–PAGE_BREAK–1. История развития сканирующих устройств.
Из всех компьютерных устройств, сканер – одно из самых старых по времени из изобретений. Системы для сканирования изображения являются неотъемлемой частью таких устройств, как фототелеграф, телефакс, телекамера и существуют уже более ста лет. В 1855 году итальянский физик Казелли создал прибор для передачи изображений, названный «пантелеграфом». В этом приборе игла сканировала изображение, нарисованное токопроводящими чернилами. С изобретением фотоэлемента был создан фототелеграф, в котором тонкий луч света перемещался по поверхности закрепленной на барабане фотографии. Свет, отражаясь от поверхности изображения, попадает на катод фотоэлемента, вызывая ток эмиссии, пропорциональный отражательной способности. В начале века немецким физиком Корном был создан фототелеграф, который ничем принципиально не отличается от современных барабанных сканеров. В нем происходит механическое сканирование изображения по двум координатам и освещается каждая точка в отдельности. Проходящий через нее свет воспринимается одним селеновым фотоприемником — следовательно, отсутствует погрешность, связанная с неидентичностью чувствительных элементов. Это самый старый и на сегодняшний день самый качественный, но и самый дорогой способ. Он не имеет принципиальных ограничений на число точек, из которых будет составлено изображение. Развитие полупроводниковых технологий позволило объединить несколько фотоприемников в одну линейку и обойтись перемещением только по одной координате. Это привело к рождению планшетных, рулонных, проекционных и ручных сканеров. Их оптическая схема абсолютно одинакова и может быть представлена в виде объектива, фокусирующего строку изображения на линейку фотоприемников. Различие заключается в способе перемещения фотографии, линейки фотоприемников и объектива. Обычно объектив и линейка фотоэлементов жестко связаны и перемещаются относительно фотографии. Разрешение подобных устройств обусловлено числом чувствительных элементов в линейке, и если ширина фотографии меньше рабочей поверхности сканера, то используется только часть фотоэлементов. В некоторых проекционных сканерах и студийных цифровых фотоаппаратах происходит перемещение линейки фотоприемников относительно изображения, сформированного неподвижным объективом. Проекционные сканеры позволяют сфокусировать объект на всю ширину линейки чувствительных элементов и, таким образом, вне зависимости от размера изображения получить максимально возможное разрешение.
Современный сканер функционально состоит из двух частей: собственно сканирующего механизма (engine) и программной части (TWAIN-модуль, система управления цветом и прочее).
Принцип работы (планшетный):
Оригинал располагается на прозрачном неподвижном стекле, вдоль которого передвигается сканирующая каретка с источником света (если сканируется прозрачный оригинал, используется так называемый слайд-модуль — крышка, в которой параллельно сканирующей каретке сканера перемещается вторая лампа).
Оптическая система сканера (состоит из обьектива и зеркал или призмы) проецирует световой поток от сканируемого оригинала на приёмный элемент, осуществляющий разделение информации о цветах — три параллельных линейки из равного числа отдельных светочувствительных элементов, принимающие информацию о содержании «своих» цветов. В трёхпроходных сканерах используются лампы разных цветов или же меняющиеся светофильтры на лампе или CCD-матрице. Приёмный элемент преобразует уровень освещенности в уровень напряжения (все ещё аналоговую информацию). Далее, после возможной коррекции и обработки, аналоговый сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). С АЦП информация выходит уже в двоичном виде и, после обработки в контроллере сканера через интерфейс с компьютером поступает в драйвер сканера — обычно это так называемый TWAIN-модуль, с которым уже взаимодействуют прикладные программы.
Классификация современных сканеров:
1.1 Ручные сканеры
В основу работы ручных сканеров положен процесс регистрации отраженных лучей светодиодов от поверхности сканируемого документа. Для того чтобы ввести в компьютер какой-либо документ при помощи этого устройства, надо без резких движений провести сканирующей головкой по соответствующему изображению. Таким образом, проблема перемещения считывающей головки относительно бумаги целиком ложится на пользователя. Равномерность перемещения сканера существенно сказывается на качестве вводимого в компьютер изображения. В ряде моделей для подтверждения нормального ввода имеется специальный индикатор. Ширина вводимого изображения для ручных сканеров не превышает обычно 4 дюймов (10 см). В некоторых моделях ручных сканеров для повышения разрешающей способности уменьшают ширину вводимого изображения. Современные ручные сканеры могут обеспечивать автоматическую «склейку» вводимого изображения, то есть формируют целое изображение из отдельно вводимых его частей. Благодаря этому, при помощи ручного сканера невозможно ввести изображения даже формата А4 за один проход.
К основным достоинствам такого типа сканеров относятся:
низкая стоимость. Поскольку в ручных сканерах в качестве позиционирующего модуля выступает пользователь, отпадает необходимость в этом дорогом элементе; портативность. С появлением ручных сканеров, подключаемых к параллельному порту, их можно использовать как с настольными, так и с портативными компьютерами;
сканирование книг без их повреждения. С помощью ручного сканера можно отсканировать книгу, не сгибая и не разрывая ее. Это особенно важно при сканировании старинных книг или древних манускриптов.
Первые модели ручных сканеров подключались к компьютеру с помощью интерфейсной карты, которой необходимо было выделять отдельное прерывание, канал прямого доступа к памяти и адрес ввода-вывода. В настоящее время практически все устройства этого класса подключаются к параллельному порту, освобождая, таким образом, необходимые ресурсы.
1.2 Настольные сканеры:
В России модели с реднего класса (настольные офисные сканеры документов) в силу своей универсальности являются наиболее часто используемым типом сканерного оборудования. Настольные сканеры называют и страничными, и. планшетными, и даже авто сканерами. Такие сканеры позволяют вводить изображения размерами 8,5 на 11 или 8,5 на 14 дюймов. Они выпускаются со SCSI или скоростными видео- интерфейсами, обычно допускают сканирование с планшета или с использованием интегрированного устройства автоподачи документов. Существуют три разновидности настольных сканеров: планшетные (flatbed), рулонные (shett-fed) и проекционные(overhead).
продолжение
–PAGE_BREAK–1.3 Планшетные сканеры
Планшетные сканеры, особенно предназначенные для чего-то кроме подарка или использования в качестве игрушки, при внешней простоте являются весьма интересными и довольно сложными опто-электронно-механическими устройствами. Однако конструкция их устоялась, производство хорошо налажено и технологически не является чем-то запредельным, так что обычно планшетные сканеры в ценовом диапазоне до 10000 долларов (включая такие известные имена, как AGFA, Linotype-Hell и UMAX) производятся на Тайване.
Основным отличием планшетных сканеров является то, что сканирующая головка перемещается относительно бумаги с помощью шагового двигателя. Понятно, что рассмотренная конструкция изделия позволяет сканировать не только отдельные листы, но и страницы журнала или книги.
Оптическое разрешение настольных сканеров регулируется в диапазоне 100-800 dpi. Скорости сканирования достигают 64 страниц в минуту. На планшетных настольных сканерах можно сканировать неразброшюрованные документы, книжные страницы, документы нестандартного размера или полиграфического исполнения. Универсальный характер устройств подчеркивается в последнее время выпуском моделей, позволяющих наряду со скоростным вводом документов полноценно (до 16.7 млн. цветов) сканировать в цвете. Несмотря на то, что паспортная производительность отдельных моделей настольных сканеров не уступает и даже, иной раз, превосходит соответствующие показатели специализированных производственных сканеров, во избежание частых замен изнашивающихся элементов устройства (главным образом, ламп, роликов и прокладок), настольные модели не следует использовать в режимах полносменного или круглосуточного сканирования. При условии непревышения рекомендованных дневных нагрузок (приблизительно 5 часов сканирования в день) среднее время между отказами для старших моделей настольных скоростных сканеров составляет около трех лет (при этом в зависимости от модели после сканирования каждых 100-200 тысяч страниц потребуется замена расходуемых элементов — consumables).
Схема для трехпроходного сканера
Планшетные сканеры в свою очередь классифицируются на однопроходные или трехпроходные.
Раньше для цветного сканирования приходилось использовать трехпроходную технологию, то есть первый проход с красным фильтром для получения красной составляющей, второй — для зеленой составляющей и третий — для синей. Такой метод имеет два существенных недостатка: малая скорость работы и проблема объединения трех отдельных сканов в один, с вытекающим отсюда несовмещением цветов. Решением стало создания True Color CCD, позволяющих воспринимать все три цветовые составляющие цветного изображения за один проход. Cейчас на рынке нет трехпроходных сканеров.
Схема для однопроходного сканера
True Color CCD является стандартом на данный момент и в мире уже никто не выпускает трехпроходные сканеры. Однопроходные сканеры используют одну из двух подсистем для получения данных о цвете изображения: некоторые используют ПЗС со специальным покрытием, которое фильтрует цвет по составляющим, другие используют призму для разделения цветов. 1.4 Рулонные сканеры
Рулонные сканеры представляют собой монохромные устройства, предназначенные главным образом для ввода документов в машину, с помощью оптического распознавания символов OCR (Optical Character Recognition). Работа рулонных сканеров происходит следующим образом: отдельные листы документов протягиваются через такое устройство, при этом и осуществляется их сканирование. Таким образом, в данном случае сканирующая головка остается на месте, уже относительно нее перемещается бумага. Понятно, что в этом случае сканирование страниц книг и журналов просто невозможно. Для удобства работы рулонные сканеры обычно оснащаются устройствами для автоматической подачи страниц.
1.5 Проекционные сканеры
Разновидность настольных сканеров — проекционные сканеры, которые напоминают своеобразный проекционный аппарат (или фотоувеличитель). Вводимый документ кладется на поверхность сканирования изображением вверх, блок сканирования находится при этом также сверху. Перемещается только сканирующее устройство. Основной особенностью данных сканеров является возможность сканирования проекций трехмерных изображений. Комбинированный сканер обеспечивает работу в двух режимах: протягивания листов (сканирование оригиналов форматом от визитной карточки до21,6 см) и самодвижущегося сканера. Для реализации последнего режима сканера необходимо снять нижнюю крышку. При этом валики, которые обычно протягивают бумагу, служат для передвижения сканера по сканируемой поверхности. Хотя понятно, что ширина вводимого сканером изображения в обоих режимах не изменяется (чуть больше формата А4), однако в самодвижущемся режиме можно сканировать изображение с листа бумаги, превышающего этот формат, или вводить информацию со страниц книги.
2. Описание процесса сканирования
Чтобы сканировать документ, сканер использует световые и светочувствительные элементы:
Лампа излучает свет, чтобы осветить документ.
Свет отражается от документа и фиксируется светочувствительными элементами.
Светочувствительные элементы превращают полученный свет в электрическое напряжение.
Это напряжение аналогового сигнала преобразуется в цифровые сигналы (0 и 1), которые могут быть поняты компьютером.
Поскольку отраженный свет изменяется со свойствами документа полученное напряжение точно описывает документ. Например, свет отражённый красным пятном на документе отличается от света отражённого синим пятном.
продолжение
–PAGE_BREAK–2.1 Механизм сканера
Сегодня многочисленные типы сканеров, типа карманных сканеров, сканеров с протяжкой листов, планшетных сканеров, сканеров фотографий, устройства барабанного типа или даже трёхмерные сканеры широко представлены на рынке. Однако, планшетные сканеры наиболее популярные и повседневно используемые, поэтому в этой статье сосредоточимся на планшетном механизме сканера.
Планшетный механизм CCD сканера состоит из следующих частей:
Стекло (документодержатель) Документ, который будет сканирован размещается на стекле. Верхняя крышка Верхняя крышка должена быть закрыта перед сканированием документа, поскольку внешний свет воздействует на качество сканирования. Лампа Лампа излучает свет, чтобы освятить документ, который будет сканирован. Сканирующая головка Сканирующаяся головка состоит из лампы, зеркал, линзы, фильтров и светочувствительного элемента. Она медленно перемещается поперек документа с помощью ленты синхронизации, которая присоединена к мотору каретки. Зеркала Зеркала направляют отраженный свет прямо на линзу. Линза Линза фокусирует изображение через фильтр на светочувствительный элемент. Фильтры 3 фильтра для красного, зелёного и синего цветов делят избражение на красную, зелёную и синюю части изображения. CCD (светочувствительный элемент) Светочувствительный элемент превращает принятый свет в электрическое напряжение. AD преобразователь AD преобразователь трансформирует электрическое напряжение в цифровые сигналы, которые могут быть распознаны компьютером. Мотор каретки Мотор каретки — это шаговый двигатель, который перемещает сканирующую головку с помощью ленты синхронизации поперек документа. Лента синхронизации Лента синхронизации присоединена к мотору каретки и сканирующей головке, и передаёт движущую силу мотора каретки на сканирующую головку. HP датчик (Home Position) Датчик положения определяет позицию начала сканирования.
2.2Процесс сканирования
В анимированом процессе сканирования(см. изображение ниже) можно наблюдать как сканирующая головка двигается поперёк документа, постепенно переводя оригинал документа в цифровой формат.
Вы можете видеть как лампа излучает свет, который освещает документ, а затем отражается и направляется посредством зеркал к линзе и через неё и светофильтры на светочувствительный элемент. Светочувствительный элемент превращает свет в электрическое напряжение, которое преобразуется в цифровой сигнал посредством AD преобразователя. Полученные цифровые сигналы передаются на компьютер.
Сканирующаяся головка перемещается вдоль документа сканируя линию за линией. После каждой линии полученная информация передаётся на компьютер.
2.3 Принцип работы CCD (светочувствительный элемент)
Светочувствительный элемент — это главный компонент сканера, поскольку он превращает отражённый свет в читаемую компьютером информацию.
CCD это аббревиатура от Charge Coupled Device(полупроводниковая светочувствительная матрица).
Светочувствительный элемент состоит из нескольких крошечных светочувствительных диодов, названных фотоячейками(photosites), размещенными в ряд. Фотоячейки могут переводить фотоны(свет) в электроны(электрический заряд). Электрический заряд начинает накапливаться в случае попадания света на фотоячейку, и затем переносится электрическое напряжение. Чем более яркий свет, который поражает каждую фотоячейку, тем больше электрический заряд, который накапливается на этой фотоячейке, и выше напряжение, переданное этой фотоячейкой.
Изображение состоит из многочисленных элементов изображения(пикселей). Каждая фотоячейка фиксирует один пиксель в линии. Как только первая линия со сканирована, мотор каретки перемещает светочувствительный элемент к следующей линии.
2.4 Принцип работы AD преобразователя
AD преобразователь конвертирует значения напряжения аналогового сигнала, переданное фотоячейками, в цифровые сигналы, которые могут быть поняты компьютером.
Цифровые сигналы описывают документ менее точно чем значения напряжения аналогового сигнала. Это связано с тем, что аналоговые средние величины, которые устанавливают каждый отдельный уровень яркости, могут быть превращены в удельное значение напряжения аналогового сигнала, однако компьютеры понимают только два цифровых значения: 0 (выкл.) и 1 (вкл.). Поэтому, для того чтоб представить более чем два аналоговых значения, используются комбинации из этих двух цифровых значений.
Например, если цифровой сигнал составлен из 4 цифр, 16 значений напряжения аналогового сигнала могут быть представлены цифровым сигналом как 2(4) =16 /два в четвёртой степени/. В этом случае возможны следующие комбинации: 0000, 0001, 0010, 0100, 1000, 0011, 0101, 1001, 0110, 1010, 1100, 0111, 1011, 1101, 1110, 1111. Эти цифры называют битами. На следующем рисунке представлена схема 4-х битового сигнала, который не может полностью представить весь диапазон значений напряжений, поскольку 16 сигналов недостаточно, чтобы представить хотя бы приближённую характеристику каждого значения напряжения.
Как мы можем видеть в примере выше, 4 битовых сигнала только в состоянии представить 16 различных значений. Эти средние величины могут установить только 16 уровней яркости в пикселе, которых явно недостаточно для отображения со сканированного изображения в среднем качестве. Поэтому, для представления хорошей градации яркости, обычно используются 8 битовые сигналы. Так 2(8)=256 /два в восьмой степени/, устанавливает 256 уровней яркости, которые могут быть представлены в пикселе. 8 битов также называют 1 байтом.
продолжение
–PAGE_BREAK–2.5 Процесс распознавания сканером цвета
Для распознавания и представления цветов сканер использует систему цветов RGB(red, green, blue), которая основана на трёх цветах: красный, зелёный и синий. Другие цвета получаются путём смешения этих трёх в различных пропорциях. Если красный, зелёный и синий цвета смешаны в равном соотношении, получается белый цвет.
Поскольку все цвета системы RGB составлены из красного, зелёного и синего цветов, они могут быть со сканированы отдельно и воссоединены позже. Это делается посредством светофильтров. Сканер оборудован одним фильтром для красного цвета, одним фильтром для зелёного и одним для синего. Отраженный свет проходит через соответствующий фильтр и попадает на светочувствительный элемент. Фотоячейка получает заряд напряжения, которое затем, с помощью AD преобразователя, конвертируется в цифровой сигнал. После того как докумет со сканирован, 3 цветных изображения воссоединяются, чтобы корректно отобразить оригинал.
Возвращаясь к уровням яркости цветного изображения: если AD преобразователь использует 8 битовых сигналов, чтобы представить уровень яркости каждого цвета, то получается 2(8) = 256 оттенков красного цвета, 2(8) = 256 оттенков зелёного и 2(8) = 256 оттенков синего, которые могут быть представлены в пикселе. Комбинируя эти цвета можно получить 2(24) = 16.7 миллионов цветов в целом, которые могут быть представлены в пикселе.
2.6 Технические данные
1) Разрешающая способность
Разрешающая способность говорит нам сколько пикселей или точек на дюйм может быть зафиксировано и обозначено в ppi (пиксели на дюйм) или dpi (точки на дюйм). Чем больше пикселей или точек зафиксированы, тем выше детализация в со сканированном изображении. Разрешающая способность 300 x 300 dpi соответствует 90 000 точкам в сумме на участке в один квадратный дюйм.
Оптическая разрешающая способность
Оптическая разрешающая способность зависит от количества фотоячеек на светочувствительном элементе (горизонтальная оптическая разрешающая способность) и от размера шага мотора каретки, который перемещает светочувствительный элемент поперек документа (вертикальная оптическая разрешающая способность).
2.7 Интерполированная разрешающая способность
Принимая во внимание, что оптическая разрешающая способность может быть достигнута техническими средствами, интерполированная разрешающая способность достигнута программным обеспечением сканера. Посредством алгоритмов программное обеспечение создает дополнительные(виртуальные) пиксели между реальными пикселями, зафиксированными светочувствительным элементом, таким образом достигается максимально возможная разрешающая способность. Эти дополнительные пиксели — это усреднённое значение цвета, и яркости полученное из смежных пикселей. Поскольку эти дополнительные пиксели реально не отражают сканируемый документ, они менее точны и не расширяют качество изображения. Поэтому по критерию качества картинки для сканера оптическое значение разрешающей способности более важно.
Иногда, однако, интерполяция важна когда горизонтальная оптическая разрешающая способность, которая зависит от количества фотоячеек на светочувствительном элементе, ограничена. Например, если бы сканер работал с оптической разрешающей способностью 300 x600 точек на дюйм, со сканированное изображение было бы деформировано, поскольку горизонтальная оптическая разрешающая способность ниже чем вертикальная оптическая разрешающая способность. В этом случае оптическая разрешающая способность должна быть интерполирована, чтобы достигнуть 600 x600 точек на дюйм.
2) Глубина цвета
Глубина цвета, также называют битовой глубиной, указывает сколько цветов может быть представлено в пикселе. Это зависит от чувствительности ADпреобразователя. ADпреобразователь, который использует 8 битовых сигналов, может представить 2(8)=256 уровней яркости для каждого цвета (красный, зелёный, синий) и таким образом получаем 2(24) = 16.7 миллионов цветов в сумме. В этом случае мы имеем глубину цвета 24 бита.
Внутренняя и внешняя глубина цвета
Некоторые сканеры различаются по внутренней и внешней глубине цвета. Внутренняя глубина цвета указывает, сколько цветов может быть представлено ADпреобразователем. Внешняя глубина цвета указывает, сколько цветов сканер фактически способен передать компьютеру. Внешняя глубина цвета может быть ниже чем внутренняя глубина. В этом случае сканер выбирает наиболее соответствующие цвета и передаёт их компьютеру.
Глубина цвета и качество
Для сканирования черно-белых документов глубины цвета в 1 бит (0 или 1) — достаточно. Для сканирования цветных документов необходимо гораздо большее количество битов. Если сканировать документ с глубиной цвета 24 бита(16,7 миллионов цветов), то получится почти фотографическое качество, которое упоминается как truecolor(истинный цвет). Хотя на данный момент большинство сканеров, представленных на рынке, работают с внутренней и внешней глубиной цвета в 48 битов.
3) Оптическая плотность
Оптическая плотность — это мера непрозрачности зоны изображения. Она указывает степень светового отражения этой зоны. Более темная зона — менее слабое отражение. Диапазон от самой яркой зоны(белый цвет) к самой темной зоне(чёрный цвет) в изображении — это диапазон плотности или динамический диапазон.
Оптическая плотность измерена с оптическими денситометрами, и располагается от 0 до 4, где 0 — чистый белый цвет (Dmin), и 4 является очень черным (Dmax).
При узком динамическом диапазоне сканер может не фиксировать часть деталей изображения и терять информацию. Самое яркое значение, которое может фиксироваться, называется Dmin, а самое темное значение Dmax. Чтобы получить лучшие результаты, динамический диапазон сканера должен включать динамический диапазон документа, который будет сканирован.
В этом случае динамический диапазон сканера включает динамический диапазон документа так, что многочисленные детали в белых и черных зонах могут быть зафиксированы устройством.
Динамический диапазон сканируемых оригиналов варьируется от документа к документу.
Как можно видеть из таблицы выше, сканер должен иметь особенно широкий динамический диапазон для работы с негативами или слайдами — это основные свойства присущие фотосканерам. Возможный динамический диапазон сканера зависит от нескольких факторов, таких как глубина цвета AD преобразователя, беспримесность(чистота) света лампы и светофильтров, и помех системы(шум).
продолжение
–PAGE_BREAK–3. CCD или CIS: технологии сканеров
Существует две технологии светочувствительных элементов:
3.1 CCD– светочувствительный элемент на основе ПЗС (приборов с зарядной связью). Обычно, представляет собой полоску светочувствительных элементов.
В процессе движения каретки, свет от лампы отражается от сканируемого носителя и проходя через систему линз и зеркал, попадает на светочувствительные элементы, которые формируют фрагмент изображения.
Двигаясь, каретка проходит под всем носителем, и сканер составляет общую картину из последовательно “сфотографированных” фрагментов – изображение носителя…
Технология сканеров на основе ПЗС довольно старая и, надо сказать, лидирующая в данный момент. Она обладает следующими положительными моментами:
1) CCD-сканер обеспечивает большую глубину резкости. Это означает, что даже если вы сканируете, скажем, толстую книгу, то место переплета, которое обычно сложно полностью прижать к стеклу, тем не менее будет отсканировано с приемлемым качеством.
2) CCD-сканер обеспечивает большую чувствительность к оттенкам цветов. Хотя, этот аргумент “ЗА” ПЗС многие называют спорным, но часто ПЗС-сканеры действительно распознают больше цветов, чем сканеры другой конкурирующей технологии, которую мы рассмотрим ниже.
3) ПЗС-сканеры обладают большим сроком службы. Как правило – 10 000 часов.
Основные недостатки:
1. Большая чувствительность к механическим воздействиям (ударам и т.п.).
2. Сложность оптической системы может нуждаться в калибровке и/или очистке от частиц пыли, через определенное время эксплуатации.
3.2 CIS(ContactImageSensor)– светочувствительный элемент представляет собой линейку одинаковых фотодатчиков, равную по ширине рабочему полю сканирования, непосредственно воспринимающих световой поток от оригинала. Оптическая система – зеркала, преломляющая призма, объектив – полностью отсутствует.
Это достаточно молодая технология, которую активно развивает и продвигает компания Canon.
Основные плюсы:
1) Сканер получается довольно тонким. Из-за отсутствия оптической системы. Конечное изделие имеет стильный дизайн.
2) Сканер получается дешевым, т.к. производство CIS-элементов обходится дешево.
3) Т.к. в CIS-сканере ртутная лампа заменена светодиодами, получаем несколько плюсов: отсутствие отдельного блока питания (сканер получает питание по USBкабелю), постоянную готовность к работе (не требуется время на прогрев лампы – можно сразу приступать к сканированию после того, как пользователь даст команду); и достаточно высокую скорость сканирования (которая опять же выходит из того, что сканеру не требуется греть лампу).
4) Отсутствие потребности в дополнительном питании из розетки делает сканер мобильным: он обладает малым весом и компактными размерами, его можно носить с собой вместе с ноутбуком; можно сканировать в любое время и в любом месте, даже если ноутбук работает от батареи.
5) CIS-сканеры работают, как правило, гораздо тише CCD-сканеров.
6) Считается, что отсутствие оптики делает CIS-сканер менее чувствительным к внешним механическим воздействиям, т.е. его труднее испортить неаккуратным обращением. Но следует учесть также и то, что стекло планшета у такого сканера часто тоньше, чем у его конкурента с оптикой.
Основные недостатки: CIS-элементов:
1) Из-за отсутствия оптической системы, светочувствительный элемент имеет малую глубину резкости. До 10-ти раз меньше, чем CCD-сканер. Это означает, что сканирование толстых книг затруднено, т.к. носитель должен быть максимально плотно прижат к стеклу.
2) CIS-сканер теряет примерно 30% яркости после 500-700 часов работы. Конечно, обычно для для домашнего использования это часто не критично, но для тех, кто сканирует часто и много – это может стать решающим фактором в выборе.
3) CIS-сканер, как правило, обладает меньшим цветовым охватом, чем CCD, однако, в последнее время разрыв между этими технологии по цветовому охвату либо незначителен, либо отсутствует вовсе.
4. 3D сканирование
В настоящее время для решения строительных и архитектурных задач широко используется тахеометрическая съемка, которая позволяет получить координаты объектов, а затем представить их в графическом виде. Тахеометрическая съемка позволяет проводить измерения с точностью до нескольких миллиметров, при этом скорость измерения тахеометра не более 2 измерений в секунду. Такой метод эффективен при съемке разреженной, незагруженной объектами площади. Очевидными недостатками такой технологии являются малая скорость проведения измерений, и неэффективность съемки загруженных площадей, таких как фасады зданий, заводов с площадь превышающей 2 га, а так же малая плотность точек на 1м2.
Одним из возможных способов решения данных проблем является применение новых современных технологий исследования, а именно лазерного сканирования.
Лазерное сканирование – технология, позволяющая создать цифровую трехмерную модель объекта, представив его набором точек с пространственными координатами. Технология основана на использовании новых геодезических приборов – лазерных сканеров, измеряющих координаты точек поверхности объекта с высокой скоростью порядка нескольких десятков тысяч точек в секунду. Полученный набор точек называется «облаком точек» и впоследствии может быть представлен в виде трехмерной модели объекта, плоского чертежа, набора сечений, поверхности и т.д.
Более полную цифровую картину невозможно представить никаким другим из известных способов. Процесс съемки полностью автоматизирован, а участие оператора сводится лишь к подготовке сканера к работе.
Аппаратура и программное обеспечение
4.1 Описание сканирующей системы
В состав сканирующей системы входит: транспортный ящик, трегер, штатив, Ethernet-кабель связи сканера с компьютером, кейс с принадлежностями (аккумулятор, кабель соединения сканера и аккумулятора, зарядное устройство), программное обеспечение Cyclone 6.0
Рис. 1 Сканирующее устройство LeicaScanStation2.
Сканирующее устройство имеет подвижную часть и неподвижную (рис.1). На подвижной части прибор имеет два рабочих окна, фронтальное и верхнее, видимая область этих окон называется полем зрения прибора. Сканируемая область сканера 3600 по горизонтали и 2700 по вертикали.
На неподвижной части находятся индикаторы «готовности» и три входа: два под аккумуляторы, один под Ethernet – подключение. Внутри сканера установлена система зеркал, управляемых специальными двигателями, которые направляют сканирующий лазер под нужным углом сканирования.
4.2 Технические характеристики
Технические характеристики представлены в таблице 1.
Таблица 1 Технические характеристики сканера.
Точность определения положения точки
4 мм на 50 м
Точность измерения расстояния, мм
4
Угловая точность (по вертикали/
/горизонтали), микрорадиан
60
Тип лазера
Импульсный лазерный сканер с двухосевым компенсатором
Размер пятна лазера
до 4 мм на 50-и метрах
Максимальное расстояние
до 300 м при отражении 90%
Частота сканирования
до 50000 точек в секунду
Избирательность по вертикали/
/горизонтали
1,2 мм между точками на 50 м
Точек по вертикали, максимум
5000
Точек по горизонтали, максимум
20000
Поле зрения по вертикали, °
270
Поле зрения по горизонтали, °
360
Видоискатель
встроенная цифровая камера
Видео наведение
Разрешение определяется пользователем. Одно фото 24°х24° (1024х1024 пикселей). Поле зрения 360°х270° — 111 фото.
Длительность работы от аккумулятора
до 6 часов
Рабочая температура, °С
0° — +40°С
Температура хранения, °С
-25° — +65°С
Размеры сканера, мм
265 х 370 х 510
Вес сканера, кг
18,5
Размеры аккумулятора, мм
165 х 236 х 215
Вес аккумулятора, кг
12
4.3Программное обеспечение Cyclone 6.0
Программное обеспечение играет чрезвычайно важную роль в быстрой и эффективной обработке «облаков точек», полученных в результате съемок высокого разрешения. Cyclone включает полный набор программных модулей для наиболее удобной обработки облаков точек.
Cyclone – это набор программных модулей Leica HDS (рис.2), который считается многими специалистами, работающими в области лазерного сканирования, настоящим стандартом для решения задач сканирования, визуализации, измерения, построения трехмерных моделей и чертежей, анализа данных и представления результата в традиционной форме или для решения других задач. С применением модуля Cyclone CloudWorx процесс обучения сводится к изучению использования трехмерных облаков точек в программных комплексах САПР.
Рис. 2 Общий порядок обработки облаков точек в Cyclone.
Cyclone — программный комплекс, который предоставляет весьма широкий набор средств для различных вариантов обработки трехмерных данных лазерного сканирования в инженерии, геодезии, строительстве и других областях применения.
Всеобъемлющая полнота трехмерных облаков точек является основным достоинством по сравнению с другими источниками геометрической информации. Уникальная архитектура программы Cyclone основана на объектно-ориентированной базе данных, работающей по технологии Клиент/Сервер. Это технология предоставляет самую высокую скорость отображения данных при обработке проектов лазерного сканирования. Программа Cyclone дает возможность эффективно управлять данными лазерного сканирования, при этом сохраняется прозрачность обслуживания базы данных, то есть не требуются какие-либо специальные знания по управлению баз данных. Все данные — облака точек, изображения, топопривязка, результаты уравнивания, измерения, модели объектов и многое другое хранятся в одном файле. Тем самым нет необходимости перезаписывать или пересылать информацию из одного модуля в другой и т.д.
Технология Клиент/Сервер позволяет одновременно работать до 10 специалистов над одним проектом.
Для ускорения работы можно перейти в однопользовательский режим. Тем самым увеличение скорости отображения и обработки массивов точек составляет до 2-4 раз.
Cycloneсостоит из отдельных модулей, встраиваемых в единую программную оболочку. Различные модули предназначены для решения отдельных задачобщего процесса обработки данных трехмерного лазерного сканирования.
4.3.1 Cyclone-SCAN — управление сканером
Cyclone-SCAN — это модуль для управления работой сканера LeicaScanStation2. Пользователь может настраивать плотность сканирования, фильтрацию данных, создавать собственные макрокоманды, сканировать и автоматически распознавать плоские и сферические визирные цели Leica Geosystems HDS. При всем функциональном богатстве работать с Cyclone-SCAN очень легко из-за простого и понятного интерфейса.
Функциональные возможности Cyclone-Scan:
– Пространственное перемещение, масштабирование, разворот в режиме реального времени, изменение цвета точек по материалам цифровой фотографии или по другим условиям для точек, поверхностей и смоделированных тел.
– Трехмерная визуализация во время сканирования
– Регулирование уровня детализации облаков точек и трехмерных моделей для ускорения визуализации.
– Настройки для быстрой переотрисовки облаков точек в сетях треугольников (TIN)
– Прореживание облаков точек (каждая n-ная точка)
– Визуализация облаков точек по значению интенсивности или по цвету
– Ограничение объема визуализируемых точек по выбранному региону или срезу для быстрого черчения
– Предварительная установка среднего расстояния до объекта по единичному направленному измерению
– Автоматическое создание цифровой мозаики для панорамного снимка
– Панорамный просмотр для цифрового изображения
– Геодезическая привязка по пунктам известного геодезического обоснования
– Установка высоты инструмента перед сканированием
– Установка высоты визирной цели
– Функция Установи-и-сканируй (Point-and-scan) QuickScan™ для интерактивной установки горизонтального окна съемки
– Фильтрация для возможного исключения «лишних» данных:
a) Ограничение области сканирования по прямоугольнику или произвольному многоугольнику
b) Ограничение диапазона по дальности
c) Ограничение по интенсивности отраженного сигнала
d) Все предварительные установки настройки сканирования могут быть записаны и вызваны в любой момент. Есть готовый список стандартных установок сканирования
e) Настройка качества проверки совмещения
– Измерения расстояний, площадей и объемов по отдельным точкам и по готовым моделям:
a) Наклонные расстояния
b) Расстояния DX, DY, DZ
c) Создание и редактирование подписей
d) Создание и управление слоями
e) Назначение цветов и материалов объектам
f) Просмотр с позиции сканера и указание его местоположения
g) Искусственная настройка подсветки точек и моделей
h) Сохранение/вызов текущих сцен
i) Сохранение сцены в качестве файла с изображением (screen-shot)
j) Автоматизация при сканировании визирных марок HDS
– Входные форматы:
a) ASCII (XYZ, SVY, PTS, PTX, TXT)
b) CycloneObject Exchange (COE) (COE Data Transfer Products)
c) BMP, JPEG, TIFF
– Выходные форматы:
a) ASCII (XYZ, SVY, PTS, PTX, TXT)
b) BMP, JPEG, TIFF
c) CycloneObject Exchange (COE) format (COE Data Transfer Products)
4.3.2 Cyclone-REGISTER — уравнивание облаков точек
В Cyclone-REGISTER есть все функции для быстрого и точного уравнивания облаков точек, сделанных с различных точек съемки. Cyclone-REGISTER автоматически распознает стандартные визирные марки Leica Geosystems HDS, а также связывает сканы по характерным связующим точкам без визирных марок. Это дает возможность оптимального распределения количества точек стояния и визирных марок и экономит время работы в поле и в офисе.
В Cyclone-Register есть две технологии уранивания облаков точек:
Рис. 3 Список точек привязки между сканами
Первая — уравнивание с помощью сканирования и распознавания специальных визирных марок HDS (рис.3). Марки могут быть как квадратными, так и круглыми, приклеивающимися, с магнитным основанием, устанавливаемыми на штатив, сдвоенные на одной вехе — для удобного определения системы координат, с устанавливаемой призмой — для наилучшего взаимодействия с тахеометрическими измерениями. Все они сделаны таким образом, чтобы их можно было просто найти при полевых съемках и однозначно дешифрировать на сканах. Облака точек можно уравнивать в локальную или государственную систему координат с использованием результатов измерений тахеометром на те же визирные марки. Удобный интерфейс уравнивания позволяет отключать или подключать отдельные точки, устанавливать веса, анализировать ошибки – все это служит оптимальному уравниванию.
Рис. 4 Пример «сшивки» сканов по общим точкам
Вторая технология — поиск связующих точек по общим характерным контурам, отображенным в местах перекрытия отдельных сканов (рис.4). Эта технология называется построение связующих по облаку точек (Cloud Constraints). Она позволяет уравнивать облака точек без использования визирных марок. На двух сканах выбираются минимум три общих контурных точки. Программа выделяет некоторую область вокруг этих точек и уравнивает общее геометрическое построение как совокупность всех точек. Оценить результат такого уравнивания можно дважды – по цифровому отчету и по визуальному сравнению наложения двух облаков. В результате появляется новая связь, которая уравнивается также как результаты измерения визирных марок. Подобная технология уменьшает время выполнения съемки в поле и позволяет использовать процесс лазерного сканирования более гибко.
Рис. 5 Отчет с диагностикой результата уравнивания
После каждого уравнивания можно получить детализированный отчет с диагностикой результата уравнивания (рис.5). В статистический отчет включено все полученные ошибки по каждому отдельному элементу уравнивания, по каждому отдельному облаку точек можно узнать общую среднеквадратическую ошибку преобразования координат и углы разворота.
Модульная концепция Cyclone способствует более гибкому подходу для создания оптимального рабочего процесса для любых индивидуальных требований клиента. Cyclone-REGISTER позволяет быстро и надежно уравнять сканы, сделанные с различных позиций, в единую систему координат. Cyclone-MODEL — следующий модуль, предназначенный для обработки облака точек — создание чертежей, трехмерных моделей, измерения, анализа данных, записи отдельных изображений и целых видеофильмов и многое другое.
продолжение
–PAGE_BREAK–