賈宏宇，劉 霖 ，葉玉堂，劉娟秀，王 平

(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，成都610054)

基于多線陣彩色CCD 的寬幅拼接型高精度一次成像掃描儀的研制一直是國(guó)內(nèi)、外學(xué)者及產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域，但因是屬于光、機(jī)、電、軟、算綜合性極強(qiáng)的設(shè)備，所涉及到的研究難點(diǎn)包括精密壓紙機(jī)構(gòu)［1］、三線CCD 光學(xué)成像組件［2］、大容量工程圖矢量轉(zhuǎn)換［3］、高亮度高均勻性無(wú)頻閃照明等諸多難題，迄今為止，全部關(guān)鍵核心技術(shù)仍然只被英國(guó)Colortrac、丹麥Contex、德國(guó)ROWE 等少數(shù)國(guó)外研究團(tuán)隊(duì)掌握，國(guó)內(nèi)所使用的基于多線陣彩色CCD 的寬幅拼接型高精度一次成像掃描儀全部靠進(jìn)口，迄今為止尚無(wú)成熟產(chǎn)品推向市場(chǎng)［3］。精密壓紙機(jī)構(gòu)配合光學(xué)成像組件高精度采圖是其中的核心問(wèn)題。目前，仍有國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者針對(duì)黑白線陣相機(jī)、高精度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)、彩色線陣相機(jī)平場(chǎng)矯正算法研究等方面的研究，只有少數(shù)應(yīng)用［4－5］。其難點(diǎn)主要在于:多彩色線陣相機(jī)拼接而成的大容量圖像處理困難，不同相機(jī)機(jī)械安裝角度難以保持一致導(dǎo)致拼接效果不好，超長(zhǎng)壓紙機(jī)構(gòu)很容易產(chǎn)生形變導(dǎo)致掃描過(guò)程中出現(xiàn)卡紙現(xiàn)象，控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精度低導(dǎo)致圖像質(zhì)量不高，高速彩色線陣CCD 成像組件的研發(fā)難以取得實(shí)質(zhì)性突破。

走紙控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，受到系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境和整機(jī)成本的限制，目前，大多數(shù)較低分辨率(400 DPI 以下)的寬幅掃描儀所采用的普通步進(jìn)電機(jī)配合皮帶進(jìn)行傳動(dòng)的方式。這樣的方式精度低，在低分辨率黑白掃描的場(chǎng)合能夠滿足應(yīng)用，但是對(duì)于高分辨率彩色掃描儀應(yīng)用，會(huì)成為限制整機(jī)性能提升的瓶頸。本文根據(jù)項(xiàng)目中自主設(shè)計(jì)制作的寬幅掃描儀，先分析可能限制掃描性能的原因，通過(guò)設(shè)計(jì)高精度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，選型合適的行星減速步進(jìn)電機(jī)，改進(jìn)原有平臺(tái)，對(duì)比改進(jìn)前后實(shí)際掃描效果，并通過(guò)MATLAB定量計(jì)算對(duì)比改進(jìn)前后結(jié)果，確認(rèn)使用本文改進(jìn)方案對(duì)原系統(tǒng)掃描清晰度具有明顯改進(jìn)。

1 掃描件出現(xiàn)彩色邊緣的原因分析

造成掃描件出現(xiàn)邊緣的原因可能有很多。整個(gè)系統(tǒng)采用LED 頻閃白光照明，橡膠輪帶動(dòng)走紙，光路通過(guò)前表面鍍膜反射鏡組成折返光路，射入線陣相機(jī)。

以未采用本文改善方案的掃描組件掃描出的彩色圖像以及方案改善后的實(shí)際掃描彩色圖像作為分析對(duì)象。未經(jīng)改善方案采圖如圖1 所示。

圖1 原始圖片

造成色彩失真的可能原因有以下幾點(diǎn):

(1)紙張運(yùn)動(dòng)不均勻造成掃描有誤;

(2)頻閃光源閃爍造成影響相機(jī)曝光;

(3)反射鏡對(duì)不同波長(zhǎng)光反射情況不同。

頻閃光源采用高頻直接開(kāi)關(guān)式真彩色設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)頻閃頻率9 kHz，遠(yuǎn)高于掃描曝光行頻，不成倍數(shù)關(guān)系，不會(huì)由于曝光對(duì)掃描圖像造成影響。反射鏡對(duì)不同波長(zhǎng)光反射情況不同，只可能出現(xiàn)在整體上的偏色，通過(guò)后期軟件矯正能夠解決，不會(huì)造成邊緣出現(xiàn)彩邊的現(xiàn)象。因此可以初步確定原因是由于紙張運(yùn)動(dòng)不均勻造成掃描有誤。

多線陣彩色CCD 的寬幅拼接型高精度一次成像掃描儀內(nèi)部采用多個(gè)三線陣彩色CCD 成像組件經(jīng)過(guò)同步觸發(fā)采圖、圖像拼接，形成寬幅掃描圖［6－7］。三線陣CCD 元件的原理如圖2 所示［7－9］。

圖2 三線陣CCD 元件的原理

本項(xiàng)目中，所使用的索尼公司的CCD，像元尺寸4 μm，不同通道的感光元件之間相差32 μm。針對(duì)這種結(jié)構(gòu)，為了達(dá)到三色重合的目的，采用的處理方式通常有棱鏡分光法、異步時(shí)鐘控制曝光法、軟件算法修正等［10］。針對(duì)大幅面相機(jī)在寬幅掃描儀中的實(shí)際應(yīng)用需要，項(xiàng)目中采用了三通道數(shù)據(jù)分開(kāi)緩存法來(lái)解決該問(wèn)題，針對(duì)三色重合現(xiàn)象進(jìn)行修正，理論上可以達(dá)到完美的采集效果。該方法的基本原理是通過(guò)對(duì)不同通道數(shù)據(jù)分別進(jìn)行緩存，對(duì)相差8 行像素的數(shù)據(jù)重新組合成新的紅、綠、藍(lán)三色數(shù)據(jù)，得到新的圖像［11］。本項(xiàng)目利用上述方法進(jìn)行三色分離現(xiàn)象修正后，應(yīng)用在CCD 彩色寬幅掃描儀中，存在掃描圖像彩色邊緣現(xiàn)象。彩色邊緣不會(huì)影響低端應(yīng)用需求，但是不能夠滿足高分辨率彩色掃描需求。

由于大幅面掃描儀中存在諸多小信號(hào)采集電路、高速數(shù)字信號(hào)處理電路，所以不適宜采用交流混合伺服電機(jī)［12］。國(guó)外同類產(chǎn)品中，也是使用自行研制的直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)混合式步進(jìn)電機(jī)，配合皮帶、齒輪進(jìn)行掃描件傳動(dòng)?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(即步進(jìn)角)?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到定位的目的。由于是開(kāi)環(huán)控制，所以必須要保證驅(qū)動(dòng)電路高穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)高度平穩(wěn)性，來(lái)保證掃描的高度準(zhǔn)確性［13］。

設(shè)計(jì)光學(xué)分辨率為1 200 DPI，通過(guò)計(jì)算，可以得到單個(gè)像素對(duì)應(yīng)物方距離為:

普通使用二相混合式步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角為α=1.8°，掃描儀整機(jī)設(shè)計(jì)中電機(jī)齒輪m 與壓紙機(jī)構(gòu)齒輪n 齒數(shù)比為24 ∶30，即:m/m=24 ∶30，傳動(dòng)走紙橡膠輪的半徑為r=0.8 cm，在圖2 中，令不同顏色通道傳感器距離為d，像距為h，物方對(duì)應(yīng)間距為D，物距為H，由成像系統(tǒng)幾何關(guān)系可以得到關(guān)系:

在不使用細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，步進(jìn)電機(jī)每動(dòng)作一次，掃描件運(yùn)動(dòng)距離L 為:

代入數(shù)據(jù)，可以得到L=312 μm。

通過(guò)計(jì)算可以確定，使用傳統(tǒng)大幅面掃描儀中二相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器傳動(dòng)壓紙機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1 個(gè)像素的要求，考慮到轉(zhuǎn)子會(huì)在運(yùn)動(dòng)一步過(guò)后附近做阻尼振動(dòng)，實(shí)際抖動(dòng)應(yīng)該在15 個(gè)像素左右。當(dāng)運(yùn)動(dòng)精度難以滿足采集系統(tǒng)三通道數(shù)據(jù)分開(kāi)緩存法進(jìn)行三線采集顏色分離的矯正時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)邊緣出現(xiàn)彩色邊緣的情況［14－15］。

根據(jù)上述分析計(jì)算，基本確定了造成圖像邊緣出現(xiàn)彩色邊緣的產(chǎn)生原因。實(shí)際采集使用具有3 000 DPI 光繪機(jī)生成的光繪菲林片進(jìn)行驗(yàn)證。使用高分辨率光繪菲林代替紙張來(lái)驗(yàn)證的好處是:高分辨率光繪菲林線由于生產(chǎn)工藝和菲林片本身的特性決定了線條邊緣銳利，不會(huì)出現(xiàn)紙張印刷邊緣模糊、毛糙的問(wèn)題而造成驗(yàn)證結(jié)果不準(zhǔn)確。如果運(yùn)動(dòng)速度在亞像素級(jí)是均勻的，可以看出掃描到的菲林片的斜線的邊緣在每個(gè)通道都應(yīng)該是一條直線，否則會(huì)呈現(xiàn)一定的鋸齒狀未經(jīng)處理的采集圖像如圖3 所示。

從圖中可以明顯看出邊緣出現(xiàn)彩色，分解紅、綠、藍(lán)三個(gè)通道可以看到明顯鋸齒狀，通過(guò)Photoshop 觀察出現(xiàn)邊緣鋸齒，可以發(fā)現(xiàn)周期為15像素左右，如圖4 所示。

說(shuō)明由于步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角過(guò)大已經(jīng)明顯影響到高精度圖像采集要求。

在本系統(tǒng)中，需要設(shè)計(jì)帶有細(xì)分的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。通常情況下，細(xì)分比高于一定值以后，只能夠使電機(jī)每一次步進(jìn)運(yùn)動(dòng)更平滑，但是難以保證在亞像素級(jí)運(yùn)動(dòng)精度［13］。本項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用了16 細(xì)分電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖3 未經(jīng)處理的采集菲林片圖像

圖4 邊緣鋸齒周期

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 針對(duì)邊緣彩色現(xiàn)象的分析結(jié)果提出改進(jìn)方法

掃描儀分辨率高達(dá)1 200 DPI，單個(gè)像素為21 μm，如果電機(jī)每次步進(jìn)產(chǎn)生的阻尼振動(dòng)控制在1 個(gè)像素以內(nèi)，并且使用16 細(xì)分電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)振動(dòng)進(jìn)行平滑，即可以解決彩色邊緣的現(xiàn)象，解決方法大致可以有以下幾種。

(1)減小電機(jī)齒輪與壓紙機(jī)構(gòu)齒輪的齒數(shù)比

由上一章公式中可以得到，通過(guò)減小電機(jī)齒輪齒數(shù)、增大壓紙機(jī)構(gòu)齒輪齒數(shù)，可以使電機(jī)在相同轉(zhuǎn)速下，壓紙機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度降低，進(jìn)而減小電機(jī)由于單步步進(jìn)引起的抖動(dòng)對(duì)圖像采集造成的影響。但是，難以將齒數(shù)比降低15 倍達(dá)到系統(tǒng)要求。

(2)使用高細(xì)分?jǐn)?shù)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或交流伺服電機(jī)

使用高度復(fù)雜的帶有電流反饋交流伺服電機(jī)系統(tǒng)來(lái)代替現(xiàn)有的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)可以基本解決圖像彩色邊緣的問(wèn)題，但是，交流伺服電機(jī)造成的較大的電磁干擾影響線陣相機(jī)微弱模擬信號(hào)處理。使用256 級(jí)高細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行采圖，雖然有一定改善，但仍然存在圖像彩色邊緣現(xiàn)象。

(3)降低采集圖像光學(xué)分辨率

當(dāng)分辨率降低至300 DPI 以下時(shí)，可以明顯降低運(yùn)動(dòng)精度對(duì)采圖的影響，但是這種方法不符合高分辨率大幅面掃描儀的設(shè)計(jì)要求，不能滿足實(shí)際使用。

結(jié)合上述分析可知，在不降低圖像采集分辨率的前提下，通過(guò)增大電機(jī)轉(zhuǎn)速與實(shí)際壓紙機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度的比值，配合提高細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)，可以達(dá)到改善圖像彩色邊緣的目的。針對(duì)這一分析結(jié)論，在本系統(tǒng)中，使用現(xiàn)有步進(jìn)電機(jī)，配合15 ∶1高精度行星減速器，再通過(guò)改進(jìn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，使轉(zhuǎn)速提高15 倍的前提下，電機(jī)不出現(xiàn)掉步等現(xiàn)象。

2.2 進(jìn)行改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)結(jié)果

掃描光繪菲林片上斜線，使用本文方法與使用高細(xì)分?jǐn)?shù)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器改進(jìn)前后的對(duì)比圖，可以看出，本文提出的針對(duì)寬幅掃描儀解決彩色邊緣的方法，對(duì)圖像質(zhì)量具有明顯改善，如圖5 所示。

為了看到更明顯的效果，對(duì)兩次掃描的圖的相同部分使用MATLAB 進(jìn)行去噪、二值化、提取邊緣后，如圖6 所示。

以兩幅圖上左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)，設(shè)離主對(duì)角線最近的一條邊緣提取線條L1，L2上點(diǎn)坐標(biāo)為(xi，yi)，i=(0，1，…，350)，單位為像素，在通過(guò)計(jì)算yi－xi可以得到組數(shù)據(jù)，即得到該線條相對(duì)于對(duì)角直線的相差值，并每隔15 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行一次方差計(jì)算，得出本文方法改進(jìn)前后對(duì)掃描質(zhì)量的對(duì)比結(jié)果。

圖5 掃描光繪菲林改進(jìn)前后的對(duì)比圖

圖6 經(jīng)過(guò)處理的對(duì)比圖

利用上述方法進(jìn)行對(duì)比，表1 是隨機(jī)不重復(fù)選取6 組原始圖的計(jì)算結(jié)果(單位為像素)。表2 是在改進(jìn)圖中選取6 組和原始圖選取點(diǎn)接近位置的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(單位為像素)。

表1 原始圖結(jié)果

表2 改進(jìn)圖結(jié)果

通過(guò)表1 和表2 可以對(duì)比，可以看出，原始掃描圖最大偏差接近+3/－3，改善后最大偏差+1/－1，考慮掃描的是斜線，所以原始掃描圖實(shí)際最大偏差略小于+3/－3。計(jì)算樣本方差來(lái)衡量多數(shù)點(diǎn)偏離直線的情況，可以看出，改進(jìn)后樣本方差明顯變小，說(shuō)明改善效果明顯。

工程圖紙及其他彩色文檔使用CCD 寬幅掃描儀進(jìn)行掃描中，與較低端的CIS 產(chǎn)品相比較，主要是對(duì)圖像色彩還原度要求更高，邊緣的銳利、清晰程度要求也更高。CCD 成像技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，雖然沒(méi)有達(dá)到非常精確，完美的程度，本文所述的方法正是針對(duì)在CCD 寬幅掃描儀中除去鏡頭像差影響的情況下，對(duì)圖像邊緣效果清晰度的明顯改善。

2.3 大幅面掃描儀上應(yīng)用的實(shí)際效果

使用本問(wèn)所述方法進(jìn)行改進(jìn)解決邊緣彩色邊緣后，大幅面掃描儀掃描出的整體圖像變得清晰，邊緣變得更加銳利，圖7 和圖8 分別為改進(jìn)前后掃描儀實(shí)際使用掃描圖像。

圖7 改進(jìn)前實(shí)際掃描圖像

圖8 改進(jìn)后實(shí)際掃描圖像

圖9、圖10 分別為寬幅掃描儀整機(jī)、機(jī)身內(nèi)部高減速比行星減速器步進(jìn)電機(jī)實(shí)際安裝圖。

圖9 寬幅掃描儀整機(jī)

圖10 機(jī)身內(nèi)部實(shí)際安裝圖

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)寬幅掃描儀中多線陣彩色CCD 掃描產(chǎn)生彩色邊緣的原因進(jìn)行深入分析，并比較現(xiàn)有的掃描方式，提出了一種針對(duì)寬幅掃描儀中使用行星減速步進(jìn)電機(jī)配合高細(xì)分比驅(qū)動(dòng)電路的新設(shè)計(jì)，制作了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)多線陣彩色CCD 大幅面掃描儀，解決了掃描圖像彩色邊緣的問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)改善設(shè)計(jì)后的圖像彩色邊緣現(xiàn)象得到極大改善，在光學(xué)分辨率為1 200 DPI情況下，彩色邊緣控制在+1/－1 像素。在以后的工作中，將對(duì)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性進(jìn)一步的優(yōu)化處理，在保證圖像質(zhì)量的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高速度的圖像采集。

［1］ Hyuck C，Garmire D，Demmel J，et al. Simple Fabrication Process for Self－Aligned，High－Performance Microscanners－Demonstrated Use to Generate a 2－D Ablation Pattern［J］. Microelectro Mechanical Systems，2007，16(2):260－268.

［2］ 朱宏殷，郭永飛，司國(guó)良.多TDICCD 拼接相機(jī)成像非均勻性實(shí)時(shí)校正的硬件實(shí)現(xiàn)［J］.光學(xué)精密工程，2011，12(19):3025－3041.Zhu H Y，Guo Y F，Si G L.Real－Time Correction of Image Nonuniformity for Multi－TDICCD Mosaic Camera on Hardware［J］. Opt.Precision Eng.，2011，12(19):3025－3041(in Chinese).

［3］ Wang J H. A Topology Set Method for Vectorization［C］//Eighth ACIS International Conference on Software Engineering，IEEE，2007，1:229－234.

［4］ 韓志沖，鐘嫄，崔一平，等.單片機(jī)控制信號(hào)采集的軟硬件設(shè)計(jì)及其在光源測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］. 電子器件，2008，31(2):643－645.

［5］ 陳東明，葉玉堂，蒲亮，等.基于SOPC 可重構(gòu)的圖像采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2011，34(2):233－236.

［6］ Bhavsar A V，Rajagopalan A N. Range Map with Missing Data－Joint Resolution Enhancement and Inpainting［J］. 2008 Sixth Indian Conference on Computer Vision，Graphics＆ Image Processing，IEEE，2008:259－365.

［7］ 方平，丁凡，李其朋，等.基于線陣CCD 的新型微位移傳感器的研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19(1):75－77.

［8］ Zhou H，Ren J Y，Zhang X X，et al. Design of Imaging System Based on CCD in Field Readout Mode［J］.Microcomputer Information，2009，16(32):151－155.

［9］ Monoi M，Sasaki S，Dobashi K，et al. A Single－Layer CCD Image Sensor with Wide Gap Electrode and Gradual Potential Channel［C］//Society of Photo－Optical Instrumentation Engineers(SPIE)Conference Series，SPIE，2009，7247:12.

［10］ 韓昌元.高分辨力空間相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)研究［J］.光學(xué)精密工程，2008，16(11):2165－2172.Han C Y. Study on Optical System High Resolution Space Camera［J］.Opt.Precision Eng.，2008，16(11):2165－2172(in Chinese).

［11］ Florin T.Conversion from a Spectral Image to HDR Image［J］.Proceedings of the SPIE—The International Society for Optical Engineering，SPIE，2009，7297:4.

［12］ 閆峰，孫偉鋒，夏曉娟，等. 單芯片高效率降壓DC－DC 芯片設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2008，31(2):462－464.

［13］ Reiss J，Alin F，Sandier M，et al.A Detailed Analysis of the Nonlinear Dynamics of the Electric Step Motor［J］.Industrial Technology，2002.IEEE ICIT’02.2002 IEEE International Conference on，2002，12(2):1078－1083.

［14］ 呂恒毅，劉楊，郭永飛.遙感相機(jī)焦面CCD 機(jī)械拼接中重疊像元數(shù)的確定［J］.光學(xué)精密工程，2012，5(20):1042－1046.Lü H Y，Liu Y，Guo Y F.Computation of Overlapping Pixel of Mechanical Assembly CCD Focal Plane in Remote Sensing Cameras［J］.Opt.Precision Eng.，2012，5(20):1042－1046(in Chinese).

［15］ Hyung Soo Ohk，HyunSeok Seo，KiMin Kang，et al. A Restoration Method for Distorted Image Scanned from a Bound Book［C］//Proceedings of the SPIE—The International Society for Optical Engineering，SPIE，2011，7866:8.