2.1 Сканеры. Технология сканирования

Сканеры являются устройствами ввода информации и в этом качестве находят свое применение на этапе подготовки исходных картографических материалов для последующего составления (процесс аналогичный созданию голубых копий с помощью репродукционного фотоаппарата в традиционной технологии). При этом полностью исключаются многочисленные фото и копировальные работы, свойственные традиционной технологии картосоставления. Сканеры также используются для преобразования в цифровую форму разнообразных оригиналов (слайдов, фотоотпечатков, рисованных оригиналов и т. п.), необходимых для художественного оформлени картографических произведений.

Ведущими производителями сканеров являются зарубежные фирмы: AGFA, Heidelberg, Umax, Hewlett Packard, Microtek, Vidar, Contex и др.

В картографическом производстве могут применяться 3 типа сканеров: планшетные, барабанные и протяжные.

Выбор типа сканера определяется типом исходного оригинала и требованиями к качеству результирующего цифрового изображения.

Исходные оригиналы могут отличаться друг от друга цветовым охватом, динамическим диапазоном, размерами, формой.

Все оригиналы можно разделить на две большие группы: прозрачные и непрозрачные. К прозрачным оригиналам относятся слайды, негативы, пленки. Непрозрачные оригиналы могут быть напечатанные или изготовленные иным способом (фотографии, рисунки и другие).

Исходные оригиналы характеризуются различной оптической плотностью. Оптическая плотность D является мерой пропускания света для прозрачных объектов и отражения для непрозрачных, и определяется как десятичный логарифм величины, обратной коэффициенту пропускания г (для прозрачных оригиналов) или коэффициенту отражения p (для непрозрачных оригиналов).

;(2)

где Fo - падающий световой поток, F - отраженный от объекта световой поток, F - пропущенный объектом световой поток.

При оценке и выборе сканера необходимо, чтобы его динамический диапазон - разность между максимальным и минимальным значением опти-ческих плотностей - перекрывал значения диапазона оптических плотностей обрабатываемых исходных оригиналов.

Если значение динамического диапазона оптической плотности оригинала больше плотностного диапазона сканирующего устройства, то сюжетные детали, не попавшие в диапазон оптических плотностей сканера, будут представлены в виде плашек в тенях или бликов в светах. В этих сюжетных частях изображения будет нарушена градационная характеристика, частично или полностью потеряна информация.

Оптическую плотность определяют при помощи специальных приборов - денситометров. Примерный динамический диапазон оптических плотностей наиболее распространенных оригиналов приведен в таблице 1

Таблица 1

	Тип оригинала	Оптическая плотность D
Нерозрачные	Газетная бумага Мелованная бумага Фотоснимки	0,9 1,5-1,9 2,1-2,4
Прозрачные	Негативные пленки Цветные слайды Профессиональные диапозитивы	3,0-3,4 3,0-3,4 3,7-4,0

Наилучшими по качеству оригиналами, безусловно, являются слайды и профессиональные диапозитивы. Непрозрачные оригиналы обладают значи-тельно меньшим диапазоном оптических плотностей. При сканировании тиражных оттисков необходимо использовать функцию удаления полиграфического растра.

Другим важным моментом является выбор разрешения сканирования.

При рассмотрении такого важного критерия, как разрешающая способность устройства ввода графической информации, необходимо учитывать только оптическое разрешение. Производители и поставщики оборудования, как правило, в рекламных целях указывают и интерполяционное значение разрешения, величина которого всегда значительно превышает оптическое. Следует отметить, что интерполяция заключается в добавлении усредненных данных между ближайшими оптическими точками, что лишь добавляет в изображение цветовой шум.

Для экранного представления информации достаточным разрешением сканирования является разрешение экрана монитора - 72 или 96 ppi (для мониторов с большой диагональю).

Для подготовки карты методом ручной векторизации необходимо обеспечить разрешение сканирования 150-200 ppi.

При использовании алгоритмов автоматической векторизации необходимо подготовить растровое изображение с разрешением не менее 400 ppi.

Для полиграфического воспроизведения изображения, оптимальное разрешение R его сканирования можно высчитать по формуле:

R = kLn ,    (3)

где k - коэффициент качества (рекомендуемое значение от 1,5 до 2); L - линиатура растра; n - коэффициент масштабирования.

Еще одна важная характеристика устройства ввода - глубина цвета, характеризует возможное число различных оттенков цвета или градаций серого по каждому цветовому каналу. В разделе 1.2 нами уже рассматривалась дан-ная характеристика применительно к различным типам изображений. Так, максимальная глубина цвета соответствовала цветным изображениям - 8 бит на канал. Современные сканирующие аппараты имеют значение глубины цвета в интервале 12-16 бит на канал, что дает возможность работы в расши-ренном цветовом пространстве. На практике, из-за наличия электрического шума в обработку цвета отбираются только 8 бит на цвет. Такой подход обеспечивает передачу более точных сигналов и как следствие получение более качественного изображения.

Барабанные сканеры. В барабанных сканерах оригинал монтируется на поверхности прозрачного вращающегося барабана. Сканирующая головка имеет мощный источник света с фокусированным лучом, и фоточувствительный элемент - фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), которые движутся вдоль продольной оси вращающегося барабана. Отраженный или проходящий световой поток попадает на ФЭУ через прецизионную зеркальную систему развертки. Накопленный ФЭУ заряд преобразуется в цифровое значение аналого-цифровым преобразователем (АЦП) высокой разрядности.

  Рис. 17. Барабанный сканер

В единицу времени сканируется одна точка на оригинале. Быстродействие сканера определяется скоростью вращения барабана и заданным при сканировании разрешением результирующего изображения. Использование в качестве чувствительных элементов фотоэлектронных умножителей обеспечивает ввод широкого диапазона оптических плотностей. Так, барабанный сканер CromaGraph 3900 фирмы Heidelberg имеет динамический диапазон плотностей 4,2 D при максимальной оптической плотности Dmax=4,5D. Для барабанных сканеров характерны очень высокие оптические разрешения - 8 000 ppi и выше.

Существенным недостатком барабанных сканеров является необходимость монтажа оригиналов на поверхность цилиндра; также накладываются ограничения на гибкость и массу оригиналов.

Сканеры барабанного типа целесообразно применять в картоиздании для сканирования оригиналов с очень высоким качеством (обычно для последующего многократного увеличения). Такие работы, как правило, выполняются с привлечением оборудования сторонних организаций. Это объясняется высокой стоимостью барабанных сканеров, окупаемой только при больших объемах сканирования и высокими требованиями к квалификации оператора.

Планшетные сканеры. В планшетном сканере оригиналы размещаются в горизонтальной плоскости. Сканирующая система в качестве оптического сенсора использует линейку ПЗС. Оригинал сканируется перемещением линейки на некоторую величину (шаг выбранного механического разрешения сканера). Пучок света, отраженный от мишени через объектив попадает на ПЗС. В характеристиках планшетных сканеров параметр разрешения имеет два значения (например, 600х1200 ppi), что определяется конструкцией сканера, однако действительное оптическое разрешение определяется только числом элементов в линейке ПЗС.

Рис. 18. Планшетный сканер

В недорогих "офисных" моделях планшетных сканеров датчики ПЗС имеют низкую чувствительность и высокий уровень "шума". Такие сканеры не позволяют получить изображение с высоким качеством, однако успешно используются в картографии для сканирования исходных материалов с целью формирования растровой картографической основы.

В высокоточных сканерах на ПЗС дополнительно применяются: система зеркальной развертки по обеим координатам с компенсацией искажений по краям оригинала, несколько линеек ПЗС, стабильные по цветовой температуре осветительные лампы, многоразрядные АЦП. Такие устройства по качеству оцифровки приближаются к барабанным сканерам, но по стоимости значительно доступнее последних. Профессиональные модели планшетных сканеров имеют диапазон оптических плотностей порядка 3,7-4,0D.

Максимальное разрешение планшетных сканеров на сегодняшний день порядка 5000 ppi. Такая разрешающая способность позволяет увеличивать отсканированное изображение примерно в 15 раз без видимой потери качества.

Преимуществами планшетных сканеров являются возможность работы с оригиналами на жесткой основе, удобство монтажа оригиналов в рабочей зоне сканера и сравнительно низкая стоимость. Главным их недостатком является малый формат, что ведет к необходимости сшивки растровой основы из фрагментов.

Для сканирования прозрачных оригиналов в планшетных сканерах используются специальные адаптеры - слайд-модули. Однако для качественного сканирования прозрачных материалов используют специальные сканеры для обработки пленок и диапозитивов - слайд-сканеры, позволяющее получить качество сканирования, приближающееся к барабанной технологии.

Протяжные сканеры. Сканеры протяжного типа (ролевые сканеры) отличаются большим форматом и могут иметь ширину сканируемой области до 965 мм (длина не ограничена). Разрешающая способность таких сканеров может достигать 600 ppi при глубине цвета 24 бит, что вполне достаточно для подготовки растровой основы для полуавтоматической векторизации. Точность сканирования составляет 0,1 % от длины оригинала.

Рис. 19. Протяжной сканер

Таким образом, протяжные сканеры могут успешно применяться в картографии для сканирования самых разнообразных оригиналов, в том числе большеформатных. По стоимости протяжные сканеры располагаются между сканерами планшетного и барабанного типа.

Управление параметрами сканирования. Как уже отмечалось выше, качество сканирования зависит от типа и размера сканируемого оригинала, технических характеристик сканера, квалификации оператора, технологии сканирования и цифровой обработки оригинала. Управление параметрами сканирования следует выполнять непосредственно перед самим процессом сканирования в специальной программе, которая обычно поставляется со сканером. Это позволяет получить цифровое изображение с максимально возможным качеством для сочетания "сканер + оригинал". Для упрощения технологии сканирования финальную обработку изображения можно производить в программе обработки растровой графики Adobe Photoshop (данный подход малоприменим для сканирования высокохудожественных оригиналов). Подобная технология обладает сравнительно высокой производительностью и широко используется при подготовке сканов картографических материалов.