扫描仪基本知识

清华紫光供稿
1995-06-16

        扫描仪是一种光机电一体化的高科技产品。它是将各种形式的图像信息输入计算机的重要工具。是继键盘和鼠标之后的第三代计算机输入设备。也是功能极强的一种输入设备。人们通常将扫描仪用于计算机图像的输入，从最直接的图片、照片、胶片到各类图纸图形以及各类文稿资料都可以用扫描仪输入到计算机中进而实现对这些图像形式的信息的处理、管理、使用、存贮、输出等。目前扫描仪已广泛应用于各类图形图像处理、出版、印刷、广告制作、办公自动化、多媒体、图文数据库、图文通讯、工程图纸输入等许多领域。
        2.扫描仪由哪些部分组成?是如何工作的?
        扫描仪主要由光学成像部分、机械传动部分和转换电路部分组成。这几部分相互配合将反映图像特征的光信号转换为计算机可接受的电信号。扫描仪的核心是完成光电转换的光电转换部件。目前大多数扫描仪采用的光电转换部件是所谓的电荷耦合器件(CCD)。它可以将照射在其上的光信号转换为对应的电信号。其它主要部分的组成有：光学成像部分的光源、光路和镜头；转换电路部分的A/D转换处理电路及控制机械部分运动的控制电路和机械传动机构的步进电机、扫描头及导轨等。扫描仪工作时首先由光源将光线照在欲输入的图稿上产生表示图像特征的反射光(反射稿)或透射光(透射稿)。光学系统采集这些光线将其聚焦在CCD上，由CCD将光信号转换为电信号，然后由电路部分对这些信号进行A/D转换及处理产生对应的数字信号输送给计算机。当机械传动机构在控制电路的控制下带动装有光学系统和CCD的扫描头与图稿进行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。
        3.扫描仪是如何分类的?
        目前市场上扫描仪种类很多，按不同的标准可分成不同的类型。按扫描原理可将扫描仪分为以CCD为核心的平板式扫描仪、手持式扫描仪和以光电倍增管为核心的滚筒式扫描仪。按扫描图像幅面的大小可分为小幅面的手持式扫描仪、中等幅面的台式扫描仪和大幅面的工程图扫描仪，按扫描图稿的介质可分为反射式(纸材料)扫描仪和透射式(胶片)扫描仪以及既可扫反射稿又可扫透射稿的多用途扫描仪。按用途可将扫描仪分为可用于各种图稿输入的通用型扫描仪和专门用于特殊图像输入的专用型扫描仪如条码读入器、卡片阅读机等。
        4.扫描仪的主要性能指标有哪些?
        扫描仪的性能指标主要有表示扫描仪精度的分辨率；表示扫描图像灰度层次范围的灰度级；表示扫描图像彩色范围的色彩数，以及扫描速度和扫描幅面等。分辨率表示了扫描仪对图像细节的表面能力，通常用每英寸长度上扫描图像所含有的象素点的个数表示，记做DPI(Dot Per Inch)。目前，多数扫描仪的分辨率在300DPI-2400DPI之间。灰度级表示灰度图像的亮度层次范围。级数越多扫描图像的亮度范围越大、层次越丰富。目前多数扫描仪的灰度为256级。色彩数表示彩色扫描仪所能产生的颜色范围。通常用表示每个象素点上颜色的数据位数(bit)表示。比如常说的真彩色图像指的是每个象素点的颜色用24位二进制数表示，共可表示224=16.8M种颜色，通常称这种扫描仪为24bit真彩色扫描仪。色彩数越多扫描图像越鲜艳真实。扫描速度有多种表示方法，通常用在指定的分辨率和图像尺寸下的扫描时间表示。扫描幅面表示可扫描图稿的最大尺寸，常见的有A4、A3、A0幅面等。
        5.手持扫描仪的主要特点及用途是什么?
        手持扫描仪的主要优点是体积小、携带方便、价格低廉。其扫描图像的最大宽度是105mm，长度方向不限。使用时由人手推动扫描仪从图稿上移过，扫描图像质量与人的操作有关。扫大图时可用软件实现拼接，手持扫描仪的性能指标一般较低，分辨率通常为400DPI左右，以黑白和灰度的类型居多，彩色类型近来发展较快，此类扫描仪主要用于名片制作、桌面排版、图文数据库、电脑刻字、字符识别(OCR)等方面。由于手持扫描仪的幅面小、精度低、应用范围有限，通常适合于初学者、家庭和资金有限且对幅面和精度要求不高的用户。目前世界市场上70%以上的手持扫描仪是台湾生产的，代表性产品有Mustek系列、Primax系列、Qtronix系列等。
        6.平板式扫描仪的主要特点及用途是什么?
        平板式扫描仪主要为A4和A3幅面，其中又以A4幅面的扫描仪用途最广、功能最强、种类最多、销量最大，是扫描仪家族的代表性产品。此类扫描仪的性能已达很高的水平。分辨率通常为1200DPI左右，高的可达2400DPI。色彩数一般为24bit，高的可达36bit。扫描时将图稿放在扫描台上由软件控制自动完成扫描过程，速度快、精度高。有些平板扫描仪还可以加上透明胶片适配器，使其既可以扫反射稿又可以扫透明胶片实现一机两用。平板扫描仪已广泛应用于各类图形图像处理、电子出版、印前处理、广告制作、办公自动化等许多方面，其性能几乎可以满足所用应用领域的要求。目前世界市场上有将近一半的平板式扫描仪是台湾生产的，代表性产品有Microtek公司的Scan Maker系列、Umax公司的UC系列、欧美的一些大公司如HP、Agfa也都有出色的平板扫描仪产品。
        7.大幅面扫描仪的特点及用途是什么?
        大幅面扫描仪指的是A1、A0幅面扫描仪，主要用于大幅面工程图纸的输入，所以又称为工程图扫描仪。这种扫描仪的核心部分仍是CCD器件，但由于图稿幅面大， 大都采用了滚筒式走纸机构。扫描时扫描头是固定的，图纸在走纸机构控制下移动。大幅面扫描仪的分辨率通常为300DPI_800DPI。由于工程图纸一般都是黑白类型的图，故大幅面扫描仪一般都是黑白型扫描仪，灰度级一般为256级。大幅面扫描仪主要用于工程图纸的输入，为CAD、工程图纸管理等应用提供输入手段。另外在测绘、勘探、地理信息系统等方面也有许多应用。目前市场上大幅面扫描仪的代表性产品有Contex系列、Vidar系列、Microtek系列等。
        8.如何判断、选择扫描仪的精度?
        扫描仪的精度常用每英寸扫描图像所含象素点的多少表示，即所谓的DPI，这是生产厂家常用的精度指标。但许多权威测试结果表明，这种指标与扫描仪的实际精度并不成正比，并不是DPI值越高扫描仪的精度就越高。扫描仪的实际精度应是扫描仪对图像细节的实际分辨能力。国际上通常用标准测试图测试扫描仪在一英寸长度上所实际能辨出的线条的个数来表示扫描仪的实际精度。一般记作LPI(Line Per Inch)。影响扫描仪精度的因素很多，并不唯一决定于厂家所报的DPI数，有些DPI数高的产品其实际精度比一些DPI数较低的产品还差，分辨率为300DPI_2400DPI的扫描仪的实际精度一般为200LPI_400LPI。扫描仪的分辨率越高，对应的图像数据量越大，以几何级数增长。选购扫描仪时不应盲目追求高分辨率，而应根据实际工作的需要和输出设备的精度进行选择。比如目前彩色输出设备的精度一般不超过3000DPI，若采用这类设备输出，只要扫描图像的放大输出倍数不超过4倍则选用流行的1200DPI的扫描仪就足够了。
        9、什么是三遍扫描和一遍扫描，二者有何差别?
        流行的彩色扫描方式有两种，一种是所谓的三遍扫描即三原色扫描。另一种是一遍扫描。采用三遍扫描方式的扫描仪使用的是单色CCD。扫描彩图时采用更换滤色片或不同颜色的灯管产生红绿蓝三原色光源，用每种光源扫描一遍图像产生三原色图像再将其合成产生彩色图像。这种方式采用单色CCD，价格便宜，实现技术简单，性能稳定。但由于扫描一幅彩图需要三个扫描过程，速度较慢。此外三个扫描过程的定位精度应当很高，否则色彩合成时会出现套色不准的情况。一遍扫描方式通常采用彩色CCD，扫描彩色图像只需一个扫描过程，速度快且不存在色彩定位问题，保证了彩色图像的质量，但价格比一遍扫描方式要高。目前三遍扫描方式的扫描仪仍很流行，但一遍扫描方式发展很快正在迅速普及。代表性产品有Microtek的ScanMakerⅡsp、HP的ScanJetⅡcx。
        10、何为DCR技术，其工作原理是什么?
        DCR是动态色彩校正(Dynamic Color Redition)技术的简称。它是一项由Microtek公司首先推出的对用户开放的扫描仪色彩校正技术。它较好地解决了彩色扫描仪普遍存在的扫描图像色彩和影调还原不准的问题使扫描图像的质量得到较大提高。在DCR技术出现之前用户对于扫描仪在制造过程中产生的误差，或者随使用时间的增加由光源和电路参数变化所引起的色彩偏差是无能为力的。尽管有些软件可对扫描后的图像进行人工校正，但需要有很高的技巧，操作复杂、费时费力且效果有限。采用DCR技术用户可随时对扫描仪进行自动色彩校正，使其输出始终保持为最完美的状态。具有DCR功能的扫描仪随机带有国际标准校色片IT8(或Q-60)。IT8上是一组表示国际颜色标准的色块和灰阶。它们是校正扫描仪的标准。校正时先将IT8扫描输入计算机产生对应的色标数据。DCR软件将此数据与预存的没有误差的标准色标数据相比较即可发现被校正的扫描仪所存在的误差(不管这种误差由何种原因引起)。根据比较结果DCR软件为扫描仪建立校正参数表，该表决定了对扫描图像的色彩应当如何校正和校正的量。完成上述过程后，在扫描时只要选中DCR功能，扫描软件即可自动根据校正参数表对扫描图像做实时的色彩校正，使其达到与原稿完全一致的完全品质。
        11、扫描仪的软硬件接口有何特点?
        扫描仪与计算机相连接的接口由软硬两部分组成。早期扫描仪的硬件接口大多是非标准的专用接口，通用性差，用户使用不便。近年来各厂家顺应开放和标准化的潮流逐渐将硬件接口标准化，统一为SCSI标准。此种接口数据传输速度快。在Mac机和工作站及部分PC机上是标准配置，各家的扫描仪可直接与这种硬件平台相接。对于不带SCSI接口的PC机可用厂家随机提供的SCSI接口卡或市售的通用SCSI卡(如SCSIⅡ)与扫描仪相连接。扫描仪的软件接口指的是扫描仪驱动软件的接口标准。早期的扫描仪的软件接口也是非标准的。软件开发者若想让其软件支持不同厂家的扫描仪，必须为每种扫描仪写驱动程序，非常不方便。近年来扫描仪的软件接口也逐步标准化。最突出的是在Windows平台上的软件接口标准已经统一，这就是著名的TWAIN标准。目前各厂家的产品几乎都支持TWAIN标准。这样软件开发者只要使其软件支持TWAIN标准就可以在其软件中使用各种不同厂家的扫描仪了。扫描仪软硬件接口的标准化为广大软件开发者和用户带来极大方便。
        12、扫描仪对硬件使用环境有何要求?
        扫描仪输入给计算机的是图像。图像信息的最大特点是数据量大。要想快速高效地处理图像信息就要求主机的速度快，存贮空间大。其中速度快包括几个方面。一是主机的CPU档次要高，主频要快，这样处理速度快。二是接口卡、总线、硬盘的数据传输速度要快。三是显示卡的显示速度要快。存贮空间大要求一是内存空间大，这样一次装入内存的数据量大、处理速度快；二是硬盘空间大，这样存贮的图像多。由于扫描仪的应用软件大多是在Windows 3.x环境下使用的，所以使用扫描仪对硬件平台的最低要求是应能运行windows 3.x即主机应是386以上的机型、4M以上的内存。主机的档次越高则处理速度越快、效率越高。此外在使用彩色扫描仪时应使用TVGA(256色)以上的显示卡。如果是真彩色扫描仪，则最好用24bit的真彩色显示卡。这样才能在显示器上看到扫描仪真正的色彩效果。
        (清华紫光供稿)