CN1525204A - 扫描装置校准系统和方法 - Google Patents

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P·J·查斯
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Abstract

在一个实施例中，扫描装置包括：配置成选择性地照明所关心的区域(315)的光源(120)；以及配置成接收来自光源(120)的光并根据接收的光产生信号的光敏接收器(150)。控制逻辑(220)配置成至少以一种功率电平向光源(120)供电，以便在光敏接收器(150)产生中间色调扫描信号。校准逻辑(335)配置成根据包括中间色调扫描信号的数据确定所选像素的校准系数。

Description

扫描装置校准系统和方法
技术领域
本发明涉及成像技术，更具体地说，涉及用于校准扫描装置的方法和系统。
背景技术
许多扫描器类型的装置，从平面扫描器到高档照相复印机，都利用光源的反射光来产生图像的复制件。通常在这些装置内，从像素到像素、光响应是不理想的。工程师们已研发了校准系统来改进光响应并帮助抵消这种变化。传统的校准系统在预期的响应的上区域和下区域、通常在黑色区域和白色区域实施校准。但在扫描的图像中仍常能观察到条带效应、拖影、色彩移位以及其它成像的人工痕迹。
发明内容
本发明提供了一种用于校准扫描装置的新颖且有用的方法和系统。
根据本发明的第一方面，提供一种扫描装置，它包括：配置成选择性地照明所关心的区域的光源；配置成接收来自所关心区域的光并根据接收的光产生信号的光敏接收器；控制逻辑，它配置成以至少一种功率电平向光源供电、以便在光敏接收器产生对应于至少一个已知目标值的测量信号，并且以至少一种近似功率电平向光源供电、以便在光敏接收器产生对应于至少一个近似目标值的第二校准信号；以及配置成至少根据已知目标值和近似目标值来确定选择的像素的校准系数的校准逻辑。
所述校准逻辑配置成根据包括已知目标值和近似目标值的数据来计算近似校准目标值。
所述控制逻辑配置成以不同于所述近似功率的第二近似功率向光源供电，使得被以第二近似功率供电的光源在光敏接收器上产生第二近似目标值。
所述校准逻辑配置成至少根据已知目标值、近似目标值和第二近似目标值来确定选择的像素的校准系数。
所述扫描装置还包括成像区域外的单色目标，其中，控制逻辑配置成导致对单色目标的照明并产生测量信号，并且以低于第一功率条件下的光源对单色目标照明并在光敏接收器上产生灰色扫描信号。
根据本发明的第二方面，提供一种校准扫描装置的方法，所述方法包括：获得在至少两种不同照明条件下的测量值，其中，各测量值之一与扫描装置在中间色调的响应有关；以及从包括与中间色调响应有关的测量值的数据中导出校准系数。
所述方法还包括：根据获得的测量值计算中间色调目标值。
所述计算步骤包括在与白色扫描、灰色扫描和暗扫描相关联的校准数据之间进行内插并确定白色目标数据和暗目标数据。
所述计算步骤包括根据校准数据计算多个中间色调目标值。
所述获得步骤包括：接收整个扫描线上对光源的第一照明作出响应的信号；以及接收整个扫描线上对光源的第二照明作出响应的信号，其中第二照明低于第一照明。
附图说明
在包括于说明书中并构成说明书的一部分的附图中图解说明了所述系统和方法的实施例，所述实施例和以下给出的详细说明一起描述所述系统和方法的示范实施例。下面将指出，图中所示的元件边界(例如框、框组或其它形状)代表边界的一个实例。本专业的普通技术人员应能理解：一个元件可以设计成多个元件，或者多个元件也可设计成一个元件。示为另一元件内部组件的元件可以以外部组件的形式实现，反之亦然。
图1为扫描装置的一个实施例。
图2为扫描装置光学系统的一个实施例。
图3为扫描装置的一个实施例。
图4为校准逻辑的一个实施例的程式化的图解说明。
图5为描绘用于校准逻辑的一个实施例中的变量和已知值的曲线图。
图6为校准方法的一个实施例。
图7为校准方法的另一实施例。
图8为校准方法的另一实施例。
具体实施方式
以下包括在整个公开中使用的所选择的术语的定义。定义包括属于某一术语范围并可用作实现方案的各种实施例和/或组件形式的实例。当然，这些实例并不具有限制的意义，也可采用其它实施例。所有术语的单数和复数形式均具有同一的意义。
本文中所用的“计算机可读介质”，指参与直接或间接向一个或多个处理器提供信号、指令和/或数据供其处理的任何介质。这种介质可具有各种形式，包括(但不限于)非易失性介质、易失性介质以及传输介质。非易失性介质例如可包括光盘和磁盘。易失性介质可包括动态存储器。传输介质包括同轴电缆、铜导线以及光缆。传输介质还可采取声波或光波的形式，例如在无线电波和红外数据通信中所产生的声波或光波，或采取一组或多组信号的形式。“计算机可读介质”的常用形式包括，例如软盘、软磁盘、硬盘、磁带、或任何其它磁介质、CD-ROM、任何其它光学介质、穿孔卡、纸带、任何其它具有孔图像的物理介质、RAM、PROM、PROM、FLASH-EPROM、任何其它存储器芯片或卡盘、载波/脉冲、或计算机、处理器或其它电子装置能从中读出的任何其它介质。用于经由网络(例如英特网)传播指令或其它软件的信号也被认为是“计算机可读介质”。
本文中所用的“逻辑”包括(但不限于)执行某功能或操作和/或引起另一组件的功能或操作的硬件、固件、软件以及它们的组合。例如，根据所需应用和需要，逻辑可包括软件控制的微处理器、分立逻辑例如专用集成电路(ASIC)、已编程的逻辑器件、含有指令的存储器件等等。逻辑也可以完全以软件的形式来体现。
本文中所用的“信号”包括(但不限于)一个或多个电信号、模拟或数字信号、一个或多个计算机或处理器指令、消息、比特或比特流或其它能被接收、传输和/或检测的其它手段。
本文中所用的“软件”包括(但不限于)计算机可读和/或可执行的一个或多个指令，这些指令可使计算机或其它电子装置执行一些功能、操作和/或以所需方式工作。这些指令可以以各种形式体现，例如例行程序、算法、模块或程序包括来自动态链接库的单独应用程序或代码。软件也可以各种形式实现，例如单独的程序、功能调用、servlet、小应用程序、存储在存储器中的指令、部分操作系统或其它类型的可执行指令。本专业的普通技术人员都可理解，软件形式取决于例如所需应用的要求、运行的环境和/或设计师/编程员的期望等。
文中所用的“用户”包括(但不限于)一个或多个人、软件、计算机或其它装置或这些的组合。
一般来说，提供用于扫描装置的系统和方法的一个实施例。所述系统和方法产生扫描数据并根据所述扫描数据确定校准值。在一个实施例中，系统配置成通过在所选扫描数据和已知的计算的目标值之间进行内插来计算校准值。在以下实例中对其它实施例和特征进行更详细的说明。
参考图1，诸如平面扫描器100的扫描装置包括文件105，文件105位于透明台板110上、图像面向下。工作时，图像被扫描或转换成图像处理逻辑等可使用的信号。
在所示实施例中，借助包括光源120和反射镜125的活动滑架115来完成扫描过程。电动机130机械上(如通过齿轮、缆索等)连接到活动滑架115上，在Y方向上沿台板110的长度方向移动活动滑架115。从文件反射的光由反射镜140重新导入透镜145，然后进入光敏接收器150。反射镜140可安装成与活动滑架115同时移动，但其移动速度为活动滑架115移动速度的一半、使得从光线155的扫描线的物平面到光敏接收器150的像平面的光路在长度上保持恒定不变。本专业技术人员可理解，不同的未示出的实施例可包括接触式图像传感器(CIS)，所述接触式图像传感器不需要所示的移动镜面并可用较少的组件实现扫描功能。不论各部件如何，从光源到接收器的传输媒介称为“光路”。
参考图2，图中示出光敏接收器150的一个实施例，光敏接收器150包括配置成分立的光传感器单元或光检测器单元165的线性串联阵列的电荷耦合器件(CCD)。传感器阵列150的每个传感器单元165定义一个文件像素(PEL)。例如，能区分文件上每英寸400个PEL单元的CCD提供了可用的分辨率，从市售来源很易购得。本专业的技术人员会理解，光敏接收器150或者也可包括能将光能转换成信号的其它器件，例如光电二极管或其它CMOS检测器。
再参考图1，可将光源120构造和安排成在所需面积上、例如台板110或校准目标(未示出)上、产生光155的一条线，或光的线性轨迹或区域。光155的线在X方向上(图2)相对于文件105延伸。光155的线定义一行文件PELS。当线155在Y方向移动时就产生了信号，所述信号代表有许多平行的文件，每一行在长度方向上有许多文件PELS。光源120可包括具有彩色滤光片(例如红、绿和蓝)或多组彩色发光二极管的单一光源。
在图2中，典型的8.5英寸长的图像扫描线205的长度可以以光学的方式在通过透镜145时按例如7.7∶1的比例减少，然后才到达光敏接收器150。其它实施例不一定需要采用光学减少的方法，而且，众所周知，其它如1∶1的系统，例如CIS扫描器系统就可以取代上述系统而不损失功能。应当指出，光敏接收器150还可以相对于文件105在X方向上位于所定义的区域中。换句话说，接收器150偏移台板110。
在一个实施例中，光敏接收器150产生的信号210是模拟信号。当活动滑架115相对于台板110沿Y方向移动时，信号210被周期性地逐行读出。传感器阵列150各单元的输出扫描信号210连接到控制逻辑220，在此，信号被转换成数字信号。控制逻辑220将驱动信号引入电动机130，并且还可以接收相对于活动滑架115和/或反射镜140的位置或运动反馈信息，例如来自转速表位置检测器160和来自活动滑架起始位置传感器(未示出)的信息。如下所述，控制逻辑120可以配置成根据校准序列向光源120供电。
现参考图3，在一个实施例中，校准序列包括获得白色扫描、黑色扫描和灰色扫描中每一种扫描的校准值。灰色值还可以称为代表处于黑色和白色两个极端之间位置的中间色调值。此外，虽然本公开采用了黑色、白色和灰色等术语，但是本专业技术人员应理解所述内容也适用于彩色处理过程和彩色扫描装置。事实上，灰色处理到彩色处理的关系是色彩工程师们技术领域内的事情。在此情况下，控制逻辑220接收或产生触发事件启动校准。控制逻辑220配置成控制光源120的照明功率。例如，控制逻辑220可使光源120在无功率(例如，不照明)和全功率(即，扫描时使用的全照明)之间的任何所需电平下工作。中间程度照明靠施加中间功率电平来实现。各种光源的非线性通常会导致观察到的照明不同于或偏离所提供的功率电平。在此文中，中间或近似功率电平应理解为产生中间或近似照明。
为接收白色扫描数据，控制逻辑220工作时与光源120通信、使其施加全照明功率。照明光线310照射所关心的区域315。在校准序列中，所关心的区域315可以是校准目标，例如设置在平面扫描器的台板视野之外的带状物或其它物体(未示出)。或者，其它扫描装置，例如复印机、传真机、卷轴式馈送扫描器等，可以把诸如扫描图像的背景的所关心的区域用于校准。
当在所关心的区域315上进行校准扫描时，从检测反射光330的光敏接收器或检测器上定期取读数就可获得代表白色扫描数据的信号。这些信号是光敏接收器150对接收来自所关心的区域315的反射光作出响应而产生的。这些信号通过控制逻辑220传送到校准逻辑335，必要时使之数字化。如下所述，校准逻辑335接收来自若干次扫描350的扫描数据，产生校准系数并将其存储于存储器340或其它计算机可读的介质中供以后使用。
在具有所关心的单一白色目标区域315的系统中，即没有黑色或灰色目标的系统中，在光源120没有供电或“暗”时从光敏接收器150取读数，可获得暗扫描350D。或者，在所关心的区域包括有黑色目标的系统中，在光源的全照明下扫描黑色目标，就可获得黑色扫描。在本文中，黑色扫描和暗扫描可互换地指在光谱的暗端、即与白色扫描相反的一端、为获得响应值的扫描。
校准序列还包括至少一种灰色扫描350G，这是在光源120部分供电或不产生全照度时从光敏接收器150取读数而获得的。在需要两种灰色扫描时，控制逻辑220可与光源220通信，使之在不同的照度下对单色、白色的所关心区域315进行两次扫描。或者，在所关心的区域315包括灰色或中间区域或条带时，其它的校准方案可有效的产生多种灰色扫描。
现参考图4，校准逻辑225配置成接收来自各校准扫描的信号。例如，图示的校准逻辑335按同样的位置彼此对准的PEL依次存储扫描行，形成列400。一次扫描完成后，平均各列的数值，得到每列400的列平均值410。下一步的处理是平均整个扫描线的列平均值410，得到每次校准扫描的单一校准值420。下面将指出，并不一定使用各列中的全部数值。例如，错误数据或处于特定阈值之外的样值可以丢弃。另外，除了简单的平均外，也可采用一些数值处理操作。
继续本图解说明并参考图5，所述校准扫描组产生一个白色扫描值500、至少一个灰色扫描值510和一个暗扫描值520。为进一步区分，扫描值用圆表示。在所述实例中，系统有预定的白色和暗的目标值，例如白目标值505和暗目标值525。也是为了区分，预定目标值用菱形表示。但由于中间功率设定值的不确定性，控制逻辑220可能不知道光源的准确照度，并且结果灰色、目标灰色数据515也是未知的。但可以从已知数据(在此情况下是校准扫描数据500、510、520和已知的白色和暗目标505、525)来计算目标灰色数据515。计算的目标值用方形表示。计算目标灰色值515的一种方法是在已知数值之间进行内插。
一旦计算出目标灰色值515，校准逻辑335计算线性拟合偏置正增益，所述线性拟合偏置正增益将把每个像素从灰色和黑色扫描的相应列400的平均值调节到灰色和黑色的目标值515、525。应当理解，校准逻辑335可有两种测量、两个目标和两个自由度、即偏置和增益。此过程产生偏置和增益表，称为光响应非均一性校正表，存储在校准表360中，并加到在使用扫描装置100时所建立的图像上。
为了图解说明一个实施例，假定在扫描线上有两个像素。再假定第一像素的响应是从白色到黑色的一条直线，即在使用一半照度照明时，所述像素以一半信号输出作为响应。假定扫描线上的第二像素具有略为非线性的响应，这样在使用一半照度照明时，所述像素响应的信号输出略不同于一半值，例如是0.6。在没有灰色目标带，对在灰色校准时准确的照度不加控制或不知情的情况下，所述实施例进行了灰色校准。完成之后，和前述方法情况一样，存在白色的平均响应，因为目标可以在这些平均值中内插而导出。确实，这种可变性可以在所述灰色扫描的色调下被抑制，因为它是用来计算像素的增益和偏置的。继续所述图解说明，结果是在输入亮度为0.5时，由于此校准，两个像素都被校准而在0.55处作出响应。
现参考图6，图中示出校准方法的一个实施例。校准以触发事件(方框600)开始。进行白色扫描并获得白色扫描平均值，例如数值500(方框610)。如上述，白色校准是在光源在最大或全照明情况下(即在工作扫描时所用的)进行的。然后进行暗扫描并计算暗扫描平均值，例如520(方框620)。或者，可以通过对白色校准目标进行无照明扫描或对黑色校准目标进行全照明扫描来获得暗扫描。然后进行灰色扫描和灰色扫描平均值510(方框630)。或者，可以通过对灰色校准目标进行全照明扫描或者对白色或黑色校准目标进行部分照明扫描来获得灰色扫描。利用这些扫描获得的数据，就可导出目标灰色值，例如灰色值515。在一个实施例中，目标灰色值515可以按照一些方程求出：
方程1  灰色_目标(515)＝暗_目标(525)+(白色_目标(505)-暗_目标(525))*(灰色_平均值(510)-暗_平均值(520)/(白色_平均值(500)-暗_平均值(520))
然后对每个像素计算校准系数(方框650)。校准系数可恢复成表或其它所需的数据结构。在一个实施例中，校准系数为增益和偏置，可按以下方程计算：
方程2  像素_增益(x)＝(灰色_目标)/(在灰色_扫描_中的像素_值(x))
方程3  像素_偏置(x)＝在暗_扫描_中的像素_值(x)-暗_目标
现参考图7，图中示出校准方法的另一实施例。校准开始(方框700)后，进行白色扫描并获得白色扫描平均值，例如数值500(方框710)。再进行暗扫描，得到暗扫描平均值，例如数值520(方框720)。进行灰色扫描，得到灰色扫描平均值，例如数值510(方框730)。利用从各次扫描得到的数据，导出目标灰色值，例如值515(方框740)。在一个实施例中，目标灰色值按上述方程求出。
也可进行暗灰色扫描，得出暗灰色扫描平均值(方框735)。此时，控制光源以便以低于灰色扫描(方框730)的功率电平但大于暗扫描(720)所使用的功率电平的功率或亮度照明所关心的区域。利用从这些扫描所获得的数据，导出目标暗灰色值(方框745)。在一个实施例中，目标暗灰色数值按以下方程导出：
方程4  暗_灰色_目标＝暗_目标(525)+(白色_目标(505)-暗_目标(525))*(暗_灰色_平均值(510)-暗_平均值(520))/(白色_平均值(500)-暗_平均值(520))
然后对每个像素计算校准系数(方框750)。在一个实施例中，校准系数为增益和偏置，可按以下方程计算：
方程5像素_增益(x)＝(灰色_目标)/(在灰色_扫描_中的像素_值(x))
方程6像素_偏置(x)＝在暗_灰色_扫描_中的像素_值(x)-暗_灰色_目标
在校准系数的彩色实施例中，对每种彩色成分重复此过程。应当指出，每种彩色成分(例如红绿蓝)的数值可以不同。换句话说，红色的像素增益可能不同于同一像素的绿色增益。
现参考图8，图中示出校准方法的不同实施例。校准开始(方框800)后，进行灰色扫描，得出灰色扫描平均值(方框830)。然后对每个像素至少计算一个校准系数(方框850)。在一个实施例中，校准系数仅是增益，任何偏置均被丢弃或不用。
计算并存储好校准系数之后，在运行时可以将它们用于工作扫描上。详情可参考1994年2月8日授予webb等的美国专利No.5,285,293，所述专利已作为参考包括在本文内。在一个实施例中按照以下方程实现对工作扫描的补偿：
方程7
补偿后的_像素_值(x)＝扫描的_像素_值(x)*像素_增益(x)-像素_偏置(x)
式中校准系数像素_增益和像素_偏置从校准表360中检索。
本专业技术人员现应理解不同的实施例很易获得。例如，虽然控制逻辑220和校准逻辑335被示为单独的但互相连接的装置，但它们也可置于同一物理装置上、采用地址、分割或对访问它们的逻辑来说可识别的其他方式将它们分隔。以各不同部分表示的逻辑和元件可以配置在一起或分隔开而不会损失其功能。而且，为清晰起见图中示出了各种逻辑区别，而实际上不需要如此的区别。此外，虽然某些元件示出有特定的顺序，但这种顺序不是限制性的。例如，以上讨论的校准序列常从白色扫描开始，到暗扫描，再到灰色扫描。这种排序可以改变。而且，以上讨论或图示的步骤或特定过程的数目也不是限制性的，只是为了示明所附权利要求书的特征和组成。
虽然已经通过对其实施例的描述说明了本发明，而且相当详细地描述了实施例，但申请人并不是要以任何方式将所附权利要求书的范围限制在这些细节上。对于本专业的普通技术人员而言，其他的优点和修改是显而易见的。因此，本发明在广义上来说不限于所示和所讨论的具体细节，代表性装置和图示实例。所以，可以偏离这些细节，而不背离申请人总的发明概念的精神和范围。

Claims (10)

1.一种扫描装置，它包括：
光源(120)，它配置成选择性地照明所关心的区域(315)；
光敏接收器(150)，它配置成接收来自所述关心区域(315)的光并根据所述接收的光产生信号；
控制逻辑(220)，它配置成以至少一种功率电平向所述光源(120)供电、以便在所述光敏接收器(150)产生对应于至少一个已知目标值的测量信号，并且以至少一种近似功率电平向所述光源供电、以便在所述光敏接收器产生对应于至少一个近似目标值的第二校准信号；以及
校准逻辑(335)，它配置成至少根据所述已知目标值和所述近似目标值来确定选择的像素的校准系数。
2.如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于：所述校准逻辑(335)配置成根据包括所述已知目标值和所述近似目标值的数据来计算所述近似校准目标值。
3.如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于：所述控制逻辑(220)配置成以不同于所述近似功率的第二近似功率向所述光源(120)供电，使得被以所述第二近似功率供电的所述光源(120)在所述光敏接收器上产生第二近似目标值。
4.如权利要求3所述的扫描装置，其特征在于：所述校准逻辑配置成至少根据所述已知目标值、所述近似目标值和所述第二近似目标值来确定所述选择的像素的校准系数。
5.如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于还包括成像区域外的单色目标，其中，所述控制逻辑(220)配置成导致对所述单色目标的照明并产生所述测量信号，并且以低于所述第一功率条件下的所述光源(120)对所述单色目标照明并在所述光敏接收器(150)上产生灰色扫描信号(350G)。
6.一种校准扫描装置的方法，所述方法包括：
获得在至少两种不同照明条件下的测量值，其中，所述各测量值之一与所述扫描装置在中间色调的响应(630，730，735)有关；以及
从包括与所述中间色调响应有关的所述测量值的数据中导出(650，750)校准系数。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于还包括：
根据所述获得的测量值计算(640，740，745)中间色调目标值。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述计算包括在与白色扫描、灰色扫描和暗扫描相关联的校准数据之间进行内插并确定白色目标数据和暗目标数据。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述计算包括根据所述校准数据计算多个中间色调目标值。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述获得步骤包括：
接收整个扫描线上对所述光源的第一照明作出响应的信号；以及
接收整个扫描线上对所述光源的第二照明作出响应的信号，其中所述第二照明低于所述第一照明。
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