Низкоскоростные устройства ввода информации

Периферийные устройства ЭВМ

Устройства ввода информации

Низкоскоростные устройства ввода информации

Сюда можно отнести клавиатуру, обеспечивающую ввод символьной информации и манипуляторы, предназначенные для интерактивного взаимодействия с ЭВМ. Кроме ввода символьной информации, клавиатура обеспечивает возможность управления компьютером.

Клавиатура выполнена, как правило, в виде отдельного устройства, подключаемого к компьютеру через стандартный последовательный интерфейс (на сегодня это PS/2 или USB – проводные интерфейсы и IrDA, Bluetooth и Wi-Fi – беспроводные интерфейсы). Малогабаритные компьютеры используют встроенную в их корпус клавиатуру. Современная типовая клавиатура состоит из 104-х расположенных в едином корпусе клавиш. Традиционно все имеющиеся на компьютере клавиши делят на две группы:
- Буквенно-цифровые, предназначенные для ввода информации.

Нажатие каждой из этих клавиш генерирует команду вывода на экран образбуквы или цифры. Назначение этих клавиш является постоянным и не меняется - в независимости от активизируемых на компьютере программ. Буквенные клавиши могут использоваться как в режиме латинских, так и русских букв. Схема их расположения (раскладка) соответствует той, которая используется в традиционных пишущих машинках. Особой является группа цифровых клавиш в правой части клавиатуры: она может работать в буквенно-цифровом режиме.
- Функциональные клавиши предназначены для управления компьютером. Для разных программ клавиши могут соответствовать различным операциям. Однако, среди функциональных клавиш есть такие, которые выполняют одинаковые функции в любой программе.
- F1 - клавиша ”помощь”. При её нажатии на экран во время работы практически любой программы будет выведен краткий справочник по ее основным функциям;
- Enter - ввод - нажатие этой клавиши дает указание ”выполнить” какую-либо из выбранных вами команд. В режиме набора текста - переход на следующий абзац, аналогичный ”переводу каретки” на пишущей машинке.
- Esc - (от Escape - отменить) - прекратить выполнение операции;
- Caps Lock - включить режим большой буквы. При нажатой клавише, весь печатаемый текст будет набираться прописными буквами;
- Shift - при работе в текстовом режиме нажатие этой клавиши одновременно с буквенной выдаст большую, прописную букву;
- Page Up - ”перелистывание” изображения вверх;
- Page Down - ”перелистывание” изображения вниз;
- Delete - клавиша удаления выделенного текста;
- Insert - команда обратная Delete (клавиша вставки и создания);
- Home - переход в начало экрана;
- End - переход в конец экрана.
Большинство современных клавиатур снабжены тремя специальными кнопками, предназначенными для работы в операционной системе (например, Windows), расположенными в нижней части клавиатуры, рядом с кнопками Ctrl и Alt.
- Дополнительные клавиши. Эти клавиши можно условно разделить на три группы:
1. Клавиши управления питанием (включение /выключение ПК (Power) и перевод компьютера в ”спящий” режим (Sleep)).
2. Клавиши для управления программами Internet (открыть браузер, запустить программу электронной почты и т. д.).
3. Мультимедиа - клавиши (запуск воспроизведения компакт - диска, клавиши перехода между файлами, управление громкостью и т.д.).

Клавиатура выполнена в виде двумерной матрицы ключей, замыкаемых при нажатии соответствующих клавиш, а также схемы управления для формирования кода при замыкании ключа, исключения неоднозначности кодирования и выполнения других управляющих функций. Эти функции выполняет периферийный процессор или контроллер клавиатуры (далее просто контроллер). Все горизонтальные линии матрицы подключены через резисторы к источнику питания +5 В. Контроллер имеет два порта - выходной и входной. Входной порт подключен к горизонтальным линиям матрицы (X), а выходной - к вертикальным (Y).

Устанавливая по очереди на каждой из вертикальных линий уровень напряжения, соответствующий логическому ”0”, контроллер опрашивает состояние горизонтальных линий. Если ни одна клавиша не нажата, уровень напряжения на всех горизонтальных линиях соответствует логической ”1”

Если пользователь нажимает на клавишу, то соответствующая вертикальная и горизонтальная линии окажутся замкнутыми. Когда на этой вертикальной линии контроллер установит значение логического ”0”, то уровень напряжения на горизонтальной линии также будет соответствовать логическому ”0”. Как только на одной из горизонтальных линий появится уровень логического ”0”, контроллер фиксирует нажатие на клавишу. Он посылает в центральный компьютер запрос на прерывание и номер клавиши в матрице. Аналогичные действия выполняются и тогда, когда пользователь отпускает нажатую ранее клавишу. Номер клавиши, посылаемый контроллером, однозначно связан с топологией клавиатурной матрицы и не зависит напрямую от обозначений, нанесенных на поверхность клавиш. Этот номер называется скэн-кодом (Scan Code). Заметим, что даже если названия клавиш на клавиатуре и совпадают, например клавиши Shift слева и справа, то их скэн-код различен, и это разные клавиши.

Программа оперирует с ASCII-кодом. Этот код не зависит однозначно от скан-кода, т.к. одной и той же клавише могут соответствовать несколько значений ASCII-кода. Это зависит от состояния других клавиш. Например, клавиша с обозначением ”1” используется еще и для ввода символа ”!” (если она нажата вместе с клавишей SHIFT). Поэтому все преобразования скэн-кода в ASCII-код выполняются программно. Как правило, эти преобразования выполняют модули BIOS. Для использования символов кириллицы эти модули расширяются клавиатурными драйверами.

Если нажать на клавишу и не отпускать ее, клавиатура перейдет в режим автоповтора. В этом режиме в центральный компьютер автоматически через некоторый период времени, называемый периодом автоповтора, посылается код нажатой клавиши. Режим автоповтора облегчает ввод с клавиатуры большого количества одинаковых символов.

Следует отметить, что клавиатура содержит внутренний 16-байтовый буфер, через который она осуществляет обмен данными с компьютером.

Клавиатура компьютера работает под управлением программ, которые определяют, какую информацию получает компьютер в результате нажатия клавиш. Процесс обработки нажатой клавиши и отображения образа символа на экран на рис 5.1[12].

Рис. 5.1 Взаимодействие периферийных компонентов для отображения символа

После нажатия клавиши, контроллер клавиатуры посылает процессору сигнал прерывания и заставляет процессор приостановить свою работу и переключиться на программу обработки прерывания клавиатуры. При этом клавиатура в своей собственной специальной памяти запоминает, какая клавиша была нажата (обычно в памяти клавиатуры может храниться до 20 кодов нажатых клавиш, если процессор не успевает ответить на прерывание). После передачи кода нажатой клавиши процессору эта информация из памяти клавиатуры исчезает. Кроме нажатия клавиатура отмечает также и отпускание каждой клавиши, посылая процессору свой сигнал прерывания с соответствующим кодом. Таким образом, компьютер ”знает”, держат клавишу или она уже отпущена. Это свойство используется при переходах на другой регистр, например при написании заглавных букв. Кроме того, если клавиша нажата дольше определенного времени, т.н. ”порог повтора” - обычно около половины секунды, то клавиатура генерирует повторные коды нажатия этой клавиши.

Сегодня функции клавиатуры сводятся, в основном, к вводу текста и цифр. А все функции по управлению выполняет манипулятор ”мышь”.

Класс манипуляторов очень широк и его изучение выходит за рамки нашего курса. Как пример манипулятора можно привести устройство ввода, называемое ”мышь”. Это оптомеханическое устройство (”мышь” с шариком или трекбол – перевернутая ”мышь” с увеличенным шариком). Достоинства: отточенность технологии, дешевизна конечного продукта. Функционируют эти устройства таким способом: при перемещении резиновый шарик начинает вращаться. Внутри устройства он соприкасается с двумя валиками, на концах которых находятся диски с множеством отверстий. Они установлены между светодиодом и светоприемником. Таким образом, при вращении диска на приемник попадает мигающий луч, преобразующийся в последовательность электрических импульсов, сообщая контроллеру устройства о перемещении по горизонтали и/или вертикали. Эту информацию контроллер передает в компьютер, и мы видим на экране монитора перемещение курсора. К недостаткам относится то, что механические детали изнашиваются, и ”мышь” надо периодически чистить. На сегодняшний день широко распространен манипулятор ”оптическая мышь” (рис. 5.2).

Рис.5.2. Схема манипулятора оптическая "мышь"

специальная камера сканирует поверхность, по которой двигается ”мышь” (поверхность подсвечивается специальным красным светодиодом), сенсор считывает полученную информацию и передает контроллеру в составе которого имеется цифровой сигнальный процессор (DSP), который по исходным данным определяет изменение рисунка и высчитывает скорость и направление движения ”мыши”. При этом за счет большой частоты сканирования (более тысячи раз в секунду) достигается высокая точность. Обычно параметры точности приводятся в DPI (Dot Per Inch) - количестве различаемых точек на дюйм изображения. Для обычных серийных изделий этот параметр составляет 400 DPI. Модель Mouse Man Dual Optical считается одной из лучших представительниц оптического семейства на данное время. В этой модели заложены два оптических датчика, расположенных под углом в 45 градусов, что позволяет увеличить скорость и точность отслеживания перемещения в 2 раза: скорость считывания информации с каждого сенсора составляет 1500 раз в секунду, а DSP контроллера ”мыши” обрабатывает эти данные в реальном времени [28 ].

Разновидностью устройства ввода, использующего оптический принцип формирования изображения двумерного источника перемещения является манипулятор для портативных GPU ”блокнотных” компьютеров. Это ”перевернутая” оптическая ”мышь”, где ”ковриком ” является палец, который определяет направление перемещения курсора.

Сканеры

Сканером (scanner) называется устройство, позволяющее вводить в компьютер образ изображения, представленных в виде текста, рисунков, слайдов, фотографий или другой графической информации. Существует несколько методов считывания образов изображения. Они делятся на следующие типы: с нулемерной, одномерной и двумерной разверткой.

При нулемерной развертке (рис.5.3.) используются одиночный фотодатчик и вращающийся барабан, который осуществляет двумерное движение вокруг датчика. Документ охватывает барабан, и развертка по строкам осуществляется вращением барабана. Развертка по кадру выполняется перемещением в направлении оси вращения барабана.

Рис. 5.3. Сканер с нулемерной разверткой

При одномерной развертке (рис. 5.4) используется формирователь сигналов изображений на приборе с зарядовой связью (ПЗС) – Charge - Coupled Device (CC D), который имеет расположенные в линию фотодатчики для считывания строки целиком. Сам документ перемещается для развертки по кадру. Данный метод называется методом твердой развертки или плоскостной развертки. Используется в настоящее время большинством факсимильных аппаратов и настольных сканеров.

Рис. 5.4. Сканер с одномерной разверткой

При двумерной развертке (рис. 5.5) используется матричный формирователь сигналов изображений – массив CC D, для которого элементы изображения расположены в виде двумерного массива на плоскости кристалла. При этом не производится механической развертки. Этот метод развертки используется также в цифровых фотоаппаратах, видеокамерах.

Рис. 5.5. Сканер с двумерной разверткой

Как уже было отмечено, основным электронным устройством, обеспечивающим работу большинства современных сканеров служит формирователь сигналов изображений на ПЗС, используемый при одномерной развёртке. Он состоит из фотодиодов, электродов хранения, сдвигающих затворов, аналоговых сдвиговых регистров ПЗС и предусилителя (рис.5.6.) . Имеются тысячи фотодиодов (2048 ячеек и более для считывания документов), линейно расположенных для генерации напряжения при приеме света. Фотоэлементы используются для преобразования оптической энергии в электрическую. Фотогенерированное напряжение последовательно преобразуется в данные для хранения во встроенных сдвиговых аналоговых регистрах и последующего преобразования в цифровую форму.

Рис. 5.6. Конструкция формирователя сигналов изображений на ПЗС

Электрические заряды, генерированные фотодиодами, временно хранятся в ячейках, работающих как конденсаторы. Количество накопленного электрического заряда зависит от интенсивности света и длительности приема света. Как конденсатор, ячейка хранения может хранить только некоторое количество электрической энергии. Максимальное количество хранимой энергии не меняется даже при дополнительном приеме света (насыщение). Накопленный электрический заряд передается на аналоговый сдвиговый регистр. Для этого переноса все сдвиговые (связывающие) затворы одновременно отпираются таким образом, чтобы все (2048) электрические заряды были переданы на аналоговый сдвиговый регистр, который обеспечивает параллельный прием данных и последовательный сдвиг. Электрические заряды сдвигаются, по крайней мере, двумя сигнальными линиями (двухфазная схема). Сигналы в виде зарядов низкого уровня, с выхода аналогового сдвигового регистра ПЗС, усиливаются предварительным усилителем для последующего преобразования с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

На рис. 5.7 показан выходной сигнал формирователя сигналов изображений на ПЗС, когда он считывает документ. Выходной сигнал формирователя сигналов изображений на ПЗС в увеличенном масштабе показывает, что сигнал состоит из элементов изображения. Элемент изображения показывается в единицах пэл (от английского слова ”pel”, которое означает ”picture element”, т.е. элемент изображения). Рисунок показывает, что данные дискретны во времени, привязаны к тактовой последовательности (импульсы сдвига) и непрерывны по амплитуде, т.к. каждый элемент имеет различное значение напряжения.

Рис. 5.7. Форма выходного сигнала формирователя сигналов изображений на ПЗС

Для считывания информации с использованием ПЗС требуется несколько десятков сантиметров оптического пути от поверхности документа до линейки ПЗС и это накладывает ограничение компактность аппаратуры. Однако, благодаря разработке контактного формирователя (КФ) сигналов изображений (КФ), длина оптического пути от поверхности документа до считывающей секции может быть сокращена до 1-2 см, и аппаратура легко может быть выполнена компактной. Люминесцентная лампа (составляющая большую часть стоимости сканера) не используется. Поэтому техническое обслуживание сканера становится намного проще, а аппаратура надежней.

Принцип работы КФ состоит в следующем. Каждый диод матричной сборки светоизлучающих диодов (СИД) излучает свет. Свет проходит через стержневую линзу и падает на поверхность документа (рис. 5.8). Отраженный свет проходит через матричную сборку самофокусирующихся линз и собирается на датчик (линейка ПЗС). Обработка сигнала в секции датчика является идентичной с рассмотренным ранее принципом ввода изображений на ПЗС.

Сравним КФ и обычную систему ввода изображения. Матричная сборка СИД соответствует люминесцентной лампе. Матричная сборка самофокусирующихся линз соответствует линзе. Датчик соответствует формирователю сигналов изображений на ПЗС (рис. 5.9).

Рис. 5.8. Вид сечения устройства КФ

Рис. 5.9. Сопоставление КФ с классической оптической системой на ПЗС

Поскольку ширина секции датчика соответствует ширине документа формата А4, то расстояние от поверхности документа до датчика может быть установлено равным 1-2 см. Так как площадка каждого бита датчика приблизительно в 8 раз больше, чем площадка для каждого бита формирователя сигналов изображений на ПЗС, то можно получить достаточный выход даже при темном освещении, от таких источников света, как СИД. Следует отметить, что электростатическая прочность КФ такая же, какая в случае БИС с КМОП-структурой. При работе с аппаратурой следует уделять особое внимание мерам защиты от статического электричества и прямых солнечных лучей.

При выборе сканера целесообразно проводить оценку на основании технических характеристик, приводимых в документации или проспектах. Однако для правильной их интерпретации требуется понимание того, какие параметры действительно определяют качество получаемых результатов, а какие в основном служат для привлечения покупателя. В табл. 5.1 приведены основные характеристики сканеров большого формата (А1-А0).

Таблица 5.1

Параметры, описывающие параметры разрешения сканеров и характеристики точности сканирования представлены в табл. 5.2.

Характеристики сканирования и интерфейса сканера приведены в табл. 5.3.

Принцип работы черно-белого сканера заключается в следующем. Сканируемое изображение освещается белым светом. Отраженный свет через редуцирующую (уменьшающую) линзу попадает на фоточувствительный полупроводниковый ПЗС (CCD) - элемент. Каждая строка сканирования изображения соответствует определенным значениям напряжения на ПЗС.

Таблица 5.2

Таблица 5.3

Эти значения напряжений преобразуются в цифровую форму либо через аналого-цифровой преобразователь АЦП (для полутоновых сканеров), либо через компаратор (для двухуровневых сканеров). Разрядность АЦП для полутоновых сканеров зависит от количества поддерживаемых уровней серого цвета. Например, сканер, поддерживающий 64 уровня серого, должен иметь 6-разрядный АЦП. Блок-схема черно-белого сканера приведена на рис. 5.10.

Рис. 5.10. Блок схема черно-белого сканера.

Первые модели черно-белых сканеров могли работать только в двухуровневом (bilevel) режиме, воспринимая или черный, или белый свет сканироваться могли либо штриховые рисунки, либо двухтоновые изображения. Хотя эти сканеры и не могли работать с действительными оттенками серого цвета, выход для сканирования для полутоновых изображений был найден. Полутоновый режим, или режим растрирования (Dithering), сканера имитирует оттенки серого цвета, группируя несколько точек вводимого изображения в так называемые Grey-scale пикселы. Такие пикселы могут иметь размеры 2х2 (4 точки), 3х3 (9 точек) или 4х4 (16 точек) и т.д. Отношения количества черных точек к белым и определяет уровень серого цвета. Например, Grey-scale пиксель размером 4х4 позволяет воспроизводить 17 уровней серого цвета.

Полутоновые сканеры используют максимально разрешающую способность, как правило, только в двухуровневом режиме. Обычно такие сканеры поддерживают 16, 64 или 256 оттенков серого цвета для 4-, 6-, 8-разрядного кода, который ставится при этом в соответствие каждой точке изображения.

Разрешающая способность сканера измеряется в количестве различаемых точек на дюйм изображения - DPI (Dot Per Inch).

В настоящее время существуют несколько технологий для получения цветных сканируемых изображений. На рис. 5.11 представлена блок-схема, поясняющая один из наиболее общих принципов работы цветного сканера. Сканируемое изображение освещается через вращающийся RGB - светофильтр или тремя лампами различного цвета. Для каждого из основных цветов (красного, зеленого и синего) последовательность операций практически не отличается от последовательности при сканировании черно-белого изображения. Исключение составляет, пожалуй, только этап предварительной обработки и гамма-коррекции цветов, перед тем как информация передается в компьютер. Этот этап является общим для всех цветных сканеров.

В результате трех проходов сканирования получается файл, содержащий образ изображения в трех основных цветах RGB. Если используется 8-разрядный АЦП, который поддерживает 256 оттенков для одного цвета, то каждой точке изображения ставится в соответствие один из 16.7 миллиона возможных цветов (24 разряда).

Рис. 5.11. Блок схема цветного сканера.

В сканерах Epson и Sharp, как правило, вместо одного источника света используется три, для каждого цвета отдельно. Это позволяет сканировать изображение всего за один проход. На рис. 5.12 представлена блок-схема, поясняющая принцип действия цветного сканера фирмы Hewlett-Packard. Источник белого цвета освещает сканируемое изображение, а отраженный цвет через редуцирующую линзу попадает на трехполосную ПЗС через систему специальных dichroic-фильтров (многослойных зеркал), которые и разделяют белый свет на три компоненты: красную, зеленую и синюю. Фильтрация осуществляется парой dichroic-фильтров. Первый слой первого фильтра отражает синий цвет, но пропускает зеленый и красный, второй слой отражает зеленый свет и пропускает красный, который отражается от третьего слоя. Во втором фильтре, от первого слоя отражается красный свет, от второго - зеленый, а от третьего - синий. После фильтров разделенные красный, зеленый и синий свет попадают на собственную полоску ПЗС. Дальнейшая обработка сигналов цветности практически не отличается от обычной.

Рис. 5.12. Блок схема цветного сканера фирмы HP

До настоящего времени большинство планшетных сканеров и сканеров большого формата использовали для связи с компьютером интерфейс SCSI. Этот интерфейс имеет то преимущество, что его, при наличии соответствующего драйвера, поддерживает широкий ряд аппаратных платформ – РС - АТ, Macintosh или рабочие станции UNIX.

В настоящее время с появлением USB- интерфейса (стандарт 2.0) производители стали выпускать сканеры, ориентированные на интерфейс этого типа. Встречаются сканеры с интерфейсом IEEE 1284 (LPT-порт).

Производители аппаратных и программных средств рынка сканеров соединили свои усилия в создании собственного формата драйвера Twain.

Twain разработан для ввода изображения от любого растрового источника: ручного сканера, слайдового сканера, фрейм-граббера, цифровой фотокамеры и др. Это драйвер, при помощи которого любая поддерживающая Twain -программа может импортировать растровые результаты, забыв о необходимости иметь драйвер для каждого из устройств. Стандарт Twain максимально упрощает общение с любым устройством ввода изображения. Сканеры большого формата поддерживает драйвер Twain-32.

Спецификации Twain включают поддержку Macintosh и расширяемы до поддержки других операционных систем, таких как UNIX,WINDOS и других.

В настоящее время все известные сканеры можно разбить на два основных типа: сканеры, работающие с прозрачными носителями и сканеры, работающие с непрозрачными носителями. Существуют четыре разновидности сканеров, работающих с прозрачными носителями: барабанный сканер, цветной слайд-сканер с одним CCD, цветной слайд-сканер с тремя CDD, сканер с CCD-массивом.

Сканеры, работающие с непрозрачными носителями делятся на два основных типа: ручной (hand-held) и настольный (desktop). Для того чтобы ввести в компьютер какой-либо документ при помощи ручного сканера надо без резких движений провести сканирующей головкой по изображению. Равномерность перемещения сканера существенно сказывается на качестве вводимого в компьютер изображения. Ширина вводимого изображения для ручных сканеров не превышает обычно 4 дюймов (10 см). К основным достоинствам ручных сканеров относятся небольшие габаритные размеры и сравнительно низкая цена.

Настольные сканеры обычно позволяют вводить изображение размерами 8.5х11 дюймов или 8.5х14 дюймов. Существуют четыре разновидности настольных сканеров: планшетный, рулонный, проекционный и сканирующая головка на плоттере.

К сканерам, работающим с прозрачными носителями относятся:

- барабанный сканер (рис. 5.13);

- цветной слайд-сканер с одним CCD (рис. 5.14);

- цветной слайд-сканер с тремя CDD (рис. 5.15);

- сканер с CCD - массивом (рис. 5.16).

Рис. 5.13. Барабанный сканер

Рис. 5.14. Цветной слайд-сканер с одним CCD

В каждый момент времени барабанный сканер (рис. 5.13) считывает информацию с одной точки носителя. Поэтому для получения изображения необходимо взаимное перемещение сканирующего элемента и носителя по двум координатам. Это достигается за счет вращения барабана с наклеенным на него носителем (слайдом) и линейного перемещения сканирующего элемента и источника света вдоль оси барабана.

Сканирующим элементом в большинстве цветных сканеров является прибор с зарядовой связью (ПЗС, CCD). Линейные CCD - сканеры обеспечивают взаимное перемещение носителя и линейного сканирующего элемента (CCD) вдоль одной оси (рис. 5.14). Последовательно, полоска за полоской, исходное изображение фокусируется на линейке CCD. Для получения цветного изображения применяются фильтры трех базовых цветов. За один проход считывается один цветовой слой.

Цветной слайд-сканер с 3-мя CCD представляет собой устройство, аналогичное цветному слайд-сканеру с одним CCD. Отличие заключается в использовании трех различных сканирующих элементов для каждого базового цвета - красного, зеленого, синего. Изображение получается за один проход.

В сканере с массивом CCD, аналогичном тому, который применяется в видеокамерах, позволяет получить изображение без взаимного перемещения носителя и сканирующего элемента. Похожую конструкцию имеют проекционные сканеры, работающие с непрозрачными носителями.

Рис. 5.15. Цветной слайд-сканер с тремя CDD

Рис. 5 16. Сканер с CCD массивом

К сканерам, работающим с непрозрачными носителями относятся:

- сканер со сканирующей головкой на плоттере (рис. 5.17);

- планшетный сканер (рис. 5.18);

- рулонный сканер (рис. 5.19);

- проекционный сканер (рис. 5.20);

Сканирующая головка - это недорогое CCD (рис. 5.17). Размеры и разрешающая способность невелики. Поэтому, чтобы отсканировать чертеж, необходимо взаимное перемещение носителя и головки по двум координатам. Это обеспечивается кинематикой плоттера. За один проход сканируется одна полоска. Склеивание полосок происходит автоматически с помощью прилагаемого программного обеспечения. Однако из-за механических погрешностей склеивание никогда не бывает точным, поэтому для полученного изображения характерна практически не компенсируемая полосатость.

Схема работы планшетного сканера полностью аналогична схеме работы линейного CCD-сканера, за исключением того, что перемещается CCD и фокусируются отраженные лучи, а не проходящие. Такая конструкция типична для большинства настольных сканеров формата А3 и А4. Как правило, используется один элемент CCD (для монохромных изображений).

Рис. 5.17. Сканирующая головка на плоттере	Рис. 5.18. Планшетный сканер
Рис. 5.19. Рулонный сканер

Кинематическая схема рулонного сканера повторяет схему линейного CCD-сканера. Линейка CCD неподвижна, перемещается носитель. Фокусируются отраженные лучи. Когда по такой схеме изготавливают сканеры большого формата (А1 или А0), то, как правило, используется не один элемент CCD, а несколько, установленных друг за другом в линейку. Специальное устройство обеспечивает точную стыковку изображений, полученных каждым CCD. Процесс коррекции взаимного расположения CCD (юстировка) в новых сканерах автоматизирован. В настоящее время это практически единственная конструктивная схема работы сканеров большого формата, как черно-белых, так и цветных. Вариации этой схемы касаются тракта, по которому перемещается носитель: он может быть прямолинейным, что позволяет избежать лишних деформаций носителя, а может быть изогнутым, что ограничивает применение некоторых видов носителей в таких сканерах (жестких, повышенной толщины).

Устройство проекционного сканера приведено на рис. 5.20.

Рис. 5.20. Проекционный сканер

Более подробную информацию о сканерах можно найти в [25].

Цифровые фотоаппараты

В цифровых фотоаппаратах процесс получения изображения похож на процесс в проекционных сканерах. Оптическая и электрическая структурная схема цифрового фотоаппарата представлена на рис. 5.21 .

Рис.5.21 . Оптическая и электрическая структурная схема цифрового фотоаппарата.

В цифровых фотоаппаратах также используется редуцирующая линза, свет попадает на светочувствительные ячейки полупроводникового чипа, называемого сенсором (image sensor). Сенсор реагирует на получаемые фотоны, что фиксируется в виде заряда. Так как сенсоры по своей сути черно-белые устройства, не различающие цвет, в цифровых фотоаппаратах чаще всего используется массив цветных светофильтров (color filter array, CFA), располагающихся между микролинзой и светочувствительной областью пикселя. С помощью светофильтра каждому пикселю присваивается свой цвет. Производители цифровых камер используют различные архитектуры светофильтров, как правило, использующие комбинацию основных цветов (красного, зеленого и синего) или дополнительных цветов (голубой, пурпурный и желтый). Но в любом случае принцип работы фильтра заключается в пропуске только нужного цвета (с определенной длиной волны).

Электронный блок коррекции изображения под управлением контроллера на базе универсального процессора анализирует полученную информацию и определяет необходимые значения выдержки и фокуса, цвет (баланс белого), необходимость вспышки и.т.д. Скорректированное в аналоговом виде изображение в виде массивов запомненных значений непрерывной величины (заряда) с помощью аналогового регистра сдвига поступает на чип АЦП (аналого-цифровой преобразователь), который преобразует эти значения в цифровой эквивалент (код) для каждой составляющей цвета.

Используя дополнительную вычислительную мощность (цифровые фотоаппараты могут содержать несколько процессоров и других чипов, включая специализированные процессоры и главный процессор), обеспечивается дальнейшая обработка данных с помощью специальных (зависящих от конкретной модели) алгоритмов. Конечная цель обработки данных - преобразование их в файл изображения, который можно просмотреть. Файл записывается на встроенный или внешний носитель. Далее изображение может быть перенесено на компьютер, выведено на принтер или телевизор. Изображение можно просмотреть на встроенном в камеру жидкокристаллическом (ЖК) экране – видоискателе, благодаря чему пользователь может обработать изображение с помощью дополнительных алгоритмов или фильтров, используя встроенный интерфейс (чаще всего реализуемый через встроенный ЖК экран) или просто стереть неудачный снимок и начать все сначала.

На всем протяжении этого итерационного процесса, обеспечивается взаимодействие пользователя с операционной системой для немедленной реакции на действия фотографа (активизация функциональных кнопок, регуляторов). Возможность анализа состояния системы пользователю обеспечивает интерфейс с помощью ЖК – экрана.

Современный цифровой фотоаппарат является сложной системой, где множество данных и инструкций передается по множеству каналов. Более подробную информацию о цифровых фотоаппаратах можно получить в [27 ].

Дигитайзеры

Дигитайзер (digitizer) - это кодирующее устройство, обеспечивающее ввод двумерного (в том числе и полутонового) или трехмерного (3D -дигитайзеры) изображения в компьютер в виде растровой таблицы.

Является типичным внешним специализированными устройством графического ввода. В геоинформатике, компьютерной графике, системах автоматического проектирования (САПР), картографии и научной обработке результатов измерения, дигитайзер используют в качестве устройства для ручного или полуавтоматического кодирования графической и картографической информации в виде множества или последовательности точек, положение которых описывается прямоугольными декартовыми координатами плоскости дигитайзера. Основные области применения дигитайзеров: мультипликация; векторизация (массивы координат характерных точек или линий) географических карт для работы с географическими информационными системами (ГИС); инженерное проектирование; создание прототипов и обратный инжиниринг; научная визуализация. Задача получения 3D-моделей реальных объектов стоит перед промышленными дизайнерами, инженерами, художниками, аниматорами, разработчиками игровых приложений. Измерение геометрии сложных пространственных форм является основным требованием для современных производителей технологической оснастки.

Простейшим дигитайзером является графический планшет.
В состав устройства входит специальный указатель с датчиком, называемый пером. Встроенный контроллер посылает импульсы по ортогональной сетке проводников, расположенной под плоскостью планшета. Получив два таких сигнала, контроллер преобразует их в координаты, передаваемые в ПК. Компьютер переводит эту информацию в координаты точки на экране монитора, соответствующие положению указателя на планшете. Механизм регистрации позволяет получить шаг считывания информации намного меньше шага сетки (до 240 DPI , Dot Per Inch,- количество различимых точек на дюйм.). Шаг считывания информации называется разрешением дигитайзера. Шаг считывания регистрирующей сетки характеризует физическое разрешение дигитайзера. Существует программно-достижимое разрешение, как переменная величина в настройке дигитайзера.

Перо графические редакторы могут воспринимать его как кисть, карандаш, мелок и т.д. Перевернув перо, можно стереть изображение. Для дальнейшей обработки и редактирования результатов сканирования существует множество различных программ.

Из всех систем по преобразованию в цифровую форму геометрических параметров 3D-объектов ультразвуковые (или сонарные) дигитайзеры наименее точные и надежные. Точность ухудшают звуковые помехи и изменяющиеся параметры среды распространения сигнала, поскольку такие системы самые чувствительные к изменениям в окружающем пространстве. Ультразвуковые дигитайзеры представляют собой систему передатчиков, жестко закрепленных на стенах и потолке. Передатчики излучают звуковые волны. На основании информации об отражении волн вычисляются координаты точек поверхности 3D-модели. Так как скорость звука зависит от атмосферного давления, температуры, влажности и других условий, то результаты преобразования информации для одного и того же объекта являются функцией состояния среды. Помимо этого данные системы очень восприимчивы к шуму, производимому различным оборудованием (компьютерами, кондиционерами, флуоресцентными лампами и т.д.). В идеальных условиях абсолютная погрешность полученных результатов составляет 1,4 мм. Подобные сканеры применяются в основном в медицине и при сканировании скульптур.

Принцип работы электромагнитных 3D-дигитайзеров такой же, как у ультразвуковых систем (принцип радара). Только для построения пространственной модели, вместо звуковых волн используются электромагнитные. Результат работы этих сканеров не зависит от погодных условий, но находящиеся поблизости металлические предметы или источники магнитного поля снижают точность измерений. К недостатку таких систем относится то, что они не могут работать с металлическими объектами. Даже в специальных помещениях, не содержащих ничего металлического, погрешность магнитных систем составляет не менее 0,7 мм.

Лазерные дигитайзеры обладают самой высокой точностью, но область их применения также имеет ограничения. Трудности вызывает сканирование объектов с зеркальными, прозрачными и полупрозрачными поверхностями, а также предметов большого размера либо имеющих впадины или выступы, препятствующие прямому прохождению лазерного пучка. Лазерные дигитайзеры - полностью автоматизированные системы. Преобразование информации обеспечивается достаточно быстро, но последующий процесс перевода автоматически полученных данных в конечное изображение может занять много времени (особенно это касается систем с точечной проекцией). К недостаткам следует отнести сложность участия пользователя (специалиста) в процессе сканирования, что позволило бы расставить акценты, например, более подробно отобразить определенную часть объекта, или, наоборот, исключить детализированные модели, занимающие слишком много места и требующие значительных мощностей для их обработки. Также следует отметить, что цена этих, так называемых, бесконтактных (пользователь не обводит объект щупом) систем очень высока.

Дигитайзеры, использующие механические принципы формирования пространственной модели. Эти устройства являются золотой серединой среди всех классов дигитайзеров. Высокая точность и относительно низкая стоимость сделали эти устройства самыми популярными. Принцип их работы заключается в следующем: контуры сканируемого объекта обводятся прецизионным щупом, положение которого фиксируется механическими датчиками. Затем, используя массив трехмерных координат, специальная программа строит каркасную модель объекта . Положительным свойством механических сканеров является то, что получаемые с их помощью результаты не зависят от погодных условий, уровня шума, наличия электромагнитных полей. Тип поверхности также не имеет значения. Внешний вид дигитайзера такого типа приведен на рисунке 5.22. Недостаток - поскольку механические дигитайзеры являются ручными устройствами, их использование требует четкой координации движений и внимательности.

Рис.5.22. 3D дигитайзер

Одним из примеров полнофункционального решения для сканирования

объектов любой формы служит недорогой дигитайзер из модельного ряда MicroScribe-3D производства компании Immersion Corporation (рис.5.23 ).

Рис.5.23. Дигитайзер MicroScribe-3D.

На несимметричной основе прикреплен трехшарнирный рычаг, оканчивающийся пером-датчиком. Шарниры с низким уровнем трения обеспечивают практически абсолютную свободу перемещения стального пера. Дигитайзер MicroScribe может сканировать предметы, находящиеся в радиусе до 840 мм. Рычаг устройств - жесткий, наличие шарниров позволяет провести дугу с максимальным углом в 330°. Наконечник ”руки”может иметь разную форму: в виде шарика или острой иголочки - для снятия более точных показаний. В комплекте со сканером поставляются также ножные педали, которые играют роль правой и левой кнопок ”мыши”.
Перед каждым сканированием дигитайзер должен быть откалиброван. Пользователь выбирает три реперные точки (переднюю правую, переднюю левую и заднюю правую) и вводит их координаты в компьютер с помощью ножных педалей. После этого можно приступать непосредственно к сканированию. Механические дигитайзеры обладают достаточно высокой точностью - до 0,2 мм. Модели из серии MicroScribe-3D могут снимать координаты со скоростью 1000 точек в секунду и передают информацию со скоростью 38 Кбит/с.D Перед сканированием многие дизайнеры расчерчивают объект, вырисовывают линии, по которым пройдет перо.

Сканировать можно в полуавтоматическом и ручном режимах. Контактный щуп, установленный на складной арматуре с шарнирными соединениями, считывает информацию о том, в каком месте находится головка, и транслирует эту информацию в координаты X, Y и Z в трехмерном пространстве. Цифровые данные в дальнейшем обработываются с помощью специальных прикладных программ (AutoCad, Autodesk, Maya, Rhinoceros и др.).
На подготовку к сканированию и процесс преобразования в цифровую форму сложного объекта может уйти несколько часов, но с накоплением опыта работы с дигитайзером это время значительно сокращается.

В процессе сканирования объекта, по мере того как координаты точек попадают в компьютер, на мониторе вырисовывается пространственная модель. Для построения 3D-образов можно использовать программы от Immersion Corporation (набор Digitizing Software Application), которые позволяют представлять отсканированные объекты различными способами, например в виде точек, линий, проволочного каркаса, сплайнов, NURBS (неоднородных рациональных B-сплайнов), а также редактировать и сохранять 3D-образы в файлах форматов dxf, IGES, obj, txt, 3ds для последующего импортирования в другие приложения. Более подробную информацию о дигитайзерах можно получить в [26].

Поиск по сайту: