掃描儀的應(yīng)用

掃描儀的應(yīng)用第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六

自1984年第一臺(tái)平板式掃描儀面世至今，掃描儀已經(jīng)發(fā)展成為除鍵盤和鼠標(biāo)之外被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備。

作為光電、機(jī)械一體化的高科技產(chǎn)品，自問世以來以其獨(dú)特的數(shù)字化“圖像”采集能力，以及優(yōu)良的性能，得到了迅速的發(fā)展和廣泛的普及。

第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六掃描儀按外觀可分為：滾筒式掃描儀、平板式掃描儀、便攜式掃描儀；還有更加細(xì)化的分類：如3D掃描儀，筆式掃描儀，饋紙式掃描儀，實(shí)物掃描儀等。而平板式掃描儀作為目前的主流機(jī)型得到了廣泛的應(yīng)用。第3頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六滾筒式掃描儀便攜式掃描儀第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六平板掃描儀第5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六掃描儀掃描圖像方式：一般來講，掃描儀掃描圖像的方式大至有三種，即：1.以光電耦合器(CCD)為光電轉(zhuǎn)換元件的掃描。多數(shù)平板式掃描儀使用光電耦合器(CCD)為光電轉(zhuǎn)換元件，它在圖像掃描設(shè)備中最具代表性。2.以接觸式圖像傳感器CIS(或LIDE)為光電轉(zhuǎn)換元件的的掃描絕大多數(shù)手持式、便攜式掃描儀采用CIS技術(shù)。LIDE(LEDInDirectExposure)二極管直接曝光技術(shù)是一種基于CIS技術(shù)的革新技術(shù)，它使用三色二極管作為光源。

第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六3.以光電倍增管(PMT)為光電轉(zhuǎn)換元件的掃描。光電倍增管(PMT)為滾筒式掃描儀采用的光電轉(zhuǎn)換元件。在所有的掃描技術(shù)中，光電倍增管是性能最為優(yōu)秀的一種，其靈敏度、噪聲系數(shù)、動(dòng)態(tài)密度范圍等關(guān)鍵性指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了CCD及CIS等感光器件。同樣，這種感光材料幾乎不受溫度的影響，可以在任何環(huán)境中工作。但是這種掃描儀的成本極高，一般只用在最專業(yè)的滾筒式掃描儀上。光電倍增管在各種感光器件中是生產(chǎn)成本最高的，而且由于一次只能掃描一個(gè)像素，因此掃描速度很慢，掃描一張圖需要幾十分鐘。因此，它現(xiàn)在只用在最專業(yè)的鼓式(大滾筒)掃描儀上，這種掃描儀的價(jià)格少則幾十萬元，多則幾百萬元，是一種可望而不可及的貴族產(chǎn)品。第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六CCD掃描儀與CIS掃描儀相比較對比兩種掃描儀產(chǎn)品，CCD型掃描儀占有明顯的優(yōu)勢，但CIS型掃描儀也并非一無是處。1.CCD型掃描儀應(yīng)用非常廣泛。CIS型掃描儀應(yīng)用范圍較窄。CCD掃描儀和CIS掃描儀相比發(fā)展的時(shí)間較長，技術(shù)相對成熟，可適用于高、中、低檔掃描儀，掃描圖像的品質(zhì)相對較好。CIS掃描儀由于不能使用鏡頭，只能壓近原稿掃描，掃描精度較低。另外，CIS采用LED發(fā)光二極管作為光源，這種光源在光色和均勻度方面都相對較差，色域也比CCD原理的掃描儀要窄，色彩也不如CCD豐富，掃描精度較低。

第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六2.CCD掃描儀需要一整套光學(xué)系統(tǒng)，包括照明冷光源和多個(gè)反光鏡和光學(xué)鏡頭，通過復(fù)雜的光路在CCD傳感器件表面成像。所以它的組成部件相對復(fù)雜，體積相對來說較大，成本相對較高。CIS感光元件本身足以完成成像任務(wù)，具有模塊化設(shè)計(jì)，掃描光源、傳感器、放大器集成為一體，結(jié)構(gòu)、原理和光路都極為簡單。組裝非常容易，能夠降低設(shè)計(jì)制造成本，而且產(chǎn)品的體積可以設(shè)計(jì)得更薄、更小。第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六3.掃描后對圖像數(shù)據(jù)的處理也相對復(fù)雜。

需要通過一系列透鏡、反射鏡成像，所以會(huì)產(chǎn)生色彩偏差和光學(xué)像差，一般需要通過掃描軟件進(jìn)行色彩校正。由傳感器直接從稿件表面獲取圖像，理論上不會(huì)產(chǎn)生色偏和像差，能獲得最接近原稿的圖像效果。第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六4.CCD掃描儀因?yàn)椴捎霉鈱W(xué)鏡頭成像于CCD表面，所以它具有一定的景深，對隆起的書脊，甚至實(shí)物都可以得到清晰的掃描效果。CIS掃描頭利用傳感器從掃描物體表面得到圖像，依靠直接接收反射光成像，技術(shù)含量相對較低，景深很小，掃描的層次有些不足，對掃描擺放不平的文稿和圖片顯得有些力不從心，待掃描物體必須平整地放在掃描儀上。CCD的景深至少是CIS的10倍，這意味著CCD掃描儀在一定范圍內(nèi)對3D物體的掃描是清楚而生動(dòng)的，

而CIS掃描儀掃描略微凹凸不平的物體時(shí)，輸出的圖像常會(huì)出現(xiàn)模糊和散焦的情況。第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六5.CCD掃描儀一般使用冷陰極管做光源，這種光源需要1分鐘左右的預(yù)熱才能穩(wěn)定發(fā)光，掃描儀打開后不能立刻使用。CIS型掃描儀隨時(shí)開機(jī)都可以進(jìn)行掃描，在工作時(shí)還無需預(yù)熱，開機(jī)即可掃描，沒有明顯的等待時(shí)間。在大大提高了工作效率的同時(shí)，也符合了國家所提倡的能源節(jié)約理念。第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六6.高質(zhì)量的CCD感光元件能保證在質(zhì)量不變的情況下使用10000小時(shí)，而目前的CIS掃描儀的發(fā)光元件在使用500小時(shí)后，其亮度平均降低30％，也就是說CIS掃描儀的發(fā)光元件壽命較短。雖然CIS發(fā)光元件壽命較短，但CIS掃描頭價(jià)格便宜，更換很方便。此外，CIS掃描儀由于二極管光源及掃描頭移動(dòng)所需要的功耗極小，這類產(chǎn)品通過PC機(jī)的USB端口提供所需的電力即可工作。第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六一、平板掃描儀的組成結(jié)構(gòu)從圖中可以看出，掃描儀主要由上蓋、原稿臺(tái)、光學(xué)成像部分、光電轉(zhuǎn)換部分、機(jī)械傳動(dòng)部分組成。

第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六光學(xué)部分是掃描儀的“眼睛”，用來獲取原稿反射的光信息。它包括以下主要部件：燈管、反光鏡、鏡頭以及電荷耦合器件(CCD)。光學(xué)成像部分俗稱掃描頭，即圖像信息讀取部分，它是掃描儀的核心部件，其精度直接影響掃描圖像的還原逼真程度。掃描頭的光源一般采用冷陰極輝光放電燈管，燈管兩端沒有燈絲，只有一根電極，具有發(fā)光均勻穩(wěn)定、色純度好、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、使用壽命長、耗電量小、體積小等優(yōu)點(diǎn)。第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六掃描頭還包括幾個(gè)反光鏡，其作用是將原稿的信息反射到鏡頭上，由鏡頭將掃描信息傳送到CCD感光器件，最后由CCD將照射到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。鏡頭是把掃描信息傳送到CCD處理的最后一關(guān)，它的好壞決定著掃描儀的精度。掃描精度即是指掃描儀的光學(xué)分辨率，主要是由鏡頭的質(zhì)量和CCD的數(shù)量決定。第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六CCD是一個(gè)感光器件，它的作用是將照射在其上的光信號轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的電信號。CCD是排成一橫行的，其中CCD里的每一個(gè)單元與每一行里的像素相對應(yīng)。(每一幅圖像都是由上百、上千乃至上百萬個(gè)像素以格狀的排列方式來表示的)。換句話說，如果你的掃描儀的掃描面每一英寸上有300CCD，那你的掃描儀在一英寸里的最大光學(xué)分辨率只有300像素，即300個(gè)dpi(DotsPerInch)。每英寸的點(diǎn)數(shù)是掃描儀記錄影像清晰度的單位，此數(shù)值越大，掃描儀的清晰度就越高，得到的影像文件尺寸也會(huì)越大，同樣，你的掃描儀每行里有600CCD單元，那么你的掃描儀最大光學(xué)分辨率就是600dpi。光學(xué)分辨率光學(xué)分辨率是指掃描儀的光學(xué)系統(tǒng)可以采集的實(shí)際信息量，也就是掃描儀的感光元件—CCD的實(shí)際分辨率。例如：最大掃描范圍為216mm×297mm(適合于A4紙)的掃描儀，可掃描的最大寬度為8.5英寸(216mm)，它的CCD含有5100個(gè)單元，其光學(xué)分辨率為5100點(diǎn)/8.5英寸=600dpi。目前常見的光學(xué)分辨率有600×1200、1000×2000或者更高。由此可見，光學(xué)分辨率在某種意義上決定了一臺(tái)掃描儀的品級。第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六光電轉(zhuǎn)換部分是指掃描儀內(nèi)部的主板，其作用是控制各部件協(xié)調(diào)一致地動(dòng)作。別看掃描儀的光電轉(zhuǎn)換部分主板就這么一小塊，但它卻是掃描儀的“心臟”。它是一塊安置有各種電子元件的印刷電路板。它是掃描儀的控制系統(tǒng)，在掃描儀掃描過程中，它主要完成CCD信號的輸入處理，以及對步進(jìn)電機(jī)的控制。包括有A／D變換器、BIOS芯片、I／O控制芯片和高速緩存(Cache)。機(jī)械部分機(jī)械部分由步進(jìn)電機(jī)、齒輪、導(dǎo)軌和皮帶構(gòu)成。機(jī)械部分的運(yùn)動(dòng)也完全受主板的控制。第19頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六A/D變換器是將模擬量(Analog)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量(Digital)的半導(dǎo)體元件。從CCD獲取的電信號是對應(yīng)于圖像明暗的模擬信號，因?yàn)閳D像由暗到亮的變化是用從低到高的不同電平來表示的，而且它們是連續(xù)變化的，即所謂模擬量。A/D變換器的工作是將模擬量數(shù)字化，例如將0至1V的線性電壓變化表示為0至9的10個(gè)等級的方法是：0至小于0.1V的所有電壓都變換為數(shù)字0、0.1至小于0.2V的所有電壓都變換為數(shù)字1……0.9至小于1.0V的所有電壓都變換為數(shù)字9。實(shí)際上，A/D變換器能夠表示的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10，通常是28=256、210=1024或者212=4096。如果掃描儀標(biāo)明的灰度等級是10bit，則說明這個(gè)掃描儀能夠?qū)D像分成1024個(gè)灰度等級，如果色彩深度為30bit，則說明紅、綠、藍(lán)各個(gè)通道都有1024個(gè)等級。等級數(shù)越高，彩色表現(xiàn)越豐富。第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六色彩分辨率色彩分辨率又叫色彩深度、色彩模式、色彩位或色階，總之都是表示掃描儀分辨色彩或灰度細(xì)膩程度的指標(biāo)，它的單位是bit(位)。色彩位確切的含義是用多少個(gè)位來表示掃描得到的一個(gè)像素。例如:1bit只能表示黑白像素，因?yàn)橛?jì)算機(jī)中的數(shù)字使用二進(jìn)制，所以1bit只能表示兩個(gè)值：0和1，它們分別代表黑與白。8bit可以表示256個(gè)灰度級。24bit可以表示16777216種色彩，其中紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)各個(gè)通道分別占用8bit，它們各有28=256個(gè)等級，24bit以上的色彩為真彩，目前還有采用30bit、36bit、42bit的機(jī)種。色彩位數(shù)越多，顏色就越逼真，但對于非專業(yè)用戶來講，由于受到計(jì)算機(jī)處理能力和輸出打印機(jī)分辨率的限制，一味追求高色彩位給我們帶來的只會(huì)是浪費(fèi)。BIOS芯片的主要功能是在掃描儀啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行自檢，

I／O控制芯片提供了連接界面和連接通道，高速緩存則是用來暫存圖像數(shù)據(jù)的。如果把圖像數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)接?jì)算機(jī)里，那么就會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失和影像失真等現(xiàn)象，如果先把圖像數(shù)據(jù)暫存在高速緩存里，然后再傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，就減少了上述情況發(fā)生的可能性。第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六掃描儀的工作過程

掃描儀的工作原理并不復(fù)雜，從它的工作過程就能夠基本反映出來，下圖CCD型掃描儀的工作原理示意圖。第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六1)開始掃描時(shí)，機(jī)內(nèi)光源發(fā)出均勻光線照亮玻璃面板上的原稿，產(chǎn)生表示圖像特征的反射光(反射稿)或透射光(透射稿)。反射光經(jīng)過玻璃板和一組鏡頭，分成紅綠藍(lán)3種顏色匯聚在CCD感光元件上，被CCD接受。其中空白的地方比有色彩的地方能反射更多的光。2)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)掃描頭在原稿下面移動(dòng)，讀取原稿信息。掃描儀的光源為長條形，照射到原稿上的光線經(jīng)反射后穿過一個(gè)很窄的縫隙，形成沿x方向的光帶，經(jīng)過一組反光鏡，由光學(xué)透鏡聚焦并進(jìn)入分光鏡。經(jīng)過棱鏡和紅綠藍(lán)三色濾色鏡得到的RGB三條彩色光帶分別照到各自的CCD上，CCD將RGB光帶轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電子信號，此信號又被A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電子信號。第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六3)反映原稿圖像的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能夠接受的二進(jìn)制數(shù)字電子信號，最后通過USB等接口送至計(jì)算機(jī)。掃描儀每掃描一行就得到原稿x方向一行的圖像信息，隨著沿y方向的移動(dòng)，直至原稿全部被掃描。經(jīng)由掃描儀得到的圖像數(shù)據(jù)被暫存在緩沖器中，然后按照先后順序把圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)并存儲(chǔ)起來。當(dāng)掃描頭完成對原稿的相對運(yùn)動(dòng)，將圖稿全部掃描一遍，一幅完整的圖像就輸入到計(jì)算機(jī)中去了。通常，用線性CCD對原稿進(jìn)行的“一條線”掃描被稱為“主掃描”，而將線性CCD平行移動(dòng)的掃描輸入稱為“副掃描”。4)數(shù)字信息被送入計(jì)算機(jī)的相關(guān)處理程序，在此數(shù)據(jù)以圖像應(yīng)用程序能使用的格式存在。最后通過軟件處理再現(xiàn)到計(jì)算機(jī)屏幕上。第24頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六

掃描儀與數(shù)碼相機(jī)在物證檢驗(yàn)中的比較基于兩者成像原理不同數(shù)碼相機(jī)（小孔成像，凸透鏡成像原理）可以將空間圖像（三維的如風(fēng)景、人物等等）轉(zhuǎn)化成平面的圖像（二維的，如相片），而我們通常使用的掃描儀（平面逐行掃描）沒有這個(gè)能耐。它只能將平面文件或景深差異較小的實(shí)物上的內(nèi)容包括圖像、文字等轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)碼文件錄入電腦中去。兩者都是我們在進(jìn)行物證檢驗(yàn)時(shí)常用的儀器。第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六1.數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用比較方便；掃描儀需要連接電腦，比較麻煩。第26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六2.數(shù)碼相機(jī)拍照時(shí)，若配光不均勻會(huì)產(chǎn)生亮斑，不易控制；掃描儀亮度平均，沒有反射雜光，不用考慮亮斑。第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六5.數(shù)碼相機(jī)和掃描儀都會(huì)產(chǎn)生色彩失真，所以一定要選用盡可能好的品牌，盡量減少色彩失真帶來的不便6.當(dāng)遇到物證檢材較多的情況下，建議考慮工作效率和時(shí)間的問題，選擇使用數(shù)碼相機(jī)或掃描儀。第28頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六老照片修復(fù)第29頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六老照片修復(fù)第30頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六有關(guān)掃描儀使用維護(hù)。

1、不要忘記鎖定掃描儀。由于掃描儀采用了包含光學(xué)透鏡等在內(nèi)的精密光學(xué)系統(tǒng)，使得其結(jié)構(gòu)較為脆弱;為了避免損壞光學(xué)組件，掃描儀通常都設(shè)有專門的鎖定/解鎖機(jī)構(gòu)，移動(dòng)掃描儀前，應(yīng)先鎖住光學(xué)組件，但要特別注意的是，再次使用掃描儀之前，一定要首先解除鎖定!否則，很可能因?yàn)橐粫r(shí)的疏忽而造成掃描儀傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的損壞!

第31頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六2、不要用有機(jī)溶劑來清潔掃描儀，以防損壞掃描儀的外殼以及光學(xué)元件。

3、不要讓掃描儀工作在灰塵較多的環(huán)境之中。務(wù)必保持掃描儀玻璃的干凈和不受損害，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到掃描儀的掃描精度和識別率;如果上面有灰塵，最好能用我們平常給照相機(jī)鏡頭除塵的皮老虎清除。