在掃描儀成像的整個(gè)過(guò)程中，存在許多給掃描圖像帶來(lái)誤差的因素，如光照的不均勻性、由CCD生產(chǎn)工藝所引起的各個(gè)像素單元感光響應(yīng)的不一致性、信號(hào)的采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換及后續(xù)各種處理電路內(nèi)部所存在的噪聲等。掃描圖像校正的目的在于最大程度地消除這些因素所帶來(lái)的成像誤差，提高并保證掃描圖像的質(zhì)量。臺(tái)灣創(chuàng)惟(Genesys Logic)公司GL84X系列掃描控制器基于USB2.0數(shù)據(jù)傳輸接口,內(nèi)嵌CCD/CIS控制、AFE控制、步進(jìn)電機(jī)控制、掃描過(guò)程控制、分辨率控制等圖像掃描相關(guān)控制功能模塊，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)圖像數(shù)據(jù)采集流水線的所有功能，并具有高速高精度的特點(diǎn)。為提高掃描圖像質(zhì)量并減輕軟件負(fù)擔(dān)，GL847內(nèi)部融合了增益/偏移調(diào)整等校正模塊,為高質(zhì)量圖像掃描提供了強(qiáng)有力的保證。盡管如此，G2847的采集數(shù)據(jù)中仍存在誤差和扭曲。本文在對(duì)GL847圖像數(shù)據(jù)采集信號(hào)管道誤差的引入進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論了GL847內(nèi)部硬件所提供的掃描圖像校正機(jī)制與方法，給出了一種有效而可行的校正參數(shù)獲取算法。
1 超大幅面CCD圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
　　本文所設(shè)計(jì)的超大幅面CCD圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在掃描儀控制器的統(tǒng)一控制下，CCD對(duì)掃描稿件進(jìn)行感光并將感光信號(hào)輸出；模擬前端對(duì)CCD的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳遞給掃描儀控制器；電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)在零位傳感器的配合下完成圖像掃描過(guò)程中的定位與位置移動(dòng)。

    經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的CCD信號(hào)在進(jìn)入掃描儀控制器之后，進(jìn)行一系列后續(xù)處理，包括分辨率控制、圖像校正、數(shù)據(jù)打包等,最終將圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SDRAM中。同時(shí),掃描儀控制器所需要的各種參數(shù)也被存放在SDRAM中。
    掃描儀控制器接收來(lái)自工控板的控制命令和參數(shù)，并將最終圖像數(shù)據(jù)遞交給工控板。本系統(tǒng)中，掃描儀控制器選用創(chuàng)惟公司的GL847芯片；CCD采用東芝的TCD2964BFG芯片，TCD2964BFG具有4 800 dpi光學(xué)分辨率；模擬前端采用Wolfson公司的WM8196芯片；步進(jìn)電機(jī)采用百格拉368，驅(qū)動(dòng)器為D921；SDRAM為Hynix公司的HY57V281620，存儲(chǔ)容量為128 MB/s。

2 掃描圖像校正
2.1靜態(tài)偏移與增益校正
    CCD像素信號(hào)在累積、轉(zhuǎn)移以及輸出過(guò)程中不可避免地會(huì)引入噪聲干擾，使其輸出信號(hào)中始終存在一定的直流分量。因而在無(wú)光照的情況下，CCD的輸出電平不為0，而存在一定的偏移誤差。為了消除這種誤差，有必要進(jìn)行相應(yīng)的偏移校正。A/D轉(zhuǎn)換器件只有對(duì)處于其電平輸入范圍內(nèi)的模擬信號(hào)才能進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換，因此，CCD的輸出信號(hào)幅值必須滿足A/D轉(zhuǎn)換器的電壓輸入范圍，才能獲得正確的像素信號(hào)轉(zhuǎn)換值。
    本文在模擬前端中,在相關(guān)雙采樣CDS(Correlated Double Sampling)模塊之后,設(shè)計(jì)了一個(gè)Offset DAC模塊(即靜態(tài)偏移電路)，能夠用以初步消除采樣得到的CCD信號(hào)中存在的靜態(tài)偏移；而在Offset DAC之后，設(shè)計(jì)了一個(gè)可編程的增益放大器(PGA)，用以對(duì)經(jīng)過(guò)了靜態(tài)偏移處理的模擬信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，以匹配A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍。
    基于對(duì)CCD噪聲產(chǎn)生的原因以及模擬前端(AFE)中信號(hào)處理流程的分析，通過(guò)以下步驟來(lái)獲取AFE中應(yīng)該設(shè)置的靜態(tài)偏移值和靜態(tài)增益值。
    (1) 初始化PGA
    將模擬前端中三個(gè)通道的PGA增益均設(shè)置為1，從而得到CCD信號(hào)在經(jīng)過(guò)CDS相關(guān)雙采樣之后的原始電平范圍。如果這個(gè)范圍小于A/D的輸入范圍，則需要通過(guò)大于1的增益將其放大；相反，如果這個(gè)范圍超過(guò)了A/D的輸入范圍，則就必須通過(guò)一個(gè)小于1的增益系數(shù)來(lái)縮小其范圍。
　　在WM8196芯片中，為了使某個(gè)通道PGA的增益為1,必須向其相應(yīng)的寄存器中寫入值0x4B,記為PGA_CODE=0x4B;相應(yīng)的增益值則記為PRE_GAIN，則[1]：
    PRE_GAIN=208/(283-PGA_CODE)
    (2) 初始化DAC
    為了使AFE電路內(nèi)部的Offset DAC不會(huì)落在A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍之外，需要對(duì)AFE中的Offset DAC設(shè)置合適的值。先給DAC賦一個(gè)預(yù)先設(shè)定值，記為PRE_DAC=0x00，使得靜態(tài)偏移值達(dá)到最大。
    (3) 獲得平均黑電平信號(hào)
    掃描數(shù)行黑色區(qū)域,并且計(jì)算出其平均值,記為AVE_BLACK。
    (4) 獲得平均白電平信號(hào)
    掃描一塊目標(biāo)白區(qū)域，計(jì)算出平均值。如果所得到的像素值存在嚴(yán)重不均勻問(wèn)題，則其中必存在有一個(gè)最大值。取最大值附近某一鄰域中的像素值進(jìn)行平均操作，結(jié)果記為AVE_WHITE。
  
2.2 Shading校正算法
    掃描圖像校正最終要達(dá)到的理想目標(biāo)是：當(dāng)掃描一幅純黑色的圖像時(shí),得到的每一個(gè)像素的值均為0；而當(dāng)掃描一幅純白色圖像時(shí)，得到的每一個(gè)像素的值都是目標(biāo)值[2](如252)。在靜態(tài)校正之后，需要進(jìn)一步針對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行校正，以消除像素間的非一致性，提高圖像質(zhì)量。
    在實(shí)際應(yīng)用中，并不希望掃描純黑色圖像時(shí)得到的各個(gè)像素值為0，而應(yīng)該是一個(gè)大于0的值，記為Pixel_offset；掃描純白色圖像時(shí)某個(gè)像素的掃描值為Pixel_in。這樣，經(jīng)過(guò)偏移校正后該像素的值為Pixel_out=Pixel_in-Pixel_offset。如果目標(biāo)值為Pixel_target，則需要一個(gè)放大倍數(shù)coefficient，即：
     
其中，Wn表示像素的白平均值，Dn表示像素的黑平均值，H表示2 000、4 000均為16進(jìn)制數(shù)。
3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
    對(duì)未經(jīng)掃描儀校正的分別掃描參考白色稿件和參考黑色稿件,得到未校正下CCD感光特性曲線如圖2所示。圖2(a)中，紅色通道像素亮度最大值為28 547，平均值為21 466；綠色通道像素亮度最大值為39 023，平均值為29 925；藍(lán)色通道像素亮度最大值為40 665，平均值為31 267。在圖2(b)中，紅色通道的偏移值為1 384；綠色通道偏移值為1 295；藍(lán)色通道偏移值為1 089。

    可以看出，未經(jīng)校正的掃描圖像三個(gè)通道的顏色亮度值動(dòng)態(tài)范圍均較差，且通道間存在較大差異，從而無(wú)法有效反映掃描原稿圖像信息。
    給定目標(biāo)CCD亮度范圍和偏移，利用本算法求出AFE中各個(gè)通道所對(duì)應(yīng)的靜態(tài)增益和靜態(tài)偏移，從而得到如圖3所示的CCD感光特性曲線。在圖3(a)中，紅色通道像素亮度最大值為63 930，平均值為47 298；綠色通道最大值為64 107，平均值為48 758；藍(lán)色通道最大值為64 038，平均值為49 083。在圖3(b)中，紅色通道像素平均偏移值為1 015，綠色通道為969，藍(lán)色通道為9 22。從而，達(dá)到了靜態(tài)校正預(yù)期目標(biāo)。

    圖3中的感光曲線對(duì)應(yīng)著CCD感光單元像素級(jí)校正增益參數(shù)和偏移參數(shù)計(jì)算所需要的數(shù)據(jù)，利用本Shading校正算法完成掃描系統(tǒng)像素級(jí)校正，消除了CCD感光單元間的非均勻性。CCD感光單元輸出與對(duì)應(yīng)像素級(jí)增益和偏移校正參數(shù)如圖4所示。

    利用本文介紹的算法對(duì)掃描儀進(jìn)行校正前后對(duì)測(cè)試稿件的掃描結(jié)果如圖5所示。

    本文針對(duì)GL84X系列掃描儀控制器的算法，可通過(guò)獲取CCD感光單元輸出特性，有效獲得圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差特征，將整體校正與像素級(jí)校正相結(jié)合，對(duì)掃描誤差進(jìn)行補(bǔ)償和調(diào)整，大幅提高了掃描圖像的質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)
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