寬幅掃描儀中高邊緣色彩重合度效果的實現*

賈宏宇，劉 霖 ，葉玉堂，劉娟秀，王 平

(電子科技大學光電信息學院，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內、外學者及產業界關注的重點領域，但因是屬于光、機、電、軟、算綜合性極強的設備，所涉及到的研究難點包括精密壓紙機構［1］、三線CCD 光學成像組件［2］、大容量工程圖矢量轉換［3］、高亮度高均勻性無頻閃照明等諸多難題，迄今為止，全部關鍵核心技術仍然只被英國Colortrac、丹麥Contex、德國ROWE 等少數國外研究團隊掌握，國內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口，迄今為止尚無成熟產品推向市場［3］。精密壓紙機構配合光學成像組件高精度采圖是其中的核心問題。目前，仍有國內外大量學者針對黑白線陣相機、高精度運動平臺設計、彩色線陣相機平場矯正算法研究等方面的研究，只有少數應用［4－5］。其難點主要在于:多彩色線陣相機拼接而成的大容量圖像處理困難，不同相機機械安裝角度難以保持一致導致拼接效果不好，超長壓紙機構很容易產生形變導致掃描過程中出現卡紙現象，控制驅動系統運動精度低導致圖像質量不高，高速彩色線陣CCD 成像組件的研發難以取得實質性突破。

走紙控制驅動系統，受到系統應用環境和整機成本的限制，目前，大多數較低分辨率(400 DPI 以下)的寬幅掃描儀所采用的普通步進電機配合皮帶進行傳動的方式。這樣的方式精度低，在低分辨率黑白掃描的場合能夠滿足應用，但是對于高分辨率彩色掃描儀應用，會成為限制整機性能提升的瓶頸。本文根據項目中自主設計制作的寬幅掃描儀，先分析可能限制掃描性能的原因，通過設計高精度步進電機驅動，選型合適的行星減速步進電機，改進原有平臺，對比改進前后實際掃描效果，并通過MATLAB定量計算對比改進前后結果，確認使用本文改進方案對原系統掃描清晰度具有明顯改進。

1 掃描件出現彩色邊緣的原因分析

造成掃描件出現邊緣的原因可能有很多。整個系統采用LED 頻閃白光照明，橡膠輪帶動走紙，光路通過前表面鍍膜反射鏡組成折返光路，射入線陣相機。

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際掃描彩色圖像作為分析對象。未經改善方案采圖如圖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:

(1)紙張運動不均勻造成掃描有誤;

(2)頻閃光源閃爍造成影響相機曝光;

(3)反射鏡對不同波長光反射情況不同。

頻閃光源采用高頻直接開關式真彩色設計，設計頻閃頻率9 kHz，遠高于掃描曝光行頻，不成倍數關系，不會由于曝光對掃描圖像造成影響。反射鏡對不同波長光反射情況不同，只可能出現在整體上的偏色，通過后期軟件矯正能夠解決，不會造成邊緣出現彩邊的現象。因此可以初步確定原因是由于紙張運動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部采用多個三線陣彩色CCD 成像組件經過同步觸發采圖、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。針對這種結構，為了達到三色重合的目的，采用的處理方式通常有棱鏡分光法、異步時鐘控制曝光法、軟件算法修正等［10］。針對大幅面相機在寬幅掃描儀中的實際應用需要，項目中采用了三通道數據分開緩存法來解決該問題，針對三色重合現象進行修正，理論上可以達到完美的采集效果。該方法的基本原理是通過對不同通道數據分別進行緩存，對相差8 行像素的數據重新組合成新的紅、綠、藍三色數據，得到新的圖像［11］。本項目利用上述方法進行三色分離現象修正后，應用在CCD 彩色寬幅掃描儀中，存在掃描圖像彩色邊緣現象。彩色邊緣不會影響低端應用需求，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采集電路、高速數字信號處理電路，所以不適宜采用交流混合伺服電機［12］。國外同類產品中，也是使用自行研制的直流步進電機驅動電路驅動混合式步進電機，配合皮帶、齒輪進行掃描件傳動。混合式步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。當驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(即步進角)。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到定位的目的。由于是開環控制，所以必須要保證驅動電路高穩定性及轉動電機高度平穩性，來保證掃描的高度準確性［13］。

設計光學分辨率為1 200 DPI，通過計算，可以得到單個像素對應物方距離為:

普通使用二相混合式步進電機的步進角為α=1.8°，掃描儀整機設計中電機齒輪m 與壓紙機構齒輪n 齒數比為24 ∶30，即:m/m=24 ∶30，傳動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，物方對應間距為D，物距為H，由成像系統幾何關系可以得到關系:

在不使用細分步進電機驅動器時，步進電機每動作一次，掃描件運動距離L 為:

代入數據，可以得到L=312 μm。

通過計算可以確定，使用傳統大幅面掃描儀中二相混合式步進電機驅動器傳動壓紙機構，運動精度遠遠低于1 個像素的要求，考慮到轉子會在運動一步過后附近做阻尼振動，實際抖動應該在15 個像素左右。當運動精度難以滿足采集系統三通道數據分開緩存法進行三線采集顏色分離的矯正時，就會出現邊緣出現彩色邊緣的情況［14－15］。

根據上述分析計算，基本確定了造成圖像邊緣出現彩色邊緣的產生原因。實際采集使用具有3 000 DPI 光繪機生成的光繪菲林片進行驗證。使用高分辨率光繪菲林代替紙張來驗證的好處是:高分辨率光繪菲林線由于生產工藝和菲林片本身的特性決定了線條邊緣銳利，不會出現紙張印刷邊緣模糊、毛糙的問題而造成驗證結果不準確。如果運動速度在亞像素級是均勻的，可以看出掃描到的菲林片的斜線的邊緣在每個通道都應該是一條直線，否則會呈現一定的鋸齒狀未經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彩色，分解紅、綠、藍三個通道可以看到明顯鋸齒狀，通過Photoshop 觀察出現邊緣鋸齒，可以發現周期為15像素左右，如圖4 所示。

說明由于步進電機步進角過大已經明顯影響到高精度圖像采集要求。

在本系統中，需要設計帶有細分的步進電機驅動電路。通常情況下，細分比高于一定值以后，只能夠使電機每一次步進運動更平滑，但是難以保證在亞像素級運動精度［13］。本項目運動控制系統采用了16 細分電機驅動進行實驗。

圖3 未經處理的采集菲林片圖像

圖4 邊緣鋸齒周期

2 實驗結果與討論

2.1 針對邊緣彩色現象的分析結果提出改進方法

掃描儀分辨率高達1 200 DPI，單個像素為21 μm，如果電機每次步進產生的阻尼振動控制在1 個像素以內，并且使用16 細分電機驅動對振動進行平滑，即可以解決彩色邊緣的現象，解決方法大致可以有以下幾種。

(1)減小電機齒輪與壓紙機構齒輪的齒數比

由上一章公式中可以得到，通過減小電機齒輪齒數、增大壓紙機構齒輪齒數，可以使電機在相同轉速下，壓紙機構運動速度降低，進而減小電機由于單步步進引起的抖動對圖像采集造成的影響。但是，難以將齒數比降低15 倍達到系統要求。

(2)使用高細分數步進電機驅動器或交流伺服電機

使用高度復雜的帶有電流反饋交流伺服電機系統來代替現有的步進電機驅動系統，經過實驗可以基本解決圖像彩色邊緣的問題，但是，交流伺服電機造成的較大的電磁干擾影響線陣相機微弱模擬信號處理。使用256 級高細分步進電機驅動器進行采圖，雖然有一定改善，但仍然存在圖像彩色邊緣現象。

(3)降低采集圖像光學分辨率

當分辨率降低至300 DPI 以下時，可以明顯降低運動精度對采圖的影響，但是這種方法不符合高分辨率大幅面掃描儀的設計要求，不能滿足實際使用。

結合上述分析可知，在不降低圖像采集分辨率的前提下，通過增大電機轉速與實際壓紙機構運動速度的比值，配合提高細分驅動器的細分數，可以達到改善圖像彩色邊緣的目的。針對這一分析結論，在本系統中，使用現有步進電機，配合15 ∶1高精度行星減速器，再通過改進步進電機驅動器，使轉速提高15 倍的前提下，電機不出現掉步等現象。

2.2 進行改進后實驗結果

掃描光繪菲林片上斜線，使用本文方法與使用高細分數步進電機驅動器改進前后的對比圖，可以看出，本文提出的針對寬幅掃描儀解決彩色邊緣的方法，對圖像質量具有明顯改善，如圖5 所示。

為了看到更明顯的效果，對兩次掃描的圖的相同部分使用MATLAB 進行去噪、二值化、提取邊緣后，如圖6 所示。

以兩幅圖上左上角為坐標原點，設離主對角線最近的一條邊緣提取線條L1，L2上點坐標為(xi，yi)，i=(0，1，…，350)，單位為像素，在通過計算yi－xi可以得到組數據，即得到該線條相對于對角直線的相差值，并每隔15 個點進行一次方差計算，得出本文方法改進前后對掃描質量的對比結果。

圖5 掃描光繪菲林改進前后的對比圖

圖6 經過處理的對比圖

利用上述方法進行對比，表1 是隨機不重復選取6 組原始圖的計算結果(單位為像素)。表2 是在改進圖中選取6 組和原始圖選取點接近位置的結果進行對比(單位為像素)。

表1 原始圖結果

表2 改進圖結果

通過表1 和表2 可以對比，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，所以原始掃描圖實際最大偏差略小于+3/－3。計算樣本方差來衡量多數點偏離直線的情況，可以看出，改進后樣本方差明顯變小，說明改善效果明顯。

工程圖紙及其他彩色文檔使用CCD 寬幅掃描儀進行掃描中，與較低端的CIS 產品相比較，主要是對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 成像技術發展到現在，雖然沒有達到非常精確，完美的程度，本文所述的方法正是針對在CCD 寬幅掃描儀中除去鏡頭像差影響的情況下，對圖像邊緣效果清晰度的明顯改善。

2.3 大幅面掃描儀上應用的實際效果

使用本問所述方法進行改進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 分別為改進前后掃描儀實際使用掃描圖像。

圖7 改進前實際掃描圖像

圖8 改進后實際掃描圖像

圖9、圖10 分別為寬幅掃描儀整機、機身內部高減速比行星減速器步進電機實際安裝圖。

圖9 寬幅掃描儀整機

圖10 機身內部實際安裝圖

3 結論

通過對寬幅掃描儀中多線陣彩色CCD 掃描產生彩色邊緣的原因進行深入分析，并比較現有的掃描方式，提出了一種針對寬幅掃描儀中使用行星減速步進電機配合高細分比驅動電路的新設計，制作了國內第一臺多線陣彩色CCD 大幅面掃描儀，解決了掃描圖像彩色邊緣的問題。

實驗及測試結果表明:經過改善設計后的圖像彩色邊緣現象得到極大改善，在光學分辨率為1 200 DPI情況下，彩色邊緣控制在+1/－1 像素。在以后的工作中，將對電機運行的平穩性進一步的優化處理，在保證圖像質量的同時，能夠實現更高速度的圖像采集。

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