Московский государственный университет печати. Способ обнаружения оптических и оптико-электронных средств наблюдения и устройство для его осуществления Оптико электронный способ сканирования

10.01.2024

Рисунки к патенту РФ 2524450

Изобретение относится к оптической и лазерной локации, системам наблюдения в оптическом диапазоне и к квантовой электронике.

Изобретение может быть использовано в системах наблюдения для обнаружения оптических и оптико-электронных (ОЭ) приборов и средств наблюдения и прицеливания, а также для определения типа обнаруженных оптических и ОЭ средств и их идентификации.

Известен способ обнаружения средств оптического и оптоэлектронного типа по патенту РФ № 2133485 , заключающийся в зондировании контролируемого объема пространства сканируемым импульсным лазерным излучением, приеме оптических сигналов с заданной дальности, преобразовании принятых сигналов в видеосигнал, пороговой селекции принятых сигналов, зондировании объема пространства с фиксированной частотой, кодировании излучаемой последовательности импульсов лазерного излучения, выявлении сигнала тревоги. К недостаткам данного способа следует отнести невысокую вероятность правильного обнаружения средств оптического типа при простой пороговой обработке (селекции) принятого сигнала на фиксированной длине волны от контролируемого объема пространства, а также невозможность определения принадлежности обнаруженного оптического средства к конкретному классу средств оптоэлектронного типа, т.е. распознавания обнаруженного объекта. Вторым недостатком данного способа обнаружения является его собственная уязвимость по отношению к оптическим средствам обнаружения и распознавания внешнего наблюдателя, т.к. при осуществлении зондирования контролируемого объема пространства (КОП) импульсным лазерным излучением на фиксированной длине волны устройство, реализующее способ, демаскирует себя и может быть обнаружено и идентифицировано внешним наблюдателем, осуществляющим поиск и контроль излучений, облучающих место нахождения средств обнаружения данного вероятного стороннего наблюдателя.

Известен способ обнаружения глаз людей и животных по патенту РФ № 2223516 от 10.02.2004 г. , включающий облучение лоцирумого объема пространства импульсным сканируемым излучением в диапазоне длин волн 450-700 мкм и определение глаз по отношению интенсивностей отраженного излучения на двух длинах волн - 1 и 2 . К недостаткам данного способа следует отнести невысокую достоверность полученных результатов, малую вероятность правильного определения наличия заданного объекта, малую дальность действия. Указанные недостатки обусловлены отсутствием определения и компенсации фонового излучения, которое в реальных условиях может полностью изменить соотношения между принимаемым излучением на 1 и 2 , особенно при широкополосном зондирующем излучении. Также недостатком данного способа является его ограниченное применение, что исключает возможность его использования для обнаружения и распознавания широкого класса оптических и ОЭ приборов.

В качестве прототипа выбран способ обнаружения оптических и оптоэлектронных средств наблюдения по патенту РФ № 2278399 .

Данный способ включает зондирование контролируемого объема пространства (КОП) сканируемым импульсным лазерным излучением (ЛИ) на фиксированной длине волны, прием отраженного от КОП ЛИ с заданной дальности, преобразовании принятого ЛИ в электрический сигнал и пороговую обработку сформированного электрического сигнала, формирование сигнала тревоги - сигнала обнаружения объекта на основании пороговой обработки, определение дальности до обнаруженного объекта, прием сигналов естественного фонового излучения от КОП, изменение частоты повторения ЛИ, формирование разностного видеосигнала из сигналов ЛИ и сигналов естественного фонового излучения и его пороговую обработку, формирование композитного видеосигнала и его преобразование в оптический сигнал для наблюдения оператором.

К недостаткам способа-прототипа следует отнести невысокую вероятность и эффективность правильного обнаружения приборов и средств наблюдения оптико-электронного типа, а также невозможность распознавания обнаруженных объектов и определение их принадлежности к ОЭ-приборам соответствующего класса. Эти недостатки обусловлены тем, что собственно обнаружение объекта - прибора ОЭ-типа - осуществляют посредством простой пороговой обработки принятого отраженного сигнала от КОП, т.е. на основании превышения принятого импульсного сигнала некоторого установленного уровня. При этом отраженный от КОП сигнал, превышающий фиксированный порог, может быть получен и от ряда объектов естественного происхождения, не принадлежащих к приборам ОЭ-типа, т.к. уровень отраженного сигнала на некоторой фиксированной длине волны лазерного излучения не может быть использован в качестве достоверного критерия принадлежности обнаруженного объекта к приборам ОЭ-типа. Различные аддитивные манипуляции с уровнем фонового излучения и формирование разностных сигналов также не приводят к повышению вероятности правильного обнаружения приборов и средств ОЭ-типа.

В качестве прототипа для устройства, реализующего способ, выбрано устройство, реализующее способ-прототип .

Достигаемым новым техническим результатом является повышение вероятности обнаружения и распознавания оптических и оптоэлектронных приборов и средств наблюдения и определение их принадлежности к известным классам ОЭ-приборов. Также достигается дополнительный положительный эффект - уменьшение возможности обнаружения предлагаемого устройства внешними наблюдателями, в т.ч. средствами обнаружения ОЭ-типа.

Указанный технический результат достигается следующим.

1. В способе, включающем зондирование контролируемого объема пространства (КОП) сканируемым импульсным лазерным излучения (ЛИ) на длине волны 1 , прием отраженных сигналов ЛИ и сигналов естественного фонового излучения от КОП, преобразование принятого ЛИ в электрический сигнал, его пороговую обработку и определение дальности до обнаруженного ОЭСН,

прием сигналов естественного фонового излучения от КОП осуществляют перед зондированием КОП, в принятом естественном фоновом излучении от КОП измеряют спектральное распределение излучения, в измеренном спектральном распределении определяют соотношение между интенсивностями W 1 , W 2 , W 3 основных спектральных компонент цветовой гаммы видимого диапазона длин волн, на длине волны 1 и на двух дополнительных длинах волн 2 , 3 , соответствующих интенсивностям W 1 , W 2 , W 3 и образующих в совокупности оптическое излучение белого цвета, генерируют пучки импульсного ЛИ на длинах волн 1 , 2 , 3 с соотношением интенсивностей пучков P 1 , P 2 , P 3 , соответствующим соотношению между интенсивностями W 1 , W 2 , W 3 основных спектральных компонент в спектральном распределении фонового излучения от КОП, формируют суммарный пучок ЛИ посредством оптического суммирования пучков на длинах волн 1 , 2 , 3 , измеряют его спектральное распределение, сравнивают со спектральным распределением естественного излучения от КОП и корректируют его до достижения равенства соотношений спектральных компонент суммарного пучка ЛИ и естественного фонового излучения от КОП на длинах волн 1 , 2 , 3 , далее осуществляют зондирование КОП сформированным пучком ЛИ и прием на длинах волн 1 , 2 , 3 и в широкой спектральной полосе = 3 - 1 , после преобразования принятого ЛИ в электрические сигналы и их пороговой обработки, измеряют уровни принятых оптических сигналов ЛИ, определяют величины показателей световозвращения (ПСВ) для трех длин волн и для полосы ДА, по ним формируют спектральный портрет ПСВ обнаруженного ОЭСН и сравнивают его с банком данных ПСВ, на основании сравнения осуществляют окончательное обнаружение ОЭСН и определение его принадлежности к известному типу ОЭСН (распознавание ОЭСН).

2. Определение показателей световозвращения (ПСВ) П i для каждой из используемых для подсвета контролируемого пространства (КОП) длин волн лазерного излучения i (i=1, 2, 3) осуществляют в соответствии со следующей формулой:

где E i - величина уровня принятого оптического сигнала, отраженного от КОП на длине волны i (1=1, 2, 3) зондирующего КОП ЛИ;

Величина энергии (мощности) зондирующего КОП ЛИ на длине волны i ;

Ni - расходимость пучка ЛИ на длине волны i (плоский угол);

L - измеренная дальность до обнаруженного объекта;

D пр - диаметр (действующий) приемного объектива реализующего способ устройства;

ОМТ - величина пропускания оптико-механического тракта реализующего устройства;

Атм - величина пропускания атмосферного тракта на соответствующей длине волны i .

3. Определение показателя световозвращения (ПСВ) П для широкой полосы длин волн = 3 - 1 зондирующего ЛИ осуществляют в соответствии со следующей формулой:

где E - величина уровня принятого оптического сигнала, отраженного от КОП, зарегистрированного широкополосным фотоприемником устройства, реализующего способ, в широкой полосе длин волн = 3 - 1 ;

P - суммарная величина энергии (мощности) ЛИ, зондирующего КОП ;

Ср, , атм ср - усредненные по длинам волн 1 , 2 , 3 величины расходимости ЛИ, пропускания оптико-механического тракта и пропускания атмосферы.

4. В устройство обнаружения оптических и оптико-электронных средств наблюдения, содержащее последовательно размещенные на оптической оси блок сканирования, первый лазерный генератор, работающий на первой длине волны 1 , первый объектив, оптический вход которого связан посредством оптического зеркала с оптическим входом блока сканирования, первый фотоприемник, оптический вход которого посредством первого оптического фильтра, первой линзы и второго оптического зеркала связан с оптическим выходом первого объектива, первый блок обработки информации, вход которого соединен с выходом первого фотоприемника, второй объектив, оптическая ось которого параллельна оптической оси блока сканирования,электрический вход которого подключен к первому блоку обработки информации, введены второй и третий лазерные генераторы, три управляемых оптических фильтра, оптический сумматор, оптический спектроанализатор, четыре фотоприемных блока, второй блок обработки информации, блок распознавания, первое и второе откидные зеркала, три фотоприемника, три оптических фильтра, четыре полупрозрачных зеркала и четыре оптических зеркала, а также четыре волоконно-оптических световода, при этом оптический вход оптического спектроанализатора связан с оптическим выходом второго объектива, оптический выход оптического спектроанализатора посредством волоконно-оптических световодов связан со входами четырех фотоприемных блоков, выходы которых подсоединены ко второму блоку обработки информации, оптический вход оптического сумматора через три управляемых оптических фильтра, полупрозрачное и оптическое зеркала связаны с соответствующими оптическими выходами первого, второго и третьего лазерных генераторов, выход оптического сумматора связан с оптическим входом блока сканирования, а посредством первого откидного зеркала, двух оптических зеркал и второго откидного зеркала оптически связан с оптическим входом оптического спектроанализатора, оптический выход первого объектива оптически связан с вновь введенными вторым, третьим и четвертым фотоприемниками посредством трех полупрозрачных зеркал, трех линз и трех оптических фильтров, выходы второго, третьего и четвертого фотоприемников подсоединены ко входам первого блока обработки информации, выходы которого подключены к блоку распознавания и второму блоку обработки информации, выходы которого подсоединены к управляющим входам первого, второго и третьего лазерных генераторов, первого, второго и третьего управляемых фильтров и первого и второго откидных зеркал.

5. Оптический спектроанализатор выполнен на основе оптической дифракционной решетки.

6. Блок распознавания выполнен на основе цифровой электронно-вычислительной машины, содержащей блок данных величин эталонных портретов спектральных показателей световозвращения (ПСВ).

На фиг.1 приведена блок-схема устройства, реализующего предложенный способ, где обозначены следующие элементы.

1 - Лазерный генератор, работающий на длине волны 1 (ЛГ)

2; 3 - Лазерные генераторы, работающие на длинах волн 2 и 3

4; 5; 6 - Управляемые оптические фильтры

7 - Оптический сумматор

8 - Блок сканирования

9 - Первый объектив

10; 11; 12; 13 - Фотоприемники

14; 15; 16; 17 - Линзы

18 - Первый блок обработки информации

19 - Второй объектив

20 - Оптический спектроанализатор

21; 22; 23; 24 - Фотоприемные блоки (ФП)

25 - Второй блок обработки информации

26 - Полупрозрачное зеркало

27; 28; 29 - Оптические зеркала

30 - Первое откидное зеркало

31 - Блок управления вторым откидным зеркалом

32 - Блок управления первым откидным зеркалом

33 - Второе откидное зеркало

34; 35 - Оптические зеркала

36; 37; 38 - Полупрозрачные зеркала

39 - Оптическое зеркало

40; 41; 42; 43 - Оптические фильтры

44 - Блок распознавания

45 - контролируемый объем пространства (КОП)

46 - оптико-электронный прибор (ОЭП)

47; 48; 49; 50 - волоконные оптические световоды.

В ограничительной части формулы изобретения на устройство присутствуют элементы, по сути и функциям общие с элементами устройства-прототипа, но имеющие разные наименования:

Первый блок обработки информации, функции которого в прототипе выполняет блок обработки видеосигналов;

Первый объектив, в прототипе входящий в состав видеокамеры;

Блок сканирования, в прототипе входящий в состав лазера и обеспечивающий зондирование КОП импульсным ЛИ.

При этом второй блок обработки информации является вновь введенным и выполняет новую функцию обработки оптических сигналов с выхода оптического спектроанализатора 20 (фиг.1).

Принцип действия способа заключается в следующем.

С помощью блока сканирования 8 (см. фиг.1) осуществляют зондирование КОП 45 импульсным ЛИ одновременно на трех длинах волн 1 , 2 , 3 , генерируемых лазерными генераторами (ЛГ) 1, 2, 3. Управление блоком сканирования осуществляют по сигналам, поступающим от первого блока обработки информации 18.

До зондирования КОП ЛИ осуществляют измерение спектрального распределения фонового излучения от КОП 45. Для этого с помощью второго объектива 19, направленного на КОП, осуществляют непрерывный прием естественного фонового излучения. Принятое фоновое излучение поступает на вход оптического спектроанализатора 20, который осуществляет формирование спектрального распределения принятого излучения в виде, например, пространственного оптического распределенного сигнала.

Отдельные спектральные составляющие сформированного спектрального пространственного распределения с помощью волоконных световодов 47÷50 поступают с выхода оптического спектроанализатора 20 на входы фотоприемных блоков 21÷24, которые регистрируют уровни фонового излучения от КОП на длинах волн 1 2 3 - фотоприемные блоки 21÷23, а также регистрируют уровень суммарного фонового излучения в спектральном диапазоне = 3 - 1 (фотоприемный блок - 24). Информация об уровнях спектрального распределения фонового излучения на указанных длинах волн поступает на вход второго блока обработки информации 25. Измерение спектрального распределения фонового излучения от КОП 45 осуществляют на трех фиксированных длинах волн 1 2 3 , которые выбирают соответствующими основным компонентам цветовой гаммы видимого диапазона длин волн, а именно: 1 - соответствует длине волны красного цвета, 2 - длине волны зеленого цвета, 3 - длине волны синего цвета. Соответственно 1 =0,7 мкм, 2 =0,54 мкм, 3 =0,43 мкм.

В настоящее время для указанных длин волн существуют источники лазерного излучения . Во втором блоке обработки информации 25 на основе уровней интенсивности сигналов с выходов фотоприемных блоков 21, 22, 23 определяют соотношение между интенсивностями W 1 , W 2 , W 3 спектральных компонент фонового излучения на выбранных длинах волн соответственно 1 2 3 . Далее в моменты времени генерации лазерного излучения с помощью лазерных генераторов поз.1, 2, 3 устанавливают соотношение между интенсивностями генерируемых лазерных импульсов соответственно на длинах волн 1 -P 1 (лазерный генератор 1 на фиг.1); 2 -P 2 и 3 -P 3, соответствующими соотношению между интенсивностями спектральных компонент на соответствующих длинах волн 1 2 3 в измеренном спектральном распределении фонового излучения от контролируемого объема пространства КОП 45. При этом устанавливают следующее соотношение между величинами (интенсивностями) лазерных импульсов, генерируемых лазерными генераторами 1, 2, 3 на длинах волн 1 2 3: P 1 P 2 P 3 и интенсивностями W 1 , W 2 , W 3 спектральных компонент фонового излучения на длинах волн 1 2 3:

Управление величинами лазерных импульсов, генерируемых лазерными генераторами поз.1, 2, 3, осуществляют по командам от второго блока обработки информации 25, поступающим в лазерные генераторы, и сформированные на основании измерений уровней лазерного излучения от генераторов ЛИ с помощью фотоприемных блоков 21-24. Далее осуществляют оптическое суммирование трех лазерных импульсов - пучков лазерного излучения, генерируемых лазерными генераторами поз. 1, 2, 3 на фиг.1 с помощью оптического сумматора 7, на который поступает лазерное излучение с выходов указанных лазерных генераторов. Сформированное суммарное лазерное излучение на выходе оптического сумматора 7 содержит спектральные компоненты на трех длинах волн 1 2 3 в соотношении, соответствующем соотношению спектральных компонент в фоновом излучении КОП 45.

Далее осуществляют измерение спектрального распределения сформированного суммарного пучка лазерного излучения с выхода оптического сумматора 7 и сравнение его с измеренным спектральным распределением фонового излучения от контролируемого объема пространства. Для этого с помощью первого и второго откидных зеркал 30 и 33 сформированное излучение с выхода оптического сумматора 7 поступает на вход оптического спектроанализатора 20, осуществляющего формирование пространственного спектрального распределения, которое затем регистрируют на длинах волн 1 2 3 посредством фотоприемных блоков 21-23. Блоки 21-23 аналогично регистрируют спектральное распределение фонового излучения от КОП 45. Блок 24 регистрирует суммарный уровень излучения в некотором выбранном диапазоне длин волн = 3 - 1 . Во втором блоке обработки информации 25 осуществляют регистрацию спектрального распределения суммарного пучка ЛИ P 11 , P 21 , P 31 (с учетом ослабления в оптических элементах 7, 28, 29, 30, 33, 20, через которые проходит сформированное ЛИ). Далее измеренное распределение интенсивностей (амплитуд импульсов) сравнивают с ранее измеренным и запомненным в блоке информации 25 спектральным распределением интенсивности фонового излучения W 1 , W 2 , W 3 от КОП 45. По результатам этого сравнения осуществляют коррекцию спектрального пучка ЛИ до достижения равенства соотношений спектральных компонент P 11 , P 21 , P 31 на выходе оптического сумматора 7 соотношениям спектральных компонент W 1 , W 2 , W 3 в измеренном спектральном распределении фонового излучения от КОП 45.

Коррекцию осуществляют с помощью управляемых оптических фильтров 4, 5, 6, на которые поступают управляющие сигналы с выхода второго блока обработки информации 25, раздельно для каждой длины волны 1 2 3 . Подстройку пропускания управляемых фильтров 4, 5, 6 раздельно по каждой длине волны осуществляют до точного достижения следующего равенства:

В результате осуществленной коррекции спектрального распределения сформированного суммарного пучка на выходе оптического сумматора 7 образуется пучок лазерного излучения на трех фиксированных длинах волн 1 2 3 , образующих цветовую гамму белого света, спектральное распределение которого на основных длинах волн 1 2 3 точно соответствует спектральному распределению (составу) данных длин волн в фоновом излучении от КОП. Сформированные в результате данной коррекции интенсивности лазерных пучков P 1 , P 2 , P 3 на соответствующих длинах волн 1 2 3 , измеренные фотоприемными блоками 21-23, а также величину P в спектральном диапазоне , измеренную блоком 24, запоминают во втором блоке обработки информации 25.

В результате в блоке обработки информации 25 запоминаются следующие величины энергии (или мощности) импульсов пучков ЛИ P ni , генерируемые лазерными генераторами, и приведенными к выходу блока сканирования 8:

, i=1, 2, 3; 1 ={ 1 ; 2 ; 3 ;},

где i - соответствующий корректирующий коэффициент для каждой длины волны i , связывающий величину энергии (мощности) ЛИ E i на соответствующей длине волны i , измеренной в ФП блоках 21÷24, с величиной энергии ЛИ на выходе блока сканирования 8, т.е. с величиной энергии (мощности) ЛИ, излученной в направлении КОП 45. Данные измеренные величины далее будут использованы для определения параметров спектрального портрета показателей световозвращения обнаруженного объекта-ОЭП поз.46 в КОП 45. Корректирующие коэффициенты i являются фиксированными техническими параметрами устройства и определяются соответствующими коэффициентами пропускания j оптических зеркал, блока сканирования 8 и спектроанализатора 20, волоконных световодов 47÷50 на соответствующих длинах волн:

где j - пропускание соответствующего оптического элемента соответствующей позиции на фиг.1 на длине волны i . Например, 8 - пропускание блока сканирования 8. Пропускание зеркал 28, 29 выбрано достаточно малым для ослабления излучения с выхода оптического сумматора 7 до уровня чувствительности фотоприемных блоков 21-24. Далее этот сформированный суммарный пучок ЛИ поступает на блок сканирования 8, с помощью которого осуществляют зондирование контролируемого объема пространства сканируемым импульсным излучением на трех длинах волн 1 2 3 одновременно. На этой стадии откидное зеркало 30 не участвует в работе оптического канала. Далее осуществляют прием оптического излучения, отраженного от КОП 45 с помощью первого объектива 9 и преобразование принятого излучения в электрические сигналы посредством фотоприемников поз.10-12 (фиг.1), каждый из которых работает на соответствующей длине волны 1 2 3 . Фотоприемник поз.13 регистрирует излучение в широкой спектральной полосе = 3 - 1 . Перед каждым из фотоприемников поз.10-12 установлены спектральные узкополосные фильтры (например интерференционные), на соответствующую длину волны 1 - 3 , поз.40-43. Перед фотоприемником 13 установлен оптический фильтр 43 нейтрального типа с широкой полосой пропускания . Далее электрические сигналы с выходов фотоприемников 10-13 поступают в первый блок обработки информации 18, в котором осуществляют пороговую обработку каждого из электрических сигналов для соответствующих фиксированных длин волн 1 ÷ 3 (фотоприемники 10-12), а также сигнала с выхода фотоприемника 13 для широкой спектральной полосы = 3 - 1 . Пороговая обработка заключается в сравнении уровня (амплитуды) i импульсного сигнала с соответствующего фотоприемника 10-13 с пороговым уровнем Пi , установленным для данной длины волны i = 1 , 2 , 3 , или с пороговым уровнем П , установленным для широкой спектральной полосы приема . Решение об обнаружении объекта в виде бликующего оптического или оптико-электронного прибора предварительно принимают при условии превышения установленного порогового уровня хотя бы для одной из длин волн 1 , 2 или 3 на выходе одного из фотоприемников поз.10-12, или при превышении установленного порогового уровня П сигналом с выхода фотоприемника 13, работающего в широкой спектральной полосе приема :

Установление пороговых уровней i в каждом из спектральных каналов приема на длинах волн 1 , 2 , 3 осуществляют до приема излучения, отраженного от КОП 45, а также устанавливают пороговый уровень П в суммарном спектральном канале с широкой спектральной полосой приема излучения = 3 - 1 , регистрируемого фотоприемником 13.

Пороговые уровни устанавливают в соответствии с чувствительностью используемых фотоприемников поз.10-13, работающих на указанных дискретных длинах волн 1 , 2 , 3 , и в широком диапазоне - фотоприемник 13. Пороговые уровни устанавливают программно в первом блоке обработки информации 18 в соответствии со следующими условиями:

где K 1 - требуемое отношение сигнал/шум, которое для обеспечения, например, вероятности правильного обнаружения р=0,99 выбирают равным K 1 =3; - чувствительность фотоприемника на длине волны i i=1, 2, 3, или фотоприемника 13, работающего в широком спектральном диапазоне .

Данная чувствительность представлена здесь в виде уровня мощности (или энергии) импульсного светового излучения на входе фотоприемника 11-13 на соответствующей длине волны i или в диапазоне длин волн , при которой на выходе фотоприемника образуется электрический сигнал, равный по амплитуде уровню собственных шумов ш данного фотоприемника, т.е. реализуется величина отношения сигнал/шум, равная единице.

После предварительного обнаружения объекта в каком-либо из спектральных каналов i , или в широкополосном канале приема (ФП 13), осуществляют измерение дальности L до обнаруженного объекта в соответствии со стандартной процедурой определения дальности по времени задержки 1 импульса приема относительно момента излучения лазерного импульса зондирования КОП 45:

где C - скорость света.

Далее в каждом из спектральных каналов приема 1 , 2 , 3 , (ФП 10-13) осуществляют измерение уровня принятого оптического сигнала E i относительно уровня чувствительности, соответствующего ФП поз.1-13 , выраженной в энергетических единицах.

Для этого в первом блоке обработки информации 18 при регистрации электрических сигналов с выходов ФП 10-13 определяют путем оцифровки уровень (амплитуду) электрического сигнала E Эi с выхода каждого ФП 10-13 и определяют для каждого спектрального канала приема отношение K ПШi - сигнал/шум, равное отношению , где E опрi - запомненный в блоке 18 уровень собственного шумового сигнала данного ФП 10-13, соответствующий уровню энергии (мощности) входного оптического сигнала для этого ФП, равный , т.е. уровню энергетической чувствительности данного ФП. Далее уровень принятого оптического сигнала на входе ФП E i и E определяют по формуле:

где в последней формуле определен уровень входного сигнала в широкополосном канале приема (ФП 13).

показателей световозвращения (ПСВ) Пi для данного обнаруженного объекта, сигнал от которого превысил установленный пороговый уровень в одном или нескольких каналах приема ( 1 ÷ 3 , ).

Измерение показателей световозвращения i=1, 2, 3, П i , осуществляют в первом блоке обработки информации 18 на основе указанных измеренных величин уровней принятого сигнала в каждом из четырех каналов приема (ФП 10-13), на основании измерений, а также с использованием величин уровней лазерных импульсных сигналов, генерируемых лазерными генераторами 1-3 и измеренных фотоприемными блоками поз.21-24 (P 1 , P 2 , P 3). Между первым и вторым блоками обработки информации осуществляется постоянный обмен информацией по связывающей их линии связи.

Измеренные величины показателей световозвращения (ПСВ) на трех длинах волн, а также ПСВ для широкой спектральной полосы П образуют некоторый спектральный портрет {П i ; П } ПСВ отраженного сигнала от КОП для данного фиксируемого положения визирной оси блока сканирования 8 и фиксированного момента времени, при которых получены отраженные импульсы оптического излучения, электрические сигналы от которых на выходах ФП 10-13 превысили установленные пороговые уровни в первом блоке обработки информации 18.

Данный полученный спектральный портрет показателей световозвращения (ПСВ) П i , П используют далее для более точного обнаружения и окончательного определения наличия в КОП 45 прибора оптического или оптоэлектронного типа (для данного положения в пространстве визирной оси блока сканирования 8). При этом полученный спектральный портрет ПСВ позволяет определить принадлежность обнаруженного оптоэлектронного прибора к некоторому классу оптических приборов, например, определить наличие оптико-электронного прибора наблюдения с телевизионной камерой, оптического прицела или наличие наблюдателя с биноклем или стереотрубой.

Указанные ОЭ-приборы и приборы наблюдения имеют существенно различающиеся спектральные портреты ПСВ в видимом или ближнем ИК-диапазоне. Для осуществления распознавания обнаруженного объекта в КОП 45 по измеренному спектральному портрету ПСВ {П i ; П } информацию о величине ПСВ с выхода первого блока обработки информации 18 направляют на вход блока распознавания 44, где осуществляют сравнение полученного и измеренного спектрального портрета ПСВ {П i ; П } с банком данных спектральных портретов ПСВ различных типов оптических и оптико-электронных приборов. По результатам сравнения осуществляют определение принадлежности обнаруженного оптического или ОЭ-прибора к соответствующему классу оптических приборов известного типа.

Информация о результатах сравнения передается потребителю и отображается на дисплее блока 44. На этом цикл зондирования КОП 45 и обнаружения и опознавания оптических и ОЭ приборов, находящихся в КОП, завершен.

Определение спектрального портрета показателей световозвращения осуществляют в первом блоке обработки информации 18 следующим образом.

Определение ПСВ П i осуществляют на основе известной формулы лазерной локации , определяющей связь между энергией (мощностью) импульсного лазерного излучения , сформированного лазерным генератором на соответствующей длине волны i и излученного в направлении КОП 45, с величиной энергии E i принятого импульсного излучения от КОП на соответствующей длине волны i и ряда параметров, характеризующих среду распространения, отражающий объект в КОП, а также ряд геометрических и оптических параметров приемных каналов устройства, реализующего способ:

где ni - расходимость ЛИ на длине волны i совпадает с расходимостью ЛИ на выходе соответствующего лазерного генератора (1, 2, 3), которая известна из паспортных данных на используемые лазерные генераторы поз.1, 2, 3, или может быть получена из измерений;

L - дальность до отражающего объекта в КОП 45;

S об - площадь объекта, эффективно отражающая ЛИ на длине волны i с расходимостью обратной диаграммы направленности об и коэффициентом отражения на длине волны i отр;

D пр - диаметр приемного объектива поз.9 фиг.1 в приемном устройстве, реализующем способ;

П - полный коэффициент пропускания лазерного излучения на длине волны i , включающий следующие составляющие:

П = ОМТ · атм, где

ОМТ - пропускание оптико-механического тракта устройства, реализующего способ на фиг.1 в передающей и приемной частях устройства, (при условии, если в измерениях энергии излученного и принятого от объекта импульсов ЛИ не учтены пропускания оптико-механического тракта. В противоположном случае омт =1).

Атм - коэффициент пропускания атмосферного тракта в прямом и обратном распространении зондирующего лазерного излучения на дальности до объекта L.

Данный коэффициент пропускания атмосферы на двойной дальности до объекта 2L определяют в соответствии со следующей оценочной формулой:

Где показатель ослабления атмосферы

L MDB - метеорологическая дальность видимости, определяемая из известных метеорологических таблиц .

Таким образом, в представленной формуле лазерной локации (8) наряду с параметрами, отражающими характеристики объекта, все остальные параметры являются известными или определены и измерены в результате работы устройства, реализующего способ: L - измеренная дальность до объекта; , E i - измеренные мощности (энергии) (3) в излучаемом и принятом импульсе ЛИ на длинах волн i , i=1, 2, 3,

Величина L MDB вводится априорно оператором на основании известных таблиц и исходя из визуальной оценки атмосферных условий и времени суток в период действия устройства, реализующего способ. Фотоприемники поз.10-13 на фиг.1 регистрируют энергию (уровень) принятых импульсных сигналов ЛИ, отраженных от КОП, на соответствующих длинах волн ЛИ, а также в широкой полосе длин волн, и преобразуют уровень этих сигналов в электрическую форму. В электрической форме информация об уровнях принятых сигналов ЛИ поступает с выходов фотоприемников 10-13 на входы первого блока обработки информации 18.

В формуле (8) величина

по определению является показателем световозвращения наблюдаемого и освещаемого лазерным излучением объекта на длине волны i . Все составляющие, входящие в данную величину (10), обусловлены собственными отражательными характеристиками объекта. Отсюда на основании формулы (8), измеренных параметров L, E i , . и известных параметров ni , D пр, ОМТ и параметра атм, определенного по формуле (9), определяют спектральный показатель световозвращения ПСВ для каждой из используемых длин волн i i=1, 2, 3, в соответствии со следующим соотношением для П i , получаемым из формул (8-10):

где атм из формулы (9).

Для широкого спектрального диапазона длин волн = 3 - 1 величину показателя световозвращения ПСВ=П определяют на основании следующей формулы (11-2), в которой вместо E i подставляют величину E энергии (мощности) импульса ЛИ, зарегистрированного широкополосным фотоприемником поз.13 в диапазоне ; в качестве величины энергии (мощности) ; в качестве величин ; ОМТ и атм подставляют их усредненные по длине волны значения ср; ОМТ ср; атм ср.

Совокупность измеренных величин спектральных показателей световозвращения для трех длин волн и суммарной полосы образуют спектральный портрет показателя световозвращения {П }П i для одного акта освещения элемента (наблюдаемой точки) КОП 45 трехволновым зондирующим излучением.

Таким образом, в первом блоке обработки информации 18 для каждого излученного и принятого от КОП 45 импульса ЛИ на трех длинах волн определяют величину показателей световозвращения ПСВ на соответствующих длинах волн i , из совокупности длин волн { i } лазерных излучений, которыми осуществляют зондирование КОП, и для широкой полосы .

На основании полученных значений совокупности величин показателя световозвращения образуют спектральный портрет ПСВ для одного акта зондирования КОП лазерным излучением на трех длинах волн для одного конкретного фиксированного направления в пространстве визирной оси блока сканирования 8. Полученная величина спектрального портрета ПСВ заносится в память первого блока обработки информации 18. Далее блок сканирования 8 переключает (направляет) свою визирную ось в другую (соседнюю) точку пространства (КОП 45), которую освещают трехволновым лазерным излучением, принимают отраженное от КОП излучение, измеряют уровни отраженного и принятого сигналов на длинах волн 1 ÷ 3 и определяют спектральный портрет ПСВ по формулам (11), (11-2), величины которого заносят в память первого блока обработки информации 18. Таким образом, в результате зондирования КОП ЛИ на трех длинах волн для каждого направления в пространстве от точки расположения устройства, реализующего способ, в сторону КОП и для каждой точки (локальной) зоны наблюдения КОП измеряют и образуют величину спектрального портрета ПСВ (если в этой точке принятым сигналом хотя бы на одной длине волны i превышен установленный в блоке 18 порог обнаружения). Операция сравнения измеренных спектральных портретов ПСВ с базой данных в блоке распознавания 44 позволяет осуществить более точное обнаружение приборов оптического и ОЭ типа, имеющих конкретные значения спектрального портрета ПСВ, а также осуществить распознавание обнаруженного оптико-электронного прибора - определить его принадлежность к конкретному классу оптических приборов, эталонные значения спектральных портретов ПСВ которых хранятся в базе данных - в блоке памяти блока распознавания 44.

Сравнение измеренного спектрального портрета ПСВ осуществляют следующим образом.

Осуществляют поэлементное сравнение величин показателя световозвращения в измеренном спектральном портрете ПСВ и в эталонном спектральном портрете ПСВ отдельно для каждой из трех длин волн i i=1÷3 и диапазона , и формируют разностный спектральный портрет

где - величина показателя световозвращения некоторого эталонного спектрального портрета эталонного оптико-электронного прибора для фиксированной длины волны i , - эталонная величина ПСВ для диапазона .

Далее на основании измеренного разностного спектрального портрета R (12) определяют параметр соответствия F между измеренным спектральным портретом и эталонным спектральным портретом по формуле:

Далее указанное сравнение измеренного спектрального портрета ПСВ осуществляют для всех эталонных спектральных портретов П Э, хранящихся в базе данных - блоке памяти блока распознавания 44, и формируют величины разностных портретов R i (12) и параметров соответствия F j (13) для каждого из эталонов в базе данных блока 44 (j=1÷N).

При этом формируют массив величин соответствия {F j ; j=1÷N} (14).

Далее из сформированного массива величин соответствия (14) выбирают от одного до трех величин F j , имеющих минимальное значение из всех остальных величин F j измеренного массива F j (14). При этом определяют указанные три минимальных величины соответствия F j =min{F j j=1÷N} (15) j=ja 1 ; ja 2 ; ja 3 , по которым судят о принадлежности обнаруженного оптико-электронного прибора к соответствующему классу приборов оптико-электронного типа.

В предлагаемом способе обнаружения оптических и оптоэлектронных средств зондирование КОП 45 осуществляют одновременно на трех длинах волн 1 ÷ 3 . При этом ЛИ на трех длинах волн формируют в видимом диапазоне длин волн, а длины волн выбраны соответствующими основным компонентам цветовой гаммы видимого диапазона, обеспечивающие восприятие наблюдателем суммарного длинноволнового излучения { 1 , 2 , 3 }, как излучения белого цвета. При этом длины волн трех лазерных генераторов (поз.1÷3) и их исходные интенсивности равны следующим величинам:

Лазерный генератор (ЛГ) поз.1 фиг.1 генерирует излучение красного цвета (R) с длиной волны 1 =0,7 мкм с интенсивностью светового потока в одном импульсе ЛИ P 1 , например, равной одному люмену (лм).

Лазерный генератор поз.2 генерирует излучение зеленого цвета (G), с длиной волны 2 =0,5 мкм и интенсивностью светового потока P 3 =4,59 в условных единицах, например люменах, относительно ЛИ ЛГ поз.1, генерирующего излучение 1 красного цвета.

ЛГ поз.3 генерирует излучение синего цвета (В) с длиной волны 3 =0,43 мкм и интенсивностью светового потока в указанных единицах относительно излучения ЛГ поз.1, равного P 3 =0,06. Данное указанное соотношение между световыми потоками P i i=1, 2, 3, генерируемыми ЛГ 1÷3, является исходным и устанавливается путем выбора соответствующих уровней накачки используемых ЛГ. При этом указанное соотношение между интенсивностями световых потоков ЛГ P 1:P 2:P 3 =P R:P G:P B =1:4,59:0,06 обеспечивает восприятие суммарного светового потока (суммарного лазерного импульса) как излучения белого цвета. Следует отметить, что восприятие суммарного излучателя как белого цвета будет иметь место при наблюдении данного излучения как наблюдателем с пассивным наблюдением, например, с использованием бинокля, так и при приеме (наблюдении) суммарного излучения с помощью оптоэлектронных средств с широкополосным спектральным фотоприемником видимого диапазона. Указанное соотношение интенсивностей излучений ЛГ и длин волн выбрано в соответствии с известной колориметрической теорией смешения спектральных цветов .

Согласно предложенному способу при генерации ЛИ на трех длинах волн тремя различными ЛГ 1÷3 устанавливают соотношение между интенсивностями генерируемых лазерных пучков P 1 , P 2 , P 3 , соответствующими измеренному соотношению между интенсивностями W 1:W 2:W 3 спектральных компонент на указанных выбранных трех длинах волн 1 , 2 , 3 в измеренном спектральном распределении фонового излучения от контролируемого объема пространства. При этом уровень накачки ЛГ 1÷3 предварительно уже выбран в соответствии со стандартным отношением интенсивностей цветовых излучений в трехцветной колориметрической цветовой гамме .

Поэтому при выполнении этой операции осуществляют лишь небольшую подстройку уровня накачки ЛГ 1-3 до получения соотношения между интенсивностями генерируемых лазерных пучков в первом приближении соответствующими измеренному соотношению между интенсивностями W 1:W 2:W 3 спектральных компонент в измеренном фоновом излучении от КОП 45. Последующая коррекция спектрального распределения суммарного светового потока с помощью управляемых светофильтров 5, 6, 4 позволяет обеспечить точное соответствие спектрального распределения генерируемого суммарного трехдлинноволнового излучения спектральному рапределению естественного измеренного фонового излучения на указанных основных (цветовых) длинах волн. Использование для зондирования контролируемого объема пространства 45 трехдлинноволнового излучения со спектральным распределением, соответствующим спектральному распределению естественного фонового излучения от КОП, обеспечивает следующие преимущества предложенного способа.

Фоновое излучение от КОП при его приеме фотоприемниками 10, 11, 12, работающими в участках спектра со средними длинами волн 1 , 2 , 3 не вносит искажений в отношение интенсивностей (уровней) принятых оптических сигналов в соответствующих спектральных каналах приема, так как в этих каналах приема уровень фонового излучения пропорционален уровню излучения подсвета КОП на соответствующих длинах волн и соответственно уровню принятого отраженного от КОП оптического сигнала. При этом при регистрации отраженного от КОП излучения соотношение между уровнями принятых оптических сигналов (излучений) на различных длинах волн 1 , 2 , 3 не изменяются в зависимости от уровней фонового излучения на этих длинах волн 1 , 2 , 3 , а определяются только параметрами (характеристиками) спектрального портрета показателей световозвращения на 1 , 2 , 3 от обнаруженного объекта, что позволяет обеспечить более точное распознавание и обнаружение оптико-электронных приборов (ОЭП) при различных уровнях фонового излучения в различное время суток.

Следует отметить, что уровень фоновой облученности и его спектральный состав - соотношение между основными (базовыми) спектральными компонентами - в значительной степени изменяются в зависимости от высоты Солнца над горизонтом, времени суток и т.п. (см., например, стр.283, табл.15 - цветовая температура естественной освещенности в зависимости от высоты Солнца над горизонтом). Поэтому предложенный способ обнаружения ОЭП с использованием зондирования КОП трехдлинноволновым ЛИ со спектральным распределением, соответствующим спектральному распределению фонового естественного излучения, позволяет обеспечить высокоточное измерение (определение) спектрального портрета показателя световозвращения в любое время суток независимо от характера и спектрального распределения естественного внешнего фонового излучения. Уменьшение влияния распределения фонового излучения при регистрации принятого оптического сигнала, отраженного от КОП на трех длинах волн можно продемонстрировать следующим образом.

Регистрируемый оптический сигнал в электрической форме на выходах фотоприемников 10, 11, 12 J i i=1, 2, 3 можно представить в следующем виде:

где P u1 , P u2 , P u3 - интенсивности лазерных излучений для подсвета КОП, генерируемые лазерными генераторами и излученные на соответствующих трех длинах волн, 1 , 2 , 3 , - коэффициенты преобразования, связывающие уровень (амплитуду) излученных импульсов ЛИ с величиной принятого сигнала в соответствии с соотношением (8), а также учитывающие чувствительность и передаточные характеристики фотоприемников; e 1 , e 2 , e 3 - уровень естественного фонового излучения на соответствующей длине волны ЛИ (i=1, 2, 3), представленный в форме электрического (шумового) сигнала на выходе соответствующего фотоприемника поз.10-13 на фиг.1.

В величине i i=1÷3 содержится величина измеряемого ПСВ (11), а также ряд известных параметров, определяемых конструкцией устройства, реализующего способ, например, диаметр объектива 9.

В соответствии с измеренным уровнем спектрального распределения фонового излучения и интенсивностями P u1 , P u2 , P u3 величины J 1,2,3 (16) можно представить в следующей форме:

где n 2 , n 3 - известные и измеренные в блоке 25 величины соотношений между спектральными компонентами в фоновом излучении: W 1:W 2:W 3 =e 1:n 2 e 1:n 3 e 1, полученные при условии принятия величины e 1 за единицу отсчета (базовый уровень фона) при определении соотношений между спектральными составляющими фонового излучения: . W 1:W 2 =1:n 2

Соответственно, имеем аналогичные соотношения и для интенсивности излучений ЛГ P ui i=1, 2, 3, установленных в тех же пропорциях, что и W 1:W 2:W 3 . Из соотношений (17) видно, что при увеличении фоновой составляющей, например,на второй длине волны в n 2 раз относительно фоновой составляющей на первой длине волны уровень интенсивности освещающего КОП ЛИ на этой второй длине волны также увеличивается в n 2 раз и влияние изменения уровня фона на соотношение измеряемых принятых сигналов на первой и второй длинах волн уменьшается, или исключается, таким образом, реализуется автоматическая компенсация изменения уровня фона соответствующим увеличением уровня интенсивности освещающего КОП 45 ЛИ на этой длине волны. Отношение сигнал/шум(фон) в (17) одинаково для всех трех длин волн (при равных величинах 1 = 2 = 3), следовательно, фоновое излучение будет вносить одинаковые погрешности в измерение уровней пришедших сигналов и в измеренные ПСВ на всех трех длинах волн, и не будет вносить дополнительных ошибок в отношение измеренных значений ПСВ на трех длинах волн, что важно для получения достоверной информации о спектральном портрете ПСВ.

При одинаковых параметрах отражательных характеристик объекта на трех длинах волн 1 = 2 = 3 , (тест-объект), имеем соотношение J 1:J 2 равным , не зависящим от уровня фонового излучения e 1 , e 2 , e 3 , меняющегося в течение суток. Аналогично . Напомним здесь n 2 и n 3 - измеренные относительные величины фоновых составляющих на второй и третьей длинах волн относительно фоновой составляющей на первой длине волны, принятой за единицу (за базовый уровень отсчета величины фона), e 1 , e 2 , e 3 - уровни фона на соответствующих длинах волн 1, 2, 3, представленные в электрических сигналах, зарегистрированных на выходах соответствующих фотоприемников поз.10-13.

Таким образом, измерение соотношений между величинами 1 , 2 , 3 при принятии и регистрации оптического сигнала, отраженного от КОП, обеспечено в предложенном способе с уменьшением влияния действующего на момент осуществления измерений ПСВ естественного спектрального распределения фонового излучения от КОП. Следует отметить, что измерение спектрального распределения фонового излучения от КОП с помощью оптического спектроанализатора 20 и фотоприемных блоков 21-24 осуществляют в районе выбранных длин волн 1 , 2 , 3 , в некоторых спектральных поддиапазонах 1 , 2 , 3 , причем длины волн 1 ÷ 3 расположены в середине указанных диапазонов. В первом блоке обработки информации 18 после регистрации электрических сигналов J i (17) с выходов фотоприемников 10÷12 осуществляют компенсацию аддитивных фоновых составляющих e 1 , e 2 , e 3 в зарегистрированных электрических сигналах J i . Для этого осуществляют определение (оценку) уровня фоновой составляющей e 2 , являющейся наиболее интенсивной спектральной составляющей естественного фонового излучения на длине волны 2 (G - зеленого цвета). Оценку уровня данной фоновой составляющей осуществляют с помощью оптического спектроанализатора 20 и соответствующего фотоприемного блока 22, работающего на длине волны 2 . При этом, как было отмечено ранее, фотоприемный блок 22 осуществляет оценку уровня W 2 естественного фонового излучения на длине волны 2 в некотором диапазоне . Информация об этой величине W 2 уровня фоновой засветки на длине волны 2 , представляющая некоторую усредненную величину фона на 2 за некоторое время усреднения, поступает в первый блок обработки информации 18, где на основании величины W 2 формируют среднюю оценку величины фоновой составляющей e 2 (на 2), которую в блоке 18 вычисляют на основании имеющейся информации о полосе спектральной чувствительности фотоприемника 11 на 2 или о полосе пропускания интерференционного спектрального фильтра 44. Собственно чувствительность фотоприемника 11, а также информация о диаметре приемного первого объектива 9 и пропускании оптического тракта на длине волны 2 имеются в блоке 18. Далее осуществляют собственно компенсацию фоновой составляющей в зарегистрированном сигнале J 2 путем вычета в первом блоке обработки информации 18 из величины J 2 полученной оценки фоновой составляющей фоновых составляющих осуществляют на основании полученной оценки средней величины фоновой составляющей для длины волны 2 на основании следующих соотношений:

где n 2 и n 3 - в соответствии с (17), как было указано, являются известными и ранее измеренными в блоке 25 величинами соотношений между спектральными компонентами в измеренном естественном фоновом излучении. Аналогичным образом осуществляют и компенсацию фона в сигнале, зарегистрированном на выходе фотоприемника 13, работающего в широкой спектральной полосе.

Компенсация фонового излучения в зарегистрированных сигналах J i позволяет повысить точность определения распределения спектрального портрета ПСВ и осуществить более точное определение принадлежности обнаруженного ОЭ-прибора к конкретному классу аналогичных приборов.

Важным преимуществом, достигаемым в результате реализации предложенного способа, является обеспечение скрытности работы предложенного устройства обнаружения ОЭС. Это обеспечивается тем, что, как было указано выше, восприятие излучения, зондирующего КОП внешним сторонним наблюдателем, реализуется как короткая вспышка белого цвета, совпадающая по спектральному ощущению с фоновым естественным излучением в контролируемом объеме пространства, действующим в соответствующий момент времени наблюдения и действия устройства обнаружения при конкретном времени суток и высоты над горизонтом естественных источников излучения - Солнца или Луны. Поэтому излучение предлагаемого устройства будет воспринято внешним наблюдателем как случайный блик от пассивного отражателя - стекла или металлического предмета, отражающего естественное фоновое излучение, а работа устройства, как действующего обнаружительного зондирующего лазерного комплекса, не будет обнаружена. Аналогично ОЭС разведки с широкополосными оптическими фотоприемниками будут воспринимать излучение предлагаемого устройства как отражение естественного источника света от пассивного отражателя, а не как работу лазерного зондирующего комплекса. Следовательно, при работе предлагаемого способа и реализующего его устройства обеспечивается скрытность работы устройства в любое время суток и высоте естественного источника света над горизонтом.

В базе данных блока распознавания 44 хранятся эталонные спектральные портреты ПСВ различных ОЭ приборов и ОЭС наблюдателя, полученные экспериментальным (или расчетным) путем для различных базовых (основных) спектральных длин волн 1 - 3 видимого диапазона и широкой полосы длин волн , полученные для различных высот над горизонтом естественных источников света для разного времени суток или различных сезонов года (лето, зима и т.п.). При этом, как было отмечено, распознавание типа ОЭ-прибора осуществляют как на основании формирования разностного портрета спектральных ПСВ, так и на основании сравнения соотношений между отдельными спектральными составляющими ПСВ в измеренном спектральном портрете ПСВ от обнаруженного объекта ОЭ-прибора и в эталонном ПСВ из базы данных блока 44.

3 - за одно измерение - по одному отсчету принятого уровня отраженного оптического сигнала от КОП, зарегистрированного фотоприемником 13. Данный измеренный ПСВ по сигналу от фотоприемника 13 (интегральный ПСВ) совместно со спектральным портретом ПСВ на длинах волн 1 , 2 , 3 позволяет более точно идентифицировать обнаруженный объект 46 КОП, как ОЭ-прибор соответствующего известного типа (класса) оптических приборов.

Предложенное устройство обнаружения ОЭ-приборов реализовано на базе стандартных блоков и узлов. Первый и второй блоки обработки информации 18, 25 выполнены на основе стандартных электронно-вычислительных машин (ПК) и снабжены специальным программным обеспечением, обеспечивающим регистрацию и обработку поступающих электрических сигналов с выходов фотоприемников и фотоприемных блоков, измерение уровней соответствующих электрических сигналов, формирование пороговых уровней и выполнение других операций над поступающими сигналами, в соответствии с вышеприведенными операциями способа. Кроме того, второй блок обработки информации 25 осуществляет управление работой лазерных генераторов и управляемых фильтров, а также управление установлением в оптический тракт первого и второго откидных зеркал. Первый блок обработки информации 18 осуществляет также управление работой блока сканирования 8 и вырабатывает необходимые для управления блоком сканирования управляющие электрические сигналы.

Блок распознавания поз.44 представляет собой специализированную электронно-вычислительную машину (ПК) и осуществляет определение (расчет) по приведенным формулам показателей световозвращения (ПСВ) наблюдаемого и обнаруженного объектов в КОП для трех длин волн, определение (расчет) ПСВ (в полосе ) и формирование портрета ПСВ, а также распознавание обнаруженного объекта путем сравнения его измеренных величин ПСВ и величин эталонных ПСВ, хранящихся в специальных регистрах памяти блока распознавания 44.

Оптический спектроанализатор 20 может быть выполнен на базе любого известного оптического спектрального прибора (спектрографа), например, на основе высокоразрешающей дифракционной решетки . Фотоприемные блоки поз.21-24 осуществляют регистрацию интенсивностей спектрального распределения естественного фонового излучения от КОП, принятого объективом 19, на фиксированных длинах волн 1 , 2 , 3 , а также в широком спектральном диапазоне. Выходы оптического спектроанализатора 20 оптически соединены с фотоприемными блоками 21-24 с помощью волоконно-оптических световодов 47-50. Первое и второе откидные зеркала 30, 33 механически соединены с блоками управления 32, 31, представляющими собой, например, шаговые двигатели, управляемые программно от блока обработки информации. Блок сканирования 8 выполнен на основе управляемой акустооптической ячейки, или на основе отражательного зеркала, вращаемого с помощью шагового электродвигателя, управляемого по сигналам от первого блока обработки информации 18.

Таким образом осуществление подсвета КОП 45 лазерным излучением одновременно на нескольких длинах волн позволяет реализовать следующие преимущества: 1. Обеспечивает измерение ПСВ наблюдаемого в КОП объекта на нескольких длинах волн. 2. Обеспечивает получение спектрального портрета ПСВ объекта, по которому реализуется увеличение вероятности обнаружения и распознавания объекта в КОП, увеличение достоверности отнесения обнаруженного объекта к известному классу ОЭ приборов, уменьшение влияния фонового излучения на величины измеренных ПСВ и более точное измерение ПСВ, что повышает вероятность обнаружения и распознавания ОЭСН. Измерение ПСВ в широком диапазоне длин волн позволяет получить дополнительную информацию об отражательных характеристиках наблюдаемого объекта, получаемую непосредственно одним фотоприемником, что дополняет информацию, получаемую отдельными узкоспектральными фотоприемниками и в совокупности обеспечивает повышение вероятности распознавания ОЭ приборов в реальных условиях.

Источники информации

Патент РФ № 2133485 от 07.1998 г. «Способ обнаружения средств оптического и оптоэлектронного типа».

Патент РФ № 2223516 от 07.2002 г. «Способ обнаружения глаз людей и животных».

Патент РФ № 2278399 от 16.06.2004 г. «Способ обнаружения оптических и оптоэлектронных средств наблюдения и устройство для его осуществления» (прототип).

Справочник по лазерной технике под ред. А.П. Напартовича, М.: Госэнергоиздат, 1991 г.

Сигналы и помехи в лазерной локации. В.М. Орлов и др., под ред. В.Е. Зуева, М.: Радио и связь, 1985 г.

В.В. Шаронов «Свет и цвет», М.: Госфизматлит, 1961 г.

М. Борн, Э. Вольф «Основы оптики», М.: Наука, 1973 г.

Патент РФ № 2380834 от 23.06.2008 г.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ обнаружения оптических и оптико-электронных средств наблюдения (ОЭСН), включающий зондирование контролируемого объема пространства (КОП) сканируемым импульсным лазерным излучением (ЛИ) на длине волны 1 , прием отраженных сигналов ЛИ и сигналов естественного фонового излучения от КОП, преобразование принятого ЛИ в электрический сигнал, его пороговую обработку, обнаружение ОЭСН и определение дальности,

отличающийся тем, что прием сигналов естественного фонового излучения от КОП осуществляют перед зондированием КОП, в принятом естественном фоновом излучении от КОП измеряют спектральное распределение излучения, в измеренном спектральном распределении определяют соотношение между интенсивностями W 1 , W 2 , W 3 спектральных компонент, на длине волны 1 и на двух дополнительных длинах волн 2 , 3 , соответствующих интенсивностям W 1 , W 2 , W 3 , генерируют пучки импульсного ЛИ на длинах волн 1 , 1 , 1 , i . 1 , зарегистрированного широкополосным фотоприемником устройства, реализующего способ; 1 , 2 , 3 величины расходимости ЛИ, пропускания оптико-механического тракта и пропускания атмосферы.

4. Устройство обнаружения оптических и оптико-электронных средств наблюдения, содержащее последовательно размещенные на оптической оси блок сканирования, первый лазерный генератор, работающий на первой длине волны 1 , первый объектив, оптический вход которого связан посредством оптического зеркала с оптическим входом блока сканирования, первый фотоприемник, оптический вход которого посредством первого оптического фильтра, первой линзы и второго оптического зеркала связан с оптическим выходом первого объектива, первый блок обработки информации, вход которого соединен с выходом первого фотоприемника, второй объектив, оптическая ось которого параллельна оптической оси блока сканирования, электрический вход которого подключен к первому блоку обработки информации, отличающееся тем, что введены второй и третий лазерные генераторы, три управляемых оптических фильтра, оптический сумматор, оптический спектроанализатор, четыре фотоприемных блока, второй блок обработки информации, блок распознавания, первое и второе откидные зеркала, три фотоприемника, три оптических фильтра, четыре полупрозрачных зеркала и четыре оптических зеркала, а также четыре волоконно-оптических световода, при этом оптический вход оптического спектроанализатора связан с оптическим выходом второго объектива, оптический выход оптического спектроанализатора посредством волоконно-оптических световодов связан со входами четырех фотоприемных блоков, выходы которых подсоединены ко второму блоку обработки информации, оптический вход оптического сумматора через три управляемых оптических фильтра, полупрозрачное и оптическое зеркала связаны с соответствующими оптическими выходами первого, второго и третьего лазерных генераторов, оптический выход оптического сумматора связан с оптическим входом блока сканирования, а посредством первого откидного зеркала, двух оптических зеркал и второго откидного зеркала оптически связан с оптическим входом оптического спектроанализатора, оптический выход первого объектива оптически связан с вновь введенными вторым, третьим и четвертым фотоприемниками посредством трех полупрозрачных зеркал, трех линз и трех оптических фильтров, выходы второго, третьего и четвертого фотоприемников подсоединены ко входам первого блока обработки информации, выходы которого подключены к блоку распознавания и второму блоку обработки информации, выходы которого подсоединены к управляющим входам первого, второго и третьего лазерных генераторов, первого, второго и третьего управляемых фильтров и первого и второго откидных зеркал.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в нем оптический спектроанализатор выполнен на основе оптической дифракционной решетки.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в нем блок распознавания выполнен на основе цифровой электронно-вычислительной машины, содержащей блок данных величин эталонных портретов спектральных показателей световозвращения (ПСВ).

СКАНЕРЫ И СКАНИРОВАНИЕ

Исходный материал для создания графических композиций можно найти в уже существующих графических файлах. Однако при этом следует помнить, что некоторые из них являются предметом защиты авторских прав и, следовательно, их нельзя свободно копировать. Можно также создавать свои произведения «с чистого листа», используя средства рисования графических редакторов. Но тогда нужны как художественные способности, так и навыки рисования с помощью компьютера. Есть еще один эффективный способ создания компьютерной графики. Он основан на использовании сканеров или цифровых фотокамер. Хорошие фотокамеры довольно дороги, а сканеры успешно завоевывают рынок товаров массового потребления и вполне доступны. С помощью сканера можно ввести в компьютер картинки из газет, журналов, книг и фотографий как целиком, так и частями, которые послужат вам строительным материалом для будущих композиций. Вы можете создавать эскизы и заготовки сначала на бумаге, а затем вводить их в компьютер посредством сканера и дорабатывать с помощью графических редакторов. Наконец, сканер просто незаменим, когда необходимо превратить бумажный печатный документ в текстовый, чтобы можно было открыть его в текстовом (а не в графическом) редакторе (например, в MS Word) для просмотра и редактирования.
Сканер является устройством для ввода изображений в компьютер. Исходные изображения (оригиналы) обычно находятся на непрозрачных (бумага) или прозрачных (слайды, фотопленка) носителях. Обычно это - рисунки, фотографии, слайды и/или тексты, но могут быть и объемные предметы. По существу сканер является устройством, которое воспринимает оптическую информацию, доступную для нашего зрения, и сначала преобразует ее в электрическую форму, а затем приводит к цифровому виду, пригодному для ввода в компьютер. Таким образом, процесс сканирования оригинала состоит в его оцифровке . Оцифрованное изображение (на жаргоне - «скан») в дальнейшем может быть обработано в компьютере с помощью графического редактора (например, Photoshop), если это рисунок, или с помощью программы распознавания символов (например, FineReader), если это текст.
Существует множество моделей сканеров, отличающихся как техническими характеристиками и возможностями, так и ценой. Совсем не факт, что вам нужен самый могущественный и самый дорогой сканер. Новички, как правило, испытывают затруднения при выборе модели сканера и, вдальнейшем, при его использовании. Ошибка в выборе сканера выражается либо в том, что вы недоплатили чуть-чуть, либо слишком переплатили. Выбирая сканер, следует исходить из задач, которые вы собираетесь решать с его помощью. Сканеры могут использоваться для текущих задач офисов, домашнего коллекционирования фотографий и профессиональной работы с графикой. Для Web-дизайна, например, вы можете обходиться и самыми дешевыми сканерами. Но для работ, предназначенных, в конечном счете, для полиграфии, вам, возможно, потребуется более мощное устройство.
Чтобы ориентироваться среди множества параметров сканеров, следует понимать, на что они практически влияют и от чего зависят. В этой главе мы попытаемся помочь в разрешении этих проблем. Сначала нужно получить общее представление о принципах построения и функционирования сканеров. Это совсем не трудно и не потребует много времени, но очень важно. Затем следует разобраться в основных параметрах (технических характеристиках) и освоить несколько типовых приемов использования сканеров. Наконец, необходимо узнать, как корректировать отсканированные изображения в графических и других редакторах.

Как устроены и работают сканеры

Для офисных и домашних задач, а также для большинства работ по компьютерной графике лучше всего подходят так называемые планшетные сканеры . Различные модели этого типа шире других представлены в продаже. Поэтому начнем с рассмотрения принципов построения и функционирования сканеров именно этого типа. Уяснение этих принципов позволит лучше понять значение технических характеристик, которые учитываются при выборе сканеров.
Планшетный сканер (Flatbed scanner) представляет собой прямоугольный пластмассовый корпус с крышкой. Под крышкой находится стеклянная поверхность, на которую помещается оригинал, предназначенный для сканирования. Через это стекло можно разглядеть кое-что из внутренностей сканера. В сканере имеется подвижная каретка, на которой установлены лампа подсветки и система зеркал. Каретка перемещается посредством так называемого шагового двигателя . Свет лампы отражается от оригинала и через систему зеркал и фокусирующих линз попадает на так называемую матрицу , состоящую из датчиков , вырабатывающих электрические сигналы, величина которых определяется интенсивностью падающего на них света. Эти датчики основаны на светочувствительных элементах, называемых приборами с зарядовой связью (ПЗС, Couple Charged Device - CCD). Точнее говоря, на поверхности ПЗС образуется электрический заряд, пропорциональный интенсивности падающего света. Далее нужно только преобразовать величину этого заряда в другую электрическую величину - напряжение. Несколько ПЗС располагаются рядом на одной линейке. Электрический сигнал на выходе ПЗС является аналоговой величиной (т.е. ее изменение аналогично изменению входной величины - интенсивности света). Далее происходит преобразование аналогового сигнала в цифровую форму с последующей обработкой и передачей в компьютер для дальнейшего использования. Эту функцию выполняет специальное устройство, называемое аналого-цифровым преобразователем (АЦП, Analog-to-digital Converter - ADC). Таким образом, на каждом шаге перемещения каретки сканер считывает одну горизонтальную полоску оригинала, разбитую на дискретные элементы (пикселы), количество которых равно количеству ПЗС на линейке. Все отсканированное изображение состоит из нескольких таких полос.

Рис. 119. Схема устройства и работы планшетного сканера на основе ПЗС (CCD): свет лампы отражается от оригинала и через оптическую систему попадает на матрицу светочувствительных элементов, а затем на аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

В цветных сканерах сейчас используются, как правило, трехрядная матрица ПЗС и подсветка оригинала калиброванным белым светом. Каждый ряд матрицы предназначен для восприятия одной из базовых цветовых составляющих света (красной, зеленой и синей). Чтобы разделить цвета, используют либо призму, разлагающую луч белого света на цветные составляющие, либо специальное фильтрующее покрытие ПЗС. Однако существуют цветные сканеры и с однорядной матрицей ПЗС, в которых оригинал по очереди подсвечивается тремя лампами базовых цветов. Однорядная технология с тройной подсветкой считается устаревшей.
Выше мы описали принципы построения и работы так называемых однопроходных сканеров, которые сканируют оригинал за один проход каретки. Однако еще встречаются, хотя больше и не выпускаются промышленностью, трехпроходные сканеры. Это сканеры с однорядной матрицей ПЗС. В них при каждом проходе каретки вдоль оригинала используется один из базовых цветных светофильтров: за каждый проход снимается информация по одному из трех цветовых каналов изображения. Эта технология также устарела.
Кроме CCD-сканеров, основанных на матрице ПЗС, имеются CIS-сканеры (Contact Image Sensor), в которых применяется фотоэлементная технология. Светочувствительные матрицы, выполненные по этой технологии, воспринимают отраженный оригиналом спет непосредственно через стекло сканера без использования оптических систем фокусировки. Это позволило уменьшить размеры и вес планшетных сканеров более чем в два раза (до 3-4 кг). Однако такие сканеры хороши только для исключительно плоских оригиналов, плотно прилегающих к стеклянной поверхности рабочего поля. При этом качество получаемого изображения существенно зависит от наличия посторонних источников света (крышка CIS-сканера во время сканирования должна быть закрыта). В случае объемных оригиналов качество оставляет желать лучшего, в то время как ССО-сканеры дают неплохие результаты и для объемных (до нескольких см в глубину) предметов.
Планшетные сканеры могут быть снабжены дополнительными устройствами, такими как слайд-адаптер, автоподатчик оригиналов и др. Для одних моделей эти устройства предусмотрены, а для других нет.
Слайд-адаптер (Transparency Media Adapter, TMA) - специальная приставка, позволяющая сканировать прозрачные оригиналы. Сканирование прозрачных материалов происходит с помощью проходящего, а не отраженного света. Иначе говоря, прозрачный оригинал должен находиться между источником света и светочувствительными элементами. Слайд-адаптер представляет собой навесной модуль, снабженный лампой, которая движется синхронно с кареткой сканера. Иногда просто равномерно освещают некоторый участок рабочего поля, чтобы не перемещать лампу. Таким образом, главная цель применения слайд-адаптера заключается в изменении положения источника света. «
Если же у вас есть цифровая камера (цифровой фотоаппарат), то слайд-адаптер, скорее всего, вам не нужен.
Если сканировать прозрачные оригиналы без использования слайд-адаптера, то нужно понимать, что при облучении оригинала количества отраженного и проходящего света не равны друг другу. Так, оригинал пропустит какую-то часть падающего цвета, которая затем отразится от белого покрытия крышки сканера и снова пройдет через оригинал. Какая-то часть света отразится от оригинала. Соотношение между частями проходящего и отраженного света зависит от степени прозрачности участка оригинала. Таким образом, светочувствительные элементы матрицы сканера получат свет, дважды прошедший через оригинал, а также свет, отраженный от оригинала. Многократность прохода света через оригинал ослабляет его, а взаимодействие отраженного и проходящего пучков света (интерференция) вызывает искажения и побочные видеоэффекты.
Автоподатчик - устройство, подающее оригиналы в сканер, которое очень удобно использовать при потоковом сканировании однотипных изображений (когда не нужно часто перенастраивать сканер), например, текстов или чертежей приблизительно одинакового качества.
Кроме планшетных, есть и другие типы сканеров: ручные, листопротяжные, барабанные, слайдовые, для сканирования штрих-кодов, скоростные для потоковой работы с документами.
Ручной сканер (Handheld Scanner) - портативный сканер, в котором сканирование осуществляется путем его ручного перемещения по оригиналу. По принципу действия такой сканер аналогичен планшетному. Ширина области сканирования - не более 15см. Первые сканеры для широкого применения появились в продаже в 80-х годах XX века. Они были ручными и позволяли сканировать изображения в оттенках серого цвета. Теперь такие сканеры нелегко найти.
Листопротяжный или роликовый сканер (Sheetfed Scanner) - сканер, в котором оригинал протягивается мимо неподвижной линейной CCD- или CIS-матрицы, разновидность такого сканера - факс-аппарат.
Барабанный сканер (Drum Scanner) - сканер, в котором оригинал закрепляется на вращающемся барабане, а для сканирования используются фотоэлектронные умножители. При этом сканируется точечная область изображения, а сканирующая головка движется вдоль барабана очень близко от оригинала.
Слайдовый сканер (Film-scanner) - разновидность планшетного сканера, предназначенная для сканирования прозрачных материалов (слайдов, негативных фотопленок, рентгеновских снимков и т. п.). Обычно размер таких оригиналов фиксирован. Заметим, что для некоторых планшетных сканеров предусмотрена специальная приставка (слайд-адаптер), предназначенная для сканирования прозрачных материалов (см. выше).
Сканер штрих-кодов (Bar-code Scanner) - сканер, предназначенный для сканирования товарных штрих-кодов. По принципу действия он сходен с ручным сканером и подключается к компьютеру, либо к специализированной торговой системе. При наличии соответствующего программного обеспечения распознавать штрих-коды может любой сканер.
Скоростной сканер для работы с документами (Document Scanner) - разновидность листопротяжного сканера, предназначенная для высокопроизводительного многостраничного ввода. Сканеры могут быть оборудованы приемными и выходными лотками объемом свыше 1000 листов и вводить информацию со скоростью свыше 100 листов в минуту. Некоторые модели этого класса обеспечивают двустороннее (дуплексное) сканирование, подсветку оригинала разными цветами для отсечки цветного фона, компенсацию неоднородности фона, имеют модули динамической обработки разнотипных оригиналов.
Итак, для дома и офиса лучше всего подходит планшетный сканер. Если вы хотите заниматься графическим дизайном, то лучше выбрать CCD-сканер (на основе ПЗС-матрицы), поскольку он позволяет сканировать и объемные предметы. Если вы собираетесь сканировать слайды и другие прозрачные материалы, то следует выбрать сканер, для которого предусмотрен слайд-адаптер. Обычно собственно сканер и подходящий к нему слайд-адаптер продаются отдельно. Если не получается приобрести слайд-адаптер одновременно со сканером, то при необходимости вы сможете сделать это позже. Необходимо также определить максимальные размеры сканируемых изображений. В настоящее время типовым является формат А4, соответствующий обычному листу писчей бумаги. Большинство бытовых сканеров ориентированы именно на этот формат. Для сканирования чертежей и другой конструкторской документации обычно требуется формат A3, соответствующий двум листам формата А4, соединенным по длинной стороне. В настоящее время цены однотипных сканеров для форматов А4 и A3 сближаются. Можно предположить, что оригиналы, не превышающие по размерам формат А4, будут лучше обрабатываться сканером, ориентированным на формат A3.
Перечисленные выше параметры далеко не исчерпывают весь список, но на данном этапе нашего рассмотрения мы пока можем использовать только их. При выборе сканера решающими являются три аспекта: аппаратный интерфейс (способ подключения), оптико-электронная система и программный интерфей с (так называемый TWAIN-модуль). Далее мы рассмотрим их более подробно.

Подключение сканера к компьютеру

Данные результатов сканирования в цифровой форме передаются от сканера в компьютер для последующей обработки и/или хранения в виде файлов. Сканеры могут подключаться к компьютеру различными способами. Иначе говоря, они могут иметь различный аппаратный интерфейс .
Одним из наиболее распространенных является SCSI-интерфейс. Он обеспечивается специальной платой (адаптером, картой), вставляемой в разъем (слот) расширения на материнской плате компьютера. К этой плате можно подключать не только сканер с SCSI-интерфейсом, но и другие устройства (например, жесткие диски). Так что, SCSI-интерфейс обеспечивается отдельным устройством, которое уже, возможно, имеется на вашем компьютере. Почти все планшетные сканеры с SCSI-интерфейсом комплектуются усеченной модификацией SCSI-платы, к которой можно подключить только сканер. Таким образом, если на вашем компьютере нет SCSI-адаптера, но есть свободный подходящий слот на материнской плате, то с подключением сканера не возникнет принципиальных проблем. SCSI-интерфейс надежен и обеспечивает быструю передачу данных. Однако может потребоваться установка платы. Для этого следует при выключенном питании компьютера снять кожух системного блока компьютера и установить в один из свободных и подходящих разъемов интерфейсную плату. Подробности вполне понятно описаны в руководстве к сканеру.
Кроме того, есть планшетные сканеры, имеющие собственную интерфейсную плату, которая помимо передачи данных обеспечивает электрическое питание сканера от системного блока компьютера. При этом питание на сканер будет подаваться только при запуске программы сканирования. Следует иметь в виду, что интерфейсная плата сканера может подходить к ISA-слоту или к PCI-слоту материнской платы компьютера. Поэтому прежде чем выбрать такой сканер, следует выяснить, имеется ли в вашем компьютере свободный подходящий слот.
Если вам часто приходится перемещать сканер, подключая его то к одному, то к другому компьютеру, то описанные выше способы могут показаться неудобными: каждый раз необходимо выключить компьютер, снять крышку, вынуть или установить интерфейсную плату. С другой стороны, все эти хлопоты при соответствующей сноровке требуют всего лишь 5 - 10 минут.
Есть сканеры, подключаемые к USB-порту (к универсальной последовательной шине) компьютера. Это - наиболее удобный и быстрый интерфейс, не требующий установки платы в системный блок, а иногда даже выключения компьютера. USB-порт обеспечивает не только обмен данными между компьютером и подключенным к нему внешним устройством, но и питание этого устройства от системного блока питания. Однако это справедливо не для всех устройств. Некоторые из них снабжены своими блоками питания и тогда, как правило, при соединении их кабелем с компьютером последний приходится выключать. В любом случае перед подключением сканера к USB-порту следует узнать из прилагаемого руководства, как именно это делается. Кроме того, нужно иметь в виду, что USB-порты отсутствуют на старых моделях компьютеров (первых Pentium и более ранних).
Многие модели планшетных сканеров подключаются к параллельному порту (LPT) компьютера, к которому обычно подключается принтер. В этом случае сканер подключается через кабель непосредственно к LPT-порту, а принтер - к дополнительному разъему на корпусе сканера. Этот интерфейс медленнее, чем описанные выше. Для подключения сканера к LPT-порту не требуется снимать крышку системного блока, но выключать компьютер на время этой операции все же необходимо.
Вообще говоря, сканеры с любым из рассмотренных выше интерфейсов могут использоваться для работы с графикой. Однако мы отдаем предпочтение интерфейсам SCSI и USB, исходя из соображений надежности, быстродействия и удобства эксплуатации.

Основные характеристики оптико-электронной системы сканера

Рассмотрим основные характеристики оптико-электронной системы сканера: разрешение, глубину цвета, разрядность, оптическую плотность и область высокого разрешения.

Разрешение

Разрешение (Resolution) или разрешающая способность сканера - параметр, характеризующий максимальную точность или степень детальности представления оригинала в цифровом виде. Разрешение измеряется в пикселах на дюйм (pixels per inch, ppi). Нередко разрешение указывают в точках на дюйм (dots per inch, dpi), но эта единица измерения является традиционной для устройств вывода (принтеров). Говоря о разрешении, мы будем использовать ppi. Различают аппаратное (оптическое) и интерполяционное разрешение сканера.

Аппаратное (оптическое) разрешение

Аппаратное (оптическое) разрешение (Hardware/optical Resolution) непосредственно связано с плотностью размещения светочувствительных элементов в матрице сканера. Это - основной параметр сканера (точнее, его оптико-электронной системы). Обычно указывается разрешение по горизонтали и вертикали, например, 300x600 ppi. Следует ориентироваться на меньшую величину, т. е. на горизонтальное разрешение. Вертикальное разрешение, которое обычно вдвое больше горизонтального, получается в конечном счете интерполяцией (обработкой результатов непосредственного сканирования) и напрямую не связано с плотностью чувствительных элементов (это так называемое разрешение двойного шага ). Чтобы увеличить разрешение сканера, нужно уменьшить размер светочувствительного элемента. Но с уменьшением размера теряется чувствительность элемента к свету и, как следствие, ухудшается соотношение сигнал/шум. Таким образом, повышение разрешения - нетривиальная техническая задача.

Интерполяционное разрешение

Интерполяционное разрешение (Interpolated Resolution) - разрешение изображения, полученного в результате обработки (интерполяции) отсканированного оригинала. Этот искусственный прием повышения разрешения обычно не приводит к увеличению качества изображения. Представьте себе, что реально отсканированные пикселы изображения раздвинуты, а в образовавшиеся промежутки вставлены «вычисленные» пикселы, похожие в каком-то смысле на своих соседей. Результат такой интерполяции зависит от ее алгоритма, но не от сканера. Однако эту операцию можно выполнить средствами графического редактора, например, Photoshop, причем даже лучше, чем собственным программным обеспечением сканера. Интерполяционное разрешение, как правило, в несколько раз больше аппаратного, но практически это ничего не означает, хотя может ввести в заблуждение покупателя. Значимым параметром является именно аппаратное (оптическое) разрешение.
В техническом паспорте сканера иногда указывается просто разрешение. В этом случае имеется в виду аппаратное (оптическое) разрешение. Нередко указываются и аппаратное, и интерполяционное разрешение, например, 600х 1200 (9600) ppi. Здесь 600 - аппаратное разрешение, а 9600 - интерполяционное.

Различимость линий

Различимость линий (Line detectability) - максимальное количество параллельных линий на дюйм, которые воспроизводятся с помощью сканера как раздельные линии (без слипаний). Этот параметр характеризует пригодность сканера для работы с чертежами и другими изображениями, содержащими много мелких деталей. Его значение измеряется в линиях на дюйм (lines per inch, Ipi).

Какое разрешение сканера следует выбрать

Этот вопрос чаще других задают при выборе сканера, поскольку разрешение - один из самых главных параметров сканера, от которого существенно зависит возможность получения высококачественных результатов сканирования. Однако это вовсе не означает, что следует стремиться к максимальному возможному разрешению, тем более, что оно дорого стоит.
Вырабатывая требования к разрешению сканера, важно уяснить общий подход. Сканер является устройством, преобразующим оптическую информацию об оригинале в цифровую форму и, следовательно, осуществляющим ее дискретизацию. Наданном этапе рассмотрения кажется, что чем мельче дискретизация (больше разрешение), тем меньше потерь исходной информации. Однако результаты сканировании предназначены для отображения с помощью некоторого устройства вывода, например, монитора или принтера. Эти устройства имеют свою разрешающую способность. Наконец, глаз человека обладает способностью сглаживать изображения. Кроме того, печатные оригиналы, полученные типографским способом или посредством принтера, также имеют дискретную структуру (печатный растр), хотя это может быть и не заметно для невооруженного глаза. Такие оригиналы обладают собственным разрешением.
Итак, есть оригинал с собственным разрешением, сканер со своей разрешающей способностью и результат сканирования, качество которого должно быть как можно выше. Качество результирующего изображения зависит от установленного разрешения сканера, но до некоторого предела. Если установить разрешение сканера больше собственного разрешения оригинала, то от этого качество результата сканирования, вообще говоря, не улучшится. Мы не хотим сказать, что сканирование с более высоким, чем у оригинала, разрешением бесполезно. Есть ряд причин, когда это нужно делать (например, когда мы собираемся увеличивать изображение при выводе на монитор или принтер или когда надо избавиться от муара). Здесь мы обращаем внимание на то, что улучшение качества результирующего изображения за счет повышения разрешения сканера не беспредельно. Можно увеличивать разрешение сканирования, не добиваясь при этом улучшения качества результирующего изображения, но зато увеличивая его объем и время сканирования.
О выборе разрешения сканирования мы еще неоднократно будем говорить в данной главе. Разрешение сканера - это максимальное разрешение, которое можно установить при сканировании. Так какая же величина разрешения нам нужна? Ответ зависит от того, какие изображения вы собираетесь сканировать и на какие устройства выводить. Ниже мы приведем лишь ориентировочные значения.
Если вы собираетесь сканировать изображения для последующего вывода на экран монитора, то обычно достаточно разрешения 72-l00ppi. Для вывода на обычный офисный или домашний струйный принтер - 100-150 ppi, на высококачественный струйный принтер - от 300 ppi.
При сканировании текстов из газет, журналов и книг с целью последующей обработки программами оптического распознавания символов (OCR - Optical Character Recognition) обычно требуется разрешение 200-400 ppi. Для вывода на экран или принтер эта величину можно уменьшить в несколько раз.
Для любительских фотографий обычно требуется 100-300 ppi. Для иллюстраций из роскошных типографских альбомов и буклетов - 300-600ppi.
Если вы собираетесь увеличивать изображение для вывода на экран или принтер без потери качества (четкости), то разрешение сканирования следует установить с некоторым запасом, т. е. увеличить его в 1,5-2 раза по сравнению с приведенными выше значениями.
Рекламным агентствам, например, требуется высококачественное сканирование слайдов и бумажных оригиналов. При сканировании слайдов для вывода на печать в формате 10x15 см потребуется разрешение 1200 ppi, а в формате А4 - 2400 ppi.
Обобщая изложенное выше, можно сказать, что в большинстве случаев аппаратного разрешения сканера 300 ppi достаточно. Если же сканер имеет разрешение 600 ppi, то это очень хорошо.

Глубина цвета и разрядность

Глубина цвета, как мы уже говорили в главе 1, определяется количеством цветов, которые могут быть переданы (представлены), или количеством разрядов (битов) цифрового кода, содержащим описание цвета одного пиксела. Одно с другим связано простой формулой:

Количество цветов = 2 Количество бит

В сканере электрический аналоговый сигнал с матрицы светочувствительных элементов преобразуется в цифровой посредством аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Цифровой сигнал, несущий информацию о цвете пикселов, характеризуется разрядностью, т. е. количеством двоичных разрядов (битов), которыми кодируется информация о цвете каждого пиксела. АЦП и качество светочувствительных элементов сканера определяют глубину цвета, которую он может обеспечить. В настоящее время все цветные планшетные сканеры для широкого применения обеспечивают как минимум 24-битную глубину цвета (8 бит на каждую из трех базовых составляющих цвета). В пересчете на количество цветов это 2 24 = 16 777 216, чего вполне достаточно. В то же время существуют сканеры с 30-битным и 36-битным представлением цвета (10 и 12 бит соответственно на каждую составляющую). Реально вы будете работать с 24-битным цветом, но при большей разрядности АЦП, имея избыточную информацию, можно производить цветовую коррекцию изображения в большем диапазоне без потери качества. Сканеры, имеющие большую глубину цвета (разрядность), позволяют сохранить больше оттенков и градаций цвета в темных тонах. Кроме того, младшие разряды выходного кода АЦП обычно флуктуируют (содержат ошибки преобразования). Чем большую разрядность имеет АЦП, тем меньше влияние ошибок преобразования на конечный результат.

Оптическая плотность

Понятие оптической плотности (Optical Density) относится прежде всего к сканируемому оригиналу. Этот параметр характеризует способность оригинала поглощать свет; он обозначается как D или OD. Оптическая плотность вычисляется как десятичный логарифм отношения интенсивностей падающего и отраженного (в случае непрозрачных оригиналов) или проходящего (в случае прозрачных оригиналов) света. Минимальная оптическая плотность (D min) соответствует самому светлому (прозрачному) участку оригинала, а максимальная плотность (D max) соответствует самому темному (наименее прозрачному) участку. Диапазон возможных значений оптической плотности заключен между 0 (идеально белый или абсолютно прозрачный оригинал) и 4 (черный или абсолютно непрозрачный оригинал).
Типичные значения оптической плотности некоторых типов оригиналов представлены в следующей таблице:

Динамический диапазон сканера определяется максимальным и минимальным значениями оптической плотности и характеризует его способность работать с различными типами оригиналов. Динамический диапазон сканера связан с его разрядностью (битовой глубиной цвета): чем выше разрядность, тем больше динамический диапазон и наоборот. Для многих планшетных сканеров, главным образом, предназначенных для офисных работ, этот параметр не указывается. В таких случаях считается, что значение оптической плотности приблизительно равно 2,5 (типовое значение для офисных 24-битных сканеров). Для 30-битного сканера этот параметр равен 2,6-3,0, а для 36-битного - от 3,0 и выше.
С увеличением динамического диапазона сканер лучше передает градации яркости в очень светлых и очень темных участках изображения. Наоборот, при недостаточном динамическом диапазоне детали изображения и плавность цветовых переходов в темных и светлых участках теряются.

Область высокого разрешения

Некоторые планшетные сканеры могут использовать дополнительный объектив с большой степенью увеличения. Для этого случая в техническом паспорте указываются размеры части области рабочего поля сканера, в которой может осуществляться сканирование с повышенным в несколько раз разрешением. Эта область высокого разрешения (High Resolution Area, HRA) обычно намного меньше рабочего поля.

Программное обеспечение сканера

Программное обеспечение сканера состоит из двух частей: программного интерфейса и пакета прикладных графических программ. Программный интерфейс обеспечивает управление сканером, а также его связь с графическими программами сторонних производителей. Это так называемый TWAIN-модуль или драйвер сканера . Говорят, что TWAIN - аббревиатура Toolkit Without An Interesting Name (Инструменты без интересного имени). По существу, спецификация TWAIN является стандартом прикладного программного интерфейса периферийных устройств, в том числе и сканеров. С TWAIN должны быть совместимы все выпускаемые сканеры, цифровые фотокамеры и другие периферийные устройства ввода данных. Стандарт TWAIN поддерживают практически все графические программы. В состав Windows 98 и более поздних версий включен TWAIN-модуль. Однако все же рекомендуется устанавливать TWAIN-модуль, поставляемый вместе со сканером (также, как лучше устанавливать драйвер производителя устройства).
Подключив сканер к компьютеру и установив TWAIN-модуль, вы получаете возможность вызывать процедуру сканирования из графической программы, например, Photoshop, MS PhotoEditor, ACDSee, FineReader и многих других. В различных программах команды сканирования называются по-разному: Import>TWAIN, Acquire, Сканировать и т. п. В графическом редакторе Photoshop команда сканирования выбирается в меню File>Import (Файл>Импорт), в ACDSee - File>Acquire .
TWAIN-модуль имеет пользовательский интерфейс (диалоговое окно), с помощью которого можно настроить параметры сканирования. Внешний вид и состав параметров этого модуля могут быть различными, поскольку производители программного обеспечения сканера ограничены только собственно стандартом TWAIN, а совершенствовать пользовательский интерфейс им никто не мешает. Вместе с тем, существует стандартный набор параметров, которые присутствуют во всех интерфейсах: выбор режима и области сканирования, разрешения, контрастности, яркости и т. д.
Кроме TWAIN-модуля в программное обеспечение сканера обычно входит какой-нибудь, обычно весьма скромный по возможностям, графический редактор и, возможно, программа оптического распознавания символов (OCR). Если у вас на компьютере уже установлены солидные программы, например, графический редактор Photoshop и система OCR FineReader, то дополнительные программные средства, поставляемые вместе со сканером, вам не нужны.
Заметим, что есть сканеры с собственным программным интерфейсом, отличным от TWAIN. В этом случае результат сканирования сохраняется в файле графического формата (например, TIFF), который затем можно открыть для просмотра и правки в графическом редакторе.

Сканирование

Теперь, когда вы решили проблему выбора сканера, можно приступить к самому интересному - к сканированию изображений, текста и даже объемных предметов для ввода этой информации в компьютер.

Настройка основных параметров сканирования

Рассмотрим основные параметры сканирования, которые можно настраивать с помощью графического интерфейса TWAIN-модуля. Для конкретности мы взяли в качестве примера интерфейс сканера MFS 1200SP фирмы Mustek. Это - однопроходный цветной планшетный сканер на основе ПЗС с оптическим разрешением 600 ppi и интерполяционным разрешением 9600 ppi, глубиной цвета 30 бит, подключаемый к компьютеру посредством SCSI-адаптера или собственной интерфейсной платы; формат А4; масса 1 кг. Этим сканером мы, авторы книги, с удовольствием пользуемся последние пять лет.
Один из типовых способов работы состоит в вызове диалогового окна сканера из прикладной программы, например, из графического редактора или OCR-системы. При этом результат сканирования будет сразу загружен в редактор, что очень удобно, поскольку редко когда обходится без хотя бы легкой коррекции отсканированного изображения. Заметим, что некоторые сканеры включаются автоматически при их вызове из прикладной программы, а для других нужно предварительно включить питание специальным переключателем.

Рис. 120. Диалоговое окно сканера MFS 1200SP фирмы Mustek

В Photoshop сканер вызывается командой File>Import (Файл>Импорт)> Название_сканера . При этом открывается диалоговое окно сканера (интерфейс его TWAIN-модуля). Кроме того, возможно, сразу же будет открыто еще одно окно для предварительного просмотра изображения и выбора области сканирования.
Если оно не открывается автоматически, нажмите кнопку Prescan (Предварительное сканирование) в диалоговом окне сканера.
Итак, диалоговое окно сканера на экране монитора. Следовательно, сканер установлен на компьютере и имеет связь с графической прикладной программой. Теперь можно приступить к собственно сканированию. Откройте крышку сканера, положите на рабочее поле (стекло) оригинал (изображением вниз), закройте крышку и щелкните на кнопке Prescan в диалоговом окне. В результате в окне предварительного просмотра появится изображение оригинала, отсканированное с низким разрешением. Это - черновой эскиз оригинала. До окончательного сканирования еще дело не дошло. Теперь можно выделить область сканирования, т. е. участок оригинала, который вам нужен. Для этого с помощью мыши переместите и/или измените размеры рамки, которая видна на фоне эскиза. Для более точного позиционирования рамки можно использовать клавиши со стрелками при нажатой клавише . Чтобы отсканировать указанную область оригинала при текущих значениях параметров, щелкните на кнопке Scan (Сканировать). В диалоговом окне сканера отображаются размеры изображения в выбранных единицах измерения (пикселах, см, мм или дюймах), а также в килобайтах. В результате отсканированное изображение будет загружено в новое окно графического редактора. Вы можете обработать его, если необходимо, а затем сохранить в файле графического формата (см. главу 3). Однако перед сканированием обычно производят настройку параметров? чтобы получить результат с нужным качеством.
При настройке параметров чаще всего пытаются найти компромисс между качеством результирующего изображения (скана), его объемом и временем сканирования. Обычно улучшение качества сопряжено с увеличением объема занимаемой памяти и времени. Затраты времени становятся весьма заметными, если требуется отсканировать подряд много оригиналов, например, несколько десятков фотографий или страниц журнала. Сканирование с большим запасом разрешения приводит к большим затратам памяти и дискового пространства. Например, цветная фотография размером 4x6 дюймов (примерно 10x15 см) при сканировании с разрешением 600 ppi потребует более 25 Мбайт. Такие большие изображения медленно обрабатываются.
Можно выделить два основных подхода к выбору параметров сканирования. Первый состоит в том, что качество результата должно определяться в первую очередь характеристиками устройств и материалов вывода (монитор, принтеры различного типа, полиграфическая техника, печать на газетной или мелованной бумаге и т. п.). Согласно этому подходу, не стоит создавать изображение очень высокого качества, если его вывод будет производиться устройствами с низкими характеристиками («не в коня корм»). Однако при смене типа устройства вывода часто оказывается, что нужно заново сканировать изображение, но уже при других значениях параметров. Данный подход характерен для офисных работ, но нередко применяется и дизайнерами. Согласно второму подходу, при сканировании следует получить максимально возможную графическую информацию об оригинале, а только затем обработать ее в редакторе применительно к типу устройства вывода. Девиз этого подхода: «от того, что мы имеем, всегда можно отказаться». Этот подход применяют, когда заранее не известно, где и как будет использовано изображение. Он типичен, прежде всего, для дизайнеров.

Выбор режима сканирования

Прежде всего необходимо выбрать режим сканирования (Scan Mode), соответствующий типу оригинала и/или желаемого результата. Как правило, можно выбрать следующие режимы:

Color (Цветной). Цветное изображение, представленное в модели RGB
Gray или Grayscale (В оттенках серого). Изображения с плавными переходами оттенков серого цвета
Artline (Произвольные линии). Черно-белое изображение без полутонов
Halftone (Полутон). Черно-белое изображение, сформированное регулярно расположенными точками различных размеров или штрихами (печатный растр)

В принципе, вы можете выбрать любой из доступных режимов сканирования, независимо от исходного изображения (оригинала). Например, можно сканировать в цветном режиме оригиналы, выполненные в оттенках серого цвета, и, наоборот, цветные оригиналы можно сканировать в режиме оттенков серого. Выбор оптимального режима зависит как от оригинала, так и от вашей цели. Характеристики режимов в приведенном выше списке служат, главным образом, в качестве ориентиров для новичков. Опытные сканировщики легко выбирают режим в зависимости от того, с чем имеют дело и что хотят получить. Но свой опыт они почерпнули из множества экспериментов. Мы вам советуем идти этим путем. Вот некоторые общие рекомендации.

Рис. 121. Изображение типа Artline

Выбор разрешения сканирования

Сканер, как отмечалось выше, обладает разрешающей способностью, определяемой его конструктивными особенностями. Она может быть аппаратной (оптической) или интерполяционной (реконструированной вычислительными средствами). Разрешающая способность является максимальной характеристикой, определяемой техническими особенностями сканера. Однако при сканировании изображения вы можете произвольно выбрать, с каким разрешением это следует делать в данном конкретном случае. Установленное разрешение сканирования может быть меньше или равно аппаратному (оптическому) разрешению сканера, но может и превышать его. В последнем случае речь может идти только об интерполяционном разрешении. При установленном интерполяционном разрешении сканирования кроме собственно аппаратных средств привлекаются программные преобразования. Последние могут быть хорошими или плохими: все зависит от алгоритма преобразования и исходного изображения.
От выбора разрешения сканирования зависит качество полученного изображения, занимаемый им объем памяти, а также скорость сканирования. Качество изображения это, прежде всего, его четкость, плавность цветовых переходов. Другими словами, хороший результат сканирования не должен выглядеть заметно хуже, чем оригинал.
Чем меньше разрешение, тем меньше объем и временные затраты на сканирование и наоборот. Однако с качеством результата дело обстоит сложнее. Здесь напрашивается аналогия с выбором рыболовной сети. Какую сеть выбрать - с мелкими или крупными ячейками, зависит от размеров рыбы, которую вы хотите поймать. Сканер - это устройство, извлекающее информацию, содержащуюся в изображении. Нельзя получить информации больше, чем ее было в оригинале, но ее описание можно сделать избыточным. Избыточные описания графической информации обычно выражаются в чрезмерно больших объемах соответствующих файлов. В идеале нам нужно настроить сканер так, чтобы извлечь из оригинала как можно больше графической информации, или, по крайней мере, не меньше, чем нужно.
Умение правильно выбирать разрешение сканирования приходит с опытом. Однако эксперименты можно упорядочить, чтобы опытность пришла побыстрее. Изображения для простоты можно разделить на два основных типа: фотографии и рисунки. Изображения типа фотографии (фотоснимки, живопись и т. п.) характеризуются большим количеством оттенков и плавностью их переходов, а рисунки (плакаты, чертежи, гравюры и т. п.) - относительно небольшим количеством оттенков, наличием контуров и повышенной контрастностью. Таким образом, в класс фотографий попадают не только фотоснимки, а к классу рисованной графики относятся не только изображения, созданные карандашом, кистью или пером. Иногда встречаются изображения, которые трудно с уверенностью отнести к тому или иному типу. В этом случае попробуйте и так, и эдак. Далее, возьмите несколько картинок каждого типа и отсканируйте их при различных разрешениях. Начните с минимального значения 72 ppi, увеличивая его с некоторым шагом до величины оптического разрешения сканера. В процессе эксперимента нужно зафиксировать две величины разрешения:

начиная с которой качество изображения становится приемлемым;
начиная с которой качество изображения практически не изменяется.

Усреднив полученные данные для каждого типа изображений, вы получите значение разрешения, которое следует устанавливать при первой попытке сканирования. При сканировании дело обстоит примерно так же, как и при использовании профессионального фотоаппарата, когда необходимо вручную установить выдержку, диафрагму и фокусное расстояние (резкость). Опытный фотограф быстро оценивает объект съемки и устанавливает нужные параметры своего аппарата. Однако профессионал сделает несколько снимков одного и того же объекта при немного различающихся настройках фотокамеры. Аналогично, при сканировании нередко приходится предпринимать несколько попыток.
Устанавливая разрешение сканирования, следует также учитывать, будет ли изображение увеличено в размерах при показе его на экране монитора или при выводе на печать. С увеличением размеров (т. е. при растяжении) качество изображения, вообще говоря, может ухудшиться. На этот случай создают изображение с некоторым запасом разрешения. Так, если предполагается увеличивать картинку в два раза, то и разрешение должно быть в два раза больше, чем то, которое было достаточным для исходных размеров. Сдругой стороны, если предполагается выводить на монитор или печать уменьшенное изображение, то, возможно, разрешение следует соответственно уменьшить. Маленькие изображения должны иметь небольшое разрешение. Эта ситуация часто возникает в Web-дизайне, где одна и та же картинка часто представляется в двух вариантах: маленькая (thumbnail, миниатюра) - с низким разрешением, и большая - с высоким разрешением.
Если ваш компьютер обладает достаточно большой памятью и затраты времени на сканирование для вас не критичны, то можно рекомендовать установку разрешения, равного аппаратному (оптическому) разрешению сканера. Затем, если потребуется, разрешение полученного изображения можно уменьшить средствами графического редактора. В Photoshop для этого используется команда Image>Image Size (Изображение>Размер изображения). Однако увеличение разрешения средствами графического редактора не повышает качество изображения. При уменьшении разрешения (downsample) из изображения удаляются пикселы и, таким образом, уменьшается количество графической информации. При увеличении разрешения графический редактор добавляет пикселы, используя для вычисления их значений некоторый алгоритм интерполяции (учета значений соседних пикселов).

Рис. 123. Окно установки размеров и разрешения изображения в Photoshop

Вообще говоря, оптимизировать окончательный вариант изображения лучше средствами мощного графического редактора, такого как Photoshop. Работа с графикой с точки зрения дизайнера (художника) обычно происходит в пространстве графического редактора, а не средств программного обеспечения сканера. Но это не означает, что программные средства сканера (TWAIN-интерфейса) должны быть навсегда забыты. Хотя они и создавались главным образом для того, чтобы пользователь мог работать со сканером, не завися от имеющегося у него пакета графических программ, иногда их можно эффективно применять еще до того, как Photoshop проявит всю свою мощь.
В следующей таблице приведены в качестве примера затраты памяти при сканировании изображения размером 4x4 дюйма (11x11 см) в различных режимах и при различных разрешениях.

Тип изображения	Объем изображения при различных разрешениях
Тип изображения	100 ppi	150 ppi	300 ppi	600 ppi
Color	469 Кбайт	1 Мбайт	4,12 Мбайт	16,5 Мбайт
Gray	156 Кбайт	352 Кбайт	1,37 Мбайт	5,5 Мбайт
Artline	19,5 Кбайт	44 Кбайт	175 Кбайт	703 Кбайт

В заключение разговора о разрешении сканирования напомним обстоятельства, которые приходится дополнительно учитывать при выборе разрешения. Во-первых, если отсканированное изображение предназначается для вывода на печать с помощью лазерного или струйного принтера, то устанавливаемое разрешение может быть в 3-4 раза меньше разрешения принтера. Это справедливо в первую очередь для цветных или полутоновых (в оттенках серого) изображений. Для изображений типа Artline или Halftone разрешение сканирования следует выбирать, по возможности, равным разрешению принтера. Например, если у вас обычный струйный принтер с разрешением 300 ppi, то. попробуйте сначала отсканировать изображение с разрешением 75 ppi. Если результат окажется неудовлетворительным, увеличьте разрешение сканирования в 2 раза. Во-вторых, разрешение часто приходится менять при сканировании изображений из высококачественных печатных изданий. Причина тому так называемый муар - эффект взаимодействия нескольких периодических структур (в данном случае, дискретных структур сканирования и печатного растра). Часто этот побочный оптический эффект устраняется выбором более высокого разрешения сканирования. Подавление муара более подробно будет рассмотрено ниже. В-третьих, при выборе начального и, при необходимости, последующих значений разрешения сканирования следует стремиться к тому, чтобы выбранное разрешение было кратно оптическому разрешению сканера, деленному на целую степень двойки:

Устанавливаемое разрешение = Оптическое разрешение: 2 i , где i = 0, 1,2, 3,...

Например, если оптическое разрешение сканера равно 600 ppi, то устанавливаемое разрешение сканирования должно быть как можно ближе к 600, 300, 150, 75 ppi. Такой выбор способствует достижению наибольшей четкости результата сканирования.

Тоновая коррекция изображения

Программное обеспечение сканеров обычно позволяет устанавливать параметры тоновой коррекции - яркость, контрастность, гамма и другие (например, уровни черного и белого). Возможность настройки этих параметров до сканирования очень важна.
Особенно полезно регулировать уровни черного и белого, если оригинал не контрастный и вялый, т. е. в нем нет областей большой и очень малой яркости, а вся графическая информация сосредоточена в средних тонах. В таких случаях к оригиналу подкладывают белый и черный листы бумаги, а область сканирования выбирают так, чтобы захватить эти специальные вложения. Позже их можно удалить из результата сканирования средствами графического редактора. Этот прием позволяет скорректировать результат автоматической настройки уровней черного и белого, которую производит сканер при предварительном сканировании.
Если результат сканирования слишком темный или светлый, то лучше регулировать параметр гамма (если, конечно, есть такая возможность), чем яркость и контрастность. Напомним, что гамма влияет на средние тона изображения, оставляя неизмененными самые темные и самые светлые пикселы, т. е. сохраняя границы диапазона яркостей пикселов. Другими словами, коррекция изображения с помощью параметра гамма является более щадящей.

Рис. 124. Окно настройки тональных параметров сканера MFS I200SP фирмы Mustek

При тональной коррекции, осуществляемой до окончательного сканирования, следует помнить, что она производится для настройки сканера с целью извлечь из оригинала максимум графической информации. Большое количество графической информации не всегда выражается в виде яркого и контрастного изображения. В случае фотографий, например, контрастный результат сканирования, к которому обычно стремятся новички, чаще всего обусловлен потерями исходной информации. Если предполагается дальнейшая обработка изображения в редакторе, то не следует злоупотреблять завышением яркости и контрастности с помощью программного обеспечения сканера, т. к. при этом можно потерять тонкие детали в темных и очень светлых участках.
Следует иметь в виду, что выбранные значения параметров сканирования сохраняются до тех пор, пока вы их снова не измените. Чтобы восстановить значения параметров, принятые по умолчанию, нужно щелкнуть на кнопке Reset (Восстановить), а чтобы посмотреть на результаты выбора параметров в окне предварительного просмотра, щелкните на кнопке Preview (Предварительный просмотр).
Результат сканирования при необходимости можно откорректировать в графическом редакторе, например, в Photoshop. Обычно без этого не обходится, если только речь не идет о черновом сканировании с качеством факса.

Борьба с муаром

Нередко на изображениях, отсканированных с печатных оригиналов, которые были созданы типографским способом, появляется мелкая узорчатая сетка. При этом обычно она тем заметнее, чем более высокого качества оригинал. Этот эффект называется муаром (moire). По существу муар представляет собой интерференционную картину, получающуюся в результате совмещения типографского растра с другими регулярными структурами, такими как пиксельная структура экрана и дискретный процесс сканирования. Возьмите две расчески с различной частотой зубьев, наложите их друг на друга и посмотрите в проходящем свете, немного сдвигая одну расческу относительно другой. Наблюдаемый оптический эффект и есть то, что называется интерференционной картиной.

Рис. 125. Модель, иллюстрирующая механизм возникновения муара

Графические элементы с периодической структурой (например, сетка микрофона или от комаров, шахматный узор, параллельные или радиально расходящиеся линии) также могут вызвать муар. Муар может возникнуть и на штриховой графике. Но все же с наибольшей вероятностью он появляется при сканировании изображений, полученных типографским способом.

Рис. 126. Мелкая сетка на изображении, особенно на его светлых участках, - муар

Итак, муар может появиться, если оригинал имеет печатный растр, а разрешение сканирования близко к величине, кратной линеатуре печатного растра. Наиболее часто это происходит, когда выбранное разрешение близко к самой линеатуре. Линеатура (пространственная частота - screen frequency) измеряется как количество линий на дюйм (lines per inch, Ipi). Это - характеристика, в первую очередь, печатающих устройств и, во вторую очередь, изображений, полученных на них. Газеты обычно имеют линеатуру 85 Ipi, полиграфическая печать высокого качества - 133 Ipi, высшего качества - 300 Ipi (вариантов линеатур немного).
До сканирования печатного оригинала полезно узнать его линеатуру и выбрать разрешение сканирования, немного (на 5-10%) отличающимся от нее. Однако на практике, если вы не знаете линеатуру отпечатка или не хотите тратить время на ее выяснение, выбирайте разрешение сканирования просто в 1,5-2 раза больше, чем предполагаемая линеатура. Например, при сканировании оригиналов газетного качества разрешение устанавливают 100-170ppi; при сканировании изображений высококачественной печати - более 200 ppi. Иногда советуют сканировать с максимальным (оптическим) разрешением сканера. Это вполне согласуется с общей идеей борьбы с муаром путем выбора подходящего разрешения. Кроме того, этот совет очень хорош в случае высококачественного типографского отпечатка. Следуя ему, вы одновременно добиваетесь максимальной четкости и избавляетесь от муара. Если и в этом случае муар не исчез, попытайтесь немного изменить (уменьшить) разрешение. Однако не следует забывать, что при выборе разрешения приходится учитывать и другие критерии (четкость, объем, время, необходимость увеличения).
Другой способ борьбы с муаром состоит в том, чтобы слегка, на 5-15 градусов, наклонить оригинал. Однако последующее его выравнивание средствами графического редактора может снова привести к появлению муара. Для некоторых картинок этот прием вполне приемлем.
В диалоговом окне программного обеспечения большинства сканеров имеется команда (фильтр), специально предназначенная для подавления муара. Она может называться по-разному: Descreen, Demoire pattern и т. п. Однако пользоваться ими следует осторожно, поскольку они уменьшают четкость изображения (смотрите, как бы с водой не выплеснуть и ребенка!). Впрочем, прием, основанный на размытии изображения и последующем восстановлении четкости в графическом редакторе, применяют довольно часто. В Photoshop для удаления муара сначала добавляют к изображению монохроматический шум (меню Filter ), затем применяют гауссовское размытие (фильтр Gaussian Blur ) и, наконец, восстанавливают четкость с помощью фильтра Sharpen или Unsharp Mask (Нечеткая маска).
Мы уже отмечали в этой главе, что появление муара более вероятно для высококачественных печатных оригиналов, чем для картинок приемлемого качества на газетной бумаге из-за так называемого растискивания (расплывания краски). Впрочем, нередко и на плохой бумаге печатный растр хорошо заметен. В струйных принтерах применяется технология случайного растра, что практически исключает появление муара.
Итак, риск появления муара при сканировании типографских оттисков весьма велик. Муар - не дефект сканера, а проявление природного*взаимодействия света с регулярными структурами на пути его прохождения (в оптике есть раздел, специально посвященный прохождению света через решетки). Муар можно подавлять выбором надлежащего разрешения, а также применением фильтров размывания на уровне программного обеспечения сканера или графического редактора. Можно также уменьшить размеры изображения, чтобы сделать муар менее заметным.

Кольца Ньютона

При сканировании пленок (прозрачных оригиналов) проявляются так называемые кольца Ньютона . Это концентрические радужные помехи. Они возникают при сканировании покоробленных пленок и, главным образом, как результат отражения света в множестве мельчайших капелек влаги, расположенных на поверхности пленки. Опытные сканировщики отмечают, что кольца Ньютона чаще появляются поздней осенью и зимой. Поэтому используйте для пленок специальные рамки, а также просушивайте их (например, обычным феном) перед сканированием. При просушке необходимо, конечно, следить, чтобы из-за перегрева не повредилась эмульсия.

Сканирование фотографий

На практике чаще всего сканируются фотографии. Здесь речь пойдет о сканировании фотоснимков, полученных с помощью обычных фотокамер и отпечатанных на фотобумаге. Обычный пользователь компьютера приобретает сканер в основном именно для этой цели. Цветные фотографии, полученные где-то в 70-х и 80-х годах прошлого века, быстро выцветают. Они не выдерживают никакого сравнения с фотоснимками начала XX века. У нас, например, есть великолепные экземпляры отпечатков образца 1905 года. Со временем они испытали лишь некоторые механические повреждения (царапины, перегибы бумаги), но оставшиеся фрагменты восхищают своей четкостью. Современные фотоотпечатки, возможно, сохранят графическую информацию 20-25 лет. Поэтому лучший способ надежно и надолго сохранить свой домашний фотоархив - отсканировать снимки и записать их на магнитных носителях или лазерных дисках.
При сканировании фотоснимков, полученных с помощью обычных фотокамер и отпечатанных на фотобумаге, проблем с муаром, как правило, не возникает. Выбор разрешения определяется только требуемой четкостью (резкостью), а также размерами изображения. Если вы собираетесь его увеличивать при выводе на экран или печать, то разрешение сканирования следует выбрать с некоторым запасом. Мы уже неоднократно говорили об этом.
Обычные любительские фотографии сканируются, как правило, при разрешении 75-150 ppi, если предполагается выводить их на экран монитора. Для вывода на печать разрешение следует устанавливать примерно равным разрешению принтера. Результат сканирования приходится немного обработать в графическом редакторе (отрегулировать яркость, контрастность, цветовой баланс и т. п.). Если мы собираемся отправить отсканированные фотоснимки по электронной почте тому, кто умеет работать с графикой, то чаше всего мы не делаем обработку, рассчитывая на то, что получатель это сделает, как ему надо. Таким образом, мы пересылаем ему исходную графическую информацию. В Web-дизайне, наоборот, требуется обработать результат сканирования так, чтобы он и выглядел надлежащим образом, и места на диске занимал как можно меньше (загружался в браузер быстрее).
Одна из основных проблем сканирования отпечатков на фотобумаге заключается в так называемых «провалах в тенях». Иначе говоря, сканер не в состоянии зафиксировать детали в темных участках изображения. Эта проблема возникает из-за недостаточного динамического диапазона оптической плотности недорогих офисных сканеров. Попробуйте отпечатать фотографии в более мягком проявителе или на менее контрастной бумаге. Если при этом снимок не потерял насыщенности черного цвета, а проработка деталей в тенях улучшилась, то вы на верном пути. Особую сложность представляет собой сканирование снимков, выполненных в так называемом низком ключе , когда основные полутоновые переходы сконцентрированы в области теней (темных участков). Именно такие фотографии, снятые ночью в свете вспышки или днем при неярком освещении, очень часто создаются как художественные произведения, а не как фотодокументы. Таким фото обычно отдается предпочтение в Web-дизайне. Возможно, в этом случае вам придётся выбирать одно из двух возможных решений:

печатать фотографии обычным образом, а затем повышать контрастность темных участков в графическом редакторе (инструменты Curves (Кривые) и Levels (Уровни) в Photoshop);
печатать фотографии светлей и мягче, чем обычно (этим мы переносим теневые участки в более благоприятный для сканера диапазон), а затем повысить общую контрастность снимка в графическом редакторе (инструменты Levels (Уровни) и Brightness/Contrast (Яркость/Контрастность) в Photoshop).

Сканирование объемных предметов

Богатым источником исходного материала для художественных композиций является сканирование объемных предметов. Но не все сканеры могут это делать с приемлемым качеством. CCD-сканерам (т. е. сканерам на основе ПЗС-матрицы) это доступно, а CIS-сканерам - нет. Хотя глубина (третье измерение) объемных оригиналов, достижимая сканером, не превышает нескольких сантиметров, получаемый эффект может быть очень интересным. Однако сразу же предупредим, что попытка отсканировать свое лицо приведет, скорее всего, к ожогу глаз и потере зрения.
При сканировании объемных предметов обычно приходится снимать крышку, что дает доступ свету от внешних источников. Это может ухудшить качество изображения. Поэтому применяйте белую или черную ткань, закрывая ею сканируемый предмет.
Наиболее сложными для сканера являются слишком темные и очень блестящие предметы. В темных предметах плохо выделяются детали. В случае блестящих предметов нужно подобрать их расположение так, чтобы уменьшить ненужные блики. Это относится, в частности, и к книгам с золотым тиснением. Однако золотые фрагменты оформления обложек книг обычно выглядят в результате сканирования не как блестящие, а как темные. Чтобы поправить это, плоскость книги располагают под некоторым углом к плоскости рабочего поля сканера. Для этого можно что-нибудь подложить под какой-нибудь угол книги, например, спичку или коробку от компакт-диска.
На следующих рисунках приведены примеры пограничных случаев сканирования объемных предметов - модели паровоза и часов. Изображение часов не обрабатывалось в графическом редакторе. А вот изображение паровоза пришлось, как говорят, «вытягивать» в Photoshop, поскольку оригинал - из черной матовой пластмассы, плохо отражающей свет. Конечно, для улучшения отражательных свойств можно было бы смочить паровоз растительным или машинным маслом, но мы не стали, поскольку он нам еще нужен, и, кроме того, мы не хотели ненароком испачкать стекло рабочего поля сканера.

Рис. 127. Модель пульта из черной пластмассы - трудный для сканера оригинал из-за слабых отражательных свойств

Рис. 128. Часы в блестящем металлическом корпусе. Блики вполне приемлемы

Средним по отражательным свойствам объектом сканирования является печатная плата. Подобные изображения могут использоваться, например, в качестве иллюстраций книг и статей.

Рис. 129. Сетевая карта, отсканированная при разрешении 300ppi без специальной настройки сканера и обработки изображения в графическом редакторе

Вы можете поэкспериментировать с применением зеркала при сканировании объемных предметов. На стекло рабочего поля устанавливается предмет сканирования, а над ним, под некоторым углом, зеркало. Результат должен содержать, помимо предмета, его зеркальное отражение.

Сканирование текстов

На практике часто приходиться вводить в компьютер информацию из текстовых документов, например, из книг; журналов и газет. Чтобы ускорить этот процесс, применяют сканеры. Однако результат сканирования, вообще говоря, есть просто графическое изображение (рисунок), хотя и содержащее буквы (нарисованные). Если вы сохранили его в файле графического формата, то сможете открыть потом лишь в редакторе или программе просмотра графики. Хотя редактировать тексты в графическом редакторе в принципе возможно, на практике, конечно, никто этого не делает (кроме того, изображение текста с точки зрения компьютера текстом не является, редактировать его придется как рисунок). К тому же хранить текстовую информацию в файлах графического формата - верх расточительности в использовании дискового пространства. Текстовая информация вместе с иллюстративной графикой сканируется, чтобы затем передать ее программе оптического распознавания символов (OCR) , например, FineReader или CunieForm.

Рис. 130. Главное окно программы FineReader

С помошью программы OCR результат сканирования будет разделен на текст и рисунки (если они есть) и может быть сохранен в файле формата, доступного текстовым или табличным редакторам, например, MS Word или MS Excel.
Вы можете сначала отсканировать текстовый документ и сохранить результат в файле графического формата, например, JPEG или TIFF, а затем открыть его в программе OCR и выполнить распознавание (recognize) символов . Но можно поступить и иначе: выполнить сканирование прямо из программы OCR, а затем произвести распознавание. Мы предпочитаем именно этот путь. Кстати, многие программы OCR позволяют произвести сканирование и распознавание с помошью одной команды. Однако в случае, когда вы сканируете много фрагментов, а распознаете лишь некоторые из них, лучше разъединить эти процессы.
Современные программы OCR справляются с ситуацией, когда оригинал положен на рабочее поле сканера не очень прямо. Это удобно, поскольку можно просто небрежно бросать оригиналы на рабочее поле, не слишком заботясь об их выравнивании. Однако не советуем вам злоупотреблять этой возможностью.
Некоторые программы OCR требуют, чтобы текстовый документ был отсканирован в режиме Artline . Солидные и современные программы OCR не обременят вас этим ограничением.
Если оригинал представляет собой просто текст без графики, то сканировать его нужно в режимах Artline или Gray . Режим Artline обычно применяют к высококачественным отпечаткам текста без иллюстраций, полученным, например, с помошью лазерного или струйного принтера. Разрешение сканирования выбирается в зависимости от размера шрифта. Для шрифтов размеров 12 пт и менее разрешение в режиме Artline устанавливают около 400-450 ppi. Для более крупных шрифтов разрешение можно уменьшить до 200-300 ppi. В режиме Gray на один пиксел требуется в 8 раз больше памяти, чем в режиме Artline . Однако при сканировании текстов в этом режиме можно устанавливать меньшее разрешение, чем в режиме Artline , - примерно 150-300 ppi в зависимости от размера и гарнитуры шрифта. Если объем занимаемой памяти и время сканирования для вас не критичны, то советуем выбирать режим Gray . При сканировании документов, содержащих, кроме текста, картинки, следует выбирать режим Gray (или Color , если требуется получить цветные изображения картинок). В этих режимах сканирования удается получить больше графической информации об оригинале, которая важна для высококачественного распознавания символов.
Программа OCR при распознавании текста в графическом изображении использует словари разных языков, что позволяет ей исправлять дефекты сканирования. Тем не менее, ошибки распознавания текста все же остаются. Перед тем как инициировать собственно распознавание, просмотрите результат сканирования. Прежде всего следует обратить внимание на качество отображения таких букв, как «е» и «с», «к» и «н», «л» и «п», «i» и «1», «r» и «г». Если случаев взаимной замены в перечисленных парах букв много, лучше повторить сканирование при большем разрешении. Если результат распознавания содержит слишком много ошибок, то также советуем повторить процедуру сканирования при большем разрешении.
Если вам предстоит сканировать множество страниц с текстовой информацией примерно одинакового качества, то целесообразно сначала не спеша правильно подобрать параметры сканирования. Это можно сделать с помощью экспериментов над небольшим фрагментом документа. Подобрав оптимальные значения параметров, можно затем поставить сканирование и распознавание на поток. Программное обеспечение сканеров и OCR обычно имеют специальную команду, задающую пакетный режим работы (Buth mode ).

Планшетный сканер (Flatbed scanner) представляет собой прямоугольный пластмассовый корпус с крышкой. Под крышкой находится стеклянная поверхность, на которую помещается оригинал, предназначенный для сканирования. Через это стекло можно разглядеть кое-что из внутренностей сканера. В сканере имеется подвижная каретка, на которой установлены лампа подсветки и система зеркал. Каретка перемещается посредством так называемого шагового двигателя . Свет лампы отражается от оригинала и через систему зеркал и фокусирующих линз попадает на так называемую матрицу , состоящую из датчиков , вырабатывающих электрические сигналы, величина которых определяется интенсивностью падающего на них света. Эти датчики основаны на светочувствительных элементах, называемых приборами с зарядовой связью (ПЗС, Couple Charged Device - CCD). Точнее говоря, на поверхности ПЗС образуется электрический заряд, пропорциональный интенсивности падающего света. Далее нужно только преобразовать величину этого заряда в другую электрическую величину - напряжение. Несколько ПЗС располагаются рядом на одной линейке.

Электрический сигнал на выходе ПЗС является аналоговой величиной (т.е. ее изменение аналогично изменению входной величины - интенсивности света). Далее происходит преобразование аналогового сигнала в цифровую форму с последующей обработкой и передачей в компьютер для дальнейшего использования. Эту функцию выполняет специальное устройство, называемое аналого-цифровым преобразователем (АЦП, Analog-to-digital Converter - ADC). Таким образом, на каждом шаге перемещения каретки сканер считывает одну горизонтальную полоску оригинала, разбитую на дискретные элементы (пикселы), количество которых равно количеству ПЗС на линейке. Все отсканированное изображение состоит из нескольких таких полос.

Выше мы описали принципы построения и работы так называемых однопроходных сканеров, которые сканируют оригинал за один проход каретки. Однако еще встречаются, хотя больше и не выпускаются промышленностью, трехпроходные сканеры. Это сканеры с однорядной матрицей ПЗС. В них при каждом проходе каретки вдоль оригинала используется один из базовых цветных светофильтров: за каждый проход снимается информация по одному из трех цветовых каналов изображения. Эта технология также устарела.

Кроме CCD-сканеров, основанных на матрице ПЗС, имеются CIS-сканеры (Contact Image Sensor), в которых применяется фотоэлементная технология.

Светочувствительные матрицы, выполненные по этой технологии, воспринимают отраженный оригиналом спет непосредственно через стекло сканера без использования оптических систем фокусировки. Это позволило уменьшить размеры и вес планшетных сканеров более чем в два раза (до 3-4 кг). Однако такие сканеры хороши только для исключительно плоских оригиналов, плотно прилегающих к стеклянной поверхности рабочего поля. При этом качество получаемого изображения существенно зависит от наличия посторонних источников света (крышка CIS-сканера во время сканирования должна быть закрыта). В случае объемных оригиналов качество оставляет желать лучшего, в то время как ССО-сканеры дают неплохие результаты и для объемных (до нескольких см в глубину) предметов.

Планшетные сканеры могут быть снабжены дополнительными устройствами, такими как слайд-адаптер, автоподатчик оригиналов и др. Для одних моделей эти устройства предусмотрены, а для других нет.

Слайд-адаптер (Transparency Media Adapter, TMA) - специальная приставка, позволяющая сканировать прозрачные оригиналы. Сканирование прозрачных материалов происходит с помощью проходящего, а не отраженного света. Иначе говоря, прозрачный оригинал должен находиться между источником света и светочувствительными элементами. Слайд-адаптер представляет собой навесной модуль, снабженный лампой, которая движется синхронно с кареткой сканера. Иногда просто равномерно освещают некоторый участок рабочего поля, чтобы не перемещать лампу. Таким образом, главная цель применения слайд-адаптера заключается в изменении положения источника света.

Если же у вас есть цифровая камера (цифровой фотоаппарат), то слайд-адаптер, скорее всего, вам не нужен.

Если сканировать прозрачные оригиналы без использования слайд-адаптера, то нужно понимать, что при облучении оригинала количества отраженного и проходящего света не равны друг другу. Так, оригинал пропустит какую-то часть падающего цвета, которая затем отразится от белого покрытия крышки сканера и снова пройдет через оригинал. Какая-то часть света отразится от оригинала. Соотношение между частями проходящего и отраженного света зависит от степени прозрачности участка оригинала. Таким образом, светочувствительные элементы матрицы сканера получат свет, дважды прошедший через оригинал, а также свет, отраженный от оригинала. Многократность прохода света через оригинал ослабляет его, а взаимодействие отраженного и проходящего пучков света (интерференция) вызывает искажения и побочные видеоэффекты.

Автоподатчик - устройство, подающее оригиналы в сканер, которое очень удобно использовать при потоковом сканировании однотипных изображений (когда не нужно часто перенастраивать сканер), например, текстов или чертежей приблизительно одинакового качества.

Кроме планшетных, есть и другие типы сканеров: ручные, листопротяжные, барабанные, слайдовые, для сканирования штрих-кодов, скоростные для потоковой работы с документами.

Ручной сканер (Handheld Scanner) - портативный сканер, в котором сканирование осуществляется путем его ручного перемещения по оригиналу. По принципу действия такой сканер аналогичен планшетному. Ширина области сканирования - не более 15см. Первые сканеры для широкого применения появились в продаже в 80-х годах XX века. Они были ручными и позволяли сканировать изображения в оттенках серого цвета. Теперь такие сканеры нелегко найти.

Листопротяжный или роликовый сканер (Sheetfed Scanner) - сканер, в котором оригинал протягивается мимо неподвижной линейной CCD- или CIS-матрицы, разновидность такого сканера - факс-аппарат.

Барабанный сканер (Drum Scanner) - сканер, в котором оригинал закрепляется на вращающемся барабане, а для сканирования используются фотоэлектронные умножители. При этом сканируется точечная область изображения, а сканирующая головка движется вдоль барабана очень близко от оригинала.

Слайдовый сканер (Film-scanner) - разновидность планшетного сканера, предназначенная для сканирования прозрачных материалов (слайдов, негативных фотопленок, рентгеновских снимков и т. п.). Обычно размер таких оригиналов фиксирован. Заметим, что для некоторых планшетных сканеров предусмотрена специальная приставка (слайд-адаптер), предназначенная для сканирования прозрачных материалов (см. выше).

Сканер штрих-кодов (Bar-code Scanner) - сканер, предназначенный для сканирования товарных штрих-кодов. По принципу действия он сходен с ручным сканером и подключается к компьютеру, либо к специализированной торговой системе. При наличии соответствующего программного обеспечения распознавать штрих-коды может любой сканер.

Скоростной сканер для работы с документами (Document Scanner) - разновидность листопротяжного сканера, предназначенная для высокопроизводительного многостраничного ввода. Сканеры могут быть оборудованы приемными и выходными лотками объемом свыше 1000 листов и вводить информацию со скоростью свыше 100 листов в минуту. Некоторые модели этого класса обеспечивают двустороннее (дуплексное) сканирование, подсветку оригинала разными цветами для отсечки цветного фона, компенсацию неоднородности фона, имеют модули динамической обработки разнотипных оригиналов.

Итак, для дома и офиса лучше всего подходит планшетный сканер. Если вы хотите заниматься графическим дизайном, то лучше выбрать CCD-сканер (на основе ПЗС-матрицы), поскольку он позволяет сканировать и объемные предметы. Если вы собираетесь сканировать слайды и другие прозрачные материалы, то следует выбрать сканер, для которого предусмотрен слайд-адаптер. Обычно собственно сканер и подходящий к нему слайд-адаптер продаются отдельно. Если не получается приобрести слайд-адаптер одновременно со сканером, то при необходимости вы сможете сделать это позже. Необходимо также определить максимальные размеры сканируемых изображений. В настоящее время типовым является формат А4, соответствующий обычному листу писчей бумаги. Большинство бытовых сканеров ориентированы именно на этот формат. Для сканирования чертежей и другой конструкторской документации обычно требуется формат A3, соответствующий двум листам формата А4, соединенным по длинной стороне. В настоящее время цены однотипных сканеров для форматов А4 и A3 сближаются. Можно предположить, что оригиналы, не превышающие по размерам формат А4, будут лучше обрабатываться сканером, ориентированным на формат A3.

Перечисленные выше параметры далеко не исчерпывают весь список, но на данном этапе нашего рассмотрения мы пока можем использовать только их. При выборе сканера решающими являются три аспекта: аппаратный интерфейс (способ подключения), оптико-электронная система и программный интерфей с (так называемый TWAIN-модуль). Далее мы рассмотрим их более подробно.

15.4-16+isp_pages.doc

Термоэлектрическое охлаждение

Пр-к I
Термоэлектрический эффект Пелтье состоит в поглощении или выделении тепла на спае двух различных металлов или полупроводников, когда по этим проводникам протекает электрический ток. Если Е 1 и Е 2 термоэдс первого и второго спаев, то количество тепла, получаемого на спае при температуре Т(К) выражается формулой: Q=(Е 1 - Е 2)xTxI.

Один каскад конструкции на основе Bi 2 Te 3 позволяет получить температуру

(-30)С, два каскада (-75), шесть (-100)

^ Сканирующие системы

Для преобразования многомерного оптического сигнала в одномерный электрический, адекватную информацию о распределении параметров оптического сигнала, в ОЭП используется сканирование – процесс последовательной, непрерывной или дискретной, выборки значений оптического сигнала. Наиболее часто в ОЭП выполняется преобразование пространственного распределения потока излучения в видеосигнал. Поэтому процесс сканирования в этом случае есть последовательный просмотр сравнительно большого поля обзора малым мгновенным полем.

Важной функцией сканирования является повышение помехозащищенности ОЭП. Действительно, применение малого мгновенного поля зрения при обзоре большого пространства, содержащего малоразмерный объект на фоне помех, безусловно более предпочтительно, чем выполнение той же операции прибором с большим полем зрения.

Сканирующие системы могут быть классифицированы различным образом:

по способу разложения поля обзора (одноэлементное, параллельное, последовательное, комбинирование).
по физической сущности явлений, лежащих в основе работы сканирующей системы (механические, оптико-механические, фотоэлектронные, ультразвуковые и т.д.)
по пространственному признаку (одномерные, двумерные).

При одноэлементном сканировании малое мгновенное поле зрения может быть просмотрено, как показано ниже на рисунке, по самым различным траекториям.

При параллельном сканировании все поле OYLX просматривается одновременно по горизонтальным строкам, например, путем перемещения линейки ФП, ориентированной перпендикулярно направлению сканирования.

При последовательном сканировании линейка ФП ориентирована параллельно направлению сканирования каждую точку пространства просматривают все элементы. Сигналы от них поступают на линию задержки и в сумматор. В этом случае возможно не только осреднение сигнала, но и получение большого разрешения в (n) раз при усложнении электронной схемы и повышении стоимости ОЭП, которые могут быть несопоставимы с достижимым преимуществом.

При параллельно-последовательном сканировании просмотр поля зрения обеспечивается матрицей.

Траектории сканирования при регулярном поиске

В оптико-электронных приборах используются различные траектории сканирования. Вид конкретной траектории определяет прежде всего форму контролируемой области поля обзора (форму растра).

Круглая форма поля образуется осесимметричными траекториями, которые создаются за счет двух составляющих сканирования. Одной из них является вращательное движение с постоянной скоростью, второй – как вращательные, так и колебательные движения.

Прямоугольная форма поля создается двумя колебательными перемещениями, хотя в некоторых случаях используются сочетания вращательного и поступательного движения.

Осесимметрические траектории сканирования могут быть разделены на ряд классов в зависимости от типа слагающих движений и соотношения между их скоростями. При этом различают спиральную и розеточную траектории сканирования.

Траектории сканирования при колебательно-вращательном движении сканирующего поля.

Архимедова спираль образуется, когда за время одного колебания вдоль некоторой оси ОУ последняя совершает несколько оборотов вокруг неподвижной точки О (рис.45).

А-шаг спирали.

Для осмотра поля обзора без (2r) пропусков размер мгновенного поля зрения должен быть равен (а).

Если при колебательно-вращательном движении сканирующего поля за время одного оборота совершается несколько колебаний, то создается розеточная траектория (рис.46, 47,48)




y y

Розеточная траектория характеризуется числом лепестков N, которое определяется угловой скоростью вращения , линейной скоростью и амплитудоколебания r

где

В зависимости от соотношения между r, радиусом поля обзора R, а также направления и начала сканирующего колебания изменяется характер заполнения поля линиями сканирования изменяется.

Траектории сканирования при вращательно-вращательном движении достаточно наглядно представлены на рис. 49-51.

Траектории сканировании при колебательных перемещениях.

Колебательные перемещения сканирующего поля в двух взаимно перпендикулярных направлениях позволяют осуществить так называемую построчную и прогрессивную траекторию сканирования. В этом случае в процессе развертки сканирующее поле (СП) перемещается слева направо и одновременно смещается на ширину строки вниз. Пройдя одну строку, СП быстро перемещается влево и затем процесс повторяется до заполнения кадра –поля обзора. Для получения равномерного движения СП вдоль строки или кадра перемещения его в исходное положение необходимо обеспечить пилообразный закон движения (рис.52). В заключении приведём рис.53, который иллюстрирует некоторые специальные траектории сканирования.

Типы сканирующих устройств

Обычно различают ОЭП с фотоэлектронным сканированием, сканирование электронным лучом, сканирование световым лучом, оптико-механическое сканирование.

Сканирование электронным лучом (СЭЛ)

СЭЛ осуществляется в телевизионных передающих трубках (иконоскоп, супериконоскоп, ортикон, диссектор, видикон и др.).

Большинство современных передающих трубок являются фотоэлектрическими приемниками излучения с внешним фотоэффектом,обладающим достаточной чувствительностью в области длин волн до ~1,2 мкм.

В ряде случаев в качестве фотокатода в трубках используются фоторезистор, т.е.явление внутреннего фотоэффекта, что сдвигает область чувствительности до 2-2,5 мкм.

Рис.47. Розеточная траектория сканирования при колебательно-вращательном движении сканирующего поля

Рис. 48.Траектория сканирования при колебательно-вращательном движении сканирующего поля для rа- спиральная, б- розеточная

Рис.49 Спиральная а) и розеточная б) траектории сканирования при

Вращательно-вращательном движении сканирующего поля при 2r=R

Рис.50 Спиральная траектория для случая 2r

Рис. 51. Розеточная траектория для случая 2r

a
О l X

а)

б )

T пр t обр.

Рис. 52. Построчная или прогрессивная траектория сканирования

Рис.53. Некоторые специальные траетории сканирования: а- гусеница: б – следящая развертка

Наибольшее распространение в автоматических ОЭП получили диссектор и видикон, соответственно системы мгновенного действия с накоплением.

В системах мгновенного действия энергия излучения каждой точки обозреваемого поля преобразуется в сигнал только в течение времени прохождения через неё сканирующего луча. Это время существенно меньше времени обзора всего поля, т.е. здесь не используется возможность накопления энергии.

В системах c накоплением осуществляется суммирование энергии излучаемой данной точкой поля в течении всего времени обзора, что позволяет повысить их чувствительность по сравнению с системами мгновенного действия.

Пояснить работы системы с накоплением удобно на примере устройства иконоскопа.

Фотокатод телевизионной трубки (мишень) можно представить в виде большого количества отдельных, изолированных друг от друга фотоэлементов, соединенных последовательно с источником э.д.с. [(см. рис. 54), R– сопротивление нагрузки, С – распределенная емкость фотокатода].

Под действием излучения одной из точек i поля обзора происходит заряд конденсатора С i фототоком I 3 в течение времени работы ключа К- времени экспозиции.

Системы с накоплением относительно сложны в эксплуатации, требуют стабилизации источников питания и боятся сильных засветок. В связи с этим, несмотря на меньшую чувствительность, в ОЭП широко используются диссекторы.

Диссектор

Его принцип действия заключаетсяв следующем. Полупрозрачный фотокатод (рис.55), на котором проектируется изображение светящегося объекта, испускает внутрь трубки фотоэлектроны в количестве, пропорциональном его освещенности. Образовавшееся электронное изображение переносится с фотокатода к электронному умножителю с помощью электрического и магнитного поля.

Для получения сигналов от всех элементов изображения производится развертка с помощью магнитной системы (5)/ 4- ускоряющее поле/.

Диссекторы выпускаются с различными типами фотокатодов, обеспечивающих чувствительность от УФ до ближней ИК области длин волн.

Видикон (рис.56)

На полупрозрачную сигнальную пластину (металлическую) 1 нанесен слой полупроводника 2. Фотоизображение считывается электронным лучом. Нормальное падение последнего обеспечивается сеткой вблизи сигнальной пластины. Электронный луч, перемещаясь по мишени, оставляет на ней электроны, приводя потенциал участка полупроводника к потенциалу катода. Чем меньше освещенность участка мишени, тем больше сопротивление полупроводника, тем меньше, следовательно, необходимо электронов для компенсации изменения заряда, т.е. считывания рельефа изображения.

Рис.54. Схемы передающей телевизионной трубки с накоплением:

а - принципиальная: б – эквивалентная

Рис.55. Диссектор

Рис.56. Видикон

Сканирование световым лучом

По принципу действия к системам с электронным сканированием близки устройства со сканированием световым лучом. Пример такого устройства –термоэлектронный преобразователь изображения – термикон (рис.57)

Приемная поверхность термикона состоит, в том числе, из очень тонкой ИК чувствительной пленки. С обратной стороны последней наносится специальный фотоэлектрический слой, эффективность которого зависит от температуры. На фотослой проецируется изображение яркого светящегося пятна, движущегося по экрану электронно-лучевой трубки по заданному закону. В зависимости от положения светящегося пятна на фотослое и распределения температуры на поверхности П количество эмитируемых электронов и фототок в цепи кольцевого коллектора изменяется на 2-3% на каждый градус изменения температуры. Изменение фототока усиливается и управляетэлектроннолучевая трубка И2.

Область применения (расширяющаяся) – в МДП структурах. Максимальное разрешение близко 50 линий на кадр при  1.

Оптико-механическое сканирование.

В оптико – механических сканирующих устройствах процесс сканирования осуществляется за счет изменения направления оптической оси ОЭс. При этом общее поле обзора последовательно анализируется мгновенным полем зрения оптической системы. Общая классификация таких устройств приведена на рис.58.

Сканирование может производится за счет движения всей оптической системы прибора или её элементов – зеркал, призм, клиньев, линз, диафрагм. Оптико-механические системы, в которых сканирование осуществляется диафрагмой (щелью) , движущейся в фокальной плоскости иногда называют экранирующими. Широко известный пример – диск Нипкова. Своеобразные методы сканирования используются в системах с волоконной оптикой. Сканирование может осуществляться также путем изменения коэффициента преломления или других оптических свойств материалов, входящих в систему. Сканирование движения всей системы осуществляется в тех случаях, когда возможно использовать перемещение платформы, на которой размещается ОЭС. Для обзора более широкой полосы на местности в таких системах часто используется сканирование по строке. (рис.59).

Сканирование зеркалами: различают сканирование в пространстве предметов (зеркало размещается перед объективом, рис.60) и сканирование в пространстве изображений (используется широкоугольный объектив, обеспечивающий высокое качество изображения по всему полю обзора, зеркало за ним, рис. 61).

Наряду с простым зеркалом в сканирующей системе может использоваться система зеркал, зеркальные призмы, пирамиды и т.д. (рис.62-64). В качестве исполнительных механизмов применяются шаговые двигатели, кулачковые механизмы и т.д.

Рис.57. Принципиальная схема термикона.

^ СКАНИРОВАНИЕ В ПРОСТРАНСТВЕ ПРДМЕТОВ

ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СКАНИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

СКАНИРОВАНИЕ В ПРОСТРАНСТВЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ

^ СКАНИРОВАНИЕ ЗА СЧЕТ ДВИЖЕНИЯ ВСЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

СКАНИРОВАНИЕ ПОДВИЖНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

^ СКАНИРОВАНИЕ ЩЕЛЬЮ, ДВИЖУЩЕЙСЯ В ПЛОСКОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ

СКАНИРОВАНИЕ ЗА СЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВ, ВХОДЯЩИХ В СИСТЕМУ

^ СКАНИРОВАНИЕ В СИСТЕМАХ С ВОЛОКОННОЙ ОПТИКОЙ

Рис. 58. Классификация оптико-механических

Сканирующих устройств

Рис. 59. Однострочное сканирование с движущейся платформы.

Рис. 60.Сканирование в пространстве предметов:

поле зрения; 7 – поле обзора

Рис. 61. Сканирование в пространстве изображений:

сканирующее зеркало; 2 – объектив;3 – диафрагма;

4 – конденсор; 5 – приемник излучения;6 – мгновенное

поле зрения; 7 – поле обзора

Эффективность ОЭП, предназначенных для обзора пространства с неподвижного носителя может быть существенно повышена за счет применения черезстрочной развертки сканирующего луча (рис.65) линейки многоэлементного приемника. Достигаемый результат – уменьшение числа элементов приемника и уменьшение полосы частот коммутационно-усилительного тракта, причем это уменьшение равно m раз, где m = N (числу граней призмы). Недостаток – возможность пропуска цели, именно поэтому ОЭС (платформа) должна быть неподвижна.

Сканирование отверсием в непрозрачном экране - наиболее простой способ сканирования. Классический пример диск Нипкова. Пример этих устройств показан на рис. 66,67. Отверстие в диске Д (рис.66) расположено таким образом, что изображение, ограниченное диафрагмой ДП последовательно анализируется по строкам так, что когда одно отверстие выходит за пределы окна диафрагмы ДП, другое выходит прочерчивая следующую строку. Одна из последних конструкций с указанным механизмом сканирования – тепловизор “Янтарь” (70-е годы, поле обзора 5х4, мгновенное поле зрения 5, частота кадров 25 Гц), которым удалось убеспечить минимально обнаруживаемую разность температур =0,2 – 0,3С.

Зенитный теплопеленгатор - одна из таких (её исллюстрирует рис. 67) проста по конструкции и эффективна. Зеркало (D~1500 мм, f~640 мм) создает изображение точечной цели в плоскости непрозрачной диафрагмы с вырезом, вращаемой двигателем М 2 (М 1 – модулятор). Сигнал запитывает неоновую лампочку Л, которая вращается с частотой диафрагмы М 2 в пределах окружности, удобной для восприятия оператором. Легко видеть, что при условии точной ориентации приемного зеркала на цель, лампочка очерчивает полный круг и вспыхивает в определенном секторена краткие моменты времени при прочих условиях

Сканирование путем управления оптическими свойствами элементов, входящих в систему. Управление осуществляется магнитным или электрическим полем. Известно, например, что такие материалы, как нитробензол, кварц, некоторые кристаллы изменяют показатель преломления n при воздействии электрического поля. Для сканирования можно использовать систему фильтров как на рис.68, выполненных из чередующихся слоев некоторых материалов, например, сульфида цинка и креолита. Такие фильтры пропускают только монохроматическое излучение, длина волны  которых в четыре раза больше толщины l фильтра. Если изготовить фильтр в виде клина и направить на него монохроматическое излучение, то последнее пройдет только в той части, где толщина соответствует четверти длины волны (при условии n  =  /4 ). Введя второй фильтр, развернутый на 90, обеспечим возможность прохождения только той части излучения, которая соответствует участкам фильтров с толщиной 1/4. Подводя к фильтрам напряжение, можно перемещать линии равной толщины и т.о. обеспечить сканирование изображения.

(На рис.68 – ГКР – генератор кадровой и строчной разверток; КФГ, КФВ – клиновые фильтры горизонтальной и вертикальной развертки).

Рис.62. Типы сканирующих зеркал: а - вращающееся двустороннее(двугранное) зеркало; б – зеркало, вращающееся вокруг оси, неперпендикулярной к нему; в – «крест» из зерал 1 и 2; г – зеркало, качающееся в двух плоскостях; д – система из двух вращающихся зеркал; е – два зеркала, вращающихся или качающихся вокруг взаимно перпендикулярных осей; ж – вращающаяся зеркальная N – гранная призма; з – вращающаяся зеркальная N – гранная пирамида.

Рис.63. Сканирующее зеркало в виде многогранной призмы:

Об – объектив; Пр –приемник из М элементов;

З – зеркало с N гранями; НП – направление полета

Рис. 64. Основные принципы сканирования плоскопараллельной пластинкой (призмой): а – ход лучей; б – призма, эквивалентная пластинке толщиной ; в – поле обзора и поворот пластинки при неподвижном приемнике (диафрагме поля).

Рис. 65. Схема сканирования и расположения чувствительных слоев

многоэлементного приемника при чересстрочной развертке.

Рис.66. Система механичесого телевидения с диском Нипкова:

а – приемник излучения большой площади;

б – небольшой приемник и конденсор;

в – сканирующий диск

Рис. 67. Сканирование щелью в зенитном теплопеленгаторе

Рис. 68. Сканирующее устройство с клинообразными фильтрами.

Читайте также

Рисунки к патенту РФ 2524450

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

15.4-16+isp_pages.doc