超市监测消费者有无盗物装置原理 扫描仪原理？

扫描仪的工作原理是什么?~

扫描仪是除键盘和鼠标之外被广泛应用于计算机的输入设备。你可以利用扫描仪输入照片建立自己的电子影集；输入各种图片建立自己的网站；扫描手写信函再用e-mail发送出去以代替传真机；还可以利用扫描仪配合ocr软件输入报纸或书籍的内容，免除键盘输入汉字的辛苦。所有这些为我们展示了扫描仪不凡功能，它使我们在办公、学习和娱乐等各个方面提高效率并增进乐趣。
在选购扫描仪时，我们常常遇到许多难懂的专业技术名词，如光学分辨率（光学解析度）、最大分辨率（最大解析度）、色彩分辨率（色彩深度）、扫描模式、接口方式（连接界面）等等。
在使用扫描仪当中，又会遇到到扫描速度慢，占用硬盘空间多，以及一些不知所云的设置等诸多困扰。然而说明书提供给我们的操作指导并不能让所有的人成为应用专家，即使照着说明书去进行某些设置，也不知道为什么要这样做，这无疑给我们用好用巧机器带来了障碍。
本文针对这些问题，从扫描仪的基本结构入手，阐述它的工作原理，使我们对每一项设置或操作都道原因，在应用水平上有一个提高。
一、扫描仪的工作原理
扫描仪是图像信号输入设备。它对原稿进行光学扫描，然后将光学图像传送到光电转换器中变为模拟电信号，又将模拟电信号变换成为数字电信号，最后通过计算机接口送至计算机中。
扫描仪扫描图像的步骤是:首先将欲扫描的原稿正面朝下铺在扫描仪的玻璃板上，原稿可以是文字稿件或者图纸照片；然后启动扫描仪驱动程序后，安装在扫描仪内部的可移动光源开始扫描原稿。为了均匀照亮稿件，扫描仪光源为长条形，并沿y方向扫过整个原稿；照射到原稿上的光线经反射后穿过一个很窄的缝隙，形成沿x方向的光带，又经过一组反光镜，由光学透镜聚焦并进入分光镜，经过棱镜和红绿蓝三色滤色镜得到的rgb三条彩色光带分别照到各自的ccd上，ccd将rgb光带转变为模拟电子信号，此信号又被a/d变换器转变为数字电子信号。
至此，反映原稿图像的光信号转变为计算机能够接受的二进制数字电子信号，最后通过串行或者并行等接口送至计算机。扫描仪每扫一行就得到原稿x方向一行的图像信息，随着沿y方向的移动，在计算机内部逐步形成原稿的全图。
在扫描仪获取图像的过程中，有两个元件起到关键作用。一个是ccd，它将光信号转换成为电信号；另一个是a/d变换器，它将模拟电信号变为数字电信号。这两个元件的性能直接影响扫描仪的整体性能指标，同时也关系到我们选购和使用扫描仪时如何正确理解和处理某些参数及设置。
1.什么是ccd？
ccd是charge couple device的缩写，称为电荷耦合器件，它是利用微电子技术制成的表面光电器件，可以实现光电转换功能。
ccd在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像机中使用的是点阵ccd，即包括x、y两个方向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性ccd，它只有x一个方向，y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成。
ccd芯片上有许多光敏单元，它们可以将不同的光线转换成不同的电荷，从而形成对应原稿光图像的电荷图像。如果我们想增加图像的分辨率，就必须增加ccd上的光敏单元数量。实际上，ccd的性能决定了扫描仪的x方向的光学分辨率。
2.什么是a/d变换器？
a/d变换器是将模拟量（analog）转变为数字量（digital）的半导体元件。从ccd获取的电信号是对应于图像明暗的模拟信号，就是说图像由暗到亮的变化可以用从低到高的不同电平来表示，它们是连续变化的，即所谓模拟量。
a/d变换器的工作是将模拟量数字化，例如将0至1v的线性电压变化表示为0至9的10个等级的方法是：0至小于0.1v的所有电压都变换为数字0、0.1至小于0.2v的所有电压都变换为数字1……0.9至小于1.0v的所有电压都变换为数字9。实际上，a/d变换器能够表示的范围远远大于10，通常是2^8=256、2^10=1024或者2^12=4096。
如果扫描仪说明书上标明的灰度等级是10bit，则说明这个扫描仪能够将图像分成1024个灰度等级，如果标明色彩深度为30bit，则说明红、绿、蓝各个通道都有1024个等级。显然，该等级数越高，表现的彩色越丰富。
二、扫描仪的性能
扫描仪按种类可以分为手持扫描仪，台式扫描仪和滚筒式扫描仪（鼓形扫描仪）。价格方面，手持型在400～600元左右；台式机从1000至上万元不等；鼓形扫描仪的分辨率在8000dpi以上，动态范围，彩色位数等指标都较高，价格也不适合于一般家庭和办公室。
扫描仪的主要性能指标有x、y方向的分辨率、色彩分辨率（色彩位数）、扫描幅面和接口方式等。各类扫描仪都标明了它的光学分辨率和最大分辨率。分辨率的单位是dpi，dpi是英文dot per inch的缩写，意思是每英寸的像素点数。
1.什么是光学分辨率？
光学分辨率是指扫描仪的光学系统可以采集的实际信息量，也就是扫描仪的感光元件——ccd的分辨率。例如最大扫描范围为216mm×297mm（适合于a4纸）的扫描仪可扫描的最大宽度为8.5英寸（216mm），它的ccd含有5100个单元，其光学分辨率为5100点/8.5英寸=600dpi。常见的光学分辨率有300×600、600×1200、1000×2000或者更高。
2.什么是最大分辨率？
最大分辨率又叫做内插分辨率，它是在相邻像素之间求出颜色或者灰度的平均值从而增加像素数的办法。内插算法增加了像素数，但不能增添真正的图像细节，因此，我们应更重视光学分辨率。
3.什么是色彩分辨率？
色彩分辨率又叫色彩深度、色彩模式、色彩位或色阶，总之都是表示扫描仪分辨彩色或灰度细腻程度的指标，它的单位是bit（位）。
色彩位确切的含义是用多少个位来表示扫描得到的一个像素。例如:1bit只能表示黑白像素，因为计算机中的数字使用二进制，1bit只能表示两个值（21=2）即0和1，它们分别代表黑与白。8bit可以表示256个灰度级（28=256），它们代表从黑到白的不同灰度等级。24bit可以表示16777216种色彩（224=16777216），其中红（r）绿（g）蓝（b）各个通道分别占用8bit，它们各有2^8=256个等级，一般称24bit以上的色彩为真彩色，当然还有采用30bit、36bit、42bit的机种。
从理论上讲，色彩位数越多，颜色就越逼真，但对于非专业用户来讲，由于受到计算机处理能力和输出打印机分辨率的限制，追求高色彩位给我们带来的只会是浪费。
4.什么是twain？
twain（technology without an interesting name）是扫描仪厂商共同遵循的规格，是应用程序与影像捕捉设备间的标准接口。只要是支持twain的驱动程序，就可以启动符合这种规格的扫描仪。
例如在microsoft word中就可以启动扫描仪，方法是打开菜单栏的“插入”→“图片”→“来自扫描仪”。利用adobe photoshop也可以做到这一点，方法是打开“file”→“import”→“select twain_32 source”。
5.什么是接口方式？
接口方式（连接界面）是指扫描仪与计算机之间采用的接口类型。常用的有usb接口、scsi接口和并行打印机接口。scsi接口的传输速度最快，而采用并行打印机接口则更简便。
三、扫描仪的应用
1.选择原稿类型
扫描仪驱动程序的用户界面会提供扫描原稿类型的选择菜单。“文件”适用于白纸黑字的原稿，扫描仪会按照1个位来表示黑与白两种像素，这样会节省磁盘空间。“杂志和书籍”则适用于既有图片又有文字的图文混排稿样，扫描该类型兼顾文字和具有多个灰度等级的图片。“照片”适用于扫描彩色照片，它要对红绿蓝三个通道进行多等级的采样和存储。
进行适当的选择可以在满足要求的情况下节省磁盘空间，不同的扫描仪，可能会提供不同的原稿类型选择。
2.分辨率与文件大小
一般的扫描应用软件都可以在你预览原始稿样时自动计算出文件大小，但了解文件大小的计算方法更有助于你在管理扫描文件和确定扫描分辨率时作出适当的选择。
二值图像文件的计算公式是：水平尺寸×垂直尺寸×（扫描分辨率）2/8。彩色图像文件的计算公式是：水平尺寸×垂直尺寸×（扫描分辨率）2×3。例如用彩色rgb方式扫描一幅普通彩色照片（3r 3.5×5英寸），扫描分辨率为300dpi，那么得到的图像文件长度为5×3.5×3002×3=4725000字节即4.7mb（这个计算公式假设每一种颜色的色深是8位并且没有考虑图片的存储时的压缩算法，实际文件大小会因保存文件的格式差异与使用的色深有很大的不同）。
3.选择扫描分辨率
扫描分辨率=放大系数×打印分辨率/n (n为打印机喷头色数)。
扫描分辨率越高得到的图像越清晰，但是考虑到如果超过输出设备的分辨率，再清晰的图像也不可能打印出来，仅仅是多占用了磁盘空间，没有实际的价值。因此选择适当的扫描分辨率就很有必要。

　　条形码原理
　　条形码技术最早产生在风声鹤唳的二十年代，诞生于Westinghouse的实验室里。一位名叫John Kermode性格古怪的发明家“异想天开”地想对邮政单据实现自动分检，那时候对电子技术应用方面的每一个设想都使人感到非常新奇。

　　他的想法是在信封上做条码标记，条码中的信息是收信人的地址，就象今天的邮政编码。为此Kermode发明了最早的条码标识，设计方案非常的简单（注：这种方法称为模块比较法），即一个“条”表示数字“1”，二个“条”表示数字“2”，以次类推。然后，他又发明了由基本的元件组成的条码识读设备：一个扫描器(能够发射光并接收反射光)；一个测定反射信号条和空的方法，即边缘定位线圈；和使用测定结果的方法，即译码器。

　　Kermode的扫描器利用当时新发明的光电池来收集反射光。“空”反射回来的是强信号，“条”反射回来的是弱信号。与当今高速度的电子元气件应用不同的是，Kermode利用磁性线圈来测定“条”和“空”。就象一个小孩将电线与电池连接再绕在一颗钉子上来夹纸。Kermode用一个带铁芯的线圈在接收到“空”的信号的时候吸引一个开关，在接收到“条”的信号的时候，释放开关并接通电路。因此，最早的条码阅读器噪音很大。开关由一系列的继电器控制，“开”和“关”由打印在信封上“条”的数量决定。通过这种方法，条码符号直接对信件进行分检。

　　此后不久， Kermode的合作者Douglas Young，在Kermode码的基础上作了些改进。

　　Kermode码所包含的信息量相当的低，并且很难编出十个以上的不同代码。而Young码使用更少的条，但是利用条之间空的尺寸变化，就象今天的UPC条码符号使用四个不同的条空尺寸。新的条码符号可在同样大小的空间对一百个不同的地区进行编码，而Kermode码只能对十个不同的地区进行编码。

　　直到1949年的专利文献中才第一次有了Norm Woodland和Bernard Silver发明的全方位条形码符号的记载，在这之前的专利文献中始终没有条形码技术的记录，也没有投入实际应用的先例。Norm Woodland和Bemard Silver的想法是利用Kermode和YOung的垂直的“条”和“空”，并使之弯曲成环状，非常象射箭的靶子。这样扫描器通过扫描图形的中心，能够对条形码符号解码，不管条形码符号方向的朝向。

　　在利用这项专利技术对其进行不断改进的过程中，一位科幻小说作家Isaac-Azimov在他的“裸露的太阳”一书中讲述了使用信息编码的新方法实现自动识别的事例。那时人们觉得此书中的条形码符号看上去象是一个方格子的棋盘，但是今天的条形码专业人士马上会意识到这是一个二维矩阵条形码符号。虽然此条形码符号没有方向、定位和定时，但很显然它表示的是高信息密度的数字编码。

　　直到1970年Iterface Mechanisms公司开发出“二维码”之后，才有了价格适于销售的二维矩阵条码的打印和识读设备。那时二维矩阵条形码用于报社排版过程的自动化。二维矩阵条形码印在纸带上，由今天的一维CCD扫描器扫描识读。CCD发出的光照在纸带上，每个光电池对准纸带的不同区域。每个光电池根据纸带上印刷条码与否输出不同的图案，组合产生一个高密度信息图案。用这种方法可在相同大小的空间打印上一个单一的字符，作为早期Kermode码之中的一个单一的条。定时信息也包括在内，所以整个过程是合理的。当第一个系统进入市场后，包括打印和识读设备在内的全套设备大约要5000美元。

　　此后不久，随着LED(发光二极管)、微处理器和激光二极管的不断发展，迎来了新的标识符号(象征学)和其应用的大爆炸，人们称之为“条码工业”。今天很少能找到没有直接接触过即快又准的条形码技术的公司或个人。由于在这一领域的技术进步与发展非常迅速，并且每天都有越来越多的应用领域被开发，用不了多久条形码就会象灯泡和半导体收音机一样普及，将会使我们每一个人的生活都变得更加轻松和方便。

　　条形码技术的优点

　　条形码是迄今为止最经济、实用的一种自动识别技术。条形码技术具有以下几个方面的优点

　　A．输入速度快：与键盘输入相比，条形码输入的速度是键盘输入的5倍，并且能实现"即时数据输入"。

　　B．可靠性高：键盘输入数据出错率为三百分之一，利用光学字符识别技术出错率为万分之一，而采用条形码技术误码率低于百万分之一。

　　C．采集信息量大：利用传统的一维条形码一次可采集几十位字符的信息，二维条形码更可以携带数千个字符的信息，并有一定的自动纠错能力。

　　D．灵活实用：条形码标识既可以作为一种识别手段单独使用，也可以和有关识别设备组成一个系统实现自动化识别，还可以和其他控制设备联接起来实现自动化管理。

　　另外，条形码标签易于制作，对设备和材料没有特殊要求，识别设备操作容易，不需要特殊培训，且设备也相对便宜。

　　编码规则

　　唯一性：同种规格同种产品对应同一个产品代码，同种产品不同规格应对应不同的产品代码。根据产品的不同性质，如：重量、包装、规格、气味、颜色、形状等等，赋予不同的商品代码。

　　永久性：产品代码一经分配，就不再更改，并且是终身的。当此种产品不再生产时，其对应的产品代码只能搁置起来，不得重复起用再分配给其它的商品。

　　无含义：为了保证代码有足够的容量以适应产品频繁的更新换代的需要，最好采用无含义的顺序码。

　　条形码的码制区别

　　UPC:(统一产品代码）

　　只能表示数字有A、B、C、D、E四个版本 版本 A - 12 位数字 版本 E - 7 位数字 最后一位为校验位 大小是宽1.5" 高1 " ，而且背景要与清晰 主要使用于美国和加拿大地区，用于工业、医药、仓库等部门。当UPC 作为十二位进行解码时，定义如下： 第一位 = 数字标识 (已经由UCC（统一代码委员会）所建立). 第2-6位 = 生产厂家的标识号(包括第一位) 第7-11 = 唯一的厂家产品代码 第12位 = 校验位(used for error detection)

　　Code 3 of 9 :

　　能表示字母、数字和其它一些符号共43个字符：A -Z,0 - 9,-.$/+%,pace 条形码的长度是可变化的，通常用“*”号作为起始、终止符校验码不用代码密度介于3 - 9.4个字符/每英寸，空白区是窄条的10倍，用于工业、图书、以及票证自动化管理上。

　　Code 128:

　　表示高密度数据, 字符串可变长，符号内含校验码，有三种不同版本: A, B, and C 可用128个字符分别在 A, B, or C 三个字符串集合中，用于工业、仓库、零售批发。

　　Interleaved 2-of-5 (I2 of 5):

　　只能表示数字0 -9 可变长度，连续性条形码，所有条与空都表示代码，第一个数字由条开始，第二个数字由空组成 空白区比窄条宽10倍，应用于商品批发、仓库、机场、生产/包装识别、工业中，条形码的识读率高，可适用于固定扫描器可靠扫描，在所有一维条形码中的密度最高。

　　Codabar（库德巴条形码）:

　　可表示数字0 - 9,字符$、+、 -、还有只能用作起始/终止符的a, b, c d四个字符，可变长度，没有校验位，应用于物料管理、图书馆、血站和当前的机场包裹发送中，空白区比窄条宽10，非连续性条形码，每个字符表示为4条3空。

　　PDF417 （二维码）:

　　多行组成的条形码，不需要连接一个数据库，本身可存储大量数据，应用于：医院、驾驶证、物料管理、货物运输，当条形码受一定破坏时，错误纠正能使条形码能正确解码PDF417, 是Symbol科技公司于1990研制产品。它是一个多行、连续性、可变长、包含大量数据的符号标识。每个条形码有3 - 90行，每一行有一个起始部分、数据部分、终止部分。它的字符集包括所有128个字符，最大数据含量是1850个字符。

　　一维条形码只是在一个方向（一般是水平方向）表达信息，而在垂直方向则不表达任何信息，其一定的高度通常是为了便于阅读器的对准。

　　一维条形码的应用可以提高信息录入的速度，减少差错率，但是一维条形码也存在一些不足之处：

　　* 数据容量较小： 30个字符左右

　　* 只能包含字母和数字

　　* 条形码尺寸相对较大（空间利用率较低）

　　* 条形码遭到损坏后便不能阅读

　　在水平和垂直方向的二维空间存储信息的条形码， 称为二维条形码（2-dimensional bar code）。

　　与一维条形码一样，二维条形码也有许多不同的编码方法，或称码制。就这些码制的编码原理而言，通常可分为以下三种类型

　　1. 线性堆叠式二维码

　　是在一维条形码编码原理的基础上，将多个一维码在纵向堆叠而产生的。典型的码制如：Code 16K、Code 49、PDF417等。

　　2. 矩阵式二维码

　　是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码。典型的码制如： Aztec、Maxi Code、QR Code、 Data Matrix等。

　　3. 邮政码

　　通过不同长度的条进行编码，主要用于邮件编码，如：Postnet、BPO 4-State。

　　在许多种类的二维条形码中，常用的码制有：Data Matrix, Maxi Code, Aztec, QR Code, Vericode, PDF417, Ultracode, Code 49, Code 16K 等,其中：

　　* Data Matrix 主要用于电子行业小零件的标识，如Intel的奔腾处理器的背面就印制了这种码。

　　* Maxi Code 是由美国联合包裹服务（UPS）公司研制的，用于包裹的分拣和跟踪。

　　* Aztec 是由美国韦林（Welch Allyn）公司推出的，最多可容纳3832个数字或3067个字母字符或1914个字节的数据。

　　下面，我们以PDF417码为例，介绍二维条形码的特性和特点。

　　一）PDF417简介

　　PDF417码是由留美华人王寅敬（音）博士发明的。PDF是取英文Portable Data File三个单词的首字母的缩写，意为“便携数据文件”。因为组成条形码的每一符号字符都是由4个条和4个空构成，如果将组成条形码的最窄条或空称为一个模块，则上述的4个条和4个空的总模块数一定为17，所以称417码或PDF417码。

　　二）PDF417的特点

　　1. 信息容量大

　　PDF417码除可以表示字母、数字、ASCII字符外，还能表达二进制数。为了使得编码更加紧凑，提高信息密度，PDF417在编码时有三种格式：

　　* 扩展的字母数字压缩格式 可容纳1850 个字符；

　　* 二进制 / ASCII格式 可容纳1108 个字节；

　　* 数字压缩格式 可容纳2710 个数字。

　　2. 错误纠正能力

　　一维条形码通常具有校验功能以防止错读，一旦条形码发生污损将被拒读。而二维条形码不仅能防止错误，而且能纠正错误，即使条形码部分损坏，也能将正确的信息还原出来。

　　3. 印制要求不高

　　普通打印设备均可打印，传真件也能阅读。

　　4. 可用多种阅读设备阅读

　　PDF417码可用带光栅的激光阅读器，线性及面扫描的图像式阅读器阅读。

　　5. 尺寸可调以适应不同的打印空间

　　6. 码制公开已形成国际标准，我国也已制定了417码的国标。

　　三）PDF417的纠错功能

　　二维条形码的纠错功能是通过将部分信息重复表示（冗余）来实现的。比如在PDF417码中，某一行除了包含本行的信息外，还有一些反映其它位置上的字符（错误纠正码）的信息。这样，即使当条形码的某部分遭到损坏，也可以通过存在于其它位置的错误纠正码将其信息还原出来。

　　PDF417的纠错能力依错误纠正码字数的不同分为0~8共9级，见图4，级别越高，纠正码字数越多，纠正能力越强，条形码也越大。当纠正等级为8时，即使条形码污损50%也能被正确读出。

　　四）PDF417的几种变形

　　PDF417还有几种变形的码制形式：

　　* PDF417截短码

　　在相对“干净”的环境中，条形码损坏的可能性很小，则可将右边的行指示符省略并减少终止符。

　　* PDF417微码

　　进一步缩减的PDF码。

　　* 宏PDF417码

　　当文件内容太长，无法用一个PDF417码表示时，可用包含多个（1~99999个）条形码分块的宏PDF417码来表示。

　　二维条形码的优势

　　从以上的介绍可以看出，与一维条形码相比二维条形码有着明显的优势，归纳起来主要有以下几个方面：

　　一）数据容量更大

　　二）超越了字母数字的限制

　　三）条形码相对尺寸小

　　四）具有抗损毁能力

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