接觸式圖像傳感器的信號(hào)讀取與補(bǔ)償技術(shù)

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)試簡單等優(yōu)點(diǎn)。但無論是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(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，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)畫質(zhì)的影響。
　　補(bǔ)償前，首先逐點(diǎn)測量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Wi就可以得到真實(shí)的圖像信息。

用軟件實(shí)現(xiàn)
　　用C語言來實(shí)現(xiàn)計(jì)算過程。
　　設(shè)明輸出Vpi的文件名為MOUT
　　設(shè)暗輸出Vdi的文件名為AOUT
　　設(shè)采樣值Vi的文件名為CAI
　　計(jì)算后αi的輸出文件名為ALFA
　　計(jì)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);
　　}