扫描仪

　　[摘要]本文系统介绍扫描仪的种类、工作原理、组成结构和主要性能指标，并对使用中的要求也作了详细的叙述。


　　[关键]扫描仪　分辨率　灰度级　色彩数





　　1.　引言


　　扫描仪是一种计算机外部设备，通过捕获图像并将之转换成计算机可以显示、编辑、储厚和输出的数字化输入设备。对照片、文本页面、图纸、美术图画、照相底片、菲林软片，甚至纺织品、标牌面板、印制板样品等三维对象都可作为扫描对象，提取和将原始的线条、图形、文字、照片、平面实物转换成可以编辑及加入文件中的装置。


　　扫描仪中属于计算机辅助设计（CAD）中的输入系统，通过计算机软件和计算机，输出设备（激光打印机、激光绘图机）接口，组成网印前计算机处理系统，而适用于办公自动化（OA），广泛应用在标牌面板、印制板、印刷行业等。其用途和实际意义在于：


　　1.1　可在文档中组织美术品和图片；


　　1.2　将印刷好的文本扫描输入到文字处理软件中，免去重新打字之麻烦；


　　1.3　对印制版、面板标牌样品（该板即使无磁盘文件，又无菲林软片）扫描录入到计算机中，可对该板进行布线图的设计和复制，解决了抄板问题，提高抄板效率。


　　1.4　可实现印制板草图的自动录入、编辑、实现汉字面板和复杂图标的自动录入。


　　1.5　在多媒体产品中添加图像。


　　1.6　在文献中集成视觉信息使之更有效地交换和通讯。


　　2.　扫描仪的种类


　　扫描仪可分为二大类型：滚筒式扫描仪和平面扫描仪


　　滚筒式扫描仪一般使用光电倍增管PMT（Photo Multiplier Tulbe)，因此它的密度范围较大，而且能够分辨出图像更细微的层次变化；而平面扫描仪使用的则是光电耦合器件CCD（Charged-Coupled Device)故其扫描的密度范围较小。所库CCD（光电耦合器件）是一长条状有感光元器件，在扫描过程中用来将图像反射过来的光波转化为数位信号，平面扫描仪使用的CCD大都是具有日光灯线性陈列的彩色图像感光器。


　　密度范围对扫描仪来说是非常重要的性能参数，密度范围又称像素深度，它代表扫描仪所能分辨的亮光和暗调的范围，通常滚筒扫描仪的密度范围大于3.5，而平面扫描仪的密度范围一般在2.4～3.5范围之间。


　　3.　扫描仪的工作原理


　　平面扫描仪的工作原理如下：平面扫描仪获取图像的方式是先将光线照射扫描的材料上，光线反射回来后由CCD光敏元件接收并实现光电转换。


　　当扫描不透明的材料如照片，打印文本以及标牌、面板、印制板实物时，由于材料上黑的区域反射较少的光线，亮的区域反射较多的光线，而CCD器件可以检测图像上不同光线反射回来的不同强度的光通过CCD器件将反射光皮波转换成为数字信息，用1和0的组合表示，最后控制扫描仪操作的扫描仪软件读入这些数据，并重组为计算机图像文件。


　　而当扫描透明材料如制版菲林软片，照相底片时，扫描工作原理相同，有所不同的是此时不是利用光线的反射，而是让光线透过材料，再由CCD器件接收，扫描透明材料需要特别的光源补偿－透射适配器（TMA）装置来完成这一功能。


　　4.　扫描仪的组成结构


　　扫描系统中除了扫描仪外，扫描的有效组成要素由以下组件构成：


　　连接扫描仪和计算机的SCSI讯号线；


　　控制扫描仪的工作软件，它是建立于扫描仪和应用程序之间的桥梁；


　　图像编辑软件、光学文件识别软件和印制板图形自动识别软件等；


　　显示彩色或灰色图像的显示器；


　　输出设备：黑白或彩色激光打印机、热升华打印机，图文输出机或其它彩色打印设备。


　　除上述基本组件外还可以和下述附加设备匹配，使其具有更多的功能。


　　透射适配器（TMA）用于扫描透明胶片材料。


　　自动进纸器（ADF）自动进行最多达50页文本材料的连续扫描。


　　5.　扫描仪的主要特性指标


　　5.1　分辨率


　　分辨率是扫描仪最主要的技术指标，它表示扫描仪对图像细节上的表现能力，即决定了扫描仪所记录图像的细致度，其单位为DPI（Dots Per Inch)。通常用每英寸长度上扫描图像所含有像素点的个数来表示。目前大多数扫描的分辨率在300～2400DPI之间。DPI数值越大，扫描的分辨率越高，扫描图像的品质，但这是有限度的。当分辨率大于某一特定值时，只会使图像文件增大而不易处理，并不能对图像质量产生显著的改善。对于丝网印刷应用而言，扫描到6000DPI就已经足够了。


　　扫描分辨率一般有二种：真实分辨率（又称光学分辨率）和插值分辨率。


　　光学分辨率就是扫描仪的实际分辨率，它决定了图像的清晰度和锐利度的关键性能指标。


　　插值分辨率则是通过软件运算的方式来提高分辨率的数值，即用插值的方法将采样点周围遗失的信息填充进去，因此也被称作软件增强的分辨率。例如扫描仪的光学分辨率为300DPI，则可以通过软件插值运算法将图像提高到600DPI，插值分辨率所获得的细部资料要少些。尽管插值分辨率不如真实分辨率，但它却能大大降低扫描仪的价格，且对一些特定的工作例如扫描黑白图像或放大较小的原稿时十分有用。


　　5.2　灰度级


　　灰度级表示图像的亮度层次范围。级数越多扫描仪图像亮度范围越大、层次越丰富，目前多数扫描仪的灰度为256级。256级灰阶中以真实呈现出比肉眼所能辨识出来的层次还多的灰阶层次。


　　5.3　色彩数


　　色彩数表示彩色扫描仪所能产生颜色的范围。通常用表示每个像素点颜色的数据闰数即比特位（bit)表示。所谓bit这是计算机最小的存贮单位，以0或1来表示比特位的值，越多的比特位数可以表现越复杂的图像资讯。例如常说的真彩色图像指的是每个像素点由三个8比特位的彩色通道所组成即24位二进制数表示，红绿兰通道结合可以产生2²⁴=16.67M（兆）种颜色的组合，色彩数越多扫描图像越鲜艳真实。


　　5.4　扫描速度


　　扫描速度有多种表示方法，因为扫描速度与分辨率，内存容量，软盘存取速度以及显示时间，图像大小有关，通常用指定的分辨率和图像尺寸下的扫描时间来表示。


　　5.5　扫描幅面


　　表示扫描图稿尺寸的大小，常见的有A4、A3、A0幅面等。


　　6.　扫描图像的类型


　　一个图像文件就是成百、上千乃至上百万个像素（Pixel）简单的表示，计算机用一个或多个bits的数据记录每一个像素的密度和色彩。图像数据的bits数越大，其贮存的数据量也就越大，图像可分为三种类型：黑白（bit）、灰度和彩色。


　　6.1　线条(1bit)图像


　　线条图像是最简单的图像，每个像素只用一个bit来记录，单bit的图像又可分为两种：线条图（Line Art)和半色调(Half one)。


　　线条图包含简单的黑白信息，例如钢笔、铅笔的素描，也可以包括机械蓝图等单一颜色的彩色图。


　　半色调图像具有灰度图像的模拟效果，不过这是人眼的主观感受，对于半色调图像黑的部分以较多的点来表示，而较亮的区域用较少的点来表示，报纸上的图片就是属于这种半色调图像。


　　6.2　灰度图像


　　灰度图像包含比单一的黑或白更多的信息，可以看到真实的灰度层次，灰度图像的每个像素用多于一个bit来表示，能记录和显示更多的层次。8个bits可以表示多达256级灰度，使黑白图片的层次更加丰富、准确。


　　6.3　彩色图像


　　彩色包含的信息更加复杂。为了获取彩色图像，扫描信使用基于RGB（红Rde、绿Green,和蓝Blue)三原色模型，因为所有的颜色可以用红绿蓝三原色以不同数量组合而成，根据扫描机型不同，可以记录24bits或36bits的RGB像素。


　　6.4　文本扫描


　　除了可以扫描不同类型的图像，扫描仪还能扫描文字稿件并送入文字处理软件，而不需重新打字输入。这个过程是通过光学字符识别软件（OCR）来完成的，经过软件的处理将扫描得到的图像转换成为计算机可以处理的文本，并可保留其行列和安符文本格式。


　　7.　扫描操作中的要求


　　扫描的过程相当简单，把要扫描的材料放在扫描仪的玻璃台面上，运行扫描软件，并按一下“扫描”键，扫描仪就将图像扫描到图像编辑软件中，而且能以文件格式存贮。为了得到最佳的扫描效果，需要了解影响扫描质量的因素。


　　7.1　选择最佳的扫描分辨率


　　在设定，选择扫描分辨率时，需要综合考虑扫描的图像类型和输出打印的方式。如果以高的分辨率扫描图像需更长的时间，更多内存和磁盘空间，同时分辨率越高，扫描得到的图像就越大，因此在保持良好图像质量的前提下应尽量选择最低的分辨率，使文件不至于太大。


　　印刷行业所采用的分辨率用LPI（LinePer Inch)每英寸线数来度量。与电子图像的分辨率（DPI)是不同的。计算最佳分辨率简易办法是用输出设备所打印的线数（LPI）乘以1.5～2.0，例如扫描图像适用133LPI的杂志印刷，最佳分辨率应该是133×1.5≈200DPI。


　　在通常情况下，推荐使用的分辨率如下表，表中MPR表示“Match Printers Resolution”即与打印相匹配的分辨率。

输出设备	线条图像	灰度图像	彩色图像
彩色热升华打印机	MPR	MPR	MPR
黑白激光打印机	MPR	75DPI	75DPI
彩色喷墨、热感式打印机	MPR	100－150DPI	100－150DPI
印刷机或图文输出机	MPR	150－300DPI	150－300DPI

　　以高阶的彩色图像系统处理连续的图像时需较高的分辨率，因为较高分辨率可以明显改善图像中像素的细节和清晰程度。


　　7.2　插值分辨率的使用


　　扫描墨白图像或放大较小的原稿时，插值分辨率十分有用。


　　7.2.1　当扫描黑白图像时，将分辨率设为和输出的分辨率相等。如黑白图像用1200DPI的输出设备打印线条图像，就用1200DPI的插值分辨率可得到良好的图象，产生平滑的线条，消除部分锯齿影响。


　　7.2.2　放大较小的图像


　　当使用最大光学分辨率是300DPI扫描仪扫描1×2英寸的图片，如果用300DPI的分辨率可得到原尺寸，而希望将图像放大两倍而不失其细节，则扫描分辨率仍定于300DPI，而缩放比例设定于200％，扫描时相当于使用600DPI的插值分辨率，虽然打印出来的尺寸放大一倍，但图像的细节和清晰度仍相当好。


　　7.3　缩放比例


　　缩放比例可在扫描过程中产生较大或较小的图像。这样当扫描得到的图像送到编辑图像程式中时，无需改变图像的大小。


　　在扫描过程中，缩放比例与分辨率成反比，分辨率越低，图像缩放的比例越大，使用最大分辨率时，缩放比例只能小于1。


　　7.4　图像增强


　　在扫描过程中，提供一系列工具用来调整图像的色彩和提高图像的质量。这些工具包括亮度、对比度和曝光工具，暗调与高光工具、曲线工具、滤波器工具、差色工具、自动工具以及色彩校正工具。


　　7.4.1　亮度，对比度和曝光工具


　　该工具可改变整个图像的亮度和对比度，对比度小的图像，在黑与与白之间的灰度层次较多，可分辨的细节也多，显得平滑顺畅一些；反之，对比度大的图像，在黑与白之间的灰度层次较少，可分辨的细节也少，显得反差明显。


　　对比度获得明暗层次的数目，亮度则确定这些层次的光亮程度，同时，曝光工具则会增减图像中光线的强度，使得图像在处理中显现更多的细节。


　　7.4.2　暗调和高光工具


　　该工具可调整图像的暗调和高光区，可以选择新的暗调点作为最暗的数据值；也可以选择新的高光点作为最亮的数据值，其效果是显示出图像的更多细节，很适用于图像数据局限于很小的灰度及彩色范围。


　　7.4.3　曲线工具


　　曲线工具可以修改Gamma曲线，Gamma曲线修改图像的灰度中间调范围的对比度，修改时不影响暗调和高光特性，配合使用曲线和高光工具，可有效地控制图像的色调值。


　　7.4.4　滤波器工具


　　滤波器工具可以产生特殊的图像效果，滤波器工具包括模糊、更模糊，锐化、更锐化，边缘增强和图像的立体效果等。


　　7.4.5　自动对比度控制


　　该工具通过调整Gamma曲线以及暗调和高光值，改善扫描图像的对比度。


　　7.4.6　着色工具及色彩校正工具


　　着色工具调整图像的色调和饱和度，所谓图像的色调就是不同颜色之间的区别，而饱和度是指彩色的密度。


　　色彩校正工具为图像提供一般特性文件，使图像形成准确而栩栩如生的色彩。


　　7.5　文件格式


　　通常扫描图像以图形文件的方式储存，有数种可使用图像的文件格式。如TIFF（标志图像文件格式）是目前最常用的图形文件格式之一；EPS适用储存矢量图；还有PSD、GIF和PCX等，每种文件格式都有它的适用范围和优缺点，为了得到最佳的扫描结果，应该熟悉每一种图像格式的优劣并了解它们与图像编辑软件和输出打印设备的兼容性。


　　7.6　选择打印方式


　　扫描图像可以使用不同的设备打印输出，如激光喷墨和点阵式黑白打印机，彩色喷墨打印机、彩色热升华打印机以及印刷机等。


　　7.7　硬件设备


　　扫描作业选用必要的硬件设施，如36bit扫描仪比24bit扫描仪能够得到更为丰富的色彩和灰度细节。


　　计算机必须拥有足够的内存（RAM）和储存空间，即计算机有储存不同大小和分辨率的黑白、灰度及彩色图像的资源需求。同时检测显示卡和图像显示器是否可以显示高分辨率、高质量的图像。


　　7.8　在扫描时要选用好的原稿


　　因为原稿对于得到质量的扫描结果是十分得要的，即使扫描仪软件和图像编辑程式有改善图像质量的能力，但对于那些焦距不准、画面模糊、污损或者光敏很差的图像，不管花费多大精力处理都是无济于事的。


　　7.9　保持扫描仪的清洁


　　扫描仪镜面如果有灰尘、斑点，要用干净的抹布蘸无水酒精擦拭干净，以免影响扫描效果。


　　7.10　合理使用扫描仪的错误侦测和自我诊断功能以达到最大的操作方便性。



　

　（作者单位：江西吉安市华声通信集团有限公司（国营八三四厂）退休办，343005）