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(zhuǎn)換原理將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(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。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(dāng)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(dāng)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(lǐng)域的一個有限區(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，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(jìn)行數(shù)據(jù)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(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個等級，通常量化等級K=2m，如果選用8位A/D轉(zhuǎn)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(shù)，計算當(dāng)量化誤差最小時的量化判決電平值。

假設(shè)：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(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，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，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(zhì)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(dá)了明輸出與補償系數(shù)的分布，黑影部分就是當(dāng)以為Vpmax目標(biāo)時，每點需要補償?shù)闹怠?/p>

αi =（Vpmax—Vdmin）/（Vpi—Vdi）

接下來介紹補償系數(shù)αi的應(yīng)用方法。

掃描圖像時，首先用A/D轉(zhuǎn)換器對圖像信息進(jìn)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(guān)系就如同上面介紹的補償公式的關(guān)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。