專利名稱：數(shù)字補(bǔ)償式圖像處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圖像處理裝置，特別涉及一種可以有效提升取像速度、避免產(chǎn)生圖像輪廓缺陷(false contour或image defect)、降低成本又不降低系統(tǒng)有效位元數(shù)的數(shù)字補(bǔ)償式圖像處理裝置。
另外，本發(fā)明裝置用于圖像之取像、像素(pixel)的陰影現(xiàn)像校正補(bǔ)償(shading)、強(qiáng)弱化調(diào)整(highlight、shadow)、對(duì)比度調(diào)整(Gamma)、圖像儲(chǔ)存及顯示。
此外，本發(fā)明裝置適用于處理文字性質(zhì)(即對(duì)比度高)的圖像；特別是對(duì)于處理非文字性質(zhì)的圖像(例如一般繪畫或照相)，具有更佳效果；尤其是適用于圖像掃描器(sacnner)的各種應(yīng)用范圍。
傳統(tǒng)的圖像處理系統(tǒng)，用以將圖像由光學(xué)系統(tǒng)的反射、聚焦，經(jīng)一光電轉(zhuǎn)換器將之轉(zhuǎn)換為圖像之電氣信號(hào)后，再由數(shù)字電路對(duì)其作各種信號(hào)的校正、調(diào)整、儲(chǔ)存及顯示。此種圖像處理系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛，例如圖像掃描器(scanner)、攝像機(jī)、傳真機(jī)等現(xiàn)代化辦公、家用及計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備；這些設(shè)備彼此間雖有些微之差異，但皆不超出以下所要描述的兩大型態(tài)，即傳統(tǒng)模擬補(bǔ)償式圖像處理裝置及傳統(tǒng)數(shù)字補(bǔ)償式圖像處理裝置。
傳統(tǒng)模擬補(bǔ)償式圖像處理裝置，以圖像掃描器(scanner)為例，其系統(tǒng)如

圖1所示主要包含一光源10、一鏡面11、一透鏡組合12、一電荷耦合器件(charge-couple device，CCD)13、一前置處理裝置(直流增益，DC/gain)14、一模擬數(shù)字(Analog-to-Digital converter，A/D)轉(zhuǎn)換器15、一數(shù)字模擬(Digital-to-Analog converter，D/A)轉(zhuǎn)換器16、一后置處理裝置17及一緩沖存儲(chǔ)器(buffer)18。在使用時(shí)，由光源照射的文字或圖形圖像經(jīng)由鏡面反射及穿過透鏡后，被電荷耦合器件轉(zhuǎn)換為一電氣信號(hào)，再經(jīng)過前置處理裝置調(diào)整其直流增益后，輸入至一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生一數(shù)字信號(hào)；由于光學(xué)系統(tǒng)(包括光源、鏡面及透鏡組合)之亮度的不平均及電荷耦合器件本身的光學(xué)之不均勻度(Photo-Response Non-Uniformity，PRNU)相當(dāng)大，故將儲(chǔ)存之補(bǔ)償向量轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)再饋至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器之參考信號(hào)(Vref)端19，以校正補(bǔ)償各像素之不均勻度；模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出饋至后置處理裝置作對(duì)比度(Gamma)的調(diào)整后，再儲(chǔ)存于緩沖存儲(chǔ)器(buffer)以供之后進(jìn)一步的圖像處理或直接饋至圖像顯示器。
上述之傳統(tǒng)模擬補(bǔ)償式圖像處理裝置，具有以下的缺點(diǎn)(1)當(dāng)此裝置當(dāng)中的A/D轉(zhuǎn)換器之位元數(shù)增高時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器之位元數(shù)亦需同時(shí)隨之增高；但由于D/A轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部為一電阻式的結(jié)構(gòu)，使得高位元數(shù)之D/A轉(zhuǎn)換器的等效電阻相當(dāng)大，致使其速度變慢；(2)上述D/A轉(zhuǎn)換器的位元數(shù)增高時(shí)，其制造價(jià)格太高且不易取得；(3)利用D/A轉(zhuǎn)換器來調(diào)整A/D轉(zhuǎn)換器之參考信號(hào)，通常由于D/A轉(zhuǎn)換器之反應(yīng)時(shí)間(settling time)大，會(huì)降低A/D轉(zhuǎn)換器工作頻寬，使其工作速度變慢；及(4)在A/D轉(zhuǎn)換器的參考信號(hào)端饋進(jìn)一隨時(shí)變動(dòng)的參考電壓，極易引進(jìn)其它雜訊，降低整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
另一傳統(tǒng)的圖像處理系統(tǒng)稱為數(shù)字補(bǔ)償式圖像處理裝置，以圖像掃描器為例，其系統(tǒng)如圖2所示主要包含一光源20、一鏡面21、一透鏡組合22、一電荷耦合器件23、一前置處理裝置(直流增益，DC/gain)24、一模擬數(shù)字(Analog-to-Digital converter，A/D)轉(zhuǎn)換器25、一除法器26、一后置處理裝置27及一緩沖存儲(chǔ)器(buffer)28；其結(jié)構(gòu)和前一實(shí)施例的主要差別在于取消D/A轉(zhuǎn)換器，而在A/D轉(zhuǎn)換器25和后置處理裝置27之間插入一除法器26，該除法器將A/D轉(zhuǎn)換器輸出之?dāng)?shù)字信號(hào)和一校正陰影現(xiàn)像(shading)的補(bǔ)償向量經(jīng)過運(yùn)算后，對(duì)所處理之圖像信號(hào)作補(bǔ)償校正。
圖2之傳統(tǒng)數(shù)字補(bǔ)償式圖像處理系統(tǒng)，以數(shù)字補(bǔ)償式來解決及去除上述模擬補(bǔ)償之缺點(diǎn)(即速度慢、成本高、D/A反應(yīng)時(shí)間長及雜訊問題)；但由于采用除法器作為校正補(bǔ)償用，使得系統(tǒng)的有效位元數(shù)減少，極易于處理后的圖像中產(chǎn)生圖像輪廓缺陷之現(xiàn)象。例如上述光學(xué)系統(tǒng)之光學(xué)不均勻度設(shè)為50％，則經(jīng)過除法運(yùn)算(即shading的補(bǔ)償校正)后，其有效位元數(shù)將減少一位元；而且在此系統(tǒng)強(qiáng)、弱化調(diào)整后，此現(xiàn)象將更嚴(yán)重。例如以強(qiáng)化(highlight)調(diào)整為原全部范圍的25％，則其有效位元數(shù)將再減少二位元；以八位元為例，上述總共減少的三個(gè)位元使原來的256(即28)個(gè)灰度變?yōu)?2(即25)個(gè)灰度；這些減少的灰度將使得一些圖像碼不存在，其在像素的頻譜圖(histogram)上將會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)的間斷，圖3a為一正常的頻譜圖，而圖3b為一位元減少后的頻譜圖，圖中的直線代表一些不存在的圖像碼；而在圖像的視覺表現(xiàn)上，則會(huì)產(chǎn)生圖像輪廓的缺陷失真，例如在照片上產(chǎn)生不連續(xù)之失真。
鑒于上述之發(fā)明背景中，傳統(tǒng)的模擬補(bǔ)償式圖像處理裝置及傳統(tǒng)的數(shù)字補(bǔ)償式圖像處理裝置所產(chǎn)生的諸多缺點(diǎn)，本發(fā)明之主要目的便在于提供一種改進(jìn)的數(shù)字補(bǔ)償式圖像處理裝置，用以有效提升取像速度、降低成本及避免受到雜質(zhì)的影響。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種改進(jìn)的數(shù)字補(bǔ)償式圖像處理裝置，用以補(bǔ)償由于光學(xué)系統(tǒng)之亮度的不平均及圖像拾取裝置(如電荷耦合器件)本身的光學(xué)的不均勻度所引起的陰影現(xiàn)象，卻又不減少系統(tǒng)的有效位元數(shù)，以避免產(chǎn)生圖像輪廓缺陷。
根據(jù)以上所述之目的，本發(fā)明提供了一種數(shù)字補(bǔ)償式圖像處理裝置，其包含一圖像拾取裝置，用以將圖像轉(zhuǎn)換為一電氣信號(hào)；一前置處理裝置，用以將該電氣信號(hào)調(diào)整至一適當(dāng)?shù)哪M信號(hào)；一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用以將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；一位元提高濾波裝置，用以輸入該數(shù)字信號(hào)及多數(shù)個(gè)相鄰像素，經(jīng)數(shù)學(xué)運(yùn)算處理后，產(chǎn)生一位元提高之?dāng)?shù)字信號(hào)；一后置處理裝置，用以將該位元提高之?dāng)?shù)字信號(hào)經(jīng)數(shù)學(xué)運(yùn)算之補(bǔ)償處理后，產(chǎn)生一圖像碼；及一輸出裝置用以將圖像碼儲(chǔ)存于緩沖存儲(chǔ)器以供之后進(jìn)一步的圖像處理或直接饋至圖像顯示器。
采用本發(fā)明的裝置既無傳統(tǒng)的模擬補(bǔ)償式圖像處理裝置(如圖1系統(tǒng)〕之速度慢、高成本及易受雜訊干擾的缺點(diǎn)，且克服了傳統(tǒng)數(shù)字補(bǔ)償式圖像處理裝置(如圖2之系統(tǒng))中所產(chǎn)生的圖像輪廓缺陷；真正提供了一種新穎的數(shù)字補(bǔ)償式圖像處理裝置，用于圖像之取像、像素的校正補(bǔ)償、強(qiáng)弱化調(diào)整、對(duì)比的調(diào)整、圖像的儲(chǔ)存及顯示。
圖1為一傳統(tǒng)模擬補(bǔ)償式圖像處理裝置的系統(tǒng)方塊圖。
圖2為一傳統(tǒng)數(shù)字補(bǔ)償式圖像處理裝置的系統(tǒng)方塊圖。
圖3a為一般圖像像素之頻譜圖(Histogram)(圖中以8位元為例)。
圖3b為一經(jīng)由圖2之系統(tǒng)所處理后，系統(tǒng)有效位元數(shù)減少后，圖像像素之頻譜圖(圖中以8位元為例)。
圖4為本發(fā)明數(shù)字補(bǔ)償式圖像處理裝置的系統(tǒng)方塊圖。
圖5a為本發(fā)明裝置中位元提高(bit-enhancing)濾波裝置之第一實(shí)施例(3×3矩陣)運(yùn)算方法示意圖。
圖5b為本發(fā)明裝置中位元提高濾波裝置之第二實(shí)施例(1×3矩陣)運(yùn)算方法示意圖。
圖5c為本發(fā)明裝置中位元提高濾波裝置之第三實(shí)施例(1×5矩陣)運(yùn)算方法示意圖。
以下將就本發(fā)明應(yīng)用于圖像掃描器系統(tǒng)中的實(shí)施例作為本發(fā)明裝置之較佳實(shí)施例，并作一詳細(xì)說明。如圖4所示之系統(tǒng)方塊圖包含一光源39、一鏡面41、一透鏡組合42、一電荷耦合器件43、一前置處理裝置44、一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器45、一位元提高濾波裝置(m×n矩陣濾波器)46、一后置處理裝置47及一緩沖存儲(chǔ)器48。
在使用時(shí)，光源39照射到文字或圖形40，其所產(chǎn)生的圖像經(jīng)由鏡面41反射，由透鏡組合42聚焦再由電荷耦合器件43將圖像轉(zhuǎn)換為一電氣信號(hào)。由于每一個(gè)電荷耦合器件43的輸出特性并非完全相同，且其輸出特性受到元件老化的影響，為了使此輸出信號(hào)能夠工作于模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器45之最佳的全部范圍里，必須經(jīng)由一前置處理裝置46(于本實(shí)施例中為一直流增益器)，用以將該電氣信號(hào)的直流增益調(diào)整至一預(yù)設(shè)的模擬信號(hào)，使其能夠工作于模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器45之最佳的全部范圍，再將此模擬信號(hào)經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器45轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。
位元提高濾波裝置46，乃本發(fā)明之特征所在，它用以輸入數(shù)字信號(hào)及輸入多數(shù)個(gè)相鄰像素49，經(jīng)位元提高運(yùn)算處理后，產(chǎn)生一位元提高之?dāng)?shù)字信號(hào)，鑒于前述圖2之傳統(tǒng)數(shù)字補(bǔ)償式圖像處理系統(tǒng)，由于使用除法器26作為系統(tǒng)補(bǔ)償校正之用，致使其系統(tǒng)有效位元數(shù)減少，極易于處理后的圖像中產(chǎn)生圖像輪廓缺陷之現(xiàn)象；本發(fā)明之該位元提高濾波裝置46克服上述缺點(diǎn)，經(jīng)由特殊的位元提高運(yùn)算方法以保持系統(tǒng)的有效位元數(shù)；圖5a所示為該位元提高濾波裝置的第一實(shí)施例(即一3×3矩陣之濾波器)，其位元提高運(yùn)算方法如下A/D轉(zhuǎn)換器45將目前正在處理的像素a22轉(zhuǎn)換為數(shù)字后，該位元提高濾波裝置則將a22相鄰之8個(gè)像素取平均值(即除以8)后再和a22取平均值(即除以2)；對(duì)于數(shù)字式之二進(jìn)制數(shù)學(xué)運(yùn)算，除以8即是將小數(shù)點(diǎn)向左移3位，而除以2即是將小數(shù)點(diǎn)向左移1位；如此則系統(tǒng)有效位元數(shù)從原來的8位元增為11位元；因而即使再經(jīng)過后續(xù)之陰影現(xiàn)像補(bǔ)償校正、對(duì)比度調(diào)整、強(qiáng)化調(diào)整或弱化調(diào)整之?dāng)?shù)字圖像處理，亦不會(huì)產(chǎn)生明顯之圖像輪廓缺陷現(xiàn)象，亦即可保持原來圖像所帶有之灰度。由于一般的圖像掃描器采用一維的電荷耦合器件(linear CCD)，故為了實(shí)施上之方便性、簡化線路復(fù)雜度及降低成本，本發(fā)明的第二實(shí)施例為一維矩陣之濾波器，即1×3矩陣之濾波器(見圖5b)，其位元提高運(yùn)算方法是將a2相鄰之2個(gè)像素取平均值(即除以2)后再和a2取平均值(即除以2)，如此系統(tǒng)則增加2個(gè)有效位元；第三實(shí)施例為另一維矩陣的濾波器，即1×5矩陣之濾波器(見圖5c)，其位元提高運(yùn)算方法是將a2相鄰之4個(gè)像素取經(jīng)過比重系數(shù)調(diào)整后之平均值，即(0.5×a0+a1+a3+0.5×a4〕÷3，其中的0.5即為系數(shù)比重，之后再和a2取平均值(即除以2)，如此系統(tǒng)則增加約2.5個(gè)有效位元。一般而言，本發(fā)明中的位元提高濾波裝置46為一個(gè)m×n矩陣之濾波器，其中m和n為任一自然數(shù)(即1，2，3，4，……)，而上述三個(gè)實(shí)施例只是其中的三個(gè)實(shí)施方法；該m×n矩陣濾波器之各種運(yùn)算方法及運(yùn)算時(shí)之各項(xiàng)系數(shù)比重均符合本發(fā)明裝置揭示之精神，均應(yīng)包含在所附的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
上述的位元提高數(shù)字信號(hào)饋至一后置處理裝置47(在此實(shí)施例中為一除法器/乘法器)；由于光學(xué)系統(tǒng)(包括光源、鏡面及透鏡組合)之亮度的不平均及電荷耦合器件本身的光學(xué)之不均勻度相當(dāng)大，尤其是如應(yīng)用于圖像掃描器中的光源39，其兩邊的亮度通常較中央的亮度暗，因此通常在系統(tǒng)工作之前先掃描、讀取一參考的白色板；所讀取之?dāng)?shù)據(jù)(即陰影現(xiàn)象補(bǔ)償向量，shading vector)50饋至后置處理裝置47，用來作為系統(tǒng)補(bǔ)償校正之用。此外，如果所處理的圖像過于偏暗或偏亮，則可以選擇性地輸入一強(qiáng)化向量(highlight vector)51或一弱化向量(shadow vector)52來調(diào)整；甚者，也可以針對(duì)特殊的情況，選擇性地輸入一對(duì)比調(diào)整向量(Gammavector)53，以增加或減少所處理圖像的對(duì)比度、上述之陰影現(xiàn)象補(bǔ)償、強(qiáng)化調(diào)整、弱化調(diào)整及對(duì)比調(diào)整均由該后置處理裝置47內(nèi)的乘法器/除法器來執(zhí)行。
上述所處理完畢的圖像碼將儲(chǔ)存于緩沖存儲(chǔ)器48以供之后進(jìn)一步的圖像處理、永久保留、直接饋至圖像顯示器或打印裝置。
以上所述僅為本發(fā)明之較佳實(shí)施例而言，并非用以限定本發(fā)明的權(quán)利要求范圍；凡其它未脫離本發(fā)明所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾，均應(yīng)包含在下述的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字補(bǔ)償式圖像處理裝置，用于圖像之取像、像素的校正補(bǔ)償、強(qiáng)弱化調(diào)整、對(duì)比度調(diào)整、圖像儲(chǔ)存及顯示，其特征在于，該裝置包含前置處理裝置，用以將一圖像之電氣信號(hào)的直流增益調(diào)整至一預(yù)設(shè)的模擬信號(hào)，以防止因該圖像之電氣信號(hào)的特性改變所產(chǎn)生的影響；模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用以將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成一數(shù)字信號(hào)；位元提高濾波裝置，用以輸入該數(shù)字信號(hào)及多數(shù)個(gè)相鄰像素，以產(chǎn)生一位元提高的數(shù)字信號(hào)；后置處理裝置，用以處理該位元提高之?dāng)?shù)字信號(hào)，以產(chǎn)生一圖像碼。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于上述之前置處理裝置為一直流電壓增益器。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于上述之位元提高濾波裝置用以將上述之?dāng)?shù)字信號(hào)和該相鄰像素作位元提高運(yùn)算，以產(chǎn)生上述之位元提高的數(shù)字信號(hào)。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于上述之位元提高濾波裝置為一m×n矩陣的濾波器，其中的m及n為自然數(shù)(1，2，3，4……)。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于該m×n矩陣的濾波器為一3×3矩陣的濾波器。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于上述之位元提高濾波裝置的位元提高運(yùn)算包含(a)將上述8個(gè)相鄰像素之和除以八，以取得一平均值；及(b)將上述之?dāng)?shù)字信號(hào)及該平均值之和除以二，以取得該位元提高之?dāng)?shù)字信號(hào)。
7.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于該m×n矩陣之濾波器為一1×3矩陣的濾波器，即一維濾波器。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于上述之后置處理裝置為一除法器。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于上述之后置處理裝置為一乘法器。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于上述之后置處理裝置更包含輸入一校正陰影現(xiàn)象的補(bǔ)償向量，用以作為補(bǔ)償校正之用。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于上述之后置處理裝置更包含輸入一對(duì)比調(diào)整向量，以增加或減少所處理圖像的對(duì)比度。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于上述之后置處理裝置更包含輸入一強(qiáng)化調(diào)整向量。
13.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于上述之后置處理裝置更包含輸入一弱化調(diào)整向量。
14.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于更包含一緩沖存儲(chǔ)器用以儲(chǔ)存上述之圖像碼。
15.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于更包含一圖像拾取裝置，用以將圖像轉(zhuǎn)換為該圖像之電氣信號(hào)。
16.如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于上述之圖像拾取裝置包含至少一電荷耦合器件。
17.一種數(shù)字補(bǔ)償式圖像處理裝置，用于圖像之取像、像素的校正補(bǔ)償、強(qiáng)弱化調(diào)整、對(duì)比度調(diào)整、圖像儲(chǔ)存及顯示，其特征在于，該裝置包含電荷耦合器件，用以將一圖像轉(zhuǎn)換為該圖像之電氣信號(hào)；直流增益器，用以將該圖像之電氣信號(hào)的直流增益調(diào)整至一預(yù)設(shè)的模擬信號(hào)，使其不受該圖像之電氣信號(hào)之特性改變及該電荷耦合器件因老化所產(chǎn)生的影響；模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用以將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成一數(shù)字信號(hào)；m×n矩陣之濾波器，其中的m及n為自然數(shù)(1，2，3，4，……)，用以將該數(shù)字信號(hào)和多數(shù)個(gè)相鄰像素作位元提高運(yùn)算，以產(chǎn)生一位元提高之?dāng)?shù)字信號(hào)；后置處理裝置，輸入該位元提高之?dāng)?shù)字信號(hào)及輸入一校正陰影現(xiàn)象的補(bǔ)償向量，及輸入一對(duì)比調(diào)整向量，及輸入一強(qiáng)化調(diào)整向量，及輸入一弱化調(diào)整向量以產(chǎn)生一圖像碼；緩沖存儲(chǔ)器，用以儲(chǔ)存該圖像碼。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于上述之m×n矩陣的濾波器為一3×3矩陣的濾波器，其位元提高運(yùn)算包含(a)將上述8個(gè)相鄰像素之和除以八，以取得一平均值；及(b)將上述之?dāng)?shù)字信號(hào)及該平均值之和除以二，以取得該位元提高的數(shù)字信號(hào)。
19.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于上述之后置處理裝置為一除法器或乘法器。
全文摘要
一種數(shù)字補(bǔ)償式圖像處理裝置，包括圖像拾取裝置，將圖像轉(zhuǎn)換為一電氣信號(hào)；前置處理裝置，將該電氣信號(hào)調(diào)整至一適當(dāng)?shù)哪M信號(hào)；模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；位元提高濾波裝置，輸入該數(shù)字信號(hào)及多數(shù)個(gè)相鄰像素，經(jīng)數(shù)學(xué)運(yùn)算處理后，產(chǎn)生一位元提高之?dāng)?shù)字信號(hào)；后置處理裝置，將該位元提高之?dāng)?shù)字信號(hào)經(jīng)數(shù)學(xué)運(yùn)算之校正補(bǔ)償及各種圖像調(diào)整后，產(chǎn)生一圖像碼；及輸出裝置用以將圖像儲(chǔ)存于緩沖存儲(chǔ)器。
文檔編號(hào)G06T3/00GK1160254SQ96123109
公開日1997年9月24日 申請(qǐng)日期1996年12月11日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月11日
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