彩色掃描儀原理及優(yōu)化設(shè)計課件

彩色掃描儀原理及優(yōu)化設(shè)計

學術(shù)交流1彩色掃描儀的原理及優(yōu)化設(shè)計0引言1彩色掃描儀的產(chǎn)品分類及基本原理2單片彩色掃描儀的性能特點3單片彩色掃描儀的工作原理4單片彩色掃描儀的電路設(shè)計5結(jié)語20引言

掃描儀（）是一種光、電、機一體化的高科技產(chǎn)品，它是繼鍵盤和鼠標之后又一代用途廣泛的計算機輸入設(shè)備。掃描儀自20世紀80年代初問世以來，就以其獨特的數(shù)字化“圖像”采集能力、低廉的價格和優(yōu)良的性能，深受人們的青睞，被譽為計算機的“眼睛”。31彩色掃描儀的產(chǎn)品分類及基本原理1.1產(chǎn)品分類a按可掃描的圖像類型分類1）黑白掃描儀（亦稱二值掃描儀）只能掃描黑白二值圖像，每個像素為1位(1)，用0或1來代表黑或白。這是最簡單的一種掃描儀，適合掃描工程圖紙。2）灰度掃描儀將圖像的明暗程度劃分成256個灰度等級，并且用一個8位字節(jié)來表示一個像素。3）彩色掃描儀首先產(chǎn)生對應(yīng)于紅、綠、藍三基色的三幅圖像，然后合成為一幅彩色圖像。彩色掃描儀也可通過參數(shù)設(shè)置來掃描黑白圖像。4b.按外形分類1）平板式掃描儀（亦稱臺式掃描儀）將待掃材料靜止放置在平臺玻璃板上，通過控制步進電機和移動光源（燈管）來完成掃描工作。采用冷陰極輝光放電燈管做光源。是目前應(yīng)用最廣泛的一種掃描儀。2）滾筒式掃描儀在掃描過程中光源保持靜止，通過卷動待掃材料來完成掃描工作。采用光電倍增管作為光電轉(zhuǎn)換器件。3）手持式掃描儀（亦稱掌上型掃描儀）通過人工移動掃描儀（含光源）來完成掃描的。價格低廉，攜帶方便，使用靈活，掃描精度較低。4）筆式掃描儀筆式掃描儀因其外形像一支筆而得名，主要用于條形碼的輸入識別，可用在車站檢票、大型超市的商品登記等領(lǐng)域。5c.按所用傳感器分類1）（電荷耦合器件）掃描儀數(shù)碼相機使用的是二維圖像的面陣，而掃描儀用的是一維圖像的線陣。掃描儀具有一定的景深（約為3），對隆起的書脊甚至實物都可得到清晰的掃描效果。缺點是成本較高，掃描后對圖像數(shù)據(jù)的處理也相對復雜。2）（接觸式圖像傳感器）掃描儀以發(fā)光二極管（）陣列作為光源，掃描光線直接被光耦合器接收。采用模塊化結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，不需要預熱。缺點是掃描精度較低，景深?。s為0.3，只有景深的1/10）不能掃描實物，適合掃描文稿。63）光電倍增管（）掃描儀光電倍增管是一種電子管，其感光材料主要是由金屬銫的氧化物構(gòu)成的。在所有感光器件中，光電倍增管的性能最佳，其靈敏度、噪聲系數(shù)、動態(tài)密度范圍、溫度特性等指標均優(yōu)于及。最難能可貴的是它的輸出信號能在很寬的范圍內(nèi)保持極高的線性度，幾乎不用做任何修正即可獲得準確的色彩還原。但其價格昂貴，少則幾十萬元，多則幾百萬元，僅用于專業(yè)掃描儀（滾筒式掃描儀）。

7表1掃描儀常用傳感器性能一覽表傳感器種類靈敏度／lx噪聲系數(shù)動態(tài)范圍／dB隔離電阻／Ω溫度系數(shù)／℃光電倍增管PMT10－1210－1290～100∞10－12硅氧化物隔離CCD10－8～10－910－9～10－1280～95≥100M10－6～10－7半導體隔離CCD10－8～10－910－8～10－970～80≥1M10－6～10－7接觸式感光器件CIS（LED陣列）10－6～10－710－5～10－650～601～100k10－2～10－38d.按通信接口分類掃描儀與計算機的通信接口有以下四種：（，增強型并行口）（通用串行接口）（，小型計算機系統(tǒng)接口）1394（，又稱火線接口）。9表2掃描儀與計算機的4種通信接口接

口

類

型EPPUSB1.1USB2.0SCSIIEEE1394接

口

名

稱增強型并行口通用串行總線接口通用串行總線接口小型計算機系統(tǒng)接口火線接口最大傳輸速率1Mbps12Mbps480Mbps160Mbps400Mbps主

要

特

點熱插拔，正被USB淘汰熱插拔熱插拔，迅速推廣需配接口卡，高穩(wěn)定性，需配接口卡熱插拔，同時支持64個設(shè)備101.2掃描儀的主要技術(shù)指標1.分辨率分辨率亦稱光學分辨率，它表示對圖像細節(jié)的識別能力，通常用每英寸長度上掃描圖像所含像素的個數(shù)來表示，記做（）。目前，常用掃描儀的分辨率大多為300～2400。11需要說明幾點：第一，供印刷用的掃描圖像分辨率通常用（，每英寸長度上所能分辨的線數(shù)）來表示。數(shù)值越高，印刷質(zhì)量越高，圖像的網(wǎng)點越小。一般情況下，印刷精美的雜志大約為175，普通印刷品一般為133～150，報紙僅為65～85。令縮放比例為Q，有公式＝（1）舉例說明，當掃描分辨率為300，Q＝2（放大2倍）時，印刷線數(shù)應(yīng)為300/2＝150?？s放比例與分辨率成反比。第二，掃描儀的分辨率愈高，圖像的數(shù)據(jù)量就愈大，并且數(shù)據(jù)量是按照幾何級數(shù)來遞增的。選擇掃描儀時不要盲目追求高分辨率，應(yīng)根據(jù)實際需要及輸出設(shè)備的精度而定。12第三，如果作為圖像素材掃描，最終要打印輸出，那么最好使用掃描儀的最高光學分辨率，以采集盡可能豐富的圖像細節(jié)。如果最終并不準備高精度輸出，比較合適的分辨率一般取300，就能再現(xiàn)彩色照片的細節(jié)，文件又不至于十分龐大。如果僅做屏幕顯示和網(wǎng)頁素材用，可根據(jù)最終需要的圖片大小來選擇基本合適的分辨率，例如，要在屏幕上顯示原大的圖片，僅需72就行了。13第四，國內(nèi)某些掃描儀是用兩個數(shù)值相乘的形式來表示分辨率的，例如寫成“600×1200”，這很容易造成混淆。因為掃描儀最重要的是“光學”分辨率（亦稱水平分辨率），也就是較小的數(shù)字“600”。而“1200”指的是“機械”分辨率（也叫垂直分辨率），表示掃描儀中的馬達每次可移動1/1200英寸。即使機械分辨率再高，對提高圖像質(zhì)量并無太大影響。第五，在某些掃描儀的說明書中還給出了“最大分辨率”指標，那是用內(nèi)插法計算出來的分辨率，沒有實際意義。142.灰度級灰度級表示灰度圖像的亮度層次范圍，灰度級越多，掃描圖像的層次越豐富，目前多數(shù)掃描儀的灰度為256級。3.色彩數(shù)色彩數(shù)表示彩色掃描儀所能產(chǎn)生的顏色范圍，通常用每個像素上顏色數(shù)據(jù)的位數(shù)（）來表示。例如，24位彩色掃描儀的每個像素顏色用24位二進制數(shù)來表示，總共有224＝1.6777216千萬種顏色；而48位彩色掃描儀總共有248≈2.815×1014（2.8兆億）種顏色。色彩數(shù)愈多，掃描圖像愈鮮艷逼真。

154.掃描速度（或掃描時間）掃描速度一般用在規(guī)定分辨率和圖像尺寸下的掃描時間來表示，單位是秒。5.掃描幅面表示可掃描圖稿的最大尺寸，常見的有A4、A3幅面等。161.3平板式掃描儀的基本原理平板式掃描儀的外形如圖1所示。圖117掃描儀的工作原理及掃描流程分別如圖2所示。圖218掃描儀的掃描流程如圖3所示。圖319掃描頭在步進電機驅(qū)動下從原稿的下面移動，不斷讀取原稿的信息。掃描儀光源照射到原稿上的光線經(jīng)反射后形成沿x軸方向的光帶，依次經(jīng)過反射鏡、棱鏡、濾色鏡和聚焦透鏡，將紅（R）、綠（G）、藍（B）三條彩色光帶分別照到各自的上，轉(zhuǎn)換為模擬信號，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后通過等接口送至計算機。20掃描儀每掃描一行，就得到原稿該行的圖像信息。掃描頭不斷地沿y軸方向移動，直到將原稿全部掃描完。所得到的圖像數(shù)據(jù)首先暫存在緩沖器中，然后通過等接口按一定順序把圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中并存儲下來，最終獲得一幅完整的圖像，參見圖4。圖4212單片彩色掃描儀的性能特點傳統(tǒng)彩色掃描儀的主板上需要使用多種類型的芯片（例如主控芯片、轉(zhuǎn)換器、輸入／輸出系統(tǒng)芯片、控制芯片、高速緩存等），其結(jié)構(gòu)比較復雜。1999年～2001年，美國國家半導體公司（）相繼開發(fā)出了9831型、9832、9833單片彩色掃描儀集成電路，形成了系列化產(chǎn)品。上述芯片均屬于單片系統(tǒng)（），為實現(xiàn)彩色掃描儀電路的優(yōu)化設(shè)計和大幅度降低成本創(chuàng)造了良好條件。美國惠普公司最近相繼推出的2200C、2300C和2500C系列彩色掃描儀，采用的就是這種芯片。其中，在2200C型彩色掃描儀中采用了一片9832，其外形如圖5所示。圖5229832的性能特點（1）帶接口的單片圖像掃描系統(tǒng)，可提供構(gòu)成一臺高性能彩色掃描儀所必需的全部功能，包括圖像傳感器控制，照度控制，模擬輸入通道，圖像數(shù)據(jù)緩存器／控制器，微步進電機控制器和接口。允許設(shè)計成總線供電的掃描儀。在裝有接口的計算機上可以即插即用。（2）9832以42位彩色／14位灰度方式掃描圖像，以42位（或24位）彩色／14位（或8位）灰度數(shù)據(jù)格式輸出。9832支持像素總數(shù)高達16384像素×3色（1200×13.6英寸的傳感器。其外圍元件僅需一個用于數(shù)據(jù)緩存的4或16的，以及步進電機的驅(qū)動管。23（3）采用1200傳感器時，水平分辨率可選1200、800、600、400、300、200、150或100。采用600傳感器時，水平分辨率可選600、400、300、200、150、100、75或50。垂直分辨率范圍是50～2400，步長為1。對A4彩色幅面而言，當水平分辨率分別為150、300、600時，掃描時間依次小于10s、40s、160s。24（4）適配3通道傳感器（或單通道傳感器）構(gòu)成彩色掃描儀，可實現(xiàn)時鐘與最大掃描速度的掃描分辨率與像素的最佳匹配，能自動校準增益和偏移誤差，能為用戶提供可編程伽馬（γ）校正表（即圖像灰度校正表）。x軸代表原圖像的像素亮度，其數(shù)值從0～255；y軸代表處理后新像素的亮度。當曲線向下移動時，圖像的相應(yīng)像素就變暗；向上移動時，像素就變亮。圖像的對比度可通過調(diào)整曲線的斜率來改變。斜率越大，對比度越大；斜率越小，對比度越小。25（5）采用脈寬調(diào)制（）法控制步進電機的微步進。（6）配48石英晶體。采用＋5V電源供電，電源電壓允許范圍是＋4.75V～＋5.25V，最大工作電流為136，最大待機電流為175μA。工作溫度范圍是0～＋70℃。263單片彩色掃描儀的工作原理9832采用－100封裝形式，主要包括8部分：①模擬輸入通道；②數(shù)字信號處理單元（包含像素處理級，像素率偏移校正，增益校正，伽馬校正表，14位像素數(shù)據(jù)輸出，線緩沖控制器）；③配置寄存器（00～7F）；④步進電機控制器；⑤主控制器（負責系統(tǒng)同步、像素計數(shù)器控制、步進控制、照度控制、命令解釋等工作）；⑥掃描功能單元；⑦通信接口；⑧系統(tǒng)時鐘發(fā)生器。采用＋5V電源供電，最大工作電流為136，最大待機電流為175μA。27圖6281.模擬輸入通道模擬輸入通道的電路框圖如圖7所示。圖729圖中的C為傳感器的耦合電容。該電路可對由傳感器產(chǎn)生的紅、綠、藍3路模擬圖像信號（（R)、（G)、（B)）進行處理。以紅色信號通道（（R)）為例，A1、A2均為可編程增益放大器，A1的增益設(shè)定范圍是G1＝1或3，A2的增益設(shè)定范圍是G2＝0.93～3。偏置的最大偏移校準量為±278。Σ代表求和器（即加法器），1～3分別為各級的補償電壓。經(jīng)過模擬前端處理后信號的最大峰-峰值為1.9－P，再送至14位轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。輸出數(shù)字量的表達式為＝｛［（（R)＋1）G1＋＋2］G2＋3｝C（2）式中，C＝8192代碼／V。302.數(shù)字信號處理單元1）像素處理級像素處理級可用類似于做除法運算來降低傳感器的光學分辨率，除數(shù)依次為1、1.5、2、3、4、6、8或12。對于一個1200的光學系統(tǒng)，利用這些除數(shù)可分別得到1200、800、600、400、300、200、150和100的水平分辨率。垂直分辨率則由步進電機的速度所控制。31對鄰近像素取平均值可降低水平方向的分辨率。與簡單地去掉像素來降低分辨率的方法相比，取平均值能獲得較好的圖像質(zhì)量。例如，為了從一個300的光學傳感器上得到100的分辨率，對3個300的像素取平均后即可得到如果在一行的末尾沒有足夠的像素構(gòu)成一個完整的像素，那么最后一個像素就被刪去。（3）322）像素率偏移校正對的每個像素進行偏移校正的字存儲在外部中，并以像素率的形式來存取。偏移校正方程為輸出像素＝輸入像素－系數(shù)（4）3）像素率增益校正像素率增益校正是一個數(shù)字乘法器，它用一個對應(yīng)于該像素增益誤差的16位數(shù)字校正系數(shù)與減法器輸出的字相乘。這些系數(shù)存儲在外部中，以像素率的形式來存取。增益方程為輸出像素＝輸入像素×（系數(shù)／16384）（5）334）伽瑪校正表對應(yīng)于R、G和B，有三個γ校正表。伽瑪校正表亦稱圖像灰度校正表，用它可繪制圖像的γ曲線，反映出原圖像與處理結(jié)果之間的中間像素亮度變化情況。345）14位輸出模式9832也支持14位輸出模式。這種模式可用來獲得精確的校正數(shù)據(jù)，或用來掃描14位灰度／42位彩色圖像。此時伽瑪校正不起作用。356）線緩沖控制器9832支持兩種存儲量的，一種是256K×16位，另一種是1M×16位。的讀／寫時序如圖8所示。圖8363.步進電機控制器步進電機控制器給步進電機發(fā)送一系列脈沖，使步進電機移動傳感器通過紙張。移動速度不僅與所用傳感器有關(guān)，而且它和圖像傳感器的積分時間還決定了垂直分辨率（每英寸的線數(shù)，即）。步進電機究竟是向前移動還是向后移動，則由A、B兩個信號來決定，二者的相位差為90°。371）滿步進模式在滿步進模式下，A、B信號均為方波，它們的波形如圖9所示。9832通常以微步進為單位來計算步進電機的步數(shù)，一個滿步進等于4個微步進，即使9832在滿步進方式時，也按微步進計數(shù)，每4個微步進增加一個滿步進數(shù)。圖9382）微步進模式微步進是用一個階梯形的近似正弦波來驅(qū)動步進電機的技術(shù)，其波形如圖10所示。該技術(shù)不僅能提高步進電機的分辨率（它具有細化作用），進而提高掃描儀的最大垂直分辨率，還可使電機運行得更加平穩(wěn)。例如，若步進電機每個滿步進移動3.6°，則微步進在3.6°的范圍內(nèi)可以產(chǎn)生0.9°、1.8°、2.7°這三個位置，使掃描儀的最大垂直分辨率提高4倍。圖1039微步進正弦波的振幅受步進電機的輸出控制，振幅波形如圖11所示。步進電機繞組中的電流值可通過測量電流檢測電阻（）兩端的壓降而計算出來。步進電機驅(qū)動信號經(jīng)過脈寬調(diào)制（）后迫使通過線圈的平均電流等于／。圖11403）用控制步進電機的電流在步進電機中可使用一個選項來進行電流脈寬調(diào)制，增加高速轉(zhuǎn)矩，提高效率并允許使用電流較低、價格便宜的步進電機。精確控制步進電機的電流有以下優(yōu)點：第一，在滿步進模式下能快速啟動電機，例如當電機完全停止時把電流增加到100%，就能克服慣性，迅速啟動電機；等電機移動完設(shè)定的步數(shù)后再把電流降到70%，可減少步進電機產(chǎn)生的熱量；第二，在微步進模式下可用產(chǎn)生如圖10所示的近似正弦波（參見p39）。414.掃描儀支持的功能1）照明控制掃描儀系統(tǒng)需要給圖像掃描提供光源。該光源可發(fā)白光（典型情況下用冷陰極輝光放電燈管），亦可采用紅色、綠色或藍色。9832有四種照明模式可供選擇。以照明模式1為例，照明燈應(yīng)接到引腳，計數(shù)器的時鐘為48，輸出頻率為484096=11.7。該可用于控制熒光燈的亮度。422）控制單元控制傳感器的時鐘信號，選擇信號的極性，關(guān)閉。3）外部接口9832支持2種規(guī)格的外部：256K×16和1M×16。中的48K字（16K像素×3種顏色）用于存儲增益系數(shù)，另外48K字（16K像素×3種顏色）用于存儲偏移系數(shù)。4）紙張感知和1～2、1～6這8個引腳，用于感知紙張、顯示、用戶開始鍵等。其中，1～2引腳專用于輸入，1～6可構(gòu)成輸入或輸出。435）功能擴展還可增加了選擇掃描、復制、傳真、電子郵件等功能的多個按鍵。利用9832的引腳，可實現(xiàn)上述功能。由A、B、C、D、E、F、G這7個按鍵組合成3條線的電路如圖12所示。只要對寄存器2中的數(shù)據(jù)進行解碼，即可確定是哪個鍵被按下了，再通過計算機執(zhí)行相應(yīng)的功能，真正實現(xiàn)彩色掃描儀的優(yōu)化設(shè)計。圖12444單片彩色掃描儀的電路設(shè)計由9832構(gòu)成單片彩色掃描儀的典型電路如圖13所示。圖中的為步進電機的電流檢測電阻。1～4為外部驅(qū)動管。圖13459832使用接