FUNCIONAMIENTO El proceso que emplean los diferentes escáneres suele ser el mismo: un foco de luz es conducido a lo largo de la superficie a digitalizar.

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1 FUNCIONAMIENTO El proceso que emplean los diferentes escáneres suele ser el mismo: un foco de luz es conducido a lo largo de la superficie a digitalizar y el reflejo es recogido por un dispositivo que transforma la luz en señales eléctricas. Dichas señales son codificadas en forma digital y el flujo de bits resultante es transmitido al ordenador. El dispositivo de adquisición de la imagen, independientemente de la tecnología que utilice, se denomina genéricamente cabeza lectora y en los modelos de sobremesa suele ir montado sobre unos raíles que permiten el movimiento en horizontal mediante un motor paso a paso de una manera precisa. El sensor que más se suele emplear en la cabeza digitalizadora es el CCD, que es un dispositivo electrónico que reacciona ante la luz, se puede considerar un verdadero “ojo electrónico” Funcionamiento de un escáner de sobremesa Una lámpara arroja una luz blanca, brillante y sólida, iluminando una página colocada boca abajo sobre una ventana de cristal [la fuente de luz puede ser una lámpara fluorescente, pero mejor calidad producen las de Xe y las denominadas CCFL (lámparas fluorescentes de cátodo frío)]. La luz se extiende sobre la hoja mediante un sistema de exploración (en algunos escáneres de color puede exigir tres pasadas). Aunque no se le suele dar mucha importancia, la luz influye directamente en la calidad de las imágenes. Aspectos como la correcta intensidad de la luz, su estabilidad o la perfección del color blanco que obtienen, son decisivos en la uniformidad y precisión de los colores de las imágenes escaneadas. Para decidir qué lámpara es mejor se deben tener presentes cuatro aspectos: tamaño, estabilidad –es decir, ausencia de picos y fluctuaciones-, tiempo empleado en encenderse y vida útil. Ocurre que con los métodos de fabricación actuales no es posible reunir en una misma lámpara todas las ventajas. Los fabricantes creen que la más adecuada para escáneres domésticos es la de cátodo caliente y para los profesionales la de tubo de descarga de xenon. Con un motor, el escáner mueve un cabezal lector por debajo de la hoja de papel, que irá capturando la luz reflejada por zonas independientes de la superficie (muy pequeña, aproximadamente 1/ cm2 de superficie) [el motor se suele acompañar de una barra estabilizadora, que actúa de guía e impide la más mínima desviación de la cabeza lectora]. La luz se refleja desde la página a través de un sistema de espejos, que son importantísimos, ya que se encargan de reflejar la imagen hacia el CCD. Estos espejos se moverán a medida que se escanea la imagen gracias a un sistema que los mueve a distinta velocidad para que la distancia focal se mantenga constante, es decir, para mantener los rayos de luz alineados con la lente a una distancia adecuada. [En otros modelos lo que se mueve es la cabeza lectora y los espejos permanecen fijos].

2 La fuente de luz incide sobre la imagen y su reflejo se recoge en una lente que enfoca los rayos luminosos hacia el sensor, que producirá los distintos niveles de voltaje en función de la intensidad de luz que reciben. El tamaño de los fotodiodos en un CCD es muy pequeño, por lo que un sensor de un escáner A4 de 300 ppp puede medir unos 3 o 4 cm; de esta manera se hace necesaria la presencia de una lente de reducción que modifique la anchura del original para que coincida con la longitud del sensor CCD. Sin embargo en los CIS esta lente de reducción no es necesaria, ya que tienen el mismo tamaño que la anchura de la superficie a digitalizar; esto implica que el sensor es más barato; además, sólo se requieren los fotodiodos y las lentes de enfoque, con lo que el grosor del conjunto es mucho más pequeño en un CIS que en un CCD. Por último, un ACD guarda cada lectura de voltaje como un pixel representando matices de colores o grises. La información digital es recogida por el software del ordenador.

3 Funcionamiento El escaneado de una imagen se realiza con el barrido del documento por una fuente luminosa. Las zonas claras reflejan más luz que las partes oscuras. La luz reflejada se envía por un juego de espejos y a través de un objetivo hasta un sensor CCD el cual la convierte en señal eléctrica. En color, el mismo procedimiento es repetido tres veces, o bien son los tres chips o captores CCD los que analizan los tres haces luminosos separados previamente por un prisma y filtros rojos, verdes y azules. Los elementos CCD están colocados en una sola fila de forma que a cada elemento le corresponde un pixel de cada una de las filas de puntos que forman la imagen.

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5 El escáner se sirve de una fuente luminosa que recorre la ventana de exploración e ilumina el motivo a explorar. La luz que va siendo reflejada por éste penetra en una lente que capta y descompone los distintos colores recibidos en sus componentes primarios. Las diferentes reflexiones se conducen a un elemento fotosensible que transforma la energía luminosa en eléctrica. A su vez, ésta es transformada por un convertidor en pulsos binarios, lo que da como resultado un mapa de bits.

6 Lámpara fluorescente

7 Motor paso a paso y cinta de arrastre

8 Barra estabilizadora

9 Sistema de espejos (tres en este caso) y lente (también ampliada)

10 Lente: cuál es su función

11 Sensor CCD lineal

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13 Esquema de bloques de un escáner típico

14 DISPOSITIVOS DE CAPTURA DE IMÁGENES
DISPOSITIVOS DE CAPTURA DE IMÁGENES ▪ Tubo fotomultiplicador (PMT, Photomultiplier tube): utiliza un tubo de vacío por cada color  son más caros y más difíciles de utilizar  reservados para aplicaciones de alto nivel. ▪ Dispositivos de carga acoplada (CCD, Charge-coupled device): sensor de estado sólido que convierte la luz en carga. Aunque el CCD se empleó en los años 60 para almacenar datos, en 1974 la empresa Fairchild crea el primer CCD para imágenes de 100 x 100 píxeles; en años sucesivos su uso se fue extendiendo a cámaras de TV, telescopios y reproducción de imágenes médicas. Hoy en día su empleo es muy corriente en cámaras de fotos, en fax, en cámaras de vídeo. Cada CCD se compone de miles (millones en el caso de algunas cámaras) de células conocidas como fotosensores, que, esencialmente, son diodos sensibles a la intensidad de la luz que convierten la información óptica en una carga eléctrica. Cuando los fotones entran en el silicio del fotosensor, proporcionan suficiente energía para liberar electrones (cuanta más luz entra, más e- se liberan). Cada fotosensor lleva un contacto eléctrico por el cual se extrae una corriente que es proporcional al número de e- liberados; el siguiente paso es reponer estas cargas para que los diodos queden neutros de nuevo. Los fotosensores del CCD en realidad sólo responden a la luz, no al color. Éste se añade a la imagen a través de filtros R, G y B situados encima de cada píxel. Como el CCD simula el ojo humano, la proporción de filtros G es el doble de la de filtros R y B; se adopta una disposición que se denomina patrón de Bayer. En la diapositiva 18 puede verse el resultado de la experiencia efectuada por Maxwell en 1860, que logró obtener la foto en color aplicando filtros B, R y G a la de ByN. Una ventaja del CCD es que su función de transferencia es prácticamente lineal, es decir, que responde proporcionalmente a la intensidad de luz. ▪ Sensor de Contacto de imagen (CIS, Contact Image Sensor): tienen bancos de leds R, G y B; cuando la imagen es explorada, los leds se combinan para proporcionar la luz blanca; esta imagen iluminada se captura entonces por el módulo CIS. El mecanismo completo de leds, lentes y CIS es muy compacto y se mantiene muy próximo al documento explorado  se pueden construir escáneres más delgados (no necesitan luz fluorescente ni espejos) y ligeros y con un menor consumo, pero no proporcionan el mismo nivel de calidad y resolución que los CCD.

15 La captura digital

16 Tubo fotomultiplicador

17 Principio de funcionamiento del PMT

18 Principio de funcionamiento del tubo fotomultiplicador

19 Filtro del fotodetector

20 Principio de funcionamiento del CCD

21 Sensor CCD Patrón de Bayer

22 Tecnología Fujitsu para CCD
La tecnología CCD dista de estar estancada. Fuji ha presentado su tecnología Super CCD, con la que piensa dar un gran salto en la calidad de imagen. La clave es la distribución de píxeles hexagonales en panal de abeja. Esta nueva organización pretende acabar con el ruido que antes suponía un límite a la densidad de fotosensores en un CCD, y proporciona una reproducción del color mejorada, mayor rango dinámico y mejor relación S/N.  

23 SuperCCD (1): mayor densidad de sensores

24 SuperCCD (2): mejor relación sensor / píxel

25 SuperCCD (3): mejor aproximación a la sensibilidad del ojo

26 Sensor CCD tridimensional
Foveon, por su parte, ha creado sensores tridimensionales, empleando tres capas de fotodetectores separados por Si y, aprovechando la particularidad de este elemento para absorber diferentes longitudes de onda según su grosor  se hace llegar a cada capa los colores R, B y G.  

27 Comparación entre un CCD normal y un X3

28 Vista parcial de la barra de leds
Módulo CIS Módulo CIS completo Módulo CIS despiezado: barra de leds, varilla de lentes y placa con sensores Vista parcial de la barra de leds

29 Escáner CIS

30 PARÁMETROS DE CALIDAD DE UN ESCÁNER
▪ La resolución: mide el grado de detalle que puede distinguir, se mide en ppp. Se puede diferenciar: - resolución óptica, que indica el número de CCD existentes en cada pulgada horizontal. [Si el escáner tiene una resolución de 600 ppp y es capaz de capturar documentos de 8,5’ de anchura, el cabezal necesita disponer de CCD]. Este cabezal se monta sobre el soporte móvil que se desplaza a lo largo del documento en intervalos muy pequeños. - resolución horizontal: determinado por el número de CCD en el cabezal - resolución vertical: número de intervalos que se realizan en una pulgada de desplazamiento Esto es teórico y la resolución verdadera viene dada por la capacidad del escáner para detectar los detalles de los objetos, y depende de la calidad de los elementos electrónicos, las lentes, los filtros, el control del motor paso a paso, además de la tasa de muestreo. En la realidad, resolución tiene que ver con el margen dinámico, la fidelidad del color y la nitidez global. - resolución interpolada: utiliza la técnica de la interpolación para conseguir mayor resolución, que emplea métodos tanto hardware como software para adivinar valores intermedios (realiza la media de los colores que rodean al punto) e insertarlos entre los verdaderos; es decir, nos inventamos los puntos que faltan a partir de los existentes. Así se consiguen resoluciones de hasta 9600 ppp, siendo la verdadera como máximo de 600 x 1200.   - resolución de digitalización: es la que selecciona el usuario para cada operación. Su valor oscila entre 75 ppp hasta la máxima interpolada que permita el software que acompañe al escáner. Este valor suele ser idéntico en horizontal y en vertical ya que de otro modo la imagen resultante aparecería deformada. ▪ Profundidad de bit o de color: indica la cantidad de información que se puede recoger por punto digitalizado. Habitualmente se almacena un byte para cada uno de los colores primarios, esta técnica se denomina “color verdadero”. Actualmente existen escáneres de 30 y 36 bits. ▪ Rango dinámico: parámetro similar al anterior; se mide en una escala desde 0.0 hasta el 4.0. La puntuación va a depender de la pureza de la luz con la que se ilumina el papel, de la calidad de los filtros y de cualquier otro ruido eléctrico. Los escáneres habituales tienen una calidad de 2.4; los progesionales, de 2.8 a 3.2 y los de tambor llegan hasta 3.8.

31 Interpolación

32 TÉCNICAS PARA OBTENER EL COLOR
TÉCNICAS PARA OBTENER EL COLOR - Unos escáneres utilizan tres fuentes de luz para cada uno de los colores primarios. Necesitan dar tres pasadas al documento. - Otros tienen un único tubo fluorescente y tres CCD por píxel que filtran la luz (no debemos olvidar lo dicho: que los sensores del escáner no son capaces de distinguir los colores, sólo miden la intensidad de la luz que reciben, por este motivo, antes de que los reflejos luminosos incidan sobre los fotorreceptores, es necesario filtrarlas para que sólo lleguen las componentes cromáticas deseadas); digitalizan la imagen en una sola pasada; a su vez, en este grupo, pueden emplear dos métodos: • pasa la luz a través de un prisma de difracción que descompone la luz en las distintas componentes cromáticas: separa los tres colores primarios, que son leídos entonces por tres CCD distintos. La colocación del cristal se realiza de manera que cada color incide sobre uno de los arrays del sensor. Esta solución es cara pero proporciona colores más precisos.   • la otra técnica, más barata, consiste en la utilización de un sensor divido en tres filas o arrays de fotodiodos, delante de los cuales se colocan los filtros RGB, por lo que es como si existiesen tres sensores diferentes en el mismo CCD o CIS.

33 Algunos métodos de obtención del color

34 OCR El OCR (Reconocimiento Óptico de Caracteres, Optical Character Recognition) permite, de alguna forma, “enseñar a leer al ordenador”. Mediante el software de OCR, el escáner digitaliza el texto incluido en la página e interpreta cada uno de los caracteres y los transforma a un texto normal de cualquier procesador de textos. Los actuales sistemas OCR son capaces de reconocer páginas con varias columnas e imágenes, con muy diversos tipos y tamaños de letras. El OCR es muy útil ya que permite introducir grandes cantidades de texto sin tener que teclearlo. Para que tenga éxito es necesario: - el original debe contener texto (no sirve para nada pasarle una foto) - la resolución de digitalización debe ser la máxima posible - el tipo de color debe ser de 1 bit (B o N) o como mucho, niveles de gris El nivel de aciertos no siempre es del 100%  aparecen errores que es necesario retocar manualmente  suelen contar con asistentes para la búsqueda de palabras dudosas; el usuario interviene interactivamente. Existen varios sistemas de reconocimiento:   • de matriz o coincidencia de patrones: incorporan matrices de 10 o 14 puntos con los caracteres ya almacenados en varios tipos de letra. El texto digitalizado se compara con estos patrones para ver, carácter a carácter, cuál es el que mejor coincide con los patrones almacenados. • de extracción de funciones: intenta reconocer los caracteres identificando sus rasgos más característicos; en el ejemplo, la letra “a” se puede descomponer como un círculo con una barra a la derecha y un arco encima. Cualquier símbolo que tenga estos rasgos se puede identificar con la letra “a”. El éxito de un OCR depende en gran parte de la claridad del original y del tipo de letra empleado.

35 Sistemas de reconocimiento OCR
De coincidencia de patrones De extracción de funciones

36 Componentes básicos de un escáner