接觸式圖像傳感器的信號讀取與補償技術(shù)

接觸式圖像傳感器的信號讀取與補償技術(shù)

圖像傳感器是利用光電轉換原理將圖像數據轉換為一系列電子信號的一種裝置。接觸式圖像傳感器CIS是80年代末出現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、傳感器偏差等因素對圖像信號的影響，只有排除了這些影響，才能真實(shí)地再現圖像信息。

明輸出與暗輸出
　　明輸出VP是指當CIS讀取白樣張時(shí)，光電傳感器輸出的電信號值。
　　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CIS讀取黑樣張時(shí)，光電傳感器輸出的電信號值。
　　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)有限的數列、數陣來(lái)表示一幅連續圖像。取樣要遵循取樣定理：對于一個(gè)函數fc(x,y)，若其傅里葉變換FC(u,v)在空間領(lǐng)域的一個(gè)有限區域外(即|u|>uc或|v|>vc)處處為零，則當取樣間隔△x≤1/2uc和△y≤1/2vc時(shí)，fc(x,y)可由它的樣本值正確地重現，否則圖像將產(chǎn)生畸變（即混疊效應）。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是模擬量，所以，必須把它變成數字信號，才能輸入計算機進(jìn)行數據處理。這種把圖像信息實(shí)際輸出的模擬量變換成離散的數字量的轉換過(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，通常量化等級K=2m，如果選用8位A/D轉換器，則m=8，K=256級。
　　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)，計算當量化誤差最小時(shí)的量化判決電平值。
　　假設：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。則，對于K個(gè)量化級而言，量化均方誤差為：

　　若Φ(f)=p=常數，即圖像信息實(shí)際輸出值在Vp與Vd之間出現的概率處處相等，于是得到：

　　
　　輸出電平的最佳取法應滿(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Ri=(Vi+Vi+1)/2時(shí)，可以保證量化誤差最小。

補償技術(shù)
　　所謂補償就是對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CIS輸出的信號取樣、量化后，要對它的明輸出、暗輸出進(jìn)行補償。
　　　　　
　　圖1是表示CIS的實(shí)際輸出值的狀態(tài)圖（補償前），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，所謂補償就是要消除每一點(diǎn)的偏差值對畫(huà)質(zhì)的影響。
　　補償前，首先逐點(diǎn)測量CIS的明輸出Vpi與暗輸出Vdi，存入存儲器。然后計算各點(diǎn)的補償系數αi，并存入存儲器，圖2大體表達了明輸出與補償系數的分布，黑影部分就是當以為Vpmax目標時(shí)，每點(diǎn)需要補償的值。
　　αi =（Vpmax—Vdmin）/（Vpi—Vdi）
　　接下來(lái)介紹補償系數αi的應用方法。
　　掃描圖像時(shí)，首先用A/D轉換器對圖像信息進(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償后的數值Wi。