Tarayıcı Nasıl Çalışır?

Bilgisayar tarayıcıları belgeleri ve resimleri dijital formata dönüştürmek için kullanılan aygıtlardır.

Tarayıcılarının Çalışma Prensipleri:

Işık ve Algılama: Tarayıcı belge veya resmin üzerine ışık yayar. Bu ışık belge veya resmin yüzeyinden yansır ve algılama sensörü tarafından yakalanır.
Veri Dönüşümü: Algılama sensörü yansıyan ışığı sayısal verilere dönüştürür. Bu veriler bilgisayarın anlayabileceği bir formatta işlenir.
Optik Karakter Tanıma (OCR): Bazı tarayıcılar metin içeren belgeleri optik karakter tanıma (OCR) teknolojisi ile tanır. OCR metni sayısal verilere dönüştürerek bilgisayarın metni anlamasını sağlar.
Görüntü İşleme ve Depolama: Tarayıcı belge veya resmin görüntüsünü dijital bir dosyada depolar. Bu dosya bilgisayarın belleğinde saklanır veya başka bir yere kaydedilir.

Özetle bilgisayar tarayıcıları, fiziksel belgeleri dijital verilere dönüştürerek bilgisayarın kullanımına sunar.

ADF (Otomatik Belge Besleyici) tarayıcılar birden fazla sayfa içeren belgeleri otomatik olarak taramak için kullanılır.

ADF tarayıcıların çalışma prensipleri:

Belge Yığını Hazırlama: ADF tarayıcı belge yığınını taramaya hazır bir şekilde bekletir. Bu yığın tarayıcıya yerleştirilen belgeleri içerir.

Otomatik Tarama: Belge yığını ADF tepsisine (besleyici) otomatik olarak beslenir. Tarayıcı belgeleri tek tek tarar ve dijital kopyalarını oluşturur.

Düzgün Besleme ve Algılama: ADF belgeleri düzgün bir şekilde beslemek için otomatik düzeltme fonksiyonuna sahiptir. Bu sayede belgelerin düzgün bir şekilde taranması sağlanır. ADF tarayıcıları, çok sayfalı belgeleri hızlı ve verimli bir şekilde taramak için kullanışlıdır.

Tarayıcı Nedir?

Yazılı veya çizili baskı metinlerini bilgisayar sistemlerine aktarma işlemi için gerek duyduğumuz bir cihazdır. Dokümanları analiz ederek dijital olarak kaydetmemizi sağlarlar. Tarama işlemi yapılırken belge üzerine belirli bir ışık yollar ve bu ışık sayesinde elde edilen görüntüler net bir şekilde dijital sisteme aktarılır. Dijital görüntüler piksellerden, pikseller ise bir dizi kodla temsil edilen komutlardan oluşurlar. Tarayıcılar bu işlemi yapan en yaygın aygıtlardır.

Tarayıcı Nasıl Çalışır?

Tarayıcı kâğıt algılama sensörleri ile işe başlar. Tarayıcı kâğıt alma ünitesinde kâğıt yok ise tarama işlemi başlamayacaktır. Ayrıca farklı bir sensör ile hazne içine alınacak kâğıdın tek sayfa olup olmadığı kontrol edilir. Farklı yönlerde dönen özel mekanizmalarla kâğıtların her seferinde tek sayfa olacak şekilde tarayıcı içerisine alınması sağlanır. Bunun için farklı mekanik sistemler mevcuttur. Fotoğraf makineleri gibi belge tek seferde taranmaz, tarayıcı kapasitesine göre satır satır tarama yapılır.

Tarayıcıya tarama komutu verilir tarayıcı kâğıt olup olmadığına bakar, kâğıt var ise tarama işlemini başlatır. Bir sayfa dokümanı içeri çekmeye başlar. Bu sırada tarayıcı içerisindeki ışık yanar. Kâğıt sensör önüne geldiğinde ışık doküman üzerine belirli bir açı ile yansıtılır. Doküman üzerinden ışık geçerken dokümanın şekline göre ışığın frekansı ve yoğunluğu da değişir. Belge üzerinden geçen ışık belirli bir açı ile aynalara yansıtılır. Daha sonrasında aynalar ışığı bir merceğe yönlendirir. Işık geniş bir şekilde gelirken mercek tek bir noktaya sıkıştırarak aynalardan gelen ışığı odaklar.

Burada ise CCD (charged coupled device) sensörü devreye girer. Bu sensörler içerisinde milyonlarca filtre bulunmaktadır. Bu filtreler renkleri algılayamazlar fakat ışığın en küçük hali olan verileri işlerler. Mercek üzerindeki ışık sensöre aktarılır. Sensör üzerindeki filtreler ışık oranına ve yoğunluğuna göre farklı elektriksel veri oluşturur. Bu elektriksel veri o hücreye gelen ışık değerine eşittir. Aynı elektrik tekrar yansıtıldığında bu renk aynı şekilde oluşturulabilir diyebiliriz. Bu sensörler güneş enerji panelleri ile aynı mantıkta çalışırlar. Gelen ışık şiddetine göre düşük oranda enerji ortaya çıkar. Daha sonra cihaz türüne göre bu voltaj biraz daha güçlendirilebilir.

Sensörler eklemeli renkler denilen üç ana rengi kullanırlar. RGB (red, green, blue) kırmızı, yeşil ve mavi. Bu filtrelere gelen ışık kontrol edilir eğer uygun frekans var ise yani kırmızı ışığın değeri var ise geçmesine izin verir. Sensör veriyi analog olarak işler, renk ayrıştırmasını yapar ve bir sinyal oluşturur. Daha sonra ADC (analog to digital converter) adı verilen analogdan dijitale çevirme işini yapan entegre görevi devir alır. Analog sinyal 1.7v, 1.4 v gibi iken 0 ve 1 olarak dönüştürülür ve artık sinyalimiz dijital veri halini almış olur.

Bu işlemi yaparken mozaikleme denen bir yöntem kullanır. Yani taranan doküman nokta nokta işlenir. Temel üç renk var ve diğer renkleri almak için bu üç rengi belirli oranlarda birleştirmemiz gerekir. Sinyaller dijital olarak alındığında her renk ve her piksel için 3 farklı veri olacak. Mozaikleme sistemi ile taranan dokümanı bir mozaik işler gibi tek tek (nokta nokta veya piksel piksel diyelim) her renk için birleştirir ve daha sonra bu üç rengi üst üste getirerek belgenin bir kopyasını dijital olarak oluşturmuş olur.

Bir yandan belge tarayıcı içerisinde hareket ettirilirken bir yandan da tarama işlemi yapılır. Bir takım koruma mekanizmaları da arka planda devamlı çalışırlar. Bunlar yine tarayıcının kabiliyetine bağlı mekanizmalardır. Kâğıt birden fazla geldiyse tarama işlemini durdurur, kâğıt sıkışınca tarama işlemi durdurulur gibi vs. hususlar.

Ayrıca tarama esnasında dokümanın zarar görmemesi de çok önemlidir. Tarayıcı kâğıt çekme esnasında bu hususu da devamlı kontrol eder, herhangi bir durumda kâğıdın zarar görmemesi için mekanizmaları anında durdurur.

Bazı üst düzey tarayıcılarda yazılım ve donanımsal özellikler birleştirilmiş ve taranan belgelerin boyutları, hizalanması, eksik veya yırtık alanların kontrol edilmesi işlemlerini de gerçekleştirirler. Sizin herhangi bir düzenleme yapmanıza gerek kalmadan kâğıtları olduğu gibi tarayıcıya yerleştirmeniz yeterlidir. Kâğıt ters ise belgeyi bütün olarak tarar ve ters olan sayfayı tararken otomatik olarak düzeltir. Birçok farklı detayları içerin bu özellikler kullanıcının işlerini kolaylaştırmak için tasarlanmışlardır.

Çift taraflı tarama yapan cihazlarda belgenin iki tarafında da ışık kaynağı ve sensörler bulunmaktadır. Böylelikle belge aynı anda ön ve arka kısmı taranır. Belge dakikada tek taraflı 40 sayfa tarıyorsa ön ve arka taramasını 80 sayfa olarak yapar.

CCD (charge coupled device / Yük bağlaşımlı cihaz veya şarj bağlantılı cihaz) Sensörü:

Dijital görüntülemenin temeli aslında bu sensörlerdir.Işığa duyarlı yüzey olarak iş görürler. Silikon bir tabakanın üstüne dizilmiş, ışığa duyarlı, elektrik yükünü tutabilen entegre foto diyotlardan oluşur. Üzerine düşen ışığı ayrı ayrı fotositler (photosites) gibi davranan kapasitörlere aktarır ve onu elektrik yüküne dönüştürür.

Gelen ışık ne kadar aydınlık olursa biriken gelirim de o kadar artar. Bu gerilim bir analog dijital çevirici entegre ve işlemci aracılığı ile dijital veriye çevrilir ve kayıt edilirler.

Işığın fazla olması veya doğrudan sensöre ulaşması işlemlerin düzgün yapılmasına engel teşkil etmektedir. O yüzden tarayıcı gibi cihazlarda uygun oranda yapay ışık oluşturulur ve bu ışık doğrudan sensöre yansıtılmaz arada ayna kullanılır.

Kullanım alanına göre CCD satır satır anlık görüntü alır. Yani satır satır resim çekme işi yapar. Tek bir seferde bütün sensörlerdeki ışık oranını yakalar ve bir kopyasını elektrik enerjisi gibi oluşturur. Milyonlarca renkli boncuk gibi de düşünebiliriz. Sonrasında bu boncukları birleştirerek aynı görüntü elde edilebilir. Oluşturulan elektrik enerjisi amplifikatör ile güçlendirilerek işleme alınır. Tarayıcı gibi cihazlarda CCD verileri satır satır alır.

Tüm sensörlerde görüntüleme ışık ile başlar. Işık olmadan hiçbir iş yapamazlar. Bu ışık doğal da olabilir, yapay da olabilir. Sensör üzerinde ışık düştüğünde ışıkları filtreler aracılığı ile ayrıştırır, kırmızı ışığın yoğunluğu, yeşil ışığın yoğunluğu ve mavi ışığın yoğunluğunu ayrı ayrı kaydederler. 16 bit bir renk kayıt edeceği zaman üç renk içinde bu işlemi gerçekleştirir. Yani 16 bit kırmızı ışık, 16 bit yeşil ışık ve 16 bit mavi ışık. Daha sonra bu ışıkları üst üste birleştirerek renkleri oluştururlar.

Akıllı telefonlardaki dijital renkli kameralar da dahil olmak üzere dijital renkli kameralar genellikle CCD’nin monokrom piksellerinin üzerinde üretilmiş bir renk filtresi dizisine sahip entegre bir renkli görüntü sensörü kullanır. En popüler CFA modeli adını mucidi Kodak bilim adamı Bryce Bayer’den alan Bayer filtresi olarak bilinir. Bayer modelinde dört pikselden oluşan her karede bir filtrelenmiş kırmızı, bir mavi ve iki yeşil piksel bulunur (insan gözü, yeşile kırmızı veya maviye göre daha fazla ağırlık veren parlaklık konusunda daha keskindir). Sonuç olarak parlaklık bilgisi her satır ve sütunda bir dama tahtası deseni kullanılarak toplanır ve renk çözünürlüğü, parlaklık çözünürlüğünden daha düşüktür.

Üç CCD cihazı (3CCD) ve görüntüyü kırmızı, yeşil ve mavi bileşenlere bölen dikroik ışın ayırıcı prizma ile daha iyi renk ayrımı elde edilebilir. Üç CCD’nin her biri belirli bir renge yanıt verecek şekilde düzenlenmiştir. Birçok profesyonel video kamera ve bazı yarı profesyonel kameralar bu tekniği kullanır, ancak rakip CMOS teknolojisindeki gelişmeler hem ışın ayırıcılı hem de Bayer filtreli CMOS sensörlerini üst düzey video ve dijital sinema kameralarında giderek daha popüler hale getirmiştir. 3CCD’nin Bayer maske cihazına göre diğer bir avantajı daha yüksek kuantum verimliliğidir (daha yüksek ışık hassasiyeti), çünkü mercekten gelen ışığın çoğu silikon sensörlerden birine girerken Bayer maskesi yüksek oranda (2/3’ten fazla) ışığı emer.

Örneğin mikroskobik gibi hareketsiz sahneler için Bayer maske cihazının çözünürlüğü mikro tarama teknolojisiyle artırılabilir. Renkli ortak alan örnekleme işlemi sırasında sahnenin çeşitli kareleri üretilir. Görüntü almalar arasında sensör piksel boyutlarında hareket ettirilir, böylece görsel alandaki her nokta, maskenin renginin kırmızı, yeşil ve mavi bileşenlerine duyarlı öğeleri tarafından ardışık olarak elde edilir. Sonunda görüntüdeki her piksel, her renkte en az bir kez taranır ve üç kanalın çözünürlüğü eşdeğer hale gelir (kırmızı ve mavi kanalların çözünürlüğü dört katına çıkarken yeşil kanalın çözünürlüğü iki katına çıkar).

Dijital fotoğrafçılık da diğer birçok teknolojik yenilikler gibi; ABD ve Rusya arasındaki uzay yarışının bir sonucu olarak ortaya çıkmıştır diyebiliriz. Düşünün gezegene insansız uzay aracı (radyo sonda) gönderiyorsunuz ve beklentiniz gezegenin fotoğraflarını çekip dünyaya göndermesi. Bu araçlar teknik olarak geri gelemeyecek. Yani çektiği fotoğrafları dünyaya radyo sinyalleri ile göndermesi gerekli. Bunu yapmak için elbette fotoğrafları dijital formatta çekmeleri veya çektikleri fotoğrafları dijital formata dönüştürmeleri gerekli.

Sensörler aslında görüntüyü dijital olarak değil Analog olarak algılarlar. Sensörlerin her bir pixel’ini oluşturan parçalara Photosite denir. Photosite’lar; Pozlama sırasında ışıktan gelen enerjiyi (foton) elektron olarak içlerine depolar. İşlem buraya kadar Analog olarak gerçekleştirilir. Bundan sonra bir A/D yani Analog sinyalleri Dijital sinyallere çeviren bir dönüştürücü sayesinde her bir photosite da bulunan elektronlar dijital sinyaller olarak kodlanır. 0 (sıfır) değeri SİYAH, 1 değeri BEYAZ, 0 ve 1 değeri bir arada olursa %50 GRİ renk kodlanmış olur. Sensör bu haliyle siyah-beyaz görüntüler kaydedebiliyordu.

1969 Yılına gelindiğinde Charge-Couple Device (CCD) Bell Laboratuvarlarınca icat edildi ama o zamanlar Bayer renk filtresi olmadığı için görüntü siyah-beyazdı. 1976 Yılına gelindiğinde ise Kodak şirketinde çalışan Bryce BAYER, sensör üzerine daha sonra kendi adıyla anılacak ve her pixel ’de sadece bir rengin yakalanabileceği KIRMIZI, YEŞİL, MAVİ (RGB) renklerden oluşan, BAYER renk filtre dizilimini icat ederek, patentini aldı.

Sensör, ışığın sadece şiddet ve kontrastını kaydeder. Renkleri ise üzerine yerleştirilmiş Bayer renk filtresi kaydetmektedir. Bayer renk filtresinde görüntüyü oluşturan her pixelde sadece 1 renk bilgisi bulunduğundan, görüntüdeki 1 pixel’e denk gelen noktanın gerçek renginin ne olduğunun anlaşılması için o noktanın KIRMIZI, YEŞİL, MAVİ (RGB) renklerde olduğu kabulüyle interpolasyon denilen hesaplama tekniğine başvurulur.

Mavi rengi yakalayan renk hücresinin etrafında 4 kırmızı ve 4 yeşil renk yakalama hücresi, kırmızı rengi yakalayan renk hücresinin etrafında 4 mavi ve 4 yeşil renk yakalama hücresi, yeşil rengi yakalayan renk hücresinin etrafında 2 kırmızı ve 2 mavi renk yakalama hücresi bulunuyor. Yani 2 tane kırmızı ve 2 tane mavi renk yakalama hücresi eksik. Renk yakalama hücrelerinin eksikliği nedeniyle renklerin interpolasyonu denilen karışık algoritma ile hesaplanması gerekir.

CCD ve CMOS görüntü işlemcisi kullanan tüm dijital kameralarda Bayer renk filtresi kullanılmaktadır. Renk filtresinin farklı bir tekniği ise Sigma firmasının patentini aldığı ve üretimi pahalı olduğu için geliştirmekten vazgeçtiği CMOS tabanlı FAVEON X3 görüntü sensörüdür.

Bu sensörde fark; Her bir pixelde KIRMIZI, YEŞİL, MAVİ (RGB) renklerinin her üçü de katmanlar şeklinde ve aynı pixelde bulunmaktadır. Her renk kendi katmanında yakalanarak tespit edilmektedir. Yani herhangi bir pixeldeki gerçek renk her 3 renginde burada yakalanması nedeniyle interpolasyon denilen tahmin yöntemine gerek olmaksızın doğru olarak tespit edilebilmektedir.

RGB: Fotositler ışığı yakalar ancak farklı dalga boylarını ayırt edemez dolayısıyla rengi yakalayamaz. Renkli bir görüntü elde etmek için foto diyotların üzerine ince bir filtre yerleştirilir. Bu CFA – Renk filtresi dizisi olarak bilinir. Bu filtre her biri foto diyotun üstüne yerleştirilen RGB bloklarından oluşan bir mozaikten oluşur. Artık blokların her biri RGB’nin yoğunluğunu yakalayabiliyor. Kameranın işlemcisi, her bir fotositenin rengini ve yoğunluğunu analiz eder ve bunu yanındakiyle karşılaştırır.

Bir elektronik kamera sensörü bir fotosit ızgarasından oluşur. Her fotosit ışığın küçük bir kısmını yakalayacak ve bu noktada alınan ışık miktarını (noktanın parlaklığını) işlemciye bildirecektir. Fotositler renkleri yakalayamadığı için üzerlerine kırmızı, yeşil ve mavi ana renklerden oluşan karelerden oluşan bir Bayer ızgarası eklenir. Dolayısıyla dört fotosit bir araya getirildiğinde alınan ışığın hangi renk olduğunu bilmek için ana renklerin her birinin miktarının belirlenmesi mümkün olacaktır. Bunlar görüntünün bir pikselini oluştururlar.

Dolayısıyla 1 piksel için 4 fotosit bulunduğunu ve diğer iki ana renk için yalnızca bir tanesi için yeşili yakalayan iki fotosit bulunduğunu fark edeceksiniz. Bu seçim yeşil ışıklara karşı da daha duyarlı olan gözümüzün hassasiyetiyle bağlantılıdır. Bu şekilde piksel, retina hücrelerinin işleyişine yaklaşır.