Сканирование изображения и формирование его цифровой копии.

Сканирование изображения и формирование его цифровой копии.

Любое сканирующее устройство является сложным электромеханическим устройством в котором качество получаемых цифровых изображений в большой степени определяется конструктивной реализацией механизма сканирования, особенностью оптической системы, а также от качества, работающих в паре, двух центральных компонентов блока оцифровки изображений: трехлинейной светочувствительной матрицы (чаще называемой ПЗС-матрицей) и аналогово-цифрового преобразователя (АЦП). С другой стороны, огромную роль в формировании возможностей сканера играет программное обеспечение, позволяющее производить сложную обработку и преобразование цифровых описаний изображений.

Оцифровка сканируемого изображения в большинстве сканирующих устройств (среднего класса) выполняется с перемещением каретки сканирующей лампы. Механика такой оцифровки состоит в том, что сканирующая лампа, последовательно меняет свое положение, относительно размещенного на столе оригинала, на величину шага, минимальная величина которого определяет механическое разрешение сканера. При этом отраженный от непрозрачного оригинала (или прошедший сквозь прозрачный оригинал) свет фокусируется через оптическую систему на ПЗС-матрицу, находящуюся под ложем сканера. 

 Свет копироваль­ной лампы сканера отражается от оригинала и проецируется с помощью зеркал и линзы на преобразователи света в электрический заряд (ПЗС). От светлых участков оригинала отражается больше света, чем от темных, поэтому и на соответствующие ПЗС воздействует свет различной яркости и формируются соответствующей величины заряды. Итак, изображение  (оригинал) которое нужно скопировать кладется на стеклянную крышку копировальной панели (рис. 1).

С помощью фоточувствительных элементов сканер превращает отраженный от оригинала свет лампы в соответствующий электрический заряд (сигнал). Блок обработки изображения преобразует эти электрические сигналы, получаемые от датчиков (например, светочувствительных диодов) с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в цифровые, например, в 8-разрядные (12-ти или 14-ти разрядные) коды изображения, которые после обработки подаются в блок памяти.

Рис. 1. Схема движения луча в сканере.

 В цветных копировальных аппаратах, в сканерах, которые имеют более точный механизм регистрации отраженного луча, луч проходит более длинный путь после и даже до сканирования, поскольку для сканирования цветных изображений он проходит через светофильтры для разложения на красную, зеленую и голубую составляющие. Луч света падает на оригинал, отражается от него и через систему зеркал попадает на светочувствительные элементы, где преобразуется в электрический сигнал.  Этот сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь, где конвертируется в сигнал, представляющий собой пиксели оригинала (черные, белые, оттенки серого или цветные). Эта цифровая информация передается в блок памяти для дальнейшей обработки.

 В сканерах различают два типа разрешения - оптическое и интерполированное. Оптическое разрешение описывает возможности аппаратной (оптической) части сканера. Для увеличения четкости деталей оригинала применяются специальные программные алгоритмы, это второе разрешение называется интерполированным.  Обычно оно увеличивает максимальное разрешение сканера в четыре раза (например, оптическое разрешение сканера 600 dpi, а максимальное интерполированное -  2 400 dpi). Поскольку интерполированное разрешение обеспечивается программными методами, при его использовании качество сканированного оригинала может быть несколько хуже, но практически сканеры обеспечивают приемлемое качество при интерполированном разрешения.

В основе функционирования подавляющего большинства, сканеров являются так называемые приборы с зарядовой связью (ПЗС) - термин, эквивалентный английскому обозначению Charge-Coupled Device (CCD).

ПЗС - это твердотельный электронный компонент, состоящий из множества крошечных датчиков, которые преобразуют интенсивность падающего на них света в пропорциональный ей электрический заряд. В основу ПЗС положена чувствительность проводимости p-n-перехода обыкновенного полупроводникового диода к степени его освещенности. На p-n-переходе создается заряд, который уменьшается со скоростью, зависящей от освещенности. Чем меньше заряд, тем больше ток через диод. Таким образом, эти приборы представляют собой специальным образом «выращенные» полупроводниковые матрицы светочувствительных элементов, которые обладают свойством «самосканирования» - способностью к одновременной передаче друг другу по цепочке накопленных под воздействием света зарядов. Роль элементарных кирпичиков, из которых строятся такие цепочки, играют «потенциальные ямы» - микроскопические (размером около 5 мкм) области в теле полупроводника, где, благодаря внешнему световому воздействию, скапливаются высвобождающиеся электроны. Создаются такие «ямы» путем подачи положительного потенциала на специальный электрод (его называют затвором), отделенный от полупроводника диэлектрическим слоем. В результате, поскольку вблизи границы раздела диэлектрик-электрод образуется недостаток отрицательных зарядов, в области под затвором будут скапливаться электроны. Это происходит потому, что под воздействием света электроны преодолевают барьер P-N перехода и проникают в эту область из нижнего слоя полупроводника. Место их скопления и называется «потенциальной ямой» (рис. 2).

Рис. 2. Схема образования «потенциальной ямы».

 В зависимости от типа сканера ПЗС могут иметь различную конфигурацию. При линейном способе считывания информации микродатчики ПЗС размещаются на кристалле в одну линию (для монохромного или цветного трехпроходного сканирования) или в три линии (для цветного однопроходного сканирования). Такая конфигурация позволяет устройству производить выборку всей ширины исходного аналогового изображения и записывать его как полную строку. Образование интегральных цепочек (ПЗС-линеек), состоящих из определенного числа светочувствительных элементов, происходит путем увязки в единую структуру последовательности «потенциальных ям». При этом за счет подачи на затворы потенциалов различного уровня формируется три типа  «ям» - приемные, запирающие и передающие. Упрощенная схема такой структуры показана на рис. 3. Ввиду определенной энергетической неустойчивости таких структур, в них возникают «темновые токи», причина которых - переход накопленных в «яме» электронов вглубь тела полупроводника (эффект «провала в светах») и их последующий возврат в позднее освободившуюся от заряда яму-ячейку (эффект «послесвечения» или «шлейфа»). Данный процесс сильно зависит от температуры и, при каждом ее повышении на 8-9 градусов, становится в два раза интенсивнее. Монохромные сканеры и цветные по принципам построения и используемым ПЗС-матрицам очень схожи, поэтому рассмотрим в качестве практического примера реализации такой структуры ПЗС-матрицу KLI-10203 корпорации Eastman Kodak, немалая часть цветных сканерных устройств среднего класса комплектуется ПЗС-матрицами этого производителя и именно такой конструкции. Состоит матрица из трех совмещенных линеек по 10 200 фотоэлементов, закрытых соответствующими светофильтрами (для красного, зеленого и синего цветов), благодаря чему передача информации о каждой спектральной составляющей может осуществляться единовременно и без использования оптических призм. Такой подход к цветоделению, безусловно, имеет ряд недостатков, среди которых -  необходимость учета спектральных характеристик светофильтров, которые полностью прозрачны в инфракрасной области (см. рис. 4), а также наличие погрешности, связанной с их оптическими свойствами.

Рис. 3. Упрощенная схема структуры ПЗС-линейки

Рис. 4. Спектральные характеристики светофильтров, установленных в ПЗС-матрицах Eastman Kodak

Возможно использование и принципиально иного подхода (корпорация Hewlett-Packard), когда вместо светофильтров используется расщепляющая спектр оптика, позволяет уйти от этих проблем, но порождает другие, чисто оптические, ошибки преобразования.