Архитектура аппаратных средств лабораторная работа 2. Вот эта ААС ЛР2. Колледж Инфраструктурных Технологий
 Скачать 210.3 Kb.
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации ФГАОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова»Колледж Инфраструктурных ТехнологийЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6Изучение 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: Изучить теоретический материал из методических указаний лабораторной работы. С помощью рабочего ПК и сканера изучить принцип работы, основные параметры и технические характеристики сканеров, изучить технологии сканирования BET. 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.
Рис. 17 – Сравнение результатов сканирования II. Выполнение работы Схема строения планшетного сканера и основные элементы конструкции.  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
Схематически изобразите конструкцию сканирующего блока сканера (это сканирующая часть внутри устройства).  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 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)
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.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.
Вывод: Как оказывается, есть много сканеров. Не только те которые в офисе, есть такие которые сканируют картины великих авторов искусства и других. Как по мне обычные в понимании сканеры уйдут в прошлое при помощи телефонов. Контрольные вопросы: Сканеры. Дать определение. Назначение сканеров. Сканер — это периферийное устройство персонального компьютера (ПК), позволяющее вводить в компьютер оригиналы (образы изображений), представленные в виде текстовых документов, рисунков, слайдов, фотопленок, фотографий, графической информации или объемных предметов. Сканер преобразует подобную информацию в электронную. Привести типы сканеров. Привести функциональные возможности различных типов. Типы: Ручные сканеры - пользуются намного меньшей популярностью, чем планшетные, так как документ или фото, которое нужно обработать пользователь должен перемещать вручную. Страничные (протяжные) сканеры - По внешнему виду листопротяжные сканеры напоминают принтер Планшетные сканеры - являются самыми распространёнными и удобными для большинства пользователей, так как обеспечивают хорошее качество готового изображения, скорость и простоту использования. Слайд- сканеры - Данные устройства используются для переноса информации с плёночных слайдов. Чаще всего они выпускаются, как дополнение к обычным сканерам. Книжные сканеры - создавались специально для сканирования книг и брошюр, чтобы повысить количество сохранённых в архивах документов. Они позволяют аккуратно перенести информацию с древних и дорогостоящих изданий, не замяв и не испортив листы. Барабанные сканеры - используются в широкомасштабной полиграфии, где от готовых изображений требуется высококачественное воспроизведение. Считывание происходит во время продвижения по носителю барабана. За одно продвижение считываются разные линии пикселей. Раскрыть принцип работы и структуру устройства сканеров. Основные характеристики сканеров Сканер как оптоэлектронный прибор включает следующие функциональные компоненты: датчик, содержащий источник света, оптическую систему, фотоприемник, механизм перемещения датчика (или оптической системы) относительно оригинала. Электронное устройство обеспечивает преобразование информации в цифровую форму. В процессе сканирования оригинал освещается источником света. Светлые области оригинала отражают больше света, чем темные. К основным характеристикам сканеров относятся оптическое разрешение, глубина цвета (разрядность), диапазон оптических плотностей, размер области сканирования, используемый интерфейс. По каким причинам возникают потери информации при сканировании? Что влияет на качество отсканированного изображения? Могут возникнуть по нескольким причинам — при смещении/загрязнении калибровочной полоски сканера, повреждении гибкого шлейфа передачи данных, нарушениях в работе или выходе из строя моторчика сканирующей каретки. Если калибровочная полоска, расположенная на крышке сканера, не скошена в сторону и не имеет сильных загрязнений, без проведения ремонта устранить ошибку не получится. Качество отсканированной фотографии определяется не только ее размером, разрешением, глубиной цвета, совершенством оригинала и конструкцией сканера. Влияние оказывают и те манипуляции, которые вы выполняете в компьютерной программе. Уменьшение, или увеличение размеров изображения, коррекция гаммы, яркости, контраста, насыщенности снимка, фильтры и деформации, переключения между цветовыми режимами не проходят для изображения бесследно. В чем заключается цифровая фильтрация по технологии ВЕТ? Опишите достоинства и недостатки данной технологии. По сравнению с аналоговыми фильтрами они предпочтительны во множестве областей (например, сжатие данных, биомедицинская обработка сигналов, обработка речи, обработка изображений, передача данных, цифровое аудио, телефонное эхо подавление), так как обладают рядом преимуществ и недостатков, часть из которых описана ниже. Преимущества использования цифровых фильтров - Цифровые фильтры могут иметь характеристики, получить которые на аналоговых фильтрах невозможно, например, действительно линейную фазовую характеристику. - В отличие от аналоговых, производительность цифровых фильтров не зависит от изменений среды, например, от колебаний температуры. Таким образом, цифровые фильтры не требуют периодической калибровки. - Если фильтр построен с использованием программируемого процессора, его частотная характеристика может настраиваться автоматически (поэтому такие процессоры широко применяются в адаптивных фильтрах). - Один цифровой фильтр может обрабатывать несколько входных сигналов или каналов без дублирования аппаратных блоков. - Как фильтрованные, так и нефильтрованные данные можно сохранить для последующего использования. - Можно легко использовать достижения из области технологий СБИС и получать небольшие цифровые фильтры с пониженной потребляемой мощностью и более низкой ценой. - На практике точность, которой можно добиться при использовании аналоговых фильтров, ограничена; например, затухание в полосе подавления нельзя поднять выше 60-70 дБ (если использовать стандартные аналоговые компоненты). Точность цифровых фильтров ограничена только используемой длиной слова. Производительность цифровых фильтров одинакова для всех устройств серии. - Цифровые фильтры могут использоваться при очень низких частотах, характерных, например, для многих биомедицинских приложений, где применять аналоговые фильтры непрактично. Кроме того, цифровые фильтры могут использоваться в большом диапазоне частот, для чего достаточно просто менять частоту дискретизации. Впрочем, по сравнению с аналоговыми цифровые фильтры имеют и ряд недостатков. Недостатки цифровых фильтров - Ограничение скорости. Максимальная ширина полосы сигналов, которые в реальном времени способны обработать цифровые фильтры, значительно уже, чем у аналоговых фильтров. В приложениях реального времени процесс преобразования "аналоговый-цифровой-аналоговый" вводит ограничение по скорости на производительность цифрового фильтра. Наивысшую частоту дискретизации, с которой может работать фильтр, ограничивает время конвертации АЦП и время установления сигнала ЦАП. Кроме того, скорость работы цифрового фильтра зависит от скорости работы используемого цифрового процессора и числа арифметических операций, которые надлежит выполнить в алгоритме фильтрации, и повышается, когда характеристика фильтра становится более сжатой. - Влияние конечной разрядности. Цифровые фильтры подвержены шуму АЦП, происходящему от квантования непрерывного сигнала, и шуму округления, который вводится при вычислениях. При использовании рекурсивных фильтров высоких порядков накопление шума округления может привести к неустойчивости фильтра. - Значительное время разработки и внедрения. Разработка и внедрение цифровых фильтров, особенно внедрение аппаратного обеспечения, могут выполняться гораздо дольше, чем подобные процедуры для аналоговых фильтров. В то же время, однажды разработанное аппаратное и/или программное обеспечение может использоваться в других задачах цифровой обработки сигналов с незначительной модификацией или вообще без изменений (соответствующие примеры приведены в последующих главах). Если при проектировании цифровых фильтров доступна хорошая компьютерная поддержка, эту задачу будет весьма интересно решать, хотя для того, чтобы эффективно и полно использовать такую поддержку, нужно определенное умение. Приведите современные технологии сканирования. В современных сканерах используются две сенсорные технологии: CCD (Charge Coupled Device) и CIS (Compact Image Sensor). В CCD- сканере основу освещает лампа холодного света, а система зеркал (призма) разлагает отраженный свет на основные цвета — красный, зеленый и синий. Для каждого из цветов у CCD имеется сенсорный ряд, состоящий из светочувствительных конденсаторов. При попадании света они частично разряжаются. Данные изменения заряда трансформируются аналогово-цифровыми преобразователями в цифровую форму, которая может впоследствии обрабатываться на компьютере. |
