CN103234863A

CN103234863A - 一种用接触式图像传感器测量密度的装置及方法

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Publication number: CN103234863A
Application number: CN2013101391188A
Authority: CN
Inventors: 刘浩学; 黄敏; 杨文杰; 秦练; 武兵; 徐艳芳; 刘瑜; 李修
Original assignee: Beijing Institute of Graphic Communication
Current assignee: Beijing Institute of Graphic Communication
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2013-08-07

Abstract

本发明涉及一种用接触式图像传感器测量密度的装置及方法，用于彩色复制中的质量控制和检测，属于光学测量和信息处理技术领域。该装置包括接触式图像传感器、接口电路和计算机，接触式图像传感器通过接口电路连接到计算机上，接触式图像传感器采集反射样品的光信息，将其转换为电信号，再转换为数字信号，通过接口电路传输到计算机，进行归一化、对数变换和线性变换等数学变换处理后，得到样品的密度测量值。本发明利用集成度非常高的接触式图像传感器的光电转换特性进行密度测量，避开了分光光度计的复杂技术，利用光电色度计的原理和CIS光电转换单元阵列的特点实现大量彩色样品的快速扫描测量，满足彩色复制过程中对快速密度测量的需要。

Description

一种用接触式图像传感器测量密度的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用接触式图像传感器（contact Image Sensor，简称CIS）测量密度的装置及方法，用于测量反射样品，如印刷品或照片的ISO密度值，进而应用于彩色复制中的质量控制和检测，属于光学测量和信息处理技术领域。

背景技术

在彩色复制过程中，如彩色印刷或彩色打印的过程中，为了控制和检验样品的复制质量和呈现颜色的准确性，通常要进行颜色测量和密度测量。颜色测量主要检验样品的颜色差别，密度测量主要用于复制过程的参数控制，特别是为了测量供墨量是否准确，这直接关系到复制的颜色。在进行印刷过程质量控制时，由于印刷机的速度通常很高，而且在对彩色复制过程进行控制时通常要对多个标样进行测量，如对测控条上不同位置和不同原色的色块进行实时测量，因此要求测量和计算的速度比较高。目前使用的快速颜色测量仪器都是价格很昂贵的进口仪器，而且体积很大，如X-Rite Intelitrax或Easytrax等。在影像处理与复制领域，还需要用色彩管理技术进行复制图像质量的检测，必须对大量的颜色样品进行测量，如ISO IT8/7.3标准色标有近1000个色块，ECI2002色标有1500个色块。为了提高密度和颜色测量的速度，目前工业中普遍使用进口的昂贵设备，如美国X-Rite公司的EyeOne IO和i1iSis等扫描分光光度计，通过对颜色样品的扫描测量记录每个色块的密度和颜色测量数据。

工业上使用的密度测量仪器主要分为两类：分光密度计和光电密度计。二者的测量原理不同。分光密度计通过对测量样品反射光的光谱分析计算密度值，而光电密度计通过光电转换器件的光电特性模拟密度的计算过程。通常分光密度计的测量精准度要高于光电密度计，但仪器制造的复杂度和成本也远高于光电密度计。而光电密度计的优点是结构简单，价格低，测量速度快。国内尚未生产出适用于上述工业需要的商品化扫描式密度测量仪器，其主要原因是分光密度计属于精密光学仪器，结构复杂，精度和集成度要求都很高，制造技术复杂，国内尚不掌握其核心技术。而扫描测量不仅对仪器的精度要求高，还需要精密的扫描定位控制技术，制造难度更大。

发明内容

本发明根据光电密度计的原理，利用接触式图像传感器感光单元列阵的光电特性提出一种能够快速测量大量颜色样品密度值的装置和方法。通过接触式图像传感器（Contact Image Sensor，简称CIS）对印刷测控条进行扫描测量，采集得到测控条中每个色块的RGB响应值，再对RGB响应值进行数学变换得到相应的密度测量值，进行印刷参数的控制。

接触式图像传感器是一种集成度非常高的光电转换器件，其内部集成了LED光源、光学透镜、光电转换单元阵列以及相关的电路。其中光电转换单元排列成一个线阵列，其中可包含数千个光电转换单元，每一个光电转换单元都相当于一个光电密度计测量头，可以对反射样品，如照片、印刷品等进行多点的密度测量，其内部结构示意如图1所示。反射样品经LED光源照明后，反射光被柱透镜收集并由各光电转换单元将光信号转换为模拟电信号，经过内部电路放大和A/D转换器得到与光信号成比例的数字信号。由于有数千个光电转换单元排列成一行，因此同时可以采集反射样品上一行的密度信息。如果同步纵向移动接触式图像传感器CIS或反射样品，就可以将整幅样品的密度信息采集下来。接触式图像传感器CIS分为单色和彩色等几种类型，其中彩色CIS可以将彩色样品的反射颜色光转换为相应的红、绿、蓝（RGB）电信号。目前CIS多用于图像信息的采集及识别。

本发明利用彩色CIS器件的光电转换功能和光电转换单元阵列排列的特点设计了一种快速测量反射样品密度的光电密度计，每一个光电转换单元构成一个独立的光电密度计，因此单元阵列可以在不同位置同时采集多个颜色样品，实现对大量反射样品的批量密度测量功能。要实现光电密度计的功能，首先用CIS器件对反射样品颜色信息进行采集，将采集的RGB数学信号进行相应的数学转换，得到符合ISO5-3密度标准的测量值，实现密度测量的功能。

一种用接触式图像传感器测量密度的装置，主要用于测量反射样品的密度值，包括接触式图像传感器CIS、相应接口电路和计算机（包含相应的计算算法）。接触式图像传感器通过接口电路连接到计算机上，用接触式图像传感器采集反射样品的（反射）光信息，将其转换为电信号，电信号再转换为数字信号，通过接口电路传输到计算机，经过计算机软件的相应计算算法将数字信号，即RGB数字值进行归一化、对数变换和线性变换等一系列数学变换处理后，得到样品的密度测量值。

接触式图像传感器CIS对反射样品的反射光信息进行逐行采集，通过与行采集垂直方向的移动进行颜色光信息的扫描采集，可同时测量多个反射样品的密度值。

所述接口电路对CIS逐行采集的电信号进行A/D变换（转换）得到RGB数字信号，并将RGB数字信号传送给计算机，接口电路采用的输出接口可以为USB、Camera Link或IEEE1394接口等。

一种用接触式图像传感器测量密度的方法，包括如下步骤：

（1）采用接触式图像传感器CIS照明反射样品并对反射光信息进行采集、A/D变换，得到数字化的RGB数值；

（2）利用数学变换技术将接触式图像传感器采集的RGB数值进行归一化、对数变换和线性变换等一系列处理，得到符合ISO标准的密度值，进而计算得到其它所需的数值。

通过接触式图像传感器CIS可以对反射样品逐行扫描进行反射光信息的采集，通过传感器或样品的纵向移动可以进行扫描采集，实现大面积、多色块的快速密度测量，反射样品可包含单个或多个色块，可以实现多色块的扫描测量。接口电路对采用CIS对反射样品进行逐行扫描采集反射光信息得到的电信号进行A/D变换并得到RGB数字颜色值，通过USB、Camera Link或IEEE1394接口等将RGB数字颜色值传送给计算机。

RGB数值经接口电路传送至计算机，首先将采集的RGB数值进行归一化处理，然后对归一化的RGB值的倒数进行对数变换，经过对数变换后得到的RGB值与标准密度值（ISO密度值）呈线性关系，通过线性变换矩阵可模拟出标准的密度值；由计算得到的密度值可以进一步转换为其它过程控制量，如墨量和网点面积率等，实现彩色复制过程的质量控制。

本发明的优点：

本发明根据光电色度计的原理，利用集成度非常高的接触式图像传感器（CIS）的光电转换器件性质和列阵排列的特点进行密度测量，避开了分光光度计的复杂技术，可降低仪器成本；利用CIS光电转换单元阵列排布的特点，可以同时多点测量，一次可测量样品上一条直线的颜色，而不是只测量一个点，可实现大量颜色样品的快速扫描测量，满足快速测量的需要；使用接触式图像传感器内部光源，仪器的集成度可以很高；可以几乎与反射样品接触到一起进行测量（测量距离1-3mm），因此可以有效避免环境光的干扰，提高测量的稳定性；利用颜色转换技术进行RGB值到ISO密度的计算，可使计算结果与ISO标准密度值一致。

本发明将接触式图像传感器CIS和对采集颜色信息的计算处理两项技术组合起来，利用CIS制作了一个快速测量颜色样品密度值的光电密度计，将RGB信号进行计算最终得到符合ISO标准的密度值。

下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1为接触式图像传感器的内部结构示意图。

图2为用接触式图像传感器对样品进行扫描采集密度值示意图。

具体实施方式

本发明利用接触式图像传感器CIS高度集成化的光电转换器件特性测量密度值，避开了分光光度计的复杂技术，利用光电色度计的原理和CIS光电转换单元阵列的特点实现大量彩色样品的快速扫描测量，满足彩色复制过程中对快速密度测量的需要。测量反射样品密度值的装置主要包括：接触式图像传感器2、相应接口电路和计算机3。接触式图像传感器2的内部光源照明反射样品1并采集反射样品1的反射光信息，将其转换为电信号，采集的电信号通过接口电路进行A/D转换并将数字信号传输到计算机3，计算机3通过相应的计算算法（相应软件）将从反射样品1上采集的RGB信号进行相应的数学变换。首先将采集的RGB数值进行归一化处理，然后对归一化的RGB值的倒数进行对数变换，对数变换后得到的结果与标准密度值呈线性关系，通过线性变换矩阵计算得到符合ISO5-3规定的标准密度值。

反射样品1上包含单个或多个色块，接触式图像传感器2对反射样品1上的反射光信号横向逐行进行采集，通过纵向移动反射样品1或CIS图像传感器2实现扫描采集，通过颜色信息的扫描采集和数据处理，可以连续测量反射样品1上的多个色块。如图2所示，为该装置扫描测量密度的示意图。

接口电路对接触式图像传感器2逐行采集的电信号进行A/D变换并得到数字信号（RGB数字颜色值），传送给计算机3，接口电路采用的输出接口可以为USB、Camera Link或IEEE1394等接口。

用接触式图像传感器测量密度的方法，先采用接触式图像传感器CIS对反射样品的反射光信息进行采集、A/D变换，得到数字化的RGB数值；然后利用数学变换技术将接触式图像传感器采集的RGB数值进行归一化、对数变换和线性变换或查找表计算等一系列处理，得到符合ISO标准的密度值，进而计算得到其它所需的数值。具体步骤包括：

1）包含单个或多个色块构成的反射样品1由接触式图像传感器2构成的采集装置按图2所示的箭头方向扫描（或样品向箭头反方向移动），通过接触式图像传感器2中的光电转换单元将样品的各色块颜色光信息转换为RGB数值，经USB接口或其它接口（如Camera Link或IEEE1394）传送给计算机3；

2）在计算机3中首先将采集的RGB数值进行归一化处理：

r=R_d/R₀,g=G_d/G₀ b=B_d/B₀ （1）

其中，R_d，G_d和B_d为CIS采集得到的RGB数字值，R₀，G₀和B₀为CIS装置对白色样品采集得到的RGB值。

根据ISO5-3对彩色密度的定义，青、品红、黄及视觉密度（分别记为D_c、D_m、D_y和D_v）等于白光透过特定光谱分布滤色片光通量倒数的对数。为此，对归一化后的RGB值的倒数进行如下对数变换：

D_R=lg(1/r),D_G=lg(1/g),D_B=lg(1/b),D_N=lg(1/(r+g+b)) （2）

由于CIS内部的光谱分布不完全符合ISO5-3中的光谱分布定义，经过对数变换后的D_R，D_G，D_B和D_N不能准确等于ISO标准的密度值，但具有与ISO标准密度值成线性关系的特性，可以用其的线性组合获得ISO标准密度值。

3）由D_R，D_G，D_B和D_N值变换到ISO标准密度值。对于青、品红、黄密度有：

[\begin{matrix} Dc \\ Dm \\ Dy \end{matrix}] = [\begin{matrix} Ar & Ag & A_{b} \\ Br & Bg & B_{b} \\ Cr & Cg & C_{b} \end{matrix}] [\begin{matrix} D_{R} \\ D_{G} \\ D_{B} \end{matrix}] - - - (3)

对黑色原色有：

Dv = [\begin{matrix} Vr & Vg & Vb & Vs \end{matrix}] [\begin{matrix} D_{R} \\ D_{G} \\ D_{B} \\ {D_{N}}^{2} \end{matrix}] - - - (4)

其中式（3）中的9个和式（4）中的4个变换矩阵系数可以用已知密度值的青、品红、黄及黑单色原色梯尺（标准样品）对CIS进行定标得到。

以上的计算过程也可以通过建立4个一维查找表的算法实现。测量标准样品各级色块的密度值，并用CIS对相应色块进行RGB数据的采集，可建立D_c、D_m、D_y和D_v密度值与RGB归一化值r,g,b的对照表，查表并插值计算可获得任意RGB采集值对应的密度值。具体计算如下。

密度计的定标

下面表1的数据是对CIS密度测量装置定标的一个实例（但不作为定标的标准值，不同的CIS定标的结果不同）。表中第2列是单色原色油墨定标梯尺的标准补色密度值，第3～5列是用CIS扫描测量该色块得到的原始RGB数值归一化后的r,g,b值，第6～8列是计算过程，第7列是计算是按上述方法用（1）～（4）式定标计算后得到的密度值，最后一列是计算误差。每个原色列表的最后一行列出了定标后密度的计算公式。从表中计算结果可以看出，经过CIS定标校准后可以使采集数据转换后达到与目标值非常接近的程度，可以满足一般工业中质量控制的精度要求。

表1用标准原色油墨梯尺定标的示例

在进行彩色复制的过程控制时，通常仅使用补色密度值而不使用另外两个非补色密度值。但依据以上所述方法同样可以用（1）～（4）式对非补色密度值进行定标。

密度测量值的计算

表2的第2～4列是CMYK原色色块密度值和CIS采集的RGB归一化值，其中第2列的密度值是用X-Rite SpectroEye测量的结果。第5列是用上例中定标得到的密度计算公式计算得到的补色密度，第7列为计算误差。

表2测量RGB值计算密度的示例

当采用查找表方法计算时，可根据表1中第2～5列的标准密度值和相应的RGB测量值建立查找表，以表中的数据作为查找表的节点值。由于只需要计算补色密度，因此要从测量RGB值中选择补色，即D_c～r、D_m～g、D_y～b，而D_v～(r+g+b)/3，从而得到4个一维查找表。根据线性插值公式，插值密度D为

D = D_{i} + \frac{D_{i + 1} - D_{i}}{x_{i + 1} - x_{i}} (x - x_{i}) - - - (5)

其中，x_i和x_i+1表示小于和大于CIS测量值的节点RGB值，D_i和D_i+1表示小于和大于CIS测量值节点对应的密度值。按插值公式（5）计算的结果列于第8列，第9列为插值计算结果的误差。由表2可以看出，两种计算方法的结果接近。

4）由计算得到的补色密度值可计算其它过程控制数据，如：

网点面积率

a_{t} = \frac{1 - 10^{- Dt}}{1 - 10^{- Ds}}

网点面积率扩大值Δa=a_t–a₀

式中a_t为所计算网点面积率，a₀为印版的网点面积率，D_t为测量的密度值，D_s为该原色油墨实地（100%网点面积率）密度。

其它控制量如印刷相对反差、叠印率、印刷机墨量调整量等可根据需要由软件实现，由此实现密度测量和过程控制量的计算。

Claims

1.一种用接触式图像传感器测量密度的装置，其特征在于：该装置包括接触式图像传感器、接口电路和计算机，接触式图像传感器通过接口电路连接到计算机上，接触式图像传感器采集反射样品的光信息，将其转换为电信号，电信号再转换为数字信号，通过接口电路传输到计算机，经计算机将数字信号进行归一化、对数变换和线性变换的数学变换处理后，得到样品的密度测量值。

2.根据权利要求1所述的用接触式图像传感器测量密度值的装置，其特征在于：所述的接触式图像传感器对反射样品的反射光进行逐行采集，通过与行采集垂直方向的移动进行颜色光信息的扫描采集，实现同时测量多个反射样品的密度值。

3.根据权利要求1所述的用接触式图像传感器测量密度值的装置，其特征在于：所述接口电路对所述的电信号进行A/D变换得到数字信号并传送至计算机，接口电路采用的输出接口为USB、Camera Link或IEEE1394接口。

4.一种用接触式图像传感器测量密度的方法，包括如下步骤：

（1）采用接触式图像传感器对反射样品的反射光信息进行采集、A/D变换，得到数字化的RGB数值；

（2）利用数学变换技术将得到的RGB数值进行归一化、对数变换和线性变换处理，得到样品的密度测量值。

5.根据权利要求4所述的用接触式图像传感器测量密度的方法，其特征在于：采用接触式图像传感器对反射样品进行逐行扫描采集反射光信息，所述的反射样品包含单个或多个色块。

6.根据权利要求5所述的用接触式图像传感器测量密度的方法，其特征在于：接口电路对采用接触式图像传感器对反射样品进行逐行扫描采集反射光信息得到的电信号，进行A/D变换并得到RGB数值，通过USB、Camera Link或IEEE1394接口将RGB数值传送至计算机。

7.根据权利要求4所述的用接触式图像传感器测量密度的方法，其特征在于：首先将RGB数值进行归一化处理，然后对归一化的RGB值的倒数进行对数变换，经过对数变换后得到的RGB值与ISO密度值呈线性关系，通过线性变换矩阵计算得到符合ISO标准的密度值。

8.根据权利要求7所述的用接触式图像传感器测量密度的方法，其特征在于：由计算得到的密度值进一步转换，得到墨量和网点面积率。