3D掃描儀的工作原理

在選購3D掃描儀時，我們常常遇到許多難懂的專業(yè)技術(shù)名詞,，如光學分辨率(光學解析度),、最大分辨率(最大解析度)、色彩分辨率(色彩深度),、掃描模式,、接口方式(連接界面)等等。
　　在使用3D掃描儀當中,，又會遇到到掃描速度慢,，占用硬盤空間多，以及一些不知所云的設(shè)置等諸多困擾,。然而說明書提供給我們的操作指導并不能讓所有的人成為應用專家,，即使照著說明書去進行某些設(shè)置，也不知道為什么要這樣做,，這無疑給我們用好用巧機器帶來了障礙,。
　　本文針對這些問題，從3D掃描儀的基本結(jié)構(gòu)入手,，闡述它的工作原理,，使我們對每一項設(shè)置或操作都道原因，在應用水平上有一個提高,。
一,、3D掃描儀的工作原理
　　3D掃描儀是圖像信號輸入設(shè)備。它對原稿進行光學掃描,，然后將光學圖像傳送到光電轉(zhuǎn)換器中變?yōu)槟�擬電信號,，又將模擬電信號變換成為數(shù)字電信號，最后通過計算機接口送至計算機中。
　　3D掃描儀掃描圖像的步驟是:首先將欲掃描的原稿正面朝下鋪在3D掃描儀的玻璃板上,，原稿可以是文字稿件或者圖紙照片;然后啟動3D掃描儀驅(qū)動程序后,，安裝在3D掃描儀內(nèi)部的可移動光源開始掃描原稿。為了均勻照亮稿件,，3D掃描儀光源為長條形,，并沿y方向掃過整個原稿;照射到原稿上的光線經(jīng)反射后穿過一個很窄的縫隙，形成沿x方向的光帶,，又經(jīng)過一組反光鏡,，由光學透鏡聚焦并進入分光鏡，經(jīng)過棱鏡和紅綠藍三色濾色鏡得到的RGB三條彩色光帶分別照到各自的CCD上,，CCD將RGB光帶轉(zhuǎn)變?yōu)槟�擬電子信號,，此信號又被A/D變換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電子信號。
　　至此,，反映原稿圖像的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C能夠接受的二進制數(shù)字電子信號,，最后通過串行或者并行等接口送至計算機。3D掃描儀每掃一行就得到原稿x方向一行的圖像信息,，隨著沿y方向的移動,，在計算機內(nèi)部逐步形成原稿的全圖。
　　在3D掃描儀獲取圖像的過程中,，有兩個元件起到關(guān)鍵作用,。一個是CCD，它將光信號轉(zhuǎn)換成為電信號;另一個是A/D變換器,，它將模擬電信號變?yōu)閿?shù)字電信號,。這兩個元件的性能直接影響3D掃描儀的整體性能指標，同時也關(guān)系到我們選購和使用3D掃描儀時如何正確理解和處理某些參數(shù)及設(shè)置,。
1.什么是CCD?
　　CCD是Charge Couple Device的縮寫,，稱為電荷耦合器件，它是利用微電子技術(shù)制成的表面光電器件,，可以實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換功能,。
　　CCD在攝像機,、數(shù)碼相機和3D掃描儀中應用廣泛,，只不過攝像機中使用的是點陣CCD，即包括x,、y兩個方向用于攝取平面圖像,，而3D掃描儀中使用的是線性CCD，它只有x一個方向,，y方向掃描由3D掃描儀的機械裝置來完成.
　　CCD芯片上有許多光敏單元,，它們可以將不同的光線轉(zhuǎn)換成不同的電荷，從而形成對應原稿光圖像的電荷圖像。如果我們想增加圖像的分辨率,，就必須增加CCD上的光敏單元數(shù)量,。實際上，CCD的性能決定了3D掃描儀的x方向的光學分辨率,。
2.什么是A/D變換器?
　　A/D變換器是將模擬量(Analog)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量(Digital)的半導體元件,。從CCD獲取的電信號是對應于圖像明暗的模擬信號，就是說圖像由暗到亮的變化可以用從低到高的不同電平來表示,，它們是連續(xù)變化的,，即所謂模擬量。
　　A/D變換器的工作是將模擬量數(shù)字化,，例如將0至1V的線性電壓變化表示為0至9的10個等級的方法是:0至小于0.1V的所有電壓都變換為數(shù)字0,、0.1至小于0.2V的所有電壓都變換為數(shù)字1……0.9至小于1.0V的所有電壓都變換為數(shù)字9。實際上,，A/D變換器能夠表示的范圍遠遠大于10,，通常是2^8=256、2^10=1024或者2^12=4096,。
　　如果3D掃描儀說明書上標明的灰度等級是10bit,，則說明這個3D掃描儀能夠?qū)�圖像分成1024個灰度等級，如果標明色彩深度為30bit,，則說明紅,、綠、藍各個通道都有1024個等級,。顯然,，該等級數(shù)越高，表現(xiàn)的彩色越豐富,。
二,、3D掃描儀的性能
　　3D掃描儀的主要性能指標有x、y方向的分辨率,、色彩分辨率(色彩位數(shù)),、掃描幅面和接口方式等。各類3D掃描儀都標明了它的光學分辨率和最大分辨率,。分辨率的單位是dpi,，dpi是英文Dot Per Inch的縮寫，意思是每英寸的像素點數(shù),。
1.什么是光學分辨率?
　　光學分辨率是指3D掃描儀的光學系統(tǒng)可以采集的實際信息量,，也就是3D掃描儀的感光元件——CCD的分辨率。例如最大掃描范圍為216mm×297mm(適合于A4紙)的3D掃描儀可掃描的最大寬度為8.5英寸(216mm),，它的CCD含有5100個單元,，其光學分辨率為5100點/8.5英寸=600dpi,。常見的光學分辨率有600×1200、1200×2400或者更高,。
2.什么是最大分辨率?
　　最大分辨率又叫做內(nèi)插分辨率,，它是在相鄰像素之間求出顏色或者灰度的平均值從而增加像素數(shù)的辦法。內(nèi)插算法增加了像素數(shù),，但不能增添真正的圖像細節(jié),，因此，我們應更重視光學分辨率,。
3.什么是色彩分辨率?
　　色彩分辨率又叫色彩深度,、色彩模式、色彩位或色階,，總之都是表示3D掃描儀分辨彩色或灰度細膩程度的指標,，它的單位是bit(位)。
　　色彩位確切的含義是用多少個位來表示掃描得到的一個像素,。例如:1bit只能表示黑白像素,，因為計算機中的數(shù)字使用二進制，1bit只能表示兩個值(21=2)即0和1,，它們分別代表黑與白,。8bit可以表示256個灰度級(28=256)，它們代表從黑到白的不同灰度等級,。24bit可以表示16777216種色彩(224=16777216),，其中紅(R)綠(G)藍(B)各個通道分別占用8bit，它們各有2^8=256個等級,，一般稱24bit以上的色彩為真彩色,，當然還有采用30bit、36bit,、42bit的機種,。
　　從理論上講，色彩位數(shù)越多,，顏色就越逼真,，但對于非專業(yè)用戶來講，由于受到計算機處理能力和輸出打印機分辨率的限制,，追求高色彩位給我們帶來的只會是浪費,。
4.什么是TWAIN?
　　TWAIN(Technology Without An Interesting Name)是3D掃描儀廠商共同遵循的規(guī)格，是應用程序與影像捕捉設(shè)備間的標準接口,。只要是支持TWAIN的驅(qū)動程序,，就可以啟動符合這種規(guī)格的3D掃描儀,。
　　例如在Microsoft Word中就可以啟動3D掃描儀,，方法是打開菜單欄的“插入”→“圖片”→“來自3D掃描儀”,。利用Adobe Photoshop也可以做到這一點，方法是打開“File”→“Import”→“Select TWAIN_32 Source”,。
5.什么是接口方式?
　　接口方式(連接界面)是指3D掃描儀與計算機之間采用的接口類型,。常用的有USB接口、SCSI接口和并行打印機接口,。SCSI接口的傳輸速度最快,，而采用并行打印機接口則更簡便。
三,、3D掃描儀的應用
　　1.選擇原稿類型
　　3D掃描儀驅(qū)動程序的用戶界面會提供掃描原稿類型的選擇菜單,。“文件”適用于白紙黑字的原稿,，3D掃描儀會按照1個位來表示黑與白兩種像素,，這樣會節(jié)省磁盤空間�,！半s志和書籍”則適用于既有圖片又有文字的圖文混排稿樣,，掃描該類型兼顧文字和具有多個灰度等級的圖片�,！罢掌�”適用于掃描彩色照片,，它要對紅綠藍三個通道進行多等級的采樣和存儲。
　　進行適當?shù)倪x擇可以在滿足要求的情況下節(jié)省磁盤空間,，不同的3D掃描儀,，可能會提供不同的原稿類型選擇。
　　2.分辨率與文件大小
　　一般的掃描應用軟件都可以在你預覽原始稿樣時自動計算出文件大小,，但了解文件大小的計算方法更有助于你在管理掃描文件和確定掃描分辨率時作出適當?shù)倪x擇,。
　　二值圖像文件的計算公式是:水平尺寸×垂直尺寸×(掃描分辨率)2/8。彩色圖像文件的計算公式是:水平尺寸×垂直尺寸×(掃描分辨率)2×3,。例如用彩色RGB方式掃描一幅普通彩色照片(3R 3.5×5英寸),，掃描分辨率為300DPI，那么得到的圖像文件長度為5×3.5×3002×3=4725000字節(jié)即4.7MB(這個計算公式假設(shè)每一種顏色的色深是8位并且沒有考慮圖片的存儲時的壓縮算法,，實際文件大小會因保存文件的格式差異與使用的色深有很大的不同),。
　　3.選擇掃描分辨率
　　掃描分辨率=放大系數(shù)×打印分辨率/N (N為打印機噴頭色數(shù))。
　　掃描分辨率越高得到的圖像越清晰,，但是考慮到如果超過輸出設(shè)備的分辨率,，再清晰的圖像也不可能打印出來，僅僅是多占用了磁盤空間,，沒有實際的價值,。因此選擇適當?shù)膾呙璺直媛示秃苡斜匾��?/font>
　　4.使用OCR軟件
　　OCR是字符識別軟件的簡稱，它是英文Optical character recognition的縮寫,，原意是光學字符識別,。它的功能是通過3D掃描儀等光學輸入設(shè)備讀取印刷品上的文字圖像信息,，利用模式識別的算法，分析文字的形態(tài)特征從而判別不同的漢字,。
　　中文OCR一般只適合于識別印刷體漢字,。使用3D掃描儀加OCR可以部分地代替鍵盤輸入漢字的功能，是省力快捷的文字輸入方法,。

使用3D掃描儀