（计算机系统结构专业论文）多ccd扫描仪系统的图像几何校正与拼接.pdf

多c c d 扫描仪系统的幽像几何校正与拼接 摘要 扫描仪是数字化图像输入的重要设备之，在航片、医疗等专业领域应用中， 需要有大幅面、高精度、高分辨率的扫描设备。h g 大幅面高精度扫描仪为满足 相应应用需求，采用多c c d 外视场拼接方式，可以达到a 1 幅面及高精度指标的 要求，为广泛应用于专业领域开辟了良好的前景。 多c c d 扫描仪由于c c d 的一致性及系统的各种不确定因素，获得的图像存 在一定的几何畸变，多c c d 拼接后的图像存有色差，在应用之前必须将此类影 响降到最低水平。本文根据扫描仪的工作流程及开发原理，对几何畸变的原因进 行了分析，将亚像素定位思想应用于几何校正之中。同时对c c d 拼接时接缝处 的定位以及c c d 的色差影响进行了一定的分析，提出相应的算法。 关键词：多c c d 大幅面扫描仪几何畸变校正亚像素定位图像拼接 2多c c d 扫描仪系统的图像几何校正与拼接 a b s t r a c t s c a n n e r ，a sa r ti m p o r t a n ti n p u t t i n gi n s t r u m e n t so fd i g i t a l i m a g e ，i nt h es p e c i a l i z e d d o m a i ns u c ha sa e r i a lp h o t o ，m e d i c a ls e r v i c ea n ds oo n l a r g eb r e a d t h ，h i g ha c c u r a c y a n dh i 曲r e s o l u t i o na r cn e e d e df o rs c a n n i n ge q u i p m e n t f o rt h e s ea p p l i c a t i o n s ，t h eh g l a r g eb r e a d t hs c a n n e ru s em u l t i c c dt e c h n o l o g y ，c a l lg e ta 1b r e a d t ha n dt h eh i g h a c c u r a c yr e q u e s t t h u sh a v ef i n ep r o s p e c tf o rs p e c i a l i z e da p p l i c a t i o n t h em u l t i - c c ds c a n n e rh a sc e r t a i ng e o m e t r yd i s t o r t i o n ，f o rs o m eu n c e r t a i n f a c t o r ss u c ha st h ec c du n i f o r m i t ya n ds y s t e mi t s e l f s t i t c h i n gi m a g eo fm u l t i - c c d h a st h ec h r o m a t i ca b e r r a t i o n t h e s ek i n d so fi n f l u e n c em u s tr e d u c et ot h el o w e s tl e v d b e f o r es c a n n i n ga p p l i c a t i o n t h i sa r t i c l e ，一a c c o r d i n gt os c a n n e r sw o r kf l o w c h a r ta n d t h ed e v e l o p m e n tp r i n c i p l e ，c a r r i e do nt h ea n a l y s i st ot h eg e o m e t r yd i s t o r t i o nr e a s o n ， a p p l i e d t h es u b p i x e ll o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g yi nt h eg e o m e t r i cc a l i b r a t i o n a l s o a n a l y s i s i n gt h ei o i n t l o c a l i z a t i o no fm u l t i c c da n dc c dc h r o m a t i ca b e r r a t i o n ， p r o p o s e dt h ec o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m k e y w o r d ：m u l t i - c c dl a r g eb r e a d t hs c a n n e r ， g e o m e t r i c - c a l i b r a t o n ， s u b - p i x e ll o c a l i z a t i o n ，i m a g es t i t c h i n g 创新性声明 y 8 5 8 6 0 3 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：玉查玺 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文1 作的知识产权单位属西安电子科技人学。本人保证毕 业离校后。发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论史的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名 导师签名 丝 蛐 同期2 竺! ：! ：12 r 期兰丝笪：墨呈 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 在科技的高速发展过程中，实现信息化、数字化已成为各经济部门建设的目 标。电子政府、电子商务、智能交通、远程教育、网上医疗等已成为当前经济社 会生活中的热点。目前我国库存有大量的航片、珍贵的经卷文献、及医疗用片等， 保护工作费时费力，稍有不慎，就会造成资料的破坏或损失。每年都需要大量的 保护经费，迫切企待通过高精度影像的数字化，以数字的形式保存起来，可以避 免因多次使用而造成的损伤及在运输、保管和使用中的安全隐患，提高了资料保 管的安全性。在医疗领域，远程医疗的发展和建设更是需要高精度与高分辨率的 图像来作为诊断的根据。 在信息数字化的建设中，扫描仪起着关键的作用。扫描仪是一种光机电一体 化的高科技数字化输入设备，通过计算机的配合，捕获图像并将之转换为计算机 可以显示、编辑、储存和输出的信息。原稿图像可以是指图片、照片、文本书籍 和胶片等扫描对象。扫描仪是继键盘和鼠标之后的第三代计算机输入设备，也是 功能十分强大的一种输入设备。 在传统图像信息的采集和提取方面，扫描仪可以说是一种最为可靠的途径。 按其所支持的颜色分类，可分为单色扫描仪和彩色扫描仪；按所采用的固态器件 又分为电荷耦合器件( c c d ) 扫描仪、m o s 电路扫描仪、紧贴型( c i s ) 扫描仪等； 按扫描宽度和操作方式分为大型扫描仪、台式扫描仪和手动式扫描仪：按接口方 式可分为采用并口连接的并口方式扫描仪、s c s i 接口方式扫描仪、u s b 接口方 式扫描仪：按用途可分为面向普通家庭用户的家用扫描仪，主要用来扫描一些普 通的照片和图片或进行少量的文字识别，其精度要求较低；其二是用于企业的办 公类扫描仪，主要用来扫描文档资料，宣传刊物或发行手册，对扫描的精度和速 度相对较高；其三是专业级扫描仪，用于相关技术产业的高级扫描应用，如印前 制作公司、输出中心、印刷厂、军用部门、卫星遥感部门及医学影像部门等，专 业级扫描仪无论在扫描品质( 原稿的色彩、色调层次、清晰度、信息量的复制还 原程度) 、扫描速度还是其它扫描要求上都比普通扫描仪高出许多，其价格相对较 高。 本文介绍的h g 系列高精度扫描仪，是西电海光数码公司专门针对医疗、航 片等扫描应用的高精度专业扫描仪。采用u s b 接口方式，以两个或两个以上的 c c d 采集图像进行拼接以提高扫描区域及光学分辨率。对于大幅面的遥感图片或 多c c d 扫描仪系统的倒像几何校_ i e 与拼接 高精度要求的医疗底片，些珍贵文字类文物的数字化保存，传统的普通扫描仪 无法满足应用要求。h g 系列高精度扫描仪的研制开发，不但可以弥补相关领域 的科技空白，而且对于国家信息化的建设也有着积极的意义。 1 2 课题的提出 扫描仪是数字化工程的关键，高精度、高分辨率扫描仪是数字化输入的重要 设备，在信息数字化建设中起着关键的作用。西电海光数码公司承担生产的大幅 面专用图像扫描仪在医疗、航片等数字化处理中打破了扫描设备长期依赖进口的 局面。由于目前市面上流行的扫描仪采用的都是单c c d 镜头，只适用于普通的 家庭应用，单c c d 镜头的扫描范围有限，在以较大幅面图像应用为主的工程应 用中必须采用多c c d 的专用图像扫描仪，从而提高扫描范围与精度。本课题设 计基于u s b 驱动、采用2 4 个c c d 镜头进行扫描，由于存在镜头畸变、材料变 形、零件加工精度及多c c d 的一致性等误差因素，引起扫描图像的几何畸变与 合成图像色差的不一致性，影响图像的最终效果。在实际中通过软硬件有效结合 方式来消除误差影响对获得的图像进行几何畸变的校正与拼接色差的调整，提高 图像的质量。 根据目前国内外发表的一些文献来看，图像的几何校正与拼接技术一真是数 字图像处理应用的热点之一。针对不同的应用要求与设备要求，出现了相应的理 论与算法，但由于校- f 与拼接问题的复杂性，上述方法也存在一定的局限性，有 待于进一步发展。由于本课题采用的是基于u s b 驱动的多c c d 扫描仪，其架构 在国内尚属首创，也为相应的图像几何校正与拼接处理带来新的研究问题。 图像几何校正与拼接是扫描处理中必不可少的基本环节，未经几何校正与拼 接的图像、或校正拼接精度不高，许多算法将失去分析和计算的基础，也为后续 处理带来巨大的影响。本文利用选取控制点方法实现多c c d 扫描仪图像的几何畸 变校正与拼接，用亚像素定位技术对控制点精确定位，通过双线性变换和灰度插 值进行几何校正，并对拼接后图像的色差进行了分析，以提高最终图像的质量。 本课题旨在解决数字化扫描中高精度几何校j 下与拼接问题。对于多c c d 的 扫描仪在医疗、航空、遥感领域的应用均有重要的理论和现实意义。 1 3 论文的组织结构 本文首先分析了高精度扫描仪在信息数字化中的必要性和重要性，其次介绍 了扫描仪的组成以及工作流程，介绍了c c d 获取图像的原理及通过t w a i n 传输协 议来传输图像，然后重点论述了扫描系统畸变原因的分析及几何畸变校正的方法， 第一章绪论 提出了贬像素技术在控制点高精度定位方丽的应用，最后对多c c d 获取图像进行 拼接产生的问题进行分析，对于色差的一致性方丽解决结合当前最新科技发展技 术提供了一些相应方法，以下是本文各章的内容概要： 第章为绪论部分。简要分析了信息数字化在国家信息化、经济建设和社会 可持续发展中发挥着越来越重要的作用，随后引出了高精度大幅面扫描仪在数字 化中的必要性、重要性。最后从课题的来源出发，描述了课题研究的目标和论文 的主要研究内容。 第二章介绍了多c c d 扫描仪的构成及开发原理，对扫描仪的感光元件、机 械装置、工作原理作了简单介绍，以及h g 大幅面扫描仪的扫描指标，同时对扫 描仪丌发密切相关的t w a i n 传输协议及l m 9 8 3 x 开发包作了相应介绍。 第三章主要介绍了扫描仪图像几何畸变的算法分析，对可能影响扫描仪几何 变形的因素进行了分析及介绍，利用双线性变换和灰度插值方法来进行校诈，提 出了亚像素技术在控制点精确定位中的应用。 第四章介绍了多c c d 获得的图像拼接时拼接缝的确定及其算法对影响图 像色差的因素做了详细分析，介绍了扫描仪白平衡的校正及色彩管理相关知识， 对色差的平衡处理做了初步的算法分析。 第五章总结了本文的主要工作，对几何校正及图像拼接色差分析做了相应评 价，指出了有待解决的问题和未来的研究方向。 多c c d 扫描仪系统的图像几何校正与拼接 第二章多c c d 扫描仪构成及开发原理 2 1 扫描仪的构成 扫描仪是一种光电、机械一体化的高科技产品，其内部结构较为复杂，不仅 有复杂的电子线路控制，而且还包含精密的光学成像器件，以及设计精巧的机械 传动装置。 扫描仪的扫描装置主要包括反光镜、镜头、灯管和线性c c d ，其结构如图 2 - 1 所示： 图2 - 1 扫描仪内部结构示意图 ( 1 ) 反光镜：由于扫描头体积较小，原稿的图像不能直接投射到c c d 图像 传感器上，而是经过几个反射镜的反射后才能照射到c c d 图像传感器的感光面 上，因此，反光镜的主要作用就是反射光线以有利于c c d 成像。 ( 2 ) 镜头：由反光镜反射的原稿图像需经过镜头投射到线性c c d 上。 ( 3 ) 灯管：在扫描时，为原稿提供照明的小型荧光灯。 ( 4 ) 线性c c d ：目前大多数扫描仪采用的是c c d 感光技术。c c d 全称 c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ，c c d 芯片上有许多光敏单元( 几千到几万个光电三极管， 这些光电三极管分为三列，分别用红、绿、蓝三色的滤色镜罩住，光电三极管在 第一二章多c c d 扫描仪构成及开发原理 受到光线照射时可以产生电流，经放大后输出) 。它是扫描仪扫描成像装置中的核 心部件，般为一种细长型的图像传感器，主要作用是将照射到c c d 上的光图 像转换成电信号。 机械传动装置部分主要包括步进电机、驱动皮带、滑动导轨和齿轮组。 ( 1 ) 步进电机：是机械传动部分的核心，是驱动扫描装置的动力源。 ( 2 ) 驱动皮带：扫描过程中，步进电机通过直接驱动皮带实现驱动扫描头，对 图像进行扫描。 ( 3 ) 滑动导轨：扫描装置经驱动皮带的驱动，通过在滑动导轨卜的滑动实现线 性扫描的过程。 ( 4 ) 齿轮组：是保证机械设备讵常工作的中刚衔接设备。 扫描仪的控制电路是扫描仪的控制系统，是一块安置有各种电子元件的印刷 电路板，h g 系列扫描仪使用的核心控制芯片是l m 9 9 3 x 。在扫描仪扫描过程中， 控制电路主要完成c c d 信号的输入处理，将c c d 传递来的模拟电信号转变为数 字电信号。从c c d 获取的电信号是对应于图像明暗的模拟信号，即图像由暗到 亮的变化可以阁从低到高的不同电平来表示，它们是连续变化的，即所谓模拟量。 因为计算机无法处理模拟量，所以必须通过a d 变换来将模拟量数字化。此外， 控制电路还完成对步进电机的控制，将读取的图像以任意的解析度进行处理或变 换所需的解析度。 2 2 扫描仪的工作原理 扫描仪的工作原理是：首先对原稿进行光学扫描，然后将扫描得到的光学图 像传送到光电转换部件c c d 中，经过处理后变为模拟电信号，再由a d 变换器 将模拟电信号转换为数字电信号，最后通过与计算机的接口送至主机中。 扫描仪工作的基本流程如图所示： 光线光信号电信号数字信息 图2 - 2 扫描仪基本t 作流程示意图 通常，线性c c d 对原稿进行的水平方向的扫描称为“主扫描”，垂直方向的 扫描称为“子扫描”或“副扫描”( 见图2 - 3 ) 。 根据扫描原稿的类型，扫描仪的工作原理也有所不同，分为两类：反射式扫 描和透射式扫描。 多c c d 扫描仪系统的图像几何校止与拼接 ( 1 ) 、反射式扫描 扫描对象为纸张、照片等不透明的材料、一般常用的平板扫描仪都负责这方 面的工作。它的实现原理也相对较简单：照射到原稿上的光线经反射后穿过一个 很窄的缝隙，形成x 方向的光带，又经过一组反光镜，由光学透镜聚焦并进入分 光镜，经过棱镜和红绿蓝三色滤色镜得到的三条彩色光带分别照到各自的c c d 巷光器件c ( 勘 扫描头 图2 3 扫描仪的主扫描与子扫描 上，c c d 将接收的光信号转变出模拟电信号，此信号又被a d 转换器转变为数 宁电子信号，至此，反映原稿图像的光信号己转变为计算机能够接收的二进制数 字电子信号，最后通过s c s i 或u s b 等接口送至控制扫描仪的软件，由软件重组 为计算机图像文件。扫描仪每扫一行就得到原稿x 方向一行的图像信息，随着y 方向的移动，在计算机内部逐步形成原稿的全图。 ( 2 ) 、透射式扫描 当扫描仪扫描的对象是幻灯片、胶卷等透明物质时，c c d 和a d 转换器依 旧担当同样的角色，整个过程也大概一致。仅有的不同点是此时并非利用光线的 反射，而是利用光透过扫描材料得到需要处理的光学图像。扫描透明胶片需要特 殊的光源补偿，光线既不可太强也不能太弱：太强会给胶片带来不可修复的破坏， 太弱了无法得到满意的效果。需要增加透射适配器的装置来增强扫描仪的处理能 力。 ( 1 ) 、分辨率 2 3 扫描仪的性能指标 第二章多c c d 扫描仪构成及开发原理 分辨率与图像质量密切相关，是用以衡量图像细节表现力的一个重要技术参 数，通常用d p i ( d o t sp e ri n c h ) 即每英寸的点数来表示。扫描仪的分辨率是指扫 描仪在实际工作状态下对图像细节的分辨能力，可分为光学分辨率和软件插值分 辨率，主要与光学部分、硬件部分和软件部分有关， 光学分辨率：是指一个设备的光学系统可以采样的实际信息量，是衡量扫描 仪感光器件精密程度的重要参数，即扫描仪的光学部件每平方英寸面积内所能捕 捉到的实际的光点数，是c c d 的物理分辨率，也是扫描仪的真实分辨率。它的 数值是由c c d 的像素点除以扫描仪水平最大可扫尺寸得到的数值。例如，一个 可以接受最宽为8 5 英寸( 1 英寸= 2 5 4 c m ) ，原始图像的扫描仪内有一个5 1 0 0 个单 元的c c d 阵列，它的最大水平光学分辨率为6 0 0 d p i 。决定光学分辨率的各种因 素随数字化设备类型的不同而不同。在平板式、馈纸式和很多种幻灯片或透明介 质扫描仪中，它们的最高光学分辨率取决于两个因素：移动式扫描头中设置的线 性c c d 器件内的探侧器数量，以及扫描仪可以接受的最大原始图像的宽度。光 学分辨率越高，所能采集的图像信息量越大，扫描输出的图像中包含的细节也越 多。 最大分辨率：在光学分辨率的基础上，如果通过软件对扫描形成的图像进行 像素插入可以提高图像的分辨率。最大分辨率就是最大限度地插入像素后求得的 分辨率，因此也叫软件插值分辨率，这是指通过计算能达到的分辨率。最大分辨 率与光学分辨率不同，虽然最大分辨率能使扫描图像的分辨率提高，但不能实际 增加图像中的信息量，提高不当反而会使图像看起来模糊。插值分辨率是通过扫 描仪的驱动程序得到的，通过二乘方法( 或补点法、均值法) ，需要取该像素的后 各四个点的数值，模拟出这四个点数据变化规律的曲线，从而获得这个点的数值。 如果要求的标准超过了设备的光学分辨率指标，驱动程序会对超过的部分自动进 行插值运算。软件插值法使分辨率提得越高，图像的质量越差。但是，用这种方 法可以从软件上实现商放大倍率图像的扫描。最大分辨率通常是光学分辨率的 2 4 倍。 ( 2 ) 、信噪比 信号与噪声之间的比例关系，信噪比越高，对有用信号的提取能力就越强， 扫描图像的品质就越准确和清晰，它直接反映扫描仪c c d 的采集精度。廉价的 c c d 对环境电噪声很敏感，这种电噪声会使得探测到颜色值失真。 ( 3 ) 、动态范围 动态范围是指扫描设备所能探测到的最浅颜色与最深颜色之间的密度差值。 这是一个相对密度区间的概念，这个区间越宽，设备再现色调细微变化的能力， 即区别相近颜色之间细微差别的能力就越强，特别是对可视细节( 阴影) 的捕捉 就越细致。 0 多c c d 扫描仪系统的图像几何校正与拼接 一般而言，原稿上越黑的地方密度越大。它表示了对透射原始图像的阻光能 力和对反射式原始图像的光吸收能力的度量。理论上最大的密度范围是 o 0 - - 4 0 d ( 4 0 d 是炭黑的理论密度，o 0 d 是纯白光) 。彩色印刷品的最大密度大约 在1 以2 0 d 之间。原稿的密度范围越大，说明其表现层次的能力越强，色域表现 范围就越大，特别是对暗色调的表现就越好。 专业级扫描仪的动态范围都比较大，对高光、暗色调区域等细节的信息采集 仍旧十分准确，色彩渐变再现十分细腻。 f 4 ) 、密度范围 密度范围是由扫描仪所使用的光学采集器件的性能决定的一种能力指标。是 在扫描工艺参数设置中人为设定的从最大密度d m a x 到最小密度d m i n 之间的工作 密度范围。通过对d m a x d m i n 范围的调整，并结合扫描仪的曝光量的调接、黑白 场设置等操作，就可充分利用扫描仪动态范围中最有效的和线性度最好的感应区 间来接收原稿信息，以获得更多真实的色调信息和丰富的层次。 ( 5 ) 、位深度 位深度表示一个扫描设备可以在其扫描的每个像素上检测出的最大颜色和荻 度级，即每个像素储存信息量的多少。一个8 位灰度的扫描仪从理论上可以在黑 白之间检测2 5 6 种不同的灰度级。一个2 4 位的彩色扫描仪可以采样r 、g 、b 3 个颜色通道中每个通道内的像素，每个像素8 位，因而可以获得总数为2 5 6 2 5 6 2 5 6 = 1 6 7 7 7 2 1 6 种可能的颜色。 色彩位数的具体指标是用“位”来描述2 4 位彩色表明扫描仪可分辨1 6 7 0 力- 种颜色，3 0 位真彩是指6 8 7 亿种颜色，而3 6 位真彩是指1 6 7 0 亿种颜色。 扫描仪的位深度越大，对图像色彩阶调的复制再现就越准确。扫描仪可达到 的最犬位深度可直接体现扫描精度的高低。 ( 6 ) 、清晰度 扫描仪的清晰度指标是评判扫描系统综合性能的一个宏观标准。在判别扫插 仪质量时，扫描图像的清晰度往往成为第一项查看标准。通常一个图像清晰与否 的差别可以表现在以下现象上： 图像层次的质感的细微精细程度，其本质是明暗层次过渡区细节之间的反 差大小。 图像颜色的过渡轮廓边界处的虚实程度，亦称“锐度”。 清晰度的高低不仅与扫描仪的扫描分辨率、采样位数直接相关，同时还与c c d 的信噪比、使用的光学系统的聚焦能力和镜头的分辨率有关。扫描仪的清晰度越 高，生成的图像自然越清晰。 第二章多c c d 扫描仪构成及开发原理 1 1 2 4 多c c d 扫描仪的构成 由于c c d 的分辨率由其表面分布的感光像元尺寸与像元数所决定，d 此也 就决定了扫描范围，而在医疗、航测等领域，所需要扫描的原稿有时较大，普通 型扫描仪无法满足应用要求，若只是单纯提高c c d 的像元集成数，不但成本高， 而且对扫描范围大小的贡献有限，通常使用多个c c d 外视场拼接的方式( 如图2 - - 4 ) 来提高扫描区域，在保持较高光学分辨率的情况下，使扫描范围大为提高。 图2 - 4 多c c d 外视场拼接示意幽 为提高传输速度，采用u s b 的接口方式，将多c c d 通过集线器( h u b ) 连 接到计算机，通过底层驱动进行设备切换。机械设计上将多个c c d 固定到一个 机械杆臂上，利用高精度伺服电机进行驱动，根据用户选择的扫描区域选择对应 的c c d 进行图像的获取，样机采用双c c d 外视场拼接进行扫描。 h g 大幅面扫描仪的性能指标【3 s 】： 形式平台式 原稿种类彩色黑自，正片负片 光学分辨率 6 0 0 6 0 0 d p i 色彩位数3 6 位彩色 最大扫描区域a 1 幅面 3 6 b i t s 彩色 1 2 b i t s 灰度 扫描方式 8 b i t s 灰废 1 b i t 黑自 儿何精度 0 】n n 明度暗度2 5 5 阶 多c c d 扫描仪系统的图像几何校止与拼接 对比亮度 + 1 0 0 一一1 0 0 密度范围 2 0 d 扫描速度 o 1 i p s 外形尺寸扫描仪1 3 5 0 x 1 2 0 x 8 0 0 m m 2 5 软件接口标准一t 、a i n 标准 t w a i n 标准是在w i n d o w s 环境下建立的一套扫描体系，是为应用程序和图 像获取设备之间的通讯而定义的一套标准软件协议和应用程序接口。对于扫描仪 厂商来说，只要他们的产品驱动向上支持t w a i n ，就能保证可在所有图像扫描软 件下使用：对于软件丌发商而苦，只要其软件向下兼容t w a i n ，就能保证可以驱 动所有支持此标准的扫描仪。 2 5 1t w a i n 概述 在扫描仪驱动程序研制的初期，由于每种扫描仪的驱动方式和指令不尽相同， 不得不分别对于每一种扫描仪，写出各自的扫描仪驱动模块，这样一来不仅费时 费力而且新的扫描仪不断地推出，在开发上始终处于被动地位。另一方面，众 多的扫描仪厂商同样面临着他们的设备是否支持丰富的应用软件的问题。软、硬 件的迅速发展，都迫切需要建立专门的标准，完成光栅图像设备和应用系统之间 的信息数据交换，t w a i n 就是为了满足这种需求才应运而生的。 t w a i n 标准的建立，为软件开发商和硬件生产厂家提供了统一的连接规范， 避免了重复开发和系统设备不兼容的问题。 2 5 2t w a i n 标准的基本组成 如前所述，t w a i n 定义了应用软件和图像设备资源之间进行信息交换的软件 协议和应用编程接口( a p i ) 。 t w a i n 标准的最基本和主要的组成如图2 5 所示，包括三个部分。 ( 1 ) 应用软件 软件开发者必须按照t w a i n 的规范修改应用程序。 ( 2 ) 设备资源管理器。 这部分软件由t w a i n 工作组提供，用于选样设备( 如扫描仪) 的类型，协调应 用软件与没各资源底层驱动之矧的信息交换和通信管理。在m sw i n d o w s 环境下， 设备资源管理器就是t w a i n d l l 。 第二章多c c d 扫描仪构成及开发原理 1 3 ( 3 ) 设备驱动资源。 这部分软件由硬件生产厂商提供，用来按照t w a i n 的规范控制图像设备的 底层驱动。 上述三个部分的协同工作，实现了应用软件和图像硬件之间的数据传送。 图2 5t w a i n 标准的组成 2 5 3t w a i n 标准的基本结构 t w a i n 标准的组成部分的基本结构由四个层次组成，这四个层次是应用层、 协议层、获得层和设备层，其中协议层是t w a i n 的主要内容，如图2 6 所示： ( 1 ) 、应用层。 这一层由软件开发者完成，用户的应用程序在这一层运行。t w a i n 标准描述 了应用程序如何调用t w a i n 的功能完成对设备驱动资源的访问。 ( 2 ) 、协议层 这一层是t w a i n 标淮的主要内容，包含三部分内容。第一部分是由应用软 件提供的应用系统和t w a i n 之间的接口；第二部分是t w a i n 的设备资源管理器； 第三部分是由硬件设备厂商提供的软件，设备驱动资源从设备资源管理器接收指 令返回图像数据和状态码。 f 3 ) 、获得层 在这一层，设备驱动资源通过没备资源管理器将图像数据传送给应用程序， 设备驱动资源总是同时包含用户界面，完成对设备的控制。当然如果有必要，软 件开发者也可以提供自己的用户界面，控制设备驱动资源。 ( 4 ) 、设备层 这一层就是传统的特定设备，可以是实际的物理设备如扫描仪。也可以是逻 辑设备如图像数据库。设备层将设备驱动资源的指令转换为硬件命今。 1 4 多c c d 扫描仪系统的图像几何校正与拼接 图2 6t w a i n 标准的基本结构 2 5 4t w a i n 各部分之间的信息交换 t ，a i n 的三个组成部分之间的信息交换都通过两个入口函数，这两个入口 函数是d s m e n t r y ( ) 和d s _ e n t r y ( ) 。d s m ( d a t as o u r c em a n a g e r ) 是数据资源 管理器，d s ( d a i as o u r c e ) 是数据设备驱动资源，在使用扫描仪的情况下，数据设 备驱动资源就是扫描仅驱动资源。 ( 1 ) 应用软件。 应用软件的主要目的就是要从扫描仪驱动资源读取图像数据，不过，应用软 件并不直接从扫描仪驱动程序读数据以保证与设备无关。所有的数据、指令信 息和出错信息等都是通过设备程序管理器，也就是t w a i n d l l 进行交换和管理 的。 t w a i n 定义了大约5 0 种左右的操作指令，应用软件将其传送到设备程序管 理器，并指明最终是传给设备程序管理器还是扫描仪驱动程序。 应用软件与设备程序管理器之间的信息交换都通过唯一的一个入口函数即 函数d s m l e n t r y ( ) 。d s m l e n t r y ( ) 函数包括以下参数： 用于标识信息源的数据结构。 第一：章多c c d 扫描仪构成及开发原理 信息传送目标：设备资源管理器或扫描仪驱动程序。 三个用来指定数据组( d g 一) 、数据参数类型( d a t 一) 和消息( m s g 一) 的参数。 一个指向传输数据的指针。 函数d s m e n t r y ( ) 的返回值表明函数调用是否成功。 ( 2 ) 设备资源管理器 设备资源管理器是应用软件和扫描仪驱动程序之间的数据通道，允许用户选 择扫描仪类型，并实现应用软件对扫描仪驱动程序的访问。 当应用软件调用d s m _ e n t r y ( ) 时，如果信息传送目标是设备资源管理器， 则设备资源管理器直接处理有关信息；如果信息传送目标是扫描仪驱动程序。则 设备程序管理器将有关参数变换后，调用函数d se n t r y ( ) ，去操作扫描仪驱动 程序。 此外，设备资源管理器还可以显示选择扫描仪类型对活框、完成扫描仪类型 的选择以及打开和关闭扫描仪驱动程序。 ( 3 ) 设备驱动程序( 扫描仪驱动程序) 扫描仪驱动程序接收到应用软件通过设备程序管理器传来的操作指令、或者 直接来自于设备程序管理器的操作指令后，根据这些指令处理有关信息。如果操 作成功，则向设备程序管理器送回图像数据及返回码，该返回码作为函数 d s me n t r y ( ) 的返回值传回应用软件；如果操作不成功，则返回出错代吗和相应 的附加信息。 2 5 5t w a i n 基于状态的协议 应用软件、设备资源管理器和扫描仪驱动程序之间的通信必须有效地管理， 从而完成图像数据的扫描，在逻辑上，其处理过程中的各个状态必须是有序的。 t w a i n 定义了七种不同的状态，这七种不同的状态及其相互之间的转换关系 如图2 7 所示。状态之间的转换通常是由应用软件或扫描仪驱动程序所产生的。 在t w a l n 的基于状态的协议中，状态1 、2 和3 都仅仅是设备程序管理器 的状态，而且设备资源管理器的状态一定不会是状态4 、5 、6 或7 ，状态4 、5 、6 和7 都仅仅是扫描仪驱动程序的状态。如果扫描仪驱动程序是打开的，其状态一 定不会是状态l 、2 或3 ：反之，如果扫描仪驱动程序是关闭的。则没有状态。如 果应用软件同时使用多个扫描仪驱动程序或其他设备驱动程序，与应用软件相连 的每一种驱动设序都有自己独立运行过程，被打开后即处于各自的状态上而不受 其它驱动程序的影响。 多c c d 扫描仪系统的图像儿何校正与拼接 2 5 6t w a i n 的数据传输模式 t w a i n 允许扫描仪驱动资源以三种不同的传输模式向应用软件传送扫描的 图像数据。 ( 1 ) 自然传输模式 这是缺省的t w a i n 数据传输模式，所有的扫描仪驱动资源都必须支持这种 模式，对于应用软件而言，这种传输模式也是最容易实现的，只不过有时会有一一 些局限性，主要表现在两个方面：一是受d i b ( 设备无关位图) 图像格式的限制； 二是可提供的内存的限制。 在自然传输模式中，扫描仪驱动资源分配单一的内存块来存储扫描数据，同 时给应用软件传送个指向内存位置的指针。应用软件要在扫描结束后，负责释 放内存块。 ( 2 ) 磁盘文件传输模式 磁盘文件传输模式不要求所有的扫描仪驱动资源都必须支持，但t w a i n 推荐 扫描仪驱动资源支持这种模式。 应用软件需要建立一个用来存储扫描图像数据的文件，并确认文件的存取权 限是既可以读也可以写，以保证扫描仪驱动资源能够正确访问。t w a i n 提供让 应用软件检测扫描仪驱动资源所支持的图像存储格式，应用软件可以根据这一信 息，指定存储扫描图像数据的文件名和文件格式。 当图像数据非常庞大，自然传输模式由于受内存的限制而遇到困难时，磁盘 文件传输模式是一种比较理想的选择。磁盘文件传输模式比下面要介绍的内存缓 冲传输模式容易实现得多，不过，磁盘文件传输模式比内存缓冲传输模式要慢一 些，而且，应用软件在扫描结束后，要自己管理和访问图像文件。 ( 3 ) 内存缓冲传输模式 同自然传输模式一样，内存缓冲传输模式也要求所有的扫描仪驱动资源都必 须支持。图像数据通过一个或多个内存缓冲区进行传输，用于缓冲区的内存出应 用软件自行管理，负责分配和释放。 在内存缓冲传输模式中，图像数据以非格式化的位图方式进行传送。应用软 件必须不断检测扫描仪驱动资源在扫描过程中所传回的信息( t w j m a g e i n f o ( ) 以及t wm a g e m x f e r ) ，从而知道每一个单独的缓冲区是否能正确存放图像 数据。 如果采用自然传输模式或磁盘文件传输模式，扫描图像数据的传送次完成， 内存缓冲传输模式则不同，应用软件必须建立一个循环，进行重复操作，从而完 成多个缓冲区的图像数据的获取。 第：章多c c d 扫描仪构成及开发原理 1 7 赢 装 应 开 7 传输状态 扫描仪驱动资源传输数据 1 初始状态 传输结束 j _ 始传输数藐 设备资源管理器尚未安装 6 传输( 数据) 就绪 j 软什：安 【， 、应用软件： 应用软件获取i 冬| 像信息 管理器 卸载源管理 l 蒋蒜辫 源：当没有其它传 输等待时 2 设备资源管理器己安装 v _ 5 扫描仪驱动资源被激活 应用软件入口点 显示用户界面 ；潮僻蠹= 应用软1f ：关件取消源 jl _ 软件，激活2 。闭驱动i源 。 l 4 扫描仪驱动资源假嗣升 用户选择扫描仪 一性能确认 应用软件：打开 设备资源管理器状态 驱动资源 扫描仪驱动资源状态 图2 7t w a i n 定义的状态 内存缓冲传输模式无论是在图像数据获取，还是在系统资源控制方面，都具 有极大的适应性；不过也最不易实现，软件编程比自然传输模式和磁盘文件传输 模式都要复杂的多。 2 , 6l m 9 8 3 3 开发包简介 l m 9 8 3 3 是美国国家半导体公司出品的基于u s b 图像扫描系统的i c 芯片， 提供了图像传感器控制、扫描照明控制、像素处理中图像数据的缓冲控制、微步 进电机控制及u s b 接口。l m 9 8 3 3 适合于开发高端彩色扫描仪。可应用于平板式 或滚筒式扫描仪中的主控芯片。 l m 9 8 3 3 提供了用于后续开发的开发包，提供了相应的有关类与函数，用于 对u s b 驱动、扫描界面、电机控制、传感器控制、数据处理进行操作，丌发包可 分为三大部分： 1 8多c c d 扫描仪系统的图像几何校正与拼接 ( 1 ) 、u i l m 9 8 3 3 l m 9 8 3 3 提供的界面操作部分，包含有扫描界面的有关操作，提供了d i b 图 像读写类、伽玛曲线调整等有关类。 ( 2 ) 、t w a i n l m 9 8 3 3 l m 9 8 3 3 提供的t w a i n 软件接口部分需调用的函数，包括t w a i n 协议的 容器类和数据类型蜕明。 ( 3 ) 、s c a n l m 9 8 3 3 l m 9 8 3 3 提供的扫描操作部分，包含有u s b 驱动控制类、硬件及电机部分 控制类、扫描仪操作控制类。 2 7 本章小结 本章主要论述了扫描仪的构成及使用c c d 感光来获取图像的工作原理，对 影响扫描仪质量的指标进行了叙述，对使用多c c d 拼接方式来获取高分辨率图 像的扫描仪的构成以及h g 大幅面扫描仪的性能指标进行了说明，最后介绍了扫 描仪开发过程中所使用的t w a i n 标准及l m 9 8 3 3 开发包。介绍了作为软件接口 标准的t w a i n 协议所包含的元素组成及传输方式。对l m 9 8 3 3 开发包的构成作 了简单的介绍。 第三章扫描仪图像儿何校止算法分析 9 第三章扫描仪图像几何校正算法分析 几何精度，是扫描仪的最重要技术指标之一。在图像数字化的过程中，应保 证原始图像中各点的相对位置关系保持不变，通常衡量扫描仪几何精度的办法是 把块精密标准格网扳放在扫描平台上，选取其上某一个规则正方形a b c d 。该正 方形经过扫描数字化后，被分块存贮在图像处理板上。f 方形格网图像通过数 模转换和软件拼接后，再显示在监视器的屏幕上时，应该仍然是规则的正方形。 如果正方形f i b c d 四点的相对位置关系发生变化，如四条边长度不相等、邻边相互 不垂直、边自身不成直线等，说明分块之间的拼接存在几何误差。产生这个误差 的原因是多方面的，有的是在仪器结构设计和零件加工过程中造成的，有的则是 在仪器的装配与调试当中产生的。 3 1 影响扫描仪几何糟度的误差来源 扫描仪的工作原理是采用高精度步进电机驱动c c d 机架，将原稿平放在玻 璃板上，光源透过玻璃板通过安装在下方的镜头成像在c c d 阵列上。所以步进 电机移动误差和c c d 镜头成像畸变等原因将导致采样数据源的输入失真。由于 这些误差系数在某一扫描仪系统确定后不会出现突然改变，相应的畸变模型在校 正过程中可以认为是一次获得后将固定不变。除此之外还有一类变形是由每次扫 描过程中的偶然因素引起的，包括操作误差、扫描原稿中的凹凸不平等，这些因 素导致的失真变形是不可预知和非线性的，并且一般只出现在整幅图像的某些局 部区域。详述如下： 1 ) 镜头成像畸变 主要是由于光学成像原理造成的c c d 面元上的成像畸变，如中央部分和边缘 部分图像的放大倍率有所不同。 2 1c c d 像元排布不严格等间距共线 高精度的c c d 元件通常分布排列有间距只有凡um 的近万个图像单元，这些 单元必须要严格共线排列才能使获得图像不变形。 3 ) 由光源至0c c d 之间的光路元件制造不够精密 扫描仪是集光、机、电为一体的精密图像输入设备。要求有商精度的光学元 件，j 能保证接收图像的质量。 4 ) 步进电机走步步长不均匀或步进电机走步方向与c c d 像元排列方向不垂 直 多c c d 扫描仪系统的图像几何校正与拼接 在扫描仪控制电路控制下，步进电机驱动光学系统和c c d 扫描装置在传动 导轨上与待扫描原稿做相对平行移动，将待扫描图像按线方式扫入，直至完成整 幅原稿的扫描。若步进电机走步方向与c c d 像元排列方向不垂直，则会使图像 产乍倾斜或几何形变，在外视场拼接下，若多c c d 的电机走步不均匀，则会直 接导致获取图像的畸变( 如图3 1 ) 。 图3 1 步进电机走步不一致所带来的拼接误差 5 ) 仪器零部件加工精度引起的误差 因为扫描仪工作方式是对图件逐行逐块进行采集，行与行之间、块与块之间 的拼接精度是依靠机械传动的定位精度来保证的，所以关键零部件存在的安装和 加工误差会决定最后拼接出来的图像的几何精度。比如传动丝杠的螺距误差和移 动导轨的直线性误差等，虽然通过采用高精度的传动丝杠可以提高采样的精度但 提升空间有限，加上金属热胀冷缩变形和运行磨损，在系统的副扫描方向会积累 采样位置误差。 6 ) 多c c d 阵列致性误差 对于本系统中的多c c d 阵列，两个c c d 之问存在着重叠范围或空白区( 如 图3 2 ) ，比较扫描前后的结果可以获得这些区域的尺寸，通过软件删除或增添像 素的办法，可以除去图像中的重叠部分或填充空白空间。c c d 阵列之间除了位置 还有放大倍率和清晰度的不一致，通过调整透镜的像高，得到较为清楚的图像信 息。同时调整物高，避免因为双相机镜头的高度不同造成两部分采集到的图像放 人倍率不同。 图3 2 多c c d 阵列一致性误差示意图 7 ) 偶然因素引起的局部变形 第_ 章扫描仪图像几何校正算法分析 这方面的误差主要是每件原稿材料本身的变形、操作人员的操作不当。步进 电机的抖动以发扫描仪工作环境的不稳定所引起，每次扫描的局部变形的系数是 不同的，这种变形没办法用一次的校正模型进行统处理。 3 2 图像几何校正的方法 为保证获取图像的几何精度，需要从硬件、软件相结合的角度出发，对可能 影响图像质量的因素逐一校正。在性能上，无论使用什么办法都无法彻底的解决 该问题，但在要求的误差范围内都是可行的。硬件从根本问题入手，效果好但不 灵活，精度提高空间有限：软件适应性强，灵活易更改，校j 下效果较好。除此之 外，用硬件解决成木高昂，软件成本较低。 硬件方面： 尽叫能提高硬件的品质，利用更小畸变的镜头，以使在c c d 上获得良好的 感光图像；在零件加工方面，重点对导向导轨和精密计量丝杆f “格控制加工误差； 在安装调配时，对机械传动机构的垂直性、平行性和隙动等必须做常规精密调整。 软件方而： 硬件的调整具有一定的局限性，且成本较高，当精度要求较高时，需要利用 软件方法进行图像的校正。 目前最为常用的是使用坐标变换法即将有几何畸变的幽像坐标系变换到几何 畸变已被校正的无畸变坐标系巾，完成图像几何畸变的校正。 3 2 1 图像几何变化的理论基础 数字图像的几何变换( 或称空间变换) 是指源图像中点与其变换后的图像中 的点之间的映射关系，可以表示为： m x ( u ，v ) m u ( x ，y 门 l y j 一【】，( v