专利名称：数字扫描之运动失真补偿装置与操作方法
技术领域：
本发明涉及一种数字扫描之补偿装置与操作方法，特别是在扫描运动方向进行失真补偿之装置，能使水平调制转换方程式(Horizontal MTF；HorizontalModulation Transfer Function)值提升，以达到图像更为逼真的效果。
参见第1图所示，为传统方法之数字扫描步骤之流程图。在扫描器10中，电荷耦合元件(CCD)102扫描文件并将光学图像信号转换为模拟电荷图像信号，接着由放大器104将此模拟电荷图像信号之电压电平调变，并经过模拟数字转换器(A/D Converter)106，将模拟电荷图像信号转换为数字图像信号，之后随机存取存储器(RAM)108读取此数字图像信号，接着将数字图像信号输出。此外，步进马达驱动扫描文件朝步进电机驱动文件运动方向(Y方向或水平方向)等速前进。之后扫描器将重复上述步骤(CCD扫描、放大器调变电压电位、模拟数字转换器转换、及RAM之读取与输出)直到完成一次扫描。
扫描器在数字扫描过程中，扫描器在扫描运动方向(Y方向；水平方向)会随着步进马达的驱动动作产生一些失真，并直接影响重现之影像。参见第2图所示，以CCD结构为正方晶格所组成，并且当扫描器进行扫描时，步进马达驱动文件朝运动方向(Y方向)等速前进为例。在每一像素(Pixel)之取样积分面积12上，取样宽度14为两个像素宽而非一个像素宽，因此在Y方向之取样面积会受到上下相邻图像的重叠干扰，对Y方向之图像信号造成失真。此外，扫描器在步进马达驱动扫描之运动方向，因运动而产生的取样频率失真，造成运动方向的MTF降低。通常，此种在运动方向上所产生的失真取样宽度较在CCD阵列方向上之正常图样取样宽度要来得宽(运动失真取样宽度约为正常样取样宽度的2倍)，而所获得的失真MTF(运动方向上之MTF；水平MTF；Y方向之MTF)也较正常MTF(垂直MTF；X方向之MTF)为低。
参见第3A图所示，一理想的“条状图”为全黑、全白之像素串例，灰阶值(Gray Level)设定为全黑＝0，全白＝100。参见第3B图所示，在扫描器延着运动方向扫描之后，图像信号产生失真，成为非全黑、非全白之像素串列，灰阶值成为非全黑＝100*(1/8+1/8)＝25，非全白＝100*3/4＝75。由上述说明可知，当扫描器在扫描时，因对运动方向(水平方向)上的图像信号造成失真，使得水平方向之MTF会受到扫描器在运动方向上运动的影响而降低。
通常MTF值是常用来量测图像扫描器输出后的图像品质，并由MTF值定义扫描器对图像的解析度能力。一般度量MTF值的方式，常以黑白相间的条状图案来做测试，当检测此图案的灰阶特性分布图(横轴为灰阶值，纵轴为像素数目)时，以灰阶特性分布图上累积像素数目占99.7％分布点之灰阶值定义为a值，累积像素数目占0.3％分布点之灰阶值定义为b值，而将MTF值定为(a-b)，当(a-b)愈大，代表此扫描器的MTF值愈好，亦即扫描后的结果愈佳。理想情况是当扫描器每一个像素恰好看到全黑或全白时，MTF值为最佳，若为256个灰阶，则其MTF值接近255。另外也有一种正规化的定义MTF＝((a-b)/(a+b))；0＜＝MTF＜＝1，在理想状况下为1。根据上述，以一黑白相间的图像为例，原始图像的灰阶分布可视为一方波灰阶信号，如第4A图所示。将原始图像经由扫描器扫描之后，输出图样的灰阶分布将变为一正弦波灰阶信号，如第4B图所示。利用灰阶信号所形成之灰阶特性分布图，以量测MTF。此时，以灰阶特性分布图上累积像素数目占99.7％分布之灰阶值定义为a值，累积像素数目占0.3％分布点之灰阶值定义为b值，换言之，在这黑白相间的图像例子中，MTF计算方法可以取图像灰阶信号上之峰值定义为a值和b值。参见第4A图所示，在原始图像之方波灰阶信号中，a值为100、b值为0，而经由扫描器输出后，失真图像之正弦波灰阶信号，a值变为75、b值变为25，如图4B所示，因此原始图像的MTF值为(a-b＝100-0＝100)，而扫描后之失真图像的MTF值变为(a-b＝75-25＝50)，因此MTF值约下降了50。此外，另一种MTF值计算方法，取(a-b)和(a+b)的比值，如图4A所示，原始图像的MTF值为((a-b)/(a+b)＝(100-0)/(100+0)＝1，经由扫描器输出后之失真图像的MTF值变为(a-b)/(a+b)＝(75-25)/(75+25)＝0.5，如图4B所示，因此MTF值约下降了0.5。
本发明的主要目的在提供一种补偿装置，系对扫描器在扫描运动方向上，所产生的取样失真，做回复性的失真补偿，把失真的部分还原。
根据以上所述之目的，本发明提供了一种数字扫描之运动补偿装置，该装置包含电荷耦合元件、放大器、模拟数字转换器、随机存取存储器和运动失真补偿装置。该装置用以对失真的图像部分，做回覆性的补偿还原，其运动补偿装置之形成方法如下计算一失真数字图像信号的一像素之一取样积分面积，以得到一扫描取样函数模型，接着对扫描取样函数模型执行逆运算以形成一递归方程式，之后执行至少一次之递归运算，以使误差范围在1％之内，并通过近似运算以形成补偿矩阵，接着利用补偿矩阵，通过软件或硬件之设计，形成运动失真补偿装置。而此扫描取样函数所形成之补偿矩阵，其可视为Y方向之带通滤波器，能对Y方向因运动而产生的失真作补偿，使其在Y方向之MTF提升。
图1显示普通数字扫描步骤之流程图。
图2为依据普通扫描方法在补偿前之图像取样积分面积和图像取样宽度之示意图。
图3A为原始图像串例之示意图。
图3B为依据普通扫描方法在补偿前之原始失真图像串列之示意图。
图3C为依据本发明扫描方法在补偿后之失真补偿图像串列之示意图。
图4A为原始图像之方波灰阶信号之MTF说明图。
图4B为失真图像之正弦波灰阶信号之MTF说明图。
图5A为依据本发明方法第一较佳实施例的数字扫描步骤之流程图。
图5B为依据本发明方法第二较佳实施例的数字扫描步骤之流程图。
图6显示一图像在补偿前之水平调制转换方程式(MTF)之实验测验值示意图。
图7显示图6之图像在补偿后的水平调制转换方程式(MTF)及比较补偿前后之水平调制转换方程式之实验测验示意图。
在扫描器扫描文件时，对于一个扫描器以步进马达驱动扫描文件朝运动方向等速前进，并且以正方晶格结构所组成之CCD为例子而言，每次扫描时，在扫描器扫描运动方向上所取得之取样的面积，与上下相邻之图像信号之取样面积相互重叠，如第2图所示，因而造成图像信号失真及MTF降低。
由于传统的数字扫描方式，图像会对在扫描运动方向上造成取样失真。依据此缺点，本发明系对输出之失真图像信号作一回覆性之补偿处理，使失真之图像信号得以还原，并使图像信号较为传真，其方法如下计算失真数字图像信号之一像素的取样积分面积，以得到扫描取样函数模型，接着对扫描取样函数模型执行逆运算以得到递归方程式，之后执行至少一次的递归运算，使误差范围在1％之内，并经由近似运算得到补偿矩阵。然后通过软件或硬件设计补偿矩阵，以形成运动失真补偿装置。
以扫描器之CCD为正方晶格结构和步进马达驱动扫描文件以一等速前进为一例子，在扫描运动方法上，由计算一像素的取样积分面积，可得到一取样函数模型Y(i)＝1/8*X(i-1)+6/8*X(i)+1/8*X(i+1)其中Y(i)第i点之输出图像信号
X(i)第i点之原始图像信号X(i)＝8/6*Y(i)-1/8*[X(i-1)+X(i+1)]此为递归方程式递归1次34/36*X(i)＝8/6*Y(i)-8/36*[Y(i-1)+Y(i+1)]+1/36*[X(i-1)+X(i+2)]递归2次34/36*X(i)＝8/6*Y(i)-8/36*[Y(i-1)+Y(i+1)]+8/216*[Y(i-2)+Y(i+2)]-1/216*[X(i-3)+X(i-1)+X(i+1)+X(i+3)]因X(i)与Y(i)具有因果及相似性，可将误差项之Y(i)取代X(i)。
递归1次34/36*X(i)＝8/6*Y(i)-8/36*[Y(i-1)+Y(i+1)]+1/36*[X(i-1)+X(i+2)]递归2次34/36*X(i)＝8/6*Y(i)-8/36*[Y(i-1)+Y(i+1)]+8/216*[Y(i-2)+Y(i+2)]-1/216*[Y(i-3)+Y(i-1)+Y(i+1)Y(i+3)]因为误差项之系数1/216小于1％，故可执行近似运算，将误差项忽略不计，可得一近似方程式。
递归1次后之近似方程式X(i)＝24/17*Y(i)-4/17*[Y(i-1)+Y(i+1)]+1/34*[Y(i-2)+Y(i+2)]递归2次后之近似方程式X(i)＝24/17*Y(i)-4/17*[Y(i-1)+Y(i+1)]+2/51*[Y(i-2)+Y(i+2)]以条状图全黑、全白相间之像素串列为例，全白X(奇数)＝100，全黑X(偶数)＝0，如图3A所示，经由未经补偿之传统扫描器所得之非全白Y(奇数)＝75，非全黑Y(偶数)＝25之失真图像信号串列，如图3B所示，将代入递归1次或递归2次后之近似方程式，可求得补偿后之补偿图像信号串列。
递归1次后之近似结果X(奇数)＝98.53，X(偶数)＝1.47递归2次后之近似结果X(奇数)＝99.51，X(偶数)＝0.49结果证实补偿后之补偿图像信号串列(X(奇数)＝99.51，X(偶数)＝0.49)与补偿前之原始图像信号串列(X(奇数)＝100，X(偶数)＝0)相近，误差范围在1％之内，如图3C所示，显示通过两次递归运算之后的失真补偿图像串列。在递归方式式执行两次的递归运算之后，通过近似运算删除一些误差项，以产生一近似方程式，再将此近似方程式执行转换运算X[]＝A[]*Y[]以获得补偿矩阵A[]。
X(i)＝[2/51，-4/17，24/17，-4/17，2/51]*[Y(i-2)，Y(i-1)，Y(i)，Y(i+1)，Y(i+2)]-TA[]＝[2/51，-4/17，24/17，-4/17，2/51]其中，A[]即为扫描取样函数所形成之补偿矩阵，其为Y方向之带通滤波器，如此即可将Y方向因扫描运动而产生之失真图像作补偿，进而提升Y方向之MTF。
此外，除了上述之特例(CCD为正方晶格结构且驱动马达等速扫描)之外，其它例子亦可适用上述方法做运动失真补偿，也就是说，对于一个扫描器之步进马达驱动扫描文件不为等速前进，并且该扫描器之CCD不是正方晶格结构所组成之情况下，仍然可根据图像在该扫描器运动方向上之一像素的取样积分面积，计算得到相对应之扫描取样函数模型，接通如上述之方式，对此扫描取样函数模型执行逆运算以得到递归方程式，之后执行至少一次的递归运算，使误差范围在1％之内，并经由近似运算得到补偿矩阵。然后通过软件或硬件设计补偿矩阵，以形成运动失真补偿装置。
参见第5A图所示，为本发明之数字扫描系统之第一最佳实施例。在扫描器40中，电荷耦合元件(CCD)402扫描文件并将光学图像信号转换为模拟电荷图像信号，接着由放大器404将此模拟电荷图像信号之电压电平调变，并经过模拟数字转换器406，将模拟电荷图像信号转换为数字图像信号，之后随机存取存储器(RAM)408读取此数字图像信号，接着将数字图像信号输出。此外，步进马达驱动扫描文件朝步进马达驱动文件运动方向(Y方向或水平方向)等速前进。此时，在扫描器40外部，形成运动失真补偿装置410，其系利用软件之方式设计补偿矩阵A[]。当失真图像信号从RAM408输出之后，通过运动失真补偿装置410之软件控制，使失真图像信号得以还原，以达到在扫描运动方向上补偿图像之目的。由于该方法系由软件做控制，且运动失真补偿装置410架构在扫描器40外，因此可将其视为该数字扫描系统之后级处理。
参见图5B所示，为本发明之数字扫描系统之第二最佳实施例。在扫描器50中，电荷耦合元件(CCD)502扫描文件并将光学图像信号转换为模拟电荷图像信号，接着由放大器504将此模拟电荷图像信号之电压电位调变，并经过模拟数字转换器506，将模拟电荷图像信号转换为数字图像信号，之后随机存取存储器(RAM)508读取此数字图像信号，接着将数字图像信号输出。此外，步进马达驱动扫描文件朝步进马达驱动文件运动方向(Y方向或水平方向)等速前进。此时，在扫描器50内部，形成运动失真补偿装置510，其系利用硬件之方式设计补偿矩阵A[]当失真图像信号从RAM508输送到硬件所形成之运动失真补偿装置510之后，失真图像信号将由运动失真补偿装置510之硬件控制去进行修正，接着再将补偿后之图像信号回传到RAM508中。由于该方法系由硬件做控制，且运动失真补偿装置510架构在扫描器50内，因此可视为数字扫描系统之前级处理。然而此种系由硬件设计之运动失真补偿装置，就成本来说，比由软件设计之运动失真补偿装置来的高。
接着参见第6图所示，显示一图像在补偿前之水平调制转换方程式(MTF)之实验测验值。扫描器在为经过补偿处理之前，在水平方向之MTF如下频道(channel)R之(a-b)成为105，频道G之(a-b)成为105，频道B之(a-b)成为110；频道R之(a-b)/(a+b)成为0.451，频道G之(a-b)/(a+b)成为0.447，频道B之(a-b)/(a+b)成为0.462。
接着参见图7所示，显示图6之图像在补偿后的水平调制转换方程式(MTF)及比较补偿前后之水平调制转换方程式之实验测验值。扫描器经由补偿矩阵A[]所形成之运动失真补偿装置做补偿处理之后，将提升扫描运动方向(Y方向；水平方向)之水平MTF频道R之(a-b)成为139；频道G之(a-b)成为139，频道B之(a-b)成为147；频道R之(a-b)/(a+b)成为0.587，频道G之(a-b)/a+b)成为0.582，频道B之(a-b)/A+b)成为0.610。比较第6图补偿后之MTF与图4补偿前之MTF，频道R约为提升1.30倍，频道G约为提升1.30倍，频道B约为提升1.32倍。
根据上述之技术，本发明对在扫描运动方向(Y方向；水平方向)上的失真图像，进行补偿动作。系以经由一扫描取样函数所形成之补偿矩阵A[]，利用软件或硬件方式设计以成为一运动失真补偿装置，来执行相关之失真图像补偿处理。实质上，该补偿矩阵A[]可视为Y方向的带通滤波器，可将原失真图像信号之取样积分面积校正。其方法能使补偿后的图像更为传真，以达到扫描运动方向所产生的取样失真补偿。
以上所述仅为本发明之较佳实施例而已，并非用以限定本发明之申请专利范围；凡其它未脱离本发明所揭示之精神下所完成之等效改变或修矩，均应包含在下述之申请专利范围内。
权利要求
1.一种数字扫描装置，该数字扫描装置具有扫描运动方向之一运动失真补偿功能，其特征在于，该数字扫描装置至少包含一电荷耦合元件，用以将一光学图像信号转变为一调制电荷图像信号；一放大器，用以调变该模拟电荷图像信号之一电位电平；一模拟数字转换器，用以将该模拟电荷图像信号转换为一数字图像信号；一随机存取存储器，用以读取与输出该数字图像信号；及一运动失真补偿装置，用以执行该运动失真补偿功能。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中所述之运动失真补偿装置，系由一扫描取样函数所形成之一补偿矩阵，通过硬件设计而成。
3.如权利要求2所述之装置，其特征在于，其中所述之运动失真补偿装置，为该数字扫描系统之前级处理。
4.如权利要求2所述之装置，其特征在于，其中所述之扫描取样函数执行至少一次递归运算，使误差范围在1％之内，以形成该补偿矩阵。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，其中所述之补偿矩阵为一带通滤波器。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中所述之运动失真补偿装置，系由一扫描取样函数所形成之一补偿矩阵，通过软件设计而成。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，其中所述之运动失真补偿装置，为该数字扫描系统之后级处理。
8.如权利要求6所述之装置，其特征在于，其中所述之扫描取样函数执行至一次递归运算，使误差范围在1％之内，以形成该补偿矩阵。
9.如权利要求8所述之装置，其特征在于，其中所述之补偿矩阵为一带通滤波器。
10.一种在具有一扫描运动方向之一补偿装置的数字扫描装置中的补偿矩阵之形成方法，所述补偿装置系由一扫描取样函数所形成之一补偿矩阵设计而成，其特征在于，所述补偿矩阵之形成方法，至少包含下列步骤计算出一失真数字图像信号之该扫描取样函数模型；执行该扫描取样函数之逆运算，以形成一递归方程式；执行该递归方式程式之递归运算；执行近似运算，以删除复数个误差项，形成一近似方程式；及执行转换运算，使近似运算过后之该近似方程式转换为该补偿矩阵与该失真数字图像信号矩阵之乘积。
11.如权利要求10所述之方法，其特征在于，其中上述之计算出该扫描取样函数模型步骤之达成，系由该失真数字图像信号之一像素，在扫描运动方向上之一取样积分面积算出。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，其中上述之执行递归运算步骤，至少对该递归方程式执行一次递归，使误差范围在1％之内。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，其中上述之近似运算步骤，以删除该复数个误差项，该复数个误差项之误差系数小于1％。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，其中上述之转换运算步骤，所形成之该补偿矩阵，系为一带通滤波器。
全文摘要
一种在数字扫描时能做相关运动失真补偿之装置与操作方法,该方法系由扫描取样函数所形成之补偿矩阵,通过软件或硬件之设计,以形成运动失真补偿装置。而由扫描取样函数所形成补偿矩阵,其可视为在运动方向上之一带通滤波器,可将在运动方向上所产生的失真图像还原。因此运动失真补偿装置能补偿失真图像,并提升扫描运动方向上的MTF,使图像更为传真,及有更高的鉴别效果。
文档编号H04N1/047GK1192622SQ9710313
公开日1998年9月9日 申请日期1997年3月4日 优先权日1997年3月4日
发明者简春在 申请人:力捷电脑股份有限公司