基于GL847的掃描圖像校正*

劉小東,張朋昌，曹伯燕

（西安電子科技大學 計算機學院，陜西 西安 710071）

在掃描儀成像的整個過程中，存在許多給掃描圖像帶來誤差的因素，如光照的不均勻性、由CCD生產工藝所引起的各個像素單元感光響應的不一致性、信號的采樣和模數轉換及后續各種處理電路內部所存在的噪聲等。掃描圖像校正的目的在于最大程度地消除這些因素所帶來的成像誤差，提高并保證掃描圖像的質量。臺灣創惟 (Genesys Logic)公司GL84X系列掃描控制器基于USB2.0數據傳輸接口,內嵌CCD/CIS控制、AFE控制、步進電機控制、掃描過程控制、分辨率控制等圖像掃描相關控制功能模塊，可實現整個圖像數據采集流水線的所有功能，并具有高速高精度的特點。為提高掃描圖像質量并減輕軟件負擔，GL847內部融合了增益/偏移調整等校正模塊,為高質量圖像掃描提供了強有力的保證。盡管如此，G2847的采集數據中仍存在誤差和扭曲。本文在對GL847圖像數據采集信號管道誤差的引入進行分析的基礎上，詳細討論了GL847內部硬件所提供的掃描圖像校正機制與方法，給出了一種有效而可行的校正參數獲取算法。

1 超大幅面CCD圖像數據采集系統

本文所設計的超大幅面CCD圖像數據采集系統結構如圖1所示。在掃描儀控制器的統一控制下，CCD對掃描稿件進行感光并將感光信號輸出；模擬前端對CCD的輸出信號進行采樣和模數轉換，并將轉換結果傳遞給掃描儀控制器；電機驅動器和步進電機在零位傳感器的配合下完成圖像掃描過程中的定位與位置移動。

圖1 數據采集子系統結構

經過A/D轉換后的CCD信號在進入掃描儀控制器之后，進行一系列后續處理，包括分辨率控制、圖像校正、數據打包等,最終將圖像數據存儲到SDRAM中。同時,掃描儀控制器所需要的各種參數也被存放在SDRAM中。

掃描儀控制器接收來自工控板的控制命令和參數，并將最終圖像數據遞交給工控板。本系統中，掃描儀控制器選用創惟公司的GL847芯片；CCD采用東芝的TCD2964BFG芯片，TCD2964BFG具有 4 800 dpi光學分辨率；模擬前端采用Wolfson公司的WM8196芯片；步進電機采用百格拉368，驅動器為D921；SDRAM為Hynix公司的HY57V281620，存儲容量為 128 MB/s。

2 掃描圖像校正

2.1 靜態偏移與增益校正

CCD像素信號在累積、轉移以及輸出過程中不可避免地會引入噪聲干擾，使其輸出信號中始終存在一定的直流分量。因而在無光照的情況下，CCD的輸出電平不為0，而存在一定的偏移誤差。為了消除這種誤差，有必要進行相應的偏移校正。A/D轉換器件只有對處于其電平輸入范圍內的模擬信號才能進行有效轉換，因此，CCD的輸出信號幅值必須滿足A/D轉換器的電壓輸入范圍，才能獲得正確的像素信號轉換值。

本文在模擬前端中,在相關雙采樣CDS(Correlated Double Sampling)模塊之后,設計了一個 Offset DAC模塊(即靜態偏移電路)，能夠用以初步消除采樣得到的CCD信號中存在的靜態偏移；而在Offset DAC之后，設計了一個可編程的增益放大器(PGA)，用以對經過了靜態偏移處理的模擬信號進行適當的放大，以匹配A/D轉換器的輸入范圍。

基于對CCD噪聲產生的原因以及模擬前端(AFE)中信號處理流程的分析，通過以下步驟來獲取AFE中應該設置的靜態偏移值和靜態增益值。

(1)初始化PGA

將模擬前端中三個通道的PGA增益均設置為1，從而得到CCD信號在經過CDS相關雙采樣之后的原始電平范圍。如果這個范圍小于A/D的輸入范圍，則需要通過大于1的增益將其放大；相反，如果這個范圍超過了A/D的輸入范圍，則就必須通過一個小于1的增益系數來縮小其范圍。

在WM8196芯片中，為了使某個通道PGA的增益為1,必須向其相應的寄存器中寫入值0x4B,記為PGA_CODE=0x4B;相應的增益值則記為PRE_GAIN，則[1]：

PRE_GAIN=208/(283-PGA_CODE)

(2)初始化DAC

為了使AFE電路內部的Offset DAC不會落在A/D轉換器的輸入范圍之外，需要對AFE中的Offset DAC設置合適的值。先給DAC賦一個預先設定值，記為PRE_DAC=0x00，使得靜態偏移值達到最大。

(3)獲得平均黑電平信號

掃描數行黑色區域,并且計算出其平均值,記為AVE_BLACK。

(4)獲得平均白電平信號

掃描一塊目標白區域，計算出平均值。如果所得到的像素值存在嚴重不均勻問題，則其中必存在有一個最大值。取最大值附近某一鄰域中的像素值進行平均操作，結果記為AVE_WHITE。

(5)計算需要的PGA增益值

通常,ADC的輸入信號范圍需略小于ADC的全幅輸入范圍。將期望的目標范圍記為TARGET_WHITE和TARGET_BLACK，則需要的放大系數為：

從而,需要向AFE中PGA所對應的寄存器寫入的值為:

PGA_CODE=int(283-208/GAIN)。 (其 中 ,函 數 int()表示對括號中的計算結果取整)。然后，將PGA_CODE寫入到AFE的寄存器中，所獲得的實際增益為:ACTUAL_GAIN=208/(283-PGA_GAIN)。

(6)黑電平調整

如果將第(5)步得到的實際增益值寫入到PGA的寄存器中，在實際采樣時，黑電平(即在無感光狀態下，由CCD暗電流所引起的電平)信號也得到相應倍率的放大，這不是所希望的。因此，必須對Offset DAC進行重新調整。

采用與第(3)步相同的方法，重新計算平均黑電平值，記為AVE_BLACK。令ERROR=TARGET_BLACKAVE_BLACK(從 ADC輸出)，假設其所對應的 ADC的輸入端電壓差為△V3(△V3是由PGA放大ACTUAL_GAIN倍而得來),則它對應Offset DAC的一個偏移值ADJ_DAC；另一方面,WM8196芯片中的ADC的電壓輸入范圍為 3V(記為 Vrange)。 因為該 ADC是 16 bit，故其輸出碼個數為ADC_CODES=65 536。則有：

△V3對應Offset DAC的輸出端電壓差△V2，其滿足的關系為:

△V2=△V3/ACTUAL-GAIN

WM8196芯片中的Offset DAC具有一個±260 mV的校正范圍，因此分辨率為8 bit的Offset DAC的每一個DAC輸出碼對應著一個0.52 V/256的電壓變化。則△V2所對應的Offset DAC的正確調整值可由下式得到：

對式(1)進行整理并簡化，得到:

又因為CCD的輸出為下降沿，所以AFE中的控制位 INVOP=1，故 DAC的值為：

DAC_CODE=PRE_DAC-ADJ_DAC

至此，AFE端的靜態偏移和增益校正完成。

2.2 Shading校正算法

掃描圖像校正最終要達到的理想目標是：當掃描一幅純黑色的圖像時,得到的每一個像素的值均為0；而當掃描一幅純白色圖像時，得到的每一個像素的值都是目標值[2](如252)。在靜態校正之后，需要進一步針對每個像素進行校正，以消除像素間的非一致性，提高圖像質量。

在實際應用中，并不希望掃描純黑色圖像時得到的各個像素值為0，而應該是一個大于0的值，記為 Pixel_offset；掃描純白色圖像時某個像素的掃描值為Pixel_in。這樣，經過偏移校正后該像素的值為Pixel_out=Pixel_in-Pixel_offset。如果目標值為Pixel_target，則需要一個放大倍數coefficient，即：

GL847的內部電路實現了該像素級的校正處理過程(稱為Shading校正算法)。軟件需要完成的是獲得每個CCD像素所對應的Pixel_offset和 coefficient。為此，設計了以下像素級校正參數的獲取過程：

(1)確定每個CCD像素所對應的偏差(offset)

關閉照明，將曝光時間設為0，掃描數行黑色區域，求出每個像素的平均值，該值即為對應CCD感光單元的偏差值。

(2)掃描白色區域

掃描參考白色區域，求出每個像素的平均值。

(3)計算每個像素對應的增益系數(coefficient)

在GL847中，提供了兩個具有不同精度的像素級增益計算方法,可以通過設置寄存器0x06的控制位GAIN4來進行選擇。

當GAIN4為0時，某個像素對應的增益系數為[3]：

當 GAIN4為 1時，增益系數為[4]：

其中，Wn表示像素的白平均值，Dn表示像素的黑平均值，H表示2 000、4 000均為 16進制數。

3 試驗結果與分析

對未經掃描儀校正的分別掃描參考白色稿件和參考黑色稿件,得到未校正下CCD感光特性曲線如圖2所示。圖2(a)中，紅色通道像素亮度最大值為28 547，平均值為21 466；綠色通道像素亮度最大值為39 023，平均值為29 925；藍色通道像素亮度最大值為40 665，平均值為31 267。在圖2(b)中，紅色通道的偏移值為 1 384；綠色通道偏移值為 1 295；藍色通道偏移值為1 089。

可以看出，未經校正的掃描圖像三個通道的顏色亮度值動態范圍均較差，且通道間存在較大差異，從而無法有效反映掃描原稿圖像信息。

給定目標CCD亮度范圍和偏移，利用本算法求出AFE中各個通道所對應的靜態增益和靜態偏移，從而得到如圖3所示的CCD感光特性曲線。在圖3(a)中，紅色通道像素亮度最大值為63 930，平均值為47 298；綠色通道最大值為64 107，平均值為48 758；藍色通道最大值為64 038，平均值為49 083。在圖3(b)中，紅色通道像素平均偏移值為 1 015，綠色通道為 969，藍色通道為 9 22。從而，達到了靜態校正預期目標。

圖3中的感光曲線對應著CCD感光單元像素級校正增益參數和偏移參數計算所需要的數據，利用本Shading校正算法完成掃描系統像素級校正，消除了CCD感光單元間的非均勻性。CCD感光單元輸出與對應像素級增益和偏移校正參數如圖4所示。

利用本文介紹的算法對掃描儀進行校正前后對測試稿件的掃描結果如圖5所示。

圖4 CCD感光單元輸出與對應校正參數

本文針對GL84X系列掃描儀控制器的算法，可通過獲取CCD感光單元輸出特性，有效獲得圖像數據采集系統的誤差特征，將整體校正與像素級校正相結合，對掃描誤差進行補償和調整，大幅提高了掃描圖像的質量。

圖5 掃描圖像校正算法實驗結果

[1]Wolfson Microelectronics.WM8196(8+8)bit Output16 bit CIS/CCD AFE/digitiser.July 2008.

[2]李龍海.大幅面CIS掃描儀底層驅動軟件的設計和實現[D].西安:西安電子科技大學,2002.

[3]Genesys Logic Inc.GL846 high speed USB2.0 2-in-1 scanner controller with fast ADF 1.05,January 2008.

[4]Genesys Logic Inc.GL848 high speed USB2.0 2-in-1 scanner controller with fast ADF&bus power,December 2007.