接觸式圖像傳感器的信號讀取與補償技術

圖像傳感器是利用光電轉換原理將圖像數(shù)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(xiàn)的一種新型圖像傳感器，是以CMOS技術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、安裝調試簡單等優(yōu)點。但無論是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，才能真實地再現(xiàn)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，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，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有限的數(shù)列、數(shù)陣來表示一幅連續(xù)圖像。取樣要遵循取樣定理：對于一個函數(shù)fc(x,y)，若其傅里葉變換FC(u,v)在空間領域的一個有限區(qū)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，fc(x,y)可由它的樣本值正確地重現(xiàn)，否則圖像將產生畸變（即混疊效應）。把取樣的最大間隔△x=1/2uc和△y=1/2vc稱為奈奎斯特間隔，1/△x和1/△y稱為奈奎斯特頻率。
　　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(shù)字信號，才能輸入計算機進行數(shù)據處理。這種把圖像信息實際輸出的模擬量變換成離散的數(shù)字量的轉換過程叫做量化。
　　采用均勻量化技術就是將Vp與Vd的差值Vp-Vd等間隔地取K個等級，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。
　　下面通過均方誤差技術，計算當量化誤差最小時的量化判決電平值。
　　假設：f代表圖像信息實際輸出值，Φ(f)代表圖像信息實際輸出值在Vp與Vd之間的密度函數(shù)。則，對于K個量化級而言，量化均方誤差為：

　　若Φ(f)=p=常數(shù)，即圖像信息實際輸出值在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滿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，可以保證量化誤差最小。

補償技術
　　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行修正，使之能正確地反映圖像信息。理論上說，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、暗輸出進行補償。
 　　　　　
　　圖1是表示CIS的實際輸出值的狀態(tài)圖（補償前），首先把所有點中，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，每一點的明輸出Vpi、暗輸出Vdi與Vpmax、Vdmin之間都有一個偏差值ΔVp、ΔVd，所謂補償就是要消除每一點的偏差值對畫質的影響。
　　補償前，首先逐點測量CIS的明輸出Vpi與暗輸出Vdi，存入存儲器。然后計算各點的補償系數(shù)αi，并存入存儲器，圖2大體表達了明輸出與補償系數(shù)的分布，黑影部分就是當以為Vpmax目標時，每點需要補償?shù)闹怠?br /> 　　αi =（Vpmax—Vdmin）/（Vpi—Vdi）
　　接下來介紹補償系數(shù)αi的應用方法。
　　掃描圖像時，首先用A/D轉換器對圖像信息進行采樣、量化，并取得各點的實際輸出值Vi，然后利用下面的公式求得補償后的數(shù)值Wi。
　　Wi=αi×（Vi—Vdi）
　　圖3中，白影部分表示的是實際輸出值Vi，黑影部分表示的是補償后的輸出值Wi，它們的關系就如同上面介紹的補償公式的關系。通過Wi就可以得到真實的圖像信息。

用軟件實現(xiàn)
　　用C語言來實現(xiàn)計算過程。
　　設明輸出Vpi的文件名為MOUT
　　設暗輸出Vdi的文件名為AOUT
　　設采樣值Vi的文件名為CAI
　　計算后αi的輸出文件名為ALFA
　　計算后Wi的輸出文件名為WIV
　　#include <stdio.h>
　　main()
　　{ FILE *mfp, *afp, *cfp, *mbfp, *abfp,*af, *wi;
　　FLOAT A,B,C,D,W,MAX,MIN;
　　mfp=fopen(“MOUT”,“rb”);
　　mbfp=mfp;
　　afp=fopen(“AOUT”,“rb”);
　　abfp=afp;
　　cfp=fopen(“CAI”,“rb”);
　　MAX=0.0;
　　MIN=0.0;
　　While(!feof(mfp))
　　{ scanf(mfp,“%f”,&A);
　　scanf(afp,“%f”,&B);
　　if (A>MAX) then MAX=A;
　　if (B<MIN) then MIN=B;};
　　mfp=mbfp;
　　afp=abfp;
　　af=fopen(“ALFA”,“wb”);
　　wi=fopen(“WIV”,“wb”);
　　while(!feof(mfp))
　　{ scanf(mfp,“%f”,&A);
　　scanf(afp,“%f”,&B);
　　scanf(cfp,“%f”,&C);
　　D=(MAX-MIN)/(A-B);
　　W=D*(C-B);
　　fprintf(af,“%f”,D);
　　fprintf(wi,“%f”,W);
　　}
　　fclose(mfp);fclose(afp);fclose(cfp);fclose(af);fclose(wi);
　　}