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接觸式圖像傳感器的信號(hào)讀取與補(bǔ)償技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2008/5/29 0:00:00 訪問(wèn)次數(shù):347

圖像傳感器是利用光電轉(zhuǎn)換原理將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一系列電子信號(hào)的一種裝置。接觸式圖像傳感器cis是80年代末出現(xiàn)的一種新型圖像傳感器,是以cmos技術(shù)為主的一種光電掃描器件。cis相比于ccd具有體積小、速度快、成本低、安裝調(diào)試簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但無(wú)論是cis還是ccd都要考慮干擾信號(hào)、傳感器偏差等因素對(duì)圖像信號(hào)的影響,只有排除了這些影響,才能真實(shí)地再現(xiàn)圖像信息。


明輸出與暗輸出
  明輸出vp是指當(dāng)cis讀取白樣張時(shí),光電傳感器輸出的電信號(hào)值。
  明偏差up是指像素陣列中,所有像素點(diǎn)的明輸出的偏差值。
  up=(vpmax-vpmin)/vp
  暗輸出vd是指當(dāng)cis讀取黑樣張時(shí),光電傳感器輸出的電信號(hào)值。
  暗偏差ud是指像素陣列中,所有像素點(diǎn)的暗輸出的偏差值。
  ud=vdmax-vdmin


圖像的取樣與量化
  1、圖像的取樣
  所謂取樣就是用一個(gè)有限的數(shù)列、數(shù)陣來(lái)表示一幅連續(xù)圖像。取樣要遵循取樣定理:對(duì)于一個(gè)函數(shù)fc(x,y),若其傅里葉變換fc(u,v)在空間領(lǐng)域的一個(gè)有限區(qū)域外(即|u|>uc或|v|>vc)處處為零,則當(dāng)取樣間隔△x≤1/2uc和△y≤1/2vc時(shí),fc(x,y)可由它的樣本值正確地重現(xiàn),否則圖像將產(chǎn)生畸變(即混疊效應(yīng))。把取樣的最大間隔△x=1/2uc和△y=1/2vc稱(chēng)為奈奎斯特間隔,1/△x和1/△y稱(chēng)為奈奎斯特頻率。
  2、圖像的量化
  圖像取樣后,正比于圖像灰度值的光電傳感器輸出的電子信號(hào)是模擬量,所以,必須把它變成數(shù)字信號(hào),才能輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這種把圖像信息實(shí)際輸出的模擬量變換成離散的數(shù)字量的轉(zhuǎn)換過(guò)程叫做量化。
  采用均勻量化技術(shù)就是將vp與vd的差值vp-vd等間隔地取k個(gè)等級(jí),通常量化等級(jí)k=2m,如果選用8位a/d轉(zhuǎn)換器,則m=8,k=256級(jí)。
  實(shí)際輸出介于ri與vi之間的,取量化值vi,介于ri與vi+1之間的取vi+1。
  下面通過(guò)均方誤差技術(shù),計(jì)算當(dāng)量化誤差最小時(shí)的量化判決電平值。
  假設(shè):f代表圖像信息實(shí)際輸出值,φ(f)代表圖像信息實(shí)際輸出值在vp與vd之間的密度函數(shù)。則,對(duì)于k個(gè)量化級(jí)而言,量化均方誤差為:

  若φ(f)=p=常數(shù),即圖像信息實(shí)際輸出值在vp與vd之間出現(xiàn)的概率處處相等,于是得到:

  
  輸出電平的最佳取法應(yīng)滿(mǎn)足量化均方誤差最小,即
  dε/dri=0
  由上面兩式可以得出:
  ri=(vi+vi+1)/2
  即當(dāng)ri=(vi+vi+1)/2時(shí),可以保證量化誤差最小。


補(bǔ)償技術(shù)
  所謂補(bǔ)償就是對(duì)cis上的一列光電傳感器之間輸出值的偏差進(jìn)行修正,使之能正確地反映圖像信息。理論上說(shuō),這一列光電傳感器對(duì)cis輸出的信號(hào)取樣、量化后,要對(duì)它的明輸出、暗輸出進(jìn)行補(bǔ)償。
     
  圖1是表示cis的實(shí)際輸出值的狀態(tài)圖(補(bǔ)償前),首先把所有點(diǎn)中,最大的明輸出值定義為vpmax,最小的暗輸出值定義為vdmin。從圖1中可以看出,每一點(diǎn)的明輸出vpi、暗輸出vdi與vpmax、vdmin之間都有一個(gè)偏差值δvp、δvd,所謂補(bǔ)償就是要消除每一點(diǎn)的偏差值對(duì)畫(huà)質(zhì)的影響。
  補(bǔ)償前,首先逐點(diǎn)測(cè)量cis的明輸出vpi與暗輸出vdi,存入存儲(chǔ)器。然后計(jì)算各點(diǎn)的補(bǔ)償系數(shù)αi,并存入存儲(chǔ)器,圖2大體表達(dá)了明輸出與補(bǔ)償系數(shù)的分布,黑影部分就是當(dāng)以為vpmax目標(biāo)時(shí),每點(diǎn)需要補(bǔ)償?shù)闹怠?br>  αi =(vpmax—vdmin)/(vpi—vdi)
  接下來(lái)介紹補(bǔ)償系數(shù)αi的應(yīng)用方法。
  掃描圖像時(shí),首先用a/d轉(zhuǎn)換器對(duì)圖像信息進(jìn)行采樣、量化,并取得各點(diǎn)的實(shí)際輸出值vi,然后利用下面的公式求得補(bǔ)償后的數(shù)值wi。
  wi=αi×(vi—vdi)
  圖3中,白影部分表示的是實(shí)際輸出值vi,黑影部分表示的是補(bǔ)償后的輸出值wi,它們的關(guān)系就如同上面介紹的補(bǔ)償公式的關(guān)系。通過(guò)wi就可以得到真實(shí)的圖像信息。


用軟件實(shí)現(xiàn)
  用c語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算過(guò)程。
  設(shè)明輸出vpi的文件名為mout
  設(shè)暗

圖像傳感器是利用光電轉(zhuǎn)換原理將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一系列電子信號(hào)的一種裝置。接觸式圖像傳感器cis是80年代末出現(xiàn)的一種新型圖像傳感器,是以cmos技術(shù)為主的一種光電掃描器件。cis相比于ccd具有體積小、速度快、成本低、安裝調(diào)試簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但無(wú)論是cis還是ccd都要考慮干擾信號(hào)、傳感器偏差等因素對(duì)圖像信號(hào)的影響,只有排除了這些影響,才能真實(shí)地再現(xiàn)圖像信息。


明輸出與暗輸出
  明輸出vp是指當(dāng)cis讀取白樣張時(shí),光電傳感器輸出的電信號(hào)值。
  明偏差up是指像素陣列中,所有像素點(diǎn)的明輸出的偏差值。
  up=(vpmax-vpmin)/vp
  暗輸出vd是指當(dāng)cis讀取黑樣張時(shí),光電傳感器輸出的電信號(hào)值。
  暗偏差ud是指像素陣列中,所有像素點(diǎn)的暗輸出的偏差值。
  ud=vdmax-vdmin


圖像的取樣與量化
  1、圖像的取樣
  所謂取樣就是用一個(gè)有限的數(shù)列、數(shù)陣來(lái)表示一幅連續(xù)圖像。取樣要遵循取樣定理:對(duì)于一個(gè)函數(shù)fc(x,y),若其傅里葉變換fc(u,v)在空間領(lǐng)域的一個(gè)有限區(qū)域外(即|u|>uc或|v|>vc)處處為零,則當(dāng)取樣間隔△x≤1/2uc和△y≤1/2vc時(shí),fc(x,y)可由它的樣本值正確地重現(xiàn),否則圖像將產(chǎn)生畸變(即混疊效應(yīng))。把取樣的最大間隔△x=1/2uc和△y=1/2vc稱(chēng)為奈奎斯特間隔,1/△x和1/△y稱(chēng)為奈奎斯特頻率。
  2、圖像的量化
  圖像取樣后,正比于圖像灰度值的光電傳感器輸出的電子信號(hào)是模擬量,所以,必須把它變成數(shù)字信號(hào),才能輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這種把圖像信息實(shí)際輸出的模擬量變換成離散的數(shù)字量的轉(zhuǎn)換過(guò)程叫做量化。
  采用均勻量化技術(shù)就是將vp與vd的差值vp-vd等間隔地取k個(gè)等級(jí),通常量化等級(jí)k=2m,如果選用8位a/d轉(zhuǎn)換器,則m=8,k=256級(jí)。
  實(shí)際輸出介于ri與vi之間的,取量化值vi,介于ri與vi+1之間的取vi+1。
  下面通過(guò)均方誤差技術(shù),計(jì)算當(dāng)量化誤差最小時(shí)的量化判決電平值。
  假設(shè):f代表圖像信息實(shí)際輸出值,φ(f)代表圖像信息實(shí)際輸出值在vp與vd之間的密度函數(shù)。則,對(duì)于k個(gè)量化級(jí)而言,量化均方誤差為:

  若φ(f)=p=常數(shù),即圖像信息實(shí)際輸出值在vp與vd之間出現(xiàn)的概率處處相等,于是得到:

  
  輸出電平的最佳取法應(yīng)滿(mǎn)足量化均方誤差最小,即
  dε/dri=0
  由上面兩式可以得出:
  ri=(vi+vi+1)/2
  即當(dāng)ri=(vi+vi+1)/2時(shí),可以保證量化誤差最小。


補(bǔ)償技術(shù)
  所謂補(bǔ)償就是對(duì)cis上的一列光電傳感器之間輸出值的偏差進(jìn)行修正,使之能正確地反映圖像信息。理論上說(shuō),這一列光電傳感器對(duì)cis輸出的信號(hào)取樣、量化后,要對(duì)它的明輸出、暗輸出進(jìn)行補(bǔ)償。
     
  圖1是表示cis的實(shí)際輸出值的狀態(tài)圖(補(bǔ)償前),首先把所有點(diǎn)中,最大的明輸出值定義為vpmax,最小的暗輸出值定義為vdmin。從圖1中可以看出,每一點(diǎn)的明輸出vpi、暗輸出vdi與vpmax、vdmin之間都有一個(gè)偏差值δvp、δvd,所謂補(bǔ)償就是要消除每一點(diǎn)的偏差值對(duì)畫(huà)質(zhì)的影響。
  補(bǔ)償前,首先逐點(diǎn)測(cè)量cis的明輸出vpi與暗輸出vdi,存入存儲(chǔ)器。然后計(jì)算各點(diǎn)的補(bǔ)償系數(shù)αi,并存入存儲(chǔ)器,圖2大體表達(dá)了明輸出與補(bǔ)償系數(shù)的分布,黑影部分就是當(dāng)以為vpmax目標(biāo)時(shí),每點(diǎn)需要補(bǔ)償?shù)闹怠?br>  αi =(vpmax—vdmin)/(vpi—vdi)
  接下來(lái)介紹補(bǔ)償系數(shù)αi的應(yīng)用方法。
  掃描圖像時(shí),首先用a/d轉(zhuǎn)換器對(duì)圖像信息進(jìn)行采樣、量化,并取得各點(diǎn)的實(shí)際輸出值vi,然后利用下面的公式求得補(bǔ)償后的數(shù)值wi。
  wi=αi×(vi—vdi)
  圖3中,白影部分表示的是實(shí)際輸出值vi,黑影部分表示的是補(bǔ)償后的輸出值wi,它們的關(guān)系就如同上面介紹的補(bǔ)償公式的關(guān)系。通過(guò)wi就可以得到真實(shí)的圖像信息。


用軟件實(shí)現(xiàn)
  用c語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算過(guò)程。
  設(shè)明輸出vpi的文件名為mout
  設(shè)暗

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