CN1059533C - 以多次加权取样分别处理的图像处理装置 - Google Patents

Abstract

一种图像系统中的图像处理装置，其包含一前置处理装置，用不同的曝光时间以撷取光学图像并将其转换成为模拟式电气信号，并将模拟式电气信号依其灰阶值分开成数个部分信号，并分别调整这些部分信号的直流增益值；一多重取样装置，用以将调整过的模拟式电气信号转换成为适当的多次取样的数字式信号；一后置处理装置，用以加强数字式信号的灰阶特性，并在将各个信号的灰阶特性经过加强之后再予以加成，以得到一输出图像码。

Description

以多次加权取样分别处理的图像处理装置

本发明涉及一种图像处理装置，特别涉及一种改善输出图像品质与增加系统的图像灰阶深度的图像处理装置。

本发明除了使用于图像系统之外，特别适用于图像扫描器输出图像之灰阶深度的改善上。

传统的图像处理系统，是用以将图像由光学系统的反射、聚焦，经一光电转换器之转换成一电气信号，再由电子电路对此电气信号做校正、调整、储存、显示或进一步处理之用。此种图像系统应用非常广泛，例如图像扫描器(imagescanner)、摄像机和传真机等现代化世界中常见的设备。这些设备彼此间虽然有差异，但是图像信号撷取和模拟数字转换都在很多图像系统中被使用。

以传统技术的图像扫描器为例，例如，第4,750,048号美国专利公开了一种扫描器，其结构和输出波形如图1和图3所示。其中，图1所示的扫描器包括由一定时信号发生器9、一光源10、一玻璃表面11、一反射镜12、一透镜组合13、一电荷耦合器(Charge Couple Device；CCD)14、一由直流增益电压放大器15所构成的前置处理装置、一模拟数字转换器(analogue-to-digital Convertor)16和一后置处理装置17。其中定时信号发生器9的输出脉冲如图3所示。而且每个时间间隔是相等的，如图3中时间间隔33和时间间隔37的大小是相同的。传统技术的图像扫描器工作的方式是，光源10发射光线照射在其后面具有图形或文字的玻璃表面11，以等速度扫描玻璃表面11，并反射到反射镜12，再由此反射到透镜组合13上。经由透镜组合13聚焦到电荷耦合器14上，并由电荷耦合器14转换成一电气信号。其转换方式是由定时信号发生器9送出如图3中的脉冲，而且脉冲31的前沿(front edge)30送入电荷耦合器14时，电荷耦合器14传出前一时间间隔所累积的电荷并开始储存电荷，直到脉冲35的前沿(front edge)34送入电荷耦合器14时，电荷耦合器14开始把在位于前沿30和前沿34之间的时间间隔33所得的信号电荷传出并又开始储存电荷，而此时所获得之电气信号即可用于后续电路之处理。直流增益电压放大器15调整此电气信号的直流增益，并且送到模拟数字转换器16。后置处理器17以一γ(Gamma)函数所产生的γ对映表调整输出图像的对比，经此而获得一可用以输出或进一步处理的图像信号。

在一图像系统中，图像由像素(pixel)组成，如果每个像素具有较多的色阶(shade)，则可以组成更多的颜色，所表现出来的图像也会更接近原图像，对比也会更好，换句话说，输出图像的品质更好。根据上述所提及，为了改善输出图像的品质，增加图像扫描器的灰阶深度(Density Range)是很重要的，因为这样可以使得每一个像素具有更多的色阶。

影响图像扫描器输出图像品质的重要因素如下所述：(1)系统和电荷耦合器的灰阶深度。设若系统的灰阶深度是D则系统的信噪比(Signal-to-Noise Ratio)：(S/N)_S，和电荷耦合器的信噪比：(S/N)_C，必须满足下列式子：〔(N/S)_S+(N/S)_C)≤10^-D。(2)图像信号的位数。设若图像信号的位数是8，则信噪比是2⁸/1＝256，所以灰阶深度D是log256＝2.4。很清楚的，图像位数越多灰阶深度越大，也就是说可以用更多的色阶来组成输出的图像。(3)后置处理装置所使用的γ对映表。根据所得的输入信号的图像特性，可以获得一特定γ值的γ函数所产生的γ对映表，用以调整输出图像之特性。

在传统的技术中，参考图1，很清楚地是使用单次取样，纵使是为了要增加图像信号的位数，而使用多次取样，但是系统的信噪比和电荷耦合器的信噪比仍不一定会满足下式：((N/S)_S+(N/S)_C〕≤10^-D。所以为了要满足上式，电荷耦合器的信噪比可藉由分开处理及增加暗部曝光时间而增加之，使之符合上式。如众所周知的，在一张图片上同时具有很多种灰阶，由很深到很浅都有。当曝光时间一增长，包括所有的亮部和暗部都有更长的曝光时间，所以亮部就反射更多的光至电荷耦合器，将导致电荷耦合器饱和而失真。如上所述若将亮部及暗部分开，暗部增长曝光处理，将可解决以上之问题，而且传统技术在欲增加电荷耦合器的信噪比时，将会遇到曝光时间不可过长的限制，如此也限制了图像扫描器在解析度和对比上的表现。纵使电荷耦合器的信噪比提升了，但是若要提升系统的信噪比，则必须对系统的电路作复杂之设计，以降低系统噪声，但是这样将会使成本大幅增加。而且在同一个画面中通常都有较亮的部分和较暗的部分，但是在后置处理装置中，每个画面只能使用同一个γ值的γ函数所产生的γ对映表，而不能针对亮部和暗部分别使用不同的γ值的γ函数所产生的γ对映表，所以亮部和暗部同时以一个γ对映表转换成输出的图像码。所以传统技术无法同时兼顾同一画面中，不同灰阶特性的需求，也会降低系统的灰阶深度及对比。

鉴于上述之发明背景中，传统的图像处理装置无法在低成本的要求下，增加系统的灰阶深度与位数。本发明之主要目的在于提供一种改良式的信号处理装置，使用不同灰阶对应不同曝光时间，用以有效提升系统的灰阶深度，并以较低的成本提高输出图像的位数与对比。

根据以上所述之目的，本发明提供了一种新的图像处理装置，其包含一前置处理装置，用不同的曝光时间以撷取光学图像并将其转换为模拟式电气信号，并将模拟式电气信号依其灰阶值分开成数个部分信号，并分别调整其直流增益；一多重取样装置，用以将调整过的模拟式电气信号转换成为适当的多次取样的数字式信号；一后置处理装置，用以加强数字式信号的灰阶特性，并在将各个信号的灰阶特性经过加强之后再予以加成，以得到一输出图像码。以作为输出图像、储存图像或进一步处理之用。

本发明以遮罩、延长曝光时间、γ(伽马)对映表和图像信号合成来实现多次加权取样、分别处理和图像合成等技术，从而达到了提升输出图像品质的目的。

图1为一传统的图像扫描器的系统方块图。

图2为本发明装置中，在图像扫描器的较佳实施例的系统方块图。

图3为一传统的图像扫描器中定时信号发生器的输出波形图。

图4为本发明装置中，在图像扫描器的较佳实施例中的定时信号发生器的输出波形图。

以下将就本发明应用于图像扫描器系统中的实施例，作为本发明装置的较佳实施例，并做一详细说明。如图2所示之系统方块图包含一光源200、一定时信号发生器201、一玻璃表面202、一反射镜204、一透镜组合206、一电荷耦合器(CCD)208、一根据电荷耦合器208的输出信号的灰阶值以软件来分离信号的遮罩210(此遮罩210亦可以用硬件产生的信号来实现)、直流增益电压放大器215和220、一8位模拟数字转换器(Analogue-to-Digital Convertor：ADC)225、一9位γ对映表245、一10位模拟数字转换器230、一加法器240、一10位γ对映表250(此γ对映表250可以用硬件产生之信号或软件来实现)和一图像合成处理器255。

其中定时信号发生器201的输出脉冲如图4所示，而时间间隔47是时间间隔43的4倍，而且时间间隔47和时间间隔55相同，时间间隔43和时间间隔51相同。此定时信号发生器201可以用一般的计时脉冲发生器(如定时信号发生器9之属)，将其输出以触发器(Flip Flop)或计数器(Counter)…等多项技术处理，即可获得不等时间间隔的脉冲输出。因此项技术为熟悉此项技术者所熟知，故未描述其结构。

本发明应用于图像扫描系统中的工作方式如下：光源200发射光线照射在其后面具有图形或文字的玻璃表面202，光源200以等速度，扫描玻璃表面202，并反射到反射镜204，再由此反射到透镜组合206上。经由透镜组合206聚焦到电荷耦合器208上，并由电荷耦合器208转换成一电气信号209。其转换方式是由定时信号发生器201送出如图4中的脉冲，而且脉冲41的前沿40送入电荷耦合器208时，电荷耦合器208将前一段时间所累积的电荷传出并且开始储存电荷，直到脉冲45的前沿44送入电荷耦合器208时，电荷耦合器208开始把在位于前沿40和前沿44之间的时间间隔43所得的信号电荷传出并开始储存电荷，此时所获得之信号即一倍曝光时间信号。

遮罩210将此一电气信号209，分成为两个部分，其中灰阶值大于16者，其像元(pixels)所成的集合称为亮部，此部分像元所对应的信号称为亮部信号。灰阶值小于16者，其像元所成的集合，称为暗部，此部分像元所对应的信号称为暗部信号。而且经由遮罩210将此一电气信号209中灰阶值小于16者去除，以上的动作所获得的信号在本实施例中称之为亮部信号219。

而其余部分的电气信号则是由下列步骤所获得：光源200发射光线照射在其后面具有图形或文字的玻璃表面202，光源200以等速度，扫描玻璃表面202，并反射到反射镜204，再由此反射到透镜组合206上。经由透镜组合206聚焦到电荷耦合器208上，并由电荷耦合器208转换成一电气信号。其转换方式是由定时信号发生器201送出如图4中的脉冲，而且脉冲45的前沿44送入电荷耦合器208时，电荷耦合器208将前一段时间所累积的电荷传出(此所得之信号即前面所述之一倍时间曝光信号)并开始储存电荷，直到脉冲49的前沿48送入电荷耦合器208时，电荷耦合器208开始把在位于前沿44和前沿48之间的时间间隔46所得的信号电荷传出并开始储存电荷，此时所获得之信号即四倍曝光时间信号。此一电气信号经过遮罩210时，对上一扫描步骤所得之灰阶值大于16的像元，在本次扫描步骤中加以遮住，换句话说，本次扫描只取上次扫描以外的像元，此即获得了暗部信号214。为了增加系统的信噪比，直流增益电压放大器215的增益被设定为4，所以此图像处理装置的灰阶深度也因此增加了。暗部信号214被送到直流增益电压放大器215，而其输出信号经过模拟数字转换器225到加法器235，以完成多次取样的动作并产生一9位数字信号，在本实施例中称之为暗部信号236。后置处理装置是由γ对映表和图像合成处理器255所构成，为了要加强暗部信号的解析度，γ对映表中γ函数之γ值可设定为大于1的值。

在亮部信号部分，直流增益电压放大器220的增益被设定为1，亮部信号219被送到直流增益电压放大器220，而其输出信号经过模拟数字转换器230到加法器240，以完成多次取样的动作并产生一12位数字信号，在本实施例中称之为亮部信号241。后置处理装置是由γ对映表250和图像合成处理器255所构成，为了要加强亮部信号的解析度，γ对映表中γ函数之γ值可设定为小于1的值。

亮部信号241经过γ对映表250所得的亮部信号称为亮部信号251。而暗部信号236经过γ对映表245所得的暗部信号称为暗部信号246。将暗部信号246和亮部信号251以图像合成处理器255相加，即可获得一12位的图像码。此图像码乃具有高解析度与高对比之数字信号，并可以作为输出图像、储存图像或进一步处理之用。

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的权利要求；凡其它未脱离本发明所揭示之精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在所述的权利要求内。

Claims (13)

1.一种以多次加权取样分别处理的图像处理装置，适用于图像之取像、信号之分别处理与加权取样、图像之集成及显示与储存，该装置包含：

前置处理装置，用以对欲扫描的物件以不同之曝光时间曝光，并将所获得的数个光学信号转换成数个电气信号，并将该数个电气信号分离成为数个部分信号并调整该每个部分信号的直流增益；

多次取样装置，用以将完成直流增益调整的该每个部分信号，分别转换成为多次取样信号；及

后置处理装置，用以处理该多次取样信号，而产生一图像码，以作为储存显示及进一步处理之用。

2.如权利要求1所述的图像处理装置，其特征在于所述多次取样装置包含一模拟数字转换器。

3.如权利要求1所述的图像处理装置，其特征在于所述前置处理装置包含；

—分离装置，用于将该输入图像的电气信号分离成该数个部分信号；及

—直流电压增益放大器，用于调整该数个部分信号的直流增益。

4.如权利要求3所述的图像处理装置，其特征在于所述分离装置是依据信号灰阶范围而分离该输入电气信号的软件程序。

5.如权利要求3所述的图像处理装置，其特征在于所述分离装置是在作模拟-数字转换时，因为该模拟数字转换器参考准位的订定而达到信号分离的效果。

6.如权利要求3所述的图像处理装置，其特征在于所述直流电压增益放大器是一个具有运算放大器的电子电路。

7.如权利要求1所述的图像处理装置，其特征在于多次取样装置包含：

—取样装置，用以将完成直流增益调整的该每个部分信号，分别转换成为一第一数字信号；及

—加成装置，用以将该第一数字信号结合成多次取样信号。

8.如权利要求7所述的图像处理装置，其特征在于所述取样装置是使用多组模拟数字转换器，共用相同的计时脉冲，来获得多组的该第一数字信号。

9.如权利要求7所述的图像处理装置，其特征在于所述取样装置是使用一组模拟数字转换器，在一次数据稳定时间内，作多次的模拟-数字转换，来获得多组的该第一数字信号。

10.如权利要求7所述的图像处理装置，其特征在于所述取样装置是使用多组模拟数字转换器，共用相同的计时脉冲，在一次数据稳定时间内，作多次的模拟-数字转换来获得多组的该第一数字信号。

11.如权利要求7所述的图像处理装置，其特征在于所述加成装置是加法器。

12.如权利要求1所述的图像处理装置，其特征在于所述后置处理装置包含：

—γ对映表，用以将该多次取样信号，转换成为一第二数字信号；及

—图像合成处理器，用以将该具不同位的第二数字信号作加成处理以获得该图像码。

13.如权利要求12所述的图像处理装置，其特征在于所述图像合成处理器是一加法器。

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