SKANER

Skaner to urządzenie, które przekształca oryginał analogowy, np. zdjęcie czy namalowany na płótnie obraz, w obraz cyfrowy. Obraz cyfrowy jest złożony z tzw. pikseli - kwadratowych elementów o stałej barwie. Pierwszy skaner powstał w latach pięćdziesiątych XX wieku. Obecnie dysponujemy wieloma typami tych urządzeń. Należą do nich skanery: reprodukcyjne, bębnowe, płaskie, punktowe i ręczne. Poniżej scharakteryzujemy tylko najpopularniejsze skanery płaskie, opiszemy ich budowę, podamy zasadę działania i parametry pracy.

Zasadniczymi elementami skanera płaskiego są: źródło światła, elementy fotoczułe, układ optyczny, filtr dichroiczny, mechanizm napędowy, układy elektroniczne, szklana płyta do układania oryginałów, interfejs, sterownik.
Źródło światta. Światło jest nieodzowne w procesie skanowania. W skanerze jest emitowane światło białe, które oświetla skanowany oryginał. Źródłami światła w skanerach płaskich są lampy fluorescencyjne (ksenonowe, neonowe, argonowe).
Elementy fotoczułe. Odbite od oryginału światło pada w skanerze na układ elementów fotoczułych - czujników rutoelektrycznych. Ich zadaniem jest przetworzenie padającego światła na prąd elektryczny. Im więcej światła pada na czujnik, tym większy powstaje prąd.

Materiały elektroniczne i elementy fotoczułe dla różnych typów urządzeń rejestracji cyfrowej są różne. W najpopularniejszej konstrukcji wykorzystuje się tzw. elementy CCD (Charge Cuupled Devices), tj. urządzenia o sprzężeniu ładunkowym. Element fotoczuły CCD wykonany jako chip i stosowany w skanerach płaskich przedstawia rys. 1.
Układ optyczny w skanerze płaskim tworzą obiektyw soczewkowy i zwierciadła. W lepszych skanerach może być więcej obiektywów, co zwiększa tzw. rozdzielczość optyczną skanera.
Filtr dichroiczny to układ trzech równoległych półprzepuszczalnych luster, które rozdzielają padający strumień świetlny na trzy jednakowe strumienie. Mechanizm napędowy. W każdym procesie skanowania występuje ruch względny oryginału i strumienia padającego nań światła. Najczęściej ruch taki zapewnia silnik. W skanerach płaskich oryginał jest nieruchomy, a przesuwa się źródło światła.
W konstrukcji mechanizmów przesuwu są wykorzystywane różne przekładnie, np. pasowa (rys. 2), śrubowa, zębata.

Układy elektroniczne. Skaner jest złożonym urządzeniem elektronicznym, mimo że w nowoczesnym skanerze wewnątrz jest dużo pustego miejsca. Przestrzeń tę zawdzięcza on wysokiemu stopniowi integracji elementów elektronicznych, a stosunkowo duża obudowa musi umożliwiać wprowadzenie oryginału o określonym formacie.
Skaner ma wbudowane układy elektroniczne z mikroprocesorem, umożliwiające m.in. procedurę tzw. samokalibracji wykonywanej automatycznie po przyłączeniu skanera do zasilania. Jednym z najważniejszych (oprócz elementów CCD) układów elektronicznych skanera jest przetwornik analogowo-cyfrowy (A/C), do którego trafia prąd wygenerowany z czujnika fotoelektrycznego. W przetworniku A/C zachodzą dwa procesy: dyskretyzacja i digitalizacja.
Najpierw następuje dyskretyzacja. tj. zamiana prądu generowanego w sposób ciągły przez czujnik na prąd o przebiegu „schodkowym”, mogącym przyjmować jeden z możliwych poziomów wartości, np. 256 (dla 8 bitów) lub 65536 (dla 16 bitów) - rys. 2.5.

Dalej, na wyjściu A/C, następuje proces digitalizacji. Jest to przyporządkowanie „schodkowi” - o określonej wysokości - jednej z liczb z zakresu np. od 0 do 255 (8 bitów) lub od 0 do 65535 (16 bitów) - patrz rys. 3.
Następnie podczas rejestrowania obrazu (ale już nie w A/C) liczbom tym są przypisywane poziomy jasności tzw. barw składowych.

Szklana płyta do układania oryginałów. W skanerze płaskim oryginały do skanowania układa się na płaskiej szklanej płycie lub w ramkach mocujących je płasko (stąd nazwa typu skanera). Szkło płyty jest antyrefleksyjne, co zapobiega powstawaniu na obrazie wielu szkodliwych efektów, np. pierścieni Newtona.
Powierzchnia płyty wyznacza wymiary oryginałów, które mogą być skanowane na danym urządzeniu - najczęściej od formatu A4 do A3.
Interfejs. Połączenie skanera z komputerem zapewnia łącze zwane interfejsem. Różne typy skanerów mają różne interfejsy, od których zależy szybkość pracy, a także wygoda obsługi. Do często spotykanych łączy w skanerach amatorskich należą USB (Unlversai Serial Bus). Urządzenia USB same się konfigurują po ich przyłączeniu do portu, bez potrzeby wyłączania komputera.
Sterownik Do wyposażenia skanera należy specjalistyczne oprogramowanie, zbudowane wyłącznie dla określonego modelu lub typu tego urządzenia. Oprogramowaniem tym jest tzw. sterownik (ang. driver; nazwa ta przyjęła się wśród informatyków), który umożliwia wybór opcji dla skanowania (rys. 2.7). Bez zainstalowanego sterownika skaner nie wykona żadnego skanowania. W systemie operacyjnym sterownik jest instalowany na tzw. wieloplatformowym interfejsie TWAIN. który służy do pobierania obrazów tworzonych przez skanery, kamery cyfrowe i programy do przechwytywania kadrów filmów.

Światło białe odbite od kolorowego fragmentu oryginału przyjmuje barwę tego fragmentu. To barwne światło, po przejściu przez układ optyczny, pada na filtr dichroiczny, który rozdziela odbity sygnał świetlny na trzy jednakowe strumienie. Powstałe strumienie padają na trzy rzędy czujników fotoelektrycznych.

Każdy element czujnika jest pokryty filtrem, odpowiednio: czerwonym R, zielonym G i niebieskim B. W wyniku tego następuje automatyczne odfiltrowanie trzech tzw. podstawowych barw składowych RGB (Red, Green, Blue). Każda składowa ma jasność odpowiednią do koloru światła odbitego od elementu oryginału. Im jasność podstawowej barwy składowej większa, tym większy ładunek, co powoduje, że większy prąd jest generowany przez element fotoczuły (rys. 5). Z kolei w przetworniku A/C sygnał analogowy (prąd) jest zamieniany na sygnał cyfrowy w celu utworzenia pliku cyfrowego. Plik ten może być rozpoznawany i reprodukowany w systemie komputerowym.
Zasadę działania skanera płaskiego, w którym uwidoczniono omówione elementy budowy, przedstawia rys. 6.

Poniżej zostaną omówione parametry skanera - zarówno te, które są zapewniane przez konstrukcję, jak i te, które można uzyskać za pomocą sterownika. Poznamy tylko najistotniejsze z nich. Im skaner jest prostszy, tym dostarcza mniej opcji do regulacji, wybierania, testowania itd. Parametry wymienimy według ich ważności.
Gęstość optyczna skanera. Gęstość optyczna materiału fotograficznego jest podstawą zrozumienia gęstości optycznej skanera. Gęstość optyczna materiału fotograficznego to miara stopnia zaczernienia pola (ilości osadu metalicznego srebra) w wywołanej warstwie fotograficznej. Gęstość optyczną oznacza się symbolem D i jest to liczba bezwymiarowa.
Nie wdając się w rozważania matematyczne, zapamiętajmy, że jeśli wywołany materiał fotograficzny odbija całe światło, to jego gęstość optyczna D = 0; gdy odbija 0,1 światła - wtedy D = 1; jeśli odbija 0,01 - to D= 2, gdy odbija 0,001 - wtedy D =3 itd.
Gęstość optyczna skanera to wielkość charakteryzująca proces rejestrowania światła przez elementy fotoczułe i oznaczająca zakres gęstości optycznej D, który z oryginału może zarejestrować skaner, czyli różnicę między największą gęstością optyczną D_max na materiale fotograficznym a najmniejszą D_min (D = D_max - D_min). Im wartość D jest mniejsza, tym gorszej jakości czerń i zbliżone do nie] barwy (ciemne granaty, brązy itp.) uzyskuje się na obrazie z najlepszego nawet oryginału, czyli tym gorsze zinterpretowanie cieni oryginału w obrazie cyfrowym.
Bardzo ciemne barwy staną się nierozróżnialne - mówi się o utracie szczegółów w cieniach. Jest to podstawowe niedomaganie w amatorskich skanerach płaskich. Efekt skanowania tego samego oryginału na dwóch skanerach różniących się rejestrowanymi gęstościami optycznymi przedstawiono na rys. 7.

Rozdzielczość optyczna skanera. Kombinacja soczewek i układów CCD w skanerze określa rozdzielczość optyczną definiującą najmniejszy szczegół, który może być zreprodukowany przez skaner. Rozdzielczość optyczna jest mierzona w jednostkach ppi {pixels per inch) - pikselach na cal, niekiedy błędnie utożsamianych z dpi (dots per inch) - punktami na cal.
Rozdzielczość optyczna skanera płaskiego jednoohiektywowego to liczba pojedynczych elementów CCD na jednostkę długości listwy tworzącej element fotoczuły skanera.

Przykład 1
Obliczymy rozdzielczość optyczną Ro skanera jednoobiektywowego. który w jednym rzędzie ma ułożonych 5000 elementów CCD, a szerokość obszaru skanowania wynosi 210 mm.
Dane: liczba elementów fotoczułych l= 5000, szerokość skanowania s = 210 mm, 1 cal = 25,4 mm.
Niewiadome: Ro
Rozwiązanie. Ponieważ soczewki muszą zogniskować całą szerokość 210 mm na wszystkich elementach CCD, a każdy element CCD jest odpowiedzialny za wytworzenie jednego piksela w obrazie, więc
Ro=l/s
Podstawiając dane liczbowe Ro = (5000/210) * 25,4 = 600 ppi.

Rozdzielczości optyczne amatorskich i półprofesjonatnych skanerów płaskich są w zakresie 300-1200 ppi, natomiast profesjonalnych do 5000 ppi. Rozdzielczość optyczna skanera decyduje o możliwości uzyskiwania ostrego obrazu o maksymalnej rozdzielczości. Jeżeli skanujemy obraz tonalny z rozdzielczością większą od rozdzielczości optycznej, to wtedy uzyskamy obraz nieostry. W tym miejscu dodajmy, że właściwa rozdzielczość procesu skanowania zależy wprost proporcjonalnie od skali obrazu względem oryginału, czyli im rozdzielczość optyczna jest większa, tym większe możliwości daje skaner, gdy chodzi o proces powiększania obrazu w stosunku do oryginału.
Skanowanie refleksyjne. Jedną z cech skanera jest możliwość skanowania refleksyjnego, tzn, takiego, w którego przypadku na elementy fotoczułe pada świało odbite od powierzchni oryginału.
W skanerach płaskich wyposażonych w CCD można skanować bryły, co jest wielka ich zaletą. Nie musimy wtedy fotografować skanowanego obiektu. Elementy CCD cechuje bowiem pewna „głębia ostrości”. W zależności od modelu skanera może ona wynosić nawet do 15 cm. Można zatem skanować małe przedmioty lub niezbyt wysokie kompozycje ułożone na szybie.
Skanowanie transparentne. Część skanerów umożliwia skanowanie transparcntne, tzn. skanowania z oryginałów wykonanych na materiałach przezroczystych. Skanowanie takie różni się od refleksyjnego tym, że oryginał jest umieszczony między źródłem światła a czujnikami. Przy skanowaniu transparentnym bardzo ważne jest płaskie rozłożenie oryginału na szybie, gdyż klisze mają tendencję do wyginania się. W skanerach płaskich zapewniają to specjalne uchwyty lub ramki mocujące. Niektóre skanery służą wyłącznie do skanowania transparentnego (nie mają szyby).

Wybór opcji do skanowania umożliwia jego sterownik. Sterownik to program napisany dla konkretnego skanera. Ponieważ producent zna swój produkt, są więc przez niego podawane parametry sterownika. Niektóre istotniejsze funkcje, które zapewnia sterownik, zostaną opisane poniżej.
Rozdzielczość interpolowana. Oprócz rozdzielczości optycznej w odniesieniu do skanera występuje pojęcie rozdzielczości interpolowanej. Jest to wielkość wynikająca ze „sztucznego” tworzenia w obrazie cyfrowym mniejszych pikseli z większych za pomocą algorytmów arytmetycznych - tzw. interpolacji. Interpolacja jest uśrednianiem algebraicznym poziomów jasności piksela interpolowanego i pikseli sąsiadujących z tym pikselem.

Przykład 2
Przedstawione na rys. 8 kwadraty reprezentują piksele obrazu cyfrowego. Liczby na pikselach oznaczają (w procentach) poziomy ich szarości. Posługując się danymi z obrazu w części lewej, zmniejsz dwukrotnie piksele i oblicz poziom szarości P piksela, który wystąpi w prawym dolnym rogu obecnego piksela o szarości 50.

Rys. 8. Zasada działania interpolacji; z lewej - piksele przed interpolacją; z prawej - piksele po interpolacji

Rozwiązanie. Wyobraźmy sobie dwa razy gęstszą siatkę nałożoną na piksele, której oczka będą symbolizowały dwa razy mniejsze piksele. Piksel o szarości 50 (podobnie jak inne) zostanie podzielony tą siatką na cztery części. Każda część będzie miała wokół siebie sąsiadów. Przy pikselu w prawym dolnym rogu piksela 50 wystąpi ośmiu „zmniejszonych” sąsiadów. Jego końcowa szarość jest algebraicznym uśrednieniem jego dotychczasowej szarości i szarości pikseli otaczających; zatem:
P = (50+50+50+50+70+70+90+20+20): 9 = 52
W prawej części rys. 8 przedstawiono piksele po interpolacji, w tym obliczony piksel.

Sterownik skanera włącza rozdzielczość interpolowaną automatycznie, gdy skanowanie przebiega z rozdzielczością większą od rozdzielczości optycznej. Wysoka rozdzielczość interpolowana ma pozytywny wpływ na proces skanowania oryginałów kreskowych (czarno-białych, czyli bez odcieni szarości), gdyż wygładza pochylone i zaokrąglone krawędzie (mniejsze piksele czarne i białe).

Efekt skanowania czarnego pierścienia na białym tle, odpowiednio z dużą i małą rozdzielczością interpolowaną, przedstawiono na rys. 9. Stosowanie natomiast rozdzielczości interpolowanej dla oryginałów ciągłotonalnych (występują na nich ciągłe przejścia między kolorami na oryginale) negatywnie wpływa na ostrość obrazu, gdyż następuje rozmywanie krawędzi, co można zauważyć na rys. 10.

Krzywa tonalna. Dobre sterowniki skanerów są wyposażone w oprogramowanie, które umożliwia precyzyjne ustalanie sposobu skanowania według tzw, krzywej tonalnej, zwanej również krzywą odwzorowania tonów.
Krzywa tonalna to wykres ilustrujący sposób zapisywania odczytanych z oryginału pozioinow jasności pikseli. Przedstawiono to na rys. 11. Na osi odciętych układu współrzędnych są poziomy jasności oryginału, które zobrazowano skalą szarości. Na osi rzędnych znajdują się analogiczne poziomy wynikowego obrazu cyfrowego. Gdy skaner ma zapisywać poziomy bez zmian, wtedy wykres jest linią prostą nachyloną pod kątem 45° . Jeżeli ma nastąpić inna interpretacja poziomów wyjściowych, to krzywą możemy kształtować.

Dzięki krzywej tonalnej można zmieniać obraz cyfrowy względem oryginału np. zbyt jasnego, zbyt ciemnego, o zbyt małym kontraście. Efekt skanowania tego samego oryginału przy różnych ustawieniach krzywej odwzorowania tonów przedstawiono na rys. 12.
Mniej skomplikowane sterowniki skanerów zamiast krzywej tonalnej umożliwiają zmianę jaskrawości (brightness) i kontrastu (contrast) obrazu względem oryginału.

Odrastrowywanie oryginałów. Podczas skanowania najlepiej dysponować oryginałami fotograficznymi lub rysunkami (wykonanymi ręcznie, aerograficznie itp.) czy obrazami malarskimi. Nieraz jednak zdarza się oryginał w postaci reprodukcji wykonanej w drukarni. Reprodukcja taka jest drukowana tzw, techniką rastrową, w której każda tonalność jest budowana z równoodległych maleńkich punktów (tzw. punktów rastrowych) o różnych wielkościach. Punktów tych nie widać nieuzbrojonym okiem. Pod lupą powiększającą ok. 8 razy są one jednak dobrze widoczne.

Po skanowaniu takiej rastrowanej reprodukcji nie otrzymamy więc obrazu zbudowanego z pikseli oddających lonalności przez niewiele zmieniające się poziomy ich jasności, ale w postaci skokowo zmiemąiących się barw, pochodzących z punktów rastrowych wydrukowanych czterema farbami CMYK (cyan, magenta, yellow, black), oraz z bieli niezadrukowanego podłoża. Otrzymany obraz może być nie do przyjęcia z powodu niskiej jakości. Może bowiem w takim przypadku powstać zjawisko tzw. mory. tj. tworzenia przez zeskanowane punkty rastrowe, niepożądanych kolizyjnych wzorów geometrycznych. Jedyną metodą przeciwdziałania temu zjawisku jest wcześniejsze usunięcie („zatarcie”) struktury rastrowej pochodzącej z reprodukcji, tzw. odrastrowanie. Wiele sterowników skanerów ma własność „zacierania” rastra podczas skanowania reprodukcji, co warto wykorzystać.

Aby skaner zawsze działał bezbłędnie i by można było wykorzystać wszystkie jego możliwości, należy przestrzegać kilku prostych zasad.
Przygotowanie do pracy i konserwacja skanera. Podczas skanowania należy zachowywać czystość zarówno urządzenia, jak i skanowanych materiałów. Wymaganie to jest istotne ze względu na stosowane rozdzielczości. W skanerze płaskim szklana płyta, na której kładzie się oryginały, musi być pozbawiona kurzu, plam. włosów, rys i innych uszkodzeń mechanicznych. Skaner powinien stać w miejscu nienarażohym na działanie wstrząsów, pyłów, wilgoci i gwałtownych zmian temperatury. W zasięgu ręki powinna być zawsze czysta ircha lub inny niepylący miękki materiał, którym należy przecierać szklaną płytę. W przypadku konieczności usunięcia plam z tych elementów lub obudowy należy stosować detergenty lub nieagresywne rozpuszczalniki. Cieczą zwilżamy szmatkę, a nie bezpośrednio element skanera, gdyż zapobiegnie to przedostaniu się środka czyszczącego do elementów wewnętrznych.
Przygotowanie materiałów do skanowania. Materiały do skanowania powinny być przechowywane w oddzielnych kopertach lub torebkach, aby nie ocierały się o siebie, co powoduje uszkodzenie emulsji fotograficznej. Dotyczy to zwłaszcza oryginałów na kliszach, ponieważ powstające wówczas rysy na materiale mogą być niekorzystne dla końcowego wyniku pracy.
Nie należy brać materiału fotograficznego bezpośrednio palcami, gdyż pozostawiają one tłuszcz i odciski linii papilarnych. Najlepiej używać rękawiczek z miękkiej tkaniny lub chwytać oryginał za krawędzie. Jeżeli wcześniej został zabrudzony, to należy go delikatnie oczyścić (irchą, miękką flanelą). Skanowanie odbitki fotograficznej wymaga: używania błyszczących papierów zamiast matowych, niestosowania papierów z fakturą, unikania pisania na odwrocie zdjęcia twardym ołówkiem lub długopisem.


Rys. 5. Zależność natężeń generowanych prądów od jasności barw składowych RGB	Rys. 6. Zasada działania skanera płaskiego i elementy jego budowy


Rys. 10. Porównanie efektu skanowania tonów przy rozdzielczości optycznej (po lewej) i przy włączonej rozdzielczości interpolowanej (po prawej)