Оптико-електронен сканиращ метод. Московски държавен университет по печат. Оптико-механични сканиращи системи

СКАНИРАЩИ ОПТИЧНО - ЕЛЕКТРОННИ СИСТЕМИ ЗА ИЗОБРАЖЕНИЕ (СКЕНЕРИ)

Сканиращите филмови системи (скенери) се различават от другите предимно по принципа на изграждане на изображението, което се изгражда чрез поредно сканиране (оглед) на района.

Сканиращите системи използват различни видове приемници на електромагнитно излъчване: термични (термоелектрически) и фотонни (фотоелектрически). Термичните работят на базата на преобразуване на топлинна енергия в електрически сигнал, във фотонните системи нивото на сигнала се определя от броя на погълнатите фотони. Най-разпространени са скенерите, в които като приемници служат CCD линии (устройства със зареждаща смес). Различните видове сензори имат различна спектрална чувствителност и покриват спектралния диапазон от видимата зона до далечната инфрачервена зона. Изборът на приемник на радиация и неговата спектрална чувствителност зависи от спектралния интервал на изследването.

Структурно скенерът се състои от оптична система, фотоелектронни преобразуватели и устройство за получаване и запис на изображение. С помощта на скенери се формира изображение, състоящо се от много отделни, последователно получени елементи на изображението - пиксели в рамките на ивици (линии, сканове). Размерът на пикселите определя детайлите (резолюцията на терена) на изображението.

Сканирането на района се извършва в една посока поради движението напред на самолета (сателита), а в другата (перпендикулярно на линията на полета) поради въртенето или колебанието на призмата (огледалото). Осцилаторното движение на призмата (огледалото) в комбинация с движението на самолета (сателита) осигурява непрекъснато последователно покритие на определена ивица от терена, чийто размер зависи от апертурата (активното отваряне на оптичната система на обектива). ) на скенера и височината на полета на самолета или сателита. Ширината на заснеманата ивица от терена се определя от ъгъла на сканиране на скенера, а линейната разделителна способност на терена (широчина на сканиране, размер на пиксела) се определя от моментния ъгъл на видимост. При скенери за обзор ъгълът на сканиране достига, докато при високоинформативни (подробни) скенери е по-малко. Съответно, моментният зрителен ъгъл се настройва от няколко градуса до десети от минутата. Ъгълът на сканиране и моментният ъгъл на гледане, съответно обхватът на снимане и разделителната способност на терена, са взаимозависими величини. Колкото по-висока е разделителната способност, толкова по-тясна е лентата на снимане. Така че, когато снимате от космоса с резолюция 1-2 км. Те записват ивица терен от няколко хиляди километра, а с разделителна способност 20-50 m ширината на ивицата за изследване не надвишава 100-200 km.

Оптико-механичните скенери могат да бъдат едноканални и многоканални (2 или повече). Обикновено за заснемане на земната повърхност се използват скенери, работещи във видимия и инфрачервения диапазон (0,5 - 12 микрона). Резултатът от регистрацията на радиация при снимане по метода на оптико-механично сканиране е матрица от многомерни вектори. Всеки вектор показва определена елементарна област (пиксел) на Земята и всеки негов компонент съответства на един от спектралните канали.

При снимане във видимия и близкия IR обхват (0,4 - 3 микрона) се използват фотоелектрични детектори на лъчение, а в средния и далечен IR диапазон (3 -12 микрона) - термоелектрически детектори на лъчение. Фотоелектричните приемници включват електронни устройства, чиято работа се основава на външни (вакуумни фотоелементи, фотоумножители) и вътрешни (полупроводникови фоторезистори, фотодиоди и др.) Фотоелектрични ефекти. Термоелектрическите детектори се основават на термоелектронно излъчване, те реагират на абсорбираната радиация чрез нагряване на чувствителния елемент, което им позволява да записват инфрачервено топлинно излъчване в широк спектрален диапазон. Термоелектрическите приемници включват болометри, радиационни термоелементи (термодвойки) и др. Термичното изображение се извършва със сканиращи радиометри през нощта и през деня.

Скенерите са оборудвани с няколко сензора, които им позволяват да получават изображения едновременно в различни спектрални канали. Информацията, получена в процеса на сканиране, се предава под формата на цифрово изображение по радиоканал до приемна точка или се записва на борда на магнитен носител. Материалите за снимане се предават на потребителите под формата на записи на магнитни носители, например на CD дискове, с последваща визуализация на местата за обработка на изображения.

По отношение на техните геометрични свойства и локална разделителна способност, изображенията от скенер, получени от камерни системи от първо поколение, са по-ниски от снимките. Въпреки това, високата чувствителност на детекторите на скенерна радиация позволява да се извършват изображения в тесни (няколко десетки нанометра) спектрални интервали, в рамките на които разликите между някои природни обекти са по-ясно изразени. В цифровите данни, получени с помощта на скенери, няма „шум“, който неизбежно се появява при фотографиране и обработка на филмови материали в тъмна стая.

Сканиращи системисе появява в средата на 70-те години и до края на 80-те почти напълно измества традиционните фотографски и телевизионни системи. Днес те са основните доставчици на данни от дистанционно наблюдение при решаване на проблеми с мониторинга на природните ресурси и околната среда.

В общи линии механизмът на сканиране е следният. Сателитът има скенер, който е оборудван с фотоелектрически или термоелектрически приемник. Този приемник получава отразена радиация от определена област от земната повърхност. Приемникът генерира електрически сигнал в зависимост от интензитета на излъчване. Големината на сигнала се записва в паметта на устройството и сензорът започва да приема сигнала от следващия участък от земната повърхност. Така секция по секция започва да се формира изображение. Всеки такъв участък от земната повърхност, отражението от който едновременно е записано от сензора, се показва в изображението като пиксел - най-малкият неделим елемент от изображението. Всеки пиксел отразява средната стойност на яркостта на всички обекти, попадащи в границите на даден пиксел. По този начин, колкото по-малък е размерът на пиксела, толкова по-добро изображение може да се получи в изображението, тъй като става възможно да се показват по-малки обекти.

Има два типа скенери за дистанционно наблюдение − оптико-механични (разделени на линейни и напречни) и оптико-електронни (надлъжни и равнинни).

IN линейни скенери(един детекторен елемент се използва за улавяне на цялата сцена

Фигура 1 – Линеен оптико-механичен скенер

Скенерите от този тип имат инсталирано огледало, което се люлее от едната страна на другата в посоката на движение на сателита. Огледалото се удря последователно от отразено лъчение от различни части на повърхността по линията и от огледалото вече попада в детектора. След като достигне крайната точка на линията, огледалото започва да се върти в обратна посока, четейки следващия ред (през това време сателитът е прелетял разстояние, съответстващо на един ред от пиксели). Така ред по ред се изгражда изображението. Осцилирането на огледалото по маршрута на заснемане реализира линиите на изображението и благодарение на движението на носача линиите се натрупват и се формира цялостен образ на изображението, който има линейно-мрежеста поелементна структура .

Друг вид линеен скенер е скенер, при който огледалото не се люлее от едната страна на другата, а винаги се върти в една посока около оста си, в диапазон от 360 градуса. Тук сензорът чете сигнала по линията и след това, докато сензорът се движи около оста си, сателитът се премества на известно разстояние напред и сензорът отново започва да чете следващия ред в същата посока. За една секунда се извършват около 7 такива цикъла.

IN CCD скенери с напречно сечение, например, скенерът TM (Thematic Mapper) на сателита Landsat-5 използва линия от детектори, разположени по маршрута на проучването. Такава линия се нарича CCD линия (устройство със зарядна връзка; името отразява метода за отчитане на електрическия потенциал чрез преместване на заряда от елемент на елемент). В резултат на това при всеки цикъл на движение на огледалото всички елементи на детектора извършват паралелно сканиране на земната повърхност. Както при линейните скенери, движението на сензора може да бъде от една страна на друга, докато следващият ред се чете в обратна посока или около собствената си ос.

Основният недостатък на устройствата от този тип е наличието на механично сканиращо огледало, което ограничава точността на географското местоположение на получените изображения и намалява издръжливостта и надеждността на устройството като цяло. В камерите с оптоелектронни зарядно-свързани устройства (CCD), наречени „скенери с бутаща метла“, не се използват механични сканиращи елементи. Линия на изображението в един спектрален диапазон се формира с помощта на линеен масив (линия) от CCD детектори, ориентирани перпендикулярно на посоката на полета на сателита.

Надлъжни CCD скенериоборудван с CCD матрица, състояща се от хиляди детекторни елементи, разположени напречно на маршрута. В резултат на това паралелното сканиране на целия набор от данни се извършва просто поради движението на платформата в орбита.

Плосък CCDе матрица от сензори, подобна на матрицата в конвенционален цифров фотоапарат. Необходимо е да се осигури достатъчно време за достигане на определен брой фотони до сензора. Ако сензорът е в движение спрямо целта, се прилага инкрементално изобразяване, за да се предотврати замъгляването.

Независимо от вида на системата за сканиране, се извиква пълният ъгъл на сканиране през маршрута на изследване зрителен ъгъл, и съответната стойност на земната повърхност честотна лента на снимане(друго име - честотна лента на покритие ). Разстоянието на земната повърхност, съответстващо на разстоянието между центровете на съседни пиксели, се нарича интервал на земно вземане на проби (друго име - стъпка на наземно сканиране ). Интервалите за вземане на проби от земята по протежение и напречно на маршрута на изследване се определят от съответните честоти на вземане на проби, както и скоростта на платформата. На практика честотата на вземане на проби обикновено се избира така, че стойността на интервала на вземане на проби от земята да е равна на размера на моментното зрително поле, т.е. ширината на проекцията на един детекторен елемент върху земната повърхност (фиг. 2 и 3). По този начин моментните зрителни полета на съседни пиксели са съседни един на друг както в надлъжна, така и в напречна посока. Интервалът на земно вземане на проби по маршрута на проучването се определя от скоростта на платформата и честотата на вземане на проби (за надлъжни CCD скенери) или скоростта на сканиране (за линейни и напречни CCD скенери), които се коригират, за да съответстват на моментното зрително поле в надира . Използването на по-високи честоти на странична дискретизация в някои системи води до припокриване на моментните зрителни полета и в резултат на това до известно подобрение в качеството на данните. Този метод на „излишно сканиране“ се използва по-специално в системите за проучване Landsat MSS и AVHRR KLM.

Фигура 2 - Най-простата геометрична диаграма на местоположението на детекторния елемент във фокалната равнина на сензора

Фигура 3 – Връзка между проекцията на моментното зрително поле и интервала на вземане на проби за типичните скенери и за MSS и AVHRR инструменти

Наземният GSI интервал на вземане на проби се определя от височината на платформата H, фокусното разстояние fи междудетекторния интервал (или, както е отбелязано по-горе, пространствената честота на дискретизация). Ако честотата на дискретизация е един пиксел на интервал на детектора, интервалът на земята при надир, тоест директно под сензора, се дава с проста формула:

Където m = f/Hе коефициентът на геометрично увеличение, а стойността на междудетекторния интервал обикновено е равна на ширината на детекторния елемент w.

Моментното зрително поле на GIFOV зависи от стойностите на H, f и w по подобен начин. Трябва да се отбележи, че инженерите, разработващи системи за дистанционно наблюдение, предпочитат да използват друг параметър в своите изчисления - стойността на моментния ъгъл на видимост IFOV, равен на ъгъла, образуван от детекторния елемент с оста на оптичната система (Фигура 2). Това се дължи на факта, че IFOV е постоянна стойност и не зависи от работната височина на сензора.

Данните, получени от оптични сензори с висока пространствена разделителна способност, се използват при решаването на широк кръг от тематични проблеми, включително, например, измерване на степента и класификация на растителната покривка, определяне на здравето на културите, геоложко картиране, мониторинг на ерозията на почвата в крайбрежната зона и т.н. Обхватът на приложимост на тези данни обаче е донякъде ограничен от факта, че получаването на висококачествени оптични изображения е възможно само на осветената част от земната повърхност при ясно, безоблачно време.

За офис и домашни задачи, както и за повечето компютърни графични работи, т.нар плоски скенери. Различни модели от този тип са по-разпространени в продажба от други. Затова нека започнем с разглеждане на принципите на конструкцията и работата на скенерите от този тип. Разбирането на тези принципи ще осигури по-добро разбиране на техническите характеристики, които влизат в избора на скенери.

Плосък скенер е правоъгълна пластмасова кутия с капак. Под капака има стъклена повърхност, върху която се поставя оригиналът за сканиране. През това стъкло можете да видите някои от вътрешностите на скенера. Скенерът има подвижна шейна, на която са монтирани лампа за подсветка и огледална система. Каретата се движи през т.нар стъпков мотор. Светлината на лампата се отразява от оригинала и чрез система от огледала и фокусиращи лещи навлиза в така наречената матрица, състояща се от сензори, които произвеждат електрически сигнали, чиято големина се определя от интензитета на падащата върху тях светлина. Тези сензори са базирани на светлочувствителни елементи, т.нар зарядно свързани устройства(CCD, двойно заредено устройство - CCD). По-точно, на повърхността на CCD се генерира електрически заряд, който е пропорционален на интензитета на падащата светлина. След това трябва само да преобразувате големината на този заряд в друго електрическо количество - напрежение. Няколко CCD са разположени един до друг на една линия.

Електрическият сигнал на изхода на CCD е аналогова величина (т.е. изменението му е подобно на изменението на входната величина - интензитет на светлината). След това аналоговият сигнал се преобразува в цифрова форма, последвана от обработка и предаване към компютър за по-нататъшна употреба. Тази функция се изпълнява от специално устройство, наречено аналогово-цифров преобразувател(ADC, аналогово-цифров преобразувател - ADC). Така при всяка стъпка на движение на каретката скенерът разчита по една хоризонтална лента от оригинала, разделена на отделни елементи (пиксели), чийто брой е равен на броя на CCD на линията. Цялото сканирано изображение се състои от няколко такива ивици.

Ориз. 119. Диаграма на дизайна и работата на плосък скенер, базиран на CCD (CCD): светлината на лампата се отразява от оригинала и чрез оптична система удря матрица от фоточувствителни елементи и след това към аналогово- цифров преобразувател (ADC)

Цветните скенери сега обикновено използват триредова CCD матрица и осветяват оригинала с калибрирана бяла светлина. Всеки ред от матрицата е проектиран да възприема един от основните цветови компоненти на светлината (червено, зелено и синьо). За разделяне на цветовете те използват или призма, която разделя лъч бяла светлина на цветни компоненти, или специално покритие на CCD филтър. Има обаче цветни скенери с едноредова CCD матрица, в която оригиналът се осветява последователно от три лампи с основни цветове. Едноредова, тройно осветена технология се счита за остаряла.

По-горе описахме принципите на конструкцията и работата на така наречените еднопроходни скенери, които сканират оригинала с едно преминаване на каретката. Въпреки това все още се срещат триходови скенери, макар че вече не се произвеждат в търговската мрежа. Това са скенери с едноредова CCD матрица. При тях при всяко преминаване на каретката по оригинала се използва един от основните цветни филтри: при всяко преминаване се премахва информация от един от трите цветови канала на изображението. Тази технология също е остаряла.

В допълнение към CCD скенерите, базирани на CCD матрица, има CIS (Contact Image Sensor) скенери, които използват фотоклетка технология.

Фоточувствителните матрици, направени по тази технология, възприемат отразеното оригинално изображение директно през стъклото на скенера без използване на оптични системи за фокусиране. Това направи възможно намаляването на размера и теглото на плоските скенери с повече от половината (до 3-4 кг). Такива скенери обаче са добри само за изключително плоски оригинали, които прилягат плътно към стъклената повърхност на работното поле. В този случай качеството на полученото изображение значително зависи от наличието на външни източници на светлина (капакът на CIS скенера трябва да бъде затворен по време на сканиране). При обемните оригинали качеството оставя много да се желае, докато CCO скенерите дават добри резултати за обемни (до няколко см дълбочина) обекти.

Плоските скенери могат да бъдат оборудвани с допълнителни устройства, като адаптер за слайдове, автоматично подаващо устройство за документи и др. Някои модели са снабдени с тези устройства, но други не.

Адаптерът за слайдове (адаптер за прозрачни носители, TMA) е специална приставка, която ви позволява да сканирате прозрачни оригинали. Прозрачните материали се сканират с помощта на пропусната, а не на отразена светлина. С други думи, прозрачният оригинал трябва да е между източника на светлина и фоточувствителните елементи. Адаптерът за слайд е монтиран модул, оборудван с лампа, която се движи синхронно с каретката на скенера. Понякога те просто осветяват определена област от работното поле равномерно, за да не преместват лампата. По този начин основната цел на използването на слайд адаптер е да се промени позицията на източника на светлина.

Ако имате цифров фотоапарат (цифров фотоапарат), най-вероятно нямате нужда от слайд адаптер.

Ако сканирате прозрачни оригинали без да използвате слайд адаптер, трябва да разберете, че когато оригиналът е облъчен, количествата отразена и пропусната светлина не са еднакви. Така че оригиналът ще пропусне част от падащия цвят, който след това ще се отрази от бялото покритие на капака на скенера и ще премине отново през оригинала. Част от светлината ще се отрази от оригинала. Съотношението между частите на пропусната и отразена светлина зависи от степента на прозрачност на оригиналната област. Така светлочувствителните елементи на матрицата на скенера ще приемат светлина, преминала два пъти през оригинала, както и светлина, отразена от оригинала. Многократното преминаване на светлина през оригинала го отслабва, а взаимодействието на отразения и предавания светлинен лъч (интерференция) причинява изкривяване и странични видео ефекти.

Автоматичното подаващо устройство за документи е устройство, което подава оригинали в скенера, което е много удобно за използване при поточно предаване на изображения от същия тип (когато не е необходимо често да преконфигурирате скенера), например текстове или рисунки от приблизително същия качество.

В допълнение към плоските, има и други видове скенери: ръчни, листови, барабанни, слайд, за сканиране на баркодове, високоскоростни за поточно предаване на документи.

Handheld Scanner е преносим скенер, при който сканирането се извършва чрез ръчно преместване върху оригинала. Принципът на работа на такъв скенер е подобен на този на таблетния скенер. Ширината на зоната за сканиране е не повече от 15 см. Първите скенери за масово използване се появяват в продажба през 80-те години на 20 век. Те бяха ръчни и позволяваха сканиране на изображения в нюанси на сивото. В днешно време такива скенери не се намират лесно.

Листов или ролков скенер(Sheetfed Scanner) - скенер, при който оригиналът се изтегля покрай неподвижна линейна CCD или CIS матрица; вид такъв скенер е факс машина.

Барабанен скенер(Drum Scanner) - скенер, при който оригиналът е фиксиран върху въртящ се барабан, а за сканиране се използват фотоумножители. В този случай се сканира точкова област от изображението и сканиращата глава се движи по протежение на барабана много близо до оригинала.

Скенер за слайдове(Film-scanner) е вид плосък скенер, предназначен за сканиране на прозрачни материали (диапозитиви, негативни филми, рентгенови снимки и др.). Обикновено размерът на такива оригинали е фиксиран. Обърнете внимание, че някои плоски скенери имат специално приспособление (адаптер за слайдове), предназначено за сканиране на прозрачни материали (вижте по-горе).

Баркод скенер(Bar-code Scanner) - скенер, предназначен за сканиране на продуктови баркодове. Според принципа на работа той е подобен на ръчен скенер и е свързан към компютър или към специализирана система за търговия. Ако имате подходящ софтуер, всеки скенер може да разпознава баркодове.

Високоскоростен скенер за работа с документи(Скенер за документи) е вид листов скенер, предназначен за високопроизводително въвеждане на много страници. Скенерите могат да бъдат оборудвани с входни и изходни тави с капацитет над 1000 листа и въвеждане на информация със скорост над 100 листа в минута. Някои модели от този клас осигуряват двустранно (дуплексно) сканиране, осветяване на оригинала в различни цветове за изрязване на цветния фон, компенсиране на нееднородността на фона и имат модули за динамична обработка на различни видове оригинали.

Така че плоският скенер е най-подходящ за домашна и офис употреба. Ако искате да правите графичен дизайн, тогава е по-добре да изберете CCD скенер (базиран на CCD матрица), тъй като ви позволява да сканирате триизмерни обекти. Ако планирате да сканирате слайдове и други прозрачни материали, трябва да изберете скенер, който има адаптер за слайдове. Обикновено самият скенер и адаптерът за слайдове, който върви с него, се продават отделно. Ако не можете да закупите слайд адаптер едновременно със скенера, можете да го направите по-късно, ако е необходимо. Също така е необходимо да се определят максималните размери на сканираните изображения. В момента стандартният формат е А4, съответстващ на обикновен лист хартия за писане. Повечето домашни скенери са проектирани специално за този формат. Сканирането на чертежи и други дизайнерски документи обикновено изисква размер A3, който съответства на два листа A4, съединени по дългата страна. В момента цените на еднотипните скенери за формати А4 и А3 се сближават. Може да се предположи, че оригиналите, които не надвишават формат А4, ще бъдат по-добре обработени от скенер, ориентиран към формат А3.

Изброените по-горе параметри не изчерпват целия списък, но на този етап от нашето разглеждане засега можем да ги използваме само. При избора на скенер три аспекта са решаващи: a хардуерен интерфейс(метод на свързване), оптико-електронна системаИ софтуерен интерфейс c (т.нар. TWAIN модул). След това ще ги разгледаме по-подробно.

Основният метод за конвертиране на хартиени документи в електронен вид е сканиране графично изображение скенер.

Скенер

универсаленИ специален.

Универсалните скенери осигуряват въвеждане на текстова и графична информация в цветен или черно-бял формат. Сред универсалните скенери се открояват следните видове:

· Ръчен скенер– най-простият тип скенери, който дава най-некачествено изображение. Този тип скенер няма движещи се части и сканирането се извършва чрез ръчно преместване на скенера по повърхността на документа. Техният недостатък е много тясна честотна лента на сканиране (стандартен лист хартия трябва да се сканира в няколко преминавания), както и високи изисквания към самия процес на сканиране.

· Листов скенер– позволява ви да сканирате лист хартия със стандартен размер с една операция. Дизайнът е подобен на факс машина: оригиналът се изтегля от специални ролки (като в принтер) и се сканира, докато се движи покрай неподвижна фоточувствителна матрица. Въпреки че осигуряват висококачествено сканиране, тези скенери не ви позволяват да обработвате книги и списания, без да ги разделяте на отделни страници.

· Плосък скенер– най-универсалното устройство, подходящо за повечето задачи и позволяващо сканиране на всякакви документи (единични листове, книги, списания и др.). Под капака на скенера има прозрачна основа, върху която се поставя документът. Сканиращият модул се движи покрай документа вътре в тялото на скенера. Продължителността на сканиране на стандартен машинописен лист варира от една до няколко секунди. Плоските скенери осигуряват най-добро качество и максимално удобство при работа с хартиени документи.

Много модели плоски скенери имат възможност за инсталиране на автоматично зареждане на документи от стек, както и за свързване на слайд модул, който „дигитализира“ слайдове и негативни филми за професионална фотография или задачи за печат.

Специалните видове скенери са проектирани да изпълняват специални функции. Те включват следното:

· Барабанни скенериосигуряват най-висока резолюция на сканиране. Оригиналът се фиксира към барабана с помощта на специални скоби или лубрикант, а сканирането се извършва чрез поредно движение на обектива по барабана, въртящ се със скорост около 1000 оборота в минута. Използването на халогенен светлинен източник, светлинният поток от който е концентриран върху точна зона на барабана, елиминира влиянието на смущенията и обработва цялата гама оригинали с най-високо качество.

· Скенери за формуляри -специални скенери за въвеждане на информация от попълнени формуляри. Това е вид листов скенер. С помощта на такива устройства се въвеждат данни от анкетни карти, въпросници и бюлетини. Скенерите от този тип не изискват висока резолюция, но много висока производителност. По-специално, за скенери от този тип подаването на хартиени листове в устройството е автоматизирано.

· Бар скенери -вид ръчни скенери, предназначени да четат баркодове от етикети на продукти в магазините. Лентовите скенери ви позволяват да автоматизирате процеса на изчисляване на разходите за покупки. Те са особено удобни в търговски обекти, оборудвани с електронни комуникации и извършващи плащания към клиенти чрез електронни разплащателни средства (кредитни карти, смарт карти и др.).

· Скенер за слайдове- специализирана версия на плосък скенер, предназначен за дигитализиране на диапозитиви и негативни филми за професионална фотография или задачи за печат. Слайдът или филмът се поставят в приемния слот и се движат между фоновото осветление и обектива. Параметрите на изходното изображение са достатъчни за фотоалбум или печатна репродукция.

Въпреки такова разнообразие от видове скенери, дизайнът и принципите на тяхната работа са до голяма степен сходни. Като пример, нека да разгледаме как работи плосък скенер, чиято опростена блокова диаграма е показана на фиг. 10.

Основните елементи на плоския скенер са:

· субстрат(корица) – покрива оригинала, от който се извършва сканирането. Изработен е от черен материал, който максимално абсорбира видимата част от спектъра, за да предотврати появата на полученото изображение на всякакви отблясъци на светлина, отразена от обекти, поставени зад оригинала;

·
стъклена чаша, върху който се поставя сканираният оригинал;

· LED матрица– набор от сензори (фоточувствителни елементи), разположени в един ред за черно-бяло сканиране или в три реда за цветно сканиране с едно преминаване. Устройствата със зарядна връзка се използват като фоточувствителни елементи ( CCD – CCD –Устройство със свързано зареждане). Основната цел на матрицата CCD– разделяне на светлинния поток на три компонента (червен, зелен и син) и преобразуване на светлинното ниво в ниво на напрежение;

· оптична система– състои се от леща и огледала (или призма) и е предназначена да проектира светлинния поток, отразен от сканирания оригинал върху LED матрица, която разделя цветовата информация. Обикновено се използва един фокусиращ обектив (или леща), който проектира цялата ширина на зоната за сканиране върху пълната ширина на CCD;

· лампа– източник на светлина, разположен върху движеща се шейна и осветяващ сканираната страница. Съвременните модели използват лампи със студен катод ( Лампа със студен катод), осигуряващ светлинен поток с определен интензитет и с повишени характеристики на издръжливост. Фокусирани върху професионалната работа с цвят, скенерите съдържат вериги за самокалибриране въз основа на интензитета на светлинния поток от лампата и поддържане на стабилността на светлинния поток при температурни промени;

· стъпков мотор– осигурява движение оптичен блок, който включва лампа, оптична система и LED матрица;

· устройство за усилване на сигнала– усилва аналоговите напрежения от изходите на CCD матрицата, извършва тяхната корекция и обработка;

· аналогово-цифров преобразувател (ADC) – преобразува аналоговите напрежения в цифров код;

· контролер на скенера– осигурява приемането на команди от компютъра и издаването на получените цифрови кодове към него.

Процесът на сканиране е доста прост. Оригиналът (лист документ, разгъната книга и др.) се поставя върху прозрачно неподвижно стъкло и се покрива с капак. Когато се изпрати команда за сканиране от компютъра, лампата се включва и сканиращата каретка с оптичния модул започва да се движи по листа. Ярката светлина от лампата пада върху сканирания оригинал и след това, отразявайки се от него, светлинният поток се фокусира от оптичната система и влиза в приемника на сигнала - CCD матрица, която отделно възприема червените, зелените и сините компоненти на спектъра . Получените на изхода на CCD матрицата аналогови напрежения, пропорционални на спектралните компоненти, се усилват и подават към аналогово-цифров преобразувател, който извършва цифрово кодиране. От ADC информацията излиза в “позната” за компютъра двоична форма и след обработка в контролера на скенера през интерфейса с компютъра постъпва в драйвера на скенера - обикновено т.нар. TWAIN- модул, с който вече си взаимодействат приложните програми.

! За да видите как работи плосък скенер, сложете слушалките и щракнете двукратно върху тази снимка:

Основни параметри и характеристики на скенерите:

1. Резолюция на сканиране (Резолюция на сканиране) характеризира големината на най-малките детайли на изображението, предавани по време на сканиране без изкривяване. Обикновено се измерва в dpi (точка на инч) - броят на индивидуално видимите точки на инч от изображението. Има няколко вида разделителна способност, определени от производителя на скенера.

· Оптична резолюциясе определя от плътността на елементите в CCD матрицата и е равна на броя на елементите в CCD матрицата, разделен на нейната ширина. Това е най-важният параметър на скенера, определящ детайлността на изображенията, получени с негова помощ. При масовите модели на плоски скенери тя обикновено е равна на 600 или 1200 dpi. Сканирането винаги трябва да се извършва при кратна оптична разделителна способност, за да се сведе до минимум изкривяването на интерполацията.

· Механична резолюцияопределя точността на позициониране на каретката с CCD линийката при движение по изображението. Механичната разделителна способност обикновено е 2 пъти по-голяма от оптичната.

· Резолюция на интерполацияполучен чрез 16x софтуерно увеличение на изображението. Той не носи абсолютно никаква допълнителна информация за изображението в сравнение с реалната резолюция, а в специализираните пакети операцията по мащабиране и интерполация често се извършва по-добре, отколкото от драйвера на скенера.

2. дълбочина на цвета,или битова дълбочина (Дълбочина на цвета) характеризира броя на битовете, използвани за съхраняване на информация за цвета на всеки пиксел. Черно-белите скенери имат един бит, монохромните скенери обикновено имат 8 бита, а цветните скенери имат поне 24 бита (8 бита за съхраняване на всеки от RGB цветовите компоненти на пиксел). Броят на цветовете, възпроизведен от 24-битов скенер (8 бита на канал), е 2 24 = 16 777 216. По-усъвършенстваните скенери може да имат битова дълбочина от 30 или 36 (10 или 12 бита на канал). Освен това тяхната вътрешна битова дълбочина може да бъде по-висока от външната: „допълнителните“ битове се използват за извършване на цветова корекция на изображението, преди да го прехвърлите на компютър, въпреки че тази практика е типична главно за евтини модели. Професионалните и полупрофесионалните скенери също имат външна битова дълбочина от 30, 36, 42 бита или по-висока.

3. Диапазон на оптичната плътност (Диапазон на оптичната плътност) е динамичният обхват на скенера, който до голяма степен се определя от неговата битова дълбочина. Той характеризира способността на скенера да предава правилно изображения с големи или много малки вариации в яркостта (способността да сканира „снимка на черна котка в тъмна стая“). Изчислява се като десетичен логаритъм от отношението на интензитета на падащата върху оригинала светлина към интензитета на отразената светлина и се измерва в OD(Оптична плътност) или просто д: 0.0 D съответства на перфектно бяло, 4.0 D съответства на перфектно черно. За скенер този диапазон зависи от битовата дълбочина: за 36-битов скенер той не надвишава 3,6 D, за 30-битов скенер - 3,0 D. Сканираните изображения обикновено имат диапазон до 2,5 D за снимки и 3,5 D за слайдове. Евтините 24-битови плоски скенери имат динамичен диапазон от 1,8-2,3 D, добрите 36-битови - до 3,1-3,4 D.

4. Размер на областта за сканиране. При плоските скенери най-разпространените формати са А4 и А3, при ролковите скенери - А4, а при ръчните скенери зоната на сканиране обикновено е лента с ширина 11 cm.

5. Съпоставяне на цветовете на оригиналното изображение с цифровото му копие. Днес една от най-разпространените системи за управление на точността на цветовете е тази, базирана на профили. Международен цветен консорциум (ICC), описващи характеристиките на цветопредаване на различни устройства. Процесът на създаване на ICC профил се основава на сканиране на специално изработена тестова таблица и сравняване на получените резултати със стандарта. Въз основа на резултатите се определят характеристиките на устройството, които се вземат предвид от драйвера и приложенията. Скъпите модели скенери използват специални софтуерни и хардуерни системи за калибриране на цветовете.

6. Качество на драйвера. Всички съвременни скенери комуникират с приложенията на Windows чрез софтуерен интерфейс TWAIN, но наборът от функции, предоставени от драйвера, може да варира, определено трябва да се изясни при избора на скенер. Най-важните сред тях са:

· възможност за предварителен преглед на изображение с избор на област на сканиране и брой цветове;

· възможност за регулиране на яркост, контраст и нелинейна корекция на цветовете;

· възможност за потискане на моар при сканиране на изображения с отпечатан растер;

· възможност за прости трансформации на изображението (инверсия, ротация и др.);

· възможност за мрежово сканиране;

· възможност за автоматична корекция на режимите на контраст и цветопредаване;

· възможност за работа със скенера (в комбинация с принтер) в режим копир;

· възможности за калибриране на цветовете както за скенера, така и за цялата система;

· Възможности за пакетно сканиране;

· възможност за фина настройка на филтри и параметри за корекция на цветовете.

7. Количество и качество на софтуера, включен в скенера.Традиционно софтуерът за обработка на изображения се доставя със скенери ( Adobe PhotoDeluxeили Photoshop LE, ULead Photo Impactи др.) и програма за оптично разпознаване на текст ( OCR - Оптично разпознаване на символи). Софтуерният пакет обикновено включва две такива програми: английски ( Xerox TextBridgeили Caere OmniPage Pro) и OCR програма, предназначена за разпознаване на руски текстове - една от версиите FineReaderпроизводство Софтуер ABBY.

Висококачествени професионални и полупрофесионални плоски скенери се произвеждат от фирми Агфа, Линотип-Ад, Microtek(редица модели са известни под логото на NeuHouse OEM), Umax; Оборудването, предназначено за масови потребители, се произвежда от компании Artec, Epson, гений, Hewlett-Packard, Mustek, Плюстек, Примакси т.н.

За различните видове скенери в табл. 3 показва типичните стойности на тези параметри.

Таблица 3.Стойности на параметрите за основните видове скенери

В момента се използват следните интерфейси за свързване на скенери:

· собствен (Собственически) интерфейс за разработчици на скенери, използван в ранните модели на плоски и ръчни скенери и беше специализирана платка в автобус Е, което изисква шофьор за работа;

· Със EPP паралелен порт (LPT, или ECP) най-младите модели се произвеждат в семействата на плоски скенери от различни производители. Скенерите с такъв интерфейс като правило имат посредствени характеристики и са предназначени за извършване на проста работа;

· SCSI интерфейсе стандарт за свързване на висококачествени и високопроизводителни устройства, осигурява междуплатформена съвместимост на скенера и неговата ниска зависимост от промяна на операционната система. SCSI скенерите обикновено идват с SCSI шинна карта Е, въпреки че такъв скенер може да бъде свързан и към пълнофункционални SCSI контролери на шината PCI. Повечето 30- и 36-битови скенери с разделителна способност от 600 dpi и по-висока са налични с този интерфейс;

· USB интерфейсе интерфейс за свързване на скенери, активно препоръчван от спецификациите PC98И PC99. Удобството на един интерфейс за различни устройства и доста висока производителност доведоха до факта, че повечето скенери за непрофесионална употреба се произвеждат с този интерфейс.

За въвеждане на данни в системи за триизмерно моделиране и компютърно проектиране (CAD, или CAD/CAM - Компютърно проектиране/моделиране) се използва Графичен таблет (Дигитайзер – дигитайзер)- кодиращо устройство, което ви позволява да въведете двуизмерно, включително многоцветно изображение в компютър под формата на растерно изображение.

Графичният таблет включва специален показалец (писалка) със сензор. Неговият собствен контролер изпраща импулси по мрежа от проводници, разположени под повърхността на таблета. След като получи два такива сигнала, контролерът ги преобразува в координати, предадени на компютъра. Компютърът преобразува тази информация в координати на точка на екрана на монитора, съответстваща на позицията на показалеца на таблета. Таблетите за рисуване са чувствителни към натиска на писалката, преобразувайки тези данни в дебелина на линията или сянка.

Сериен порт обикновено се използва за свързване на таблет. Общите параметри са разделителна способност от около 2400 dpi и висока чувствителност към нивата на натиск (256 нива). Графичните таблети и дигитайзерите се произвеждат от компании CalComp, Мутох, Wacomи други.

За устройствата за въвеждане на ръкописна информация е характерна същата схема на работа, само въведените изображения на букви се преобразуват допълнително в букви с помощта на специална програма за разпознаване, а размерът на областта за въвеждане е по-малък. Устройствата за въвеждане на писалка се използват по-често в субминиатюрни компютри PDA (Личен дигитален асистент) или HPC (Ръчен компютър), които нямат пълна клавиатура.

ИЗВОДИ

1. Клавиатурае основното устройство за въвеждане на информация в компютър. Това е набор от механични сензори, които усещат натиск върху клавишите и затварят определена електрическа верига. Двата най-често срещани типа клавиатури са: механичени със мембранни превключватели.

Всички ключове са разделени на групи: буквено-цифрови клавиши, предназначен за въвеждане на текстове и числа; курсорни клавиши(тази група клавиши може да се използва и за въвеждане на цифрови данни, преглед и редактиране на текст на екрана); специални контролни клавиши(превключване на регистри, прекъсване на работата на програмата, отпечатване на съдържанието на екрана, рестартиране на PC OS и др.); функционални клавиши, широко използвани в помощните програми като контролни клавиши.

Най-разпространеният стандарт за оформление на символни клавиши е оформлението QWERTY (ЙЦУКЕН), който може да бъде препрограмиран на друг, ако желаете.

2. Удобен инструмент за управление на курсора е устройство, наречено мишка. По-голямата част от компютърните мишки използват оптико-механичен принцип на кодиране на изместване. В преносими компютри тракбол, тъчпад и тракпойнт се използват вместо мишка.

3. Използва се за визуално показване на информация видео системакомпютър, включително монитор(дисплей), видео адаптерИ софтуер(драйвери за видео система). Монитор (дисплей)е устройство за визуално изобразяване на текстова и графична информация върху кинескопен екран (катодна тръба - CRT) или екран с течни кристали (LCD екран).

ДА СЕ основни параметри на мониторитевключват: честота на кадрите на монитора, честота на линията, честотна лента на видеосигнала, метод за формиране на изображението, размер на фосфорното зърно на екрана на монитора, разделителна способност на монитора, размер на екрана на монитора.

Видео адаптер(видео карта, видео контролер) е вътрешно компютърно устройство, предназначено да съхранява видео информация и да я показва на екрана на монитора. Той директно контролира монитора, както и процеса на показване на информация на екрана чрез промяна на хоризонталните и вертикалните сканиращи сигнали на CRT монитора, яркостта на елементите на изображението и параметрите на смесване на цветовете.

4. Принтери (печатащи устройства)– устройства за извеждане на данни от компютър, преобразуване на ASCII информационни кодове в съответните графични символи (букви, цифри, знаци и др.) и записване на тези символи на хартия.

Принтерите се различават един от друг по различни начини: цветност– черно-бели и цветни; от начин на формиране на символи– отпечатване и синтезиране на знаци; от принцип на работа– матрични, термични, мастиленоструйни, лазерни; от метод на печат– ударни, неударени; от начини за формиране на низове– последователни, паралелни; от ширина на каретката– с широк (375-450 мм) и тесен (250 мм) каретка; от дължина на линията за печат– 80 и 132-136 знака; от набор от символи– до пълния набор от ASCII знаци; от скорост на печат; от резолюция.

5. Основният метод за преобразуване на хартиени документи в електронен вид е сканиране- технологичен процес, който води до създаването графично изображениехартиен документ, като негова „цифрова снимка“. Сканирането се извършва с помощта на специално устройство, наречено скенер.

Скенере оптико-електронно-механично устройство, предназначено да конвертира визуално изображение на хартиен документ в графичен файл, който записва растерно изображение на оригиналния документ и се прехвърля на компютър за последваща обработка (разпознаване, редактиране и др.) .

Според предназначението си скенерите се делят на универсален(ръчно, листово и плоско) и специален(барабанни скенери, скенери за формуляри, скенери за барове, скенери за слайдове).

Основните характеристики на скенерите: разделителна способност на сканиране (оптична, механична и интерполация), дълбочина на цвета (битова дълбочина), диапазон от оптични плътности, размер на областта за сканиране, съответствие на цвета на оригиналното изображение с цифровото му копие, качество на драйверите и включените софтуер.

Въведение

Дистанционното наблюдение е метод за получаване на информация за обект или явление без пряк физически контакт с този обект. Дистанционното наблюдение е подполе на географията. В съвременния смисъл терминът се отнася главно до въздушни или базирани в космоса сензорни технологии за целите на откриване, класифициране и анализиране на обекти на земната повърхност, както и атмосферата и океана, като се използват разпространени сигнали (например електромагнитно излъчване) . Те се делят на активни (сигналът първо се излъчва от самолет или космически спътник) и пасивни дистанционни наблюдения (записва се само сигналът от други източници, например слънчева светлина). Пасивните сензори за дистанционно отчитане на сигнал, излъчван или отразен от обект или околна област. Отразената слънчева светлина е най-често използваният източник на радиация, открит от пасивни сензори. Примери за пасивно дистанционно наблюдение включват цифрова и филмова фотография, инфрачервени устройства, устройства със зарядна връзка и радиометри.

Активните устройства от своя страна излъчват сигнал за сканиране на обекта и пространството, след което сензорът е в състояние да открие и измери радиацията, отразена или обратно разпръсната от сензорната цел. Примери за активни сензори за дистанционно наблюдение са радар и лидар, които измерват забавянето във времето между излъчването и откриването на върнатия сигнал, като по този начин определят местоположението, скоростта и посоката на движение на обект. Дистанционното наблюдение дава възможност за получаване на данни за опасни, труднодостъпни и бързо движещи се обекти, а също така позволява наблюдения върху големи площи от терена. Примери за приложения на дистанционно наблюдение включват наблюдение на обезлесяването (например в Амазонка), състоянието на ледниците в Арктика и Антарктика и измерване на дълбочината на океана с помощта на много. Дистанционното наблюдение също заменя скъпите и относително бавни методи за събиране на информация от земната повърхност, като същевременно гарантира ненамеса на човека в естествените процеси в наблюдаваните зони или обекти. Използвайки орбитални космически кораби, учените са в състояние да събират и предават данни в различни ленти на електромагнитния спектър, които, когато се комбинират с по-големи въздушни и наземни измервания и анализи, предоставят необходимия набор от данни за наблюдение на текущи явления и тенденции като El Ниньо и др.природни явления, както в краткосрочен, така и в дългосрочен план. Дистанционното наблюдение също има приложно значение в областта на геонауките (например управление на околната среда), селското стопанство (използване и опазване на природните ресурси) и националната сигурност (мониторинг на гранични зони).

Преглед на основните инструменти за дистанционно наблюдение

Радарите се използват главно в контрола на въздушното движение, ранното предупреждение, наблюдението на горската покривка, селското стопанство и събирането на широкомащабни метеорологични данни. Доплеровият радар се използва от правоприлагащите организации за наблюдение на ограниченията на скоростта на превозното средство, както и за получаване на метеорологични данни за скоростта и посоката на вятъра, местоположението и интензивността на валежите. Други видове получена информация включват данни за йонизиран газ в йоносферата. Интерферометричният радар с изкуствена апертура се използва за създаване на точни цифрови модели на височината на големи площи от терена.

Лазерните и радарни висотомери на сателити предоставят широк спектър от данни. Чрез измерване на промените в нивата на океанската вода, причинени от гравитацията, тези инструменти картографират характеристиките на морското дъно с разделителна способност от около една миля. Чрез измерване на височината и дължината на вълната на океанските вълни с помощта на висотомери може да се определи скоростта и посоката на вятъра, както и скоростта и посоката на повърхностните океански течения.

Ултразвукови (акустични) и радарни сензори се използват за измерване на морското равнище, приливи и отливи и посока на вълните в крайбрежните морски региони.

Технологията за откриване и обхват на светлината (LIDAR) е добре известна с военните си приложения, особено в навигацията на лазерни снаряди. LIDAR се използва и за откриване и измерване на концентрацията на различни химикали в атмосферата, докато LIDAR на борда на самолет може да се използва за измерване на височината на обекти и явления на земята с по-голяма точност, отколкото може да се постигне с помощта на радарна технология. Дистанционното наблюдение на растителността също е едно от основните приложения на LIDAR.

Радиометрите и фотометрите са най-често използваните инструменти. Те откриват отразена и излъчена радиация в широк диапазон от честоти. Най-често срещаните сензори са видими и инфрачервени, следвани от микровълнови, гама лъчи и по-рядко ултравиолетови сензори. Тези инструменти могат да се използват и за откриване на емисионния спектър на различни химикали, предоставяйки данни за тяхната концентрация в атмосферата.

Стерео изображенията, получени от въздушна фотография, често се използват за изследване на растителността на земната повърхност, както и за конструиране на топографски карти за разработване на потенциални маршрути чрез анализ на изображения на терена, в комбинация с моделиране на екологични характеристики, получени с помощта на наземни методи.

Мултиспектрални платформи като Landsat се използват активно от 70-те години на миналия век. Тези инструменти са били използвани за конструиране на тематични карти чрез заснемане на изображения при множество дължини на вълните на електромагнитния спектър (мултиспектър) и обикновено се използват в сателити за наблюдение на Земята. Примери за такива мисии включват програмата Landsat или сателита IKONOS. Картите на земното покритие и използването на земята, създадени чрез тематично картографиране, могат да се използват за проучване на полезни изкопаеми, откриване и наблюдение на използването на земята, обезлесяване и изследване на здравето на растенията и културите, включително големи площи земеделска земя или залесени площи. Сателитните изображения на Landsat се използват от регулаторите за наблюдение на параметрите на качеството на водата, включително дълбочина на Секи, плътност на хлорофила и общ фосфор. Метеорологичните спътници се използват в метеорологията и климатологията.

Спектралното изобразяване създава изображения, в които всеки пиксел съдържа пълна спектрална информация, показваща тесни спектрални диапазони в непрекъснат спектър. Устройствата за спектрално изобразяване се използват за решаване на различни проблеми, включително тези, използвани в минералогията, биологията, военното дело и измерванията на параметрите на околната среда.

Като част от борбата срещу опустиняването, дистанционното наблюдение позволява да се наблюдават райони, които са изложени на риск в дългосрочен план, да се идентифицират факторите на опустиняването, да се оцени дълбочината на тяхното въздействие и да се предостави необходимата информация на лицата, вземащи решения, за да предприемат подходящи мерки за опазване на околната среда.

Предимства на съвременното космическо дистанционно наблюдение с висока разделителна способност:

Висока пространствена разделителна способност – не по-лоша от 1 m в панхроматичен режим

Висока радиометрична разделителна способност - не по-малко от 11 бита на пиксел в панхроматичен режим

Наличие на 4 спектрални канала, включително 1 инфрачервен

Възможност за получаване на стерео фотография

Възможност за актуализиране на картографски материал в мащаб не по-лош от 1:5000

Честотата на получаване на данни за една и съща зона на земната повърхност е 1-5 дни в зависимост от географската ширина

Възможност за поръчка на площ с произволна форма, вкл. снимане на разширени обекти

Възможност за получаване на "перспективни" снимки с отклонение от надир до 45 градуса

Голям архив – милиони получени изображения

Ефективност: възможност за започване на снимане в рамките на 1 ден от датата на подаване на поръчката

Лесно се прави поръчка - няма нужда да получавате разрешение от държавни организации за заснемане

Лесна обработка: клиентът получава данни, готови за използване в ГИС.

Оптико-електронен тип снимане

Оптико-електронният (OE) метод се отнася до невидимото стрелбище (нефотографско). Той е само на няколко десетилетия. Необходимостта от бързо предаване на анкетни материали от космоса доведе до неговото интензивно развитие, както и до системите за скенери. Със значително разнообразие от дизайнерски решения, те се основават на общ принцип.

Принципът на сканиране е да се чете елемент по елемент по тясна ивица радиация, отразена от земната повърхност, като изображението се сканира поради движението на носителя, така че се получава непрекъснато.

Използват се следните видове проучвания: маршрутни, площни, конвергентни (стерео проучване) и разширен обект (фиг. „Схеми на OE проучване“).

Радиацията, получена от източник от Земята, се преобразува на носител (самолет или сателит) в електрически сигнал, след което под формата на радиосигнал се пуска до наземна приемна станция, където отново се преобразува в електрически сигнал и записан на магнитен носител. С такова заснемане става възможно непрекъснато и бързо да се получава информация за дълго време (в реално време или със закъснение от няколко часа) и да се предава на приемащата станция.

Разделителната способност за метода на оптико-електронно сканиране е:

· изключително високо

· Високо,

· средно аритметично,

· ниско.

Първите сканиращи системи за изображения в оптичния диапазон на спектъра са имали разделителна способност 1-2 km, но тяхното усъвършенстване протича много бързо и в момента е постигната разделителна способност от няколко метра.

Сканиращите проучвания често се извършват в многоспектрален вариант. Повечето скенери, работещи в оптичния диапазон, имат три еднакви канала:

· 0,5-0,6 микрона;

· 0,6-0,7 микрона;

· 0,8-1,1 микрона.

Към тях, в различни дизайни, се добавят канали в други части на спектъра:

в близкия инфрачервен диапазон,

в топлинна инфрачервена светлина,

панхроматичен канал, осигуряващ изображения с по-висока разделителна способност.

През последните години се наблюдава тенденция за създаване на хиперспектрални системи за изображения, които записват в 10 или повече канала.

Предимството на оптико-електронната фотография. Тяхната дискретна природа позволява да се представят снимки:

Като цифров запис на магнитна лента

Под формата на фотографско изображение (снимки).

Свързана информация.