Учебно-методические материалы по медицинской информатике и статистике с сайта 1mgmu.com

Это - учебно-методические материалы по медицинской информатике и статистике с сайта 1mgmu.com

6.4.3 Компьютер. Железо и программы. Принтеры, сканеры, цифровые фотоаппараты

Первые принтеры мало отличались от электрической пишущей машинки. В них использовался набор механических шаблонов для печати символов. В каждой позиции строки мог быть напечатан один из символов (или несколько символов поверх друг друга). Для печати шаблон ударял по красящей ленте, расположенной поверх бумаги.
Развитием таких механических принтеров стали АЦПУ (алфавитно-цифровые печатающие устройства). В них имелось не одно механические печатающее устройство, перемещающееся по строке слева направо, а набор неподвижных печатающих устройств, свой для каждой колонки. В результате печаталась не одна буква, а одновременно целая строка.
Такие устройства имели скорость печати в несколько строк в секунду. Так как бумага для печати двигалась достаточно быстро и рывками, то она была достаточно плотная, с перфорацией по обоим краям для ее захвата (примерно так же, как на фото и кинопленке), и сложена в пачки или свернута в рулоны длиной порядка ста метров.
Усовершенствованные и еще более быстрые АЦПУ используются и сейчас, когда нужна быстрая печать большого объема текстовой информации.
Появившиеся далее матричные принтеры были очень похожи на электрические пишущие машинки, но в печатном блоке, перемещавшемся поперек страницы, был набор иголок. Благодаря этому можно было выводить произвольное черно-белое изображение, состоящее из отдельных точек. В первых матричных принтерах было всего 8 иголок, потом их количество было увеличено до 24. Скорость работы матричных принтеров очень невелико – порядка страницы в минуту, качество печати достаточно низкое – с разрешением порядка нескольких точек на миллиметр.
Сейчас такие матричные принтеры используются для надпечатки билетов, квитанций и т.д., где объем печати мал, а высокое качество не обязательно. Плюс такого типа принтеров – возможность печати на стопке из листов, проложенных копировальной бумагой, то есть одновременного получения оригинала и его копий.
С появлением в 90-х годах достаточно дешевых лазерных принтеров стала практически возможна печать с высоким качеством, близким к типографским стандартам.
Технология формирования изображения в лазерных принтерах была отработана в копировальных аппаратах типа XEROX. Его основа – крутящийся валик с селеновым покрытием (похожий на скалку). За время поворота поверхность валика проходит мимо:
1. Элемента, который ее электризует;
2. Оптико-механической системы из неподвижного лазера и поворачивающегося зеркала. Она «обстреливает» лазерным лучом те точки валика, которые должны нанести на бумагу краситель. В этих точках поверхность разогревается, и электризация сбрасывается;
3. Кассеты с красящим порошком (тонером). Так как тонер наэлектризован так же, как и красящий порошок (а одноименно заряженные частицы отталкиваются), то он прилипает к тем частям валика, у которых нет электризации;
4. Листа бумаги, по которому валик прокатывается и на который переносит тонер. Далее бумага разогревается до температуры около 200 градусов, и тонер припекается к ней;
5. Скребка, который отделяет прилипшие частицы тонера и направляет их обратно в кассету с тонером.
В первые годы основным параметром рекламным параметром лазерных принтеров было обеспечиваемое им разрешение при печати . Оно обычно измеряется в количестве точек на дюйм (dpi). Однако (см. предыдущий раздел) на расстоянии до листа в 30 см. угловое расстояние между точками в одну угловую секунду соответствует 300 dpi, поэтому вскоре выяснилось, что при печати текстов, а также других видов векторной графики (черного цвета на белом фоне) повышение разрешения больше 300 dpi малосущественно, а больше 700 dpi на глаз совершенно незаметно даже при внимательном рассматривании.
Современные лазерные принтеры обеспечивают разрешение от 1000 dpi и выше, однако это существенно только при печати полутоновой графики (см. ниже). Для принтеров, закупаемых для печати текстов, больше обращают внимание на скорость и экономичность печати.
С печатью полутоновых изображений есть некоторые дополнительные проблемы. Вначале для такой печати использовали сделанные вручную гравюры. На них переходы цвета изображали при помощи нанесения рядом линий, чем плотнее они были расположены, тем темнее этот участок.

Гравюра Дюрера Гравюра Дюрера

Так как эти линии одновременно показывали и цвет, и форму объекта, то реалистичные изображения получались при достаточно большом расстоянии между линиями, однако для такого способа печати нужна ручная работа и высокое исполнительское мастерство.
Далее для создания полутоновых изображений стали использовать оптико-механические приспособления. Обычно в них изображения разбивались на участки (линии) одного тона, при печати использовались система точек с фиксированным шагом, а изменения тона получали при помощи изменения размера точки (см. следующую картинку).

Количество участков одного тона, на которые разбивается фигура, измеряется в lpi (количество линий на дюйм).
При печати полутоновой графики на компьютерных принтерах используют другой прием – размер печатаемых точек не варьируют, но некоторые из них пропускают. Например, для печати 50%-ного серого тона черные и белые точки ставятся через одну. Обычно для этого используют регулярные шаблоны, например, при печати 50%-ного серого тона точки закрашиваются так же, как поля на шахматной доске.

В зависимости от качества бумаги оптимальное lpi – от 100 (для бумаги газетного качества) до 200 (хорошая плотная бумага). В настройках драйверов лазерных принтеров обычно по умолчанию обычно стоит «грубая графика», рассчитанная на низкое lpi. Повышение lpi выше оптимальной приводит к потере качества – полутоновые переходы сливаются.
При печати точками фиксированного размера соотношение lpi и dpi задает количество возможных градаций яркости. Например, если для того, чтобы напечатать одну «большую точку» серого цвета используется квадратный набор маленьких черных и белых точек размера 10 на 10, то количество черных точек в наборе может меняться от 0 до 100, то есть имеется 101 градация яркости.
В общем случае количество градаций яркости равно (dpi/lpi)2+1. Так как для полутонового рисунка с максимальным качеством нужно несколько сотен градаций яркости (см. «формы представления информации»), то даже при использовании принтеров с разрешением 2000 dpi приходится жертвовать либо уменьшением количества промежуточных полутонов, либо снижением lpi, из-за чего фигуры становятся с зубчатыми краями.
Обычно в полиграфии на недостаточно большое количество полутоновых переходов не обращают внимания, так как человеческий мозг не просто пассивно воспринимает зрительную информацию, а осмысливает и опознает ее. Если изображение предмета опознается, то мы видим уже не столько его грубое изображение предмета, сколько его самого. При этом грубые переходу полутонов мысленно сглаживаются, и нам кажется, что изображение более высокого качества, чем есть на самом деле.
Если речь идет об использовании изображений в медицине, то нельзя подталкивать врача к домысливанию изображения, при котором он будет видеть не столько то, что реально изображено, сколько то, на что это может быть похоже. Поэтому печать рентгенограмм, изображений, полученных при помощи УЗИ и т.д. должны быть значительно более высокого качества, чем обычно считается допустимым в полиграфии.
Большинство лазерных принтеров рассчитаны на печать на бумаге стандартного размера А4 (210 на 297 миллиметров). Лазерные принтеры, предназначенные для печати на бумаге больших форматов, существенно дороже (из-за увеличения цены на селеновые валики большей длины). Предлагаемые модели лазерных принтеров существенно различаются в зависимости от объема печати, на которую они рассчитаны. Общая тенденция следующая: более производительные модели печатают быстрее, имеют большие размеры, стоят дороже, но стоимость красящего порошка на один распечатанный лист у них ниже.
Для большинства медицинских учреждений характерна печать не очень больших объемов, поэтому для них целесообразно покупать лазерные принтеры класса SOHO (small office – home office) – малошумящие настольные устройства стоимостью порядка 100$-200$, обеспечивающую печать со скоростью от нескольких до десяти страниц в минуту.
Заметно более дорогие устройства – лазерные принтеры, которые за счет печати порошками трех или более разных цветов создают цветные изображения. Сейчас при использовании цветных лазерных принтеров обычно используется вариант печати в три прохода – на одном листе последовательно печатается красный, синий и зеленый слой, однако есть и модели, печатающие в один проход, у которых на валике наносятся красители всех трех цветов.
Другая наиболее часто используемая технология печати – струйная печать. В них двигающаяся поперек листа печатающая головка имеет отверстия, через которые вылетают маленькие капли чернил. Для этого в печатающей головке имеется набор сопел (сейчас для ускорения печати используются варианты с сотнями сопел). Рядом с каждым соплом внутри устройства подачи чернилам расположен или пьезоэлемент, или термоэлемент. В первом случае при подаче разряда тока пластинка пьезоэлемента сокращается, и капля чернил вылетает из сопла. Во втором толчок к выбросу капли дает «вскипание» чернил у термоэлемента.
Так как капли чернил разного цвета частично смешиваются, то изложенные выше соображения о различии между разрешениями lpi и dpi сохраняются не в полном объеме. Достаточно качественная печать получается уже при разрешении 300 dpi. Современные модели работают с более высокими разрешениями, поэтому качество цветной печати у цветных струйных принтеров зависит от особенностей конкретной модели. Для ее повышения используются некоторые ухищрения. Например, в некоторых моделях варьирует размер вылетающей капли; могут использоваться набор не только из чернильниц с чернилами красного, синего и зеленого цвета, но и дополнительные чернильницы с красителями других цветов, например, матовым черным или светлыми вариантами основных тонов.
Качество изображения также ограничивается выбором бумаги, которая ля качественной печати должна быть специальная, соответствующая типу используемых чернил и достаточно сложно приготовленная.
При печати на обычной бумаге круглая капля чернил расплывается и теряет правильную форму, что приводит к заметному ухудшению качества изображения. Если бумага слишком гигроскопичная, то чернила расплываются, если слишком плотная – смазываются.
В фотобумаге для струйных принтеров собственно бумага составляет лишь механическую опору. Впитывание чернил и его удерживание обеспечивает расположенный поверх бумажной основы гелевый слой. Сверху гелевый слой покрыт пористой защитной пленкой, которая, с одной стороны, обеспечивает проникновение чернил вглубь и выход пара при высыхании чернил наружу, а, с другой стороны, не дает влаге, кислороду и ультрафиолету проникать в гелевый слой и портить изображение. Снизу бумажная основа также закрывается защитной пленкой, препятствующей слипанию листов и проникновению в них чернил, когда они лежат в стопке. Благодаря этому отпечатки водостойки и медленно выцветают.
Стоимость струйных принтеров ниже, чем лазерных, но стоимость расходуемых материалов при печати черно-белых текстов выше, даже если в принтере имеется дополнительная чернильница с черными чернилами. Кроме того, перед началом печати чернила расходуются на промывку отверстий в печатающей головке. Поэтому при небольшом объеме печати экономнее не печатать каждый документ сразу, а подготовить их набор для печати единым набором. Если нужно только печатать черно-белые тексты, то дешевле пользоваться лазерным принтером, однако если есть струйный принтер то нужно пользоваться им, так как после распечатывания чернильниц чернила высохнут и в том случае, если им не пользуются.
Для большинства офисных вариантов печати оптимальны черно-белые лазерные или цветные струйные принтеры, но имеется большое количество других технологий черно-белой и цветной печати, к которым можно обращаться в случае каких-то специальных требований.
Процедуру, обратную к печати, выполняют сканеры. Они переводят изображение с бумаги или других носителей в растровую графику.
Наиболее распространены в настоящее время планшетные сканеры. Офисные модели, позволяющие обрабатывать лист бумаги формата А4 за время порядка минуты и имеющие максимальное разрешение больше 1000 dpi, стоит порядка 100$. В них лист бумаги кладется на стекло, потом под ним проезжает планка с набором фотоэлементов, считывающих с бумаги интенсивность закраски отдельных точек. Ранее использовались трехпроходные цветные сканеры, которые отдельно сканировали изображение при красном, синем и зеленом изображении, а потом накладывали цвета. Сейчас используют более быстрые однопроходные цветные сканеры.
Скорость сканирования зависит как от размера обрабатываемого участка листа, так и от выставленного разрешения – чем оно больше, тем медленнее сканирование. Так как часто нужно сканировать не весь лист, а его некоторую часть, то обычно вначале быстро сканируют весь лист с очень низким разрешением, а потом указывают нужную область и повторно сканируют с нужным разрешением.
Сканеры используются обычно для двух разных типов работ:
1. Считывания текста с его последующим распознаванием,
2. Считывания изображений.
При распознавании изображений текста специальные программы сравнивают фрагменты изображения с имеющимися заготовками изображений букв и других знаков и, таким образом, переводят изображение текста обратно в текст. Опыт показал, что повышение разрешения выше 300 dpi уже практически не повышает качества распознавания, а лишь замедляет работу. Также не нужно работать с текстом как с цветным изображением, достаточно задать его как черно-белый или, в крайнем случае, как градации серого. Однако для улучшения качества распознавания иногда нужно повысить или понизить яркость изображения, что можно сделать в настройках драйвера сканера.
При считывании изображений увеличение разрешения позволяет увеличить размер его распечатки без потери качества. Например, отсканировав рисунок 5 на 5 см с разрешением 800 dpi, можно его распечатать в размере 10 на 10 см. с разрешением 400 dpi.
Возможность такого увеличения необходима, например, если исходное изображение – не фотография, а его изображение на фотопленке.
Близки к сканерам такие устройства, как цифровые фотоаппараты. В зависимости от типа считывания информации они делятся на фотоаппараты с линейкой фотоэлементов и фотоаппараты с матрицей фотоэлементов.
Для получения цветных изображений используются следующие технологии:
1. Деление светового потока на три части при помощи призмы, затем каждый из них приходит через цветной фильтр красного, синего или зеленого цвета;
2. Рядом располагаются отдельные ячейки для фиксации красного, зеленого и синего цвета. В фотоаппаратах с матрицей для этого в гнезде размером 2 на 2 ячейки помещают по одной ячейке на красный и синий цвет и две для зеленого (так как оттенки зеленого глаз человека распознает лучше).
Отрабатывается также технология, основанная на том, что глубина проникновения света в полупрозрачные среды зависит от длины волны.
Для съемки неподвижных изображений могут использоваться фотоаппараты с линейкой фотоэлементов. В них изображение проецируется на стекло, а его считывание происходит так же, как и в планшетных сканерах. Это позволяет получать изображение в десятки и сотни миллионов точек, но сами фотоаппараты громоздки и медлительны.
В значительно более массовых цифровых фотоаппаратах с матрицей фотоэлементов общее устройство похоже на пленочные фотоаппараты, в частности, у них также выделяются зеркальные фотоаппараты (Несмотря на похожесть конструкции корпуса и оптической системы есть и различия. В частности, матрица фотоэлементов имеет меньшие размеры, чем рабочая зона фотопленки, поэтому объективы от пленочных фотокамер не подходят для цифровых). Однако для фиксации изображения используется не фотопленка, а прямоугольный набор фотоэлементов.
В настоящий момент основной параметр, рекламируемый при продаже цифровых фотоаппаратов – количество точек в матрице, однако это уже не является критическим параметров, определяющим качество снимка. Как обсуждалось выше, для получения качественного изображения на листе А4 достаточно 10 миллионов точек. Поэтому для фотографий размером 10 на 15 см. достаточно 5 миллионов точек, дальнейшее увеличение разрешение для глаза человека уже незаметно. Для разрешения от 5 миллионов точек и выше качество изображения в большей мере определятся уже качеством оптики, размером матрицы, наличием систем компенсации смазывания изображения из-за дрожания рук (если съемка ведется не с упора) и т.д.
Цифровые фотоаппараты могут снимать не только фотографии, но и производить видеосьемку. Однако, так как видеосъемка дает большой поток информации (см. раздел «формы представления информации»), то современные цифровые фотоаппараты ведут съемку с достаточно невысокого качества – с количеством точек порядка 100 тысяч, часто уменьшенным количеством кадров в секунду и относительно небольшими фрагментами – до нескольких минут или десятков минут, в зависимости от объема используемой оперативной памяти. Зеркальные цифровые фотоаппараты хотя и дают изображение более высокого качества, но медлительны, и из-за этого видеосъемку вести не могут.
Цифровые видеокамеры можно рассматривать как разновидность цифрового фотоаппарата. Сейчас они имеют матрицу с меньшим количеством элементов (порядка миллиона или меньше), однако оптимизованы под запись потока информации большого объема и позволяют получить видео телевизионного качества. В общем, цифровые фотоаппараты делают хорошие снимки и плохое видео, а видеокамеры – хорошее видео и плохие фотографии.
При съемке цифровым фотоаппаратом изображения с листа бумаги изображение оказывается более низкого качества, чем при сканировании планшетным сканером, за счет следующего:
1. Световой поток не попадает прямо на фотоэлемент, а проходит достаточно длинный и сложный путь через оптическую систему, что неизбежно приводит к искажениям;
2. Изображение подвергается искажениям перспективы, из-за чего прямые линии становятся кривыми. Это особенно выражено именно при пересъемке изображений с бумаги, так как при этом съемка происходит с близкого расстояния;
3. Разрешающая способность сканеров выше.
Однако 5 миллионов точек соответствуют сканированию листа А4 с разрешением 200 dpi, что вполне пригодно для распознавания текста, а другие искажения не очень влияют на эффективность распознавания хорошо напечатанных текстов. Поэтому в последние годы для распознавания текста их часто не сканируют, а переснимают, что несравненно быстрее.

Оглавление раздела нижнего уровня
Оглавление раздела верхнего уровня
ОГЛАВЛЕНИЕ ОГЛАВЛЕНИЙ

НА ГЛАВНУЮ СТРАНИЦУ САЙТА

Материалы используются на Едином Образовательном Пространстве Первого московского государственного медуниверситета им. И.М. Сеченова