掃描儀工作原理

引言

在最近幾年里，掃描儀已經(jīng)成為家庭、辦公室的重要組成部分。掃描儀技術(shù)無處不在，使用方式也多種多樣：

• 平板式掃描儀，也稱為臺(tái)式掃描儀，這是功能最多并且最常用的掃描儀。事實(shí)上，本文將主要討論與平板式掃描儀有關(guān)的技術(shù)。
• 饋紙式掃描儀與平板式掃描儀相似，不同之處在于文檔移動(dòng)而掃描頭固定。饋紙式掃描儀看起來很像小型的便攜式打印機(jī)。
• 手持式掃描儀的基本技術(shù)與平板式掃描儀相同，不過，需要使用者移動(dòng)它們以完成掃描，而不是使用由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)帶。通常，這種類型的掃描儀提供的圖像質(zhì)量不太好。然而，它可用于快速抓取文本。
• 滾筒式掃描儀被出版業(yè)用來抓取極為細(xì)致的圖像。它們使用一種叫做光學(xué)倍增管(PMT)的技術(shù)。在PMT中，待掃描的文檔被安放在一個(gè)玻璃滾筒上。在滾筒的中心有一個(gè)傳感器，它將從文檔反射出的光拆分成三束光。每一束光都要通過一個(gè)濾色鏡進(jìn)入光學(xué)倍增管，在那里光信號(hào)被轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。

掃描儀的基本原理是分析圖像并按照某種方式對(duì)圖像進(jìn)行處理。通過抓取圖像和文本（OCR，即光學(xué)字符識(shí)別），可以將信息保存到電腦上的文檔中。然后，您可以修改或增強(qiáng)圖像，將它打印出來或者放在網(wǎng)頁上。

在本文中，我們將集中討論平板式掃描儀，但其基本原理也適用于其他大多數(shù)掃描技術(shù)。您將了解掃描儀的不同種類、掃描儀的工作原理以及“TWAIN”的含義是什么。您還將了解分辨率、插補(bǔ)以及位深度。

掃描儀的組成

一臺(tái)典型的平板式掃描儀的組成部分包括：

• 電荷耦合器(CCD)陣列
• 反射鏡
• 掃描頭
• 玻璃板
• 燈
• 透鏡
• 上蓋
• 濾色鏡
• 步進(jìn)電機(jī)
• 平衡桿
• 傳動(dòng)帶
• 電源
• 接口端口
• 控制電路

掃描儀的核心部件是CCD陣列。CCD是掃描儀圖像抓取領(lǐng)域最常用的技術(shù)。CCD是由大量微小的感光二極管組成，感光二極管能將光子（光）轉(zhuǎn)換成電子（電荷）。這些二極管被稱為光點(diǎn)。簡(jiǎn)而言之，每一個(gè)光點(diǎn)都對(duì)光敏感——入射到單個(gè)光點(diǎn)的光越亮，在這個(gè)光點(diǎn)積累的電荷就越多。

您所掃描的文檔的圖像經(jīng)過一系列的反射鏡、濾色鏡和透鏡到達(dá)CCD陣列。這些元器件的具體排列取決于掃描儀的型號(hào)，但基本原理是大致相同的。

在下一頁中，您將了解掃描儀的各個(gè)部件是怎樣協(xié)同工作的。

掃描過程

下面是掃描儀掃描文檔時(shí)要經(jīng)過的步驟：

• 將文檔放在玻璃板上，然后合上上蓋。大多數(shù)掃描儀上蓋的內(nèi)側(cè)都是白色的，但也有少數(shù)是黑色的。上蓋提供了統(tǒng)一的背景，以便掃描軟件可以將其用作參考點(diǎn)，以確定被掃描文檔的尺寸。大多數(shù)平板式掃描儀都允許將上蓋取下，以便掃描體積比較大的對(duì)象，例如一本很厚的書中的一頁。

• 燈是用來照亮文檔的。新型掃描儀中的燈要么是冷陰極熒光燈(CCFL)，要么是疝氣燈，而老式的掃描儀可能使用標(biāo)準(zhǔn)熒光燈。
  
• 整個(gè)裝置（反射鏡、透鏡、濾色鏡和CCD陣列）構(gòu)成了掃描頭。掃描頭在一條連接到步進(jìn)電機(jī)上的傳動(dòng)帶的帶動(dòng)下，慢慢掃過文檔。掃描頭連到一根平衡桿上，這樣可以保證在該遍掃描過程中不會(huì)出現(xiàn)搖擺和偏移?！氨椤币馕吨鴴呙桀^已經(jīng)對(duì)文檔完成了一次完整的掃描過程。

• 文檔的圖像被一個(gè)傾斜的反射鏡反射到另一個(gè)反射鏡上。在一些掃描儀中，只有兩個(gè)反射鏡，而其他掃描儀則使用三個(gè)反射鏡。每一個(gè)反射鏡都略微彎曲，以便將它反射的圖像聚焦到一個(gè)較小的表面上。

• 最后一個(gè)反射鏡將圖像反射到一個(gè)透鏡上。圖像經(jīng)過透鏡后穿過一個(gè)濾色鏡，并聚焦到CCD陣列上。

在不同的掃描儀中，濾色鏡和透鏡的排列方式是不同的。有些掃描儀用三遍掃描法。每一遍都在透鏡和CCD陣列之間使用一個(gè)不同的濾色鏡（紅色、綠色或黃色）。在三遍掃描完成之后，掃描軟件就將三幅經(jīng)過濾色的圖像組合成一幅全色圖像。

現(xiàn)在，大多數(shù)掃描儀都使用單遍掃描法。透鏡將圖像拆分為三幅較小的圖像。每一幅小圖像都通過一個(gè)濾色鏡（紅色、綠色或黃色）投射到CCD陣列的分立部分。然后，掃描儀將CCD陣列的三個(gè)部分的數(shù)據(jù)組合成一幅全色圖像。

還有一種已經(jīng)在廉價(jià)平板式掃描儀中普遍采用的成像陣列技術(shù)，那就是接觸式圖像傳感器(CIS)。CIS用一排排紅色、綠色和藍(lán)色的發(fā)光二極管(LED)來代替CCD陣列、反射鏡、濾色鏡、燈和透鏡。這種圖像傳感裝置被放置在離文檔所在玻璃板很近的位置，它由300到600個(gè)傳感器構(gòu)成，以便覆蓋整個(gè)掃描區(qū)域。掃描圖像時(shí)，發(fā)光二極管共同提供白光。然后，被照亮的圖像將被傳感器陣列抓取。雖然CIS掃描儀價(jià)格便宜、質(zhì)量輕、體積小，但成像質(zhì)量和分辨率卻不如大多數(shù)CCD掃描儀。

在考察計(jì)算機(jī)和掃描儀之間是怎樣一起工作之前，首先讓我們先討論一下分辨率。

分辨率和插補(bǔ)

各種掃描儀的分辨率和清晰度不盡相同。大多數(shù)平板式掃描儀的真實(shí)硬件分辨率至少為300x300點(diǎn)每英寸(dpi)。掃描儀的dpi是由CCD或CIS陣列中每行含有的傳感器數(shù)量（x方向采樣率）與步進(jìn)電機(jī)精度（y方向采樣率）的乘積決定的。

舉例來說，如果分辨率是300x300 dpi，并且掃描儀能夠掃描信件尺寸的文檔，那么CCD的每一橫行都排列了2,550個(gè)傳感器。單遍掃描儀可能具有三行共7,650個(gè)傳感器。在我們的例子中，步進(jìn)電機(jī)能夠以1/300英寸的步幅前進(jìn)。同樣，分辨率為600x300的掃描儀所具有的CCD陣列每一橫行都排列了5,100個(gè)傳感器。

清晰度主要取決于制造鏡頭所用的光學(xué)器件的質(zhì)量以及光源的亮度。明亮的疝氣燈和高質(zhì)量透鏡產(chǎn)生的圖像比標(biāo)準(zhǔn)熒光燈和普通透鏡產(chǎn)生的圖像要清晰得多，因此圖像更銳利。

當(dāng)然，很多掃描儀標(biāo)明的分辨率是4,800x4,800甚至是9,600x9,600。要達(dá)到x方向采樣率為9,600的硬件分辨率，要求CCD陣列含有81,600個(gè)傳感器。如果細(xì)看規(guī)格說明書，您會(huì)發(fā)現(xiàn)，這些高分辨率通常標(biāo)有軟件增強(qiáng)、插值分辨率或類似的內(nèi)容。而這是什么意思？

插補(bǔ)是掃描軟件用來增強(qiáng)圖像視覺分辨率的過程。它是通過在CCD陣列實(shí)際掃描到的像素之間，產(chǎn)生額外的像素來完成的。而這些額外的像素是鄰近像素的平均值。例如，如果硬件分辨率是300x300，而插補(bǔ)分辨率是600x300，那么軟件在每行中的CCD傳感器掃描到的每個(gè)像素之間又添加了一個(gè)像素。

人們?cè)谡務(wù)搾呙鑳x時(shí)用到的另一個(gè)術(shù)語是位深度，又稱色彩深度。這只是指掃描儀能夠重現(xiàn)的顏色的數(shù)量。每個(gè)像素要求有24位才能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的真彩色，而市場(chǎng)上銷售的掃描儀幾乎都支持這一技術(shù)。其中，很多掃描儀都提供30或36位的位深度。雖然它們輸出的仍然只是24位顏色，但是，它們執(zhí)行了內(nèi)部處理，以便在增強(qiáng)的調(diào)色板所提供的顏色中選出最好的顏色。24位、30位和36位掃描儀在圖像質(zhì)量方面是否存在顯著的差異？關(guān)于這個(gè)問題人們有很多不同的觀點(diǎn)。

圖像傳輸

掃描文檔只是整個(gè)過程的一個(gè)部分。所掃描的圖像只有在傳輸?shù)诫娔X里之后才有用。掃描儀通常使用以下三種連接方式：

• 并行接口——通過并行端口連接是可以使用的最慢的傳輸方法。

• 小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口(SCSI)——SCSI需要特殊的SCSI連接。大多數(shù)SCSI掃描儀都配有一塊專用的SCSI卡，可以將其插入電腦，以便將電腦和掃描儀相連接，但是您也可以用標(biāo)準(zhǔn)的SCSI控制器來代替它。

• 通用串行總線(USB)——USB 掃描儀兼有速度快、使用方便和價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。

• 火線——通常在比較高端的掃描儀中才會(huì)出現(xiàn)。火線連接的速度比USB和SCSI都要快?；鹁€接口最適于掃描高分辨率圖像。

TWAIN并不是一個(gè)首字母縮略詞。它實(shí)際上源自短語“Never the twain shall meet”，因?yàn)轵?qū)動(dòng)程序是軟件和掃描儀之間的媒介。由于電腦用戶覺得有必要為每個(gè)術(shù)語創(chuàng)造一個(gè)首字母縮略詞，因此TWAIN就成為“Technology Without An Interesting Name”的首字母縮略詞。

在您的電腦上，需要一個(gè)叫做驅(qū)動(dòng)程序的軟件，它知道如何與掃描儀進(jìn)行通信。大多數(shù)掃描儀都使用一種通用語言，那就是TWAIN。TWAIN驅(qū)動(dòng)程序在任何支持TWAIN標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序和掃描儀之間充當(dāng)翻譯員。這就意味著，應(yīng)用程序無需了解掃描儀的具體細(xì)節(jié)就可以直接訪問它。例如，您可以選擇在Adobe Photoshop中從掃描儀獲取圖像，因?yàn)镻hotoshop支持TWAIN標(biāo)準(zhǔn)。

除驅(qū)動(dòng)程序以外，大多數(shù)掃描儀還帶有其他軟件。通常包括一個(gè)掃描實(shí)用程序和某種圖像編輯應(yīng)用程序。很多掃描儀都帶有OCR軟件。您可以使用OCR掃描文檔中的文字，并將它們轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)文本。它使用求均值的方法來確定字符的形狀，并將它與正確的字母或數(shù)字相匹配。

現(xiàn)代掃描技術(shù)的最奇妙之處在于您所得到的正是您所需要的。只需花費(fèi)不到200美元，就可以買到一臺(tái)配有很好軟件的比較像樣的掃描儀，而一臺(tái)配有極佳軟件的很棒的掃描儀也不到1,000美元。所有這些都取決于您的需要和預(yù)算。