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列、數陣來表示一幅連續圖像。取樣要遵循取樣定理：對于一個函數fc(x,y)，若其傅里葉變換FC(u,v)在空間領域的一個有限區域外(即|u|>uc或|v|>vc)處處為零，則當取樣間隔△x≤1/2uc和△y≤1/2vc時，fc(x,y)可由它的樣本值正確地重現，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，必須把它變成數字信號，才能輸入計算機進行數據處理。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。則，對于K個量化級而言，量化均方誤差為：

　　若Φ(f)=p=常數，即圖像信息實際輸出值在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，每點需要補償的值。
　　αi =（Vpmax—Vdmin）/（Vpi—Vdi）
　　接下來介紹補償系數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
　　用C語言來實現計算過程。
　　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
　　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 　　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);
　　}