專利名稱：一種用接觸式圖像傳感器測量密度的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種用接觸式圖像傳感器(contact Image Sensor,簡稱CIS)測量密度的裝置及方法，用于測量反射樣品，如印刷品或照片的ISO密度值，進而應用于彩色復制中的質量控制和檢測，屬于光學測量和信息處理技術領域。
背景技術：
在彩色復制過程中，如彩色印刷或彩色打印的過程中，為了控制和檢驗樣品的復制質量和呈現顏色的準確性，通常要進行顏色測量和密度測量。顏色測量主要檢驗樣品的顏色差別，密度測量主要用于復制過程的參數控制，特別是為了測量供墨量是否準確，這直接關系到復制的顏色。在進行印刷過程質量控制時，由于印刷機的速度通常很高，而且在對彩色復制過程進行控制時通常要對多個標樣進行測量，如對測控條上不同位置和不同原色的色塊進行實時測量，因此要求測量和計算的速度比較高。目前使用的快速顏色測量儀器都是價格很昂貴的進口儀器，而且體積很大，如X-Rite Intelitrax或Easytrax等。在影像處理與復制領域，還需要用色彩管理技術進行復制圖像質量的檢測，必須對大量的顏色樣品進行測量，如ISO IT8/7.3標準色標有近1000個色塊，ECI2002色標有1500個色塊。為了提高密度和顏色測量的速度，目前工業中普遍使用進口的昂貴設備，如美國X-Rite公司的EyeOne IO和iliSis等掃描分光光度計，通過對顏色樣品的掃描測量記錄每個色塊的密度和顏色測量數據。工業上使用的密度測量儀器主要分為兩類:分光密度計和光電密度計。二者的測量原理不同。分光密度計通過對測量樣品反射光的光譜分析計算密度值，而光電密度計通過光電轉換器件的光電特性模擬密度的計算過程。通常分光密度計的測量精準度要高于光電密度計，但儀器制造的復雜度和成本也遠高于光電密度計。而光電密度計的優點是結構簡單，價格低，測量速度快。國內尚未生產出適用于上述工業需要的商品化掃描式密度測量儀器，其主要原因是分光密度計屬于精密光學儀器，結構復雜，精度和集成度要求都很高，制造技術復雜，國內尚不掌握其核心技術。而掃描測量不僅對儀器的精度要求高，還需要精密的掃描定位控制技術，制造難度更大。
發明內容
本發明根據光電密度計的原理，利用接觸式圖像傳感器感光單元列陣的光電特性提出一種能夠快速測量大量顏色樣品密度值的裝置和方法。通過接觸式圖像傳感器(Contact Image Sensor,簡稱CIS)對印刷測控條進行掃描測量,采集得到測控條中每個色塊的RGB響應值，再對RGB響應值進行數學變換得到相應的密度測量值，進行印刷參數的控制。接觸式圖像傳感器是一種集成度非常高的光電轉換器件，其內部集成了 LED光源、光學透鏡、光電轉換單元陣列以及相關的電路。其中光電轉換單元排列成一個線陣列，其中可包含數千個光電轉換單元，每一個光電轉換單元都相當于一個光電密度計測量頭，可以對反射樣品，如照片、印刷品等進行多點的密度測量，其內部結構示意如圖1所示。反射樣品經LED光源照明后，反射光被柱透鏡收集并由各光電轉換單元將光信號轉換為模擬電信號，經過內部電路放大和A/D轉換器得到與光信號成比例的數字信號。由于有數千個光電轉換單元排列成一行，因此同時可以采集反射樣品上一行的密度信息。如果同步縱向移動接觸式圖像傳感器CIS或反射樣品，就可以將整幅樣品的密度信息采集下來。接觸式圖像傳感器CIS分為單色和彩色等幾種類型，其中彩色CIS可以將彩色樣品的反射顏色光轉換為相應的紅、綠、藍(RGB)電信號。目前CIS多用于圖像信息的采集及識別。本發明利用彩色CIS器件的光電轉換功能和光電轉換單元陣列排列的特點設計了一種快速測量反射樣品密度的光電密度計，每一個光電轉換單元構成一個獨立的光電密度計，因此單元陣列可以在不同位置同時采集多個顏色樣品，實現對大量反射樣品的批量密度測量功能。要實現光電密度計的功能，首先用CIS器件對反射樣品顏色信息進行采集，將采集的RGB數學信號進行相應的數學轉換，得到符合IS05-3密度標準的測量值，實現密度測量的功能。—種用接觸式圖像傳感器測量密度的裝置，主要用于測量反射樣品的密度值，包括接觸式圖像傳感器CIS、相應接口電路和計算機(包含相應的計算算法)。接觸式圖像傳感器通過接口電路連接到計算機上，用接觸式圖像傳感器采集反射樣品的(反射)光信息，將其轉換為電信號，電信號再轉換為數字信號，通過接口電路傳輸到計算機，經過計算機軟件的相應計算算法將數字信號，即RGB數字值進行歸一化、對數變換和線性變換等一系列數學變換處理后，得到樣品的密度測量值。接觸式圖像傳感器CIS對反射樣品的反射光信息進行逐行采集，通過與行采集垂直方向的移動進行顏色光信息的掃描采集，可同時測量多個反射樣品的密度值。所述接口電路對CIS逐行采集的電信號進行A/D變換(轉換)得到RGB數字信號，并將RGB數字信號傳送給計算機，接口電路采用的輸出接口可以為USB、Camera Link或IEEE1394 接口等。一種用接觸式圖像傳感器測量密度的方法，包括如下步驟:(I)采用接觸式圖像傳感器CIS照明反射樣品并對反射光信息進行采集、A/D變換，得到數字化的RGB數值；
(2)利用數學變換技術將接觸式圖像傳感器采集的RGB數值進行歸一化、對數變換和線性變換等一系列處理，得到符合ISO標準的密度值，進而計算得到其它所需的數值。通過接觸式圖像傳感器CIS可以對反射樣品逐行掃描進行反射光信息的采集，通過傳感器或樣品的縱向移動可以進行掃描采集，實現大面積、多色塊的快速密度測量，反射樣品可包含單個或多個色塊，可以實現多色塊的掃描測量。接口電路對采用CIS對反射樣品進行逐行掃描采集反射光信息得到的電信號進行A/D變換并得到RGB數字顏色值，通過USB、Camera Link或IEEE 1394接口等將RGB數字顏色值傳送給計算機。RGB數值經接口電路傳送至計算機，首先將采集的RGB數值進行歸一化處理，然后對歸一化的RGB值的倒數進行對數變換，經過對數變換后得到的RGB值與標準密度值(ISO密度值)呈線性關系，通過線性變換矩陣可模擬出標準的密度值；由計算得到的密度值可以進一步轉換為其它過程控制量，如墨量和網點面積率等，實現彩色復制過程的質量控制。本發明的優點:
本發明根據光電色度計的原理，利用集成度非常高的接觸式圖像傳感器(CIS)的光電轉換器件性質和列陣排列的特點進行密度測量，避開了分光光度計的復雜技術，可降低儀器成本；利用CIS光電轉換單元陣列排布的特點，可以同時多點測量，一次可測量樣品上一條直線的顏色，而不是只測量一個點，可實現大量顏色樣品的快速掃描測量，滿足快速測量的需要；使用接觸式圖像傳感器內部光源，儀器的集成度可以很高；可以幾乎與反射樣品接觸到一起進行測量(測量距離1-3_)，因此可以有效避免環境光的干擾，提高測量的穩定性；利用顏色轉換技術進行RGB值到ISO密度的計算，可使計算結果與ISO標準密度值—致。本發明將接觸式圖像傳感器CIS和對采集顏色信息的計算處理兩項技術組合起來，利用CIS制作了一個快速測量顏色樣品密度值的光電密度計，將RGB信號進行計算最終得到符合ISO標準的密度值。下面通過附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明，但并不意味著對本發明保護范圍的限制。
圖1為接觸式圖像傳感器的內部結構示意圖。圖2為 用接觸式圖像傳感器對樣品進行掃描采集密度值示意圖。
具體實施例方式本發明利用接觸式圖像傳感器CIS高度集成化的光電轉換器件特性測量密度值，避開了分光光度計的復雜技術，利用光電色度計的原理和CIS光電轉換單元陣列的特點實現大量彩色樣品的快速掃描測量，滿足彩色復制過程中對快速密度測量的需要。測量反射樣品密度值的裝置主要包括:接觸式圖像傳感器2、相應接口電路和計算機3。接觸式圖像傳感器2的內部光源照明反射樣品I并采集反射樣品I的反射光信息，將其轉換為電信號，采集的電信號通過接口電路進行A/D轉換并將數字信號傳輸到計算機3，計算機3通過相應的計算算法(相應軟件)將從反射樣品I上采集的RGB信號進行相應的數學變換。首先將采集的RGB數值進行歸一化處理，然后對歸一化的RGB值的倒數進行對數變換，對數變換后得到的結果與標準密度值呈線性關系，通過線性變換矩陣計算得到符合IS05-3規定的標準密度值。反射樣品I上包含單個或多個色塊，接觸式圖像傳感器2對反射樣品I上的反射光信號橫向逐行進行采集，通過縱向移動反射樣品I或CIS圖像傳感器2實現掃描采集，通過顏色信息的掃描采集和數據處理，可以連續測量反射樣品I上的多個色塊。如圖2所示，為該裝置掃描測量密度的示意圖。接口電路對接觸式圖像傳感器2逐行采集的電信號進行A/D變換并得到數字信號(RGB數字顏色值)，傳送給計算機3，接口電路采用的輸出接口可以為USB、Camera Link或IEEE1394 等接口。用接觸式圖像傳感器測量密度的方法，先采用接觸式圖像傳感器CIS對反射樣品的反射光信息進行采集、A/D變換，得到數字化的RGB數值；然后利用數學變換技術將接觸式圖像傳感器采集的RGB數值進行歸一化、對數變換和線性變換或查找表計算等一系列處理，得到符合ISO標準的密度值，進而計算得到其它所需的數值。具體步驟包括:I)包含單個或多個色塊構成的反射樣品I由接觸式圖像傳感器2構成的采集裝置按圖2所示的箭頭方向掃描(或樣品向箭頭反方向移動)，通過接觸式圖像傳感器2中的光電轉換單元將樣品的各色塊顏色光信息轉換為RGB數值，經USB接口或其它接口(如CameraLink或IEEE1394)傳送給計算機3 ；2)在計算機3中首先將采集的RGB數值進行歸一化處理:r=Rd/R0, g=Gd/G0 b=Bd/B0 (I)其中，Rd, Gd和Bd為CIS采集得到的RGB數字值，R0, G0和B。為CIS裝置對白色樣品采集得到的RGB值。根據IS05-3對彩色密度的定義，青、品紅、黃及視覺密度(分別記為De、Dm、Dy和Dv)等于白光透過特定光譜分布濾色片光通量倒數的對數。為此，對歸一化后的RGB值的倒數進行如下對數變換: DE=lg(l/r), Dc=Ig(1/g), DB=lg(1/b), DN=lg(I/(r+g+b)) (2)由于CIS內部的光譜分布不完全符合IS05-3中的光譜分布定義，經過對數變換后的DK，Dg, Db和Dn不能準確等于ISO標準的密度值，但具有與ISO標準密度值成線性關系的特性，可以用其的線性組合獲得ISO標準密度值。3)由DK，Dg, Db和Dn值變換到ISO標準密度值。對于青、品紅、黃密度有:
權利要求
1.一種用接觸式圖像傳感器測量密度的裝置，其特征在于:該裝置包括接觸式圖像傳感器、接口電路和計算機，接觸式圖像傳感器通過接口電路連接到計算機上，接觸式圖像傳感器采集反射樣品的光信息，將其轉換為電信號，電信號再轉換為數字信號，通過接口電路傳輸到計算機，經計算機將數字信號進行歸一化、對數變換和線性變換的數學變換處理后，得到樣品的密度測量值。
2.根據權利要求1所述的用接觸式圖像傳感器測量密度值的裝置，其特征在于:所述的接觸式圖像傳感器對反射樣品的反射光進行逐行采集，通過與行采集垂直方向的移動進行顏色光信息的掃描采集，實現同時測量多個反射樣品的密度值。
3.根據權利要求1所述的用接觸式圖像傳感器測量密度值的裝置，其特征在于:所述接口電路對所述的電信號進行A/D變換得到數字信號并傳送至計算機，接口電路采用的輸出接口為 USB、Camera Link 或 IEEE 1394 接口。
4.一種用接觸式圖像傳感器測量密度的方法，包括如下步驟: (1)采用接觸式圖像傳感器對反射樣品的反射光信息進行采集、A/D變換，得到數字化的RGB數值； (2)利用數學變換技術將得到的RGB數值進行歸一化、對數變換和線性變換處理，得到樣品的密度測量值。
5.根據權利要求4所述的用接觸式圖像傳感器測量密度的方法，其特征在于:采用接觸式圖像傳感器對反射樣品進行逐行掃描采集反射光信息，所述的反射樣品包含單個或多個色塊。
6.根據權利要求5所述的用接觸式圖像傳感器測量密度的方法，其特征在于:接口電路對采用接觸式圖像傳感器對反射樣品進行逐行掃描采集反射光信息得到的電信號，進行A/D變換并得到RGB數值，通過USB、Camera Link或IEEE1394接口將RGB數值傳送至計算機。
7.根據權利要求4所述的用接觸式圖像傳感器測量密度的方法，其特征在于:首先將RGB數值進行歸一化處理，然后對歸一化的RGB值的倒數進行對數變換，經過對數變換后得到的RGB值與ISO密度值呈線性關系，通過線性變換矩陣計算得到符合ISO標準的密度值。
8.根據權利要求7所述的用接觸式圖像傳感器測量密度的方法，其特征在于:由計算得到的密度值進一步轉換，得到墨量和網點面積率。
全文摘要
本發明涉及一種用接觸式圖像傳感器測量密度的裝置及方法，用于彩色復制中的質量控制和檢測，屬于光學測量和信息處理技術領域。該裝置包括接觸式圖像傳感器、接口電路和計算機，接觸式圖像傳感器通過接口電路連接到計算機上，接觸式圖像傳感器采集反射樣品的光信息，將其轉換為電信號，再轉換為數字信號，通過接口電路傳輸到計算機，進行歸一化、對數變換和線性變換等數學變換處理后，得到樣品的密度測量值。本發明利用集成度非常高的接觸式圖像傳感器的光電轉換特性進行密度測量，避開了分光光度計的復雜技術，利用光電色度計的原理和CIS光電轉換單元陣列的特點實現大量彩色樣品的快速掃描測量，滿足彩色復制過程中對快速密度測量的需要。
文檔編號G01N9/00GK103234863SQ201310139118
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月19日 優先權日2013年4月19日
發明者劉浩學, 黃敏, 楊文杰, 秦練, 武兵, 徐艷芳, 劉瑜, 李修 申請人:北京印刷學院