следует отнести большую занимаемую площадь и сложность выравнивания оригинала с неровно размещенным на носителе изображением, так как непрозрачный оригинал размещается на рабочей поверхности сканера лицевой стороной вниз и закрывается крышкой.

Проекционные сканеры напоминают фотоувеличитель и работают почти так же, как фотографическая камера. Проекционные сканеры выпускаются для работы с непрозрачным оригиналом, для работы с прозрачными оригиналами (такие сканеры часто называют "слайд-сканер") и универсальные. В сканерах для работы с непрозрачными оригиналами считывание оригинала осуществляется в отраженном свете.

Оригинал располагается на подставке под сканирующей головкой изображением вверх. Сканирующая головка (камера) закрепляется на вертикальном штативе на некоторой от него высоте. В зависимости от конструктивных особенностей сканера камера может перемещаться по стойке или по вертикальным направляющим. Перед началом сканирования камеру следует установить в положение, соответствующее требуемому разрешению и размеру изображения. Точная настройка разрешения (фокусировка) осуществляется перемещением линзы. Внутренний источник света при этом обычно не требуется - естественного комнатного освещения оказывается достаточно. Иногда источники света (не более двух) присоединяются непосредственно к камере. Внутри камеры небольшой двигатель перемещает линейку ПЗС в фокальной плоскости линзы. Процедура сканирования занимает некоторое время, поэтому следует учитывать возможное нежелательное воздействие вибрации и внешних источников света. Схема работы проекционного сканера:

В некоторых моделях проекционных сканеров свет через линзу освещает оригинал целиком, а отраженный свет фиксируется с помощью ПЗС-матрицы. Подобная конструкция сканера позволяет избежать влияния внешних возмущений и добиться более высокого качества сканированных изображений.

Класс слайдовых сканеров определяется максимальным размером оригинала, с которым он может работать. Если сканеры среднего класса предназначены для обработки 35-миллиметровых негативных и позитивных пленок, то сканирование прозрачных оригиналов больших форматов (6x7 см, 21/4x21/4 и 4x5 дюймов) могут выполнять устройства высокого класса.

Оптическое разрешение слайдовых сканеров составляет от 2000 до 5000 dpi в зависимости от класса устройства. Слайдовый сканер во многом напоминает планшетный. Различие состоит лишь в том, что слайд-сканер фиксирует образ сканируемого изображения в проходящем свете и соответственно источник света, оригинал и фотоприемник в нем имеют другое взаимное расположение. Для фиксирования цвета и уровней серого в слайд-сканерах используются либо наборы линеек ПЗС, либо матрицы ПЗС.

В некоторых сканерах для повышения отношения сигнал/шум, характеризующего качество считывания визуальной информации, применяются дополнительные компенсационные методы, например, более яркие источники света.

Оптическая плотность цветных слайдов и диапозитивов обычно находится в пределах от 2,8 до 3,0. Поэтому динамический диапазон слайдовых сканеров высокого класса должен быть не менее 3,0. Для кодирования цвета используются 8 -14 и даже 16 бит на канал.

Поставляемые в комплекте со сканером рамки для монтажа слайдов в сочетании со специализированным программным обеспечением позволяют автоматизировать процесс сканирования слайдов стандартных форматов (пакетов сканирования).

Проекционные сканеры обладают следующими достоинствами:

    * удобство позиционирования оригинала. Непрозрачный оригинал располагается лицевой стороной вверх, что облегчает процедуру его выравнивания. На подставке сканера, как правило, имеются специальные направляющие, которые можно использовать для точного позиционирования оригинала; * небольшая занимаемая площадь. Проекционные сканеры занимают на рабочем столе чуть больше места, чем сканируемый объект; * разнообразие сканируемых оригиналов. Книги, художественные иллюстрации на плоских носителях и даже небольшие трехмерные объекты - все это можно сканировать с помощью проекционных сканеров, работающих с непрозрачными оригиналами. Непомещающийся на подставке оригинал можно сканировать по частям. Этот процесс реализуется даже проще, чем в случае использования планшетного сканера, поскольку видно, какие части оригинала уже отсканированы; * автоматический режим работы слайдовых сканеров. Благодаря возможности пакетного сканирования без вмешательства оператора производится оцифровка слайдов пакетами, так как в комплект поставки большинства моделей слайд-сканеров входят одна или несколько рамок, в которые устанавливаются слайды различных размеров и типов, а также фрагменты пленок.

К недостаткам проекционных сканеров следует отнести сложность сканирования переплетных оригиналов. В отличие от планшетных сканеров, где книга удерживается в развернутом виде за счет прижима крышкой, в проекционных сканерах ее необходимо расположить лицевой стороной вверх и прижать стеклом или специальным держателем. Барабанные сканеры дороги, но с их помощью можно получать изображения с высокой степенью детализации, которые, в свою очередь, могут быть использованы для последующего ретуширования, цветоделения и, наконец, формирования конечного варианта представления страницы издания или пленки для изготовления печатной формы. В барабанных сканерах оригинал с помощью специальной ленты или масла закрепляется на поверхности прозрачного цилиндра из органического стекла (барабана), укрепленного на массивном основании, которое обеспечивает его устойчивость. Барабан вращается с большой частотой, а находящийся рядом с ним сканирующий фотоприемник через крошечную апертуру точка за точкой считывает изображение с высокой точностью. В большинстве сканеров, применяемых в полиграфии, в качестве фотоприемника используется ФЭУ, который перемещается на прецизионной винтовой паре вдоль барабана и точечно сканирует оригинал (при наличии нескольких ФЭУ сканирует соответствующее число точек). Для освещения оригинала используется мощный ксеноновый или галогенный источник света, к стабильности излучения которого предъявляются высокие требования. При сканировании прозрачных оригиналов применяется источник света, расположенный внутри барабана, а при сканировании отражающих оригиналов - вне его, рядом с приемником излучения.

Так как частота вращения барабана высокая, то можно фокусировать на изображении чрезвычайно мощный источник света без риска повредить оригинал. Яркость источника света, возможность регулирования фокуса и технология поэлементной выборки обеспечивают высокое отношение сигнал/шум и точную передачу тонов изображения без перекрестных помех от соседних точек. Свет сначала направляется на оригинал, затем на зеркала и RGB-фильтры, расщепляющие его на три цветовых пучка. В наиболее простом исполнении полупрозрачные зеркала представляют собой хроматически нейтральные светоразделительные элементы, частично пропускающие и частично отражающие световую энергию независимо от ее спектрального состава. В этом случае первое полупрозрачное зеркало должно отражать одну треть упавшей на него световой энергии и две трети пропускать. У второго зеркала отраженная и пропускаемая части световой энергии должны быть равны. При таком разделении количество световой энергии всех длин волн во всех трех каналах будет одинаковым. Этот вариант не является оптимальным. В каждом канале не нужен свет всех длин волн, так как установленные в различных каналах цветоделительные светофильтры пропускают световой поток в разных областях спектра - динноволновой, средневолновой и коротковолновой.

Более совершенными в этом смысле являются дихроические полупрозрачные зеркала, обладающие свойством отражать и пропускать световую энергию избирательно по спектру. В этом случае первое зеркало должно, например, отражать свет только в длинноволновой (красно-оранжевой) части спектра. ‚торое зеркало отражает свет только в средневолновой (желто-зеленой) части спектра, третье - только в коротковолновой (сине-фиолетовой) части спектра. При таком распределении световая энергия используется рациональнее. Для этой же цели могут использоваться специальные цветоделительные призмы, в которых имеются два дихроичных фильтра (зеленый и синий).

В зависимости от типа материала (прозрачный или отражающий) оригинал освещается либо изнутри барабана, либо снаружи. Размещаемые в анализирующей фотоголовке фотоэлектронные умножители принимают и усиливают отфильтрованный свет. Затем полученные аналоговые сигналы преобразуются в цифровые коды. Конструкция многих моделей барабанных сканеров позволяет использовать сменные барабаны для повышения производительности сканирования.

Отличительный признак полиграфических барабанных сканеров - возможность сканировать оригиналы, имеющие высокую оптическую плотность (печатные издания, художественные работы, слайды, диапозитивы, негативные пленки), как в отраженном, так и в проходящем свете с разрешением, ограниченным лишь размером барабана и минимальной апертурой. Вовременные барабанные сканеры позволяют скопировать изображение с интерполяционным разрешением 24000 dpi.

Ђнализирующие фотоголовки сканеров, обеспечивающих считывание цветных изображений с высокой разрешающей способностью, представляют собой высокоточную и достаточно сложную конструкцию. Схема и конструкция анализирующей фотоголовки барабанного сканера при работе в отраженном свете:

В этом режиме работы используется только одна металлогалогенная лампа накаливания, находящаяся в задней части фотоголовки, свет от которой собирается световодами 1 в пяти различных точках нити накала и проецируется пятью конденсорами 2 на поверхность оригинала. Микрообъектив 3 проецирует освещенный участок оригинала на плоскость анализирующей диафрагмы 6. Диафрагма представляет собой овальное отверстие в круглом зеркале, установленном под углом 45 к направлению распространения светового луча. Анализирующие диафрагмы находятся на турели, что позволяет заменять их в зависимости от масштаба сканирования и линиатуры разверстки. Отраженный зеркалом луч проходит через компенсационный нейтральный фильтр 7 и цветоделительный фильтр 8. Затем призмы 9 и 10 направляют отраженный луч на фотоумножитель канала нерезкого маскирования 11. Прошедший через анализирующую диафрагму 6 световой луч дважды поворачивается призмой Дове 12 и попадает на цветоделительные дихроичные зеркала 13 и 14, которые разделяют их на три спектральные зоны - синюю, зеленую и красную. Призмы 10 направляют цветоделенные лучи на цветоделительные корректирующие светофильтры 15-17 и фотоумножители цветоделительных каналов 18-20.

Для наводки на резкость используют отклоняемое зеркало 4, которое оператор при помощи ручки 21 вводит в световой поток, отклоняя его на контрольный экран 5. Таким образом, на экране визуального контроля отображается освещенный участок оригинала. На экране есть перекрестие, которое позволяет точно определять местоположение анализируемого участка оригинала.

Лампы накаливания непрерывного действия широко применяются в качестве источника света не только в сканерах с цилиндрической разверткой, но и в планшетных сканерах.

Потери при передаче и растрировании изображения наиболее заметны при воспроизведении мелких деталей изображения. Их передачу можно улучшить за счет электронного нерезкого маскирования, при помощи которого даже удается выделить существенные для изображения детали, а также его структуру (например, поверхность материалов).

Повышение резкости воспроизведения деталей - задача так называемого канала нерезкого маскирования. Он получает одновременно с основным цветовым каналом сигнал соответствующего цветоделенного изображения. Диафрагма, ограничивающая пучок лучей света, в канале нерезкого маскирования значительно больше, чем диафрагма, передающая изображение. Благодаря этому крошечная сканирующая световая точка перекрывается нерезкой точкой:

Большая точка нерезкого маскирования при перекрытии контура, характеризуемого перепадом плотностей, обеспечивает более плавное изменение при этом сигнала, так как во время сканирования больший элемент раньше уловит изменение плотности, чем малый. При вычислении в сканере разности основного и нерезкого сигналов, ее суммировании с основным цветоделенным сигналом образуется нерезкая градационная маска:

Разностный сигнал СИ - СН добавляется к основному СИ + СИ - СН. Благодаря увеличению контраста деталей и образованию дополнительной каймы повышается резкость изображения, улучшается прорисовка деталей. Степень подчеркивания деталей можно регулировать выбором величины диафрагмы в канале нерезкого маскирования.

В некоторых сканерах в качестве канала нерезкого маскирования используется один из основных каналов цветоделения.

Большинство барабанных сканеров имеет горизонтальное расположение прозрачного барабана. Известна конструкция сканеров с вертикальным расположением барабана, что существенно уменьшает заменяемую сканером площадь. Схема такого сканера:

Свет от источника 1 при помощи затвора 2 попадает в оптический тракт световода 3 или 4 соответственно для работы с непрозрачными и прозрачными оригиналами, закрепленными на барабане 5.

Барабан приводится в движение при помощи двигателя 6. Прошедший или отразившийся от оригинала луч света попадает на ФЭУ 8 сканирующей головки 7. Электрический сигнал из ФЭУ поступает в логарифматор 9 и проходит аналого-цифровой преобразователь 10 (АЦП), который преобразует аналоговый сигнал в цифровой. Управление процессом преобразования осуществляется процессорной платой 11.

Операции масштабирования, нерезкого маскирования, а также общее управление сканером осуществляет материнская плата 12. Приводом барабана управляет плата 12 через блок питания (БП).

Визуальный контроль работы сканера можно осуществлять по сигнальным лампам, которые расположены в верхней части крышки сканера и у основания защитной крышки барабана. Следует упомянуть о том, что в некоторых картографических барабанных сканерах в качестве приемника изображения используется набор линеек ПЗС, неподвижно установленных на всю ширину барабана и построчно сканирующих изображение оригинала.

Основными достоинствами барабанных сканеров являются:

    * возможность сканирования высокохудожественных работ. Барабанные сканеры, разрешающая способность которых достигает 24000 dpi, а динамический диапазон более 4,0, наиболее предпочтительны для сканирования цветных высококачественных художественных оригиналов с максимально широким тоновым диапазоном; * возможность сканирования как отражающих, так и прозрачных оригиналов. Носителем изображения могут быть практически любые прозрачные и отражающие материалы, достаточно гибкие, чтобы их можно было прикрепить к барабану сканера; * развитые средства повышения производительности. К ним относятся: пакетное сканирование, автоматическая корректировка апертуры и освещенности в зависимости от плотности оригинала, автоматизированное управление заданиями, использование сменных барабанов и др.; * возможность изменения фокусного расстояния. Позволяет автоматически или вручную изменять разрешение сканирования в зависимости от требуемой степени детализации изображения.

К недостатком барабанных сканеров следует отнести:

    * невозможность сканирования переплетенных оригиналов, например книг, журналов; * большие габариты и масса. Барабанный сканер - это, за редким исключением, тяжелый крупногабаритный аппарат; * невозможность сканирования оригиналов на жесткой основе. Поскольку оригиналы прижимаются к цилиндрической поверхности барабана, принимая ее форму, оригиналы на жесткой основе (стеклянные пластины, книги, слайды в рамке) закрепить на барабане не удается; * сложность загрузки оригинала. Оригинал закрепляется на барабане, который вращается с большой частотой. Чтобы не допустить смещения оригинала во время вращения, он должен быть жестко закреплен.

Похожие статьи




Сканеры - Технологическая часть проекта предприятия допечатного производства

Предыдущая | Следующая