3D掃描儀的工作原理

在選購(gòu)3D掃描儀時(shí)，我們常常遇到許多難懂的專業(yè)技術(shù)名詞，如光學(xué)分辨率(光學(xué)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(dāng)中，又會(huì)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(shuō)明書(shū)提供給我們的操作指導(dǎo)并不能讓所有的人成為應(yīng)用專家，即使照著說(shuō)明書(shū)去進(jìn)行某些設(shè)置，也不知道為什么要這樣做，這無(wú)疑給我們用好用巧機(jī)器帶來(lái)了障礙。
　　本文針對(duì)這些問(wèn)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(duì)每一項(xiàng)設(shè)置或操作都道原因，在應(yīng)用水平上有一個(gè)提高。
一、3D掃描儀的工作原理
　　3D掃描儀是圖像信號(hào)輸入設(shè)備。它對(duì)原稿進(jìn)行光學(xué)掃描，然后將光學(xué)圖像傳送到光電轉(zhuǎn)換器中變?yōu)槟�擬電信號(hào)，又將模擬電信號(hào)變換成為數(shù)字電信號(hào)，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)接口送至計(jì)算機(jī)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(dòng)3D掃描儀驅(qū)動(dòng)程序后，安裝在3D掃描儀內(nèi)部的可移動(dòng)光源開(kāi)始掃描原稿。為了均勻照亮稿件，3D掃描儀光源為長(zhǎng)條形，并沿y方向掃過(guò)整個(gè)原稿;照射到原稿上的光線經(jīng)反射后穿過(guò)一個(gè)很窄的縫隙，形成沿x方向的光帶，又經(jīng)過(guò)一組反光鏡，由光學(xué)透鏡聚焦并進(jìn)入分光鏡，經(jīng)過(guò)棱鏡和紅綠藍(lán)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(hào)，此信號(hào)又被A/D變換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電子信號(hào)。
　　至此，反映原稿圖像的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能夠接受的二進(jìn)制數(shù)字電子信號(hào)，最后通過(guò)串行或者并行等接口送至計(jì)算機(jī)。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(dòng)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部逐步形成原稿的全圖。
　　在3D掃描儀獲取圖像的過(guò)程中，有兩個(gè)元件起到關(guān)鍵作用。一個(gè)是CCD，它將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào);另一個(gè)是A/D變換器，它將模擬電信號(hào)變?yōu)閿?shù)字電信號(hào)。這兩個(gè)元件的性能直接影響3D掃描儀的整體性能指標(biāo)，同時(shí)也關(guān)系到我們選購(gòu)和使用3D掃描儀時(shí)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(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換功能。
　　CCD在攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和3D掃描儀中應(yīng)用廣泛，只不過(guò)攝像機(jī)中使用的是點(diǎn)陣CCD，即包括x、y兩個(gè)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(gè)方向，y方向掃描由3D掃描儀的機(jī)械裝置來(lái)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(duì)應(yīng)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(shí)際上，CCD的性能決定了3D掃描儀的x方向的光學(xué)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(dǎo)體元件。從CCD獲取的電信號(hào)是對(duì)應(yīng)于圖像明暗的模擬信號(hào)，就是說(shuō)圖像由暗到亮的變化可以用從低到高的不同電平來(lái)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(gè)等級(jí)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(shí)際上，A/D變換器能夠表示的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10，通常是2^8=256、2^10=1024或者2^12=4096。
　　如果3D掃描儀說(shuō)明書(shū)上標(biāo)明的灰度等級(jí)是10bit，則說(shuō)明這個(gè)3D掃描儀能夠?qū)�圖像分成1024個(gè)灰度等級(jí)，如果標(biāo)明色彩深度為30bit，則說(shuō)明紅、綠、藍(lán)各個(gè)通道都有1024個(gè)等級(jí)。顯然，該等級(jí)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(biāo)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(biāo)明了它的光學(xué)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(diǎn)數(shù)。
1.什么是光學(xué)分辨率?
　　光學(xué)分辨率是指3D掃描儀的光學(xué)系統(tǒng)可以采集的實(shí)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(gè)單元，其光學(xué)分辨率為5100點(diǎn)/8.5英寸=600dpi。常見(jiàn)的光學(xué)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?cái)?shù)的辦法。內(nèi)插算法增加了像素?cái)?shù)，但不能增添真正的圖像細(xì)節(jié)，因此，我們應(yīng)更重視光學(xué)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(xì)膩程度的指標(biāo)，它的單位是bit(位)。
　　色彩位確切的含義是用多少個(gè)位來(lái)表示掃描得到的一個(gè)像素。例如:1bit只能表示黑白像素，因?yàn)橛?jì)算機(jī)中的數(shù)字使用二進(jìn)制，1bit只能表示兩個(gè)值(21=2)即0和1，它們分別代表黑與白。8bit可以表示256個(gè)灰度級(jí)(28=256)，它們代表從黑到白的不同灰度等級(jí)。24bit可以表示16777216種色彩(224=16777216)，其中紅(R)綠(G)藍(lán)(B)各個(gè)通道分別占用8bit，它們各有2^8=256個(gè)等級(jí)，一般稱24bit以上的色彩為真彩色，當(dāng)然還有采用30bit、36bit、42bit的機(jī)種。
　　從理論上講，色彩位數(shù)越多，顏色就越逼真，但對(duì)于非專業(yè)用戶來(lái)講，由于受到計(jì)算機(jī)處理能力和輸出打印機(jī)分辨率的限制，追求高色彩位給我們帶來(lái)的只會(huì)是浪費(fèi)。
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(yīng)用程序與影像捕捉設(shè)備間的標(biāo)準(zhǔn)接口。只要是支持TWAIN的驅(qū)動(dòng)程序，就可以啟動(dòng)符合這種規(guī)格的3D掃描儀。
　　例如在Microsoft Word中就可以啟動(dòng)3D掃描儀，方法是打開(kāi)菜單欄的“插入”→“圖片”→“來(lái)自3D掃描儀”。利用Adobe Photoshop也可以做到這一點(diǎn)，方法是打開(kāi)“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(jì)算機(jī)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(jī)接口。SCSI接口的傳輸速度最快，而采用并行打印機(jī)接口則更簡(jiǎn)便。
三、3D掃描儀的應(yīng)用
　　1.選擇原稿類型
　　3D掃描儀驅(qū)動(dòng)程序的用戶界面會(huì)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(huì)按照1個(gè)位來(lái)表示黑與白兩種像素，這樣會(huì)節(jié)省磁盤空間。“雜志和書(shū)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(gè)灰度等級(jí)的圖片。“照片”適用于掃描彩色照片，它要對(duì)紅綠藍(lán)三個(gè)通道進(jìn)行多等級(jí)的采樣和存儲(chǔ)。
　　進(jìn)行適當(dāng)?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(huì)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(yīng)用軟件都可以在你預(yù)覽原始稿樣時(shí)自動(dòng)計(jì)算出文件大小，但了解文件大小的計(jì)算方法更有助于你在管理掃描文件和確定掃描分辨率時(shí)作出適當(dāng)?shù)倪x擇。
　　二值圖像文件的計(jì)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(jì)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(zhǎng)度為5×3.5×3002×3=4725000字節(jié)即4.7MB(這個(gè)計(jì)算公式假設(shè)每一種顏色的色深是8位并且沒(méi)有考慮圖片的存儲(chǔ)時(shí)的壓縮算法，實(shí)際文件大小會(huì)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(jī)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(guò)輸出設(shè)備的分辨率，再清晰的圖像也不可能打印出來(lái)，僅僅是多占用了磁盤空間，沒(méi)有實(shí)際的價(jià)值。因此選擇適當(dāng)?shù)膾呙璺直媛示秃苡斜匾��?/font>
　　4.使用OCR軟件
　　OCR是字符識(shí)別軟件的簡(jiǎn)稱，它是英文Optical character recognition的縮寫，原意是光學(xué)字符識(shí)別。它的功能是通過(guò)3D掃描儀等光學(xué)輸入設(shè)備讀取印刷品上的文字圖像信息，利用模式識(shí)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(shí)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