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彩色扫描仪原理及优化设计
河北科技大学 电子信息工程系
沙占友
2003-04-26
学术交流
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彩色扫描仪的原理及优化设计
? 0 引言
? 1 彩色扫描仪的产品分类及基本原理
? 2 单片彩色扫描仪的性能特点
? 3 单片彩色扫描仪的工作原理
? 4 单片彩色扫描仪的电路设计
? 5 结语
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0 引言
扫描仪( Scanner) 是一种 光、电、机一体
化 的高科技产品,它是继键盘和鼠标之后又一代用
途广泛的计算机输入设备。
扫描仪自 20世纪 80年代初问世以来,就以其独特
的数字化“图像”采集能力、低廉的价格和优良的
性能,深受人们的青睐,被誉为计算机的, 眼睛,。
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1 彩色扫描仪的产品分类及基本原理
1.1 产品分类
a 按可扫描的图像类型分类
1) 黑白扫描仪 ( 亦称二值扫描仪 )
只能扫描黑白二值图像, 每个像素为 1位 (1bit),用 0或 1来
代表黑或白 。 这是最简单的一种扫描仪, 适合扫描工程图纸 。
2) 灰度扫描仪
将图像的明暗程度划分成 256个灰度等级, 并且用一个 8位
字节来表示一个像素 。
3) 彩色扫描仪
首先产生对应于红、绿、蓝三基色的三幅图像,然后合成
为一幅彩色图像。 彩色扫描仪也可通过参数设置来扫描黑白
图像。
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b,按外形分类
1) 平板式扫描仪 ( 亦称台式扫描仪 )
将待扫材料静止放置在平台玻璃板上, 通过控制步进电机
和移动光源 ( 灯管 ) 来完成扫描工作 。 采用冷阴极辉光放电
灯管做光源 。 是目前应用最广泛的一种扫描仪 。
2) 滚筒式扫描仪
在扫描过程中光源保持静止, 通过卷动待扫材料来完成扫
描工作 。 采用光电倍增管作为光电转换器件 。
3) 手持式扫描仪 ( 亦称掌上型扫描仪 )
通过人工移动扫描仪 ( 含光源 ) 来完成扫描的 。 价格低廉,
携带方便, 使用灵活, 扫描精度较低 。
4) 笔式扫描仪
笔式扫描仪因其外形像一支笔而得名, 主要用于条形码的
输入识别, 可用在车站检票, 大型超市的商品登记等领域 。
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c,按所用传感器分类
1) CCD( 电荷耦合器件 ) 扫描仪
数码相机使用的是二维图像的面阵 CCD,而扫描仪用的是一
维图像的线阵 CCD。 CCD扫描仪具有一定的景深 ( 约为
3mm), 对隆起的书脊甚至实物都可得到清晰的扫描效果 。 缺
点是成本较高, 扫描后对图像数据的处理也相对复杂 。
2) CIS( 接触式图像传感器 ) 扫描仪
以发光二极管( LED)阵列作为光源,扫描光线直接被光耦
合器接收。采用模块化结构,结构简单,不需要预热。缺点是
扫描精度较低,景深小(约为 0.3 mm,只有 CCD景深的 1/10)
不能扫描实物,适合扫描文稿。
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3) 光电倍增管 ( PMT) 扫描仪
光电倍增管是一种电子管,其感光材料主要是由金属铯的
氧化物构成的。在所有感光器件中,光电倍增管的性能最
佳,其灵敏度、噪声系数、动态密度范围、温度特性等指
标均优于 CCD及 CIS。最难能可贵的是它的输出信号能在很
宽的范围内保持极高的线性度,几乎不用做任何修正即可
获得准确的色彩还原。但其价格昂贵,少则几十万元,多
则几百万元,仅用于专业扫描仪(滚筒式扫描仪) 。
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表 1 扫描仪常用传感器性能一览表
传感器种类
灵敏度/ lx
噪声系数
动态范围/
dB
隔离电阻/
Ω
温度系数/ ℃
光电倍增管
PMT
10- 12
10- 12
90~ 100

10- 12
硅氧化物隔离
CCD
10- 8~ 10- 9
10- 9~ 10- 12
80~ 95
≥100M
10- 6~ 10- 7
半导体隔离
CCD
10- 8~ 10- 9
10- 8~ 10- 9
70~ 80
≥1M
10- 6~ 10- 7
接触式感光器件
CIS( LED阵列)
10- 6~ 10- 7
10- 5~ 10- 6
50~ 60
1~ 100k
10- 2~ 10- 3
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d,按通信接口分类
扫描仪与计算机的通信接口有以下四种,
EPP( Enhanced Parallel Port,增强型并
行口)
USB(通用串行接口)
SCSI( Small Computer System Interface,
小型计算机系统接口)
IEEE1394( Fire Wire Port,又称火线接
口)。
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表 2 扫描仪与计算机的 4种通信接口
接 口 类

EPP
USB1.1
USB2.0
SCSI
IEEE1394
接 口 名

增强型并行口
通用串行总线
接口
通用串行总线
接口
小 型 计算 机 系
统接口
火线接口
最大传输速

1Mbps
12Mbps
480 Mbps
160Mbps
400Mbps
主 要 特

热插拔,正
被 USB淘汰
热插拔
热插拔,迅速
推广
需配接口卡,
高稳定性,需
配接口卡
热插拔,
同时支持
64个设备
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1.2 扫描仪的主要技术指标
1.分辨率
分辨率亦称光学分辨率, 它表示对图像细节
的识别能力, 通常用每英寸长度上扫描图像
所含像素的个数来表示, 记做 dpi( dot per
inch) 。 目前, 常用扫描仪的分辨率大多为
300dpi~ 2400dpi。
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需要说明几点,
第一, 供印刷用的扫描图像分辨率通常用 LPI( Line Per lnch,
每英寸长度上所能分辨的线数 ) 来表示 。 LPI数值越高, 印刷
质量越高, 图像的网点越小 。 一般情况下, 印刷精美的杂志大
约为 175LPI,普通印刷品一般为 133LPI~ 150LPI,报纸仅为
65LPI~ 85LPI。
令缩放比例为 Q,有公式
LPI= dpi/Q ( 1)
举例说明, 当扫描分辨率为 300dpi,Q= 2( 放大 2倍 ) 时, 印
刷线数应为 300 dpi /2= 150LPI。 缩放比例与分辨率成反比 。
第二,扫描仪的分辨率愈高,图像的数据量就愈大,并且数
据量是按照几何级数来递增的。选择扫描仪时不要盲目追求高
分辨率,应根据实际需要及输出设备的精度而定。
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第三, 如果作为图像素材扫描, 最终要打印输出,
那么最好使用扫描仪的最高光学分辨率, 以采集尽
可能丰富的图像细节 。 如果最终并不准备高精度输
出, 比较合适的分辨率 一般取 300 dpi,就能再现彩
色照片的细节, 文件又不至于十分庞大 。 如果仅做
屏幕显示和网页素材用, 可根据最终需要的图片大
小来选择基本合适的分辨率, 例如, 要在屏幕上显
示原大的图片, 仅需 72 dpi就行了 。
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第四, 国内某些扫描仪是用两个数值相乘的
形 式 来 表 示 分 辨 率 的, 例 如 写 成, 600
dpi× 1200dpi”,这很容易造成混淆 。 因为扫
描仪最重要的是, 光学, 分辨率 ( 亦称水平
分辨率 ), 也就是较小的数字, 600dpi”。 而
,1200dpi”指的是, 机械, 分辨率 ( 也叫垂直
分辨率 ), 表示扫描仪中的马达每次可移动
1/1200英寸 。 即使机械分辨率再高, 对提高图
像质量并无太大影响 。
第五, 在某些扫描仪的说明书中还给出了
,最大分辨率, 指标, 那是用内插法计算出
来的分辨率, 没有实际意义 。
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2,灰度级
灰度级表示灰度图像的亮度层次范围, 灰度级越多,
扫描图像的层次越丰富, 目前多数扫描仪的灰度为
256级 。
3,色彩数
色彩数表示彩色扫描仪所能产生的颜色范围, 通常
用每个像素上颜色数据的位数 ( bit) 来表示 。 例如,
24位彩色扫描仪的每个像素颜色用 24位二进制数来
表示, 总共有 224= 1.6777216千万种颜色;而 48位彩
色扫描仪总共有 248≈2.815× 1014( 2.8兆亿 ) 种颜色 。
色彩数愈多, 扫描图像愈鲜艳逼真 。
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4,扫描速度 ( 或扫描时间 )
扫描速度一般用在规定分辨率和图像尺寸下
的扫描时间来表示, 单位是秒 。
5,扫描幅面
表示可扫描图稿的最大尺寸, 常见的有 A4、
A3幅面等 。
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1.3 平板式扫描仪的基本原理
平板式扫描仪的外形如图 1所示。
图 1
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扫描仪的工作原理及扫描流程分别如图 2所示 。
图 2
19
扫描仪的扫描流程 如图 3所示 。
图 3
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扫描头在步进电机驱动下从原稿的下面移动,
不断读取原稿的信息 。 扫描仪光源照射到原稿
上的光线经反射后形成沿 x轴方向的光带, 依
次经过反射镜, 棱镜, 滤色镜和聚焦透镜, 将
红 ( R), 绿 ( G), 蓝 ( B) 三条彩色光带分
别照到各自的 CCD上, 转换为模拟信号, 再经
过 A/D转换器转换成数字信号, 最后通过 USB
等接口送至计算机 。
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扫描仪每扫描一行,就得到原稿该行的图像信息
。扫描头不断地沿 y轴方向移动,直到将原稿全部
扫描完。所得到的图像数据首先暂存在缓冲器中,
然后通过 USB等接口按一定顺序把图像数据传输到
计算机中并存储下来,最终获得一幅完整的图像,
参见图 4。
图 4
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2 单片彩色扫描仪的性能特点
传统彩色扫描仪的主板上需要使用多种类型的芯片 ( 例
如主控芯片, A/D转换器, 输入/输出系统芯片, I/O控制
芯片, 高速缓存等 ), 其结构比较复杂 。
1999年~ 2001年, 美国国家半导体公司 ( NSC) 相继开
发出了 LM9831型, LM9832,LM9833单片彩色扫描仪集
成电路, 形成了系列化产品 。 上述芯片均属于单片系统
( SOC), 为实现彩色扫描仪电路的优化设计和大幅度降
低成本创造了良好条件 。 美国惠普公司最近相继推出的
HP2200C,HP2300C和 HP2500C系列彩色扫描仪, 采用的
就是这种芯片 。 其中, 在 HP2200C型彩色扫描仪中采用了
一片 LM9832,其外形如图 5所示 。
图 5
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LM9832的性能特点
( 1) 带 USB接口的单片图像扫描系统,可提供构成一台
高性能彩色扫描仪所必需的全部功能,包括图像传感器控制,
照度控制,模拟输入通道,图像数据缓存器/ DRAM控制器,
微步进电机控制器和 USB接口。允许设计成 USB总线供电的扫描
仪。在装有 USB接口的计算机上可以即插即用。
( 2) LM9832以 42位彩色/ 14位灰度方式扫描图像,以
42位(或 24位)彩色/ 14位(或 8位)灰度数据格式输出。 LM
9832支持像素总数高达 16384像素 × 3色( 1200dpi× 13.6英寸的
传感器。其外围元件仅需一个用于数据缓存的 4MB或 16MB的
DRAM,以及步进电机的驱动管。
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( 3) 采用 1200dpi传感器时, 水平分辨率可选 1200
dpi,800 dpi,600 dpi,400 dpi,300 dpi,200 dpi,150
dpi或 100dpi。
采用 600dpi传感器时, 水平分辨率可选 600 dpi、
400 dpi,300 dpi,200 dpi,150 dpi,100 dpi,75 dpi或
50dpi。
垂直分辨率范围是 50dpi~ 2400dpi,步长为 1dpi。
对 A4彩色幅面而言, 当水平分辨率分别为 150dpi,300dpi、
600dpi时, 扫描时间 依次小于 10s,40s,160s。
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( 4)适配 3通道 CCD传感器(或单通道 CIS传感器)
构成彩色扫描仪,可实现 CCD时钟与最大扫描速度的
扫描分辨率与像素的最佳匹配,能自动校准增益和偏
移误差,能为用户提供可编程 伽马( γ )校正表
(即图像灰度校正表)。
x轴代表原图像的像
素亮度,其数值从 0~
255; y轴代表处理后新
像素的亮度。当曲线向
下移动时,图像的相应
像素就变暗;向上移动
时,像素就变亮。图像
的对比度可通过调整曲
线的斜率来改变。斜率
越大,对比度越大;斜
率越小,对比度越小。
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( 5)采用脉宽调制( PWM)法控制
步进电机的 微步进 。
( 6)配 48MHz石英晶体。采用+ 5V电
源供电,电源电压允许范围是+ 4.75V~
+ 5.25V,最大工作电流为 136mA,最大
待机电流为 175μA。工作温度范围是 0~
+ 70℃ 。
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3 单片彩色扫描仪的工作原理
LM9832采用 TQFP- 100封装形式,主要包括
8部分:①模拟输入通道;②数字信号处理单元
(包含像素处理级,像素率偏移校正,增益校
正,伽马校正表,14位像素数据输出,线缓冲
控制器);③配置寄存器( 00~ 7F);④步进
电机控制器;⑤主控制器(负责系统同步、像
素计数器控制、步进控制、照度控制、命令解
释等工作);⑥扫描功能单元;⑦通信接口;
⑧系统时钟发生器。 采用 + 5V电源供电,最大
工作电流为 136mA,最大待机电流为 175μ A。
28 图 6
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1,模拟输入通道
模拟输入通道的电路框图如图 7所示 。
图 7
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图中的 C为传感器的耦合电容。该电路可对由 CCD传感
器产生的红、绿、蓝 3路模拟图像信号( UIN( R),UIN( G)、
UIN( B))进行处理。以红色信号通道( UIN( R))为例,A1、
A2均为可编程增益放大器,A1的增益设定范围是 G1=
1V/V或 3V/V,A2的增益设定范围是 G2= 0.93V/V~ 3V/V。
偏置 DACR的最大偏移校准量为 ± 278mV。 Σ代表求和器
(即加法器),UOS1~ UOS3分别为各级的补偿电压。经过
模拟前端处理后信号的最大峰 -峰值为 1.9VP- P,再送至 14
位 ADC转换成数字量。输出数字量的表达式为
DOUT={[( UIN( R)+ UOS1) G1+ UDAC+ UOS2] G2+ UOS3} C ( 2)
式中,C= 8192代码/ V。
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2,数字信号处理单元
1)像素处理级
像素处理级可用类似于 做除法运算 来降低
传感器的