CN108462808A - 扫描仪光电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扫描仪光电系统及其控制方法。扫描仪光电系统包括扫描仪控制器、CCD图像传感器、模拟前端和存储器；所述扫描仪控制器分别与CCD图像传感器、模拟前端和存储器相连，所述CCD图像传感器的输出端与模拟前端相连。本发明解决了现有的扫描仪存在的分辨率低、幅面小、成本高的技术问题。本发明利用高性能高速扫描仪控制器作为总控制单元，并针对高精度大幅面书画扫描的要求而结合了高性能低成本的CCD图像传感器及相关元件，完成了整个数据采集流的光电设计。

Description

扫描仪光电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种扫描仪光电系统及其控制方法。

背景技术

目前的书画扫描仪在光电系统上主要采用从市场上可以获得的工业相机和图像采集卡作为图像数据采集的硬件单元。这种方案的优点在于开发周期快、开发难度低和图像质量高。然而，绝大多数国内市场上可以买到的工业相机中图像传感器的像元数都十分有限，不足以获取高分辨率的图像，而且，当获取较大的扫描幅面的图像时，需要通过多次扫描和图像拼接的方式实现，这大大增加了系统设计的难度、降低了图像采集的速度和图像后处理的工作量，且容易引入不必要的图像扭曲；另一方面，图像扫描系统工作过程中，图像数据的采集必须与步进电机的运动相匹配，才可以得到正确的图像纵横比，而采用工业相机设计扫描仪的方式，图像的采集和电机的运行无法做到完美的时序匹配，因而降低了图像质量。加之工业相机的价格昂贵，整个系统的成本将大幅提高，因而难以被有效地推向市场并被广泛应用。

发明内容

本发明目的是提供一种扫描仪光电系统及其控制方法，解决了现有的扫描仪存在的分辨率低、幅面小、成本高的技术问题。

本发明的技术解决方案是：一种扫描仪光电系统，其特殊之处在于：包括扫描仪控制器、CCD图像传感器、模拟前端和存储器；所述扫描仪控制器分别与CCD图像传感器、模拟前端和存储器相连，所述CCD图像传感器的输出端与模拟前端相连。

进一步地，上述扫描仪控制器包括沿数据传输方向依次设置的减法器、乘法器、分辨率控制模块、GAMMA校正模块、行处理模块和数据打包模块；所述存储器分别与减法器、乘法器、GAMMA校正模块和数据打包模块相连。

进一步地，上述存储器用于存储减法器的偏移参数、乘法器的增益系数、GAMMA校正模块的校正参数以及数据打包模块的图像数据。

进一步地，上述扫描仪控制器还包括真灰度处理模块、数据压缩模块和二值处理模块；所述真灰度处理模块的输入端与行处理模块相连，真灰度处理模块的输出端分别与数据打包模块、数据压缩模块和二值处理模块相连；所述数据压缩模块的输入端分别与真灰度处理模块和行处理模块相连，数据压缩模块的输出端与数据打包模块相连；所述二值处理模块的输入端与真灰度处理模块相连，二值处理模块的输出端与数据打包模块相连。

进一步地，上述模拟前端包括相关双采样模块、偏移数模转换器、可编程增益放大器和模数转换器；CCD图像传感器的输出端与所述相关双采样模块相连，所述相关双采样模块和偏移数模转换器与可编程增益放大器相连，所述可编程增益放大器与模数转换器相连，所述模数转换器与扫描仪控制器相连。

进一步地，上述扫描仪光电系统还包括与扫描仪控制器相连的零位及限位传感器。

本发明还提供一种扫描仪光电系统控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)CCD图像传感器采集扫描对象的图像信息后向模拟前端输出模拟信号；

2)模拟前端对模拟信号进行处理后向扫描仪控制器输出数字信号；

3)减法器对输入的数字信号进行像素级偏移补偿处理；

4)乘法器对经过偏移补偿的像素数据进行像素级增益校正处理；

5)分辨率控制模块对经过增益校正的像素数据进行分辨率调整处理；

6)GAMMA校正模块对经过分辨率调整的像素数据进行色彩校正；

7)行处理模块对经过色彩校正的像素数据对应于三个通道的图像数据分量组织在一起；

8)数据打包模块对图像数据进行打包处理后输出至存储器中。

进一步地，步骤1)中CCD图像传感器进行图像采集的曝光控制方法是：

1.1)CCD图像传感器扫描白色基准，以求得的平均值作为第一参考值；

1.2)若第一参考值小于目标值，则同时增大CCD图像传感器的积分时间和曝光时间，然后返回步骤1.1)；若第一参考值大于或者等于目标值，则执行步骤1.3)；

1.3)缩短CCD图像传感器的曝光时间，然后扫描白色基准并将求得的平均值作为第二参考值；

1.4)若第二参考值大于或者等于目标值，则返回步骤1.3)；若第二参考值小于目标值，则将目标值与第二参考值的比值作为倍数延长CCD图像传感器的曝光时间。

进一步地，步骤2)中模拟前端对模拟信号进行处理的方法包括以下步骤：

2.1)将可编程增益放大器的值设置为1；

2.2)将偏移数模转换器的静态偏移值设置为最大；

2.3)CCD图像传感器扫描数行黑色区域，计算得到平均暗电平值B_avg；

2.4)CCD图像传感器扫描一块白色区域，计算得到平均白电平值W_avg；

2.5)计算可编程增益放大器的增益系数Gain＝(W_target-B_target)/(W_avg-B_avg)，其中W_target为目标白电平值，B_target为目标暗电平值；

2.6)采用与步骤2.3)相同的方法重新计算平均暗电平值B′_avg；根据以下公式计算偏移数模转换器的偏移参数DAC_adj：

Diff＝B_target-B′_avg

ΔV＝Diff*V_range/N_codes

ΔV_out＝ΔV/G_actual

DAC_adj＝ΔV_out/S

其中，V_range为模数转换器的电压输入范围，N_codes为模数转换器的电压输出值个数，S为偏移数模转换器的调整系数；

2.7)根据计算得到的增益系数Gain和偏移参数DAC_adj对模拟信号进行处理。

本发明的有益效果在于：本发明利用高性能高速扫描仪控制器作为总控制单元，并针对高精度大幅面书画扫描的要求而结合了高性能低成本的CCD图像传感器及相关元件，完成了整个数据采集流的光电设计。本发明扫描仪光电系统主要具有以下优点：

1、大幅面：使用单个CCD传感器即使得系统获得了在600DPI的成像分辨率下采集35.6英寸即90.424厘米宽度的扫描幅面；扫描幅面的长度可以通过步进电机加导轨得以实现，理论上可以尽可能进行延长；

2、高分辨率：在600DPI的分辨率下，本系统可以扫描约90厘米的宽度，如果减小扫描宽度，本发明可以获得更高的扫描分辨率，比如对于A4幅面的8.5英寸扫描宽度，可获得2512DPI的分辨率；

3、高数据采集速率：本发明中数据传输的通讯接口可以设置为USB2.0，有效地保证了所采集数据传输的实时性；

4、低成本：本发明中所采用的扫描仪控制器集成了实现一个完整的扫描仪所需要的大部分功能，大大降低了开发成本和开发周期。

附图说明

图1为本发明扫描仪光电系统的较佳实施例系统框图。

图2为本发明扫描仪光电系统的图像采集流程图。

图3为本发明扫描仪光电系统控制方法中的CCD图像传感器曝光控制方法流程图。

图4为本发明扫描仪光电系统控制方法中的模拟信号处理方法流程图。

具体实施方式

参见图1，本发明为一种扫描仪光电系统，其较佳实施例的结构包括扫描仪控制器、CCD图像传感器、模拟前端和存储器；扫描仪控制器分别与CCD图像传感器、模拟前端和存储器相连，CCD图像传感器的输出端与模拟前端相连。另外还包括与扫描仪控制器相连的零位及限位传感器、通过电机驱动器与扫描仪控制器相连的步进电机、通过USB接口与扫描仪控制器相连的用户主机以及通过可编程直流电源与扫描仪控制器相连的光源。

在晶振提供的基本工作频率下，扫描仪控制器控制并同步着所有其他部件的工作；CCD图像传感器用以实现对于所扫描物体的有效曝光；模拟前端用来对CCD的输出电压进行箝位采样和模数转换；存储器用以缓存图像及校正所必须的参数数据；步进电机用来实现副扫描方向的扫描运动；零位及限位传感器用以保证扫描运动处于安全有效的扫描幅面之内；光源用来为图像的采集提供照明；USB接口是用户主机和扫描仪控制器之间的通讯接口，用以完成各类命令及数据的实时传输。

参见图2，扫描仪控制器包括沿数据传输方向依次设置的减法器、乘法器、分辨率控制模块、GAMMA校正模块、行处理模块和数据打包模块；存储器分别与减法器、乘法器、GAMMA校正模块和数据打包模块相连，用于存储减法器的偏移参数、乘法器的增益系数、GAMMA校正模块的校正参数以及数据打包模块的图像数据。数据打包模块用于对最终输出图像进行打包处理，以便减小数据量、提高数据传输速度。

扫描仪控制器还包括真灰度处理模块、数据压缩模块和二值处理模块。

真灰度处理模块的输入端与行处理模块相连，真灰度处理模块的输出端分别与数据打包模块、数据压缩模块和二值处理模块相连；如果用户需要的是灰度图像，那么每一个像素所对应的R、G、B分量数据将会被真灰度处理模块依据一定的权值进行平均从而产生相应的灰度图像数据。

数据压缩模块的输入端分别与真灰度处理模块和行处理模块相连，数据压缩模块的输出端与数据打包模块相连；数据压缩模块可以采用基于霍夫曼编码的无损压缩算法对图像数据进行压缩。

二值处理模块的输入端与真灰度处理模块相连，二值处理模块的输出端与数据打包模块相连。如果用户需要的是二值图像，那么经过灰度处理之后，数据进入二值处理模块，产生黑白图像数据。

模拟前端包括相关双采样模块、偏移数模转换器、可编程增益放大器和模数转换器；CCD图像传感器的输出端与相关双采样模块相连，相关双采样模块和偏移数模转换器与可编程增益放大器相连，可编程增益放大器与模数转换器相连，模数转换器与扫描仪控制器相连。

针对本发明扫描仪光电系统的较佳控制方法主要包括以下步骤：

1)CCD图像传感器采集扫描对象的图像信息后向模拟前端输出模拟信号；

在扫描命令启动之前，先开启照明功能，曝光时间由扫描仪控制器加以控制。光线照射到被扫描介质，被反射的光线穿过安置在CCD图像传感器之前的透镜而进入相应的CCD感光单元，感光单元在光的作用下不断积累电荷。当到达积分时间后，CCD图像传感器的所有感光单元中电荷统一地被转移到对应的模拟移位寄存器中，然后在移位脉冲的作用下每个像素的电荷被以串行的方式依次移动到CCD图像传感器的输出端并被转化为电平，此间所有控制脉冲由扫描仪控制器提供。

2)模拟前端对模拟信号进行处理后向扫描仪控制器输出数字信号；

从CCD图像传感器输出的模拟信号首先被模拟前端中的相关双采样模块(CDS)进行采样，从而使得CCD图像传感器的感光单元所采集的图像信号被真正获取；然后，该模拟信号被模拟前端中的偏移数模转换器(Offset DAC)和可编程增益放大器(PGA)进行初步的偏移和增益校正；至此，纯模拟信号处理阶段结束。

经过初步校正的模拟信号被模拟前端中的模数转换器转换为16位的数字信号，然后从模拟前端输出；从模拟前端输出的数字信号进入扫描仪控制器中进行数据锁存后开始一系列后续数字信号处理。

3)减法器对输入的数字信号进行像素级偏移补偿处理；

每一个像素信号要经过一个减法器(本实施例中为16位减法器)，与一个对应于该像素的偏移参数进行运算而完成像素级偏移处理；每个像素对应的偏移参数存储在存储器中。

4)乘法器对经过偏移补偿的像素数据进行像素级增益校正处理；

经过偏移补偿的像素数据进入乘法器(本实施例中为16位乘法器)，与对应的增益系数相乘，完成像素级增益校正处理；每个像素对应的增益系数存储在存储器中。

5)分辨率控制模块对经过增益校正的像素数据进行分辨率调整处理；

当用户所需要的图像分辨率低于扫描时的光学分辨率时，分辨率控制模块会按照相邻像素平均或删除的方式降低采样得到的图像数据的分辨率。

6)GAMMA校正模块对经过分辨率调整的像素数据进行色彩校正；

经过分辨率处理后，像素数据会被送到GAMMA校正模块进行色彩校正，所需要的校正参数也被放在存储器中的特定区域。经过GAMMA校正后的像素数据进入行处理模块。

7)行处理模块对经过色彩校正的像素数据对应于三个通道的图像数据分量组织在一起；

每个像素所对应的三个通道的图像数据分量将会在行处理模块中按一定的方式组织在一起，以便于进一步的处理和输出。

8)数据打包模块对图像数据进行打包处理后输出至存储器中。

如果用户需要的是灰度图像，那么每一个像素所对应的R、G、B分量数据将会被真灰度模块依据一定的权值进行平均从而产生相应的灰度图像数据；如果需要对图像数据进行压缩，数据压缩模块提供了基于霍夫曼编码的无损压缩算法；如果用户需要的是二值图像，那么经过灰度处理之后，数据进入二值处理模块，产生黑白图像数据。

最终图像至此已经完全产生，扫描仪控制器将图像数据存入存储器的图像缓冲区中并等待用户软件将其取走；如果用户未能及时将图像缓冲区的数据取走，当缓冲区的数据量达到一个临界值时，扫描仪控制器会自动停止当前的向前扫描并控制步进电机回退一定距离；而后，当缓冲区数据量低于一定门限时，扫描仪重新启动向前的扫描任务，继续尚未完成的扫描工作。用户主机通过USB接口可将图像缓冲区的图像数据取出。

较为优选地，参见图3，步骤1)中CCD图像传感器进行图像采集的曝光控制方法是：

1.1)CCD图像传感器扫描白色基准，以求得的平均值作为第一参考值；

1.2)若第一参考值小于目标值，则同时增大CCD图像传感器的积分时间和曝光时间，然后返回步骤1.1)；若第一参考值大于或者等于目标值，则执行步骤1.3)；

1.3)缩短CCD图像传感器的曝光时间，然后扫描白色基准并将求得的平均值作为第二参考值；

1.4)若第二参考值大于或者等于目标值，则返回步骤1.3)；若第二参考值小于目标值，则将目标值与第二参考值的比值作为倍数延长CCD图像传感器的曝光时间。

较为优选地，参见图4，步骤2)中模拟前端对模拟信号进行处理的方法包括以下步骤：

2.1)将可编程增益放大器的值设置为1；

2.2)将偏移数模转换器的静态偏移值设置为最大；

2.3)CCD图像传感器扫描数行黑色区域，计算得到平均暗电平值B_avg；

2.4)CCD图像传感器扫描一块白色区域，计算得到平均白电平值W_avg；如果所得到的像素值存在严重不均匀，则取最大值附近邻域中的像素值进行平均操作；

2.5)计算可编程增益放大器的增益系数Gain＝(W_target-B_target)/(W_avg-B_avg)，其中W_target为目标白电平值，B_target为目标暗电平值；通常需要将输入到ADC的信号范围设置到略小于ADC的全幅范围。

如果将步骤2.5)得到的增益系数写入到PGA的寄存器中，在实际采样时，暗电平信号也会得到相应倍数的放大，这是不希望的。为了得到所期望的像素信号范围，必须对静态偏移Offset DAC进行重新调整。

2.6)采用与步骤2.3)相同的方法重新计算平均暗电平值B′_avg；根据以下公式计算偏移数模转换器的偏移参数DAC_adj：

用Diff来表示目标暗电平与当前暗电平之差，即Diff＝B_target-B′_avg；因为Diff是从ADC输出的，假设ADC的输入端电压为ΔV，这个ΔV又是经过PGA放大了G_actual倍而得来的，那么，它对应着Offset DAC的一个偏移值DAC_adj；另一方面，假设模拟前端中ADC的电压输入范围为V_range，且其可以输出的值的个数为N_codes，那么：

ΔV＝Diff*V_range/N_codes

ΔV同时对应着一个Offset DAC的输出端带电压差ΔV_out,它们满足的关系为：

ΔV_out＝ΔV/G_actual

为了求出ΔV_out所对应的Offset DAC的正确调整值，只需用ΔV_out除以偏移数模转换器的调整系数S即可：

DAC_adj＝ΔV_out/S

在本实施例中，Offset DAC具有一个+/-260mV的校正范围，因此分辨率为8位的Offset DAC的每一个输出码对应着一个0.52V/256的电压变化，其调整系数S即为0.52/256。

2.7)根据计算得到的增益系数Gain和偏移参数DAC_adj对模拟信号进行处理。至此，模拟前端中的静态偏移和静态增益校正完成。

本发明扫描仪光电系统可以应用于诸如书法、绘画、壁画等平面艺术品或文化遗产等扫描对象的高分辨率高精度数字化扫描存储，在满足艺术品及文物的永久归档需求的同时，为研究、开发及利用文化艺术品的价值提供良好的数据源。

本发明所涉及的大幅面书画扫描仪光电系统，利用了低成本高性能高速的扫描仪控制器和高像元数的图像传感器，有效地实现了高精度大幅面图像扫描。图像扫描系统通常以线阵图像传感器作为图像产生的核心器件而将入射到传感器每个单元的光子转化为电荷，再通采样和模数转换生成与入射光强度成正比的数字信号。同时，由于物理上的缺陷，采集到的原始数据不可避免地会存在失真，需要利用有效的方法加以校正。由于应用领域的不同，校正后的图像往往还需要进行一些额外的处理。在得到最终图像数据之前，中间数据必须以合理的方式被暂时存储以进行进一步的处理。因为每次仅能采集一行数据，扫描过程即是一个传感器的连续曝光和传感器沿与其垂直的方向运动的同步过程。最后得到的图像数据以适当的方式被及时传输到计算机并被保存。

本发明所涉及的图像扫描控制方法采用直通光路，即让光源直接照射被扫描物体，光线经物体反射后穿过扫描缝而进入镜头并到达CCD感光单元成像。为了获得较大的扫描幅面，镜头与稿台之间保持较大的距离，并使得在整个幅面宽度上光线反射后都能够有效进入镜头。为了保证CCD能够有效且充分地曝光，光源的照射强度也进行了合理的控制。直通光路设计有效降低了光学设计的复杂度和由此而带来的光学畸变，从而保证了图像采集的精度。

本发明提出的利用扫描仪控制器芯片结合高像元数CCD图像传感器的方法，大大降低了大幅面图像扫描的设计复杂度。

为了使CCD能够正常工作，本发明利用扫描仪控制器为其提供工作时序；同时，CCD输出信号的读取需要借助于模拟前端，而扫描仪控制器同样可以为模拟前端提供相应的工作时序脉冲。CCD及模拟前端在扫描仪控制芯片的驱动下实现有效的曝光及图像数据读取和模数转换。扫描过程中CCD及镜头的移动与定位通过步进电机来实现，而扫描仪控制器也为步进电机的速度控制提供了相应的脉冲信号。

CCD像元对于扫描介质色彩亮度的响应与曝光时间直接相关。CCD像元电荷累积容量有限，过长的曝光时间将会造成饱而无法反映出不同色彩间存在的亮度差异，过短的曝光时间不仅不能有效表达扫描介质的图像信息，且会引入较大的CCD内部噪声，因而本发明针对设计中使用的扫描仪控制器而设计了自动曝光控制方法。

由于光源的分布不均及CCD内各感光单元的敏感度具有一定差异，所采集到原始图像会呈现出中间部分现象，为此，本发明采用了有效的消除该现象的方法，确保了图像的亮度一致性。

Claims (9)

1.一种扫描仪光电系统，其特征在于：包括扫描仪控制器、CCD图像传感器、模拟前端和存储器；所述扫描仪控制器分别与CCD图像传感器、模拟前端和存储器相连，所述CCD图像传感器的输出端与模拟前端相连。

2.根据权利要求1所述的扫描仪光电系统，其特征在于：所述扫描仪控制器包括沿数据传输方向依次设置的减法器、乘法器、分辨率控制模块、GAMMA校正模块、行处理模块和数据打包模块；所述存储器分别与减法器、乘法器、GAMMA校正模块和数据打包模块相连。

3.根据权利要求2所述的扫描仪光电系统，其特征在于：所述存储器用于存储减法器的偏移参数、乘法器的增益系数、GAMMA校正模块的校正参数以及数据打包模块的图像数据。

4.根据权利要求3所述的扫描仪光电系统，其特征在于：所述扫描仪控制器还包括真灰度处理模块、数据压缩模块和二值处理模块；所述真灰度处理模块的输入端与行处理模块相连，真灰度处理模块的输出端分别与数据打包模块、数据压缩模块和二值处理模块相连；所述数据压缩模块的输入端分别与真灰度处理模块和行处理模块相连，数据压缩模块的输出端与数据打包模块相连；所述二值处理模块的输入端与真灰度处理模块相连，二值处理模块的输出端与数据打包模块相连。

5.根据权利要求1-4中任一所述的扫描仪光电系统，其特征在于：所述模拟前端包括相关双采样模块、偏移数模转换器、可编程增益放大器和模数转换器；CCD图像传感器的输出端与所述相关双采样模块相连，所述相关双采样模块和偏移数模转换器与可编程增益放大器相连，所述可编程增益放大器与模数转换器相连，所述模数转换器与扫描仪控制器相连。

6.根据权利要求5所述的扫描仪光电系统，其特征在于：还包括与扫描仪控制器相连的零位及限位传感器。

7.一种扫描仪光电系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)CCD图像传感器采集扫描对象的图像信息后向模拟前端输出模拟信号；

2)模拟前端对模拟信号进行处理后向扫描仪控制器输出数字信号；

3)减法器对输入的数字信号进行像素级偏移补偿处理；

4)乘法器对经过偏移补偿的像素数据进行像素级增益校正处理；

5)分辨率控制模块对经过增益校正的像素数据进行分辨率调整处理；

6)GAMMA校正模块对经过分辨率调整的像素数据进行色彩校正；

7)行处理模块对经过色彩校正的像素数据对应于三个通道的图像数据分量组织在一起；

8)数据打包模块对图像数据进行打包处理后输出至存储器中。

8.根据权利要求7所述的扫描仪光电系统控制方法，其特征在于，步骤1)中CCD图像传感器进行图像采集的曝光控制方法是：

1.1)CCD图像传感器扫描白色基准，以求得的平均值作为第一参考值；

1.2)若第一参考值小于目标值，则同时增大CCD图像传感器的积分时间和曝光时间，然后返回步骤1.1)；若第一参考值大于或者等于目标值，则执行步骤1.3)；

1.3)缩短CCD图像传感器的曝光时间，然后扫描白色基准并将求得的平均值作为第二参考值；

1.4)若第二参考值大于或者等于目标值，则返回步骤1.3)；若第二参考值小于目标值，则将目标值与第二参考值的比值作为倍数延长CCD图像传感器的曝光时间。

9.根据权利要求7或8所述的扫描仪光电系统控制方法，其特征在于，步骤2)中模拟前端对模拟信号进行处理的方法包括以下步骤：

2.1)将可编程增益放大器的值设置为1；

2.2)将偏移数模转换器的静态偏移值设置为最大；

2.3)CCD图像传感器扫描数行黑色区域，计算得到平均暗电平值B_avg；

2.4)CCD图像传感器扫描一块白色区域，计算得到平均白电平值W_avg；

2.5)计算可编程增益放大器的增益系数Gain＝(W_target-B_target)/(W_avg-B_avg)，其中W_target为目标白电平值，B_target为目标暗电平值；

2.6)采用与步骤2.3)相同的方法重新计算平均暗电平值B′_avg；根据以下公式计算偏移数模转换器的偏移参数DAC_adj：

Diff＝B_target-B′_avg

ΔV＝Diff*V_range/N_codes

ΔV_out＝ΔV/G_actual

DAC_adj＝ΔV_out/S

其中，V_range为模数转换器的电压输入范围，N_codes为模数转换器的电压输出值个数，S为偏移数模转换器的调整系数；

2.7)根据计算得到的增益系数Gain和偏移参数DAC_adj对模拟信号进行处理。