Сканер

Сканер — это устройство, предназначенное для преобразования плоских изображений (текста, фотографий, рисунков, чертежей) или объемных объектов в цифровую форму — растровое изображение, пригодное для обработки, хранения и передачи на компьютере. В более широком смысле сканером называют любое устройство, осуществляющее считывание информации с носителя (штрихкода, биометрических данных, сетевого трафика) и её последующее кодирование. Основным принципом работы большинства сканеров является оптическое считывание с помощью светочувствительной матрицы (ПЗС или КМОП) и последующее преобразование аналогового сигнала в цифровой код.

История

История сканеров началась задолго до появления персональных компьютеров. Первым прообразом можно считать пантограф — механический прибор для копирования чертежей, известный с XVII века. В 1857 году итальянский физик Джованни Казелли изобрёл пантелеграф — устройство, способное передавать изображение по телеграфным линиям. Оно сканировало текст или рисунок с помощью металлического пера, двигавшегося по строкам.

Современная эра сканеров началась в 1957 году, когда Рассел Кирш в Национальном бюро стандартов США создал первый в мире сканер, способный считывать изображения с фотобумаги. Устройство работало по принципу фотоэлемента и могло различать только чёрный и белый цвета. Первым отсканированным изображением стала фотография сына Кирша — Уолдена, размером 5×5 см с разрешением 176×176 пикселей.

В 1970-х годах компания Raytheon разработала первый факсимильный аппарат, который фактически являлся сканером, соединённым с принтером. В 1984 году компания Microtek представила первый коммерческий планшетный сканер MS-200, который подключался к компьютеру через интерфейс SCSI. В 1990-х годах сканеры стали доступны для массового рынка, а с развитием цифровой фотографии и интернета их функционал расширился.

Классификация сканеров

Сканеры классифицируются по нескольким признакам: по способу сканирования, по типу считываемого материала, по конструкции и по интерфейсу подключения.

По способу сканирования

• Планшетные сканеры — наиболее распространённый тип. Объект (лист бумаги, книга) помещается на стеклянную пластину, под которой движется каретка с источником света и матрицей. Обеспечивают высокое качество и универсальность.
• Протяжные сканеры — документ протягивается через неподвижную сканирующую головку. Используются для сканирования листовых документов, часто оснащены автоматической подачей (ADF).
• Ручные сканеры — пользователь вручную проводит устройством по поверхности документа. Компактны, но требуют равномерного движения и дают меньшую точность.
• Барабанные сканеры — документ закрепляется на вращающемся барабане, а сканирующий элемент считывает изображение по точкам. Обеспечивают максимальное качество и разрешение, используются в полиграфии.
• Планетарные (книжные) сканеры — сканирование производится сверху, без контакта с объектом. Предназначены для сканирования старых книг, рукописей и хрупких документов.
• 3D-сканеры — считывают геометрию трёхмерных объектов, создавая облако точек или полигональную сетку. Используют лазерное сканирование, структурированный свет или фотограмметрию.

По типу считываемого материала

• Плоские сканеры — для бумаги, фотографий, плёнок.
• Сканеры штрихкодов — считывают одномерные и двумерные штрихкоды (QR, Data Matrix).
• Биометрические сканеры — считывают отпечатки пальцев, рисунок радужной оболочки глаза, геометрию лица.
• Сканеры документов — специализированные устройства для быстрого сканирования больших объёмов бумаги.
• Сканеры сетевого трафика — программные или аппаратные устройства для анализа данных в компьютерных сетях (снифферы).

По конструкции и интерфейсу

• Настольные — стационарные устройства для офисов и домашнего использования.
• Портативные — компактные, часто работающие от аккумулятора.
• Сетевые — подключаются к локальной сети, позволяют сканировать на общие ресурсы.
• Многофункциональные устройства (МФУ) — совмещают сканер, принтер, копир и часто факс.

Устройство и принцип работы

Основными компонентами планшетного сканера являются:

1. Стеклянная пластина — рабочая поверхность, на которую помещается оригинал.
2. Каретка — подвижный блок, содержащий источник света (обычно люминесцентная лампа или светодиоды), систему зеркал и линз, а также светочувствительную матрицу (ПЗС — прибор с зарядовой связью или КМОП — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник).
3. Шаговый двигатель — обеспечивает перемещение каретки вдоль документа.
4. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — преобразует аналоговый сигнал от матрицы в цифровой код.
5. Контроллер — управляет работой всех узлов и передаёт данные на компьютер.

Принцип работы: источник света освещает документ, отражённый свет через систему зеркал и линз попадает на матрицу. Матрица состоит из множества светочувствительных элементов (пикселей), каждый из которых преобразует интенсивность света в электрический сигнал. АЦП оцифровывает сигнал, и контроллер формирует цифровое изображение. В цветных сканерах используется либо трёхпроходное сканирование (с фильтрами RGB), либо одно-проходное с матрицей, имеющей три ряда светочувствительных элементов.

Характеристики

Основные характеристики сканера, определяющие его качество и производительность:

• Разрешение — измеряется в точках на дюйм (dpi). Оптическое разрешение определяется физическими возможностями матрицы, интерполяционное — программным увеличением. Для текста достаточно 300 dpi, для фотографий — 600–1200 dpi, для полиграфии — до 2400 dpi и выше.
• Глубина цвета — количество бит, используемых для кодирования цвета каждого пикселя. Обычно 24 бита (16,7 млн цветов) или 48 бит для профессиональных моделей.
• Динамический диапазон (Dmax) — способность различать оттенки в самых тёмных и самых светлых участках изображения. Измеряется от 0 до 4.0, чем выше, тем лучше.
• Скорость сканирования — измеряется в страницах в минуту (ppm) или в дюймах в секунду. Зависит от разрешения и производительности механизма.
• Формат сканирования — максимальный размер документа (например, A4, A3, A0).
• Интерфейс подключения — USB (2.0, 3.0), Wi-Fi, Ethernet, SCSI, FireWire.

Применение

Сканеры находят применение в самых разных сферах:

• Офисная работа — оцифровка документов, создание электронных архивов, распознавание текста (OCR).
• Полиграфия и дизайн — сканирование фотографий, иллюстраций, слайдов для последующей обработки и печати.
• Медицина — сканирование рентгеновских снимков, медицинских карт, слайдов с биопсией.
• Библиотечное и архивное дело — оцифровка редких книг, рукописей, исторических документов.
• Промышленность — контроль качества, 3D-сканирование деталей для реверс-инжиниринга.
• Торговля и логистика — считывание штрихкодов на товарах и упаковках.
• Безопасность — биометрические сканеры для идентификации личности.
• Наука — сканирование микроскопических препаратов, аэрофотоснимков.

Интересные факты

• Первый в мире сканер, созданный Расселом Киршем, мог сканировать изображение в течение 20 минут.
• Самый дорогой сканер в мире — барабанный сканер Heidelberg ChromaGraph S 3900, цена которого может достигать нескольких сотен тысяч долларов.
• В 2010 году был создан сканер, способный считывать текст с закрытых книг без их открытия, используя терагерцевое излучение.
• Современные планшетные сканеры могут достигать оптического разрешения до 6400 dpi, что позволяет различать детали размером менее 4 микрометров.
• Сканеры штрихкодов используются в супермаркетах с 1974 года, когда в магазине Marsh в Огайо (США) был впервые отсканирован штрихкод на упаковке жевательной резинки Wrigley’s Juicy Fruit.

Критика и ограничения

Основные недостатки сканеров связаны с ограничениями технологии и условиями эксплуатации. Планшетные сканеры чувствительны к пыли и царапинам на стекле, что приводит к появлению артефактов на изображении. Протяжные сканеры могут повредить хрупкие документы. Барабанные сканеры громоздки и дороги. При сканировании книг возникает эффект «переплёта» — искажение текста вблизи корешка. Также сканеры не могут идеально передать цвета и текстуры, особенно металлические и глянцевые поверхности. В области 3D-сканирования существуют проблемы с отражением от прозрачных и зеркальных объектов.

Источники

• Кирш, Р. А. «The First Scanner». National Bureau of Standards, 1957.
• ГОСТ 27459-87 «Средства вычислительной техники. Термины и определения».
• «Сканеры: устройство, принцип работы, классификация». Журнал «КомпьютерПресс», № 4, 2005.
• Олифер В. Г., Олифер Н. А. «Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы». — СПб.: Питер, 2010.
• «3D Scanning Technologies». ISO 10360-12:2016.