DE60102411T2

DE60102411T2 - Gerät zur Bestimmung des besten Bildes von einem Photosensor mit zwei Auflösungen

Info

Publication number: DE60102411T2
Application number: DE60102411T
Authority: DE
Inventors: Kurt Spears; Edward S. Beeman; James C. Albritton-Mcdonald
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 2000-05-12
Filing date: 2001-05-01
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2021-05-02
Also published as: EP1154633A1; DE60102411D1; JP2002016770A; US6683704B1; EP1154633B1; TW550940B

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Bilderfassungsvorrichtungen, die einen Photosensor bzw. Photosensoren aufweisen, die zwei Auflösungen aufweisen. Der Photosensor bzw. das Photosensorarray weist einen Satz von Hochauflösungs-Photoelementen und einen Satz von Niedrigauflösungs-Photoelementen auf. Ein Ersetzen des Hochauflösungssignals durch das Niedrigauflösungssignal in Bereichen des Bildes, die eine niedrige Signalstärke und eine niedrige räumliche Frequenz aufweisen, kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Bildes verbessern.
Hintergrund der Erfindung
Digitale Scanner bzw. Abtastvorrichtungen erzeugen in der Regel ein Bild durch ein Fokussieren eines Bereichs einer Seite auf einen Photosensor. Der Photosensor ist in der Regel eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD). Die CCD ist in der Regel aus einer Reihe von photoempfindlichen Elementen gebildet. Die Reihe von Elementen wird in der Regel entlang der Breite des Scannerbetts abgebildet. Die Breite über das Bett eines Scanners wird in der Regel als die x-Richtung bezeichnet und die Länge entlang der Längsachse eines Scannerbetts wird in der Regel als die y-Richtung bezeichnet. Um ein Bild der Seite zu erzeugen, wird die Reihe von Photosensoren in der Regel entlang der y-Richtung bewegt, wobei Belichtungen entsprechend jeder Reihe entlang der x-Richtung genommen werden. Die optische Auflösung des Scanners in die x-Richtung ist gleich der Anzahl von photoempfindlichen Elementen in der CCD geteilt durch die Breite der Seite. Die Auflösung eines Scanners in die y-Richtung ist eine Funktion der Bewegungsrate der CCD entlang der y-Richtung und der Belichtungsrate der CCD.
Heutzutage ist eines der wichtigsten Kaufkriterien die optische Auflösung eines Scanners. Dies tendiert dazu, Scanner-Hersteller dazu zu bringen, die optische Auflösung von Scannern zu erhöhen. Bei einer gegebenen CCD-Chip-Größe sinkt die Größe der Photosensorelemente, während die optische Auflösung in die X-Richtung steigt. Die CCD-Chip-Größe ist gemäßigt, um den Preis der CCD auf einem vernünftigen Niveau zu halten. Typischerweise weist die CCD drei Reihen von photoempfindlichen Elementen auf, jeweils eine zum Erfassen von rotem, grünem und blauem Licht. Die Beabstandung zwischen den drei Reihen von photoempfindlichen Elementen ist ein Faktor beim Bestimmen einer Größe eines Speichers, der bei dem Scanner benötigt wird. Je größer die Linienbeabstandung zwischen den Reihen ist, desto mehr Speicher wird benötigt. Leider müssen die Schieberegister ebenfalls zwischen den Reihen von photoempfindlichen Elementen sein. Die Beabstandung zwischen den Reihen und die Anzahl von Elementen in jeder Reihe begrenzen die Größe jedes Schieberegisters. Je kleiner die Größe des Schieberegisters, desto geringer ist die Signaltragekapazität dieser Schieberegister, was zu einem niedrigeren möglichen Signal-zu-Rauschen-Verhältnis führt. 1 zeigt eine graphische Darstellung des Signal-zu-Rauschen-Verhältnisses über einem absoluten Signalpegel für eine CCD mit geringerer Auflösung und eine CCD mit höherer Auflösung, die die gleiche Chip-Größe und Linienbeabstandung aufweisen. Der Anstieg des Rauschens stellt in den dunklen Bereichen eines Bildes ein größeres Problem dar. Dies ist aus zwei Gründen wahr. Wenn erstens das Bildsignal niedrig ist, sind die Rauschquellen vergleichsweise groß, was das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis in den dunklen Bereichen des Bildes negativ beeinflußt. Zweitens, wie es auf den Seiten 455 bis 458 der fünften Ausgabe von „The Reproduction of Colour" von Dr. R.W.G. Hunt erörtert ist, ist das visuelle System des Menschen in dunklen Bereichen eines Bildes empfindlicher gegenüber einem Rauschen.
Eine der Lösungen für dieses Problem ist eine CCD, die zwei unterschiedliche Auflösungen enthält. Die CCD weist eine Reihe von Hochauflösungsphotosensoren und eine Reihe von Photosensoren mit niedrigerer Auflösung auf. Die Hochauflösungsphotosensorreihe weist typischerweise die zweifache Auflösung der Photosensoren mit niedrigerer Auflösung auf. Farbscanner weisen typischerweise drei Reihen von Photosensoren auf, eine Reihe für jede Farbe (rot, grün und blau). Die Doppelauflösungsfarb-CCD weist drei Reihen von Photosensoren für jede Auflösung für insgesamt sechs Reihen von Photosensorelementen (siehe 2) auf. Der Scanner verwendet die Hochauflösungs-CCD für Hochauflösungsabtastungen und die Niedrigauflösungs-CCD für Niedrigauflösungsabtastungen. Leider löst dies lediglich das Rauschproblem für die Abtastungen mit niedrigerer Auflösung, wenn der Scanner Niedrigauflösungsphotosensoren mit höherem Signal-zu-Rauschen-Verhältnis verwendet. Es besteht daher ein Bedarf nach einem System, das die verbesserten Signal-zu-Rauschen-Charakteristika des Niedrigauflösungssensorsignals mit dem Hochauflösungssignal kombiniert, ohne dabei die hohe räumliche Frequenzinformation von dem Hochauflösungssignal zu verlieren.
Das US-Patent US 5 479 207 offenbart ein System und ein Verfahren zum Verbessern des Signal-zu-Rauschen-Verhältnisses eines CCD-Sensors innerhalb eines optischen Scanners, der die Belichtungszeit des CCD-Sensors variiert. Die Belichtungszeit wird variiert durch ein Takten des CCD-Sensors genauso oft wie die Anzahl von Pixeln in dem CCD-Sensor plus einer zusätzlichen Anzahl von Taktzyklen, um eine Verzögerung zu erzeugen. Die zusätzliche Belichtungszeit maximiert die Beträge der Ladungen, die durch den CCD-Sensor erzeugt werden. Die erforderliche Verzögerung wird während eines Kalibrierungsschritts vor einem Abtasten berechnet.
Die US 4 782 399 offenbart eine Bildverarbeitungsvorrichtung, die Bildeingabesysteme zum Eingeben von Bilddaten bei hohen und niedrigen Auflösungen, ein Hochpaßfilter zum Filtern der Niedrigauflösungsbilddaten, einen Bildeigenschaftsunterscheidungsprozessor zum Unterscheiden einer Kante bei den Niedrigauflösungsbilddaten, die durch das Hochpaßfilter gefiltert wurden, und eine Signalauswahlschaltung zum Auswählen des Bilds mit hoher oder niedriger Auflösung gemäß dem Unterscheidungsergebnis des Unterscheidungsprozessors aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Kombinieren der Hochauflösungsinformationen mit höherem Signal-zu-Rauschen-Verhältnis mit den Hochauflösungsinformationen mit niedrigem Signal-zu-Rauschen-Verhältnis, die durch eine Doppelauflösungs-CCD erzeugt werden, bereit, wie es in den beigefügten Ansprüchen beschrieben ist.
Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen deutlich, wobei durch ein Beispiel die Prinzipien der Erfindung dargestellt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm des Signal-zu-Rauschen-Verhältnisses über einem absoluten Signal einer 600-ppi-CCD und einer 1200-ppi-CCD.
2 ist eine Zeichnung einer Doppelauflösungs-CCD.
3 ist ein Flußdiagramm des Verfahrens zum Kombinieren der Hochauflösungsinformationen mit höherem Signal-zu-Rauschen-Verhältnis mit den Hochauflösungsinformationen mit niedrigem Signal-zu- Rauschen-Verhältnis, die durch eine Doppelauflösungs-CCD erzeugt werden, gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Zeichnung eines Abschnitts von photoempfindlichen Elementen mit hoher Auflösung und entsprechenden photoempfindlichen Elementen mit niedriger Auflösung derselben einer Doppelauflösungs-CCD mit einer Hohe-Raumfrequenz-Linie, die auf den CCD-Elementen abgebildet ist.
5 ist ein Diagramm der Signalstärken der Pixel aus 4.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Ein System, das die Niedrigauflösungsinformationen mit den Hochauflösungsinformationen kombinieren kann, ohne dabei die höheren Rauminformationen von der Hochauflösungs-CCD zu verlieren, kann ein Bild verbessern, das mit einer Doppelauflösungs-CCD erzeugt wurde.
CCDs weisen eine Anzahl von unterschiedlichen Rauschquellen auf. Manche der Rauschquellen sind von dem Signalpegel, der durch das photoempfindliche Element gesammelt wird, unabhängig. Andere Rauschquellen hängen von dem absoluten Signalpegel der Ladung, die durch das photoempfindliche Element gesammelt wird, ab. CCDs mit niedrigerer Auflösung weisen ein besseres Signal-zu-Rauschen-Verhalten als CCDs mit höherer Auflösung mit der gleichen Chip-Größe, Linienbeabstandung und der gleichen Menge an Licht, das auf die photoempfindlichen Elemente fällt, auf. Wenn das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis eine Schwelle überschreitet, in der Regel 30:1, kann das menschliche Auge keinen Unterschied mehr erkennen. Wenn die Signalstärke, die von der CCD kommt, einem Signal-zu-Rauschen-Verhältnis kleiner als 30:1 entspricht, ist daher das Signal, das von der CCD mit niedrigerer Auflösung kommt, das beste auszuwählende Signal. Daher besteht der erste Schritt bei dem Verfahren zum Kombinieren der Informationen von der Doppelauflösungs-CCD in einem Vergleichen des absoluten Signalpegels der Hochauflösungs-CCD mit einem Schwellenwert (siehe 3).
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Schwellenwert in der Regel bei ungefähr 40 % des vollen Ladungspegels der Hochauflösungs-CCD eingestellt. 40% wird als die Schwelle verwendet, da sowohl die Hochauflösungsphotosensoren und die Photosensoren mit niedrigerer Auflösung immer noch innerhalb ihres linearen Bereichs sind. Falls der absolute Signalpegel eines photoempfindlichen Elements in der Hochauflösungs-CCD größer als der Schwellenwert ist, dann wird das Signal ungestört gelassen und wird das nächste photoempfindliche Element überprüft (304). Wenn der Signalpegel des photoempfindlichen Elements mit hoher Auflösung unter dem Schwellenwert liegt, dann wird das Signal untersucht, um zu bestimmen, ob das Signal Hohe-Frequenzraum-Informationen enthält.
Das Verfahren, das verwendet wird, um zu bestimmen, ob ein Hochauflösungspixel Hohe-Frequenzraum-Informationen enthält, besteht darin, die Differenz der Signalstärke des Hochauflösungspixels und des entsprechenden Niedrigauflösungspixels mit dem Rauschpegel in dem Hochauflösungspixel oder N(H_s)<ABS|Hs-Ls| zu vergleichen. N(H_s) ist das Rauschen bei der momentanen Hochauflösungssignalstärke. H_s ist die momentane Hochauflösungssignalstärke und L_s ist die momentane Niedrigauflösungssignalstärke. Wenn die Differenz der Signalstärke zwischen den Hoch- und Niedrigauflösungspixeln größer als die mögliche Größe eines Rauschens in dem Hochauflösungspixel ist, dann muß die Differenz aus einem Merkmal in dem Bild und nicht aus einem Rauschen resultieren. 4 zeigt einen Abschnitt einer Hochauflösungs-CCD und den entsprechenden Abschnitt der Niedrigauflösungs-CCD mit einer Hohe-Frequenzraum-Linie, die auf den CCD-Segmenten abgebildet ist. Photoempfindliche Elemente oder Pixel 402 und 404 von der Hochauflösungs-CCD und ein Pixel 418 von der Niedrigauflösungs-CCD enthalten eine Linie 422. Die Pixel 406 bis 416 der Hochauflösungs-CCD und ein Pixel 420 der Niedrigauflösungs-CCD enthalten die Linie 422 nicht. 5 zeigt die Signalstärke der Pixel aus 4. Die Signalstärke der Pixel 402 und 404 ist aufgrund der Linie 422 viel niedriger als die Signalstärke der Pixel 406 bis 416. Die Signalstärken der Pixel 406 und 408 sind aufgrund eines Rauschens nicht gleich. Ein Anwenden des Verfahrens von Gleichung 1 auf das Pixel 402 würde darin resultieren, daß das Signal in dem Pixel 402 ungestört gelassen wird. Die Signalstärke H_s in dem Pixel 402 beträgt 20. Der Rauschpegel N(H_s) bei der Signalstärke 20 beträgt 4. Die Signalstärke L_s des entsprechenden Niedrigauflösungspixels 418 beträgt 60. Was in 4 < ABS|20 – 60| resultiert. Ein Anwenden des Verfahrens von Gleichung 1 auf das Pixel 416 würde in einem Ersatz des Signals von Pixel 420 in das Pixel 416 resultieren. Die Signalstärke H_s in dem Pixel 416 beträgt 99. Der Rauschpegel N(H_s) bei der Signalstärke 99 beträgt 2. Die Signalstärke L_s des entsprechenden Niedrigauflösungspixels 420 beträgt 100. Was in 2 < ABS|99 – 100| resultiert. Die Rauschpegel und Signalstärken, die bei den obigen Beispielen verwendet werden, dienen Darstellungszwecken, um die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung erklären zu helfen. Die tatsächlichen Rauschpegel, die bei dieser Erfindung verwendet werden, wären die Rauschpegel, die der Signalstärke der photoempfindlichen Elemente entsprächen.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde zu Zwecken der Erläuterung und Beschreibung gegeben. Dieselbe soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die präzise offenbarte Form begrenzen, und es können angesichts der obigen Lehren andere Modifizierungen und Variationen möglich sein. Zum Beispiel spart der erste Schritt des Vergleichens der absoluten Signalstärke eines Pixels mit einem Schwellenwert Zeit durch Vermeiden einer Berech nung in Fällen, in denen ein Ersatz unwahrscheinlich ist, doch kann dieser Schritt weggelassen werden. Das Ausführungsbeispiel wurde gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung bestmöglich zu erklären, um es anderen Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsbeispielen und verschiedenen Modifizierungen bestmöglich zu verwenden, wie dieselben für die erwägte bestimmte Verwendung geeignet sind.

Claims

Ein Verfahren zum Kombinieren von Niedrigauflösungsinformationen mit Hochauflösungsinformationen, die durch ein Photosensorarray mit zwei Auflösungen erzeugt wurden, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bestimmen eines Hochauflösungssignals für ein Hochauflösungspixel; Bestimmen eines Rauschpegels (308) für das Hochauflösungspixel; Bestimmen eines Niedrigauflösungssignals für ein entsprechendes Niedrigauflösungspixel; Ersetzen des Hochauflösungssignals (310) durch das Niedrigauflösungssignal in Abhängigkeit von dem Hochauflösungssignal, dem Niedrigauflösungssignal und dem Rauschpegel des Hochauflösungspixels.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner folgenden Schritt aufweist: Berechnen einer Größe einer Differenz (306) zwischen dem Hochauflösungssignal und dem Signal des entsprechenden Niedrigauflösungspixels.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, das ferner folgenden Schritt aufweist: Ersetzen des Hochauflösungssignals durch das Niedrigauflösungssignal, wenn der Rauschpegel kleiner als die Größe der Differenz zwischen dem Hochauflösungssignal und dem entsprechenden Niedrigauflösungssignal ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner folgende Schritte aufweist: Vergleichen des Hochauflösungssignals mit einem Schwellenwert (302); Halten des Hochauflösungssignals, wenn das Hochauflösungssignal größer als der Schwellenwert ist (304).
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Photosensorarray eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD) ist.