专利名称：影像感应元件和其处理电路的非线性校正方法
技术领域：
本发明是关于一种影像感应元件和其处理电路的非线性校正方法，特别是针对一般影像扫描器的影像感应元件和后续处理电路所呈现出的非线性效果，来进行补偿校正的技术，藉以降低影像的失真。
影像扫描器是利用反射光线强弱的特性，将影像转换为对应的电子信号的装置。
图1表示一般影像扫描器在光学处理部分的示意图。如图所示，当进行影像扫描时，灯管光源10将既定亮度的光线照射在扫描文件1上。经过反射镜12、14的反射及透镜组16的聚焦，射入影像感应元件20上，例如CCD元件(Charge-Coupled Device)。聚焦的反射光线在影像感应元件20上会感应出电荷，其感应电荷量可以根据两项因素来决定，第一个因素是文件被照射部分的反射性，第二个因素是灯管光源10发光的时间，亦即影像感应元件20受光的时间。如果光源照射的时间为固定，则理想的感应电荷量应与文件被照射部分的反射性呈正比的关系。
图2表示一般影像扫描器在电子信号处理部分的示意图。影像感应元件20所感应的电荷量为相当微弱且未经信号处理的模拟信号，因此必须先经由处理电路30的处理后，才能够由模拟/数字转换器40加以转换为数字信号IMG。图2所示的处理电路30中包含了三个部分，分别是前置放大器(preamplifier)302、色彩平衡/荫影处理(colorbalance/shading)304、以及放大器306。前置放大器302是做为信号的前置放大处理，用以将影像感应元件20中的微弱电荷进行放大。一般前置放大器302所要求的并非最大的增益，而是要求低噪声(noise)的初期放大，以保证信号的品质。色彩平衡/荫影处理304则是对分色信号和感应文件的荫影部分进行处理。放大器306则是做为信号放大之用。在理想状态下，在影像感应元件20所感应的电荷，会以既定比例放大成为一输出电压值，送至模拟/数字转换器40。模拟/数字转换器40是根据既定的电压级差(位阶)，将输入电压值转换为对应的数位值，以8位元解析度为例，共可分为0-255级差(位阶)，以下说明中均假设以8位元解析度为例。最后，经转换后数位值IMG即可输出或做其他进一步处理。
在理想的情况下，如果灯管光源10的发光时间为固定值时，影像感应元件20所感应到的电荷量应该与文件1被照射部分的反射性成正比，另外，由影像感应元件20所感应的电荷量应该也与处理电路30的输出电压值成正比。然而，实际情况并非如此地单纯。基本上，影像感应元件就存在有非线性的特性。一般CCD扫描器(非接触式)上较不明显，但是像CIS(contact image sensor、接触式影像感测器)扫描器上的非线性特性就相当明显。另外，一般CIS感应元件受限于制造工艺因素，通常都是在晶圆上以切割拼凑方式产生。因此，在CIS段落(segment)相接处便容易发生影像失真现象。另一方面，由于感测元件本身可以选自晶圆的不同位置，这也使得失真效应更明显。更重要的是，不论是何种类型的影像感应元件，都会无法避免电子电路所产生的非线性效应。因为一般的电子信号处理电路大都是由非线性的元件所构成，如晶体管或OP放大器，这将使得其输出电压值与文件反射率之间的输出特性曲线，明显出现非线性的现象。如图3所示，文件反射率和输出电压之间是呈现正相关的关系，但是由非线性的效应，使得输出特性曲线可能是任何落在非线性区50内、连接最小值MIN和最大值MAX的曲线。
在影像扫描器进行扫描之前，都必须先取得扫描器的特性资料。亦即，根据不同的反射光线使感应元件所感应的电荷量所对应的输出电压数值，先行转换成与存储器位元数(如8位元)之级差(位阶)资料对应关系，再依据此对应关系做为后续文件扫描动作的资料处理依据。
图4表示公知技术在进行校正扫描时的详细步骤流程图。首先，在灯管熄减时，撷取CCD和其处理电路的初始输出值(S1)。此初始输出值是由感测元件CCD的暗电流(dark current)所产生，即CCD和其处理电路在输出特性线上的原点值。接着，将灯管点亮后持续一段时间，取得另一组灯管发光时间和特性输出值(S2)。亦即，在一定灯管发光时间条件下，得到由CCD和其处理电路所输出的电压值。接着，以灯管发光时间为横座标，建立输出电压值相对于灯管发光时间的第一座标系(S3)。在以上说明中有提及，基本上输出电压值是与灯管发光时间和文件反射率有关，亦即，当固定文件反射率时(同一张校正纸)，公知技术会将输出电压值和灯管发光时间视为线性正相关系变数。同样情况亦适用于灯管发光时间的情况。因此，公知技术将步骤S1、S2所得到的数值置于第一座标系中，便以穿过此两点的直线做为输出特性线(S4)。
取得输出特性线后，接着要进行层次(位准)的校正操作。由CCD和其处理电路所得之输出电压，会经过一模拟数字转换器转换成数字信号。一般以存储器的位元数来决定数位转换的解析度，以下说明中，是以8位元来说明，实际级差(位阶)分布为0-255。因此，利用0-255阶级差(阶位阶)为纵座标，灯管发光时间(或是文件反射率)为横座标，建立第二座标系，得到一级差(位阶)特性线(S5)。接着，将步骤S4之输出特性线上的参考点(公知技术为2点)转换到第二座标系上，藉此取得一转换反函数(S6)。最后便可以利用此转换反函数，进行层次(位准)的校正(S7)。
基本上，公知技术的校正扫描是针对层次(位准)调整来做处理，并且假设CCD和其处理电路的输出特性线是线性，并没有考量到其非线性的失真效应。
图5A至图5C表示在公知技术的一般扫描过程中，目前级差(位阶)与CCD信号间的关系示意图。图5A表示的情况是在影像感应元件(CCD)上的输出信号位置，其中，极黑色时之参考点(即未加入光源)的输出层次值(位准)假设在10左右，极白色时之参考点(光源点亮一既定时间)为240，而整个层次(位准)的范围为0-255。此处假设CCD仍为一线性响应的元件，因此，CCD信号和目前级差(位阶)之间呈现直线的关系。不过，其极黑色目前级差(位阶)(即10)仍高于理想值(0)，极白色目前级差(位阶)(即240)仍低于理想值(255)，然而此部分可由后续处理电路中的色彩修正来予以调整。图5B表示的情况则是在放大处理后的输出信号位置，由于放大处理是由非线性元件(如晶体管、OP放大器等等)所构成，因此便会在目前级差(位阶)和CCD信号之间引入非线性因素。换言之，即使将影像感应元件视为线性元件，但是在其后续的电路部分仍然会引入非线性，而使CCD信号和目前级差(位阶)之间呈现失真。图5C表示的情况是在经过色彩平衡/荫影/色彩修正处理后的输出信号位置，如图所示，利用色彩修正可以将极黑色和极白色的级差(位阶)进行调整，但是由放大电路所引入的非线性效果，并不会因此消除。另外，色彩修正电路部分通常也是由非线性元件所构成，所以实际上送到模拟/数字转换器的输出电压值的非线性会更为明显。由上述说明可知，公知技术虽然可以调整极黑色和极白色的层次(位准)，但是对于在两者间的其他层次(位准)则会出现严重的非线性现象，导致影像失真。
有鉴于此，本发明的主要目的，是提出一种影像感应元件和其处理电路的非线性校正方法。
根据上述之目的，本发明提出的第一种影像感应元件和其处理电路之非线性校正方法，其中包括下列步骤首先，当灯管熄灭时，撷取影像感应元件和其处理电路的初始输出值。接着，将灯管点亮至一既定时间，提供扫描光线至一特殊校正片上，此特殊校正片上包含数个具有不同反射系数的反射区域。对应于每个反射区域，分别撷取影像感应元件和其处理电路的数个特性输出值。因此，根据初始输出值和这些特性输出值，便可以建立相对于文件反射率参数的输出特性线。最后，利用扫描器本身解析度的级差(位阶)特性线，便可以在级差(位阶)数与影像感应元件和其处理电路的输出值间取得一转换反函数，用来校正输出值的非线性。
本发明所提出的第二种影像感应元件和其处理电路之非线性校正方法，其与第一种方法的差异，在于多点取样的方式不同。首先，是预先设定不同长度的发光时间，这些发光时间可以用来决定灯管在进行校正期间内，点亮至熄灭的间隔时间。在进行校正扫描时，依序根据这些发光时间控制灯管的点亮和熄灭，借以撷取到影像感应元件和其处理电路的数个特性输出值。同样地，利用初始输出值和数个特性输出值，经过转换处理后，即可用来校正输出值的非线性。
由于本发明提供了上述的影像处理元件和其处理电路的非线性校正方法，使得无论是由影像感应元件本身或是其后续处理电路所产生的非线性响应，都能够加以补偿校正，以降低影像失真的现象。
为使本发明的上述目的、特徵和优点能更明显易懂，以下将结合实施例及附图，对本发明作详细说明图1为一般影像扫描器中光学处理部分的示意图。
图2为一般影像扫描器中电子信号处理部分的示意图。
图3为一般影像感测元件和其处理电路的输出电压，相对于文件反射率(或电荷储存量)的非线性关系的示意图。
图4为公知技术在进行校正扫描时的详细步骤流程图。
图5A至图5C为公知技术中目前级差(位阶)与CCD信号间的关系示意图。
图6为本发明第一实施例在进行校正扫描时的详细步骤流程图。
图7为在第一实施例中所采用的一种校正片。
图8A至图8C分别为第一实施例中的输出特性线、级差(位阶)特性线及转换反函数之一例。
图9A至图9C为本发明中目前级差(位阶)与CCD信号间的关系示意图。
图10为本发明中所采用的校正方式示意图。
图11为本发明第二实施例在进行校正扫描时的详细步骤流程图。
本发明是用来校正影像感应元件和其处理电路的非线性特性的方法，主要是在校正扫描时通过多点逼近的方式，消除公知技术中两点决定输出特性线所忽略的非线性效应。本发明的非线性校正方法，是在扫描器进行校正扫描，并将灯管点亮进行扫描时，一并取得多点的输出特性电压值。因此，本发明与公知技术之间的主要差异，即在于如何在灯管点亮的状态下，取得对应不同的文件反射率(或灯管照射时间)的输出值。因为在校正扫描中，文件反射率(或灯管照射时间)是可控制的已知变数，所以便可以用来校正影像感应元件和其处理电路的非线性输出。以下分别以二实施例说明本发明，其中，第一实施例系对应不同的文件反射率来取得输出电压值，第二实施例则是对应不同的灯管照射时间来取得输出电压值。
第一实施例图6表示在第一实施例中，进行校正扫描时之详细步骤流程图。首先，当灯管熄灭时，撷取CCD和其处理电路所输出的初始电压值(S11)。此初始电压值即代表极黑色时所对应的输出电压。
接着是撷取多点的特性输出点，而在本实施例所采用的方法是利用一特殊校正片来完成，图7即表示在本实施例中所采用的特殊校正片之一例。如图7所示，特殊校正片上包含了数个长条状的区域，每个区域则各自具有预先设好的反射系数REF1～REFn。在本实施例中，特殊校正片上各区域反射系数之关系为REF1＞REF2＞REF3＞…＞REFn-1＞REFn，亦即，反射系数由左至右依序下降。构成此特殊校正片的最直接方式是将数个具有不同反射系数的参考组合而成。然而必须说明的是，本发明并不限定各反射区域的形状以及组合成特殊校正纸的方式，只要能够在特殊校正纸上具有不同反射系数之区域，即可符合本实施例的要求。因此，当特殊校正纸置于扫描器上进行校正扫描时，在灯管照射时间已知的情况下，影像感应元件和其处理电路会产生对应于反射系数REF1～REFn的输出电压值V1～Vn，得到多组输出值(S12)。必须注意的是，由于非线性特性，反射系数REF1～REFn和输出电压值Vl～Vn之间不会呈现线性关系，不过此时的反射系数REF1～REFn为已知条件。
接着，根据反射光亮度差异(即不同反射区域之反射率差异)做为横座标，以处理电路的输出电压值为纵座标，建立第一座标系(S13)。此时，将步骤S11所得到的初始输出值以及步骤S12所得到的各点特性输出值置于第一座标系中，得到其输出特性线(S14)。在步骤S14所得的输出特性线上，输出电压值和文件反射率是非线性关系。
接着，根据存储器位元数所设定的解析度级差(位阶)(本实施例为0-255)，以0-255阶级差(阶位阶)为纵座标，文件反射率为横座标，建立第二座标系，并且得到一级差(位阶)特性线(S15)，文件反射率和数位级差(位阶)之间的关系，而此关系应维持为线性。所以，当文件反射率低时(较接近黑色)，所代表的数位级差(位阶)应较低(接近0)；反之，当文件反射率高时(较接近白色)，所代表的数位级差(位阶)也较高(接近255)。接着，将步骤S14之输出特性线上的所有参考点(包括初始输出值和多点的输出特性值)转换到第二座标系上，借此取得一转换反函数(S16)。也就是说，利用输出电压值/文件反射率的输出特性线以及数位层次(位准)/文件反射率的级差(位阶)特性线，取得数位层次(位准)/输出电压值的转换反函数。最后，根据此转换反函数，便可校正由影像感应元件和其处理电路所输出的非线性(S17)，达到本发明的目的。图8A至图8C分别表示输出特性线、级差(位阶)特性线及转换反函数之一例。
利用本实施例来校正非线性输出的效果，可参考图9A至图9C所示之CCD信号和目前级差(位阶)关系图，在此假设仅具有一个中间参考点X的情况。图9A和图9B分别是在影像感应元件(CCD)上的输出信号位置和在放大处理后的输出信号位置。类似于图5A和图5B的情况。但是在加人中间参考点后，如图9C所示，非线性效应被局限在各参考点之间。当参考点的数量愈多时，CCD信号和目前级差(位阶)的关系会被逐渐拉直，逼近于理想线性的关系。因此，当校正后的输出电压值被送入模拟/数字转换器后，即可在不失真地取得影像资料。
图10表示在本实施例中所采用的校正方式示意图。根据转换反函数，熟知此技术者可以利用数字或模拟电路来达到转换的目的。图10所示者为其中较易实施的范例，如图所示，只需要将修正前的信号(原始输出电压值)，经过具有转换反函数特性曲线的特性电阻60，即可达到校正的目的。
在本实施例中，利用具有不同反射系数的特殊校正纸来达到校正的目的。其中，灯管照射时间为固定，可控制且已知的变数为文件反射率，借以获得多点输出电压值来进行校正。
第二实施例本实施例与第一实施例之间的差异，主要在于控制变数的不同。亦即，在本实施例中，文件反射率为固定，而控制灯管照射时间的变数，藉以取得多点输出电压值来进行校正。
图11表示第二实施例在进行校正扫描时的详细步骤流程图。首先，是在灯管熄灭时，撷取CCD和其处理电路的初始输出值(S21)。接着，是设定数个灯管发光时间，用来在进行校正扫描时，控制灯管点亮至熄灭的时间。亦即，在文件反射率固定的情况下，利用不同长度的灯管发光时间来控制灯管，使得灯管照射时间为可控制但是已知的变数。在本实施例中，灯管发光时间可以为渐增之数个时间值，或是渐减之数个时间值。对于各灯管发光时间，即可分别量取对应的多组输出电压值(S22)。此时，利用灯管发光时间做为横座标，另以输出电压值做为纵座标，建立第一座标系(S23)。将步骤S21、步骤S22所得到的初始输出值以及多点校正参考值置入第一座标系，便可建立输出特性线(S24)。
后续的步骤S25～S27基本上与第一实施例的步骤S15～S17相当类似，差异点仅在于使用灯管发光时间做为变数，而非第一实施例中的文件反射率。因此，利用0-255阶级差(阶位阶)为纵座标，灯管发光时间为横座标，建立第二座标系，得到一级差(位阶)特性线(S25)。再将输出特性线上的所有参考点转换至第二座标系，取得所需的转换反函数(S26)。最后再利用转换反函数，进行非线性校正的处理(S27)。
无论通过第一实施例之方式或是第二实施例之方式，都可以取得校正用的转换反函数，用以校正影像感应元件和其处理电路的非线性输出。
本发明虽以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此项技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的内容为准。
权利要求
1．一种影像感应元件和其处理电路的非线性校正方法，可适用于一扫描器内，该扫描器具有一灯管提供扫描光线，反射后由该影像感应元件和其处理电路撷取处理，其包括下列步骤当该灯管熄灭时，撷取该影像感应元件和其处理电路之初始输出值；当该灯管点亮至一既定时间后，提供扫描光线至一校正片上，其中，该校正片包含多个反射区域，分别具有不同的数个反射系数；分别对应于该等反射区域，撷取该影像感应元件和其处理电路的若干特性输出值；根据该初始输出值和该等特性输出值，建立相对于文件反射率参数之一输出特性线；根据既定级差(位阶)数，建立相对于文件反射率参数之一级差(位阶)特性线；根据该输出特性线和该级差(位阶)特性线，获取该既定级差(位阶)数与该影像感应元件和其处理电路之输出值间的一转换反函数；以及根据该转换反函数，对该影像感应元件和其处理电路之非线性输出进行校正。
2．如权利要求1所述的非线性校正方法，其特征在于，该校正片是由数张具有不同反射系数的参考纸所组成。
3．如权利要求1所述的非线性校正方法，其特征在于，该校正片上的该等反射区域为长条形。
4．如权利要求1所述的非线性校正方法，其特征在于，根据该转换反函数进行校正之步骤中，系利用一具有该转换反函数特性的电阻所完成。
5．一种校正片，可适用于一扫描器，用以对该扫描器中之影像感应元件及其处理电路之非线性进行校正，其包括数个反射区域，分别具有不同的反射系数，通过在该扫描器对该校正片进行扫描时，得到该影像感应元件及其处理电路的输出值与文件反射率参数间的输出特性线。
6．如权利要求5所述的校正片，其特征在于，该等反射区域分别由具有不同反射系数的参考纸所构成。
7．如权利要求5所述的校正片，其特征在于，该等反射区域为长条形。
8．一种影像感应元件和其处理电路的非线性校正方法，可适用于一扫描器内，该扫描器具有一灯管提供扫描光线，反射后由该影像感应元件和其处理电路撷取处理，其包括下列步骤当该灯管熄灭时，撷取该影像感应元件和其处理电路的初始输出值；设定不同长度的数个发光时间，该等发光时间用以决定该灯管在点亮至熄灭后的时间；根据该等发光时间控制该灯管的点亮和熄灭，分别撷取该影像感应元件和其处理电路的若干特性输出值；根据该起始输出值和该等特性输出值，建立相对于文件反射率参数之一输出特性线；根据既定级差(位阶)数，建立相对于文件反射率参数之一级差(位阶)特性线；根据该输出特性线和该级差(位阶)特性线，获取该既定级差(位阶)数与该影像感应元件和其处理电路的输出值间的一转换反函数；以及根据该转换反函数，对该影像感应元件和其处理电路之非线性输出进行校正。
9．如权利要求8所述的非线性校正方法，其特征在于，该等发光时间系呈递减的序列。
10．如权利要求8所述的非线性校正方法，其特征在于，该等发光时间系呈递增的序列。
11．如权利要求8所述的非线性校正方法，其特征在于，根据该转换反函数进行校正的步骤中，是利用一具有该转换反函数特性的电阻所完成。
全文摘要
一种影像感应元件和其处理电路的非线性校正方法,其中包括下列步骤:首先,当灯管熄灭时,撷取影像感应元件和其处理电路的初始输出值。接着,取得多点的特性输出值,可以利用具有不同反射系数区域的特殊校正片,或是控制灯管照射时间来实现。根据初始输出值和这些特性输出值,便可以建立相对于文件反射率参数的输出特性线。最后,利用扫描器本身解析度的级差(位阶)特性线,便可以在级差(位阶)数与影像感应元件和其处理电路的输出值间取得一转换反函数,用来校正输出值的非线性。
文档编号H04N1/00GK1226115SQ9810040
公开日1999年8月18日 申请日期1998年2月11日 优先权日1998年2月11日
发明者陈寿山, 魏森德 申请人:大腾电子企业股份有限公司