Princip

  • skener (scanner) = elektronické zařízení pro převod grafických předloh do digitální formy (digitalizace) pro zpracování na počítači
  • předlohy
    • plošné odrazivé (např. dokumenty, fotografie)
    • plošné neodrazivé (filmy – adapter, dianástavec, speciální zařízení)
    • ploché předměty (např. knihy)
    • trojrozměrné předměty (speciální zařízení)
  • předlohu pro digitalizaci ozařuje zdroj světla a odražené světlo je vedeno optickým systémem různé kvality k fotocitlivému snímači
  • snímač má citlivé elementy (čidla) pro složky světla RGB, které reagují na intenzitu dané složky světla
  • každá ze základních barev se obvykle zpracovává samostatně jednou řádkou světlocitlivých elementů s odpovídajícím barevným filtrem = trilineární snímač pro tzv. jednoprůchod
  • může se též jednat o systém postupně osvětlující předlohu RGB světly – světlocitlivé elementy bez filtrů (u drahých skenerů tzv. trojprůchod = 3 barevné separace, u levných řádka LED diod)
  • ze snímače vychází analogový elektrický signál, který je v A/D převodníku převeden na digitální signál
  • každému snímanému bodu předlohy jsou přiřazeny 3 číselné hodnoty kanálů v modelu RGB → barva bodu

Prvky systému

  • snímače s čidly
    • snímače CCD (Charge Coupled Device) s čidly ve 3 řádkách; každá řádka pro jednu složku RGB – trilineární snímač
    • snímače CIS (Contact Image Senzor) s čidly CMOS v 1 řádku; jedna řádka pro 3 složky RGB
    • snímače speciální (lineární či plošné) – např. PMT – Photo Multiplier Tube, fotonásobiče (profi) nebo snímače, laserového světla
  • osvětlení
    • profi – postupný osvit třemi RGB světly (trojprůchod)
    • standard – studená fluorescenční katodová lampa např. D65, jejíž světlo po odrazu od předlohy prochází 3 filtry pro každý řádek světlocitlivých elementů (jednoprůchod)
    • u levnějších CIS (Contact Image Senzor) systémů postupně osvětluje předlohu řádka tříbarevných RGB LED diod pro jeden řádek světlocitlivých elementů (jednoprůchod)
  • optický systém
    • čočky a zrcadla pro možnost přenosu odraženého světla na snímací prvek a pro možnost úpravy velikosti a rozlišení
    • barevné filtry RGB
  • snímací hlava (plochého skeneru)
    • snímací hlava je vozík pohybující se po kolejničkách poháněný přesným krokovým motorem a ozubeným řemenem či lankem
    • u dražších skenerů jsou na snímací hlavě umístěny prvky osvětlení předlohy a část optického systému
    • u levnějších je na snímací hlavě osvětlení předlohy, optická soustava i vlastní snímač (obvykle typu CIS)

Hlavní parametry skenerů

  • druh skeneru – provedení a účel (především dle druhu předloh)
  • rozlišení – od 180 do 18000 dpi hardwarově
  • barevná hloubka – 1 do 96 bitů
  • denzita – typicky max. 2,2 D – 4,8 D
  • rychlost – až 180 str./min.
  • připojení – typicky USB, dražší FireWire, Ethernet

Druhy

  • ploché stolní
  • ploché zabudované (součást kopírek a multifunkčních přístrojů) – digitální kopírky A4, A3 s rozlišením 600 x 1200 dpi až 2400 x 2400 dpi
  • ploché speciální – pro skenování uměleckých předloh do velikosti A1 až při 3600 dpi
  • vtahovací
  • čtečka čárových kódů (laserová dioda)
  • ruční
  • filmové – speciálně pro převod kinofilmů (diapozitivů) do počítače (až 4,8D)
  • mikrofilmové (100 – 300 tis. Kč) – speciálně pro převod mikrofilmů a mikrofiší do počítače
  • dokumentové (stránkové)
  • knižní – až do formátu až A1, např. 20 Mp foto, např. 50 stran za minutu, ruční nebo automatické stránkování
  • velkoformátové (160 – 900 tis. Kč) – pro převod velkoformátových předloh, např. výkresů a map do formátu A0 (i více) do počítače až při 400 – 2400 dpi
  • bubnové (300 tis. – 2 mil Kč) – předloha se upevňuje (nalepí) na skleněný válec (buben), který rotuje a současně se posouvá kolem snímače; klasika profesionálních skenerů, jsou nejkvalitnější a nejvýkonnější, ale též nejdražší (18 000 dpi – 50 000 £)
  • speciální – např. pro digitalizaci obrazu ve velkoformátových digitálních stěnách
  • 3D

Třídy plochých skenerů

  • profi (cca 500 000 a výše) – drahá optika a citlivé světlené senzory – fotonásobiče (PMT Photo Multiplier Tube) – až 18 000 dpi
  • dražší (cca 10 000 Kč a výše) – optický systém umožňující změny velikosti a dpi, 3 (6) řádkové CCD snímače, až 40 000 elementů na řádku při 3 nebo 20 000 při 6, rozlišení např. 6 400x 9 600 dpi, bývajíduální = jeden systém pro náhled druhý snímač hlavní
  • standardní (do 4 000 Kč) – jednoduchý optický systém s hranolem, 3 řádkové CCD snímače, cca 20 000 elementů na řádku, rozlišení např. 2 400 x 4 800 dpi, resp. 4 800 x 9 600 dpi
  • levné (do 2 000 Kč) – bez optiky, osvit 3x RGB LED diody, snímání jednořádkový CIS snímač, cca 10 000 elementů na řádku, rozlišení např. 1 200 x 2 400 dpi, resp. 2 400 x 4 800 dpi
  • CIS skenery jsou jednodušší, mohou být i tenčí konstrukce a nejsou energeticky náročné – 3W (možno i bez externího zdroje)

Ploché stolní (1,2 – 120 tis. Kč)

  • snímací hlava se pohybuje pod sklem, na němž je položena předloha velikosti A2, A3, A4
  • lepší snímají i neodrazivé předlohy
  • s adapterem snímají též filmové předlohy a diapozitivy
  • rozlišení až 6 400 x 9 600 dpi

Vtahovací (průchozí)

  • v tiskárnách a jiných zařízeních, např. faxech a sendlerech pro přímé posílání předloh mailem
  • předloha se vkládá do štěrbiny a je vtažena do přístroje
  • slouží často s tiskárnou jako kopírka A4

Ruční

  • např. pro snímání textů v knihovnách nebo pro snímání čárového kódu
  • např. kapesní skener pro skenování fotografií až 10 x 15 cm – v podstatě vtahovací skener 1800 x 1200 dpi / 48b

Dokumentové (12 – 300 tis. Kč)

  • pro převod vytištěných dokumentů do počítače – až 90/180 str. A4 za minutu
  • rozlišení typicky 600 dpi
  • mají automatický podavač dokumentů, duplex, popř. výstup OCR

 3D skenery

  • různé systémy mnohamilionové i levnější, např. 3 000 $
  • např. aparatura s digitálním foto, měřicími lasery a speciálním bleskem, který promítá na objekt digitalizační síť
  • ruční 3D skener – např. HandyScan 3D – umožňuje vzájemný pohyb skeneru a tělesa během snímání (až 25 000 měření za sec.)
    • dentifikuje poziční značky na tělese nebo podložce a pomocí několika kamer snímají laserový kříž na tělese
    • na počítači se v reálném čase zobrazuje obraz snímání a generuje polygonovou síť – tu lze následně exportovat např. ve formátu RAW a dále je načítat do CAD aplikací nebo do speciálního SW
    • kontrola přesnosti, zjišťování kvality, 3D modelování…

Rozlišení

  • hardwarová rozlišovací schopnost – nejvyšší optické rozlišení
    • nejvyšší rozlišení skeneru je dáno
      • počtem snímacích buněk snímače + parametry optické soustavy – optické rozlišení
      • přesností a velikostí kroku motorku pro posun hlavy – hardwarové rozlišení
    • rozlišení skeneru se udává jednou nebo dvěma hodnotami
      • např. 1200 x 2400 dpi (rozlišení snímače x rozlišení kroku)
      • uvádí-li se pouze jedna hodnota = nejvyšší možné rozlišení nebo dvě stejné hodnoty, např. 4000 dpi = 4000 x 4000 dpi
    • standardně dle provedení mají skenery nejvyšší optické rozlišení 180, 200, 300, 400, 600, 1200, 2400, 4800, 6400 nebo 9600 dpi
    • nejvyšší optické rozlišení lze při skenování změnit směrem dolů pomocí optiky nebo pomocí přepočtu
  • softwarová rozlišovací schopnost – interpolované rozlišení
    • interpolací lze zvýšit rozlišení nad rozlišení snímače, u standardních skenerů např. až na 19 200 dpi
    • údaj je někdy označován jako vylepšené rozlišení

62

 

Interpolace

  • např. má-li skener A4 2400 x 4800 dpi = snímač má na řádce cca 20 000 buněk (0,01 mm) a snímací hlavou pohybuje krokový motor po cca 56 000 krocích (0,005 mm)
  • celá předloha tak obsahuje cca 1,12 mld. pixelů, což ve 24bitovém barevném modelu poskytuje soubor 3,13 GB dat a při 48bitovém výstupu 6,26 GB
  • velmi vysoká rozlišení jsou spíše marketingovou záležitostí, bez velkého významu pro skutečnou práci a nárůst kvality
  • nemá smysl skenovat ve vyšší kvalitě, než lze vůbec použít (naopak velmi nízké rozlišení nedovoluje kvalitní navzorkování)
  • obvykle postačuje skenovat na 200 nebo 300 dpi, vysokou kvalitu poskytuje již 600 dpi; vyšší rozlišení je třeba jen při skenování filmů, malých předloh a výřezů pro další zvětšení

Interference

  • některé skenované předlohy mohou být tištěny metodou polotónování – tisk jednou barvou – efekt více odstínů
  • více tiskových bodů tvoří jeden obrazový bod (px)
  • hustota polotónového tiskového rastru a tím i jeho kvalita se udává v lpi (Lines Per Inch – linek obrazových bodů na palec), přičemž nejméně platí (dle min. rastru 2 x 2), že dpi = 2 x lpi
  • LJ mají 35 – 65 lpi, časopisy 70 – 120 lpi, knihy 130 – 175 lpi …
  • např. obrazový bod tiskárny tisknoucí 600 dpi tvořený 8×8 body (64 odstínů) = 600/8 = 75 lpi (při 256 odstínech 600/16 = 37,5)
  • při skenování může dojít k interferenci mezi lpi tištěné předlohy a nastaveným rozlišením skeneru → efekt moiré
  • moiré vzniká jako rušivý vzorek interferencí dvou pravidelných a jen málo odlišných rastrů (frekvencí)
  • obě frekvence se potom mohou střetnout např. každou 8 periodu
  • tím se vytvoří nový vzorek, který má periodu 8x vzdálenější než vzorky původní → bude na obraze působit mnohem rušivěji
  • pro odstranění lze u některých skenerů změnit jejich nastavení v rozmezí 20 – 300 lpi (standardně 175 lpi)
  • nejde-li lpi měnit, je třeba skenovat na 3x vyšší dpi a pak v editoru zpět převzorkovat
  • známe-li lpi tisku, platí, že lpi tisku x 3 – 3,5 = min. dpi skenu
  • vyšší rozlišení než hodnota vlastního tiskového rastru, např. 8x při rastru 8×8 nepřinese nárůst detailů, ale zhorší obraz

Barevná hloubka

  • udává se v bitech a vyjadřuje, kolik odstínů může skener rozlišit
  • interní barevná hloubka závisí na schopnosti A/D převodníku, kolik úrovní signálu – tedy kolik odstínů rozlišuje; interpolací lze barevnou hloubku měnit
  • např. 24, 30, 36, 42 nebo 48 bitů – nebo se uvádí hloubka na jeden RGB kanál, tj. 8, 10, 12, 14, resp. 16 bitů na barvu (256, 1024, 4096, 16384, resp. 65536 odstínů na barvový kanál)
  • používá se dokonce i 6 barevné skenování s 16 bity na kanál a celkovou interní barevnou hloubkou 96 bitů
  • oko nerozeznává miliardy barev, ale čím kvalitnější je digitalizace, tím lepší je možnost výpočtů a menší zkreslení
  • externí barevná hloubka (výstup ze skeneru) je ale obvykle pouze 24 bitová, neboť programy běžně nepodporují vyšší hloubku; výstup může být též 48 bitový

Denzita

  • denzita D (optická hustota) – denzita je desítkovým logaritmem opacity O = míry odraznosti (reflektance) nebo propustnosti (transmitance): D = log10 O
    • např. pro 100% (O = 1) D = 0, pro 10% D = 1, pro 1% D = 2
  • dynamický rozsah denzit = rozpětí denzit (Dmax – Dmin)
    • Dmax = hodnota denzity, kterou je schopen skener ještě rozlišit a nad níž již nerozlišuje jednotlivé stupně jasu → černá plocha
    • Dmin = hodnota denzity, kterou snímací prvek ještě zvládá a pod níž již nerozlišuje jednotlivé stupně jasu → bílá plocha
    • např. 2,2 D pro papírové předlohy (D těchto předloh ± 2)
    • např. 3,2 – 3,4 D pro snímání diapozitivů a negativů
    • např. 4 D pro nejkvalitnější skenery

Rychlost

  • počáteční zahřívací doba 20 – 30 sec., resp. 0 při LED diodě
  • rychlost náhledu při 300 dpi např. pouze 3,6 sekundy
  • rychlost konečného skenování závisí na velikosti snímané předlohy a parametrech skenování
  • ČB skenování je cca 3x rychlejší, např. při 300 dpi 27 str. A4 ČB – 9 str. A4 RGB 24 b
  • skenery deklarují rychlost již od 0,2 až 0,4 ms na jednu linku, resp. uvádějí rychlost skenování např. 6 s nebo 14 s na A4 při 300 dpi = cca 4 nebo 10 str. za minutu
  • speciální vysokorychlostní skenery mohou dosahovat rychlosti až 180 str. za minutu
  • významný je též způsob propojení skeneru a počítače

Připojení

  • paralelní port (dříve) konektor FD25 s 25 kolíky
  • SCSI rozhraní (dříve) – Small Computer Systems Interface (dražší či speciální skenery – nutnost instalace SCSI řadiče)
  • sběrnice USB (Universal Serial Bus) verze 1.1 12 Mb/s, USB 2 480 Mb/s, resp. USB 3 až 5 Gb/s
  • rozhraní IEEE 1394 (FireWire, iLink) Institute of Electrical & Electronics Engineers – 400 Mb/s (b 800Mb/s, c 3,2 Gb/s)
  • Ethernet (dříve 10 Mb/s, nyní standard Fast Ethernet 100 Mb/s, gigabit Ethernet 10 Gb/s
  • Wi-Fi (IEEE 802.11) 2,4 nebo 5 GHz až 600 Mb/s
  • Bluetooth (IEEE 802.15) 2,4 GHz až 2,1 Mbit/s
  • Port IrDA 1.1 (Infrared Data Association) až 4 Mb/s Very Fast Infrared 16 Mb/s (pro skenery low-power 115 kb/s)