ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ OBOR GEODÉZIE A KARTOGRAFIE KATEDRA MAPOVÁNÍ A KARTOGRAFIE
Skenery (princip, parametry, typy) semestrální práce
Pavla Šmejkalová Rostislav Šprinc
V Praze dne 16. 3. 2009
Kartografická polygrafie a reprografie
Úvod Skener (nebo též psáno anglicky scanner) je elektronické zařízení, které převádí grafickou informaci do elektronické, počítači srozumitelné podoby.
1
Princip
1.1
Obecně
V praxi většiny počítačových uživatelů je však skener synonymem pro zařízení sloužící k převodu obrázků do počítače za účelem jejich dalšího zpracování. Ke skenerům bývá pro tyto účely zdarma přibalen software k elektronické editaci obrázků. Dalším programovým vybavením bývá většinou software pro převod naskenovaných dokumentů do textové podoby tzv. OCR programy, protože dokument sejmutý skenerem je v počítači uložen v obrazovém formátu.
1.2
Postup skenování
Dokument je nutné ve skeneru nejdříve nasnímat. Základním požadavkem je dobré a rovnoměrné osvícení předlohy po celé její ploše. To zajišťovala u plošných skenerů donedávna tzv. "Chladná katodová lampa", neboli zářivka. Výhodou tohoto řešení je vysoká intenzita produkovaného světla, nevýhodou pak nerovnoměrné osvětlení (nejvíce světla je vyzařováno uprostřed). Aby byl tento nedostatek v co možná největší míře odstraněn, je zářivka obvykle doplněna systémem zrcadel, které vrací odražené světlo na místo, kde je ho potřeba. Novější řešení u tzv. CIS technologie využívá řadu luminiscenčních LED diod. Všechny použité diody jsou přirozeně stejné a to zaručuje maximální možnou stejnoměrnost osvětlení po celé šíři snímaného dokumentu. Osvětlovací a snímací mechanizmus se postupně posouvá po předloze a snímá jeden řádek za druhým. Snímač (CCD nebo CIS) pracuje tak, že intenzita světla, které dopadá na jeho jednotlivé buňky je přeměněna na elektrický náboj o různé síle. Každý bod elektronické podoby obrazu je složen ze tří informací - intenzity tří základních barev - R (červená), G (zelená) a B (modrá). Každý bod snímané předlohy je tedy měřen třemi buňkami snímače - každá buňka pomocí speciálních filtrů vyhodnocuje jednu z uvedených barevných složek bodu. V plošných skenerech jsou použity tzv. řádkové CCD nebo CIS snímače, použitý snímač tedy určuje maximální možné optické rozlišení skeneru.
2
Části skenerů Snímací prvek
Jde o nejdůležitější součást, protože dokáže zachytit od předlohy odražené světlo. Kvalita skeneru je přímo závislá na kvalitě použitého snímače a počtu jeho buněk. V současné době se používají snímače CCD a CIS. CCD CCD je zkratka "Charged Coupled Device". Skládá se z matice světlocitlivých buněk, které reagují na intenzitu přicházejícího světla. Během procesu skenování se světlo pomocí
1
optické soustavy nasměruje na CCD snímač, a ten poté podle parametrů světla (intenzity, barvy) vygeneruje odpovídající analogový elektrický signál. CIS CIS je zkratka "Contact Image Sensor", což je snímač se stejnou funkcí jako CCD, který však nepotřebuje ke své práci optickou soustavu a je tudíž menší. A/D převodník Analogově-digitální převodník (A/D converter) je vnitřní součást skeneru, která převádí analogový signál vytvářený CCD nebo CIS snímačem do digitální podoby. Tento převod je nutný v zájmu následného počítačového zpracování. Typy rozhraní Rozhraní, nebo též port, zajišťuje fyzické propojení počítače a externích zařízení, jako je například skener. V současné době se používají k připojování skenerů tři typy propojení, neboli portů: SCSI, EPP a USB. SCSI je zkratka "Small Computer System Interface". Tento typ propojení vyžaduje instalaci karty s SCSI rozhraním. EPP je zkratka "Extended Parallel Port". Tento nejrozšířenější způsob propojení využívá paralelní rozhraní (totéž využívají tiskárny). USB je zkratka "Universal Serial Bus". Toto rozhraní je nejnovější a jsou jím vybaveny pouze novější počítače a iMacy.
3 3.1
Parametry Obecně
V současné době většina plošných skenerů používá snímače s rozlišením 300 nebo 600 dpi. Označení dpi (dot per inch) udává, kolik bodů je snímač schopen změřit na vzdálenosti jednoho palce (asi 2,5 cm). CCD snímač s rozlišením 600 dpi má tedy 1800 buněk (každý bod je snímán třikrát) na každých přibližně 2,5 cm. Plošný skener určený pro formáty A4 má přibližně 15 000 buněk. Skenery s udávaným rozlišením 1200 dpi mají obvykle snímací prvek s rozlišením 600 dpi. Pohybující se snímací mechanismus je schopen na dráze dlouhé jeden palec změřit 1200 řádků předlohy, takže výsledné optické rozlišení elektronické podoby obrázku z takového skeneru je 600 x 1200 dpi. Obdobně skenery označené rozlišením 600 dpi mají většinou snímač s rozlišením 300 dpi, který snímá předlohu v 600 krocích (řádkách) na palec. Většina prodávaných skenerů umí dále softwarově upravit počet bodů na mnohem vyšší hodnotu, přičemž každý původně vyhodnocený bod rozdělí na několik dalších bodů a na kvalitě programového vybavení potom záleží, jak dobře si skener poradí s barevnými odstíny přidělenými novým bodům. Tento proces zvládá však i naprostá většina dobrých programů pro úpravu obrázků. Kvalitu výstupu ze skeneru primárně a zásadně určuje jeho optické rozlišení a tím i ostrost výsledného elektronického obrazu. Kromě počtu buněk na snímači jsme se zmínili také o jeho kvalitě. Ta je dána tím, jak věrně je schopen tento převodník obrazové informace na elektronickou reprodukovat barvy. Jednou vlastností, ze které je částečně patrná výsledná kvalita barevného podání, je barevná hloubka. Ta udává, kolik možných hodnot může mít elektrický náboj produkovaný
2
jednotlivými buňkami snímače. Je udávána v "bitech"a větší číslo udává věší počet barev, který je schopen skener rozeznat. V praxi se u barevných skenerů setkáme s hodnotami 24 až 48 bitů.
3.2
Snímací režimy
Vlastní snímání může probíhat ve čtyřech různých režimech: čárová grafika (line art), polotóny (halftone), šedi (grayscale) a v barvě (color). Veškeré sejmuté obrázky jsou uloženy jako bitmapové grafické soubory. Line Art Formát čárové grafiky (Line Art) zabere při ukládání nejméně místa. Poněvadž se zaznamenává pouze bílá a černá, stačí pro každý bod pouze jedem bit paměti (nejmenší možná část). Uložení 1 znamená, že bod je černý, 0 znamená bílý. Tento formát se hodí při snímání textu nebo čárové grafiky (výkresů), naopak téměř nepoužitelný je pro snímání fotografií nebo obrázků s více odstíny. Obr. 1: line art Halftone Technika polotónování (halftone) vznikala z potřeby zpracovávat odstíny šedi na tiskárnách, které tisknou pouze černou barvou. Půltónové obrázky se tedy skládají z černých bodů v jemném rastru, který se lidským očím jeví jako různě světlá šeď. Tato technika je známá z novinového tisku. Každý čtverec se skládá z 64 bodů, z nichž každý může být buď černý nebo bílý.
Obr. 2: half tone
Grayscale Obrázek ve stupních šedi (grayscale) je ekvivalentní černobílé fotografii. Počítač zobrazuje patřičný odstín šedivé podle přiřazené hodnoty od 0 do 255, přičemž tato hodnota je přiřazena každému bodu v obrázku. Hodnota bodu 0 znamená, že je to bod černý, hodnota 255, že je bílý. Čísla mezi 1 a 254 znamenají příslušné odstíny šedi. Protože má tedy každý bod přiřazeno číslo odstínu od 0 do 255, je mu potřeba vyčlenit 8 bitů paměťového prostoru (vychází se z přepočtu do dvojkové soustavy: 256 = 2 na osmou, přičemž tato osmá mocnina udává počet potřebných bitů).
3
Obr. 3: greyscale
Color Barevné obrázky jsou nejvíce používané. Televize i počítačové monitory používají pro vykreslení barev kombinace červené, zelené a modré (RGB) barvy. Každý barevný bod se skládá ze tří bodů uvedených barev. Protože jsou to body malinké, slévají se našemu zraku a tvoří jednolitou barvu, třeba zrovna bílou. Elektronika monitoru může nastavovat intenzitu každého barevného bodu v 256 úrovních. Při úrovni 0 je bod zhasnutý a jeví se černý, při úrovni 255 uvidíte Obr. 4: color jasný modrý (příp. červený či zelený) bod. Vzhledem k možným kombinacím intenzity tří bodů zobrazí monitor až 16,77 milionů různých barevných odstínů. Každá kombinace se jeví jako odlišná barva. Pokud je intenzita všech tří bodů stejná, například 128, je na stínítku monitoru šedivá, v tomto případě padesátiprocentní šeď.
3.3
Velikost obrázku
Pro odvození výsledné přibližné velikosti snímaného obrázku slouží vzorec: Velikost souboru = (rozlišení x velikost na šířku) x (rozlišení x velikost na výšku) x barevný režim Barevný režim znamená pro čárovou a polotónovou grafiku (line art a halftone) 1/8, pro šedé (grayscale) 1 a pro barevné (color) snímky 3. Následující tabulka ukazuje velikosti výsledných souborů při různých způsobech skenování stejného obrázku o rozměrech 10 x 10 cm. Line Art Halftone Grayscale Color
100 dpi 19,5 Kb 19,5 Kb 156 Kb 469 Kb
150 dpi 44 Kb 44 Kb 352 Kb 1 Mb
300 dpi 175 Kb 175 Kb 1,37 Mb 4,12 Mb
600 dpi 703 Kb 703 Kb 5,5 Mb 16,5 Mb
Tab. 1: Velikost obrázku
3.4
Interpolace
Rozlišení skeneru je dáno optickým rozlišením snímače a velikostí kroku posuvného mechanismu (stepping speed). Skenery s rozlišením 300 x 600 dpi mají CCD snímač s rozlišením 300 dpi a motorový mechanizmus schopný posunovat snímací část na 600 poloh (linek) na vzdálenosti jednoho palce (2,54 cm). Pokud budete s takovým skenerem snímat v rozlišení 300 dpi, bude se snímací hlava posunovat dvakrát rychleji než při snímání na 600 dpi. Pokud budete snímat v rozlišení 600 dpi, bude se snímací mechanizmus pohybovat pomaleji a skener bude zároveň dopočítávat chybějící body ze snímače (ten má jen 300 dpi). Nové body jsou vytvářeny na základě propočtu (zprůměrování) bodů okolních a tento proces se nazývá interpolace. Tímto způsobem dosahují skenery s rozlišením 300 dpi obrázků s rozlišením 600 dpi. Pokud jsou chybějící body dopočítávány čipem ve skeneru, mluvíme o interpolaci hardwarové. Vedle tohoto zpracování ve skeneru je možné a někdy i lepší využít přepočtení (interpolace) softwarové. v tomto případě obrázek zvětší / přepočítá software v počítači.
4
4
Typy skenerů
Skenery můžeme rozdělit do několika základních kategorií podle způsobu jejich konstrukce.
4.1
Ruční skener
Ruční skenery jsou dnes víceméně již muzejní exponáty. Jde o malé pohyblivé zařízení, kterým uživatel obrazovou předlohu "přejede"a ta se převede do elektronické podoby. Jejich výhodou jsou především malé rozměry a nevýhodou naopak nízká kvalita a malá šíře snímacího mechanismu. Pomocí takových skenerů lze velmi obtížně sejmout předlohu větší než fotografie. Ruční skenery kladou rovněž nároky na způsob ovládání, neboť uživatel musí táhnout skener přes předlohu naprosto přesně a konstantní rychlostí. Obr. 5: ruční skener
4.2
Protahovací
Protahovací skenery snímají dokument na podobném principu jako většina běžných faxových přístrojů, ve kterých je vlastně jednoduchý skener vestavěn. Do vstupního zásobníku je vložen papír a ten je protažen snímacím mechanismem. Takové skenery jsou převážně určeny pro formát papíru nejvýše A4. Výhodou těchto zařízení jsou malé nároky na místo na stole a nevýhodou je nemožnost skenování z časopisu či knihy (protože jako předlohu lze použít pouze jednotlivé listy papíru, fotografie, karty apod).
4.3
Obr. 6: protahovací skener
Plošné skenery
Jedná se o nejrozšířenější kategorii skenerů. Ty snímají předlohu, která je položena na skleněnou desku, přičemž pod touto deskou se pohybuje snímací mechanismus. Oba výše zmíněné typy mají snímací mechanismus uložen v těle skeneru. Plošné skenery se vyrábějí především pro předlohy do formátu A4, méně potom pro A3. Plošné skenery jsou tudíž konstrukčně nejnáročnější a tedy i dražší, ale poskytují vysoce kvalitní výstup při snímání tištěných předloh. Jejich nevýhodou jsou větší nároky na místo.
5 Obr. 7: plošný skener
4.4
Skenery diapozitivů
Jsou to obvykle mnohem dražší zařízení, než skenery plošné, neboť jejich úkolem je zvětšit předlohu o velikosti obrázku kinofilmu do vysokého rozlišení a vyžadují proto jinou technologii snímání. Někdy bývá zaměňován termín dia-nástavec pro plošné skenery se skenerem diapozitivů. Pomocí dia-nástavce pro plošné skenery však nelze převést do elektronické podoby předlohu o velikosti kinofilmu příliš kvalitně.
Obr. 8: skener diapozitivů
4.5
Bubnové skenery
Pro profesionální snímání se používají skenery bubnové, které jsou jak cenou, tak rozměrově náročné. Tyto skenery jsou vhodné pro velké formáty.
Obr. 9: bubnový skener
6
Závěr Ač nemají skenery nijak dlouhou historii, staly se velmi využívanou pomůckou jak studenty, tak i v praxi v mnoha oborech (například skenování mapových podkladů). A s kvalitním OCR programem lze snadno skenovat nejen obrázky, ale i text.
Literatura [1] : WWW stránky, [online], [cit. 2008-04-06], URL:
[2] : WWW stránky, [online], [cit. 2008-04-06], URL: [3] : WWW stránky, [online], [cit. 2008-04-06], URL: [4] : WWW stránky, [online], [cit. 2008-04-06], URL: [5] : WWW stránky, [online], [cit. 2008-04-06], URL:
7
