掃描儀的基本原理及基礎(chǔ)知識(shí)

掃描儀的基本原理及基礎(chǔ)知識(shí)掃描儀是一種光機(jī)電一體化的高科技產(chǎn)品。它是將各種形式的圖像信息輸入計(jì)算機(jī)的重要工具。是繼鍵盤和鼠標(biāo)之后的第三代計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備。也是功能極強(qiáng)的一種輸入設(shè)備。人們通常將掃描儀用于計(jì)算機(jī)圖像的輸入，從最直接的圖片、照片、膠片到各類圖紙圖形以及各類文稿資料都可以用掃描儀輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對這些圖像形式的信息的處理、管理、使用、存貯、輸出等。目前掃描儀已廣泛應(yīng)用于各類圖形圖像處理、出版、印刷、廣告制作、辦公自動(dòng)化、多媒體、圖文數(shù)據(jù)庫、圖文通訊、工程圖紙輸入等許多領(lǐng)域。掃描儀由哪些部分組成?是如何工作的？掃描儀主要由光學(xué)成像部分、機(jī)械傳動(dòng)部分和轉(zhuǎn)換電路部分組成。這幾部分相互配合將反映圖像特征的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可接受的電信號(hào)。掃描儀的核心是完成光電轉(zhuǎn)換的光電轉(zhuǎn)換部件。目前大多數(shù)掃描儀采用的光電轉(zhuǎn)換部件是所謂的電荷耦合器件(CCD)。它可以將照射在其上的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電信號(hào)。其它主要部分的組成有：光學(xué)成像部分的光源、光路和鏡頭；轉(zhuǎn)換電路部分的V/D轉(zhuǎn)換處理電路及控制機(jī)械部分運(yùn)動(dòng)的控制電路和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)、掃描頭及導(dǎo)軌等。掃描儀工作時(shí)首先由光源將光線照在欲輸入的圖稿上產(chǎn)生表示圖像特征的反射光(反射稿)或透射光(透射稿)。光學(xué)系統(tǒng)采集這些光線將其聚焦在CCD上，由CCD將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后由電路部分對這些信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及處理產(chǎn)生對應(yīng)的數(shù)字信號(hào)輸送給計(jì)算機(jī)。當(dāng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在控制電路的控制下帶動(dòng)裝有光學(xué)系統(tǒng)和CCD的掃描頭與圖稿進(jìn)行相對運(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。掃描儀是如何分類的？目前市場上掃描儀種類很多，按不同的標(biāo)準(zhǔn)可分成不同的類型。按掃描原理可將掃描儀分為以CCD為核心的平板式掃描儀、手持式掃描儀和以光電倍增管為核心的滾筒式掃描儀。按掃描圖像幅面的大小可分為小幅面的手持式掃描儀、中等幅面的臺(tái)式掃描儀和大幅面的工程圖掃描儀，按掃描圖稿的介質(zhì)可分為反射式(紙材料)掃描儀和透射式(膠片)掃描儀以及既可掃反射稿又可掃透射稿的多用途掃描儀。按用途可將掃描儀分為可用于各種圖稿輸入的通用型掃描儀和專門用于特殊圖像輸入的專用型掃描儀如條碼讀入器、卡片閱讀機(jī)等。掃描儀的主要性能指標(biāo)有哪些？掃描儀的性能指標(biāo)主要有表示掃描儀精度的分辨率；表示掃描圖像灰度層次范圍的灰度級(jí)；表示掃描圖像彩色范圍的色彩數(shù)，以及掃描速度和掃描幅面等。分辨率表示了掃描儀對圖像細(xì)節(jié)的表面能力，通常用每英寸長度上掃描圖像所含有的象素點(diǎn)的個(gè)數(shù)表示，記做DPI(DotPerInch)。目前，多數(shù)掃描儀的分辨率在300DPI-2400DPI之間?；叶燃?jí)表示灰度圖像的亮度層次范圍。級(jí)數(shù)越多掃描圖像的亮度范圍越大、層次越豐富。目前多數(shù)掃描儀的灰度為256級(jí)。色彩數(shù)表示彩色掃描儀所能產(chǎn)生的顏色范圍。通常用表示每個(gè)象素點(diǎn)上顏色的數(shù)據(jù)位數(shù)(bit)表示。比如常說的真彩色圖像指的是每個(gè)象素點(diǎn)的顏色用24位二進(jìn)制數(shù)表示，共可表示224=16.8M種顏色，通常稱這種掃描儀為24bit真彩色掃描儀。色彩數(shù)越多掃描圖像越鮮艷真實(shí)。掃描速度有多種表示方法，通常用在指定的分辨率和圖像尺寸下的掃描時(shí)間表示。掃描幅面表示可掃描圖稿的最大尺寸，常見的有A4、A3、A0幅面等。手持掃描儀的主要特點(diǎn)及用途是什么？手持掃描儀的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、攜帶方便、價(jià)格低廉。其掃描圖像的最大寬度是105mm，長度方向不限。使用時(shí)由人手推動(dòng)掃描儀從圖稿上移過，掃描圖像質(zhì)量與人的操作有關(guān)。掃大圖時(shí)可用軟件實(shí)現(xiàn)拼接，手持掃描儀的性能指標(biāo)一般較低，分辨率通常為400DPI左右，以黑白和灰度的類型居多，彩色類型近來發(fā)展較快，此類掃描儀主要用于名片制作、桌面排版、圖文數(shù)據(jù)庫、電腦刻字、字符識(shí)別(OCR)等方面。由于手持掃描儀的幅面小、精度低、應(yīng)用范圍有限，通常適合于初學(xué)者、家庭和資金有限且對幅面和精度要求不高的用戶。目前世界市場上70%以上的手持掃描儀是臺(tái)灣生產(chǎn)的，代表性產(chǎn)品有Mustek系列、Primax系列、Qtronix系列等。平板式掃描儀的主要特點(diǎn)及用途是什么？平板式掃描儀主要為A4和A3幅面，其中又以A4幅面的掃描儀用途最廣、功能最強(qiáng)、種類最多、銷量最大，是掃描儀家族的代表性產(chǎn)品。此類掃描儀的性能已達(dá)很高的水平。分辨率通常為1200DPI左右，高的可達(dá)2400DPI。色彩數(shù)一般為24bit，高的可達(dá)36bit。掃描時(shí)將圖稿放在掃描臺(tái)上由軟件控制自動(dòng)完成掃描過程，速度快、精度高。有些平板掃描儀還可以加上透明膠片適配器，使其既可以掃反射稿又可以掃透明膠片實(shí)現(xiàn)一機(jī)兩用。平板掃描儀已廣泛應(yīng)用于各類圖形圖像處理、電子出版、印前處理、廣告制作、辦公自動(dòng)化等許多方面，其性能幾乎可以滿足所用應(yīng)用領(lǐng)域的要求。目前世界市場上有將近一半的平板式掃描儀是臺(tái)灣生產(chǎn)的，代表性產(chǎn)品有Microtek公司的ScanMaker系列、Umax公司的UC系列、歐美的一些大公司如HP、Agfa也都有出色的平板掃描儀產(chǎn)品。大幅面掃描儀的特點(diǎn)及用途是什么？大幅面掃描儀指的是A1、A0幅面掃描儀，主要用于大幅面工程圖紙的輸入，所以又稱為工程圖掃描儀。這種掃描儀的核心部分仍是CCD器件，但由于圖稿幅面大，大都采用了滾筒式走紙機(jī)構(gòu)。掃描時(shí)掃描頭是固定的，圖紙?jiān)谧呒垯C(jī)構(gòu)控制下移動(dòng)。大幅面掃描儀的分辨率通常為300DPI_800DPI。由于工程圖紙一般都是黑白類型的圖，故大幅面掃描儀一般都是黑白型掃描儀，灰度級(jí)一般為256級(jí)。大幅面掃描儀主要用于工程圖紙的輸入，為CAD、工程圖紙管理等應(yīng)用提供輸入手段。另外在測繪、勘探、地理信息系統(tǒng)等方面也有許多應(yīng)用。目前市場上大幅面掃描儀的代表性產(chǎn)品有Contex系列、Vidar系列、Microtek系列等。如何判斷、選擇掃描儀的精度？掃描儀的精度常用每英寸掃描圖像所含象素點(diǎn)的多少表示，即所謂的DPI，這是生產(chǎn)廠家常用的精度指標(biāo)。但許多權(quán)威測試結(jié)果表明，這種指標(biāo)與掃描儀的實(shí)際精度并不成正比，并不是DPI值越高掃描儀的精度就越高。掃描儀的實(shí)際精度應(yīng)是掃描儀對圖像細(xì)節(jié)的實(shí)際分辨能力。國際上通常用標(biāo)準(zhǔn)測試圖測試掃描儀在一英寸長度上所實(shí)際能辨出的線條的個(gè)數(shù)來表示掃描儀的實(shí)際精度。一般記作LPI(LinePerInch)。影響掃描儀精度的因素很多，并不唯一決定于廠家所報(bào)的DPI數(shù)，有些DPI數(shù)高的產(chǎn)品其實(shí)際精度比一些DPI數(shù)較低的產(chǎn)品還差，分辨率為300DPI_2400DPI的掃描儀的實(shí)際精度一般為200LPI_400LPI。掃描儀的分辨率越高，對應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)量越大，以幾何級(jí)數(shù)增長。選購掃描儀時(shí)不應(yīng)盲目追求高分辨率，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作的需要和輸出設(shè)備的精度進(jìn)行選擇。比如目前彩色輸出設(shè)備的精度一般不超過3000DPI，若采用這類設(shè)備輸出，只要掃描圖像的放大輸出倍數(shù)不超過4倍則選用流行的1200DPI的掃描儀就足夠了。什么是三遍掃描和一遍掃描，二者有何差別？流行的彩色掃描方式有兩種，一種是所謂的三遍掃描即三原色掃描。另一種是一遍掃描。采用三遍掃描方式的掃描儀使用的是單色CCD。掃描彩圖時(shí)采用更換濾色片或不同顏色的燈管產(chǎn)生紅綠藍(lán)三原色光源，用每種光源掃描一遍圖像產(chǎn)生三原色圖像再將其合成產(chǎn)生彩色圖像。這種方式采用單色CCD，價(jià)格便宜，實(shí)現(xiàn)技術(shù)簡單，性能穩(wěn)定。但由于掃描一幅彩圖需要三個(gè)掃描過程，速度較慢。此外三個(gè)掃描過程的定位精度應(yīng)當(dāng)很高，否則色彩合成時(shí)會(huì)出現(xiàn)套色不準(zhǔn)的情況。一遍掃描方式通常采用彩色CCD，掃描彩色圖像只需一個(gè)掃描過程，速度快且不存在色彩定位問題，保證了彩色圖像的質(zhì)量，但價(jià)格比一遍掃描方式要高。目前三遍掃描方式的掃描儀仍很流行，但一遍掃描方式發(fā)展很快正在迅速普及。代表性產(chǎn)品有Microtek的ScanMakerIIsp、HP的ScanJetIIcx。何為DCR技術(shù)，其工作原理是什么？DCR是動(dòng)態(tài)色彩校正(DynamicColorRedition)技術(shù)的簡稱。它是一項(xiàng)由Microtek公司首先推出的對用戶開放的掃描儀色彩校正技術(shù)。它較好地解決了彩色掃描儀普遍存在的掃描圖像色彩和影調(diào)還原不準(zhǔn)的問題使掃描圖像的質(zhì)量得到較大提高。在DCR技術(shù)出現(xiàn)之前用戶對于掃描儀在制造過程中產(chǎn)生的誤差，或者隨使用時(shí)間的增加由光源和電路參數(shù)變化所引起的色彩偏差是無能為力的。盡管有些軟件可對掃描后的圖像進(jìn)行人工校正，但需要有很高的技巧，操作復(fù)雜、費(fèi)時(shí)費(fèi)力且效果有限。采用3CR技術(shù)用戶可隨時(shí)對掃描儀進(jìn)行自動(dòng)色彩校正，使其輸出始終保持為最完美的狀態(tài)。具有DCR功能的掃描儀隨機(jī)帶有國際標(biāo)準(zhǔn)校色片IT8(或Q-60)。IT8上是一組表示國際顏色標(biāo)準(zhǔn)的色塊和灰階。它們是校正掃描儀的標(biāo)準(zhǔn)。校正時(shí)先將IT8掃描輸入計(jì)算機(jī)產(chǎn)生對應(yīng)的色標(biāo)數(shù)據(jù)°DCR軟件將此數(shù)據(jù)與預(yù)存的沒有誤差的標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo)數(shù)據(jù)相比較即可發(fā)現(xiàn)被校正的掃描儀所存在的誤差（不管這種誤差由何種原因引起）。根據(jù)比較結(jié)果DCR軟件為掃描儀建立校正參數(shù)表，該表決定了對掃描圖像的色彩應(yīng)當(dāng)如何校正和校正的量。完成上述過程后，在掃描時(shí)只要選中DCR功能，掃描軟件即可自動(dòng)根據(jù)校正參數(shù)表對掃描圖像做實(shí)時(shí)的色彩校正，使其達(dá)到與原稿完全一致的完全品質(zhì)。11、 掃描儀的軟硬件接口有何特點(diǎn)？掃描儀與計(jì)算機(jī)相連接的接口由軟硬兩部分組成。早期掃描儀的硬件接口大多是非標(biāo)準(zhǔn)的專用接口，通用性差，用戶使用不便。近年來各廠家順應(yīng)開放和標(biāo)準(zhǔn)化的潮流逐漸將硬件接口標(biāo)準(zhǔn)化，統(tǒng)一為SCSI標(biāo)準(zhǔn)。此種接口數(shù)據(jù)傳輸速度快。在Mac機(jī)和工作站及部分PC機(jī)上是標(biāo)準(zhǔn)配置，各家的掃描儀可直接與這種硬件平臺(tái)相接。對于不帶SCSI接口的PC機(jī)可用廠家隨機(jī)提供的SCSI接口卡或市售的通用SCSI卡（如SCSIII）與掃描儀相連接。掃描儀的軟件接口指的是掃描儀驅(qū)動(dòng)軟件的接口標(biāo)準(zhǔn)。早期的掃描儀的軟件接口也是非標(biāo)準(zhǔn)的。軟件開發(fā)者若想讓其軟件支持不同廠家的掃描儀，必須為每種掃描儀寫驅(qū)動(dòng)程序，非常不方便。近年來掃描儀的軟件接口也逐步標(biāo)準(zhǔn)化。最突出的是在Windows平臺(tái)上的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)統(tǒng)一，這就是著名的TWAIN標(biāo)準(zhǔn)。目前各廠家的產(chǎn)品幾乎都支持TWAIN標(biāo)準(zhǔn)。這樣軟件開發(fā)者只要使其軟件支持TWAIN標(biāo)準(zhǔn)就可以在其軟件中使用各種不同廠家的掃描儀了。掃描儀軟硬件接口的標(biāo)準(zhǔn)化為廣大軟件開發(fā)者和用戶帶來極大方便。12、 掃描儀對硬件使用環(huán)境有何要求？掃描儀輸入給計(jì)算機(jī)的是圖像。圖像信息的最大特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大。要想快速高效地處理圖像信息就要求主機(jī)的速度快，存貯空間大。其中速度快包括幾個(gè)方面。一是主機(jī)的CPU檔次要高，主頻要快，這樣處理速度快。二是接口卡、總線、硬盤的數(shù)據(jù)傳輸速度要快。三是顯示卡的顯示速度要快。存貯空間大要求一