专利名称：数字补偿式图像处理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种图像处理装置，特别涉及一种可以有效提升取像速度、避免产生图像轮廓缺陷(false contour或image defect)、降低成本又不降低系统有效位元数的数字补偿式图像处理装置。
另外，本发明装置用于图像之取像、像素(pixel)的阴影现像校正补偿(shading)、强弱化调整(highlight、shadow)、对比度调整(Gamma)、图像储存及显示。
此外，本发明装置适用于处理文字性质(即对比度高)的图像；特别是对于处理非文字性质的图像(例如一般绘画或照相)，具有更佳效果；尤其是适用于图像扫描器(sacnner)的各种应用范围。
传统的图像处理系统，用以将图像由光学系统的反射、聚焦，经一光电转换器将之转换为图像之电气信号后，再由数字电路对其作各种信号的校正、调整、储存及显示。此种图像处理系统应用非常广泛，例如图像扫描器(scanner)、摄像机、传真机等现代化办公、家用及计算机外围设备；这些设备彼此间虽有些微之差异，但皆不超出以下所要描述的两大型态，即传统模拟补偿式图像处理装置及传统数字补偿式图像处理装置。
传统模拟补偿式图像处理装置，以图像扫描器(scanner)为例，其系统如
图1所示主要包含一光源10、一镜面11、一透镜组合12、一电荷耦合器件(charge-couple device，CCD)13、一前置处理装置(直流增益，DC/gain)14、一模拟数字(Analog-to-Digital converter，A/D)转换器15、一数字模拟(Digital-to-Analog converter，D/A)转换器16、一后置处理装置17及一缓冲存储器(buffer)18。在使用时，由光源照射的文字或图形图像经由镜面反射及穿过透镜后，被电荷耦合器件转换为一电气信号，再经过前置处理装置调整其直流增益后，输入至一模拟数字转换器以产生一数字信号；由于光学系统(包括光源、镜面及透镜组合)之亮度的不平均及电荷耦合器件本身的光学之不均匀度(Photo-Response Non-Uniformity，PRNU)相当大，故将储存之补偿向量转换为模拟信号再馈至模拟数字转换器之参考信号(Vref)端19，以校正补偿各像素之不均匀度；模拟数字转换器的数字输出馈至后置处理装置作对比度(Gamma)的调整后，再储存于缓冲存储器(buffer)以供之后进一步的图像处理或直接馈至图像显示器。
上述之传统模拟补偿式图像处理装置，具有以下的缺点(1)当此装置当中的A/D转换器之位元数增高时，D/A转换器之位元数亦需同时随之增高；但由于D/A转换器的内部为一电阻式的结构，使得高位元数之D/A转换器的等效电阻相当大，致使其速度变慢；(2)上述D/A转换器的位元数增高时，其制造价格太高且不易取得；(3)利用D/A转换器来调整A/D转换器之参考信号，通常由于D/A转换器之反应时间(settling time)大，会降低A/D转换器工作频宽，使其工作速度变慢；及(4)在A/D转换器的参考信号端馈进一随时变动的参考电压，极易引进其它杂讯，降低整个系统的稳定性。
另一传统的图像处理系统称为数字补偿式图像处理装置，以图像扫描器为例，其系统如图2所示主要包含一光源20、一镜面21、一透镜组合22、一电荷耦合器件23、一前置处理装置(直流增益，DC/gain)24、一模拟数字(Analog-to-Digital converter，A/D)转换器25、一除法器26、一后置处理装置27及一缓冲存储器(buffer)28；其结构和前一实施例的主要差别在于取消D/A转换器，而在A/D转换器25和后置处理装置27之间插入一除法器26，该除法器将A/D转换器输出之数字信号和一校正阴影现像(shading)的补偿向量经过运算后，对所处理之图像信号作补偿校正。
图2之传统数字补偿式图像处理系统，以数字补偿式来解决及去除上述模拟补偿之缺点(即速度慢、成本高、D/A反应时间长及杂讯问题)；但由于采用除法器作为校正补偿用，使得系统的有效位元数减少，极易于处理后的图像中产生图像轮廓缺陷之现象。例如上述光学系统之光学不均匀度设为50％，则经过除法运算(即shading的补偿校正)后，其有效位元数将减少一位元；而且在此系统强、弱化调整后，此现象将更严重。例如以强化(highlight)调整为原全部范围的25％，则其有效位元数将再减少二位元；以八位元为例，上述总共减少的三个位元使原来的256(即28)个灰度变为32(即25)个灰度；这些减少的灰度将使得一些图像码不存在，其在像素的频谱图(histogram)上将会产生不连续的间断，图3a为一正常的频谱图，而图3b为一位元减少后的频谱图，图中的直线代表一些不存在的图像码；而在图像的视觉表现上，则会产生图像轮廓的缺陷失真，例如在照片上产生不连续之失真。
鉴于上述之发明背景中，传统的模拟补偿式图像处理装置及传统的数字补偿式图像处理装置所产生的诸多缺点，本发明之主要目的便在于提供一种改进的数字补偿式图像处理装置，用以有效提升取像速度、降低成本及避免受到杂质的影响。
本发明的另一目的在于提供一种改进的数字补偿式图像处理装置，用以补偿由于光学系统之亮度的不平均及图像拾取装置(如电荷耦合器件)本身的光学的不均匀度所引起的阴影现象，却又不减少系统的有效位元数，以避免产生图像轮廓缺陷。
根据以上所述之目的，本发明提供了一种数字补偿式图像处理装置，其包含一图像拾取装置，用以将图像转换为一电气信号；一前置处理装置，用以将该电气信号调整至一适当的模拟信号；一模拟数字转换器，用以将该模拟信号转换成数字信号；一位元提高滤波装置，用以输入该数字信号及多数个相邻像素，经数学运算处理后，产生一位元提高之数字信号；一后置处理装置，用以将该位元提高之数字信号经数学运算之补偿处理后，产生一图像码；及一输出装置用以将图像码储存于缓冲存储器以供之后进一步的图像处理或直接馈至图像显示器。
采用本发明的装置既无传统的模拟补偿式图像处理装置(如图1系统〕之速度慢、高成本及易受杂讯干扰的缺点，且克服了传统数字补偿式图像处理装置(如图2之系统)中所产生的图像轮廓缺陷；真正提供了一种新颖的数字补偿式图像处理装置，用于图像之取像、像素的校正补偿、强弱化调整、对比的调整、图像的储存及显示。
图1为一传统模拟补偿式图像处理装置的系统方块图。
图2为一传统数字补偿式图像处理装置的系统方块图。
图3a为一般图像像素之频谱图(Histogram)(图中以8位元为例)。
图3b为一经由图2之系统所处理后，系统有效位元数减少后，图像像素之频谱图(图中以8位元为例)。
图4为本发明数字补偿式图像处理装置的系统方块图。
图5a为本发明装置中位元提高(bit-enhancing)滤波装置之第一实施例(3×3矩阵)运算方法示意图。
图5b为本发明装置中位元提高滤波装置之第二实施例(1×3矩阵)运算方法示意图。
图5c为本发明装置中位元提高滤波装置之第三实施例(1×5矩阵)运算方法示意图。
以下将就本发明应用于图像扫描器系统中的实施例作为本发明装置之较佳实施例，并作一详细说明。如图4所示之系统方块图包含一光源39、一镜面41、一透镜组合42、一电荷耦合器件43、一前置处理装置44、一模拟数字转换器45、一位元提高滤波装置(m×n矩阵滤波器)46、一后置处理装置47及一缓冲存储器48。
在使用时，光源39照射到文字或图形40，其所产生的图像经由镜面41反射，由透镜组合42聚焦再由电荷耦合器件43将图像转换为一电气信号。由于每一个电荷耦合器件43的输出特性并非完全相同，且其输出特性受到元件老化的影响，为了使此输出信号能够工作于模拟数字转换器45之最佳的全部范围里，必须经由一前置处理装置46(于本实施例中为一直流增益器)，用以将该电气信号的直流增益调整至一预设的模拟信号，使其能够工作于模拟数字转换器45之最佳的全部范围，再将此模拟信号经由A/D转换器45转换成数字信号。
位元提高滤波装置46，乃本发明之特征所在，它用以输入数字信号及输入多数个相邻像素49，经位元提高运算处理后，产生一位元提高之数字信号，鉴于前述图2之传统数字补偿式图像处理系统，由于使用除法器26作为系统补偿校正之用，致使其系统有效位元数减少，极易于处理后的图像中产生图像轮廓缺陷之现象；本发明之该位元提高滤波装置46克服上述缺点，经由特殊的位元提高运算方法以保持系统的有效位元数；图5a所示为该位元提高滤波装置的第一实施例(即一3×3矩阵之滤波器)，其位元提高运算方法如下A/D转换器45将目前正在处理的像素a22转换为数字后，该位元提高滤波装置则将a22相邻之8个像素取平均值(即除以8)后再和a22取平均值(即除以2)；对于数字式之二进制数学运算，除以8即是将小数点向左移3位，而除以2即是将小数点向左移1位；如此则系统有效位元数从原来的8位元增为11位元；因而即使再经过后续之阴影现像补偿校正、对比度调整、强化调整或弱化调整之数字图像处理，亦不会产生明显之图像轮廓缺陷现象，亦即可保持原来图像所带有之灰度。由于一般的图像扫描器采用一维的电荷耦合器件(linear CCD)，故为了实施上之方便性、简化线路复杂度及降低成本，本发明的第二实施例为一维矩阵之滤波器，即1×3矩阵之滤波器(见图5b)，其位元提高运算方法是将a2相邻之2个像素取平均值(即除以2)后再和a2取平均值(即除以2)，如此系统则增加2个有效位元；第三实施例为另一维矩阵的滤波器，即1×5矩阵之滤波器(见图5c)，其位元提高运算方法是将a2相邻之4个像素取经过比重系数调整后之平均值，即(0.5×a0+a1+a3+0.5×a4〕÷3，其中的0.5即为系数比重，之后再和a2取平均值(即除以2)，如此系统则增加约2.5个有效位元。一般而言，本发明中的位元提高滤波装置46为一个m×n矩阵之滤波器，其中m和n为任一自然数(即1，2，3，4，……)，而上述三个实施例只是其中的三个实施方法；该m×n矩阵滤波器之各种运算方法及运算时之各项系数比重均符合本发明装置揭示之精神，均应包含在所附的权利要求范围内。
上述的位元提高数字信号馈至一后置处理装置47(在此实施例中为一除法器/乘法器)；由于光学系统(包括光源、镜面及透镜组合)之亮度的不平均及电荷耦合器件本身的光学之不均匀度相当大，尤其是如应用于图像扫描器中的光源39，其两边的亮度通常较中央的亮度暗，因此通常在系统工作之前先扫描、读取一参考的白色板；所读取之数据(即阴影现象补偿向量，shading vector)50馈至后置处理装置47，用来作为系统补偿校正之用。此外，如果所处理的图像过于偏暗或偏亮，则可以选择性地输入一强化向量(highlight vector)51或一弱化向量(shadow vector)52来调整；甚者，也可以针对特殊的情况，选择性地输入一对比调整向量(Gammavector)53，以增加或减少所处理图像的对比度、上述之阴影现象补偿、强化调整、弱化调整及对比调整均由该后置处理装置47内的乘法器/除法器来执行。
上述所处理完毕的图像码将储存于缓冲存储器48以供之后进一步的图像处理、永久保留、直接馈至图像显示器或打印装置。
以上所述仅为本发明之较佳实施例而言，并非用以限定本发明的权利要求范围；凡其它未脱离本发明所揭示之精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在下述的权利要求范围内。
权利要求
1.一种数字补偿式图像处理装置，用于图像之取像、像素的校正补偿、强弱化调整、对比度调整、图像储存及显示，其特征在于，该装置包含前置处理装置，用以将一图像之电气信号的直流增益调整至一预设的模拟信号，以防止因该图像之电气信号的特性改变所产生的影响；模拟数字转换器，用以将该模拟信号转换成一数字信号；位元提高滤波装置，用以输入该数字信号及多数个相邻像素，以产生一位元提高的数字信号；后置处理装置，用以处理该位元提高之数字信号，以产生一图像码。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于上述之前置处理装置为一直流电压增益器。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于上述之位元提高滤波装置用以将上述之数字信号和该相邻像素作位元提高运算，以产生上述之位元提高的数字信号。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于上述之位元提高滤波装置为一m×n矩阵的滤波器，其中的m及n为自然数(1，2，3，4……)。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于该m×n矩阵的滤波器为一3×3矩阵的滤波器。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于上述之位元提高滤波装置的位元提高运算包含(a)将上述8个相邻像素之和除以八，以取得一平均值；及(b)将上述之数字信号及该平均值之和除以二，以取得该位元提高之数字信号。
7.如权利要求4所述的装置，其特征在于该m×n矩阵之滤波器为一1×3矩阵的滤波器，即一维滤波器。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于上述之后置处理装置为一除法器。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于上述之后置处理装置为一乘法器。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于上述之后置处理装置更包含输入一校正阴影现象的补偿向量，用以作为补偿校正之用。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于上述之后置处理装置更包含输入一对比调整向量，以增加或减少所处理图像的对比度。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于上述之后置处理装置更包含输入一强化调整向量。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于上述之后置处理装置更包含输入一弱化调整向量。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于更包含一缓冲存储器用以储存上述之图像码。
15.如权利要求1所述的装置，其特征在于更包含一图像拾取装置，用以将图像转换为该图像之电气信号。
16.如权利要求19所述的装置，其特征在于上述之图像拾取装置包含至少一电荷耦合器件。
17.一种数字补偿式图像处理装置，用于图像之取像、像素的校正补偿、强弱化调整、对比度调整、图像储存及显示，其特征在于，该装置包含电荷耦合器件，用以将一图像转换为该图像之电气信号；直流增益器，用以将该图像之电气信号的直流增益调整至一预设的模拟信号，使其不受该图像之电气信号之特性改变及该电荷耦合器件因老化所产生的影响；模拟数字转换器，用以将该模拟信号转换成一数字信号；m×n矩阵之滤波器，其中的m及n为自然数(1，2，3，4，……)，用以将该数字信号和多数个相邻像素作位元提高运算，以产生一位元提高之数字信号；后置处理装置，输入该位元提高之数字信号及输入一校正阴影现象的补偿向量，及输入一对比调整向量，及输入一强化调整向量，及输入一弱化调整向量以产生一图像码；缓冲存储器，用以储存该图像码。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于上述之m×n矩阵的滤波器为一3×3矩阵的滤波器，其位元提高运算包含(a)将上述8个相邻像素之和除以八，以取得一平均值；及(b)将上述之数字信号及该平均值之和除以二，以取得该位元提高的数字信号。
19.如权利要求17所述的装置，其特征在于上述之后置处理装置为一除法器或乘法器。
全文摘要
一种数字补偿式图像处理装置，包括图像拾取装置，将图像转换为一电气信号；前置处理装置，将该电气信号调整至一适当的模拟信号；模拟数字转换器，将该模拟信号转换成数字信号；位元提高滤波装置，输入该数字信号及多数个相邻像素，经数学运算处理后，产生一位元提高之数字信号；后置处理装置，将该位元提高之数字信号经数学运算之校正补偿及各种图像调整后，产生一图像码；及输出装置用以将图像储存于缓冲存储器。
文档编号G06T3/00GK1160254SQ96123109
公开日1997年9月24日 申请日期1996年12月11日 优先权日1996年12月11日
发明者许全裕 申请人:力捷电脑股份有限公司