彩色掃描儀原理及優(yōu)化設計

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彩色掃描儀原理及優(yōu)化設計

學術溝通2彩色掃描儀的原理及優(yōu)化設計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

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單片彩色掃描儀的工作原理4

單片彩色掃描儀的電路設計5

結語

30引言

掃描儀（Scanner）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備。掃描儀自20世紀80年頭初問世以來，就以其獨特的數(shù)字化“圖像”采集實力、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”。41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(1bit)，用0或1來代表黑或白。這是最簡潔的一種掃描儀，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)設置來掃描黑白圖像。5b.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，通過限制步進電機和移動光源（燈管）來完成掃描工作。接受冷陰極輝光放電燈管做光源。是目前應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。接受光電倍增管作為光電轉換器件。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，攜帶便利，運用靈敏，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域。6c.按所用傳感器分類1）CCD（電荷耦合器件）掃描儀數(shù)碼相機運用的是二維圖像的面陣CCD，而掃描儀用的是一維圖像的線陣CCD。CCD掃描儀具有確定的景深（約為3mm），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)的處理也相對困難。2）CIS（接觸式圖像傳感器）掃描儀以發(fā)光二極管（LED）陣列作為光源，掃描光線干脆被光耦合器接收。接受模塊化結構，結構簡潔，不須要預熱。缺點是掃描精度較低，景深小（約為0.3mm，只有CCD景深的1/10）不能掃描實物，適合掃描文稿。73）光電倍增管（PMT）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成的。在全部感光器件中，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CCD及CIS。最難能珍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精確的色調還原。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）。

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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）10－6～10－710－5～10－650～601～100k10－2～10－39d.按通信接口分類掃描儀與計算機的通信接口有以下四種：EPP（EnhancedParallelPort，增加型并行口）USB（通用串行接口）SCSI（SmallComputerSystemInterface，小型計算機系統(tǒng)接口）IEEE1394（FireWirePort，又稱火線接口）。10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個設備111.2掃描儀的主要技術指標1.辨別率辨別率亦稱光學辨別率，它表示對圖像微小環(huán)節(jié)的識別實力，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dpi（dotperinch）。目前，常用掃描儀的辨別率大多為300dpi～2400dpi。12須要說明幾點：第一，供印刷用的掃描圖像辨別率通常用LPI（LinePerlnch，每英寸長度上所能辨別的線數(shù)）來表示。LPI數(shù)值越高，印刷質量越高，圖像的網(wǎng)點越小。一般狀況下，印刷精致的雜志大約為175LPI，一般印刷品一般為133LPI～150LPI，報紙僅為65LPI～85LPI。令縮放比例為Q，有公式LPI＝dpi/Q（1）舉例說明，當掃描辨別率為300dpi，Q＝2（放大2倍）時，印刷線數(shù)應為300dpi/2＝150LPI。縮放比例與辨別率成反比。其次，掃描儀的辨別率愈高，圖像的數(shù)據(jù)量就愈大，并且數(shù)據(jù)量是依據(jù)幾何級數(shù)來遞增的。選擇掃描儀時不要盲目追求高辨別率，應依據(jù)實際須要及輸出設備的精度而定。13第三，假如作為圖像素材掃描，最終要打印輸出，那么最好運用掃描儀的最高光學辨別率，以采集盡可能豐富的圖像微小環(huán)節(jié)。假如最終并不準備高精度輸出，比較合適的辨別率一般取300dpi，就能再現(xiàn)彩色照片的微小環(huán)節(jié)，文件又不至于特殊浩大。假如僅做屏幕顯示和網(wǎng)頁素材用，可依據(jù)最終須要的圖片大小來選擇基本合適的辨別率，例如，要在屏幕上顯示原大的圖片，僅需72dpi就行了。14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辨別率的，例如寫成“600dpi×1200dpi”，這很簡潔造成混淆。因為掃描儀最重要的是“光學”辨別率（亦稱水平辨別率），也就是較小的數(shù)字“600dpi”。而“1200dpi”指的是“機械”辨別率（也叫垂直辨別率），表示掃描儀中的馬達每次可移動1/1200英寸。即使機械辨別率再高，對提高圖像質量并無太大影響。第五，在某些掃描儀的說明書中還給出了“最大辨別率”指標，那是用內(nèi)插法計算出來的辨別率，沒有實際意義。152.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.色調數(shù)色調數(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)（bit）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。色調數(shù)愈多，掃描圖像愈明麗逼真。

164.掃描速度（或掃描時間）掃描速度一般用在規(guī)定辨別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。171.3

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118

掃描儀的工作原理及掃描流程分別如圖2所示。

圖219

掃描儀的掃描流程如圖3所示。

圖320掃描頭在步進電機驅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CCD上，轉換為模擬信號，再經(jīng)過A/D轉換器轉換成數(shù)字信號，最終通過USB等接口送至計算機。21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USB等接口按確定依次把圖像數(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4222單片彩色掃描儀的性能特點傳統(tǒng)彩色掃描儀的主板上須要運用多種類型的芯片（例如主控芯片、A/D轉換器、輸入／輸出系統(tǒng)芯片、I/O限制芯片、高速緩存等），其結構比較困難。1999年～2001年，美國國家半導體公司（NSC）相繼開發(fā)出了LM9831型、LM9832、LM9833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)（SOC），為實現(xiàn)彩色掃描儀電路的優(yōu)化設計和大幅度降低成本創(chuàng)建了良好條件。美國惠普公司最近相繼推出的HP2200C、HP2300C和HP2500C系列彩色掃描儀，接受的就是這種芯片。其中，在HP2200C型彩色掃描儀中接受了一片LM9832，其外形如圖5所示。圖523LM9832的性能特點（1）帶USB接口的單片圖像掃描系統(tǒng)，可供應構成一臺高性能彩色掃描儀所必需的全部功能，包括圖像傳感器限制，照度限制，模擬輸入通道，圖像數(shù)據(jù)緩存器／DRAM限制器，微步進電機限制器和USB接口。允許設計成USB總線供電的掃描儀。在裝有USB接口的計算機上可以即插即用。（2）LM9832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。LM9832支持像素總數(shù)高達16384像素×3色（1200dpi×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4MB或16MB的DRAM，以及步進電機的驅動管。24（3）接受1200dpi傳感器時，水平辨別率可選1200dpi、800dpi、600dpi、400dpi、300dpi、200dpi、150dpi或100dpi。接受600dpi傳感器時，水平辨別率可選600dpi、400dpi、300dpi、200dpi、150dpi、100dpi、75dpi或50dpi。垂直辨別率范圍是50dpi～2400dpi，步長為1dpi。對A4彩色幅面而言，當水平辨別率分別為150dpi、300dpi、600dpi時，掃描時間依次小于10s、40s、160s。25（4）適配3通道CCD傳感器（或單通道CIS傳感器）構成彩色掃描儀，可實現(xiàn)CCD時鐘與最大掃描速度的掃描辨別率與像素的最佳匹配，能自動校準增益和偏移誤差，能為用戶供應可編程伽馬（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整曲線的斜率來變更。斜率越大，對比度越大；斜率越小，對比度越小。26（5）接受脈寬調制（PWM）法限制步進電機的微步進。（6）配48MHz石英晶體。接受＋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136mA，最大待機電流為175μA。工作溫度范圍是0～＋70℃。273單片彩色掃描儀的工作原理LM9832接受TQFP－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，線緩沖限制器）；③配置寄存器（00～7F）；④步進電機限制器；⑤主限制器（負責系統(tǒng)同步、像素計數(shù)器限制、步進限制、照度限制、叮囑說明等工作）；⑥掃描功能單元；⑦通信接口；⑧系統(tǒng)時鐘發(fā)生器。接受＋5V電源供電，最大工作電流為136mA，最大待機電流為175μA。28圖6291.

模擬輸入通道模擬輸入通道的電路框圖如圖7所示。圖730

圖中的C為傳感器的耦合電容。該電路可對由CCD傳感器產(chǎn)生的紅、綠、藍3路模擬圖像信號（UIN（R)、UIN（G)、UIN（B)）進行處理。以紅色信號通道（UIN（R)）為例，

A1、A2均為可編程增益放大器，A1的增益設定范圍是G1＝1V/V或3V/V，A2的增益設定范圍是G2＝0.93V/V～3V/V。偏置DACR的最大偏移校準量為±278mV。Σ代表求和器（即加法器），UOS1～UOS3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1.9VP－P，再送至14位ADC轉換成數(shù)字量。輸出數(shù)字量的表達式為

DOUT＝｛［（UIN（R)＋UOS1）G1＋UDAC＋UOS2］G2＋UOS3｝C

（2）式中，C＝8192代碼／V。312.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辨別率，除數(shù)依次為1、1.5、2、3、4、6、8或12。對于一個1200dpi的光學系統(tǒng)，利用這些除數(shù)可分別得到1200dpi、800dpi、600dpi、400dpi、300dpi、200dpi、150dpi和100dpi的水平辨別率。垂直辨別率則由步進電機的速度所限制。32對鄰近像素取平均值可降低水平方向的辨別率。與簡潔地去掉像素來降低辨別率的方法相比，取平均值能獲得較好的圖像質量。例如，為了從一個300dpi的光學傳感器上得到100dpi的辨別率，對3個300dpi的像素取平均后即可得到假如在一行的末尾沒有足夠的像素構成一個完整的像素，那么最終一個像素就被刪去。（3）33

2）像素率偏移校正對CCD的每個像素進行偏移校正的字存儲在外部DRAM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DRAM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）344）伽瑪校正表對應于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果之間的中間像素亮度變更狀況。355）14位輸出模式LM9832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。

366）線緩沖限制器LM9832支持兩種存儲量的DRAM，一種是256K×16位DRAM，另一種是1M×16位DRAM。DRAM的讀／寫時序如圖8所示。圖8373.步進電機限制器步進電機限制器給步進電機發(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，而且它和圖像傳感器的積分時間還確定了垂直辨別率（每英寸的線數(shù)，即LPI）。步進電機原委是向前移動還是向后移動，則由A、B兩個信號來確定，二者的相位差為90°。38

1）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。LM9832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LM9832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9392）微步進模式微步進是用一個階梯形的近似正弦波來驅動步進電機的技術，其波形如圖10所示。該技術不僅能提高步進電機的辨別率（它具有細化作用），進而提高掃描儀的最大垂直辨別率，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辨別率提高4倍。圖1040微步進正弦波的振幅受步進電機DAC的輸出限制，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（RSENSE）兩端的壓降而計算出來。步進電機驅動信號經(jīng)過脈寬調制（PWM）后迫使通過線圈的平均電流等于UDAC／RSENSE。圖11413）用PWM限制步進電機的電流在步進電機中可運用一個選項來進行電流脈寬調制，增加高速轉矩，提高效率并允許運用電流較低、價格便宜的步進電機。精確限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，快速啟動電機；等電機移動完設定的步數(shù)后再把電流降到70%，可削減步進電機產(chǎn)生的熱量；其次，在微步進模式下可用PWM產(chǎn)生如圖10所示的近似正弦波（參見p39）。424.掃描儀支持的功能1）照明限制掃描儀系統(tǒng)須要給圖像掃描供應光源。該光源可發(fā)白光（典型狀況下用冷陰極輝光放電燈管），亦可接受紅色、綠色或藍色LED。LM9832有四種照明模式可供選擇。以照明模式1為例，照明燈應接到LAMPR引腳，PWM計數(shù)器的時鐘為48MHz，輸出頻率為48MHz/4096=11.7kHz。該PWM可用于限制熒光燈的亮度。432）CCD/CIS限制單元限制CCD傳感器的時鐘信號，選擇CCD信號的極性，關閉CCD。3）外部DRAM接口LM9832支持2種規(guī)格的外部DRAM：256K×16和1M×16。DRAM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MISCI/OPAPERSENSE1～2、MISCI/O1～6這8個引腳，用于感知紙張、LED顯示、用戶起先鍵等。其中，PAPERSENSE1～2引腳專用于輸入，MISCI/O1～6可構成輸入或輸出。44

5）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LM9832的MISCI/O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MISCI/O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)行相應的功能，真正實現(xiàn)彩色掃描儀的優(yōu)化設計。

圖1245

4

單片彩色掃描儀的電路設計

由LM9832構成單片彩色掃描儀的典型電路如圖13所示。圖中的RSENSE為步進電機的電流檢測電阻。VT1～VT4為外部驅動管。

圖1346