Skeneris

Skeneris

Skeneris (angļu: scanner) ir perifērijas ierīce, kas secīgi caurskata un lasa tekstus, attēlus un svītrkodus, pārveido tos ciparu kodā un uzglabā kā datnes, ko ar lappušu izkārtojuma un datorizdevniecības programmu starpniecību var ievietot sagatavojamā dokumenta tekstā. Skenēšanas iekārtas iedala plakanās virsmas skeneros, fotoskeneros, diapozitīvu skeneros, rokas skeneros, cilindriskās virsmas skeneros, nosacīti — arī digitālajās kamerās un stacionārajos skeneros. Lai gan viskvalitatīvākie ir cilindriskās virsmas skeneri, profesionālo un pusprofesionālo skeneru iekārtu klasē vispopulārākie ir tieši plakanie skeneri, kas spēj nodrošināt ļoti augstu un praktiskajām vajadzībām vairumā gadījumu apmierinošu kvalitāti. Skeneri var lietot arī tekstu ievadīšanai, ja ir kāda OCR (angļu: Optical Character Recognition — 'optiskā burtu atpazīšana') programma, kas spēj teksta attēlu pārvērst par teksta saturu, tātad īstenībā prot lasīt.

Skeneru vēsture

Pirmās skenēšanas ierīces bija izgatavotas, lai vizuālo informāciju varētu pārveidot elektriskajos impulsos un pārraidīt ar radio sistēmas palīdzību.

Vissenākais skenera priekštecis — "ierakstošais telegrāfs" — bija ieguvis patentu 1843. gadā, kuru izgudroja skots Aleksandrs Beins. Tas ļāva pārraidīt informāciju melnbaltā attēlojumā. 1885. gadā šo ideju uzlaboja itālis Džovanni Kazelli. Viņa telegrāfs “nolasīja” attēlu, kas bija uzzīmēts uz papīra ar tinti, kura bija izgatavota no elektrību vadoša materiāla.

Ar tādu ierīču palīdzību bija izveidota pirmā līnija dokumentu pārraidīšanai, kas savienoja Parīzi un Lionu. Pēc neilga laika pie šīs līnijas bija pieslēgušas arī citas pilsētas. Vēlāk tika izveidots fototelegrāfs, kura galvenā sastāvdaļa bija fotoelements. Šī fototelegrāfa darbības princips jau ir līdzīgs mūsdienu skenēšanas iekārtām. Tajā tievs gaismas stars pārvietojās pa skenējamā zīmējuma virsmu, un kad gaismas stars atstarojās, tas nokļuva uz fotoelementa. Uz fotoelementa izveidojās strāva, kura bija proporcionāla atspoguļojošai virsmai. Tas jau ļāva iegūt attēlu ar pelēkas krāsas gradāciju.

20. gadsimta sākumā vācu fiziķis Arturs Korns izveidoja fototelegrāfu, kura darbības princips ir mūsdienu cilindriskās virsmas skeneru pamatā. Tajos laikos šī ierīce parādīja augstas kvalitātes prasības attēla pārraidīšanā. Skenēšanas laikā Korna aparāts nolasīja krāsainu informāciju vienu punktu pēc otra, griežoties cilindriskas formas rullītim. Pēc pilna apgrieziena cilindrs pagāja soli pa asi pa vienu mērvienību. Gaisma no lampas caur objektīvu nonāca uz oriģināla un atspoguļojās no tā uz selēna foto uztvērēja. Tādā veidā katra punkta skenēšanas parametri bija vienādi, tāpēc ka foto uztveršanas elements ir tikai viens. Tā ir liela priekšrocība, tā kā uzreiz vairāku punktu skenēšanas laikā ar vairāku uztveršanas elementu izmantošanu veidojas kāda kļūme, saistībā ar to, ka elementi var atšķirties viens no otra. Tomēr tādas ierīces varēja skenēt tikai lokāmus materiālus (tādus kā papīrs), un nevarēja skenēt cietus materiālus, piemēram, stikla plates, grāmatas.

Elektronisko shēmu attīstīšanās ļāva samazināt fotouztvērēja izmērus un izveidot matricu, kura sastāvēja no liela daudzuma tādu elementu. Pateicoties šim izgudrojumam, skeneru modeļi kļuva ekonomiskāki, tie ietaupīja, gan skenēšanas laiku, gan elektrību. Pie tādiem skeneriem var pieskaitīt plaknes, rokas un projekcijas skenerus. Tomēr šiem modeļiem bija savi trūkumi, galvenais no kuriem — ierobežota kvalitāte iegūtajā attēlā, jo matricās ir samērā maz elementu.

Pēdējā laikā konkurence starp skeneru izgatavotājiem paliek saspringtāka. Tas var nākt tikai par labu skeneru attīstībā, jaunu modeļu izveidē un to kvalitātes uzlabošanā. Tas sola vienkāršāku un ātrāku informācijas apmaiņu un plašākas darbības sfēras.

Skeneru tipi

Cilindriskais skeneris

Cilindriskajam (angļu: drum ) skenerim sensors parasti ir fotoelektronu pavairotājs. Oriģināls tiek piestiprināts pie organiskā stikla caurspīdīga cilindra, kuram ir masīvs pamats. Šāda konstrukcija nodrošina labu stabilitāti. Cilindrs griežas ar ļoti lielu ātrumu (300—1350 apgriezieni minūtē), bet tam blakus esošais nolasītājs caur sīku cilindrisku režģi punktu pa punktam attēlu nolasa ar ļoti lielu precizitāti. Cilindriskiem skeneriem ir daudz priekšrocību tieši krāsu precizitātē. Cilindriskie skeneri var vienlaicīgi skenēt krāsainas fotogrāfijas un diapozitīvus, kā arī melnbaltas fotogrāfijas un diapozitīvus vienā operācijā. Skenerim ir nepieciešams ilgs sagatavošanas laiks, jo cilindriskajiem skeneriem oriģināli ir precīzi jāuzmontē uz cilindra. To veic ar eļļas vai līmlentes palīdzību.

Šiem skeneriem ir dažas priekšrocības, piemēram, ļoti plašs skenējamo oriģinālu tipu diapazons, un iespēja montēt ar eļļu (svarīgi saskrāpētiem oriģināliem, kam citādi veidojas Ņūtona gredzenu tipa kropļojumi). Tomēr šiem skeneriem arī ir daži trūkumi: nepieciešamas iemaņas oriģināla montāžai uz cilindra, nepieciešams montāžas stends, nepieciešama tīra telpa, nav iespējams skenēt no grāmatām vai žurnāliem.

Plaknes skeneris

Plakanie jeb plakanās virsmas skeneri (angļu: flatbed scanners) ir optisko skeneru paveids ar plakanu pamatvirsmu, uz kuras tiek uzlikts skenējamais dokuments. Šie skeneri ir efektīvi arī iesietu dokumentu skenēšanai. Tas ir vispopulārākais skeneru tehniskās konstrukcijas veids, kas balstās uz lādiņpārneses (CCD) tehnoloģiju, kas tiek izmantot no biroja skeneriem līdz pat high end repro tipogrāfiskās kvalitātes līmeņa skeneriem. Arī reprolīmeņa skeneri var ieskenēt krāsu attēlu gan sarkanzaļzilā krāsu modeļa (RGB), gan ciānfuksīndzeltenmelnā krāsu modeļa (CMYK) krāsu dalījumā, piemēram, izmantojot atbilstošos TIFF/RGB vai TIFF/CMYK failu datu formātus.

CCD tehnoloģija

Skeneru tehnoloģijas pamatā ir lādiņpārneses ierīce (CCD) — stabila stāvokļa mikroshēmas ierīce, kurā pusvadītāji sieta veidā ir savienoti tā, ka viena pusvadītāja izeja kalpo par nākamā pusvadītāja ieeju. Šī tehnoloģija tiek izmantota digitālajās kamerās, videokamerās un lielākajā daļu skeneru. CCD fizikālā būtība balstās uz metālu oksīdu pusvadītāju (MOS — angļu: Metal-Oxide Semiconductor) darbības principiem. Šādi MOS kondensatori ir izveidoti, pozicionējot metāla elektrodu, ko no silīcija apakšējā pamatslāņa norobežo silīcija dioksīda plēve. Katra matrica sastāv no CCD elementu tūkstošiem. Jo vairāk ir šādu elementu, jo smalkāk matrica spēs konstatēt attēla ģeometriju un jo zemāka kļūst katra atsevišķā elementa gaismas jutība. Kombinējot šīs pusvadītāju ierīces virknē vienā taktī, katrs elements padod tālāk saņemto signālu, līdz tas nonāk izejā, kur tiek reģistrēta bitkartes datu informācija.

Rullīšu skeneris

Rullīšu jeb lapas skeneri oriģināls tiek izlaists caur rullīšu padeves mehānismu, tā nokļūstot līniju nolasītāja sensoru laukā. Pēc šāda principa strādā lielākā daļa faksa aparatūru. Šie skeneri parasti stāda divos režīmos: skenēšanas un faksa pārraides. Šādas iekārtas dažreiz sauc par faksskeneriem.

Priekšrocības: kompakts, iespējama automātiska oriģinālu padeve.

Trūkumi: grūtības oriģināla izlīdzināšanai, ierobežots oriģināla tipu diapazons, grūtības, strādājot ar dažāda izmēra lapām, oriģinālu sabojāšanas iespējamība.

Rokas skeneris

Rokas skeneri ir vienkāršas konstrukcijas. Tiem ir neliels korpuss un tajā atrodas tikai gaismas avots un nolasošais elements. Skenēšanu veic ar roku velkot ar skeneri pār oriģinālu. Datorā ievietotā interfeisa karte pārveido saņemto informāciju ciparu formā un nodod to turpmākai apstrādei speciālai programmai. Dažu skeneru programmās ir mehānisms attēlu ‘ sašūšanai ’, kas palīdz lielākus attēlus skenēt pa slejām un tad apvienot vienā.

Projekcijas skeneris

Projekcijas skeneri pēc izskata atgādina foto palielinātāju vai projekcijas aparātu. Šajā gadījumā oriģināls tik novietots ar attēlu uz augšu zem skenēšanas galviņas aptuveni 30 cm attālumā. Iekšējas gaismas avots šajā gadījumā nav nepieciešams, pietiek ar dabisko apgaismojumu. Nolasītāja galviņas iekšienē ir mehānisms kurš novirza skenera ”aci” uz katru oriģināla rindu. Priekšrocības: iespēja izlīdzināt oriģinālu, maza aizņemama platība, plašs skenējamo oriģinālu diapazons, iespēja kombinēt plakanus un trīsdimensiju oriģinālus. Trūkumi: atkarībā no ārējā gaismas avota, oriģināla izmēru ierobežojumi, grūtības novietot nestandarta oriģinālus atvērtā veidā (piemēram, grāmatas).

Skenējamā attēla tipi

Melnbaltais

Melnbaltie attēli (angļu: line art) ir kontūrzīmējumi, gravīras, logotipi, teksts utt. Šāds attēls var būt ne tikai melnbalts, bet arī krāsains, ja to veido tikai viena krāsa. Melnbaltie skeneri strādā divu līmeņu (bilevel) režīmā, uztverot tikai baltu un melnu krāsu. Tajos parasti ir iespēja uzstādīt jūtīguma slieksni, kurš ļauj palielināt ievadāmo oriģinālu diapazonu: no ļoti gaišiem līdz pārāk tumšiem, jo šādu oriģinālu apstrādē īpaši svarīgi ir pēc iespējas precīzāk noteikt attēla kontūras, tāpēc skenēšana ir jāveic ar maksimālu izšķirtspēju.

Pustoņu

Pustoņu attēli sastāv no dažādas gradācijas pelēkajiem toņiem, piemēram, melnbaltā fotogrāfija, slaids vai zīmējumi. Lai veidotu pustoņu attēlu, tiek izmantota spožuma gradācija, kura nosaka pelēko toņu skaitu. Eksistē skeneru modeļi, kuri var izveidot 16, 64 vai 256 spožuma gradācijas. Lēti skeneri nevar izveidot kvalitatīvu spožuma skalu, jo tajos pustoņu iegūšanai tiek izmantota vai nu pustoņu formēšanas (halftoning) vai rastra (angļu: ditthering) tehnika. Pustoņu režīmā attēls veidojas no dažāda lieluma melniem punktiem, kuru lielums ir atkarīgs no tā, cik tas ir tumšs vai gaišs. Iekārtas, kuras strādā ar fiksētu punkta lielumu, pustoņus veido, izmantojot vienāda izmēra punktu kopu katram pustoņa punktam. Rastra tehniku izmanto nepārtrauktu attēlu veidošanai iekārtām kuras spēj ģenerēt ļoti mazus punktus ar lielu precizitāti. Šajā režīmā skeneris sagrupē vairākus punktus vienā šūnā (2x2, 3x3, 4x4 utt.). Tumšo toņu skaita attiecība pret gaišajiem nosaka pelēkās krāsas gradāciju.

Krāsainais

Krāsainais attēls sastāv no liela daudzuma dažādu nokrāsu toņkārtām. Šāda tipa attēli ir slaidi, fotogrāfijas, krāsainas ilustrācijas. Skenējot krāsainus attēlus oriģināls tiek apgaismots caur RGB gaismas filtru. Atšķirība krāsaino skeneru modeļos ir tikai tajā, kā tiek nolasīta informācija: vienā piegājienā (sērija ScanJet) vai trijos (firma Microtek), kā arī ar gaismas avotu skaitu, piemēram, Epson un Sharp vienas lampas vietā izmanto trīs (katru savai krāsai).

Skeneru svarīgākie parametri

Izšķirtspēju (angļu: Optical resolution) skenerim nosaka nolasītājelementa izmēri un tas ir blīvums ar kādu skenējošā iekārta nolasa informāciju no oriģināla. Izšķirtspēju mēra pikseļos collā (ppi — angļu: pixels per inch). Iekārtu aprakstos dažkārt norāda iespējamo izšķirtspēju diapazonus. Tas nozīmē to, ka strādājot ar mazāku izšķirtspēju, netiek izmantoti visi elementi. Dažkārt lietotā mērvienība dpi no tehniskā viedokļa raksturo skenējamā attēla izejas izšķirtspēju, atkarībā no izvēlētā izdrukāšanas režīma. Dokumentu skeneriem tā ir ap 200 dpi. Biroja vajadzībām lietotā krāsu skenera izšķirtspēja varētu būt 600 dpi. Ja ir nepieciešams palielināt mazus attēlus, tādus kā 35 mm diapozitīvus, tad ir nepieciešams skeneris ar 2000—8000 ppi. Horizontālo izšķirtspēju nosaka CCD elementu skaits. Vertikālo izšķirtspēju nosaka mehāniskā pārvietošanas precizitāte. Parasti tā ir augstāka par horizontālo. Optika ar diviem maināmiem fokusa attālumiem ļauj iegūt divreiz augstāku izšķirtspēju šaurā vidusjoslā. ZOOM optikas galvenā priekšrocība ir iespēja izmantot visus CCD matricas elementus, atbilstoši fokusējot attēlu, taču tā ir dārgāka.

Maksimālā skenera izšķirtspēja (Maximal resolution) tiek norādīta, ņemot vērā interpolāciju. Ar interpolācijas metožu palīdzību starp reāli noskenētajiem punktiem, izejot no to krāsas, tiek aprēķināti papildus krāsainās vai pelēkās gradācijas punkti. Tādā veidā no aparatūras izšķirtspējas, piemēram, 400 dpi programmiski iegūst 800 dpi. Oriģināla formāts jeb skenēšanas apgabals (angļu: Scanning area) norāda lielāko iespējamo ar iekārtu noskenējamā oriģināla izmērus. Parasti tas ir vismaz A4. Tomēr ir daži izņēmumi, piemēram, rokas skeneris, kas skenē tik lielu joslu, cik tā konstrukcijā paredzēts, bet noteikti ir šaurāka nekā A4 formāta loksnes platums.

Blīvuma (dinamiskais) diapazons (angļu: Optical (dynamic) range), kas raksturo tā spēju veidot pakāpeniskas toņu pārejas un norāda skenera gaismas uztvērēja spēju uztvert detaļas gan gaišākajā, gan tumšākajā attēla daļā. Blīvums tiek mērīts pēc logaritmiskās skalas no 0,0 — 4,0, tas nozīmē, ka skeneris ar parametru 3,8 ir 10 reizes jūtīgāks nekā tāds, kuram šis blīvuma parametrs ir 3,7.

Krāsu dziļums (angļu: Bit length representation) ir datu bitu skaits, kurš norāda skenera uztveramo krāsu skaitu. Vidēji cilindriskie skeneri nodrošina 36 bitu krāsu dziļumu vai 12 bitus katrai no RGB krāsām ikvienam punktam. Krāsu dziļums ir atkarīgs arī no blīvuma diapazona.

Skenēšanas metode (angļu: Scanning method) krāsainajiem skeneriem norāda lasīšanas veidu galvenajiem trim krāsu toņiem — vienā vai trīs piegājienos.

Skenēšanas ātrums (angļu: Scanning speed) — skenera ātrdarbības rādītājs, ko mēra milisekundēs. Praktiski lieto mērvienību lapu skaits minūtē, ko nosaka skenējot melnbaltu oriģinālu ar vislielāko izšķirtspēju. Atkarībā no skenera darba režīma šis parametrs var būt no dažām sekundēm līdz laikam, kas nepieciešams, lai noskenētu A4 krāsu oriģinālu. Dokumentu miniskenerim tipisks skenēšanas ātrums varētu būt piecas A4 lapas minūtē.

Skenēšanas tehnoloģiju (angļu: Scanning tehnology) nosaka izmantotā nolasīšanas elementa tips — CCD vai PMT.

Atkarībā no izmantojamā gaismas avota (angļu: Light source) tipa un krāsas iespējami dažādi krāsaino attēlu skenēšanas varianti. Piemēram, gaismas filtru izmantošana nevēlamu traipu vai krāsu toņu noņemšanai.

Savietojamība ar datoru platformām (angļu: Supported computer platforms) raksturo skenera savietojamību ar dažādām datorsistēmām un tajās izmantotajām ārējām iekārtām un programmnodrošinājumu.

Skenera papildiespējas (angļu: Additional options) to var pārvērst par universālu ierīci. Tādas var būt iespējas apstrādāt caurspīdīgus oriģinālus, automātiska papīra padeve, noskenēto attēlu faksimila pārraide.

Papīra padeve. Plaknes un rokas skeneriem papīrs nav jāpadod, jo plaknes skenerī to ievieto tāpat kā kopētājā, bet ar rokas skeneri vienkārši "brauc" pa skenējamo oriģinālu. Tīkla skenerim papīra padeve tiek organizēta tāpat kā lāzerprinteros — ievietota kasetē, un skenera mehānisms to automātiski paņem. Kompaktajiem skeneriem, kas veidoti kā nelielas garenas kastītes, kuras brīvi izvietotas starp ekrānu un tastatūru, papīru parasti padod ar roku.

Aparatūras interfeiss

Skeneri datoram var pieslēgt vai nu ar speciālu 8 vai 16 bitu saskarnes karti. Šajā gadījumā var rasties problēmas ar ievades/izvades portu, IRQ un DMA adresēm, tāpēc labāk izmantot noklusējuma vērtības. Pašlaik tiek plaši izmantoti standarta saskarnes IBM PC tipa datoriem: virknes un paralēlās pieslēgvietas, kā arī SCSI saskarne. Šādam pieslēgumam problēmas ar adresēm parasti nav.

Programmatūras saskarne

Katram skenerim līdzi tiek dota arī attiecīga programmatūra (dzinis), ar kuras palīdzību var vadīt skenēšanas procesu un uzstādīt galvenos skenera parametrus. Dažkārt komplektā ir arī attēlu apstrādes programmas. Turklāt vēl ir iespēja izvēlēties izveidotā kopijas faila formātu. Agrāk katram skenerim šī dziņa programma bija specifiska un tas nozīmēja to, ka katram modelim bija nepieciešama sava lietojumprogrammatūra.

Situācija krasi izmainījās pēc konsorcija TWAIN izveidošanas (firmas Aldus, Caere, Eastman Kodak, Hewlett-Packard un Logitech). Tika izveidots tāda pat nosaukuma standarts, kurš noteica informācijas apmaiņas kārtību starp dzini un lietojumprogrammu, ļāva atrisināt dažādu platformu datoru, skeneru modifikāciju un datu formātu savietojamību. Ar TWAIN savietojamā dziņa palīdzību var skenēt attēlus no jebkuras lietojumprogrammas.

OCR iekārtas jeb dokumentu skeneri

OCR (angļu: Optical Character Recognition) nozīmē optisku simbolu atpazīšanu, skenējot tekstu, lai to vēlāk varētu apstrādāt ar teksta redaktoriem. Šādus skenerus var izmantot arī testu rezultātu apstrādei, nolasot, kurā vietā atbilžu lapā ievilkti krustiņi.

Pēc skenēšanas iegūtais attēls tiek pārvērsts tekstā ar speciālas programmas — OCR palīdzību. Skenējot katrs burts tiek salīdzināts ar burtiem datora atmiņā. Lai varētu uzlabot teksta nolasīšanas kvalitāti, tika izveidoti speciāli OCR-A un OCR-B šrifti.

Ir trīs optiskās teksta informācijas iekārtu pamatklases:

• Intelektuālais skeneris (angļu: inteligent scanner), kuru sauc arī par dokumentu sastādīšanas procesoru (angļu: compound document processor). Tas spēj vienā dokumentā atpazīt kā grafiskus laukumus, tā arī tekstu;
• Lapu skeneris (angļu: page scanner) var nolasīt tekstu jebkurā lapas vietā, bet grafiku ignorē. Šāds skeneris ir ērts dienesta dokumentu skenēšanai;
• Formu nolasītājs (angļu: form reader) ir iekārta, kura domāta dokumentiem ar nestandarta drukāta un ar roku rakstīta teksta izvietojumu lapā.

Izmantojot OCR programmas:

• lai nodrošinātu kvalitāti, labāk skenēt ar plaknes, nevis rokas skeneriem;
• jāizmanto daudzalfabētu programmatūru, lai varētu atpazīt arī nacionālos burtus;
• skenējot tekstu ar burtu lielumu 8 pt un vairāk, pietiek ar izšķirtspēju 300 dpi, mazākiem burtiem (5 -8 pt) — 400 dpi.