CN1229958A - 一种图像扫描器及产生步进位置控制表的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可依据一步进位置控制表来扫描文件图像的图像扫描器,以及产生步进位置控制表的方法。该扫描器包含有一扫描组件,用来扫描一文件并产生一相对应的图像信号,一驱动装置,用来驱动该扫描组件或该文件以进行扫描,以及一控制装置,用来控制该扫描组件及该驱动装置的操作。该控制装置包含有一步进位置控制表,其内存有驱动装置驱动扫描组件或文件移动的步进数。在扫描文件时,该控制装置会依据该步进位置控制表内的各扫描线位置相对应的步进数来精确控制该驱动装置,进而移动扫描组件或文件至预定扫描线位置进行扫描,以减少因机械公差造成的扫描组件移动偏差的问题,使高分辨率扫描器更经济。

Description

一种图像扫描器及其产生步进位置控制表的方法

本发明涉及一种图像扫描器，尤指一种可依据一步进位置控制表来精确移动扫描组件或文件的图像扫描器，以及产生步进位置控制表的方法。

由于图像扫描器己在许多工作上被广泛使用，因此图像扫描器的分辨率也在提升品质的要求下而不断的被提升。在平台式扫描器中，扫描组件是由步进马达以及一些机械式的导引机构所组成的传动装置所带动。为了要提高扫描分辨率，传动装置的传动精确度必须同时被提升才能达到这种高精确度的要求。但是由于传动机构的机械元件都会有制造及加工上的误差，而这些误差的累积就会使传动装置在传动时产生一些周期性的误差而使扫描组件无法被精确的带到各个扫描位置。

请参见图1所示，图1为一图像扫描器的扫描组件在扫描图像时的误差曲线图，其中横轴表示扫描组件在扫描图像时应扫描的扫描位置，纵轴表示扫描组件在扫描每一条扫描线时的实际扫描位置与其应扫描的扫描位置之间的偏差距离。横轴所表示的扫描位置是以扫描线为单位，每两条相邻扫描线之间的单位距离是一样的，它是由扫描器的分辨率来决定，例如分辨率为300dpi时相邻扫描线之间的单位距离为300分之1英寸。由图1的误差曲线34可以看出，扫描组件在扫描图像时，传动机构的机械误差会使它在循序扫描各个应扫描的扫描位置时产生周期性的误差。这种周期性的误差会使扫描器在扫描图像时产生一些变异，例如在扫描一条斜线时，这种周期性的误差会使扫描所产生的斜线图像看起来有一些局部的弯曲而不像一条直线。

因此本发明的主要目的在于提供一种可依据一步进位置控制表来精确移动扫描组件或文件，并进行扫描文件图像的图像扫描器以解决上述传动装置所产生的周期性误差的问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种图像扫描器，其包含有一用来扫描一文件并产生一相对应的图像信号的扫描组件，一用来沿移动方向驱动所述扫描组件或所述文件以扫描该文件的驱动装置，以及一用来控制该扫描组件及驱动装置操作的控制装置，其特征在于：所述的控制装置包含有储存对应扫描线位置的步进数的步进位置控制表，其中，当扫描所述文件时，该控制装置会依据所述的步进位置控制表内的各扫描线的步进数来控制所述驱动装置以逐一扫描该文件的图像。

一种用来产生上述的图像扫描器的步进位置控制表的方法，该步进位置控制表包含有对应移动扫描组件或文件至各扫描线的步进数，其特征在于该方法包含有下列步骤：

提供校正文件，该校正文件具有至少一条斜线；

扫描校正文件，系利用驱动装置以预设的步进数驱动所述扫描组件或校正文件，并利用该扫描组件来扫描该校正文件，以获得前述扫描组件在各扫描线上的该校正文件的图像信号；

计算斜率tanθ，依据所述扫描线的图像信号求得斜线的斜率；

计算横向位移误差值DX(n)，依据所述各扫描线的图像信号，利用对应前述校正文件斜线的灰阶变化来计算各斜线的横向位移值以及误差；

计算实际扫描线的纵向位移误差值DY(n)，依据所述横向位移误差值与所述斜线斜率计算实际扫描线的纵向位移误差值；以及

设定修正步进数S(n)，依据所述位置误差值设定各扫描线的步进数，并储存在步进位置控制表。

根据上述方法，其中计算斜率tanθ的方法系利用线性回归的方式计算各斜线的斜率，再计算其平均值。

根据上述方法，其中计算横向位移误差值的方法包含下列步骤：

设定一灰阶参考值作为各斜线的黑白边界值；

计算第一条扫描线各斜线的黑白边界位置Xi(1)；

计算第n条扫描线各斜线的黑白边界位置Xi(n)；

计算第n条扫描线各斜线的横向位移值误差值DXi(n)

Dxi(n)=Xi(n)-Xi(1)+(n-1)+T/A

其中T为累积修正步数，A为每条扫描线的预设驱动步数，i为黑白边界数；

计算第n条扫描线的平均横向位移值DX(n) $\mathrm{DX}\left(n\right)=1/2m\underset{i=1}{\overset{2m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{DXi}\left(n\right)$

其中m为斜线数。根据上述方法，其中计算各斜线的黑白边界位置的方法为内插法。根据上述方法，其中计算平均横向位移值DX(n)的方法为 $\mathrm{DX}\left(n\right)=1/2m\underset{i=1}{\overset{2m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{DXi}\left(n\right)$

其中m为斜线数。

根据上述方法，其中计算平均横向位移值DX(n)的方法为 $\mathrm{DX}\left(n\right)=1/m\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{DXi}\left(n\right)$

其中m为斜线数。

根据上述方法，其中计算实际扫描线的纵向位移误差值DY(n)的方法为

DY(n)=DX(n)*tanθ。

根据上述方法，其中设定修正步进数S(n)为

若DY(n)＞1/2A则S(n)=A-1，且T=T-1，

若DY(n)＜-1/2A则S(n)=A+1，且T=T+1，

否则S(n)=A，且T不变。

由于采用以上技术方案，可达到以下有益效果：

1．以加工精度要求较低的元件，达到较高扫描分辨率所要求的传动品质，降低了对扫描器的传动元件的精度要求，可提高高分辨率扫描器的生产率和合格率，使高分辨率扫描器更经济。且理论上可将定位误差控制在传动机构最小步进距离的二分之一以下。

2．不需增加感测元件，其校正方式为非即时校正，不影响扫描速度。

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

图1为一图像扫描器的扫描组件在扫描图像时的误差曲线图。

图2为本发明扫描器的功能方块示意图。

图3为一具有校正图形之校正文件的示意图。

图4为本发明产生步进位置控制表的方法流程图。

图5为图像扫描器校正后的误差曲线图。

请参见图2，图2为本发明扫描器10的功能方块示意图。本发明扫描器10可以是一平台式扫描器，其包含有一透明平台12用来放置一待扫描的文件，一扫描组件16用来扫描文件并产生一相对应的图像信号，一驱动装置18用来沿一移动方向驱动扫描组件16以扫描文件，以及一控制装置20用来控制扫描组件16及驱动装置18的操作。图像信号每条扫描线与驱动装置18的移动方向26为相互垂直。参见图3所示。

本发明还揭示一种用来产生一图像扫描器的步进位置控制表22的方法，步进位置控制表22包含有对应移动扫描组件至各扫描线的步进数S(n),n标识为第n条扫描线，控制装置20则会在扫描文件时依据步进位置控制表22内的各扫描线的步进数来控制驱动装置18，以逐一扫描各扫描线的图像。

以下说明本发明产生扫描器10的步进位置控制表22的方法：

(一)扫描一校正文件14：

请参见图3所示，图3为一具有校正图形的校正文件14的示意图，该校正文件14的长度至少需覆盖扫描平台12的长度，即含括扫描组件16所有的行程。箭头26所指为扫描组件16被驱动时的移动方向。校正图形包含有至少一斜线28(最好为复数条平行的斜线)，斜线28与扫描线及步进方向都不平行。假设斜线28与每一条扫描线的夹角为θ，且驱动装置18平均每驱动A步，扫描组件16移动一条扫描线。控制装置20持续以每条扫描线驱动A步的方式移动扫描组件16，并扫描整个校正文件14。

(二)计算实际扫描组件位置：

每条扫描线的图像信号的实际位置(即扫描组件的移动位置)，可依据每条图像信号中图像信号对于校正文件14上的斜线28图像的变化来计算得出。例如扫描组件16沿移动方向26依序扫描校正文件14而产生第一条扫描线图像信号30及第n条扫描线图像信号32。首先找出图像信号30与斜线28黑白交界图像在感测单元线上的位置X(1)，及图像信号32与斜线28黑白交界图像在感测单元线上的位置X(n)，比较其间的差距DX(n)=X(n)-X(1)+(n-1)+累积修正值，再利用斜线28的斜率(tanθ)来求得二图像信号30、32的实际扫描位置间的误差距离DY(n)=DX(n)*tanθ。

(三)决定步进数：

由上面所述的方法可以得到每一条扫描线其实际扫描位置的误差资料，此时修正每一扫描线应前进的步进数，并加以记录在步进位置控制表22。由于步进位置控制表22中记录的步进数是最接近预定扫描位置的步进数，显然控制装置20在实际扫描一文件时，只要控制驱动装置18驱动扫描组件16，并依据步进位置控制表22中所记录的步进数使扫描组件16依序进行扫描，实际扫描位置与预定扫描位置间的误差就可以控制在最小步进距离的二分之一以内。

将步进位置控制表22储存在控制装置中，以后扫描文件时，控制装置20便会依据步进位置控制表22内的各扫描线的步进数来控制驱动装置18以逐一扫描文件在步进位置控制表22内的各步进位置上的图像，如此即可减少扫描线之预定扫描位置与其实际扫描位置的偏离距离，而得到可靠的扫描图像。

请参考图4，图4为本发明产生步进位置控制表的方法流程图。

步骤40：开始；

步骤42：放置校正文件；

步骤44：以预定的步进数A驱动扫描组件16，以扫描整张校正文件；

步骤46：计算校正文件斜线的斜率，设定累计修正步数T=0；

步骤48：计算第一条扫描线的图像对应于各斜线28的黑白边界位置Xi(1)；

步骤50：找出第n条扫描线的图像对应于各斜线28的黑白边界位置Xi(n)；

步骤52：计算每条扫描线横向的误差值DXi(n)，以及其平均误差值DX(n)；

步骤54：由平均误差DX(n)与斜率(tanθ)来求得第n条图像扫描线与预定扫描位置间的距离误差

DY(n)=DX(n)*tanθ；

步骤58：依据实际扫描位置与预定扫描位置的误差DY(n)决定步进数S(n)，并累计修正步数T；

步骤60：将S(n)记录至步进位置控制表22中；

步骤62：是否为最后一条扫描线？是，到步骤64，否，到步骤50；

步骤64：以步进数S(1)到S(n)形成步进位置控制表；

步骤66：结束。

在步骤46或50中找出扫描线对应于斜线28的感测单元17位置Xi(n)时，有二点必须加以说明。

第一，实际上一条斜线28对感测单元而言是有一定的宽度，也就是一条斜线28会造成一图像信号中有两段黑白交界的图像，要决定斜线28的图像所对应的感测单元的位置X(n)有几种方法。一是分别找出两段黑白交界图像所对应感测单元的位置，再求其中点当成X(n)；二是只找其中一边而忽略另外一边；三是将这条有宽度的斜线28的两边当成是两条斜线分别计算其X(n)后再作后续计算，有关多条斜线计算X(n)的方法将在后面再详加说明。

第二，一般而言感测单元17的输出值不一定是代表全黑的最小值或全白的最大值，并且黑白交界X(n)往往也不落在感测单元的正中央，在此举下列例子加以说明处理的方法。例如，感测单元17的输出为八位元的灰阶值(0-255)，则可选定一参考灰阶值定义为黑白的边界，其值介于灰阶的最大值与最小值之间，如可选择128作为参考灰阶值。如果某一图像信号内第100个感测单元的输出灰阶值为0，第101个感测单元的输出灰阶值为156，则可推测斜线28黑白交界图像的位置介于第100个感测单元与第101个感测单元间，利用内插法便可求得参考灰阶值128所在的位置为100+(128-0)/(156-0)=100.82，因此对于这一条图像信号而言，造成其中斜线28黑白交界图像的感测单元的位置X(n)则为100.82，同理对于其他图像信号而言，也可以用同样的方法来判断造成其中黑白交界图像的感测单元的位置。

以上是以一条图像信号中，如何计算斜线28某一黑白交界的图像所对应感测单元的位置X(n)；再加以推广，如果校正文件14上包含有一组共m条斜率同为tanθ的平行斜线，则每一条图像信号可计算出多个黑白交界的图像所对应感测单元的位置Xi(n),i=1,2,3,…,2m，利用这m条平行斜线在第n条图像信号中所对应出的图像位置Xi(n)(i=1,2,3,…,2m)，可以算出第n条扫描线的累计定位误差DY(n)，并以此来决定第n条扫描线的步进数S(n)。

假设校正文件14上的斜线呈θ角，扫描组件16中每个感测单元17的输出值介于0-255，判断黑白交界的参考灰阶值定为128，并且以最初设定使驱动装置18每步进A步扫描组件16就扫描进一条图像信号，计算累计定位误差步数T再决定下一次驱动装置18应步进的数目，也就是下一条预定扫描线的步进位置S(n)，依此循序形成步进位置控制表22。如果第一条扫描线中第一个黑白交界图像出现在第100个及第101个感测单元间，其输出值分别为0与156，则可算出X1(1)=100+(128-0)/(156-0)=100.82，而第二条扫描线中第一个黑白交界图像出现在第101个及第102个感测单元间，其输出值分别为25与182，则可算出X1(2)=101+(128-25)/(182-25)=101.66，则第二条扫描线的第一个黑白交界图像出现位置的误差可利用式(1)求得：

DXi(n)=Xi(n)-Xi(1)+(n-1)+T/A  (1)

DXi(n)：第n条扫描线的第i个黑白交界的X轴误差

Xi(n)：第n条扫描线的第i个黑白交界值

Xi(1)：第1条扫描线的第i个黑白交界值

n：扫描线的位置

T：累积修正步数

A：预设驱动步数

DX1(2)=101.66-100.82+(2-1)+0/A=-0.16。

其中T/A为累积的修正距离。则对于第n条扫描线而言，所有i个(i=1-2m)黑白交界图像出现位置的平均误差为： $\mathrm{DX}\left(n\right)=1/2m\underset{i=1}{\overset{2m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{DXi}\left(n\right)---\left(2\right)$

而DX(n)与第n条扫描线的定位误差DY(n)有下列关系式：

DY(n)=DX(n)*tan θ                 (3)

如何利用第n条扫描线的定位误差DY(n)来决定出第n条扫描线的步进数S(n)可简单表示于下：

若DY(n)＞1/(2A)，则设定S(n)=A-1且累计修正步数T=T-1；

若DY(n)＜-1/(2A)，则设定S(n)=A+1且累计修正步数T=T+1；

若否，则设定S(n)=A且累计修正步数T的值不更动。如此可以产生步进位置控制表22中每条欲扫描的扫描线的步进位置S(n)，因而形成一个完整的步进位置控制表22。

此外，在制作步进位置控制表22的各步骤中，有几点注意事项应加以特别指出：

(一)在扫描校正文件14时，应使校正文件14尽量保持干净，避免有灰尘或任何脏点落在校正文件14或扫描器10的任何光学元件中，减少扫描所得数据变异过大的情形以避免产生误判。

(二)校正文件14上可包含多对黑白相间的斜线28，且其线条宽度应远大于一般灰尘的大小，以降低扫描组件16在扫描斜线28时由于灰尘所造成的误差。

(三)校正文件14在扫描线方向上所包含的斜线28数量应尽量多，以便在计算平均误差DX(n)及定位误差DY(n)时，能取多次平均而消除干扰。

(四)因放置校正文件14供扫描时会有放置误差，故在分析扫描所得图像信号时，需重新计算校正文件14上斜线28的斜率，斜率的计算为业界所习知，例如线性回归方式，在此则不另赘述。

(五)在计算斜线28斜率时，应在校正文件14中选取复数条斜线，分别计算其斜率再取平均值，其中若有斜率与平均值差异过大则应于舍弃，并重新计算平均值。

(六)在计算校正文件14中黑与白斜线28的宽度时，也应该滤掉差异过大的数据再计算平均值。

(七)因光学***的放大率及光学特性的误差，所得图像信号中黑白斜线28的宽度与预设值会有出入，因而也须重新计算该黑白斜线28的宽度。

(八)为进一步消除干扰的影响及避免前述之误判，在计算所需校正数据前，应将定位误差曲线平滑化，利用其前后若干步的误差值平均或以内插法求出该步的误差值；若其中某一步的误差值有突然较大的变化，应舍弃该误差值不列入平均计算中。

请参考图5，图5为图像扫描器校正后的误差曲线图。横轴X表示扫描所得第X条的扫描线，纵轴Y表示这条扫描线实际扫描位置与其应扫描位置所偏离的距离DY(n)，可以看出校正后的误差曲线36与图1校正前的误差曲线34有很大的分别，曲线36的误差比曲线34的误差要小很多，因此依本发明方法制作的步进位置控制表22可以减小误差以提高传动的精确度。

而上述本发明扫描器10也可以是一穿透式扫描器，同样包含有一透明平台用来放置一侍扫描的透明文件，也就是说不论是平台式或穿透式的扫描器都同样适用本方法。且，上述实施例虽以驱动装置驱动扫描组件移动的方式进行扫描，亦可以驱动装置驱动文件移动的方式进行扫描。而使用依本发明方法所产生的图像扫描器的步进位置控制表22具有下面的优点：

1．以加工精度要求较低的元件，达成较高扫描分辨率所要求的传动品质，降低了对扫描器的传动元件的精度要求，可提高高分辨率扫描器的生产率和合格率。且理论上可将定位误差控制在传动机构最小步进距离的二分之一以下。

2．不需增加感测元件，其校正方式为非即时校正，不影响扫描速度。

因此，本发明用来产生一图像扫描器的步进位置控制表的方法，可使高分辨率扫描器更经济。以上所述仅为本发明之较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。例如，上述实施例虽仅校正一次，但亦可重复校正，以获得更好的品质。

Claims (9)

1、一种图像扫描器，其包含有一用来扫描一文件并产生一相对应的图像信号的扫描组件，一用来沿移动方向驱动所述扫描组件或所述文件以扫描该文件的驱动装置，以及一用来控制该扫描组件及驱动装置操作的控制装置，其特征在于：所述的控制装置包含有储存对应扫描线位置的步进数的步进位置控制表，其中，当扫描所述文件时，该控制装置会依据所述的步进位置控制表内的各扫描线的步进数来控制所述驱动装置以逐一扫描该文件的图像。

2、一种用来产生如权利要求1所述的图像扫描器的步进位置控制表的方法，该步进位置控制表包含有对应移动扫描组件或文件至各扫描线的步进数，其特征在于该方法包含有下列步骤：

提供校正文件，该校正文件具有至少一条斜线；

扫描校正文件，系利用驱动装置以预设的步进数驱动所述扫描组件或校正文件，并利用该扫描组件来扫描该校正文件，以获得前述扫描组件在各扫描线上的该校正文件的图像信号；

计算斜率tanθ，依据所述扫描线的图像信号求得斜线的斜率；

计算横向位移误差值DX(n)，依据所述各扫描线的图像信号，利用对应前述校正文件斜线的灰阶变化来计算各斜线的横向位移值以及误差；

计算实际扫描线的纵向位移误差值DY(n)，依据所述横向位移误差值与所述斜线斜率计算实际扫描线的纵向位移误差值；以及

设定修正步进数S(n)，依据所述位置误差值设定各扫描线的步进数，并储存在步进位置控制表。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的计算斜率tanθ的方法系利用线性回归的方式计算各斜线的斜率，再计算其平均值。

4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的计算横向位移误差值的方法包含下列步骤：

设定一灰阶参考值作为各斜线的黑白边界值；

计算第一条扫描线各斜线的黑白边界位置Xi(1)；

计算第n条扫描线各斜线的黑白边界位置Xi(n)；

计算第n条扫描线各斜线的横向位移值误差值DXi(n)

Dxi(n)=Xi(n)-Xi(1)+(n-1)+T/A

其中T为累积修正步数，A为每条扫描线的预设驱动步数，i为黑白边界数；计算第n条扫描线的平均横向位移值DX(n) $\mathrm{DX}\left(n\right)=1/2m\underset{i=1}{\overset{2m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{DXi}\left(n\right)$

其中m为斜线数。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的计算各斜线的黑白边界位置的方法为内插法。

6、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的计算平均横向位移值DX(n)的方法为 $\mathrm{DX}\left(n\right)=1/2m\underset{i=1}{\overset{2m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{DXi}\left(n\right)$

   其中m为斜线数。

7、根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的计算平均横向位移值DX(n)的方法为 $\mathrm{DX}\left(n\right)=1/m\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{DXi}\left(n\right)$

   其中m为斜线数。

8、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的计算实际扫描线的纵向位移误差值DY(n)的方法为

DY(n)=DX(n)*tanθ。

9、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的设定修正步进数S(n)为

若DY(n)＞1/2A则S(n)=A-1，且T=T-1，

若DY(n)＜-1/2A则S(n)=A+1，且T=T+1，

否则S(n)=A，且T不变。

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