扫描仪的应用

扫描仪的应用第1页，共34页，2023年，2月20日，星期六

自1984年第一台平板式扫描仪面世至今，扫描仪已经发展成为除键盘和鼠标之外被广泛应用于计算机的输入设备。

作为光电、机械一体化的高科技产品，自问世以来以其独特的数字化“图像”采集能力，以及优良的性能，得到了迅速的发展和广泛的普及。

第2页，共34页，2023年，2月20日，星期六扫描仪按外观可分为：滚筒式扫描仪、平板式扫描仪、便携式扫描仪；还有更加细化的分类：如3D扫描仪，笔式扫描仪，馈纸式扫描仪，实物扫描仪等。而平板式扫描仪作为目前的主流机型得到了广泛的应用。第3页，共34页，2023年，2月20日，星期六滚筒式扫描仪便携式扫描仪第4页，共34页，2023年，2月20日，星期六平板扫描仪第5页，共34页，2023年，2月20日，星期六扫描仪扫描图像方式：一般来讲，扫描仪扫描图像的方式大至有三种，即：1.以光电耦合器(CCD)为光电转换元件的扫描。多数平板式扫描仪使用光电耦合器(CCD)为光电转换元件，它在图像扫描设备中最具代表性。2.以接触式图像传感器CIS(或LIDE)为光电转换元件的的扫描绝大多数手持式、便携式扫描仪采用CIS技术。LIDE(LEDInDirectExposure)二极管直接曝光技术是一种基于CIS技术的革新技术，它使用三色二极管作为光源。

第6页，共34页，2023年，2月20日，星期六3.以光电倍增管(PMT)为光电转换元件的扫描。光电倍增管(PMT)为滚筒式扫描仪采用的光电转换元件。在所有的扫描技术中，光电倍增管是性能最为优秀的一种，其灵敏度、噪声系数、动态密度范围等关键性指标远远超过了CCD及CIS等感光器件。同样，这种感光材料几乎不受温度的影响，可以在任何环境中工作。但是这种扫描仪的成本极高，一般只用在最专业的滚筒式扫描仪上。光电倍增管在各种感光器件中是生产成本最高的，而且由于一次只能扫描一个像素，因此扫描速度很慢，扫描一张图需要几十分钟。因此，它现在只用在最专业的鼓式(大滚筒)扫描仪上，这种扫描仪的价格少则几十万元，多则几百万元，是一种可望而不可及的贵族产品。第7页，共34页，2023年，2月20日，星期六CCD扫描仪与CIS扫描仪相比较对比两种扫描仪产品，CCD型扫描仪占有明显的优势，但CIS型扫描仪也并非一无是处。1.CCD型扫描仪应用非常广泛。CIS型扫描仪应用范围较窄。CCD扫描仪和CIS扫描仪相比发展的时间较长，技术相对成熟，可适用于高、中、低档扫描仪，扫描图像的品质相对较好。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CCD原理的扫描仪要窄，色彩也不如CCD丰富，扫描精度较低。

第8页，共34页，2023年，2月20日，星期六2.CCD扫描仪需要一整套光学系统，包括照明冷光源和多个反光镜和光学镜头，通过复杂的光路在CCD传感器件表面成像。所以它的组成部件相对复杂，体积相对来说较大，成本相对较高。CIS感光元件本身足以完成成像任务，具有模块化设计，扫描光源、传感器、放大器集成为一体，结构、原理和光路都极为简单。组装非常容易，能够降低设计制造成本，而且产品的体积可以设计得更薄、更小。第9页，共34页，2023年，2月20日，星期六3.扫描后对图像数据的处理也相对复杂。

需要通过一系列透镜、反射镜成像，所以会产生色彩偏差和光学像差，一般需要通过扫描软件进行色彩校正。由传感器直接从稿件表面获取图像，理论上不会产生色偏和像差，能获得最接近原稿的图像效果。第10页，共34页，2023年，2月20日，星期六4.CCD扫描仪因为采用光学镜头成像于CCD表面，所以它具有一定的景深，对隆起的书脊，甚至实物都可以得到清晰的扫描效果。CIS扫描头利用传感器从扫描物体表面得到图像，依靠直接接收反射光成像，技术含量相对较低，景深很小，扫描的层次有些不足，对扫描摆放不平的文稿和图片显得有些力不从心，待扫描物体必须平整地放在扫描仪上。CCD的景深至少是CIS的10倍，这意味着CCD扫描仪在一定范围内对3D物体的扫描是清楚而生动的，

而CIS扫描仪扫描略微凹凸不平的物体时，输出的图像常会出现模糊和散焦的情况。第11页，共34页，2023年，2月20日，星期六5.CCD扫描仪一般使用冷阴极管做光源，这种光源需要1分钟左右的预热才能稳定发光，扫描仪打开后不能立刻使用。CIS型扫描仪随时开机都可以进行扫描，在工作时还无需预热，开机即可扫描，没有明显的等待时间。在大大提高了工作效率的同时，也符合了国家所提倡的能源节约理念。第12页，共34页，2023年，2月20日，星期六6.高质量的CCD感光元件能保证在质量不变的情况下使用10000小时，而目前的CIS扫描仪的发光元件在使用500小时后，其亮度平均降低30％，也就是说CIS扫描仪的发光元件寿命较短。虽然CIS发光元件寿命较短，但CIS扫描头价格便宜，更换很方便。此外，CIS扫描仪由于二极管光源及扫描头移动所需要的功耗极小，这类产品通过PC机的USB端口提供所需的电力即可工作。第13页，共34页，2023年，2月20日，星期六第14页，共34页，2023年，2月20日，星期六一、平板扫描仪的组成结构从图中可以看出，扫描仪主要由上盖、原稿台、光学成像部分、光电转换部分、机械传动部分组成。

第15页，共34页，2023年，2月20日，星期六光学部分是扫描仪的“眼睛”，用来获取原稿反射的光信息。它包括以下主要部件：灯管、反光镜、镜头以及电荷耦合器件(CCD)。光学成像部分俗称扫描头，即图像信息读取部分，它是扫描仪的核心部件，其精度直接影响扫描图像的还原逼真程度。扫描头的光源一般采用冷阴极辉光放电灯管，灯管两端没有灯丝，只有一根电极，具有发光均匀稳定、色纯度好、结构强度高、使用寿命长、耗电量小、体积小等优点。第16页，共34页，2023年，2月20日，星期六扫描头还包括几个反光镜，其作用是将原稿的信息反射到镜头上，由镜头将扫描信息传送到CCD感光器件，最后由CCD将照射到的光信号转换为电信号。镜头是把扫描信息传送到CCD处理的最后一关，它的好坏决定着扫描仪的精度。扫描精度即是指扫描仪的光学分辨率，主要是由镜头的质量和CCD的数量决定。第17页，共34页，2023年，2月20日，星期六CCD是一个感光器件，它的作用是将照射在其上的光信号转换为相对应的电信号。CCD是排成一横行的，其中CCD里的每一个单元与每一行里的像素相对应。(每一幅图像都是由上百、上千乃至上百万个像素以格状的排列方式来表示的)。换句话说，如果你的扫描仪的扫描面每一英寸上有300CCD，那你的扫描仪在一英寸里的最大光学分辨率只有300像素，即300个dpi(DotsPerInch)。每英寸的点数是扫描仪记录影像清晰度的单位，此数值越大，扫描仪的清晰度就越高，得到的影像文件尺寸也会越大，同样，你的扫描仪每行里有600CCD单元，那么你的扫描仪最大光学分辨率就是600dpi。光学分辨率光学分辨率是指扫描仪的光学系统可以采集的实际信息量，也就是扫描仪的感光元件—CCD的实际分辨率。例如：最大扫描范围为216mm×297mm(适合于A4纸)的扫描仪，可扫描的最大宽度为8.5英寸(216mm)，它的CCD含有5100个单元，其光学分辨率为5100点/8.5英寸=600dpi。目前常见的光学分辨率有600×1200、1000×2000或者更高。由此可见，光学分辨率在某种意义上决定了一台扫描仪的品级。第18页，共34页，2023年，2月20日，星期六光电转换部分是指扫描仪内部的主板，其作用是控制各部件协调一致地动作。别看扫描仪的光电转换部分主板就这么一小块，但它却是扫描仪的“心脏”。它是一块安置有各种电子元件的印刷电路板。它是扫描仪的控制系统，在扫描仪扫描过程中，它主要完成CCD信号的输入处理，以及对步进电机的控制。包括有A／D变换器、BIOS芯片、I／O控制芯片和高速缓存(Cache)。机械部分机械部分由步进电机、齿轮、导轨和皮带构成。机械部分的运动也完全受主板的控制。第19页，共34页，2023年，2月20日，星期六A/D变换器是将模拟量(Analog)转变为数字量(Digital)的半导体元件。从CCD获取的电信号是对应于图像明暗的模拟信号，因为图像由暗到亮的变化是用从低到高的不同电平来表示的，而且它们是连续变化的，即所谓模拟量。A/D变换器的工作是将模拟量数字化，例如将0至1V的线性电压变化表示为0至9的10个等级的方法是：0至小于0.1V的所有电压都变换为数字0、0.1至小于0.2V的所有电压都变换为数字1……0.9至小于1.0V的所有电压都变换为数字9。实际上，A/D变换器能够表示的范围远远大于10，通常是28=256、210=1024或者212=4096。如果扫描仪标明的灰度等级是10bit，则说明这个扫描仪能够将图像分成1024个灰度等级，如果色彩深度为30bit，则说明红、绿、蓝各个通道都有1024个等级。等级数越高，彩色表现越丰富。第20页，共34页，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、色彩位或色阶，总之都是表示扫描仪分辨色彩或灰度细腻程度的指标，它的单位是bit(位)。色彩位确切的含义是用多少个位来表示扫描得到的一个像素。例如:1bit只能表示黑白像素，因为计算机中的数字使用二进制，所以1bit只能表示两个值：0和1，它们分别代表黑与白。8bit可以表示256个灰度级。24bit可以表示16777216种色彩，其中红(R)、绿(G)、蓝(B)各个通道分别占用8bit，它们各有28=256个等级，24bit以上的色彩为真彩，目前还有采用30bit、36bit、42bit的机种。色彩位数越多，颜色就越逼真，但对于非专业用户来讲，由于受到计算机处理能力和输出打印机分辨率的限制，一味追求高色彩位给我们带来的只会是浪费。BIOS芯片的主要功能是在扫描仪启动时进行自检，

I／O控制芯片提供了连接界面和连接通道，高速缓存则是用来暂存图像数据的。如果把图像数据直接传输到计算机里，那么就会发生数据丢失和影像失真等现象，如果先把图像数据暂存在高速缓存里，然后再传输到计算机，就减少了上述情况发生的可能性。第21页，共34页，2023年，2月20日，星期六扫描仪的工作过程

扫描仪的工作原理并不复杂，从它的工作过程就能够基本反映出来，下图CCD型扫描仪的工作原理示意图。第22页，共34页，2023年，2月20日，星期六1)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RGB光带转变为模拟电子信号，此信号又被A／D转换器转变为数字电子信号。第23页，共34页，2023年，2月20日，星期六3)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。通常，用线性CCD对原稿进行的“一条线”扫描被称为“主扫描”，而将线性CCD平行移动的扫描输入称为“副扫描”。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。第24页，共34页，2023年，2月20日，星期六

扫描仪与数码相机在物证检验中的比较基于两者成像原理不同数码相机（小孔成像，凸透镜成像原理）可以将空间图像（三维的如风景、人物等等）转化成平面的图像（二维的，如相片），而我们通常使用的扫描仪（平面逐行扫描）没有这个能耐。它只能将平面文件或景深差异较小的实物上的内容包括图像、文字等转变为数码文件录入电脑中去。两者都是我们在进行物证检验时常用的仪器。第25页，共34页，2023年，2月20日，星期六1.数码相机应用比较方便；扫描仪需要连接电脑，比较麻烦。第26页，共34页，2023年，2月20日，星期六2.数码相机拍照时，若配光不均匀会产生亮斑，不易控制；扫描仪亮度平均，没有反射杂光，不用考虑亮斑。第27页，共34页，2023年，2月20日，星期六5.数码相机和扫描仪都会产生色彩失真，所以一定要选用尽可能好的品牌，尽量减少色彩失真带来的不便6.当遇到物证检材较多的情况下，建议考虑工作效率和时间的问题，选择使用数码相机或扫描仪。第28页，共34页，2023年，2月20日，星期六老照片修复第29页，共34页，2023年，2月20日，星期六老照片修复第30页，共34页，2023年，2月20日，星期六有关扫描仪使用维护。

1、不要忘记锁定扫描仪。由于扫描仪采用了包含光学透镜等在内的精密光学系统，使得其结构较为脆弱;为了避免损坏光学组件，扫描仪通常都设有专门的锁定/解锁机构，移动扫描仪前，应先锁住光学组件，但要特别注意的是，再次使用扫描仪之前，一定要首先解除锁定!否则，很可能因为一时的疏忽而造成扫描仪传动机构的损坏!

第31页，共34页，2023年，2月20日，星期六2、不要用有机溶剂来清洁扫描仪，以防损坏扫描仪的外壳以及光学元件。

3、不要让扫描仪工作在灰尘较多的环境之中。务必保持扫描仪玻璃的干净和不受损害，因为它直接关系到扫描仪的扫描精度和识别率;如果上面有灰尘，最好能用我们平常给照相机镜头除尘的皮老虎清除。