彩色扫描仪原理及优化设计

1. 学术交流 彩色扫描仪原理及优化设计 河北科技大学 信息科学与工程学院 电子信息工程系 数字化测量技术省级精品课

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”。

4. 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。

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. 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 表1 扫描仪常用传感器性能一览表

9. 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）。

10. 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 表2扫描仪与计算机的4种通信接口

11. 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。

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。

13. 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。

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。

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。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

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。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。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

22. 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

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（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。

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。

25. （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）。（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。

26. （5）采用脉宽调制（PWM）法控制步进电机的微步进。（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℃。

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：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175μA。

28. 图6

29. 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

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（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。

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 （3） 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。

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γ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γ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256K×16位DRAM，另一种是1M×16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（RSENSE）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UDAC／RSENSE。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（RSENSE）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UDAC／RSENSE。 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LAMPR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RSENSE为步进电机的电流检测电阻。VT1～VT4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。R1和R2分别为两条数据线上的限流电阻。C1和C2为消噪电容。R3为上拉电阻，R4为下拉电阻。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。R1和R2分别为两条数据线上的限流电阻。C1和C2为消噪电容。R3为上拉电阻，R4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UUSB、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。（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。