导论作业终稿

1、扫描仪的应用与发展状况内容摘要：本文介绍了扫描仪在国际和中国的发展状况，着重介绍了CCD与CIS技术以及三维扫描仪技术与应用，无论何种类型的扫描仪，它们的工作过程都是将光信号转变为电信号。所以，光电转换是它们的核心工作原理。扫描仪的性能取决于它把任意变化的模拟电平转换成数值的能力。最后，介绍了扫描仪存在的问题以及未来发展趋势。 关键词：扫描仪，CCD，CIS，三维扫描仪 正文：扫描仪是利用光学传感器将光信号转换为电信号，并通过模拟到数字信号转换得到可以显示、编辑、存储和输出的数字图像的光机电一体化设备。作为一种光机电一体化的电脑外设产品，扫描仪是继鼠标和键盘之后的第三大计算机输入设备，它可将影

2、像转换为计算机可以显示、编辑、储存和输出的数字格式，是功能很强的一种输入设备。一、扫描仪国际发展状况扫描仪已有数十年历史，但由于技术含量较高，普通用户不易掌握，扫描仪进入大众家遭遇坎坷。近年 来，数码相机的出现也冲击了它的普及。然而，扫描仪产品并未“气数已尽”，它的技术依然再向着更高超的方向发展，它的应用领域也向着更为广阔的方向发展。其发展趋势大致表现在五个方面：(1) 越来越高效化,速度成为判别扫描仪产品性能优劣的关键。传统扫描仪在扫描时间、扫描方式、扫描质量等等方面存在很大提升空间，这一点从目前各种扫描仪的扫描速度差异能够明显看出。 Diynews 浅谈扫描仪产品发展趋势 2010-12-

3、03因此，扫描速度越快的产品越来越受到市场的欢迎，人们在购买扫描仪时以扫描仪能否显著提高办公效率来衡量扫描仪的性能。(2) 功能扩展，具备越来越多的整合功能，传统的扫描仪往往只能扫描纸质文件，无法完成文件处理、图片制作、电子邮件、网络传真等任务，降低办公的效率，因此整合后的扫描仪将提供了实现一体化办公的技术基础。(3) 追求更高的性价比。基于第一点，寻求物美价廉的扫描仪将成为这个行业的主流意识。找到速度，质量和价格的平衡点是厂家吸引消费者的关键。只有对消费者和消费行业的使用特点进行越来越多的深化和细分，才能持续不断的推出具备市场应用的实用产品。(4) 追求体积小、便携化。商务手机、手提电脑等等

4、装备，已经让移动商务人群越来越专业化。这些人需要随时随地进行资讯交流。而展会经济、商业博弈本身对资讯获得能力的要求，也对即时扫描有越来越多的要求，因此扫描仪走向便携化也是扫描仪产业发展的必然趋势。而且，体积较大的台式扫描仪也因为过于占用办公空间而逐渐遭到市场的淘汰。(5) 发展新兴的三维扫描仪。三维扫描仪的用途是创建物体几何表面的 点云（point cloud），这些点可用来插补成物体的表面形状，越密集的点云可以创建更精确的模型（这个过程称做三维重建）。三维扫描仪主要在文物保护、城市建筑测量、地形测绘、采矿业、变形监测、工厂、大型结构、管道设计、飞机船舶制造、公路铁路建设、隧道工程、桥梁改建等

5、领域里应用。可快速建立结构复杂、不规则的场景的三维可视化模型。 fr3000 三维扫描仪 2012-3-16目前上市的扫描仪产品质量参差不齐，其中高性能的代表是柯尼卡美能达公司生产的非接触式三维扫描仪RANGE7/RANGE5，其对不同外形轮廓的工业部件，包括冲压件、加工件、模具、成型件、铸件以及注塑件，瞬间扫描并将其转换为三维数据。数据模型可以精确的在电脑屏幕上重现。使用选配应用软件，通过对比这个扫描数据和三维CAD设计数据，可以快速获得软件自动导出的检测报告，包括全局误差、界面误差、壁厚分配以及GD&T（几何尺寸及公差）。还有佳能的DR-6010C,便携式扫描仪枫林X200,松下高速扫描仪

6、KV-S1065C等。二CCD技术和CIS技术及其差别 (1)CCD技术：CCD扫描仪的工作原理：1开始扫描时，机内光源发出均匀光线照亮玻璃面板上的原稿，产生表示图像特征的反射光(反射稿)或透射光(透射稿)。反射光经过玻璃板和一组镜头，分成红绿蓝3种颜色汇聚在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步进电机驱动扫描头在原稿下面移动，读取原稿信息。扫描仪的光源为长条形，照射到原稿上的光线经反射后穿过一个很窄的缝隙，形成沿x方向的光带，经过一组反光镜，由光学透镜聚焦并进入分光镜。经过棱镜和红绿蓝三色滤色镜得到的RGB三条彩色光带分别照到各自的CCD上，CCD将

7、RGB光带转变为模拟电子信号，此信号又被AD转换器转变为数字电子信号。3反映原稿图像的光信号转变为计算机能够接受的二进制数字电子信号，最后通过 USB等接口送至计算机。扫描仪每扫描一行就得到原稿x方向一行的图像信息，随着沿y方向的移动，直至原稿全部被扫描。经由扫描仪得到的图像数据被暂存在缓冲器中，然后按照先后顺序把图像数据传输到计算机并存储起来。当扫描头完成对原稿的相对运动，将图稿全部扫描一遍，一幅完整的图像就输入到计算机中去了。4数字信息被送入计算机的相关处理程序，在此数据以图像应用程序能使用的格式存在。最后通过软件处理再现到计算机屏幕上。所以说，CCD扫描仪的工作原理就是利用光电元件将检测

8、到的光信号转换成电信号，再将电信号通过模拟数字转换器转化为数字信号传输到计算机中。无论何种类型的扫描仪，它们的工作过程都是将光信号转变为电信号。所以，光电转换是它们的核心工作原理。扫描仪的性能取决于它把任意变化的模拟电平转换成数值的能力。（2）接触式图像传感器采用高品质的CMOS影像芯片,表面玻璃,以不同波长的颗粒排列成矩阵而成的多光谱光源、透镜阵列、图像传感器单元阵列、控制和信号放大电路以及输入输出接口组成；多光谱光源和透镜阵列形成光路系统，用于发射光线并将物体的反射光聚焦到图像传感器单元阵列上；控制、信号放大电路和输入输出接口构成电路系统，用于控制多光谱光源的发光时间和时机、小信号的放大以

9、及生成输入输出信号的时序控制。它的主要组成部分是用于感光系统的硅材料和发光二级管。硅材料表面部分被分割成能分若干个正方形感光单元（以5000个图像单元为例），每个感光单元的大小取决于每英寸单元数量，英寸单元数量又取决于扫描分辨率（CIS 600dpi分辨率的扫描仪，它的图像单元间距是1/600英寸），因此 扫描分辨率越高，感光单元就越大 ，扫描仪就越精确。而现实中由于它的分辨率有限，因此 还不足以满足小字体的OCR精度。光学系统是一个条形的透镜列阵它直接将扫描原稿表面投射到硅材料表面，以11的比例对原稿进行扫描，从而没有放大或缩小原稿，从而能更好的保留原稿的精度。LED（发光二级管）发出的光源

10、一次直接将光照射到原稿上。三种颜色发光二极管（红、绿、蓝）通过快速的切换发光提供扫描所需要的三原色。值得注意的是在光学系统和感光系统中没有滤色装置， CIS扫描仪的色彩范围是由每组发光二极管的光谱决定，光谱越长，扫描仪扫描到的色彩范围越广泛。接触式图像传感器的快速的切换发光二极管是不需要预热的，因此CIS扫描仪能够立即通电使用。更进一步说，发光二极管的光源非常的稳定因此CIS扫描仪不需要频繁的进行校准。CCD扫描技术由于采用光学成像器件，扫描出的图像色彩与亮度都非常均匀，而且由于采用高亮度光源，所以可以达到非常高的色彩分辨率。而CIS技术使用的是大面积感光器件，在目前还很难保证扫描的均匀度，而

11、且由于使用的是亮度较低的二极管发光器件，所以CIS的色彩分辨率也不如CCD出色。因此，CCD成像技术的扫描仪能够满足客户对色彩的较高要求，而客户对色彩需求不严格的话，就可以采用CIS技术的扫描仪。总的来说，CCD扫描仪需要一整套光学系统，所以它的组成部件相对复杂，体积相对来说较大，冷阴极光管作为光源，在扫描之前要进行一分钟左右的预热，由于扫描成像过程要通过一系列透镜和反射镜完成成像，所以会产生一定的色彩偏差和光学像差，要通过扫描软件进行校正。CIS扫描仪由于不能使用镜头，只能压近原稿扫描，扫描精度较低。另外，CIS采用LED发光二极管作为光源，这种光源在光色和均匀度方面都相对较差，色域也比CC

12、D原理的扫描仪要窄，色彩也不如CCD丰富，而且它的光源寿命也较短。三、三维扫描仪技术及其应用（1）三维扫描仪技术：三维表面数据采集方法可以分为接触式和非接触式两大类。其中，接触式的测量方式是基于力变形原理的触发式，最主要的产品是三坐标测量机，本文不做详细介绍。非接触式扫描仪利用激光成像，下面详细介绍三维激光扫描仪的成像原理的关键技术：1成像原理：三维激光扫描的基本思想是用具有特殊结构形状的激光光源投射到待测物体上，由于光的干涉现象通常表现为光强在空间作相当稳定的明暗相间条纹分布，所以形成的条纹也会体现出明暗相间的特点。提取物体的深度信息是扫描仪系统最主要的任务，而提取深度信息目前一种最通用最有

13、效的做法就是双目视觉的原理空间的一个特征，不失一般性的，可以认为是一个点，在两个不同位置的摄像机上成像的位置不同，我们称之为“视差”，利用摄像机的参数，可以计算出其深度信息，所以用左右两侧光来获取物体表面的三维信息。然后再使激光发生器和左右摄像机同步围绕被测物体旋转，从而快速获取被测物体表面的三维坐标数据。 三维激光扫描仪计量性能研究 钱征宇 杨慧敏 2010-4误差分析及解决办法：研究和实验表明，影响三维激光扫描系统测量精度的因素较多，主要有离散误差、环境光背景噪声、特征提取的精度、镜头畸变、标定误差、表面散斑、摄像头景深、图像信号的稳定性等，其中以标定误差、镜头景深（尤其是较大零件的测量）

14、的影响为最。针对以上各种因素，提高成像精度常见的措施有：图像的亚象素提取技术提高视觉传感器的分辨能力；改进标定模型和标定方法降低标定误差；尝试不同的硬件和结构提高镜头的景深。2关键性技术：21摄像机标定：摄像机标定就是从 CCD 摄像机获取的图像信息出发来计算三维空间中物体的几何信息，并由此重建和识别物体。而空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系是由摄像机成像的几何模型决定的，这些几何模型参数就是摄像机参数。在大多数条件下这些参数必须通过实验与计算才能得到，这个过程被称为是摄像机标定。2.2误差分析及解决办法：研究和实验表明，影响三维激光扫描系统测量精度的因素较多，主要

15、有离散误差、环境光背景噪声、特征提取的精度、镜头畸变、标定误差、表面散斑、摄像头景深、图像信号的稳定性等，其中以标定误差、镜头景深（尤其是较大零件的测量）的影响为最。针对以上各种因素，提高成像精度常见的措施有：图像的亚象素提取技术提高视觉传感器的分辨能力；改进标定模型和标定方法降低标定误差；尝试不同的硬件和结构提高镜头的景深。23散乱数据点的消除：在三维扫描过程中，由于外界环境及仪器自身因素的影响，激光扫描到的数据点可能会重叠，也可能会有少部分的无用点，即噪声点，并且这些点都是没有规律且具有散乱数据点的性质。由于这些不属于扫描实物的本身的数据也被记录到了数据文件中，必须先予以删除。从实际扫描数

16、据的分析中发现，散乱数据一般都是孤立的数据点或数据点列，其周围缺乏必要的与其它数据点的联系，所以常见的三维扫描仪会设计一个小型滑动窗，以每一个数据点为中心，调整一定的距离阈值，判断其相邻的数据行上的点是否在此阈值之内，如果在，则表明此数据点在物体扫描数据的聚集中，保留此数据点，反之，则删除。24点云数据的压缩处理：采用激光扫描法采集的数据量往往十分密集，这样的数据通常形象的被称为“点云”数据。随着测量精度要求的提高，三维激光扫描仪获取的很多“点云”数目包含大量的冗余数据，因此要对“点云”数据进行筛选压缩处理。一般的筛选压缩方法就是设定一个最小距离然后沿扫描线方向比较相邻两点的距离，小于阈值的就

17、删除；还可以连接扫描线首末两点，从中间点中选取与两点距离最接近的点作为中断点，然后以第一点与中间点之间、中间点与最后一点之间重复上述过程，知道所求的距离小于某一固定阈值中止，将点排序即可。（2）三维扫描仪的应用：1 逆向工程：扫描实物，逆向设计，建立CAD数据；或扫描模型，建立用于检 三维激光扫描系统的关键性技术研究 王建文 杜春梅 2010-5-31测部件表面的三维数据。2 检测领域：生产线质量控制和曲面零件的形状检测。通过扫描出的数据和物件三维数据的比对，直观的显示出实物与三维数据的误差，方便后期的实物修正。3 快速成型(RP)：使用由RP创建的真实模型，建立和完善产品设计。4 文物扫描领

18、域：扫描文物的外形，建立文物原型数字博物馆，实现对文物的外形完整的永久保存。5 女士内衣及服装行业：实现真正意义上的量体裁衣，或建立服装的立体模型库，使顾客在网络上实现立体试衣。6 制鞋行业：通过扫描出鞋底和鞋楦的数据，快速制造出新样式的鞋，并且能够能够通过鞋楦的数据计算出使用的布料，减少生产成本。7 医疗：可以应用在牙齿及畸齿矫正中上，并且能够实现整容手术前后的真实对比。8 科学研究：计算机视觉、计算几何、考古研究9 其他领域：文物、艺术品的录入和电子展示，彩色扫描，有限元分析的数据捕捉，陶瓷行业，人体测量领域。 四、扫描仪中国发展状况(1)研发产品及其单位状况：佳能（中国）蝉联品牌关注榜的榜首，中晶位居次席；品牌榜第三至第七位排名均发生了变动，其中爱普生超越惠普位居第三，而汉王则是上升两个位次位居榜单第五名。产品榜上，佳能包揽前两位，其中佳能 LiDE 110夺得产品关注榜冠军；爱普生有三款产品上榜；另外，中晶、汉王和惠普均有产品上榜。商业应用类型的产品占据了超过六成的市场关注份额；2001-5000元价格段的产品最受市场青睐，关注比例达25.3%；CIS扫描元件的产品关注比例上涨，为23.