彩色掃描儀原理及優(yōu)化設(shè)計(jì)課件

彩色掃描儀原理及優(yōu)化設(shè)計(jì)

學(xué)術(shù)交流1彩色掃描儀的原理及優(yōu)化設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)5結(jié)語(yǔ)20引言

掃描儀（）是一種光、電、機(jī)一體化的高科技產(chǎn)品，它是繼鍵盤和鼠標(biāo)之后又一代用途廣泛的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備。掃描儀自20世紀(jì)80年代初問世以來(lái)，就以其獨(dú)特的數(shù)字化“圖像”采集能力、低廉的價(jià)格和優(yōu)良的性能，深受人們的青睞，被譽(yù)為計(jì)算機(jī)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(gè)像素為1位(1)，用0或1來(lái)代表黑或白。這是最簡(jiǎn)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(gè)灰度等級(jí)，并且用一個(gè)8位字節(jié)來(lái)表示一個(gè)像素。3）彩色掃描儀首先產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于紅、綠、藍(lán)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(lái)掃描黑白圖像。4b.按外形分類1）平板式掃描儀（亦稱臺(tái)式掃描儀）將待掃材料靜止放置在平臺(tái)玻璃板上，通過控制步進(jìn)電機(jī)和移動(dòng)光源（燈管）來(lái)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(dòng)待掃材料來(lái)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(dòng)掃描儀（含光源）來(lái)完成掃描的。價(jià)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(shí)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(jī)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(duì)隆起的書脊甚至實(shí)物都可得到清晰的掃描效果。缺點(diǎn)是成本較高，掃描后對(duì)圖像數(shù)據(jù)的處理也相對(duì)復(fù)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(jiǎn)單，不需要預(yù)熱。缺點(diǎn)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(shí)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(dòng)態(tài)密度范圍、溫度特性等指標(biāo)均優(yōu)于及。最難能可貴的是它的輸出信號(hào)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(zhǔn)確的色彩還原。但其價(jià)格昂貴，少則幾十萬(wàn)元，多則幾百萬(wàn)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(dòng)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(dǎo)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(jì)算機(jī)的通信接口有以下四種：（，增強(qiáng)型并行口）（通用串行接口）（，小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口）1394（，又稱火線接口）。9表2掃描儀與計(jì)算機(jī)的4種通信接口接

口

類

型EPPUSB1.1USB2.0SCSIIEEE1394接

口

名

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

要

特

點(diǎn)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(shí)支持64個(gè)設(shè)備101.2掃描儀的主要技術(shù)指標(biāo)1.分辨率分辨率亦稱光學(xué)分辨率，它表示對(duì)圖像細(xì)節(jié)的識(shí)別能力，通常用每英寸長(zhǎng)度上掃描圖像所含像素的個(gè)數(shù)來(lái)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(diǎn)：第一，供印刷用的掃描圖像分辨率通常用（，每英寸長(zhǎng)度上所能分辨的線數(shù)）來(lái)表示。數(shù)值越高，印刷質(zhì)量越高，圖像的網(wǎng)點(diǎn)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(bào)紙僅為65～85。令縮放比例為Q，有公式＝（1）舉例說明，當(dāng)掃描分辨率為300，Q＝2（放大2倍）時(shí)，印刷線數(shù)應(yīng)為300/2＝150。縮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(jí)數(shù)來(lái)遞增的。選擇掃描儀時(shí)不要盲目追求高分辨率，應(yīng)根據(jù)實(shí)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(xué)分辨率，以采集盡可能豐富的圖像細(xì)節(jié)。如果最終并不準(zhǔn)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(xì)節(jié)，文件又不至于十分龐大。如果僅做屏幕顯示和網(wǎng)頁(yè)素材用，可根據(jù)最終需要的圖片大小來(lái)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(guó)內(nèi)某些掃描儀是用兩個(gè)數(shù)值相乘的形式來(lái)表示分辨率的，例如寫成“600×1200”，這很容易造成混淆。因?yàn)閽呙鑳x最重要的是“光學(xué)”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(jī)械”分辨率（也叫垂直分辨率），表示掃描儀中的馬達(dá)每次可移動(dòng)1/1200英寸。即使機(jī)械分辨率再高，對(duì)提高圖像質(zhì)量并無(wú)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(biāo)，那是用內(nèi)插法計(jì)算出來(lái)的分辨率，沒有實(shí)際意義。142.灰度級(jí)灰度級(jí)表示灰度圖像的亮度層次范圍，灰度級(jí)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(jí)。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(gè)像素上顏色數(shù)據(jù)的位數(shù)（）來(lái)表示。例如，24位彩色掃描儀的每個(gè)像素顏色用24位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示，總共有224＝1.6777216千萬(wàn)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(shí)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(shí)間來(lái)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下從原稿的下面移動(dòng)，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(lán)（B）三條彩色光帶分別照到各自的上，轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后通過等接口送至計(jì)算機(jī)。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(dòng)，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?jì)算機(jī)中并存儲(chǔ)下來(lái)，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(diǎn)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(fù)雜。1999年～2001年，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)彩色掃描儀電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)和大幅度降低成本創(chuàng)造了良好條件。美國(guó)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(diǎn)（1）帶接口的單片圖像掃描系統(tǒng)，可提供構(gòu)成一臺(tái)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(jìn)電機(jī)控制器和接口。允許設(shè)計(jì)成總線供電的掃描儀。在裝有接口的計(jì)算機(jī)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(dá)16384像素×3色（1200×13.6英寸的傳感器。其外圍元件僅需一個(gè)用于數(shù)據(jù)緩存的4或16的，以及步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)管。23（3）采用1200傳感器時(shí)，水平分辨率可選1200、800、600、400、300、200、150或100。采用600傳感器時(shí)，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(zhǎng)為1。對(duì)A4彩色幅面而言，當(dāng)水平分辨率分別為150、300、600時(shí)，掃描時(shí)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(shí)現(xiàn)時(shí)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(dòng)校準(zhǔn)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(dāng)曲線向下移動(dòng)時(shí)，圖像的相應(yīng)像素就變暗；向上移動(dòng)時(shí)，像素就變亮。圖像的對(duì)比度可通過調(diào)整曲線的斜率來(lái)改變。斜率越大，對(duì)比度越大；斜率越小，對(duì)比度越小。25（5）采用脈寬調(diào)制（）法控制步進(jìn)電機(jī)的微步進(jìn)。（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(jī)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(hào)處理單元（包含像素處理級(jí)，像素率偏移校正，增益校正，伽馬校正表，14位像素?cái)?shù)據(jù)輸出，線緩沖控制器）；③配置寄存器（00～7F）；④步進(jìn)電機(jī)控制器；⑤主控制器（負(fù)責(zé)系統(tǒng)同步、像素計(jì)數(shù)器控制、步進(jìn)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(shí)鐘發(fā)生器。采用＋5V電源供電，最大工作電流為136，最大待機(jī)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(duì)由傳感器產(chǎn)生的紅、綠、藍(lán)3路模擬圖像信號(hào)（（R)、（G)、（B)）進(jìn)行處理。以紅色信號(hào)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(zhǔn)量為±278。Σ代表求和器（即加法器），1～3分別為各級(jí)的補(bǔ)償電壓。經(jīng)過模擬前端處理后信號(hào)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(dá)式為＝｛［（（R)＋1）G1＋＋2］G2＋3｝C（2）式中，C＝8192代碼／V。302.數(shù)字信號(hào)處理單元1）像素處理級(jí)像素處理級(jí)可用類似于做除法運(yùn)算來(lái)降低傳感器的光學(xué)分辨率，除數(shù)依次為1、1.5、2、3、4、6、8或12。對(duì)于一個(gè)1200的光學(xué)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(jìn)電機(jī)的速度所控制。31對(duì)鄰近像素取平均值可降低水平方向的分辨率。與簡(jiǎn)單地去掉像素來(lái)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(gè)300的光學(xué)傳感器上得到100的分辨率，對(duì)3個(gè)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(gè)完整的像素，那么最后一個(gè)像素就被刪去。（3）322）像素率偏移校正對(duì)的每個(gè)像素進(jìn)行偏移校正的字存儲(chǔ)在外部中，并以像素率的形式來(lái)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(gè)數(shù)字乘法器，它用一個(gè)對(duì)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(chǔ)在外部中，以像素率的形式來(lái)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(duì)應(yīng)于R、G和B，有三個(gè)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(lái)獲得精確的校正數(shù)據(jù)，或用來(lái)掃描14位灰度／42位彩色圖像。此時(shí)伽瑪校正不起作用。356）線緩沖控制器9832支持兩種存儲(chǔ)量的，一種是256K×16位，另一種是1M×16位。的讀／寫時(shí)序如圖8所示。圖8363.步進(jìn)電機(jī)控制器步進(jìn)電機(jī)控制器給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送一系列脈沖，使步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)傳感器通過紙張。移動(dòng)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(shí)間還決定了垂直分辨率（每英寸的線數(shù)，即）。步進(jìn)電機(jī)究竟是向前移動(dòng)還是向后移動(dòng)，則由A、B兩個(gè)信號(hào)來(lái)決定，二者的相位差為90°。371）滿步進(jìn)模式在滿步進(jìn)模式下，A、B信號(hào)均為方波，它們的波形如圖9所示。9832通常以微步進(jìn)為單位來(lái)計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)，一個(gè)滿步進(jìn)等于4個(gè)微步進(jìn)，即使9832在滿步進(jìn)方式時(shí)，也按微步進(jìn)計(jì)數(shù)，每4個(gè)微步進(jìn)增加一個(gè)滿步進(jìn)數(shù)。圖9382）微步進(jìn)模式微步進(jìn)是用一個(gè)階梯形的近似正弦波來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)，其波形如圖10所示。該技術(shù)不僅能提高步進(jìn)電機(jī)的分辨率（它具有細(xì)化作用），進(jìn)而提高掃描儀的最大垂直分辨率，還可使電機(jī)運(yùn)行得更加平穩(wěn)。例如，若步進(jìn)電機(jī)每個(gè)滿步進(jìn)移動(dòng)3.6°，則微步進(jìn)在3.6°的范圍內(nèi)可以產(chǎn)生0.9°、1.8°、2.7°這三個(gè)位置，使掃描儀的最大垂直分辨率提高4倍。圖1039微步進(jìn)正弦波的振幅受步進(jìn)電機(jī)的輸出控制，振幅波形如圖11所示。步進(jìn)電機(jī)繞組中的電流值可通過測(cè)量電流檢測(cè)電阻（）兩端的壓降而計(jì)算出來(lái)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(jìn)電機(jī)的電流在步進(jìn)電機(jī)中可使用一個(gè)選項(xiàng)來(lái)進(jìn)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(jià)格便宜的步進(jìn)電機(jī)。精確控制步進(jìn)電機(jī)的電流有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，在滿步進(jìn)模式下能快速啟動(dòng)電機(jī)，例如當(dāng)電機(jī)完全停止時(shí)把電流增加到100%，就能克服慣性，迅速啟動(dòng)電機(jī)；等電機(jī)移動(dòng)完設(shè)定的步數(shù)后再把電流降到70%，可減少步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的熱量；第二，在微步進(jìn)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(lán)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(jì)數(shù)器的時(shí)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(shí)鐘信號(hào)，選擇信號(hào)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(chǔ)增益系數(shù)，另外48K字（16K像素×3種顏色）用于存儲(chǔ)偏移系數(shù)。4）紙張感知和1～2、1～6這8個(gè)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(kuò)展還可增加了選擇掃描、復(fù)制、傳真、電子郵件等功能的多個(gè)按鍵。利用9832的引腳，可實(shí)現(xiàn)上述功能。由A、B、C、D、E、F、G這7個(gè)按鍵組合成3條線的電路如圖12所示。只要對(duì)寄存器2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，即可確定是哪個(gè)鍵被按下了，再通過計(jì)算機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的功能，真正實(shí)現(xiàn)彩色掃描儀的優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖12444單片彩色掃描儀的電路設(shè)計(jì)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(jìn)電機(jī)的電流檢測(cè)電阻。1～4為外部驅(qū)動(dòng)管。圖13459832使用接