图像自适应数字量化方法和结构技术

本发明专利技术提供一种图像自适应数字量化结构，包括二值电容放电数字量化曲线产生模块、直方图统计模块、直方图阈值参数获取模块、直方图阈值参数矫正模块和灰度值计算模块，本发明专利技术基于ASIC流水线结构对实时连续采集的图像对比度自适应调整，使得不同的干、湿、浅介质接触面获取的图像具有很好的对比度的统一性，使处理速度最优化，实现采集一帧图像模拟信号的同时即输出同一帧对比度调整后的数字图像，本发明专利技术为全定制ASIC实现图像自适应数字量化，实现采集的同时进行图像处理的流水线结构，处理速度快，成本低，功耗低。

【技术实现步骤摘要】
图像自适应数字量化方法和结构
本专利技术涉及图像处理领域，尤其涉及一种适用于电容式图像采集阵列连续采集产生的图像自适应数字量化方法和结构。
技术介绍
现有的电容式图像采集阵列品种多样，在指纹方面的应用有：刮擦式指纹传感器，电容面阵式指纹传感器等。电容采集阵列上的每一个电容采集单元对应采集的图像的一个像素。此类传感器的图像获取方式是基于电容式图像采集阵列上某个电容采集单元的电容放电，根据电容放电曲线(电压改变与放电次数的关系曲线)通过传统ADC转换为图像灰度值来实现图像的采集。利用传统的ADC将电平模拟信号通过数字重新采样的方式，使不同的电压值对应不同的灰度阶，从而实现数字图像的获取。这种方式为目前电容式图像采集传感器普遍采用。现有的电容采集技术对不同类型的介质接触面，如：干、湿接触面并不能产生相同的电容放电曲线，这使得模拟电容放电曲线经过传统ADC处理后的数字电容放电曲线也产生差异性，同时传统的ADC本身存在模数转换精度差异问题，使得电容式采集方式获得的原始的图像具备差异性极大的对比度，而为了调整图像的对比度不得不引入DSP等通用处理器来对其进行处理，由于DSP大多基于串行指令集，处理过程中往往需要对图像进行缓存，处理速度慢，而基于并行处理架构的DSP又价格昂贵，使得整个图像采集设备成本增加，同时DSP并行处理度并不能达到基于某项特殊功能要求的最优化，无法实现理论的最高优化度的并行处理速度。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供图像自适应数字量化结构，其特征在于包括二值电容放电数字量化曲线产生模块、直方图统计模块、直方图阈值参数获取模块、直方图阈值参数矫正模块和灰度值计算模块，其中，二值电容放电数字量化曲线产生模块用于对电容采集阵列上每一个电容采集单元产生的电容放电曲线进行数字量化，产生每一个电容采集单元的二值电容放电数字量化曲线；直方图统计模块，用于统计所有二值电容放电数字量化曲线在每个像素原始数据灰度等级进行跳变的个数，生成统计直方图；直方图阈值参数获取模块，用于根据统计直方图依据预先设定的规则得到直方图阈值参数；直方图阈值参数矫正模块，利用直方图阈值参数获取模块得到的上一帧直方图阈值参数对当前帧的直方图阈值参数进行矫正得到当前帧矫正后的直方图阈值参数；灰度值计算模块，用于根据当前帧矫正后的直方图阈值参数得到当前帧的数字量化后的图像灰度值。所述二值电容放电数字量化曲线产生模块产生二值电容放电数字量化曲线的具体方法为：将电容放电数字量化值设定为0或1，当电容采集单元产生的电容放电曲线的电压达到设定的翻转点电压，此时将电容放电数字量化值取反；所述像素原始数据灰度等级为电容放电曲线的电压达到翻转点电压时刻对应的放电次数；所述翻转点电压根据电容采集单元与接触介质形成的电容设定。直方图阈值参数包括直方图下限阈值参数LTH，直方图中限阈值参数MTH和直方图上限阈值参数HTH；预先设定的规则为，当yi-1≤VH×CLR且yi＞VH×CLR时i的值就是直方图下限阈值参数LTH，若i＝CB且yCB＜VH×CLR时，令LTH＝CB；当yi-1≤VH×CMR且yi＞VH×CMR时i的值就是直方图中限阈值参数MTH，若i＝CB且yCB＜VH×CMR时，令MTH＝CB；当yi-1≤VH×CHR且yi＞VH×CHR时i的值就是直方图上限阈值参数HTH，若i＝CB且yCB＜VH×CHR时，令HTH＝CB；其中，所述直方图下限比例CLR、直方图中限比例CMR、直方图上限比例CHR为0到1的小数，且CLR<CMR<CHR，直方图有效统计阈值CB为大于0且小于或者等于N的整数，所述N为电容采集单元总放电次数，令hist(x)为一帧图像的所有二值电容放电数字量化曲线在像素原始数据灰度等级x进行跳变的个数；i为大于0且小于CB的整数，且令对当前帧的直方图阈值参数进行矫正的依据为，当上一帧矫正后的直方图下限阈值参数PF_LTH减去上一帧直方图下限阈值参数C_LTH得到的数值小于DEC，并且上一帧直方图下限阈值参数C_LTH减去上一帧矫正后的直方图下限阈值参数PF_LTH得到的数值大于INC时，当前帧矫正后的直方图下限阈值参数F_LTH为上一帧矫正后的直方图下限阈值参数PF_LTH加上INC得到的数值；当上一帧矫正后的直方图下限阈值参数PF_LTH减去上一帧直方图下限阈值参数C_LTH得到的数值大于或者等于DEC时，当前帧矫正后的直方图下限阈值参数F_LTH为上一帧直方图下限阈值参数C_LTH的数值；当上一帧矫正后的直方图下限阈值参数PF_LTH减去上一帧直方图下限阈值参数C_LTH得到的数值小于DEC，并且上一帧直方图下限阈值参数C_LTH减去上一帧矫正后的直方图下限阈值参数PF_LTH得到的数值小于或者等于INC时，当前帧矫正后的直方图下限阈值参数F_LTH为上一帧直方图下限阈值参数C_LTH的数值；当上一帧矫正后的直方图下限阈值参数PF_LTH减去上一帧直方图下限阈值参数C_LTH得到的数值大于或者等于DEC时，当前帧矫正后的直方图中限阈值参数F_MTH为上一帧直方图中限阈值参数C_MTH的数值，当前帧矫正后的直方图上限阈值参数F_HTH为上一帧直方图上限阈值参数C_HTH的数值；当上一帧矫正后的直方图下限阈值参数PF_LTH减去上一帧直方图下限阈值参数C_LTH得到的数值小于DEC时，令M1的数值为当前帧矫正后的直方图下限阈值参数F_LTH减去上一帧矫正后的直方图下限阈值参数PF_LTH再加上上一帧矫正后的直方图中限阈值参数PF_MTH的数值，M2的数值为M1加上MR的数值，M3的数值为M1减去MR的数值；H1的数值为当前帧矫正后的直方图下限阈值参数F_LTH减去上一帧矫正后的直方图下限阈值参数PF_LTH再加上上一帧矫正后的直方图上限阈值参数PF_HTH的数值，H2的数值为H1加上HR的数值，H3的数值为H1减去HR的数值；当前帧矫正后的直方图中限阈值参数F_MTH的数值为上一帧直方图中限阈值参数C_MTH与M3之中的最大值再与M2之中的最小值；当前帧矫正后的直方图上限阈值参数F_HTH的数值为上一帧直方图上限阈值参数C_HTH与H3之中的最大值再与H2之中的最小值；其中INC为阈值增量参数，DEC为阈值减量参数，MR为中限阈值范围参数，HR为上限阈值范围参数；且四个参数根据相邻两帧图像原始直方图分布的差异情况进行设定，其范围在0～N之间，所述N为电容采集单元总放电次数。根据当前帧矫正后的直方图阈值参数得到当前帧的数字量化后的图像灰度值的具体方法为：步骤11、每一帧图像采集之前，将电容放电次数CN、量化序列QS设为0，放电等级LVL设为当前帧矫正后的直方图下限阈值参数值F_LTH，此时等值步长ST为阈值权重WGT为大于0小于BD的整数，量化极限数值BD根据量化后图像灰度值位宽范围确定；步骤12、电容采集单元每次放电时，电容采集单元放电次数CN自加1；步骤13、电容采集单元每次放电时，比较电容放电次数CN与放电等级LVL：当CN小于或者等于LVL时，量化序列QS保持不变；当CN大于LVL时，若QS大于或者等于BD，QS保持不变；当CN大于LVL时，若QS小于BD，LVL的数值改变为其当前的数值加上ST，若本文档来自技高网...

【技术保护点】
图像自适应数字量化结构，其特征在于，包括二值电容放电数字量化曲线产生模块、直方图统计模块、直方图阈值参数获取模块、直方图阈值参数矫正模块和灰度值计算模块，其中，二值电容放电数字量化曲线产生模块用于对电容采集阵列上每一个电容采集单元产生的电容放电曲线进行数字量化，产生每一个电容采集单元的二值电容放电数字量化曲线；直方图统计模块，用于统计所有二值电容放电数字量化曲线在每个像素原始数据灰度等级时进行跳变的个数，生成统计直方图；直方图阈值参数获取模块，用于根据直方图统计模块得到的统计直方图依据预先设定的规则得到直方图阈值参数；直方图阈值参数矫正模块，利用直方图阈值参数获取模块得到的上一帧直方图阈值参数对当前帧的直方图阈值参数进行矫正得到当前帧矫正后的直方图阈值参数；灰度值计算模块，用于根据当前帧矫正后的直方图阈值参数得到当前帧的图像灰度值。

【技术特征摘要】
1.图像自适应数字量化结构，其特征在于，包括二值电容放电数字量化曲线产生模块、直方图统计模块、直方图阈值参数获取模块、直方图阈值参数矫正模块和灰度值计算模块，其中，二值电容放电数字量化曲线产生模块用于对电容采集阵列上每一个电容采集单元产生的电容放电曲线进行数字量化，产生每一个电容采集单元的二值电容放电数字量化曲线；直方图统计模块，用于统计所有二值电容放电数字量化曲线在每个像素原始数据灰度等级进行跳变的个数，生成统计直方图；直方图阈值参数获取模块，用于根据直方图统计模块得到的统计直方图依据预先设定的规则得到直方图阈值参数；直方图阈值参数矫正模块，利用直方图阈值参数获取模块得到的上一帧直方图阈值参数对当前帧的直方图阈值参数进行矫正得到当前帧矫正后的直方图阈值参数；灰度值计算模块，用于根据当前帧矫正后的直方图阈值参数得到当前帧的数字量化后的图像灰度值；所述直方图阈值参数包括直方图下限阈值参数LTH，直方图中限阈值参数MTH和直方图上限阈值参数HTH；预先设定的规则为，当yi-1≤VH×CLR且yi＞VH×CLR时i的值就是直方图下限阈值参数LTH，若i＝CB且yCB＜VH×CLR时，令LTH＝CB；当yi-1≤VH×CMR且yi＞VH×CMR时i的值就是直方图中限阈值参数MTH，若i＝CB且yCB＜VH×CMR时，令MTH＝CB；当yi-1≤VH×CHR且yi＞VH×CHR时i的值就是直方图上限阈值参数HTH，若i＝CB且yCB＜VH×CHR时，令HTH＝CB；其中，所述直方图下限比例CLR、直方图中限比例CMR、直方图上限比例CHR为0到1的小数，且CLR<CMR<CHR，直方图有效统计阈值CB为大于0且小于或者等于N的整数，所述N为电容采集单元总放电次数，令hist(x)为一帧图像的所有二值电容放电数字量化曲线在像素原始数据灰度等级x进行跳变的个数；i为大于0且小于CB的整数，且令所述对当前帧的直方图阈值参数进行矫正的依据为：当上一帧矫正后的直方图下限阈值参数PF_LTH减去上一帧直方图下限阈值参数C_LTH得到的数值小于DEC，并且上一帧直方图下限阈值参数C_LTH减去上一帧矫正后的直方图下限阈值参数PF_LTH得到的数值大于INC时，当前帧矫正后的直方图下限阈值参数F_LTH为上一帧矫正后的直方图下限阈值参数PF_LTH加上INC得到的数值；当上一帧矫正后的直方图下限阈值参数PF_LTH减去上一帧直方图下限阈值参数C_LTH得到的数值大于或者等于DEC时，当前帧矫正后的直方图下限阈值参数F_LTH为上一帧直方图下限阈值参数C_LTH的数值；当上一帧矫正后的直方图下限阈值参数PF_LTH减去上一帧直方图下限阈值参数C_LTH得到的数值小于DEC，并且上一帧直方图下限阈值参数C_LTH减去上一帧矫正后的直方图下限阈值参数PF_LTH得到的数值小于或者等于INC时，当前帧矫正后的直方图下限阈值参数F_LTH为上一帧直方图下限阈值参数C_LTH的数值；当上一帧矫正后的直方图下限阈值参数PF_LTH减去上一帧直方图下限阈值参数C_LTH得到的数值大于或者等于DEC时，当前帧矫正后的直方图中限阈值参数F_MTH为上一帧直方图中限阈值参数C_MTH的数值，当前帧矫正后的直方图上限阈值参数F_HTH为上一帧直方图上限阈值参数C_HTH的数值；当上一帧矫正后的直方图下限阈值参数PF_LTH减去上一帧直方图下限阈值参数C_LTH得到的数值小于DEC时，令M1的数值为当前帧矫正后的直方图下限阈值参数F_LTH减去上一帧矫正后的直方图下限阈值参数PF_LTH再加上上一帧矫正后的直方图中限阈值参数PF_MTH的数值，M2的数值为M1加上MR的数值，M3的数值为M1减去MR的数值；H1的数值为当前帧矫正后的直方图下限阈值参数F_LTH减去上一帧矫正后的直方图下限阈值参数PF_LTH再加上上一帧矫正后的直方图上限阈值参数PF_HTH的数值，H2的数值为H1加上HR的数值，H3的数值为H1减去HR的数值；当前帧矫正后的直方图中限阈值参数F_MTH的数值为上一帧直方图中限阈值参数C_MTH与M3之中的最大值再与M2之中的最小值；当前帧矫正后的直方图上限阈值参数F_HTH的数值为上一帧直方图上限阈值参数C_HTH与H3之中的最大值再与H2之中的最小值；其中INC为阈值增量参数，DEC为阈值减量参数，MR为中限阈值范围参数，HR为上限阈值范围参数；且四个参数根据相邻两帧图像原始直方图分布的差异情况进行设定，其范围在0～N之间，所述N为电容采集单元总放电次数；所述根据当前帧矫正后的直方图阈值参数得到当前帧的数字量化后的图像灰度值的具体方法为：步骤11、每一帧图像采集之前，将电容放电次数CN、量化序列QS设为0，放电等级LVL设为当前帧矫正后的直方图下限阈值参数值F_LTH，此时等值步长ST为阈值权重WGT为大于0小于BD的整数，量化极限数值BD根据量化后图像灰度值位宽范围确定，所述N为电容采集单元总放电次数；步骤12、电容采集单元每次放电时，电容采集单元放电次数CN自加1；步骤13、电容采集单元每次放电时，比较电容放电次数CN与放电等级LVL：当CN小于或者等于LVL时，量化序列QS保持不变；当CN大于LVL时，若QS大于或者等于BD，QS保持不变；当CN大于LVL时，若QS小于BD，LVL的数值改变为其当前的数值加上ST，若改变前的LVL小于改变后的LVL或者QS等于BD减1，ST改变为其当前的数值加上QS改变为其当前的数值加上1；当CN大于LVL时，若QS小于BD，LVL的数值改变为其当前的数字加上ST，若改变前的LVL大于或者等于改变后的LVL，LVL的数值继续改变为其当前的数值加上而ST改变为其当前的数值加上QS改变为其当前的数值加上2；步骤14、若放电次数为n时，电容采集单元产生的电容放电曲线达到设定的翻转点电压，此时的图像灰度值GREY就是量化序列QS在电容放电次数CN＝n时的数值。2.根据权利要求1所述的图像自适应数字量化结构，其特征在于，所述二值电容放电数字量化曲线产生模块产生二值电容放电数字量化曲线的具体方法为：将电容放电数字量化值设定为0或1，当电容采集单元产生的电容放电曲线的电压达到设定的翻转点电压，此时将电容放电数字量化值取反；所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：程旭，
申请(专利权)人：成都方程式电子有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51