Скан-копирование

Скан-копирование — это процесс получения цифрового изображения физического объекта (документа, фотографии, книги, трёхмерного предмета) с помощью оптического сканера или многофункционального устройства (МФУ). В результате создаётся растровое изображение (скан-копия), которое может быть сохранено в файл, распечатано, отправлено по электронной почте или обработано программным обеспечением. Скан-копирование является одним из основных способов перевода аналоговой информации в цифровую форму.

История

Предпосылки и первые устройства

Идея автоматического считывания изображений возникла в XIX веке. В 1856 году итальянский физик Джованни Казелли изобрёл пантелеграф — устройство для передачи изображений по телеграфным линиям. Оно использовало химический процесс и механическое сканирование строки за строкой, что можно считать прообразом современного сканирования. В 1884 году немецкий инженер Пауль Нипков разработал диск Нипкова — механическое устройство для разложения изображения на строки, которое позже легло в основу первых телевизионных систем.

Развитие в XX веке

В 1930-х годах появились первые факсимильные аппараты, которые использовали фотоэлектрическое сканирование для передачи документов по телефонным линиям. В 1950-х годах корпорация IBM (International Business Machines Corporation) создала первый коммерческий сканер для считывания штрих-кодов, однако массовое распространение сканирования началось только в 1980-х годах с развитием персональных компьютеров. В 1984 году компания Microtek выпустила первый планшетный сканер, а в 1987 году — первый цветной сканер. В 1990-х годах появились первые МФУ, объединившие функции сканера, принтера и копировального аппарата.

Современный этап

С начала 2000-х годов сканирование стало доступным для массового пользователя. Появились портативные сканеры, а также мобильные приложения, использующие камеру смартфона для создания скан-копий. В 2010-х годах развитие облачных технологий позволило автоматически загружать отсканированные документы в облачные хранилища (Google Drive, Яндекс.Диск, Dropbox) и распознавать текст с помощью оптического распознавания символов (OCR).

Принцип работы

Оптическая система

Основой сканера является оптическая система, состоящая из источника света (обычно люминесцентная лампа или светодиоды), системы зеркал и линз, а также светочувствительного элемента. В планшетных сканерах объект помещается на стеклянную пластину, а сканирующая каретка движется вдоль него. Свет отражается от документа, проходит через систему зеркал и линз и попадает на матрицу.

Светочувствительные элементы

Наиболее распространены два типа матриц:

• CCD (Charge-Coupled Device) — прибор с зарядовой связью. Обеспечивает высокое качество изображения, глубину резкости и точность цветопередачи. Используется в профессиональных сканерах.
• CIS (Contact Image Sensor) — контактный датчик изображения. Компактнее, дешевле и потребляет меньше энергии, но даёт меньшую глубину резкости и хуже справляется с неровными поверхностями. Применяется в недорогих и портативных моделях.

Преобразование сигнала

Светочувствительная матрица преобразует интенсивность отражённого света в аналоговый электрический сигнал. Затем аналого-цифровой преобразователь (АЦП) переводит его в цифровой код. Каждая точка изображения (пиксель) получает числовое значение яркости (для чёрно-белого сканирования) или три значения (для цветного — красный, зелёный, синий). Полученный массив данных формирует растровое изображение.

Классификация сканеров

По конструкции

• Планшетные — наиболее распространённый тип. Объект кладётся на стекло, сканирующая головка движется под ним. Позволяют сканировать книги, документы, фотографии.
• Протяжные (листопротяжные) — документ автоматически протягивается через сканер. Используются для массового сканирования листовых документов.
• Ручные — компактные устройства, которые проводятся вручную по поверхности объекта. Дают невысокое качество, но удобны для сканирования больших книг или плакатов.
• Планетарные (книжные) — предназначены для сканирования книг и переплётных документов без их повреждения. Объект кладётся на стекло разворотом, сканирующая головка находится сверху.
• Барабанные — профессиональные сканеры, где объект закрепляется на вращающемся барабане. Обеспечивают максимальное разрешение и качество, используются в полиграфии.
• 3D-сканеры — создают цифровую трёхмерную модель физического объекта с помощью лазеров или структурированного света.

По типу подключения

• USB — наиболее распространённый интерфейс для домашних и офисных сканеров.
• Wi-Fi — беспроводное подключение для удалённого сканирования.
• Ethernet — сетевое подключение для корпоративных МФУ.
• Bluetooth — используется в портативных сканерах.

По назначению

• Домашние — недорогие устройства с базовыми функциями, разрешением до 1200 dpi.
• Офисные — МФУ с высокой скоростью сканирования (до 50 страниц в минуту) и автоматической подачей документов.
• Профессиональные — сканеры для полиграфии, архивов, музеев с разрешением до 4800 dpi и выше.
• Специализированные — сканеры для штрих-кодов, медицинских плёнок, микрофильмов.

Характеристики сканирования

Разрешение

Измеряется в точках на дюйм (dpi — dots per inch). Чем выше разрешение, тем больше деталей изображения. Для текстовых документов достаточно 150–300 dpi, для фотографий — 600–1200 dpi, для профессиональной полиграфии — 2400–4800 dpi. Разрешение выше 1200 dpi для обычных документов обычно избыточно и увеличивает размер файла без заметного улучшения качества.

Глубина цвета

Определяет количество бит, используемых для кодирования цвета каждого пикселя. Стандартная глубина — 24 бита (16,7 миллионов цветов). Профессиональные сканеры могут поддерживать 48 бит для более точной цветопередачи.

Динамический диапазон (Dmax)

Характеризует способность сканера различать оттенки от самого тёмного до самого светлого. Измеряется в единицах оптической плотности. Для качественного сканирования фотографий и слайдов требуется Dmax не менее 3.0.

Скорость сканирования

Измеряется в страницах в минуту (ppm) для листопротяжных сканеров или в секундах на страницу для планшетных. Офисные МФУ могут сканировать до 30–50 страниц в минуту, домашние — 2–10 страниц в минуту.

Форматы файлов

Растровые форматы

• JPEG — сжатие с потерями, малый размер файла, подходит для фотографий и документов с изображениями.
• TIFF — без потерь, поддерживает многослойность, используется в архивах и полиграфии.
• PNG — без потерь, поддерживает прозрачность, подходит для веб-графики.
• BMP — без сжатия, большой размер файла, редко используется.
• PDF — универсальный формат, может содержать как растровые изображения, так и распознанный текст. Наиболее распространён для документов.

Специализированные форматы

• DJVU — формат с высоким сжатием для сканированных книг и документов.
• RAW — формат профессиональных сканеров, содержащий необработанные данные с матрицы.

Применение

Документооборот

Скан-копирование широко используется в офисной работе для перевода бумажных документов в электронный вид. Это позволяет сократить объём физического хранения, ускорить поиск информации и организовать электронный документооборот. В России с 2011 года действует Федеральный закон № 63-ФЗ «Об электронной подписи», который придаёт юридическую силу электронным документам, подписанным квалифицированной электронной подписью.

Архивное дело и библиотеки

Сканирование книг, рукописей, исторических документов и фотографий позволяет создавать цифровые архивы, доступные для исследователей и широкой публики. Крупнейшие проекты: «Президентская библиотека имени Б. Н. Ельцина», «Национальная электронная библиотека» (НЭБ), Google Books.

Медицина

В медицине сканирование используется для оцифровки рентгеновских снимков, результатов МРТ и КТ, а также для создания электронных медицинских карт. Специализированные сканеры для медицинских плёнок обеспечивают высокую точность передачи деталей.

Полиграфия и дизайн

В полиграфии сканирование используется для оцифровки оригиналов (фотографий, слайдов, иллюстраций) перед печатью. Профессиональные барабанные сканеры позволяют получать изображения с разрешением до 10 000 dpi, необходимые для качественной печати.

3D-сканирование

Трёхмерное сканирование применяется в промышленности для обратного инжиниринга, в архитектуре для создания цифровых моделей зданий, в медицине для протезирования, в игровой индустрии и кино для создания персонажей и объектов.

Программное обеспечение

Драйверы и утилиты

Большинство сканеров поставляются с собственным программным обеспечением (драйверами) для управления процессом сканирования. Стандартным интерфейсом для Windows является WIA (Windows Image Acquisition) и TWAIN (Technology Without An Interesting Name). Для macOS используется ICA (Image Capture Architecture).

Программы для распознавания текста (OCR)

Оптическое распознавание символов (OCR) позволяет преобразовывать отсканированный текст в редактируемый формат. Наиболее известные программы:

• ABBYY FineReader — российская разработка, поддерживает распознавание на 200 языках, включая русский.
• Adobe Acrobat — встроенный модуль OCR для PDF.
• Tesseract — свободная OCR-библиотека, разработанная Google.
• Readiris — программа для распознавания текста и создания PDF.

Программы для обработки изображений

• Adobe Photoshop — профессиональная обработка отсканированных изображений.
• GIMP — свободный аналог Photoshop.
• VueScan — универсальная программа для сканирования с поддержкой большого числа моделей сканеров.

Интересные факты

• Первый в мире планшетный сканер, выпущенный в 1984 году компанией Microtek, имел разрешение всего 200 dpi и стоил около 2000 долларов США.
• Самая большая коллекция отсканированных книг принадлежит проекту Google Books, который к 2023 году оцифровал более 40 миллионов книг.
• В 2019 году в России был принят закон, позволяющий использовать электронные копии документов, заверенные простой электронной подписью, в судах и государственных органах.
• Сканеры с CCD-матрицей до сих пор считаются эталоном качества, несмотря на распространение более дешёвых CIS-сканеров.
• Мобильные приложения для сканирования (например, «Clear Scanner», «CamScanner») используют камеру смартфона и алгоритмы компьютерного зрения для автоматического выравнивания и улучшения изображения.

Источники

• Федеральный закон от 06.04.2011 № 63-ФЗ «Об электронной подписи» (с изменениями и дополнениями).
• ГОСТ Р 7.0.8-2013 «Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Делопроизводство и архивное дело. Термины и определения».
• Техническая документация производителей сканеров: Epson, Canon, HP, Brother.
• История развития сканирующих устройств: материалы Музея компьютерной истории (Computer History Museum).
• Обзор технологий оптического распознавания символов: ABBYY, Tesseract.