Файл: Колледж Инфраструктурных Технологий.docx

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации ФГАОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова»

Колледж Инфраструктурных Технологий

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6

Изучение новейших технологий сканеров.

Выполнил:

Протопопов Айылган

Шумилов Денис

Проверил:

Преподаватель

Миронов Э. Ю.

Якутск 2023

Цель работы: Изучить технологию сканирования ВЕТ и ее возможности.

Способствовать формированию соответствующих общих и профессиональных компетенций: ОК-01, ОК-02, ОК-03, ОК-04, ОК-09.
Средства для выполнения работы:

• 
  аппаратные: ПК;
  
• 
  СЭДО СВФУ (Мoodle) - Портал электронного обучения СВФУ
  

ОП.02 Архитектура аппаратных средств
Подготовка к выполнению лабораторной работы:

1. 
   Изучить теоретический материал из методических указаний лабораторной работы.
   
2. 
   С помощью рабочего ПК и сканера изучить принцип работы, основные параметры и технические характеристики сканеров, изучить технологии сканирования BET.
   
3. 
   Проверить свои знания по контрольным вопросам и сдать лабораторную работу.
   

I. Теоретическая часть
Сканером называется устройство, позволяющее вводить в компьютер в графическом виде текст, рисунки, слайды, фотографии и др. На рис. 12 изображена общая схема устройства сканера. Свет, идущий от источника освещения, попадает на оригинал в определенной точке. Отразившись от него, свет попадает на оптическую систему сканера. Она состоит из зеркал и объектива (иногда роль оптической системы может играть просто призма). Оптическая система фокусирует свет на фотопринимающем элементе, роль которого — преобразо­вание интенсивности падающего света в электронный вид.

Принцип работы сканера состоит в следующем: в результате преобразования света получается электрический сигнал, содержащий информацию об активности цвета в исходной точке сканируемого изображения. После оцифровки аналогового сигнала в АЦП цифровой сигнал через аппаратный интерфейс сканера идет в компьютер, где его получает и анализирует программа для работы со сканером. После окончания одного такого цикла (освещение оригинала — получение сигнала — преобразование сигнала — получение его программой) источник света и приемник светового отражения перемещается относительно оригинала.

---

При любом сканировании хочется получить как можно лучшее изображение максимально похожее на оригинал.

На рисунке приведена блок-схема типового 36-битного сканера.


Рис.13 – Блок схема обычного сканера
При сканировании изображения, данные о нем поступают на фотопринимающую ПЗС (CCD) матрицу. Далее сигнал с матрицы передается на аналогово-цифровой преобразователь, который оцифровывает его для каждого из трех цветов. Шифрование происходит в 8, 10 или 12 разрядов.

К сожалению, часть информации теряется.

Причины потери части информации о сканируемом изображении:

1 Собственный шум матрицы и аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Хорошими характеристиками для CCD-матриц сканеров среднего класса считаются уровень шума 3-4mV и максимальный уровень выходного сигнала 1500mV. Соответственно, сигнал с такой CCD-матрицы содержит полезной информации в количестве, эквивалентном 8—9 бит. Получается следующая картина: 



Рис. 14 – Соотношение сигнал/шум в сканере среднего класса
Таким образом, в дешевых сканерах отношение сигнал-шум CCD-матриц таково, что с увеличением разрядности АЦП выше 8 бит может просто увеличиваться количество младших бит, наполненных шумом. При этом АЦП дешевых «36 бит» сканеров зачастую имеют высокий уровень собственного шума, что дополнительно уменьшает количество полезной информации.

2 Цифровые преобразования информации в процессе коррекции в контроллере сканера и программе сканирования.

После оцифровки цветовой информации в АЦП на каждом этапе дальнейших преобразований в контроллере сканера и программе сканирования – гамма-коррекции, коррекции по цветовому профилю, цветокоррекции, наложению фильтров в программе сканирования – еще большее количество младших разрядов перестают содержать полезную информацию. Это явление имеет чисто математическую природу – при операциях сложения и умножения, выполняемых над дискретными (оцифрованными) данными, в младших разрядах накапливаются погрешности вычислений.

В результате, полученная от сканера стандартной конструкции информация о цвете точки содержит меньше разрядов полезной информации, чем заявленная производителем «разрядность сканера» – часть разрядов «съедают» собственные шумы электронных компонентов и математические погрешности, накапливающиеся в процессе выполнения гамма-коррекции и других цифровых преобразований.

---

Оригинальное решение данной проблемы после долгих исследований нашла и реализовала в новейших моделях своих сканеров фирма UMAX. UMAX разработала уникальную технологию, именуемую Bit Enhancement Technology (BET). Эта технология заключается в очистке полезного сигнала от шумов CCD-линейки и АЦП с помощью построенного на основе запатентованного алгоритма 48-битного цифрового фильтра и выполнении гамма-коррекции в 48-битном пространстве, что позволяет после отсечения младших разрядов, уже не содержащих полезную информацию, получить 36 «чистых» бит цвета.



Рис. 15 – Очистка сигнала по ВЕТ технологии


Рис. 16 – Блок-схема сканера UMAX с Bit Enhancement Technology.
Для фильтрации шумов одна и та же линия сканируется несколько раз, после чего результаты усредняются, а все отклонения от средних значений считаются шумами. Помимо этого в таких сканерах используются аналоговая цепь коррекции теней и 48-битный цифровой фильтр на основе улучшенного алгоритма «Nearest-Neighbor Pixel» («ближайший пиксель окружения»), выполняющий функцию шумового фильтра сигнала, после чего производится гамма-коррекция.

Технология BET обеспечивает увеличение динамического диапазона, уменьшение общего шума, эффекта «пикселизации» и обеспечивает более гладкую тональную кривую на гистограмме даже при использовании корректирующих фильтров. Отсканированное полноцветное изображение содержит больше деталей, особенно в тенях, а цветовые переходы выглядят более естественными и плавными.

С использованием BET	Без использования BET
Результат сканирования с BET:	Результат сканирования без BET:

Рис. 17 – Сравнение результатов сканирования
II. Выполнение работы

---

1. 
   Схема строения планшетного сканера и основные элементы конструкции.
   

2. 
   Рассмотрите нанесенную на сканере маркировку, а также используя интернет ресурсы. Занесите данные в табл.6 (из интернета выбираете любую модель).
   

Таблица 6. – Основные характеристики сканеров

Фирма-производитель	Модель	Матрица	Оптическое разрешение	Глубина цвета	Скорость сканирования
Canon	CanoScan LiDE 400	CIS	4800 x 4800 точек на дюйм1	24 bit	25,4 мс

3. 
   Схематически изобразите конструкцию сканирующего блока сканера (это сканирующая часть внутри устройства).
   

4. 
   Проанализировать потребности и составить список характеристик, необходимых для выбора сканера. Порядок характеристик должен определяться их важностью для пользователя.
   

• 
  Фирма Avision
  
• 
  Цена 10000 - 40000
  
• 
  Тип сканера Планшетный
  

5. 
   Найти в сети Интернет информацию о сканерах и выбрать две-три модели, соответствующие указанным характеристикам. Произвести сравнительную характеристику выбранных моделей сканеров. (находите в интернете сканер соответствующий параметр характеристикам, указанным выше)
   

Название	Тип датчика	Цена	Глубина цвета
Документ-сканер Avision FB25	CIS	21 280 ₽	24 bit
Сканер Avision FB10	CIS	19 732 ₽	48 bit

6. 
   С помощью поисковой системы найдите в Интернете сведения о перспективах развития устройств сканирования. Полученные сведения добавьте в отчет.
   

Наиболее перспективным является развитие 3D-технологий, в том числе 3D-сканеров, технических устройств, которые позволяют определять параметры реального физического объекта, переводить его в графическое изображение или создавать его трехмерную копию. Такие цифровые модели отличаются высокой точностью и значительно экономят время, а потому 3D-сканеры получают все больше признания в самых разных областях жизни. Сканируются сейчас не только формы, но и цветовая гамма. Если говорить о применении, то в первую очередь стоит отметить их пользу в развивающихся отраслях медицины – протезировании, хирургии, ортопедии. При помощи 3D-сканеров создаются трехмерные модели костных тканей, которые содержат индивидуальные для каждого отдельного случая параметры. Успешно используются они и при проектировании анатомической обуви, планировании операций. Широкие возможности трехмерного сканирования привлекли и людей искусства: дизайнеров, архитекторов, аниматоров. Больше всего их интересовала перспективность создания 3д-моделей разнообразных макетов. В области создания видеоигр – это разработка персонажей, мультимедиа-контента именно в рамках идеи самого разработчика. Интересны идеи применения 3D-сканеров в киноиндустрии – создаются цветные трехмерные модели человека.

---

В строительстве мостов, зданий, реконструкции магистралей трехмерное сканирование дает большие преимущества, позволяя воссоздать чертежи в 3D-формате.

Сейчас разрабатываются 3D-сканеры, восстанавливающие старые скульптуры, памятники, антикварные предметы с целью их реконструкции или копирования. В перспективе сканеры позволят организовать виртуальные музейные экскурсии, а также создать цифровой архив прототипов изделий и элементов.

7. 
   Схематично зарисовать блок-схему работы технологии ВЕТ и описать ее. Сравнить результаты сканирования с использованием ВЕТ технологии и без нее.
   

Блок-схема типового 36-бит SOHO-сканера

Сигнал с CCD-матрицы сканера передается в Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который оцифровывает его в некоторое число разрядов (обычно 8, 10 или 12) для каждого из трех цветов RGB. Суммарное число разрядов (соответственно 24, 30 или 36) широко используется в рекламе и документации в качестве одной из основных характеристик сканера — «Cканер 36-битный? Значит — очень хороший».
BET технология заключается в очистке полезного сигнала от шумов CCD-линейки и АЦП с помощью построенного на основе запатентованного алгоритма 48-битного цифрового фильтра и выполнении гамма-коррекции в 48-битном пространстве, что позволяет после отсечения младших разрядов, уже не содержащих полезную информацию, получить 36 «чистых» бит цвета.

Благодаря применению технологии BET полученная от сканера информация содержит меньше шумов и больше реальных данных даже при использовании корректирующих фильтров, что увеличивает реальный динамический диапазон, улучшает MTF и снижает эффект "пикселизации".

Отсканированное полноцветное изображение содержит больше деталей, особенно в тенях, а цветовые переходы выглядят более естественными и плавными.

Разумеется, для использования этой технологии требуются дополнительные ресурсы, а время сканирования увеличивается.

С Bit Enhancement Technology	Без Bit Enhancement Technology
Увеличивает реальный динамический диапазон	Не увеличивает реальный динамический диапазон
Улучшает MTF	Не улучшает MTF
Содержит больше деталей, особенно в тенях	Не содержит деталей, особенно в тенях
Цветовые переходы выглядят более естественными и плавными	Переходы не выглядят более естественными и плавными

---