專利名稱：用于產(chǎn)生減少干擾的數(shù)字圖象的改進(jìn)型圖象感測(cè)組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及圖象感測(cè)系統(tǒng)，更具體地說(shuō)，涉及一種可以產(chǎn)生低干擾數(shù)字圖象的、改進(jìn)的圖象感測(cè)組件。
有許多應(yīng)用場(chǎng)合需要用到成象系統(tǒng)以把一目的物先轉(zhuǎn)換成電子格式然后對(duì)它進(jìn)行分析、打印、分發(fā)或歸檔。此電子格式通常是該目的物的數(shù)字圖象。該成象系統(tǒng)的一個(gè)典型的例子是掃描器，而目的物則是書(shū)本或一篇文章一頁(yè)。通過(guò)掃描器就產(chǎn)生出了該紙頁(yè)的電子或數(shù)字圖象。
成象系統(tǒng)通常包括一個(gè)把目的物光學(xué)地成象的圖象感測(cè)組件。把目的物光學(xué)地成象的探測(cè)組件中的關(guān)鍵部分是圖象傳感器。該圖象傳感器包括響應(yīng)于照射在圖象傳感器上的光線的光檢測(cè)器陣列。每一個(gè)光檢測(cè)器產(chǎn)生一個(gè)代表從目的物上反射的光的強(qiáng)度的電子信號(hào)。讀出所有光檢測(cè)器所產(chǎn)生的電子信號(hào)，然后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器加以數(shù)字化以產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)或目的物的圖象。
眾所周知，圖象傳感器中的諸電子信號(hào)是在被串行讀出并經(jīng)過(guò)預(yù)處理之后進(jìn)行數(shù)字化的，因此電子信號(hào)將經(jīng)過(guò)一些有可能影響其質(zhì)量的電路。例如，通常有一個(gè)信號(hào)放大器來(lái)放大電子信號(hào)，或者有一個(gè)增益/補(bǔ)償調(diào)節(jié)電路來(lái)調(diào)節(jié)電子信號(hào)使其產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臄?shù)字化信號(hào)。雖然電子信號(hào)在數(shù)字化之前是經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理的，但是來(lái)自上述電路的干擾信號(hào)不可避免地要加入其中，這些干擾信號(hào)會(huì)傳輸進(jìn)入到其后的數(shù)字信號(hào)中。因此很有必要找到一種減少后面數(shù)字化信號(hào)中干擾信號(hào)的解決辦法。
此外，來(lái)自模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化干擾對(duì)所有轉(zhuǎn)換誤差都至關(guān)重要。雖然高采樣率(以高于信號(hào)帶寬所需的速率采樣)結(jié)合干擾整形是降低這種轉(zhuǎn)換干擾的一種方法，但是這種模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，結(jié)果造成高的設(shè)計(jì)成本。此外，人的視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)圖象的暗區(qū)的變化是非常敏感的，因此在所形成的數(shù)字圖象的暗區(qū)里，量化干擾可能特別顯眼。因此人們還需要一種方法，它能減少干擾在暗區(qū)里的影響，而不會(huì)降低圖象的質(zhì)量。
本發(fā)明針對(duì)上述問(wèn)題和需要，對(duì)諸如掃描器，數(shù)字照相機(jī)以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)等成象系統(tǒng)特別適用。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一圖象感測(cè)組件包括一由多個(gè)光檢測(cè)器組成的圖象傳感器，一非線性放大器，和一些輔助電路。當(dāng)圖象傳感器對(duì)一目的物進(jìn)行探測(cè)時(shí)，每個(gè)光檢測(cè)器都產(chǎn)生一電荷信號(hào)。這些光檢測(cè)器的電荷信號(hào)然后被順序地讀出成為模擬視頻信號(hào)。所述非線性放大器使用一個(gè)非線性傳遞函數(shù)，該傳遞函數(shù)最好是根據(jù)人的視覺(jué)系統(tǒng)中的靈敏度特性建立的。該非線性放大器在接收到來(lái)自圖象傳感器的模擬視頻信號(hào)時(shí)就會(huì)按照非線性傳遞函數(shù)，從模擬視頻信號(hào)產(chǎn)生一畸變的模擬視頻信號(hào)。該畸變的模擬視頻信號(hào)然后在輔助電路中被處理以便為其后的數(shù)字化作準(zhǔn)備。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將畸變的模擬視頻信號(hào)數(shù)字化以產(chǎn)生畸變模擬信號(hào)的數(shù)字化信號(hào)?；兡M視頻信號(hào)的數(shù)字化信號(hào)，最好在一圖象處理系統(tǒng)中，被改正或校正，根據(jù)從非線性放大器中所用的非線性傳遞函數(shù)的逆函數(shù)所導(dǎo)出的傳遞函數(shù)，從而產(chǎn)生與原模擬視頻信號(hào)非常接近的數(shù)字信號(hào)，結(jié)果，數(shù)字信號(hào)中的干擾就幾乎不會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)了。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，在非線性放大器中使用的非線性傳遞函數(shù)是一條非線性曲線，其目的是擴(kuò)展原始模擬視頻信號(hào)的低端部分而縮小原始模擬視頻信號(hào)的高端部分。所述低端部分和高端部分是指信號(hào)分別具有低(弱)和高(強(qiáng))量值的部分。這樣做的主要目的有兩個(gè)一是放大低端部分以在一預(yù)定的畢特精度內(nèi)使數(shù)字化相對(duì)來(lái)說(shuō)精度更高，二是提供在數(shù)字化后待縮小的足夠的量值，從而降低隨著數(shù)字化而帶來(lái)的干擾。
根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，所述畸變的模擬視頻信號(hào)的數(shù)字化信號(hào)以具有第一畢特精度呈現(xiàn)，例如8畢特格式，而最終的數(shù)字信號(hào)具有較高的第二畢特精度，例如16畢特格式。這樣做的優(yōu)點(diǎn)和益處是可以使用低成本的模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)產(chǎn)生較高精度的數(shù)字信號(hào)。
已有技術(shù)的系統(tǒng)有時(shí)候也使用非線性電路，但它們使用的目的與本發(fā)明的完全不同。本發(fā)明在圖象感測(cè)組件中加進(jìn)的預(yù)畸變過(guò)程可以產(chǎn)生意想不到的效果，在圖象傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間所有電路產(chǎn)生的干擾和模數(shù)轉(zhuǎn)換器本身產(chǎn)生的干擾都可以得到減少，此外，在最后得到的數(shù)字信號(hào)的低端部分中的數(shù)字分辨率在視覺(jué)上得到了提高，因此，可以獲得比較悅目的數(shù)字圖象。
在下述發(fā)明的實(shí)施中達(dá)到了本發(fā)明的目的以及以上所述種種結(jié)果，同時(shí)產(chǎn)生了如附圖所示的實(shí)施例。
本發(fā)明的種種特點(diǎn)，方面以及優(yōu)點(diǎn)通過(guò)以下的敘述，所附的權(quán)利要求以及附圖將能得到更好的理解，附圖中

圖1是一示意圖，示出了使用圖象傳感器的成象系統(tǒng)。
圖2是從干擾源的角度出發(fā)，示出了圖1的成象系統(tǒng)的簡(jiǎn)化的功能方塊示意圖。
圖3A分別示出了如果沒(méi)有任何干擾源時(shí)從一模數(shù)轉(zhuǎn)換器所可能得到的理想的模擬信號(hào)的數(shù)字化輸出信號(hào)；源的實(shí)際干擾以及帶有干擾的實(shí)際數(shù)字化輸出；圖3B示出了一輸入通過(guò)眾所周知的人視覺(jué)系統(tǒng)的輸入/輸出靈敏度曲線后所產(chǎn)生的可見(jiàn)輸出。
圖4A示出了本發(fā)明圖象傳感器的一個(gè)實(shí)施例。
圖4B示出了根據(jù)圖4A的實(shí)施例的非線性放大器的非線性特性曲線。
圖5A示出了一來(lái)自圖象傳感器的正在被數(shù)字化的線性信號(hào)或模擬信號(hào)的低端部分。
圖5B示出了圖5A正在被數(shù)字化的經(jīng)放大后的信號(hào)。
圖6是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖象感測(cè)組件的內(nèi)部功能示意圖。
圖7是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的過(guò)程流程圖。
圖8A-8C示出了從原始模擬視頻信號(hào)獲得數(shù)字化信號(hào)的過(guò)程。
現(xiàn)請(qǐng)參閱附圖。在附圖中，同樣的部件均用同樣的編號(hào)表示。圖1是一本發(fā)明可用于其中的成象系統(tǒng)100的示意圖。成象系統(tǒng)100可以是，但并不一定限于，一掃描器，一數(shù)字照相機(jī)或者一圖象感測(cè)系統(tǒng)，其中目的物110被光學(xué)地轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖象120。
當(dāng)成象系統(tǒng)100是一個(gè)掃描器時(shí)，目的物110通常是一被掃描對(duì)象例如可能是一張紙。當(dāng)成象系統(tǒng)100是一數(shù)字照相機(jī)時(shí)，目的物110可以是多種東西例如是一幅圖景或一組目標(biāo)。當(dāng)成象系統(tǒng)100是一用于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的圖象感測(cè)器時(shí)，目的物110可能是一個(gè)被檢查的部件。但是，無(wú)論是哪一種，從成象系統(tǒng)100得到的總是同樣的東西，即目的物110的一個(gè)數(shù)字(黑白或彩色的)圖象120。
數(shù)字圖象120通常是一個(gè)象素陣列。如果象素陣列是8畢特格式，每一個(gè)象素陣列的值在0和255之間，如果象素陣列是10畢特，12畢特，14畢特，16畢特等其他的畢特格式，則它們具有不同的最大值。更具體地說(shuō)，當(dāng)采用的是8畢特格式時(shí)，如果象素群集具有值255，則對(duì)應(yīng)于該群集的目的物110中的一點(diǎn)是全白色。反之，如果象素群集的值是0，則對(duì)應(yīng)于該群集的目的物110中的一點(diǎn)是全黑色。可以理解，具有0～255之間的值的任何象素都代表目的物110上的不同的反射光。當(dāng)成象系統(tǒng)100成的象是彩色圖象時(shí)，圖象120一般由三個(gè)灰度等級(jí)的圖象組成，每一圖象是紅、綠、藍(lán)強(qiáng)度的圖象。換句話說(shuō)，目的物110中的每一點(diǎn)由一成象系統(tǒng)100所產(chǎn)生的一彩色圖象中的三強(qiáng)度值的矢量所代表，例如，[23，45，129]。
眾所周知，不管其實(shí)際應(yīng)用是哪一種，成象系統(tǒng)或圖象感測(cè)組件100都包括至少一個(gè)圖象傳感器130以及一光學(xué)系統(tǒng)132。光學(xué)系統(tǒng)132收集來(lái)自目的物110的圖象光線并把此光線聚焦在圖象傳感器130上，從而目的物110的象(入射光)照射在圖象傳感器130上。這里所說(shuō)的象或入射光是指從被前面的光源照射的不透明目的物110反射的光或從被后面的光源照射的透明目的物透過(guò)的光。通常包括多個(gè)光檢測(cè)器的圖象傳感器130制造成互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)或電荷耦合器件(CCD)并安排成一維陣列或兩維陣列，前者稱為線性傳感器，后者稱為面?zhèn)鞲衅?。光檢測(cè)器對(duì)光線高度敏感，每一個(gè)光檢測(cè)器產(chǎn)生正比于象的光強(qiáng)度的電荷信號(hào)。這里所說(shuō)的電荷信號(hào)是光檢測(cè)器由于接收入射光而產(chǎn)生的信號(hào)，更具體地說(shuō)，電荷信號(hào)可以是CMOS中的放電信號(hào)或者CCD中作為勢(shì)阱模型的光檢測(cè)器充電信號(hào)(電子)。
圖象傳感器130的運(yùn)行往往包括兩個(gè)過(guò)程，第一個(gè)過(guò)程是光積聚過(guò)程，第二個(gè)過(guò)程是讀出過(guò)程。在光的積聚過(guò)程中，每一個(gè)光檢測(cè)器積聚象的光線的入射光子，且所述積聚反映為一電荷信號(hào)。在光積聚過(guò)程后，光檢測(cè)器阻止進(jìn)一步捕獲光子，與此同時(shí)，光檢測(cè)器的讀出過(guò)程開(kāi)始，在讀出過(guò)程中，在每一光檢測(cè)器中的電荷信號(hào)，由一讀出電路134和一預(yù)放大器136作為一模擬視頻信號(hào)，一個(gè)個(gè)串行地讀出到一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)140。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器140將所有來(lái)自光檢測(cè)器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以在以后妥善地存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器150中的數(shù)字化信號(hào)。通常，成象系統(tǒng)100還包括一數(shù)字信號(hào)處理電路160，根據(jù)成象系統(tǒng)的使用情況，它可以調(diào)節(jié)，校正，預(yù)處理及壓縮數(shù)字化信號(hào)以在最后輸出一合適的數(shù)字圖象或信號(hào)。
從干擾源的角度，圖2示出了圖象感測(cè)組件200的簡(jiǎn)化的功能方塊示意圖。圖中的圖象傳感器202表示產(chǎn)生電荷信號(hào)的傳感器件，過(guò)渡電路204總的代表圖象傳感器202和A/D轉(zhuǎn)換器206之間所有電路，它將電荷信號(hào)準(zhǔn)備好以便在模數(shù)轉(zhuǎn)換器206中進(jìn)行數(shù)字化。就主要的干擾源來(lái)說(shuō)，有圖象傳感器202中的傳感器干擾信號(hào)Ns，過(guò)渡電路204中的電路干擾信號(hào)Nc以及在模數(shù)轉(zhuǎn)換器206中的量化干擾信號(hào)Nq。總的干擾信號(hào)N總可以以下式表示N總＝Ns+Nc+Nq圖3A示出的是從模數(shù)轉(zhuǎn)換器出來(lái)的模似信號(hào)的一個(gè)理想的數(shù)字化輸出302，即假設(shè)沒(méi)有任何干擾源時(shí)的輸出。圖3A中還示出可以304表示的N總，它是一種無(wú)規(guī)則的干擾。圖3A中還示出了包含N總304在內(nèi)的實(shí)際的數(shù)字化輸出306。換句話說(shuō)，當(dāng)圖象傳感器產(chǎn)生的模似信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)渡電路204及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器后，理想的數(shù)字化輸出302中就加進(jìn)了N總304。信號(hào)中的量值比較低的干擾可以被肉眼清楚地看見(jiàn)，這對(duì)人的視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)講是不舒服的。
現(xiàn)在請(qǐng)參閱圖3B，圖中示出了與人的視覺(jué)系統(tǒng)中的眾所周知的輸入/輸出靈敏度曲線十分近似的傳遞函數(shù)310。該曲線表明，對(duì)人的視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)入人眼后，看到的，即輸出的，將是怎樣的信號(hào)。曲線310表明人的視覺(jué)對(duì)弱的光輸入比對(duì)強(qiáng)的光輸入更敏感。換言之，人的眼睛對(duì)象的低光量的信號(hào)中的光強(qiáng)度差別很容易察覺(jué)。
當(dāng)一個(gè)量化的圖象(或數(shù)字圖象)呈現(xiàn)在人的眼前時(shí)，數(shù)字表示低量值端中的強(qiáng)度差別比數(shù)字圖象高量值端的強(qiáng)度差別要清楚(靈敏)得多。人眼的這種視覺(jué)特性通過(guò)靈敏度曲線310(圖3B)從來(lái)自于數(shù)字化輸入312的可見(jiàn)的數(shù)字化輸出314可以進(jìn)一步顯示出來(lái)。更具體地說(shuō)，在數(shù)字化輸入312的低量值端中的一個(gè)小的變化△in，在可見(jiàn)的數(shù)字化輸出314的低量值端成了一個(gè)大的變化△out。顯然，當(dāng)此變化發(fā)生在數(shù)字化輸出312的高量值端時(shí)，情況正相反，即人眼對(duì)數(shù)字圖象的高端的光強(qiáng)度的變化比較遲鈍。從圖3B可得出的結(jié)論是在數(shù)字化輸出的低端中的干擾信號(hào)是固有的而且被視覺(jué)放大，因此應(yīng)該弱化此干擾信號(hào)，從而生成適合于人的視覺(jué)系統(tǒng)的數(shù)字圖象。
圖4A示出了根據(jù)本發(fā)明原理得出的一個(gè)實(shí)施例。圖象傳感器400除了光檢測(cè)器陣列402之外還包括一多工器(multiplexer)404及一非線性放大器406。為了避免多增加干擾，多工器404和非線性放大器406最好制造在與制造光檢測(cè)器402同樣的材料上。重要的是，把多工器404和非線性放大器406制在同一塊圖象傳感器芯片上，以盡量減少干擾的引入。非線性放大器406使用一條或多條最好通過(guò)多工器404選擇的非線性曲線。圖象傳感器芯片因此具有一個(gè)附加的連接器，該連接器連接到一信號(hào)源上，它確定哪一條非線性曲線最適合于某一成象場(chǎng)合之用。選擇一條適當(dāng)曲線的電路的設(shè)計(jì)是很容易的。一種設(shè)計(jì)方法是用一查找表，每一選擇信號(hào)對(duì)應(yīng)于可選用的曲線之一。另一種設(shè)計(jì)方法是使用多輸入，每一個(gè)輸入對(duì)應(yīng)于一條可選用的曲線。
使用非線性放大器406的目的之一是預(yù)先放大或預(yù)先畸變來(lái)自光檢測(cè)器402的電荷信號(hào)畸變以顯著減少進(jìn)入電荷信號(hào)的干擾，這在下面將加以詳細(xì)描述。
具體地說(shuō)，圖4B示出的是根據(jù)一實(shí)施例的非線性放大器406的非線性特性曲線420。輸入信號(hào)422進(jìn)入非線性放大器406，它根據(jù)一非線性傳遞函數(shù)而輸出輸出信號(hào)424，例如輸出＝F(輸入)其中，F(xiàn)是圖4B中作為例子示出的并將輸入(電子)信號(hào)422變換成輸出信號(hào)424的非線性傳遞函數(shù)。非線性傳遞函數(shù)，或者另稱為放大傳遞曲線420，通常是連續(xù)和單調(diào)而且還是可逆的。非線性函數(shù)的一個(gè)例子是輸出＝log(輸入)，相應(yīng)的可逆關(guān)系是輸入＝exp(輸出)。由于如圖所示的非線性特性，輸入信號(hào)424的低端部分426被“擴(kuò)展”而輸入信號(hào)的高端部分428被“壓縮”。
被預(yù)先畸變或放大后的信號(hào)424然后通過(guò)過(guò)渡電路408，最后在模數(shù)轉(zhuǎn)換器410中被數(shù)字化而產(chǎn)生預(yù)畸變信號(hào)424的數(shù)字化形式。
輸入信號(hào)422的低端部分SL近似地被擴(kuò)展一個(gè)系數(shù)K(≈△out/△in)，從非線性放大器406出來(lái)的低端部分SL的輸出S’L可以表達(dá)如下式S’L＝K(SL+Ns)信號(hào)S’L經(jīng)過(guò)過(guò)渡電路408后，一個(gè)新的包括所有干擾源的信號(hào)S”L可以用下式表達(dá)S”L＝K(SL+Ns)+Nc+Nq其中對(duì)S’L的放大可以簡(jiǎn)單地假設(shè)為1而不失去普遍性。結(jié)果S”L在模數(shù)轉(zhuǎn)換器410中被數(shù)字化而產(chǎn)生預(yù)畸變輸入信號(hào)422的低端部分S’L的一數(shù)字化形式。
為了恢復(fù)光檢測(cè)器402的電子信號(hào)的低端部分SL，預(yù)畸變輸入信號(hào)422的低端部分S’L的數(shù)字化形式必須在一逆過(guò)程中被校正，即縮減一個(gè)系數(shù)K以恢復(fù)原來(lái)的低端部分SL。此逆過(guò)程可以在圖1的數(shù)字信號(hào)處理電路160中進(jìn)行處理或者在圖象感測(cè)系統(tǒng)與之相連的主機(jī)中進(jìn)行處理。無(wú)論逆過(guò)程如何進(jìn)行，逆過(guò)程的目的之一是以同樣的系數(shù)K緊縮S”L如下式所示S′′LK=K(SL+Ns)+Nc+NqK=SL+Ns+Nc+NqK]]>換句話說(shuō)，干擾Nc+Nq實(shí)際上被縮減一個(gè)系數(shù)K而不會(huì)對(duì)從來(lái)自光檢測(cè)器的原始電子信號(hào)轉(zhuǎn)換而得的數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生不好的影響。
除了干擾降低之外，模擬信號(hào)的低端部分的分辨率或可區(qū)分的輸入電平的數(shù)目實(shí)際上是增加了或“分細(xì)”了。分辨率或可區(qū)分的輸入電平的數(shù)目定義為一只模數(shù)轉(zhuǎn)換器用不同的輸出碼(位數(shù))所能表示的。具有細(xì)分的低端部分的優(yōu)點(diǎn)是可以在視覺(jué)上提高數(shù)字圖象的動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)人的視覺(jué)系統(tǒng)提供較悅目的效果。
現(xiàn)請(qǐng)參閱圖5A。圖中示出了正在被數(shù)字化的、來(lái)自圖象傳感器線性信號(hào)502或模擬信號(hào)的低端部分。圖中的水平軸506表示可以被垂直數(shù)軸504上的一個(gè)位數(shù)表示出來(lái)的輸入模擬信號(hào)的分辨率。因?yàn)樾盘?hào)502是線性地增加的，所以信號(hào)502在數(shù)字垂直軸504上也是由線性地增加的位數(shù)表示的。
當(dāng)信號(hào)502由圖4A的非線性放大器406，根據(jù)一預(yù)定的非線性(特性)曲線例如圖4B的420被放大時(shí)，就產(chǎn)生了如圖5B所示的放大的或畸變的信號(hào)510。當(dāng)放大的信號(hào)510被數(shù)字化時(shí)，相對(duì)于信號(hào)502，數(shù)字分辨率大大提高，放大信號(hào)510的低端部分被更精確地?cái)?shù)字化。如圖所示，在0點(diǎn)求導(dǎo)，現(xiàn)在可以表達(dá)出0.5來(lái)，否則同樣的精度只能用較高畢特才能實(shí)現(xiàn)，例如用9畢特才能表達(dá)。具體地說(shuō)，原來(lái)的8畢特精度不能表達(dá)出0.5，而現(xiàn)在能以9畢特精度格式，例如0,0000,0010，表達(dá)出來(lái)。
當(dāng)用非線性放大曲線放大模擬信號(hào)來(lái)擴(kuò)展低端部分而縮減高端部分以利用人的視覺(jué)系統(tǒng)的特性時(shí)，一低畢特?cái)?shù)字表示(例如，8畢特模數(shù)轉(zhuǎn)換器)可以在視覺(jué)上等效地實(shí)現(xiàn)較高畢特的數(shù)字表示。這與已有技術(shù)相比是一個(gè)根本性的改變，已有技術(shù)往往要用高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器才能獲得高質(zhì)量的象。
為了進(jìn)一步理解本發(fā)明的原理，圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一探測(cè)組件600的內(nèi)部功能圖。如圖所示，探測(cè)組件600有一光管602，它最好由一紅色的LED604、一綠色LED606和一藍(lán)色LED608組成的照射光源605所激勵(lì)，每一個(gè)LED各自由一個(gè)控制信號(hào)所控制。LED的控制信號(hào)通常由一控制信號(hào)電路(圖中未示出)提供并與圖象傳感器612的工作同步。
棒狀透鏡陣列610收集從被紅色LED604，綠色LED606，藍(lán)色LED608之一照射的待掃描物件的入射光，并把入射光聚焦到圖象傳感器612上。圖象傳感器612包括多個(gè)光檢測(cè)器，每一光檢測(cè)器在每一積聚過(guò)程中收集投射在其上的光而產(chǎn)生一電荷信號(hào)。在積聚過(guò)程結(jié)束后，諸電荷信號(hào)——它們每一個(gè)都是由一個(gè)光檢測(cè)器所產(chǎn)生——通過(guò)讀出開(kāi)關(guān)陣列616依次讀出而成為一掃描(模擬)信號(hào)，讀出開(kāi)關(guān)陣列616由控制信號(hào)電路的控制信號(hào)所控制。應(yīng)該指出的是，圖中的圖象傳感器612假定是CMOS型傳感器，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人士能懂得，CCD型傳感器也是可以采用的。此外，在圖中，圖象傳感器612是長(zhǎng)形的線性傳感器，它包括多個(gè)較短的線性傳感器，且圖象傳感器612的長(zhǎng)度可以按照?qǐng)D象傳感器612所要掃描的文件最大尺寸而加以延伸。
開(kāi)關(guān)陣列616的讀出開(kāi)關(guān)的數(shù)目與圖象陣列612中的光檢測(cè)器的數(shù)目相同。熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人士可以理解，每一個(gè)讀出開(kāi)關(guān)可以由一個(gè)二極管擔(dān)任，當(dāng)有一個(gè)合適的電壓加在其上時(shí)，它就會(huì)“導(dǎo)通”。
如圖所示，掃描信號(hào)被非線性放大器618所接收，后者按照非線性曲線放大掃描信號(hào)。在一較佳實(shí)施例中，非線性放大器618包括一組可供選擇的非線性曲線，每一曲線有它自己的特性。一加在非線性放大器618上的選擇信號(hào)622使非線性放大器618采用幾條可選非線性曲線中的一條曲線。在另一實(shí)施例中，用一多工器把圖象傳感器612連接到非線性放大器618，該接收掃描信號(hào)的多工器由選擇信號(hào)622所控制并保證掃描信號(hào)進(jìn)入非線性放大器618，后者具有根據(jù)選擇信號(hào)622所選擇的非線性曲線特性。
處理電路619可以根據(jù)所需調(diào)節(jié)量進(jìn)行增益補(bǔ)償調(diào)節(jié)，然后輸出一信號(hào)Vout以供在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行數(shù)字化之用。
現(xiàn)請(qǐng)參閱圖7。圖中示出了根據(jù)一實(shí)施例的本發(fā)明的過(guò)程流程圖。當(dāng)圖象傳感器探測(cè)一目的物時(shí)，圖象傳感器在702處產(chǎn)生一模擬視頻信號(hào)。如果該圖象傳感器是一線性傳感器，該模擬視頻信號(hào)代表一掃描行；如果該圖象傳感器是一面?zhèn)鞲衅?，則模擬視頻信號(hào)代表一兩維場(chǎng)景。
不管是線性還是面?zhèn)鞲衅?，模擬視頻信號(hào)都在一預(yù)放大器中按照非線性變換函數(shù)在704中處被畸變或預(yù)放大。從預(yù)放大器中輸出的是一畸變的模擬視頻信號(hào)。在706處，畸變的模擬視頻信號(hào)被處理以供數(shù)字化之用。此處理過(guò)程可以包括增益/補(bǔ)償調(diào)節(jié)。在708處，一模數(shù)轉(zhuǎn)換器接受該畸變的模擬視頻信號(hào)并以第一分辨率，例如以8畢特格式，產(chǎn)生一畸變模擬信號(hào)的數(shù)字化信號(hào)。該畸變模擬視頻信號(hào)的數(shù)字化信號(hào)然后在710處被一在主機(jī)中進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理過(guò)程所處理，以從畸變的模擬視頻信號(hào)的數(shù)字化信號(hào)恢復(fù)模擬視頻信號(hào)的數(shù)字信號(hào)，通常這個(gè)模擬視頻信號(hào)的數(shù)字信號(hào)是以一第二分辨率呈現(xiàn)的，例如以16畢特的格式。
如上所述，一用于704處的傳遞函數(shù)的逆函數(shù)被用來(lái)重新恢復(fù)模擬視頻信號(hào)的數(shù)字信號(hào)。通常有幾種可用的方法來(lái)形成逆?zhèn)鬟f函數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，采用的是經(jīng)驗(yàn)方法。具體地說(shuō)，用一張勻白色掃描的紙，例如一張白紙，在708處產(chǎn)生一它的光強(qiáng)度經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的畸變信號(hào)，光強(qiáng)度是在707處增量地調(diào)節(jié)的尤以線性(增加)方式為佳。在白色掃描紙每一增量光強(qiáng)度的畸變信號(hào)陣列得到后，在709處進(jìn)行求逆?zhèn)鬟f函數(shù)的過(guò)程，此過(guò)程一般在主機(jī)上進(jìn)行，下面將對(duì)此作詳細(xì)敘述。為了敘述簡(jiǎn)單起見(jiàn)，求逆?zhèn)鬟f函數(shù)的過(guò)程與常規(guī)的過(guò)程一起敘述。本技術(shù)領(lǐng)域的人士都知道，求逆過(guò)程只做一次，而且通常是在決定一個(gè)新的“畸變”傳遞函數(shù)時(shí)才進(jìn)行。
圖8A示出了如圖5B所示來(lái)自模數(shù)轉(zhuǎn)換器的畸變模擬視頻信號(hào)510的數(shù)字化信號(hào)802。數(shù)字化信號(hào)802需要根據(jù)用于畸變模擬視頻信號(hào)510的傳遞函數(shù)的逆?zhèn)骱瘮?shù)進(jìn)行處理以得出大體上接近原始模擬視頻信號(hào)的數(shù)字信號(hào)的一數(shù)字信號(hào)。獲得該數(shù)字信號(hào)較佳的方法之一是使用一在主計(jì)算機(jī)中執(zhí)行的查找表(LUT)。通常一掃描器與一主計(jì)算機(jī)一起工作并且將數(shù)字化的信號(hào)802，傳送或下載到該主計(jì)算機(jī)。眾所周知，大多數(shù)現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)運(yùn)行的數(shù)據(jù)精度都大于16畢特而掃描器中典型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度是8畢特。主計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)精度較高時(shí)，就能夠提供必要的數(shù)據(jù)精度來(lái)精確地產(chǎn)生原始模擬視頻信號(hào)的數(shù)字信號(hào)而不會(huì)再另外引入可見(jiàn)的量化干擾。
圖8B示出了一LUT(查找表)800，它有一輸入欄804和一輸出欄806。輸入欄804包括8畢特的模擬視頻信號(hào)510的數(shù)字信號(hào)，輸出欄806則包括對(duì)應(yīng)的16畢特的輸出。本技術(shù)領(lǐng)域的人士懂得，輸入欄804和輸出欄806之間的關(guān)系與用于畸變模擬視頻信號(hào)的傳遞函數(shù)的逆轉(zhuǎn)關(guān)系是一致的。圖8C示出了輸入和輸出之間的逆轉(zhuǎn)關(guān)系曲線810。曲線810來(lái)自圖7所示的包括707及709處的初始過(guò)程，它決定了圖8B中輸入欄804和輸出欄806之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
如上所述，擴(kuò)展下端部使采樣更精確的目的之一是盡量降低信號(hào)下端部的干擾。為了保持信號(hào)下端部的細(xì)節(jié)以及盡量降低量化干擾的進(jìn)一步引入，采用了較高精度的數(shù)據(jù)格式。更具體地說(shuō)，把一個(gè)8畢物數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成了大于8畢特的數(shù)據(jù)格式，例如16畢特的格式。從上述可以清楚地理解，這種轉(zhuǎn)換與逆轉(zhuǎn)關(guān)系是一致的，這樣，信號(hào)下端部的細(xì)分精度就得以保持下來(lái)，如圖8B的例子所示。
熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人士至此可以清楚地知道，加進(jìn)去的預(yù)畸變過(guò)程產(chǎn)生了意想不到的效果。來(lái)自圖象傳感器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器之間所有電路的以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器本身的總干擾都已被降低，此外，最終的數(shù)字信號(hào)的下端部分的數(shù)字分辨率對(duì)視覺(jué)而言得到了提高，而且這個(gè)加進(jìn)去的過(guò)程對(duì)最后得到的數(shù)字信號(hào)的高端部分的影響很小。因此獲得了比較悅目的數(shù)字圖象。
上面對(duì)本明作了詳細(xì)具體的描述。本技術(shù)領(lǐng)域的人士可以理解的是，對(duì)幾個(gè)實(shí)施例所作的公開(kāi)描述其目的只是舉例說(shuō)明本發(fā)明，在不脫離如權(quán)利要求書(shū)中所述的實(shí)質(zhì)和范圍的情況下，還可以對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)安排作出種種改變，部件的組合也可以有許多變化，因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)如權(quán)利要求書(shū)所述而絕不限于上面對(duì)幾個(gè)實(shí)施例所作的描述的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生具有減少干擾的數(shù)字圖象的方法，其特征是，該方法包括從一集成電路芯片中的一圖象傳感器接收一模擬視頻信號(hào)；根據(jù)一非線性傳遞函數(shù)將該模擬視頻信號(hào)在一預(yù)放大器進(jìn)行放大以產(chǎn)生一畸變的模擬視頻信號(hào)，其中，所述預(yù)放大器與該圖象傳感器相連并集成在該集成電路芯片里；在該畸變的模擬視頻信號(hào)經(jīng)適當(dāng)處理以準(zhǔn)備好數(shù)字化后，將該畸變的模擬視頻信號(hào)數(shù)字化以產(chǎn)生一該畸變的模擬信號(hào)的數(shù)字化信號(hào)；以及相對(duì)于在該預(yù)放大器中使用的非線傳遞函數(shù)校正該畸變的模擬視頻信號(hào)的數(shù)字化信號(hào)以產(chǎn)生一非常接近該模擬視頻信號(hào)的數(shù)字信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述圖象傳感器包括多個(gè)光檢測(cè)器，當(dāng)圖象傳感器探測(cè)一目的物時(shí)，每一光檢測(cè)器產(chǎn)生一電荷信號(hào)，以及，每一光檢測(cè)器的該電荷信號(hào)被依次讀出而成為該模擬視頻信號(hào)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征是，該集成電路芯片是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體類型的芯片。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的在一預(yù)放大器中放大該模擬視頻信號(hào)的步驟包括按照加到該集成電路芯片的一選擇信號(hào)決定該非線性傳遞函數(shù)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征是，所述非線性傳遞函數(shù)使該模擬視頻信號(hào)的低端部分?jǐn)U展而將該模擬視頻信號(hào)的高端部分加以壓縮。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述傳遞函數(shù)是根據(jù)人的視覺(jué)系統(tǒng)的感光(敏感)特性而導(dǎo)出。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征是，視覺(jué)感光(敏感)特性由一專門(mén)電路中的非線性特性曲線加以近似。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述校正該畸變的模擬視頻信號(hào)的數(shù)字化信號(hào)的步驟包括從放大該模擬視頻信號(hào)的該預(yù)放大器中所用的非線性傳遞函數(shù)的逆函數(shù)決定一傳遞函數(shù)，以及按照該傳遞函數(shù)將該畸變的模擬視頻信號(hào)的數(shù)字化信號(hào)依次變換以求得該模擬視頻信號(hào)的數(shù)字信號(hào)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征是，所述的決定一傳遞函數(shù)的步驟包括產(chǎn)生一諸測(cè)試信號(hào)的陣列，每一個(gè)對(duì)應(yīng)于一經(jīng)調(diào)節(jié)的光強(qiáng)度；根據(jù)該相應(yīng)經(jīng)調(diào)節(jié)的光強(qiáng)度確定每一個(gè)測(cè)試信號(hào)的畸變量；以及產(chǎn)生該傳遞函數(shù)，它使每一測(cè)試信號(hào)在其未被該預(yù)放大器中的非線性傳遞函數(shù)畸變時(shí)被校正到—電平。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征是，該畸變的模擬視頻信號(hào)的數(shù)字化信號(hào)以一第一畢特精度表示，而非常接近該模擬視頻信號(hào)的數(shù)字信號(hào)以一第二畢特精度表示。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征是，該第二畢特精度大于該第一畢特精度。
12.一種用于產(chǎn)生具有減少干擾的數(shù)字圖象的、改進(jìn)的成象系統(tǒng)，其特征是，所述改進(jìn)的成象系統(tǒng)包括一在一集成電路芯片中的圖象傳感器，所述圖象傳感器在其探測(cè)一目的物時(shí)產(chǎn)生一模擬信號(hào)；一非線性放大器，它與該圖象傳感器相連并接受來(lái)自該圖象傳感器的模擬信號(hào)，所述非線性放大器集成在該集成電路芯片中并根據(jù)一預(yù)定的非線性傳遞函數(shù)放大所述模擬信號(hào)以產(chǎn)生一畸變的模擬信號(hào)；以及，一模數(shù)轉(zhuǎn)換器，接收該畸變的模擬信號(hào)，并將其數(shù)字化以產(chǎn)生一該畸變模擬信號(hào)的數(shù)字化信號(hào)。
13.如權(quán)利要求12所述的改進(jìn)的成象系統(tǒng)，其特征是，它還包括一連接在該非線性放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間的過(guò)渡電路，所述過(guò)渡電路處理所述畸變的模擬信號(hào)以使所述畸變的模擬信號(hào)能在所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器中被適當(dāng)?shù)財(cái)?shù)字化。
14.如權(quán)利要求12所述的改進(jìn)的成象系統(tǒng)，其特征是，它還包括一數(shù)字處理校正電路，它與該模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連并接收從它出來(lái)的該畸變模擬信號(hào)的數(shù)字化信號(hào)，通過(guò)根據(jù)從一預(yù)定的非線性傳遞函數(shù)逆變而來(lái)的傳遞函數(shù)，將該畸變的模擬信號(hào)的數(shù)字化信號(hào)轉(zhuǎn)換成該模擬信號(hào)的數(shù)字信號(hào)而產(chǎn)生一該模擬信號(hào)的數(shù)字信號(hào)。
15.如權(quán)利要求12所述的改進(jìn)的成象系統(tǒng)，其特征是，所述非線性放大器包括一組可選擇的非線性傳遞函數(shù)以使輸入該非線性放大器的模擬信號(hào)可以按照可選擇的非線性函數(shù)之一而被相應(yīng)地放大。
16.如權(quán)利要求15所述的改進(jìn)的成象系統(tǒng)，其特征是，它還包括一集成在該集成電路芯片中的具有一控制輸入端的選擇電路，該選擇電路還與所述非線性放大器相連，并在所述選擇電路在控制輸入端接收到一選擇信號(hào)時(shí)，使所述非線性放大器從所述諸可選擇的非線性函數(shù)中選擇一個(gè)合適的非線性函數(shù)。
17.如權(quán)利要求16所述的改進(jìn)的成象系統(tǒng)，其特征是，它還包括一數(shù)字處理校正電路，它與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連并且從它接收該畸變模擬信號(hào)的數(shù)字化信號(hào)，通過(guò)根據(jù)從可選擇的諸非線性函數(shù)之一的逆變而來(lái)的傳遞函數(shù)，將該畸變的模擬信號(hào)的數(shù)字化信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的數(shù)字信號(hào)而產(chǎn)生—該模擬信號(hào)的數(shù)字信號(hào)。
18.如權(quán)利要求15所述的改進(jìn)的成象系統(tǒng)，其特征是，該非線性放大器包括n個(gè)輸入端，每一個(gè)輸入端對(duì)應(yīng)于可選擇的諸非線性函數(shù)之一，當(dāng)該非線性放大器接收到模擬信號(hào)時(shí)，使該模擬信號(hào)按照指定分配給n個(gè)輸入端的每一個(gè)輸入端的可選擇的諸非線性函數(shù)之一將所述模擬信號(hào)加以放大。
19.如權(quán)利要求18所述的改進(jìn)的成象系統(tǒng)，其特征是，該選擇電路是一個(gè)具有n個(gè)輸出端的多工器，n個(gè)輸出端的每一個(gè)輸出端與該非線性放大器的n個(gè)輸入端之一相連，該多工器從該圖象傳感器接收該模擬信號(hào)并在接收到該選擇信號(hào)時(shí)把該模擬信號(hào)傳送到第n個(gè)輸出端。
20.如權(quán)利要求12所述的改進(jìn)的成象系統(tǒng)，其特征是，它還包括一在主機(jī)的微處理器中裝載并運(yùn)行的查找表，該查找表依次接收該畸變的模擬信號(hào)的數(shù)字化信號(hào)并根據(jù)從該預(yù)定非線性函數(shù)的逆函數(shù)求得的傳遞關(guān)系依次輸出該模擬信號(hào)的數(shù)字信號(hào)。
21.如權(quán)利要求20所述的改進(jìn)的成象系統(tǒng)，其特征是，該畸變的模擬信號(hào)的數(shù)字化信號(hào)的精度是n畢特?cái)?shù)據(jù)精度，并且從查找表出來(lái)的數(shù)字信號(hào)至少是(n+1)畢特?cái)?shù)據(jù)精度。
22.一種用于產(chǎn)生具有減少干擾的數(shù)字圖象的方法，其特征是，該方法包括從一互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖象傳感器接收一模擬視頻信號(hào)；按照一非線性傳遞函數(shù)使該模擬視頻信號(hào)畸變，以產(chǎn)生一畸變的模擬視頻信號(hào)；所述非線性傳遞函數(shù)使該模擬視頻信號(hào)的低端部分?jǐn)U展而使該模擬視頻信號(hào)的高端部分壓縮；在該畸變模擬視頻信號(hào)被處理以為數(shù)字化作準(zhǔn)備后將該畸變的模擬視頻信號(hào)數(shù)字化從而產(chǎn)生一該畸變的模擬視頻信號(hào)的數(shù)字化信號(hào)；將該數(shù)字化信號(hào)饋入一執(zhí)行查找表功能的主機(jī)中；以及通過(guò)該查找表轉(zhuǎn)換該數(shù)字信號(hào)以產(chǎn)生非常接近于所述模擬視頻信號(hào)的數(shù)字信號(hào)；其中，該查找表維持從用于畸變?cè)撃M視頻信號(hào)的非線性傳遞函數(shù)的逆函數(shù)得出的輸入-輸出關(guān)系。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征是，該畸變的模擬信號(hào)的數(shù)字化信號(hào)的數(shù)據(jù)精度是n畢特?cái)?shù)據(jù)精度，而從查找表輸出的數(shù)字信號(hào)至少是(n+1)畢特的數(shù)據(jù)精度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種圖象感測(cè)組件,包含圖象傳感器和非線性放大器。該非線性放大器按照其所使用的非線性傳遞函數(shù),從圖象傳感器所產(chǎn)生的模擬視頻信號(hào)產(chǎn)生一畸變的模擬視頻信號(hào)。該畸變的模擬視頻信號(hào)在一模數(shù)轉(zhuǎn)換器中數(shù)字化。然后用該非線性放大器所用的非線性傳遞函數(shù)的逆?zhèn)鬟f函數(shù),在一圖象處理系統(tǒng)中校正該畸變模擬視頻信號(hào)的數(shù)字化信號(hào),生成一個(gè)近似原始模擬視頻信號(hào)的數(shù)字表示法的數(shù)字信號(hào)。結(jié)果,在所述數(shù)字信號(hào)中的干擾就會(huì)少得多。
文檔編號(hào)G06K9/40GK1255688SQ9912586
公開(kāi)日2000年6月7日 申請(qǐng)日期1999年12月1日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月2日
發(fā)明者劉東泰 申請(qǐng)人:矽感微訊公司