Текст книги "Секреты сканирования на ПК"

Глава 2.
Обработка сканированных изображений для использования в различных системах САПР и ГИС

Векторизация есть процесс, требующий обязательного участия человека, поскольку только человек, глядя на черные и белые точки на экране (а результат сканирования – это черные и белые точки), может окончательно решить, что является дорогой, что рекой, что взлетно-посадочной полосой, а что отдельно стоящим домом. Любой самый умный векторизатор является только инструментом, который позволяет быстро генерировать по группам черных точек линии, окружности, тексты, а не рисовать все это заново, как это делается с использованием дигитайзеров. При векторизации оператор должен разбираться в предметной области и понимать, что собственно он векторизует – машиностроительный чертеж, карту или электрическую схему, иначе количество ошибок может оказаться слишком большим.

Кроме процесса векторизации, надо выделить процесс подготовки отсканированного материала к дальнейшей работе. Сюда входит процесс чистки грязи (мелких пятнышек, почти неизбежно появляющихся в процессе сканирования), повороты на малые углы (требующиеся в результате перекоса бумаги), линейная и нелинейная калибровки растрового изображения (требующиеся при деформациях бумаги), различные алгоритмы фильтрации – утоныпение и утолщение линий, разделение близко стоящих линий.

Заметим, что в результате этого процесса получается довольно качественное растровое изображение, которое вполне может быть помещено в электронный архив. Легенда о больших объемах растровых изображений не выдерживает критики. Современные форматы хранения монохромных растровых документов (вчастности, TIFF Groupe IV) настолько плотны, что вполне сравнимы по объемам с векторными форматами. Это не касается цветных форматов, которые достаточно объемны.

И еще одно замечание. Существуют гибридные методы работы с растровыми документами, когда пользователь одновременно работает и с растровым, и с векторным изображением, наложенными друг на друга, и может их одновременно видеть, масштабировать, редактировать, выводить на твердую копию. Когда вам на плане этажа формата АО надо перепланировать одну комнату (скажем, 5%), подумайте, надо ли вам векторизовать весь план. Или же проще перерисовать 5% и вывести все вместе на плоттер.

Фактически все программные средства, обеспечивающие создание электронных архивов и все системы документооборота, имеют встроенные средства (или позволяют подключить внешние) для работы со сканированными документами в самых разнообразных форматах. О важности этого также говорит тот факт, что AutoCAD имеет встроенные средства для работы со сканированными изображениями и гибридной графикой.

Во-вторых, произошел серьезнейший сдвиг в отношении цветных сканированных изображений. С одной стороны, их объемы остаются очень большими, но развитие технических средств уже позволяет нормально с ними работать. Сдругой стороны, для многих промышленных применений цветные сканированные изображения по-прежнему не нужны. С третьей стороны, крупноформатные промышленные сканеры стоят очень дорого, но сканеры формата А4 уже распространены повсюду. Так или иначе, но сегодня фактически все пакеты, имеющие отношение к рассматриваемой тематике, обеспечивают работу с цветными сканированными изображениями, по крайней мере как с фоновой подложкой. Это касается и AutoCAD, и целого ряда программ просмотра документов, входящих в состав электронных архивов, и пакетов обработки сканированных изображений.

Кроме того, родилась технология автоматического разделения по слоям цветных сканированных изображений по критерию цвета и работы с каждым цветом в дальнейшем как с монохромным изображением. Эта технология, видимо, будет иметь очень большие перспективы при доведении ее до практического применения, особенно в картографии, ГИС и обработке цветных чертежей (правда, вРоссии их фактически нет).

В-третьих, уже упоминавшаяся технология гибридной работы со сканированными документами (в первую очередь чертежами) становится стандартом при обработке накопленных архивов чертежей. Используя сканирование, уже упоминавшуюся технологию подготовки растрового чертежа, гибридное редактирование и вывод на струйный плоттер, можно фактически по мятой, жеваной синьке в приемлемые сроки восстановить «белок» чертежа, при этом гарантированно не потеряв информации, которая легко может быть потеряна при повальной векторизации или «сколки» чертежа заново.

Лидером среди программных средств в этой области по-прежнему является комплекс программ компании Consistent Software, имеющий общее название Raster ARTS. В него входят следующие программы:

• SpotLIGHT и SpotLIGHT PRO.

• Vectory.

• RasterDESK и RASTERDESK PRO.

• RasterDESK LT и RASTERDESK LT PRO.

Идеологически все эти программы очень близки и отличаются средой функционирования и функциональной наполненностью:

• Spotlight, Spotlight Pro и Vectory являются независимыми программами и функционируют в среде Windows.

• Rasterdesk и Rasterdesk PRO функционируют в среде AutoCAD в Windows.

• Rasterdesk LT и Rasterdesk LT PRO функционируют в среде AutoCAD LT.

По функциональной насыщенности программы подразделяются следующим образом:

• Spotlight, RasterDESK и RasterDESK LT обеспечивают работу срастровыми файлами (калибровка, фильтрация, чистка файла иредактирование), трассировку и ручную векторизацию, преобразование векторных данных в растровые.

• Vectory обеспечивает автоматизированную векторизацию растровых графических документов, включая распознавание различных графических объектов (отрезки, дуги, полилинии, размерные линии, линии разных типов), текстов и поддерживает достаточно тонкую настройку алгоритмов распознавания.

• Spotlight PRO, RasterDESK PRO и RasterDESK LT PRO дополнительно обеспечивают алгоритмы автоматизированной векторизации и Color-процессор для «расслоевки» цветных растровых изображений на монохромные.

Теперь подробнее рассмотрим, что нового с функциональной точки зрения включено в программы серии RASTER ARTS.

Новые возможности:

Растровые слои

• Объектные методы растровой селекции.

• Color Image Processor для «расслаивания» цветных изображений.

• Библиотеки растровой, векторной и гибридной графики.

• Улучшенные алгоритмы векторизации.

• Распознавание текста.

• Поддержка TWAIN-сканеров.

Возможности растрового редактирования

• Выбор растровых данных, аналогичный выбору векторных объектов AutoCAD.

• Сохранение любой части растрового изображения в отдельный файл.

• Вращение, масштабирование, перемещение, удаление, выравнивание и дублирование фрагментов растрового изображения.

• Рисование и стирание точек с заданной толщиной.

• Поворот растрового изображения с целью горизонтального или вертикального выравнивания растровых объектов.

• Удаление малоразмерных растровых объектов – растрового «мусора» и заливка отверстий в растровых линиях с автоматической оценкой размера «мусора» и отверстий.

• Фильтрация растрового изображения с использованием различных видов матричных фильтров: медианного, утоныпающего, утолщающего, инверсного.

• Новая процедура калибровки растрового изображения сиспользованием набора методов трансформации.

• Создание библиотек растровой графики.

• Копирование и вставка неограниченного числа фрагментов растровой графики с использованием одновременно нескольких библиотек RasterDesk.

• Растеризация векторных объектов.

Возможности интерактивной векторизации (трассировки)

• Трассировка отрезков, дуг и кругов с автоматическим определением типа объекта.

• Трассировка растровых объектов заданного типа (по шаблону).

• Трассировка штриховок.

• Трассировка произвольных растровых кривых полилиниями (Linefollow).

• В процессе трассировки имеется возможность:

• Округлить толщины векторных объектов по заданным значениям;

• Разнести создаваемые векторные объекты различной толщины по слоям AutoCAD;

• Игнорировать разрывы линий и дуг растрового изображения.

Возможности автоматической векторизации (только в Pro версии)

• Распознавание отрезков, кругов, дуг и штриховок.

• Распознавание текстов (OCR).

• Возможность обучения OCR распознаванию новых символов.

• Аппроксимация произвольных кривых полилиниями.

• Аппроксимация контуров площадных растровых объектов.

• Распознавание типа линии объектов.

• Распознавание стрелок на отрезках и дугах.

• Возможность принудительного выравнивания прямых линий к правильным углам.

• Округление толщин векторных объектов по заданным значениям.

• Возможность игнорировать при векторизации разрывы линий и дуг растрового изображения.

• Автоматическая коррекция результатов распознавания: сопряжение дуг и отрезков, сведение концов векторных объектов.

• Возможность отдельно векторизовать участок растрового изображения произвольной формы.

• Настройка распознавания с использованием стандартных наборов параметров.

Наиболее полнофункциональным средством остается SpotLIGHT PRO nRasterDESK PRO. Пакет RasterDESK LT PRO является наиболее выгодным средством для пользователей, достаточно регулярно работающих с растровой промышленной графикой.

Около семидесяти процентов мирового рынка занято широкоформатными сканерами производства CalComp, Contex, Vidar. Заметим, что сканеры CalComp и Contex отличаются друг от друга только торговыми марками. До последнего времени основные модели CalComp и Vidar имели схожие внешние спецификации и одинаковые на российском рынке цены. Такое сходство цен определяется не западными поставщиками, а политикой российского дистрибьютера Consistent Software. У CalComp имеются модели с разрешением 1000 dpi и выше, у Vidar – TruScan Flash с разрешением 1600 dpi, однако не совсем понятна «экологическая» ниша этих моделей, поскольку сканирование чертежей не требует высокого разрешения, картографов обычно удовлетворяет разрешение 400-800 dpi, для обработки результатов аэрофотосъемки разрешения TruScan Flash или подобных моделей CalComp все равно недостаточно. Отметим также модель CalComp S3-300, с разрешением 300 dpi, наиболее дешевую до последнего времени, но не достаточную даже для «грязных» чертежей.

Существует ряд критериев, по которым разумно производить выбор сканера для САПР и ГИС:

• во-первых, сканер должен быть широкоформатным – для работы сболыпими чертежами (можно использовать сканеры меньших форматов – А4, A3, но в этом случае придется решать сложную задачу соединения отдельных сканированных фрагментов документа в единое целое, что требует специального программного обеспечения, высоких профессиональных навыков оператора и значительного времени. Таким образом, экономия средств на широкоформатном сканере оборачивается потерями производительности и качества полученных электронных документов, что, в конечном итоге, значительно перекрывает стоимость такого сканера);

• во-вторых, давать минимальную погрешность в размерах получаемого изображения по отношению к исходному, что очень важно при использовании размеров на электронном документе для различных расчетов;

• в-третьих, иметь встроенные программно-аппаратные средства для улучшения качества получаемого изображения – автоматическую очистку изображения от неравномерности фона («грязи») исходного бумажного документа, повышение яркости иконтрастности изображения;

• в-четвертых, разрешающая способность должна быть достаточной для получения высококачественных твердых копий документов по их изображениям;

• в-пятых, сканер должен одинаково хорошо работать с документами на различных типах носителей – бумага тонкая и «толстая», калька, лавсановая пленка;

• в-шестых, качество носителя не должно решающим образом влиять на качество получаемого изображения;

• в-седьмых, производительность сканера должна быть достаточно высокой при приемлемом качестве изображения;

• в-восьмых, установка носителя в сканере должна быть максимально простой и исключать ошибки при сканировании из-за неправильной заправки носителя.

В результате непосредственного сравнения и проведения ряда тестов смоделями Contex FS-32600 (CalComp S3-600) и Vidar TruScan 600 были сделаны следующие выводы:

• Contex дает большую погрешность при сканировании (отметим, что в подавляющем большинстве случаев вполне приемлемую);

• Vidar TruScan дает возможность сканировать более тонкие, толстые и ветхие носители, что достигается прямым трактом протяжки носителя и большим зазором (0,75 мм у Contex и 2 мм у Vidar).

Остальные параметры Contex FS и Vidar TruScan мало отличаются друг отдруга.

За последнее время у Vidar появилась модель Vidar TruScan Select. Это первый в мире широкоформатный сканер имеющий возможность модификации (Upgrade). Базовая модель TruScan Select имеет оптическую (она же и программная) разрешающую способность 400 dpi и возможность расширения до 600 и 800 dpi. Vidar TruScan Select обладает некоторыми другими новыми и весьма ценными свойствами: появилась новая модификация с зазором 3 мм, позволяющая сканировать толстые материалы, например дюралюминиевые планшеты, применяемые в картографии; увеличилась скорость сканирования.

Глава 3.
Обработка сканированных изображений для использования в различных ГИС

• Обработка цветных и полутоновых сканированных изображений в промышленных секторах рынка занимает весьма малый процент в общем объеме запросов на обработку сканированных изображений (не более 5-8%). Это замечание, естественно, не касается автоматизации издательских и полиграфических работ, но этот сектор рынка не лежит в сфере интересов САПР и ГИС. Отметим некоторые особенности задач обработки цветных и полутоновых сканированных изображений: очень высокая стоимость промышленных цветных сканеров; высокие требования к объемам памяти – формат А4 с 256 градациями цвета и разрешением 300 точек на дюйм по самым скромным оценкам занимает 8,5 Мбайт, а для нормальной обработки требуется много больше;

• Ограниченный набор функций по их векторизации и невысокая их надежность.

Комплексы программ для обработки монохромных сканированных изображений занимают до 95% этого сектора рынка.

Одной из таких программ является CAD Overlay, появившаяся еще в 1990 году. Несмотря на очень слабые функциональные возможности, в те времена это была единственная доступная программа в этом секторе рынка.

Большим шагом в развитие этой программы стало появление CAD Overlay ESP, в которую были внесены возможность редактирования растрового изображения, вывод гибридного (то есть совместного растрового и векторного) изображения на твердые копии и функция «Разумный растр».

Под этим названием скрывается механизм «растровой» привязки, аналогичный механизму объектной привязки в AutoCAD, возможность автоматического стирания растровых объектов, поверх которых происходит рисование векторных примитивов и «растеризация» (то есть перевод в растровый вид) векторных примитивов. Из всего вышеперечисленного принципиальное значение имеет только «Растровая привязка». Стирание растровых объектов производится некорректно, поскольку при этом используется некоторая «средняя» толщина линии, ане производится анализ связной растровой области. В результате этого после стирания остаются растровые «ошметки», которые надо удалять вручную. «Растеризация» векторных примитивов является побочным эффектом гибридной технологии и особого интереса не представляет.

Наибольшим достижением CAD Overlay ESP явилась гибридная работа, позволяющая не проводить векторизацию неизмененных областей чертежей и карт. CAD Overlay ESP функционирует в среде AutoCAD, что сделало его популярным среди пользователей. В то же время, жесткая привязка CAD Overlay ESP к AutoCAD сужает применимость данной системы.

Отметим, что с момента выхода CAD Overlay

ESP под маркой IMAGE Systems и до настоящего времени (сегодня CAD Overlay ESP распространяется под маркой SOFTDESK) никакого существенного развития функциональных возможностей, к сожалению, не произошло. Появившийся недавно пакет CAD

Overlay LFX, предназначенный для автоматизированной трассировки линий, путается в двух пересекающихся линиях и никакой критики не выдерживает.

• Был проведен анализ программ обработки сканированных изображений, предлагаемых сегодня на российском рынке. В качестве основных критериев выбора использовались: способность программ работать с большими объемами растровых изображений с приемлемым временем реакции; способность программ работать с современными форматами, обеспечивающими максимальное компрессирование изображений, в частности с форматом TIFF Group 4, обеспечивающим по нашим экспериментам максимальное сжатие; максимальную функциональную полноту рассматриваемых программ – подготовка растрового изображения, трассировка, автоматическая векторизация, гибридное редактирование; использование современных технологий программирования иработы с расширенной памятью компьютера.

Проводился анализ следующих программ: CAD Overlay Classic, CAD Overlay ESP, ВЕКТОР, BEKTOMETP, EASE-TRACE, SpotLight, Vertory, SpotLight PRO и ряд других. Пакеты Rastation R2V и RxVectory, RAStation EDIT и RxSpotLight, фактически являются OEM-продуктами компании Consistent Software, что свидетельствует о высоком качестве и международном признании этих программ. Весь анализ проводился на базе картографических материалов в масштабе 1:2000.

Большинство российских разработчиков не в состоянии работать с большими объемами информации (в основном это связано с тем, что программы не используют «верхнюю» память) и современными форматами хранения растровых данных.

Наиболее функционально полон пакет SpotLight/PRO, несомненно являющийся лидером среди всех рассматриваемых пакетов. SpotLight/PRO реализован как 32-разрядный пакет, функционирующий в среде Windows, что делает его независимым от применяемой пользователем ГИС или CAD-системы. Пакеты SpotLight и Vectory, из которых, собственно, и родился SpotLight/PRO, фактически являются функционально урезанными частями, в первом из которых акцентирована работа с растровыми изображениями и трассировка, а во втором делается акцент на автоматическую векторизацию.

• Рассмотрим возможности пакета SpotLight/PRO. Все его характеристики можно условно классифицировать следующим образом: чтение и подготовка сканированного растрового изображения; редактирование растрового изображения; автоматизированная трассировка растрового изображения; автоматическая векторизация растрового изображения; редактирование векторного изображения; запись растрового и векторного изображений; оперативные возможности.

Чтение и подготовка сканированного растрового изображения

SpotLight/Pro позволяет работать со следующими растровыми форматами: RLC, TIFF разных форматов, включая CCITT Group 4, PCX, CALS, BMP, RLP. После проведения сканирования бумажного материала обычно необходимо подготовить растровое изображение к дальнейшей работе. В это понятие включается: удаление малоразмерных растровых объектов – «мусора», поворот (в том числе и на малые углы – до 10 градусов), масштабирование по одной или обеим осям, линейные и нелинейные трансформации растрового изображения (довольно редкая для этого класса программ возможность), фильтрация растрового изображения (например, для разделения сливающихся линий, удаления разрывов). Заметим, что все эти действия могут быть применены как для всего изображения, так и для отдельных его фрагментов.

Редактирование растрового изображения

Редактирование растрового изображения включает в себя рисование и стирание с заданной шириной пера и/или резинки, выбор фрагмента прямоугольной и/или произвольной многоугольной формы и операции с ними – копирование, перенос, «растеризация» векторного фрагмента – то есть запись его в растровое изображение.

Автоматизированная трассировка растрового изображения

Эта возможность позволяет пользователю производить «автоматизированную» векторизацию растровых объектов – пользователь указывает на объект и SpotLight/PRO пытается его автоматически трассировать. Например, при трассировке полилиний программа останавливается, наткнувшись на неразрешаемое пересечение или разрыв линии, и запрашивает пользователя о дальнейших действиях. Возможна трассировка отрезков, дуг, окружностей, штриховок, полилиний. При трассировке можно задавать округление ширин растровых объектов кзаданным значениям и величину игнорируемого разрыва линий и дуг. Также возможно автоматическое удаление оттрассированных растровых объектов (удаляются связные растровые области).

Автоматическая векторизация растрового изображения

Качество векторизации определяется количеством распознаваемых растровых объектов. SpotLight/Pro автоматически распознает отрезки, окружности, дуги, полилинии, контура площадных растровых объектов, различные типы линий, стрелки на отрезках и дугах. При этом можно задать размеры игнорируемых разрывов линий и дуг, округление ширин к заданным величинам. Автоматически производится локализация растровых текстов, коррекция результатов распознавания – сопряжение дуг и отрезков, сведение концов векторных объектов, выравнивание отрезков прямых к правильным углам. В SpotLight/Pro реализована процедура поиска растровых объектов по образцу, которая позволяет удалять и заменять произвольные растровые объекты на векторные символы. Тексты могут быть векторизованы обводными линиями, линиями по центру либо не векторизованы вообще. Возможно маскирование текстовых и других объектов, не подлежащих векторизации.

Редактирование векторного изображения

Эта возможность включает рисование отрезков, окружностей, дуг, полилиний, полимаркеров, создание текстов с использованием шрифтов AutoCAD и/или TrueType-шрифтов, вставка форм AutoCAD, использование линий различных типов, удаление, растягивание, перенос и поворот объектов, использование объектной и растровой привязки, точная коррекция параметров векторных объектов, размещение векторных объектов по слоям в зависимости от ширины.

Запись растрового и векторного изображения

Отредактированный растровый файл может быть записан в любой из вышеперечисленных растровых форматов, векторный файл может быть сохранен в любом из следующих форматов: DXB, DXF, DWG (AutoCAD), форматы CADDY (ASC и PIC) и собственный формат VC4 (поставляется приложение к AutoCAD, обеспечивающее работу с этим форматом).

Оперативные возможности

В эту группу входят возможность сборки растрового изображения из различных файлов, возможность разбивки растрового изображения на файлы, работа с растровыми, векторными и гибридными фрагментами, возможность пакетной векторизации и фильтрации растровых файлов, средство «птичий глаз», настройка векторизации с использованием стандартных наборов параметров, выбор пользовательской системы координат, а также возможность вывода гибридных изображений на твердые копии.

Аппаратура

Кроме проблемы выбора ПО для обработки сканированных изображений, у пользователей обычно стоит и проблема выбора оборудования для сканирования чертежей. Когда решается задача выбора оборудования, всегда ищется некий оптимум между приемлемой ценой и функциональностью приобретаемого оборудования. Самый дешевый вариант – купить монохромный сканер формата А4. Сканируемый материал разбивается на части, а затем «склеивается». Такой вариант может быть использован в учебных целях, однако на практике при большом объеме сканируемого материала трудозатраты на склеивание и устранение возникающих при этом искажений сделают процесс нереализуемым.

На первый взгляд заманчиво выглядит вариант приобретения плоттера со сканирующей головкой (СГ). СГ устанавливается на перьевые плоттеры DMP и HiPlot, производства SummaGraphics, вместо пишущего узла. Применение СГ имеет ряд существенных недостатков, доставшихся по наследству от плоттера. Эти плотеры весьма требователены к бумажному носителю, а сканируемый материал чаще всего находится на ветхих кальках, синьках, ватманах. Для работы с таким материалом его нужно предварительно поместить в специальный пластиковый пакет. Скорость сканирования на плотерах практически на порядок меньше, чем на широкоформатном сканере. Процесс юстировки сканирующей головки после каждой ее установки также достаточно трудоемок.

Единственным разумным способом создания объемного электронного архива сканированных чертежей, схем и других графических материалов является приобретение широкоформатного сканера формата АО.

Рынок широкоформатных сканеров сравнительно невелик, на нем присутствуют компании Intergraph, CalComp, CONTEX, VIDAR. Однако массовый потребитель практически лишен и этого выбора. Intergraph и CalComp (особенно первый) имеют столь высокую цену, что попадают в поле зрения потенциального пользователя только для обоснования цены перед начальством. Выбор между CONTEX и VIDAR также в большинстве случаев оканчивается в пользу VIDAR, поскольку продукция этих фирм обладает близкими техническими параметрами, а цена у VIDAR на 15-20% ниже, чем у CONTEX.

Отметим, что у CONTEX существуют модели, которых нет у VIDAR. Это сканер формата A3, с разрешением 800 dpi. К сожалению, на рынке отсутствует сканер формата A3 с разрешением 300 dpi, потребность в котором явно ощущается. У CONTEX есть модель FS3200 формата АО с разрешением 300 dpi, однако ее цена вполне сопоставима с VIDAR TruScan500, тогда, как технические параметры VIDAR TruScan500 существенно превосходят CONTEX FS3200.

Наиболее популярной моделью является VIDAR TruScan600. В отличие от TruScan500, модель 600 обладает функцией автоматического выравнивания фона, что позволяет избежать многократного сканирования для настройки порогового значения фона, соответственно, результирующая скорость сканирования у модели 600 существенно выше.

Для сканирования цветных изображений формата АО единственной доступной моделью является VIDAR TruScan CS400.

Осталось отметить, что обработка сканированных изображений – это не наука, а искусство, и при любом уровне автоматизации этого процесса вам всегда останется возможность поработать руками.