彩色扫描仪原理及优化设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,彩色扫描仪原理及优化设计,2,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,3,0,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,”。,5,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。,6,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。,7,3,）,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）。,8,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,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,10,2,10,3,10,表,2,扫描仪与计算机的,4,种通信接口,接,口,类,型,EPP,USB1.1,USB2.0,SCSI,IEEE1394,接,口,名,称,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,最大传输速率,1Mbps,12Mbps,480,Mbps,160Mbps,400Mbps,主,要,特,点,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,12,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。,14,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。,15,2.,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,2,24,1.6777216,千万种颜色；而,48,位彩色扫描仪总共有,2,48,2.81510,14,（,2.8,兆亿）种颜色。,色彩数愈多，扫描图像愈鲜艳逼真。,16,4.,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。,17,1.3,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,1,18,扫描仪的工作原理及扫描流程分别如图,2,所示。,图,2,20,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。,21,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,4,23,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（,1200dpi13.6,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。,24,（,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,。,26,（,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,175A,。工作温度范围是,0,70,。,27,3,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：模拟输入通道；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）；配置寄存器（,00,7F,）；步进电机控制器；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）；扫描功能单元；通信接口；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,175,A,。,28,图,6,30,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（,U,IN,（,R),、,U,IN,（,G),、,U,IN,（,B),）进行处理。以红色信号通道（,U,IN,（,R),）为例，,A,1,、,A,2,均为可编程增益放大器，,A,1,的增益设定范围是,G,1,1V/V,或,3V/V,，,A,2,的增益设定范围是,G,2,0.93V/V,3V/V,。偏置,DAC,R,的最大偏移校准量为,278mV,。,代表求和器（即加法器），,U,OS1,U,OS3,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,1.9V,P,P,，再送至,14,位,ADC,转换成数字量。输出数字量的表达式为,D,OUT,（,U,IN,（,R),U,OS1,）,G,1,U,DAC,U,OS2,G,2,U,OS3,C,（,2,）,式中，,C,8192,代码,V,。,31,2.,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,来降低传感器的光学分辨率，除数依次为,1,、,1.5,、,2,、,3,、,4,、,6,、,8,或,12,。对于一个,1200dpi,的光学系统，利用这些除数可分别得到,1200dpi,、,800 dpi,、,600 dpi,、,400 dpi,、,300 dpi,、,200 dpi,、,150dpi,和,100dpi,的水平分辨率。,垂直分辨率则由步进电机的速度所控制。,32,对邻近像素取平均值可,降低水平方向的分辨率,。与简单地去掉像素来降低分辨率的方法相比，,取平均值能获得较好的图像质量,。例如，为了从一个,300dpi,的光学传感器上得到,100dpi,的分辨率，对,3,个,300dpi,的像素取平均后即可得到,如果在一行的末尾没有足够的像素构成一个完整的像素，那么最后一个像素就被删去。,（,3,）,33,2,）像素率偏移校正,对,CCD,的每个像素进行偏移校正的字存储在外部,DRAM,中，并以像素率的形式来存取。偏移校正方程为,输出像素输入像素系数,（,4,）,3,）像素率增益校正,像素率增益校正是一个数字乘法器，它用一个对应于该像素增益误差的,16,位数字校正系数与减法器输出的字相乘。这些系数存储在外部,DRAM,中，以像素率的形式来存取。增益方程为,输出像素输入像素,（系数,16384,）,（,5,）,34,4,）伽玛校正表,对应于,R,、,G,和,B,，有三个,校正表。伽玛校正表亦称图像灰度校正表，用它可绘制图像的,曲线，反映出原图像与处理结果之间的中间像素亮度变化情况。,35,5,）,14,位输出模式,LM9832,也支持,14,位输出模式。这种模式可用来获得精确的校正数据，或用来扫描,14,位灰度,42,位彩色图像。此时伽玛校正不起作用。,36,6,）线缓冲控制器,LM9832,支持两种存储量的,DRAM,，一种是,256K16,位,DRAM,，另一种是,1M16,位,DRAM,。,DRAM,的读写时序如图,8,所示。,图,8,37,3.,步进电机控制器,步进电机控制器给步进电机发送一系列脉冲，使步进电机移动传感器通过纸张。移动速度不仅与所用传感器有关，而且它和图像传感器的积分时间还决定了垂直分辨率（每英寸的线数，即,LPI,）。步进电机究竟是向前移动还是向后移动，则由,A,、,B,两个信号来决定，二者的相位差为,90,。,38,1,）满步进模式,在满步进模式下，,A,、,B,信号均为方波，它们的波形如图,9,所示。,LM9832,通常以,微步进,为单位来计算步进电机的步数，,一个满步进等于,4,个微步进,，即使,LM9832,在满步进方式时，也按微步进计数，每,4,个微步进增加一个满步进数。,图,9,39,2,）微步进模式,微步进是用一个阶梯形的近似正弦波来驱动步进电机的技术，其波形如图,10,所示。该技术不仅能提高步进电机的分辨率（,它具有,细化,作用,），进而提高扫描仪的最大垂直分辨率，还可使电机运行得更加,平稳,。例如，若步进电机每个满步进移动,3.6,，则微步进在,3.6,的范围内可以产生,0.9,、,1.8,、,2.7,这,三个位置，使扫描仪的最大垂直分辨率提高,4,倍。,图,10,40,微步进正弦波的振幅受步进电机,DAC,的输出控制，,振幅波形,如图,11,所示。步进电机绕组中的电流值可通过测量,电流检测电阻,（,R,SENSE,）两端的压降而计算出来。步进电机驱动信号经过脉宽调制（,PWM,）后迫使通过线圈的平均电流等于,U,DAC,R,SENSE,。,图,11,41,3,）用,PWM,控制步进电机的电流,在步进电机中可使用一个选项来进行电流脉宽调制，增加高速转矩，提高效率并允许使用电流较低、价格便宜的步进电机。精确控制步进电机的电流有以下优点：,第一，在满步进模式下能快速启动电机，例如当电机完全停止时把电流增加到,100%,，就能克服惯性，迅速启动电机；等电机移动完设定的步数后再把电流降到,70%,，可减少步进电机产生的热量；,第二，在微步进模式下可用,PWM,产生如图,10,所示的近似正弦波（参见,p39,）。,42,4.,扫描仪支持的功能,1,）照明控制,扫描仪系统需要给图像扫描提供光源。该光源可发白光（典型情况下用冷阴极辉光放电灯管），亦可采用红色、绿色或蓝色,LED,。,LM9832,有四种照明模式可供选择。以照明模式,1,为例，照明灯应接到,LAMP,R,引脚，,PWM,计数器的时钟为,48MHz,，输出频率为,48MHz/4096=11.7kHz,。该,PWM,可用于控制,荧光灯,的亮度。,43,2,）,CCD/CIS,控制单元,控制,CCD,传感器的时钟信号，选择,CCD,信号的极性，关闭,CCD,。,3,）外部,DRAM,接口,LM9832,支持,2,种规格的外部,DRAM,：,256K,16,和,1M,16,。,DRAM,中的,48K,字（,16K,像素,3,种颜色）用于存储增益系数，另外,48K,字（,16K,像素,3,种颜色）用于存储偏移系数。,4,）纸张感知和,MISC I/O,PAPER SENSE 1,2,、,MISC I/O 1,6,这,8,个引脚，用于感知纸张、,LED,显示、用户开始键等。其中，,PAPER SENSE 1,2,引脚专用于输入，,MISC I/O 1,6,可构成输入或输出。,44,5,）功能扩展,还可增加了,选择,扫描、复制、传真、电子邮件等功能,的多个按键。利用,LM9832,的,MISC I/O,引脚，可实现上述功能。由,A,、,B,、,C,、,D,、,E,、,F,、,G,这,7,个按键组合成,3,条,MISC I/O,线的电路如图,12,所示。只要对寄存器,2,中的数据进行解码，即可确定是哪个键被按下了，再通过计算机执行相应的功能，真正实现彩色扫描仪的,优化设计,。,图,12,45,4,单片彩色扫描仪的电路设计,由,LM9832,构成单片彩色扫描仪的典型电路如图,13,所示。图中的,R,SENSE,为步进电机的电流检测电阻。,VT,1,VT,4,为外部驱动管。,图,13,46,LM9832,使用,USB,接口，数据通过,D+,和,D-,引脚接收和发送。这些数据为,3V,差分信号。,LM9832,的,D+,和,D-,引脚与单片彩色扫描仪的,USB,连接器之间的电路，如图,14,所示。,R,1,和,R,2,分别为两条数据线上的限流电阻。,C,1,和,C,2,为消噪电容。,R,3,为上拉电阻，,R,4,为下拉电阻。,图,14,47,USB,的电源和信号是通过如图,15,所示的四芯电缆来传输的。电缆中的,U,USB,、,GND,端分别接,5V,（或,3V,）,、,100mA,电源和地。,D,、,D,为传输差分数据信号的双绞线。从每个端口都可检测终端是否连接或分离，并能区分高速设备、低速设备。,图,15,48,步进电机控制电路如图,16,所示。,图,16,49,5.,单片彩色扫描仪的工作流程,：,（,1,）通过,PC,机写配置寄存器，对,LM9832,进行配置。,（,2,）,PC,机命令,LM9832,扫描一张图像，然后计算扫描仪的校正系数。,（,3,）,PC,机将校正信息传输给,LM9832,。,（,4,）对于平板式扫描仪，,LM9832,将扫描头移回到初始位置（对于是进纸式扫描仪，,PC,机就检测,LM9832,的状态寄存器，以确认是否有纸张插入）。,（,5,）,PC,机通过配置寄存器来设置扫描位。,50,（,6,）,PC,机首先计算出将要扫描图像的字节数，然后从,LM9832,的寄存器,00,中读取数据，直到读完整幅图像为止。如果由于某种原因需要终止扫描，那么,PC,机就把,0,写入寄存器,07,中。,（,7,）,PC,机在读完全部图像数据后，就将,0,写入寄存器,07,，停止扫描。,（,8,）,PC,机发送一个高速反转指令，把传感器送回到初始位置（对进纸式扫描仪来说，,PC,机会发送一个高速前进指令，弹出剩余的纸张）。,（,9,）扫描仪处于空闲状态。,51,4,结语,目前，现代办公设备、家电及通信设备正向单片集成化的方向迅速发展，出现了单片扫描仪、单片网络设备（如,Web PAD,），单片个人计算机（,PC-on-a-Chip,），单片个人信息助理（,PIA,）、单片硅基液晶（,LCOS,，将液晶注入于,CMOS,芯片和透明玻璃基板之间）大屏幕背投电视、,单片交互式卫星电视机顶盒,（,STB,）等,系统级芯片（,SOC,）,。,SOC,将成为,21,世纪最具发展前景和富有生命力的一种高科技产品！,