專利名稱：用于從二維數(shù)據(jù)陣列中檢索數(shù)據(jù)的校準方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于以光學方法存儲及檢索作為光變化特性存儲在一種光學材料上的數(shù)據(jù)，并提供快速隨機存取檢索的系統(tǒng)，更具體地說其涉及一種校準方法和感應(yīng)數(shù)據(jù)的光學圖象并將其轉(zhuǎn)化為電子數(shù)據(jù)信號的裝置。
具有大量利用某種材料的薄膜或薄層的光變化特性存儲的，并通過沒有機械運動的光尋址來存取的數(shù)字數(shù)據(jù)的光學存儲器的設(shè)計構(gòu)想早已有之，但其一直以來沒有形成廣泛的商業(yè)應(yīng)用。對這種光學記錄及檢索技術(shù)的如此感興趣是因為與現(xiàn)有電-光機構(gòu)如光盤、磁存儲器如磁帶和磁盤(所有這些類型均需要存儲介質(zhì)的相對運動)，其具有更高的記錄密度且在檢索大量數(shù)據(jù)時速度更快。
例如，光盤存儲器需要旋轉(zhuǎn)記錄盤以及徑向地移動讀取光頭來檢索以串行方式輸出的數(shù)據(jù)。這種串行存取的數(shù)據(jù)通常需要先將其傳送到一個數(shù)據(jù)處理器的一個緩沖器或固態(tài)隨機存儲器中，以適應(yīng)現(xiàn)代計算機的高速數(shù)據(jù)尋址或其他的數(shù)據(jù)操作。其它的存儲裝置，如固態(tài)ROM和RAM，可以提供所尋求的相對較高的存取速度，但是當這種裝置被擴展為相對較大的數(shù)據(jù)容量時，其成本，大小和熱耗散均限制了其應(yīng)用。
本發(fā)明的主題是為一種提供了相對較大存儲容量及較快的存取速度的光學存儲器，在諸如James T.Russell關(guān)于“數(shù)字信息的光圖記錄及包括光學掃描儀的回放系統(tǒng)”的U.S.Patent 3,806,643和關(guān)于“光學掃描儀”的U.S.Patent 3,885,094，以及關(guān)于“采用一種多透鏡陣列的高密度光學存儲器裝置”的U.S.Patent 3,898,005；關(guān)于“光學海量存儲器”的U.S.PatentNo.3,996,570；關(guān)于“只讀存儲器”的U.S.Patent No.3,656,120；關(guān)于“光學存儲器裝置”的U.S.Patent No.3,676,864；關(guān)于“采用一種用于從高密度光學存儲裝置中讀取數(shù)據(jù)的多透鏡陣列的裝置”的U.S.Patent No.3,899,778；關(guān)于“光學存儲器存儲及檢索系統(tǒng)”的U.S.Patent No.3,765,749；以及關(guān)于“高密度塊定向固態(tài)光學存儲器”的U.S.Patent No.4,663,738的專利文獻中不乏被公開的致力于此的例子。盡管這些系統(tǒng)中的一些試圖滿足本發(fā)明的上述目的，但其均在其中一個或多個方面表現(xiàn)出不足之處。
在一種用于存儲及從含有為了讀出而被映象到一個傳感器陣列上的二維數(shù)據(jù)圖案的一幅光學圖象中檢索數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中，提供了用于當數(shù)據(jù)圖象被傳感器陣列轉(zhuǎn)化為電子數(shù)據(jù)時，對其包括平移和旋轉(zhuǎn)偏移，放大和扭曲在內(nèi)的多種光學效果進行檢測及補償?shù)姆椒ê脱b置。例如，數(shù)據(jù)可以被存儲在一個能夠選擇性地改變光的特性，如可變透射率，反射率，偏振和/或相位的一個光學數(shù)據(jù)層中。在使用透射數(shù)據(jù)層的一個實施例中，數(shù)據(jù)位被存儲為存儲材料的一個薄膜上的透明點或單元，并由可控光源照射以將一幅通過光學方法放大的數(shù)據(jù)圖象投影到傳感器的一個陣列上。數(shù)據(jù)被組織到一組區(qū)域或圖塊(有時被稱作頁)中。通過選擇性地照射每個數(shù)據(jù)頁并將其投影到傳感器陣列上，可以從一個存儲了多個數(shù)據(jù)頁的一層，比如一章或一本書中逐頁地存取數(shù)據(jù)頁。本發(fā)明可以用于U.S.Patent No.5,379,226,Patent No.5,541,888；國際申請nos.PCT/US92/11356,PCT/US95/08078，及PCT/US95/08079；以及未定U.S.申請SN 08/256,202中所說明的光學存儲器系統(tǒng)中，其均作為參考文獻被完整地并入本說明書中。
傳感器陣列可以由排列在通常與所投影的數(shù)據(jù)頁大小相同，但優(yōu)選地稍微大于所映象的數(shù)據(jù)的柵格中的一層電荷耦合器件(CCD)提供。數(shù)據(jù)圖象將產(chǎn)生被輸出到光敏元件下的數(shù)據(jù)存儲桶寄存器中電荷信號。另外還可以采用其它的傳感器陣列，包括一種光敏二極管，如PIN型二極管的陣列。
上述其中光學數(shù)據(jù)以單元，符號或光點的陣列形式作為二維數(shù)據(jù)圖案寫入或顯示的系統(tǒng)，需要一種以硬件和/或軟件實現(xiàn)的處理或邏輯算法，用于為了對數(shù)據(jù)進行定位及解碼而對來自傳感器元件的信號值進行處理。通常，在一個傳感器元件或單元與一個二進制“0”或“1”值之間沒有直接的對應(yīng)關(guān)系。相當多的數(shù)據(jù)編碼技術(shù)的結(jié)果均是對應(yīng)于一個編碼位流的一部分的傳感器單元值的一個局部圖案。在除了最小緊湊代碼外的所有代碼中，為了將每個傳感器單元值轉(zhuǎn)化為編碼數(shù)據(jù)的一個或多個位值，必須在相鄰單元值的“上下文”環(huán)境中對其進行解釋。接下來的具體實施例是參照開關(guān)鍵控(OOK)編碼數(shù)據(jù)進行說明的。一個簡單的例子是，可以用數(shù)據(jù)膜層中的一個透明光點來表示一個“1”值，而一個不透明光點則對應(yīng)于一個“0”值。如果上述二維數(shù)據(jù)陣列是一個通過光學方法投影到一個光學傳感器(例如，一個CCD攝影機)的柵格上的數(shù)據(jù)圖案，則該數(shù)據(jù)圖案將以一種規(guī)定的方式覆蓋并與傳感器柵格對齊，在數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)對齊不準的情況中有5種模式。這些對齊不準可能單獨地，或組合地出現(xiàn)，其具體情況如下所示X軸和Y軸平移誤差焦點(Z軸)誤差關(guān)于一個原點的旋轉(zhuǎn)誤差扭曲畸變利用本文所公開的實施例中所實現(xiàn)的精細光學和機械設(shè)計，可以將焦點(Z軸)對齊不準減小到最小。除了對齊不準，映象數(shù)據(jù)還可能會被電子噪聲，光學分辨率局限和數(shù)據(jù)介質(zhì)和/或光學傳感器上的塵?；虮砻嫖廴疚铩拔廴尽?。
盡管可以通過諸如傳感器平臺旋轉(zhuǎn)，或機械(X-Y軸)平移的機械方法來補償線性對齊不準，但其經(jīng)常不能令人十分滿意，其原因在于機械復雜性，成本和速度的限制。非線性對齊不準，如果不是不可能，則更加難于通過機械方法進行校正。類似地，單靠機械裝置通常不能補償隨機污染，但利用眾所周知的糾錯碼(ECC)則可以充分地對這些污染物進行補償。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，原始圖象數(shù)據(jù)被感應(yīng)到一個大于頁圖象的柵格上，隨后利用電子方法對其進行處理以確定進行過平移，旋轉(zhuǎn)，放大和扭曲校正后的真實數(shù)據(jù)。隨后處理，校正后的數(shù)據(jù)被輸出到存儲器或流通到應(yīng)用程序中去。
在本優(yōu)選實施例中，傳感器結(jié)構(gòu)為一個面積大于投影到該傳感器陣列上的二維數(shù)據(jù)圖象面積的二維陣列，為了在兩個維向上分別進行重復取樣，這些單個的傳感器元件小于且多于(即密于)數(shù)據(jù)圖象符號或光點。例如，在兩個維向上為每個代表了將被檢索的數(shù)據(jù)的圖象光點或符號分別提供兩個或更多的感應(yīng)元件。在本文所公開的實施例中，為每個圖象光點大約提供有四個感應(yīng)元件，由每個光點的多個傳感器元件所感應(yīng)的亮度值被用在重復取樣和對碼間干擾的校正中。數(shù)據(jù)的每個頁或圖塊被進一步分割成由已知圖象圖案的置信所包圍的區(qū)段以輔助校準處理和關(guān)于圖象亮度變化的增益控制中去。在執(zhí)行這些操作時，在重復取樣的傳感元件的每一個處所感應(yīng)到模擬電平由一個多位數(shù)字值表示，而不是簡單地檢測一個二元值，有或沒有光照。本優(yōu)選實施例包括圖象亮度的自動增益控制(AGC)，其通過使用已知圖象圖案的AGC裙來從數(shù)據(jù)區(qū)段的外側(cè)開始，而AGC峰值檢測電路則進行處理以跟蹤橫貫每個數(shù)據(jù)區(qū)段的整個平面的圖象亮度。該峰值檢測處理和相關(guān)的電路優(yōu)選地使用一種二維方法，其計算沿一個坐標軸上的一條基線信號的幅值和沿另一個垂直坐標軸的幅值檢測幅值的線性插值的平均值。
本優(yōu)選實施例的其它特性包括提供了包含已知圖案的內(nèi)嵌符號和相對于數(shù)據(jù)符號位置區(qū)段的位置的校準置信，該置信圖案具有向上述AGC處理提供周期性更新的最亮和最暗圖象內(nèi)容的預定區(qū)域。利用這些處理，一種粗略的校準方法將確定多個數(shù)據(jù)區(qū)段中的每一個大致拐角位置，其后緊接著的是一個通過對拐角位置數(shù)據(jù)進行處理以找出精確拐角位置的第二步驟。優(yōu)選地，這種精確或細致拐角定位方案使用一種匹配濾波器技術(shù)，以確定一個參考象素的精確位置，由此可以計算出所有數(shù)據(jù)的位置。
在本優(yōu)選實施例的圖象處理中，為了校正多種誤差而進行的數(shù)據(jù)校準用多項式來以數(shù)學方法描述校準數(shù)據(jù)相對于傳感器陣列的一個已知柵格的位置。這些校準處理，包括多項式的產(chǎn)生，利用同相和正交空間參考信號以將一個基本頻帶調(diào)幅為一個嵌于校準置信中的空間定時信號，通過一個低通濾波器對其進一步進行處理，以將定時信號中的噪聲除去。以此方式，同相和正交空間參考信號的組合產(chǎn)生了定時信號相位(其為沿置信的位置的函數(shù))的一個與幅值無關(guān)的約數(shù)。
為了產(chǎn)生確定了基于校準置信的數(shù)據(jù)的正確校準的多項式，優(yōu)選實施例中使用了一種最小二乘方法來產(chǎn)生與所計算的偏移最佳擬合的多項式。隨后該多項式的系數(shù)被用于推導用于計算由于因光學，結(jié)構(gòu)和多種缺陷而產(chǎn)生的多種對齊不準效果而進行的數(shù)據(jù)光點位置平移的校準參數(shù)。作為本優(yōu)選處理的一個特性，其采用了二階多項式以計算投影到傳感器上的圖象的光學扭曲。
在校準之后，通過使用本優(yōu)選實施例中的一種二維脈沖細化處理以校正二維碼間干擾，從而對所恢復的圖象信息進行進一步的改善。
傳感器采用一種能夠使輸出過長字以用于順流數(shù)據(jù)處理的寬信道檢測結(jié)構(gòu)。
通過接下來的說明和附圖將會對本發(fā)明的上述和其它特性有更全面的了解，其中

圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的ORAM的方框圖。
圖2所示為不同放大倍數(shù)下的數(shù)據(jù)介質(zhì)的示意圖，其用于顯示數(shù)據(jù)體系從“章”到“圖塊”(也可稱為頁)，以及“圖塊”(頁)到“區(qū)段”和“區(qū)段”到數(shù)據(jù)符號或光點的分解。
圖3所示為當一個所述數(shù)據(jù)圖案相對于垂直的傳感器坐標系旋轉(zhuǎn)，平移和稍微扭曲(其為本方法所能校正的圖象缺陷的多種形式中的三種)后的一部分的示意圖。
圖4所示為具有一個包含一個拐角符號，兩個AGC“裙”和兩個校準置信的拐角區(qū)域的一部分的局部詳示圖。
圖5所示為概覽傳感器和校準/位檢索處理的流程圖。
圖6所示為數(shù)據(jù)圖塊在AGC之前和之后的示意圖。
圖7所示為顯示了兩個集合的AGC裙的一個圖塊的圖象。
圖8所示為用于AGC分析的可能路徑的比較圖，當以AGC裙為中心時，本AGC處理可以分析一個已知的圖案。
圖9所示為一個其上投影有一個圖塊圖象的傳感器陣列的示意圖，其顯示了如何為了進行分析而將這些傳感器分割為6段。
圖10所示為用于找出AGC裙的中心的處理。
圖11所示為說明AGC如何標準化圖塊圖象的亮度的示意圖，顯示了在讀出方向上，A/D轉(zhuǎn)換器閾值由峰值和谷值檢測電路進行設(shè)置，而在側(cè)向方向上，則是使用線性插值來設(shè)置這些閾值。
圖12所示為與AGC操作的三種模式相關(guān)的圖塊區(qū)域的一個圖塊示意圖。
圖13所示為傳感器圖象中著重突出一個拐角區(qū)，拐角符號以及拐角中的光點或象素(其被用作用于標記附近數(shù)據(jù)符號或光點的位置的原點)的一部分。
圖14所示為故意對齊，以使AGC裙中心的行和列位置可以被組合成變?yōu)楣战欠柖ㄎ坏拇致远攘康淖鴺藢Φ腁GC裙和拐角符號。
圖15所示為拐角符號卷積處理的流程圖。
圖16所示為傳感器上的數(shù)據(jù)圖象中顯示了具有對應(yīng)于包括拐角符號的置信的區(qū)段中的一個的那一部分。
圖17所示為數(shù)據(jù)校準處理的流程圖。
圖18所示為校準置信上濾波器放置位置的示意圖。
圖19所示為x方向上作為x的一個函數(shù)的相位(假設(shè)沒有噪聲)的典型曲線的示意圖。
圖20所示為x方向上作為x的一個函數(shù)的相位的函數(shù)值(包括噪聲)。
圖21所示為y方向上作為x的一個函數(shù)的相位的函數(shù)值(包括噪聲)。
圖22所示為對相位值的線性(一階)擬合的示意圖。
圖23所示為對相位值的二次(二階)擬合的示意圖。
圖24所示為一個區(qū)段周圍的四個置信區(qū)的標注示意圖。
圖25所示為一個顯示了噪聲，數(shù)據(jù)光點插值和脈沖細化效果的眼形26所示為象素陣列上的符號位置與用于插值的加權(quán)值之間的關(guān)系示意圖。
圖27所示為象素上的符號位置的16個區(qū)域及其用于插值的對應(yīng)象素權(quán)重。
圖28所示為包括傳感器集成電路(IC)的ORAM電子接收機子系統(tǒng)的示意圖。
圖29所示為單個和成組“1”的相關(guān)象素幅值。
圖30所示為傳感器IC的功能方框圖。
圖31所示為一個AGC裙布局圖。
圖32所示為關(guān)于信號強度的A/D代碼。
圖33所示為圖30所示的傳感器IC的信號流程。
圖34所示為一個校準-位-檢索(ABR)IC的方框圖。
圖35所示為ABR IC的分段存儲器的設(shè)計。
圖36所示為8字加法器和累加器功能部件。
圖37所示為圖象存儲器中的區(qū)段。
圖38所示為圖示了插值和脈沖細化技術(shù)的相關(guān)圖形。
圖39所示為輸出RAM緩沖器的示意圖。
圖40所示為從請求到數(shù)據(jù)準備好存取的時序圖。
一幅二維數(shù)據(jù)陣列的圖象被形成在一個光學傳感器上。從該圖中將恢復出所存儲的數(shù)字數(shù)據(jù)。在US Patent第5,379,266號，“光學隨機存取存儲器”(ORAM)中對一種用于完成數(shù)據(jù)恢復的典型二維存儲器裝置進行了說明，圖1所示為一種適用于公開本發(fā)明的校準方法和裝置的ORAM系統(tǒng)10的功能方框圖。
在圖1所示的實施例中，進行了一次如10a所表示的記錄，其中將用戶數(shù)據(jù)與被稱為圖塊或頁(其被寫到記錄介質(zhì)19上)的數(shù)據(jù)圖案中的置信合在一起進行編碼。更具體地說，如在未定申請PCT/US92/11356和USSN 08/256,202中所完全公開的那樣，用戶數(shù)據(jù)在35處被輸入，在36處被編碼/ECC，隨后在37處產(chǎn)生數(shù)據(jù)和置信圖案，而在38處其被寫到諸如一種能夠選擇性地以如上所述的一種或多種方式改變光線的光學數(shù)據(jù)層的介質(zhì)上。隨后在39處結(jié)合一個透鏡陣列21對準備好的數(shù)據(jù)層19進行加工以形成介質(zhì)/透鏡卡盤(cartridge)。在本例中，一個二維數(shù)據(jù)組的圖象，由E-波束寫到一個涂鉻的石英介質(zhì)襯底上。為了從記錄中檢索數(shù)據(jù)，介質(zhì)/透鏡卡盤(cartridge)17被以可拆卸的方式放置在一個如10b所示的ORAM讀取光頭中，而來自每個圖塊或頁的數(shù)據(jù)被選擇性地向后照射以使其被投影到一個傳感器27上。
當如U.S.Patent No.5,379,266中所說明地，通過在接口123處提供的一次用戶數(shù)據(jù)請求在124處選中圖塊中的數(shù)據(jù)時，一個單獨數(shù)據(jù)頁或“圖塊”被向后照射。更具體地說，系統(tǒng)控制器125，如在上述未定申請PCT/US92/11356和SN 08/256,202中所說明地，協(xié)調(diào)一個讀取源124，校準/位檢索處理器32及解碼與ECC127的操作。一個透鏡系統(tǒng)將圖象聚焦在一個傳感器陣列27上，其將光能轉(zhuǎn)化為電信號。如接下來所要進一步詳細說明的，該信號首先由模擬電路感應(yīng)，隨后被轉(zhuǎn)化為該圖象的一個數(shù)字表示。該數(shù)字圖象表示被存儲在RAM30中，在此由32處所示的檢索算法處理器對其進行操作。對該數(shù)字化圖象進行處理以對機械，電子和光學缺陷和損壞進行校正，隨后在127處被轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)和ECC，隨即該數(shù)據(jù)通過用戶接口123展示給用戶。
在典型ORAM 10中，構(gòu)成了記錄的頁的符號(或光點)在本實施例中被公開為二進制值。然而，本發(fā)明同樣可用于記錄中包括最小可變存儲元件的灰度級，顏色，偏振或其它可變特性的非二進制符號或光點。這些可用符號定位或單元被放置在一個1微米見方的柵格上。邏輯“1”由形成在一個其它地方均不透明的光學性透明的9微米的孔表示，而邏輯“0”由不透明(未寫)區(qū)域表示。符號由69個符號位置分組為69個“區(qū)段”，而21個區(qū)段又集聚為一個數(shù)據(jù)單元作為一個“圖塊”。多個圖塊組成了被定義為“章”的數(shù)據(jù)單位。章包括包含了一個單獨的可拆卸的數(shù)據(jù)卡盤17中的數(shù)據(jù)單位。
圖2所示為介質(zhì)的布局結(jié)構(gòu)。
利用如上所述的方法，其需要關(guān)于傳感器象素陣列的數(shù)據(jù)陣列圖象沒有被預先確定的，固定的對齊，校準或放大。對傳感器陣列的兩項要求是(1)其在X和Y方向上的尺寸均稍大于被投影于其上的圖象的尺寸，(2)其在行和列方向上的象素密度均大于所投影的符號圖象的密度，以使其能夠充分地恢復數(shù)據(jù)，在本實施例中其大約是投影于其上的符號數(shù)的兩倍(提供此項功能的傳感器硬件設(shè)計在4.1節(jié)中有詳細說明)。在本公開中所說明的校準方法將把圖象數(shù)據(jù)陣列定位在傳感器上，確定在該圖象中每個單獨數(shù)據(jù)符號相對于已知的傳感器柵格的位置，及確定每一位的數(shù)字值。
這里所公開的校準方法和裝置的一個基本目的是確定數(shù)據(jù)陣列的投影圖象與傳感器陣列之間的空間關(guān)系。傳感器陣列的柵格是根據(jù)在接下來的說明中有時被稱作象素的傳感單元或元件的已知定位形成的。
每個區(qū)段由“拐角符號”約束在拐角上，而由校準“置信”約束在側(cè)邊上。拐角符號的功能是確定一個用于分析置信區(qū)及計算符號位置的原點。置信圖案自身被用于計算“校準參數(shù)”。
本公開步驟2到8所說明的方法和裝置，統(tǒng)稱為“校準和位檢索”(ABR)。為了保持完整還包括了步驟1,9和10。在接下來的幾頁中將對與圖5中的每個步驟有關(guān)的邏輯功能進行概述。
3.1步驟1數(shù)據(jù)請求一個用戶對數(shù)據(jù)的請求將啟動RAM中的一次索引搜索，以確定包含所需數(shù)據(jù)的圖塊的地址。服務(wù)于此數(shù)據(jù)的光源將進行照射，將所需數(shù)據(jù)的一幅圖象通過光學系統(tǒng)投影到傳感器上。投影到傳感器上的此幅圖象為校準和位檢索裝置的輸入數(shù)據(jù)。
3.2步驟2讀取傳感器及執(zhí)行自動增益控制(AGC)AGC處理的目的是用于標準化圖塊圖象的亮度分布，以及調(diào)整A/D轉(zhuǎn)換的模擬閾值以有效地擴展與數(shù)字化表示的可用電平上的調(diào)制深度相關(guān)的模擬值的范圍。圖6顯示了兩幅圖象。左邊的圖象為一幅在AGC處理前所檢測到圖塊。而右邊的為同一幅圖象在AGC處理后的圖象。
自動增益控制(AGC)是調(diào)節(jié)對模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的閾值進行設(shè)置的放大器的增益的處理。其中“自動”意味著放大器的增益調(diào)節(jié)自動地跟蹤圖象亮度的變化。當圖象亮度增加時，放大器增益增加，而當圖象亮度減小時，放大器增益便隨之減小。AGC的效果是向分析電子儀提供一個數(shù)字信號，其大體等價于利用整個傳感器上的一個恒定亮度分布從一幅圖象中獲得的信號。所得的標準化信號越接近恒定的亮度分布，本裝置可以進行無錯操作的允許信噪比就越低。需要AGC的原因在于經(jīng)過傳感器時圖象亮度可能會因為多種原因而發(fā)生改變，這些原因包括光學系統(tǒng)中的光照射的易變性，符號透射率或象素敏感度中的低空間頻率變化。
放大器增益是根據(jù)從與數(shù)據(jù)圖案完全分離的預定“AGC區(qū)”中讀出的亮度來設(shè)置的。通常有兩種類型的AGC區(qū)。
a)位于數(shù)據(jù)圖塊周長上的AGC“裙”?！癆GC裙“是當陣列被讀出時被首先照射到的象素。其用于當圖象處理開始時提供亮度的一個初始度量。
b)位于沿每個數(shù)據(jù)區(qū)段的每一側(cè)分布的校準置信中的AGC“標記”。AGC標記用于當從傳感器陣列中讀出連續(xù)的行時更新放大器的增益。
當從傳感器陣列中讀出象素值(落在一個傳感器元件上的光圖象的值)時，AGC裙被同時用于預測圖象平面上的AGC區(qū)的位置，以及設(shè)置ADC的初始增益。其是對對應(yīng)于圖象上的數(shù)據(jù)符號位置的象素進行處理之前完成的。圖7所示為21個數(shù)據(jù)區(qū)段的一個完整圖塊。該圖塊的頂部和左部側(cè)邊的數(shù)據(jù)區(qū)段具有與其相應(yīng)置信區(qū)域?qū)R的AGC裙。其共有兩組AGC裙，一組沿頂部，一組沿側(cè)邊。兩組裙使其能夠?qū)D象進行雙向處理并提供用于估計拐角符號(接下來討論)位置的參考點。
AGC處理包括三項操作操作1)確定AGC裙的位置。
操作2)確定AGC裙區(qū)的中心。
操作3)執(zhí)行AGC功能。
操作1和2組成了一個將AGC電路指向AGC區(qū)的空間同步處理。使AGC電路與AGC區(qū)保持同步使得增益控制與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)無關(guān)，見圖8。在操作1和2期間，A/D轉(zhuǎn)換器的閾值被設(shè)置為缺省值。在操作3期間，AGC處理將對A/D轉(zhuǎn)換器的閾值進行設(shè)置。
以上的三節(jié)簡要介紹了三種AGC操作。在接下來的3.2.1節(jié)中將給出關(guān)于每種操作的更詳細說明。
3.2.1 AGC操作1確定AGC裙的位置為了找到AGC裙，將從頂邊開始對傳感器的每一行進行分析。每個象素行被連續(xù)地讀入并且為了便于分析而將其分割成6個單獨的段(圖9)。
當有一個指定數(shù)目的相鄰象素顯示出高于一個缺省閾值的幅值時，本算法便認為找到了所要定位的AGC裙。在本實施例中，當五個相鄰象素值中的四個均高于閾值時，便認為找到了一個AGC裙。當段2到5(如圖9所示)中全部四個裙均被找到時，AGC操作1便完成了。
3.2.2 AGC操作2-確定AGC裙中心在AGC操作2中，操作1中所處理的最后一行的象素被進一步處理以找出最靠近AGC裙中心的某個象素。本操作涉及利用一系列組合邏輯運算對一行中的象素值進行處理以首先找出邊緣的側(cè)邊并隨后迭代地移到中心。當段2到5中的每個裙的中心均被找到時，操作2便結(jié)束了。圖10所示為找出一個AGC裙的中心象素的過程。
3.2.3 AGC操作3執(zhí)行AGC功能一旦找出由每個AGC裙的中心象素所定義的列位置，便可以通過監(jiān)控這個列位置來跟蹤整個圖象的亮度。跟蹤是由峰值谷值檢測電路來進行的。此跟蹤將為A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)置對應(yīng)于AGC裙的中心處的象素所在列的閾值。對于那些落在兩個AGC中心之間的象素，是通過每一側(cè)上的AGC裙中心之間的一次線性插值來設(shè)置閾電平的(圖11)。
AGC操作必須滿足如下的事實，即在傳感器的讀出過程中，總是先遇到段2到5中的AGC裙，之后才是段1和6中的AGC裙。為了解決這個問題，AGC處理分三個階段進行(見圖12)。在第一階段中，找出段2到5中的AGC裙并確定其中心。在階段2中，在首先遇到的三個區(qū)段(在段2到5中)正在進行亮度標準化的同時，找出段1和6中的AGC裙。在第三即最后一個階段中，找出所有段中的AGC裙的中心，而當傳感器的每行被讀出時，傳感器的整個寬度上均在進行亮度的標準化。
3.3步驟3進行粗略中心定位拐角定位算法是通過兩個步驟來進行的a)粗略拐角定位(定義一個其中可以找到參考象素(原點)的區(qū)域。)b)準確拐角定位(確切地選擇參考象素)上述的兩個步驟，合在一起起到了為整個圖塊找出所有拐角符號的作用。每個拐角符號相當于用于分析置信圖案的一個參考點。參考點的位置(傳感器象素位置，圖13中的點(Rc,Cc))還相當于一個原點(此區(qū)段中的所有平移計算均是在其基礎(chǔ)上進行的)。每個區(qū)段與四個拐角符號有關(guān)，但是這四個中只有一個被定義為該區(qū)段的原點。在本實施例中，使用的是區(qū)段左上角的拐角符號。
在接下來的處理中，校準參數(shù)被用于計算從區(qū)段原點到每個符號位置的平移。將拐角定位處理分為兩個子處理(粗略拐角定位和準確拐角定位)以使處理時間趨于最小值。粗略拐角定位處理是一種快速的，計算代價較小的，用于在多個象素中找出拐角位置的方法。準確拐角定位處理隨后以更高的精度確定拐角符號的參考象素的位置。使用粗略拐角定位處理可以縮小搜索范圍從而使所需的計算總開銷趨于最小。
粗略拐角定位粗略拐角定位涉及圖塊的頂部處的AGC裙中心的列位置的定位，以及圖塊的側(cè)邊上的AGC裙的行位置的定位。這些“行”和“列”方向上的坐標組合在一起便給出了粗略的拐角定位(見圖13和圖15)。
3.4步驟4執(zhí)行每個區(qū)段的準確拐角(參考象素)定位確定一個區(qū)段的準確拐角的位置，具體地說，即參考象索(原點)需要一次空間濾波操作?？臻g濾波器是與拐角符號的形狀“相匹配”的一個匹配濾波器的二進制近似。該濾波器是一個在兩維上有限范圍之內(nèi)的數(shù)值的陣列，該有限范圍是在由“粗略拐角定位”處理所識別的包含參考象素原點的區(qū)域中對圖象數(shù)據(jù)進行數(shù)學卷積而得出的。
參考象素原點Rc,Cc(見圖13)是傳感器陣列上對空間濾波器的卷積產(chǎn)生一個最大值的位置上的象素。圖15所示的流程圖中的卷積處理是在如圖所示的處理步驟50到69中進行的。
一旦確定了參考象素坐標，便開始對每個置信區(qū)進行處理以確定每個區(qū)段Z1-21的校準參數(shù)。
3.5步驟5計算每個區(qū)段的校準參數(shù)3.5.1校準算法校準算法通過處理內(nèi)嵌在包圍區(qū)段的置信中的圖案來確定每個區(qū)段Z1-21的校準參數(shù)。這些置信包含符號圖案被均勻間隔開的區(qū)域。這些區(qū)域提供了一個二維的周期信號。本校準算法在沿置信的多個點上分別在行和列方向上計算該信號的相位。利用“最小二乘”分析將在這些點上獲得的相位值的集合擬合成一個多項式。在最小二乘處理中所得的多項式的系數(shù)隨后被用于確定校準參數(shù)。
如圖16和24所示，與每個區(qū)段相關(guān)的置信有四個，其分別為t,b,r,l(分別在四個側(cè)邊上)。取決于圖象的質(zhì)量，可以用一個到四個置信的任意組合來計算該區(qū)段的校準參數(shù)。本文所述的實施例使用全部的四個置信。若使用的置信少于四個，可減少處理的總開銷，但同時會使精度有相應(yīng)的降低。
校準算法的一般流程如圖17中的處理步驟71-76所示。每個處理步驟的右面是該步驟目的的一個簡短說明。
3.5.2將一個空間濾波器應(yīng)用到置信區(qū)信號確定校準參數(shù)的第一步驟涉及一個空間濾波處理。從置信中的周期性符號圖案中所產(chǎn)生的周期信號由一個參考信號有比例的放大以產(chǎn)生一個差值信號。這個處理對兩個參考信號分別進行兩次從而產(chǎn)生兩個相位正交的差值信號。隨后將這些信號濾波以消除和頻，諧波含量以及噪聲。
濾波處理涉及對來自置信上的一個區(qū)域中的象素值求和。所求和的這些象素值首先以對應(yīng)于由參考信號倍乘置信信號的方式根據(jù)數(shù)值大小加權(quán)。以此種方式，乘法和濾波操作被組合在一起。濾波器由所求和的象素區(qū)域的范圍定義，而參考信號的乘法操作通過對象素值加權(quán)來實現(xiàn)。圖18顯示了這種用于每個x和y分量的組合乘法及濾波處理。
3.5.3確定校準置信的信號相位接下來的步驟是求正交對同相分量比率的弧度正切。其結(jié)果便是信號相位。
同相分量被定義為A·cos(2π·P(x)+φ)(3.1)其中P(x)為相位中與x有關(guān)的部分正交分量被定義為A·sin(2π·P(x)+φ)(3.2)將正交分量除以同相分量，使其與振幅無關(guān)tan(2π·P(x)+φ)=A·sin(2π·P(x)+φ)A·cos(2π·P(x)+φ)=sin(2π·P(x)+φ)cos(2π·P(x)+φ)---(3.3)]]>現(xiàn)在通過求正切來確定信號的相位phase=2π·P(x)+φ=tan-1(tan((27π·P(x)+φ))
說明校準的一種簡便方法是將置信信號的相位作為位置的一個函數(shù)來繪制曲線。圖19所示為該信號在行和列方向上的相位的曲線圖。
在任何實際的相位計算中均會出現(xiàn)噪聲。圖20和21是典型的x和y方向上的相位的曲線圖。為了從所計算的數(shù)據(jù)中近似出相位曲線，其使用了一個多項式來描述該曲線。此多項式的系數(shù)是利用最小二乘分析估計出來的。
3.5.4進行對數(shù)據(jù)的最小二乘擬合進行最小二乘誤差擬合的第一個步驟是選擇用于擬合數(shù)據(jù)的曲線的階數(shù)。圖22和23中分別給出了一階和二階多項式曲線擬合的兩個示例。
圖22和23分別圖示了對相位數(shù)據(jù)的一階和二階曲線擬合。盡管也可以用其它的函數(shù)來擬合這些數(shù)據(jù)，但優(yōu)選處理使用的是簡化了系數(shù)求解計算的最小二乘階數(shù)的多項式。
最小二乘誤差擬合涉及多項式系數(shù)的求解。用于一階(線性)最小二乘擬合的校準參數(shù)的求解假設(shè)phase=Φ=ax+b (3.5)(其中a和b為來自線性最小二乘擬合的系數(shù))及m=2(f0+f1x)(3.6)(其中x為“第m個”符號的位置)且f0=12πb-18]]>，而f1=12πa-14]]>解上面的3.6式可求出x為x=m12f1-f0f1---(3.7)]]>其也寫成如下形式x=x0+m·dx (3.8)其中x0=-f0f1]]>，而dx=-12f1]]>(x0和dx被定義為X軸的校準參數(shù))從方程3.8可以看出，利用校準參數(shù)，可以求出任何符號(x)的位置。
接下來對與一階擬合類似的二階多項式擬合的推導進行說明。
使用二階(正交)擬合的校準參數(shù)的推導假設(shè)phase=Φ=ax2+bx+c(3.9)利用關(guān)系m=2(f0+f1x+f2x2)(3.10)其中f0=12πc-18,f1=12πb-14,]]>而f2=12πa]]>由方程3.10求解x，(“第m位”的位置)x=-f1±f12-4f2(f0-m2)2f2---(3.11)]]>上式可寫為另一種形式x=x0+m·dx+m2·ddx(3.12)
其中x0=12(-f1+f12-4f2f02f2),dx=12f12-4f2f0,]]>ddx=14(f12-4f2f0)3/2]]>如果二階項與一階項相比要小得多，則參數(shù)可以被簡化為x0=-f0f1,x1=12f1,]]>而ddx=f24f13]]>(由二階擬合得到的X軸校準參數(shù))3.5.5合并來自四個置信的校準參數(shù)對包圍一個區(qū)段的四個置信分析(圖24)分別進行分析，而對每個置信，分別為其x和y分量產(chǎn)生一個分離的相位曲線。這些曲線是利用圖18中所示的濾波處理產(chǎn)生的。垂直的置信是以與適當坐標變換等價的方式來進行處理的。
每個多項式擬合的系數(shù)均被轉(zhuǎn)化為校準參數(shù)。所產(chǎn)生的校準參數(shù)是八個集合。分別用頂部置信的“t”，底部置信的“b”，右側(cè)置信的“r”和左側(cè)置信的“l(fā)”來表示校準參數(shù)的這八個集合。
接下來是從正交最小二乘擬合中求解出來的校準參數(shù)的一個示例頂部置信(t)t_x0,t dx，及t_ddx(行)t_y0,t_dy，及t_ddy(列)底部置信(b)b_x0,b dx，及b_ddx(行)b_y0,b_dy，及b_ddy(列)右側(cè)置信(r)r_x0,r_dx，及r_ddx(行)r_y0,r_dy，及r_ddy(列)左側(cè)置信(1)l_x0,l_dx，及l(fā)_ddx(行)l_x0,l_dx，及l(fā)_ddx(行)3.6步驟6計算符號位置將這些校準參數(shù)組合在一起用以指明在相對于原點的第m行及第n列的符號的位置。
一階曲線擬合Xn,m=t_x0+n·(t_dx(69-m)+b_dx·(m))69+m·(l_dx·(69-n)+r_dx·(n))69---(3.14)]]>Yn,m=t_y0+n·(t_dy(69-m)+b_dy·(m))69+m·(l_dy·(69-n)+r_dy·(n))69---(3.15)]]>二階曲線擬合Xn,m=t_x0+n·(t_dx(69-m)+b_dx(m))69-n2·(t_ddx·(69-m)+(b_ddx·(m))69+]]>m·(t_dx(69-n)+b_dx·(n))69-m2·(l_ddx·(69-n)+r_ddx·(n))69---(3.16)]]>Yn,m=t_y0+n·(t_dy(69-m)+b_dy·(m))69-n2·(t_ddy·(69-m)+(b_ddy·(m))69+]]>m·(t_dy(69-n)+b_dy·(n))69-m2·(l_ddy·(69-n)+r_ddy·(n))69---(3.17)]]>注意在方程54-57出現(xiàn)的數(shù)值“69”，因為本文所描述的實施例中，區(qū)段有69個符號寬，因此兩個置信分別相隔69個符號。
3.7步驟7進行插值機脈沖細化接下來，將通過插值和脈沖細化對與數(shù)據(jù)符號(與置信符號相對)相關(guān)的象素值進行進一步的處理以減小由于碼間干擾所引起的信號噪聲(ISI)。
ISI是指由于某個符號位置上的圖象與其最近符號上的圖象相重疊而造成的圖象質(zhì)量的降低。ISI增加了進行正確位檢測所需的信噪比(SNR)。在記錄方向上(例如，沿一盤磁帶或一張光盤的“線性”信軌)的符號的大小大于符號間的間隔的一維編碼方案中會出現(xiàn)ISI。通過一種“眼形”圖可對這種線性ISI進行有效地分析。由于ORAM數(shù)據(jù)緊密地堆積在x和y方向上，從而更加增大了重疊的可能性，不僅是與兩側(cè)的相鄰符號重疊，還可能是與緊鄰的上面和下面的符號相重疊，或在稍小的范圍內(nèi)，與對角線上的符號重疊。盡管其比較復雜，但“眼形”圖模擬仍可圖示所涉及的處理(見圖25)。
“眼形”是指那些沒有以那種可以在該位置上產(chǎn)生一個數(shù)值的方式重疊的符號圖案的組合的區(qū)域。在眼形區(qū)域中設(shè)置了閾值以區(qū)分有無符號存在。理想地，為了確定一個符號是否存在，將閾值設(shè)置為眼形圖(圖25a)的上界和下界中間位置的值。
加到信號中的噪聲有使眼形圖的邊緣變得有些模糊的效果。這里使用“模糊”一詞是用來說明改變了信號的實際幅值的噪聲的統(tǒng)計特性?？梢哉J為噪聲起到了減小眼形大小的作用(圖25b)。
當一個符號圖象的中心和一個象素的中心之間存在偏移，而同時又存在噪聲且閾值高于或低于眼形的中點時，在位檢測中將會產(chǎn)生誤差(圖25b)。為了抵銷這種效果，使用了插值和脈沖細化的方法。
插值校準算法中一個符號圖象的中心位置至少應(yīng)具有±1/4象素的精度。使用插值是為了處理一幅符號圖象沿象素的能量分布的變化(圖25c)。這種變化是由于與象素真正中心相關(guān)的符號圖象位置可變而產(chǎn)生的。如果一個符號的中心在一個單獨的象素上，則與該符號相關(guān)的能量的大部分將存在于該象素中。如果該符號的中心落在象素之間，則與該符號相關(guān)的能量將分布在多個象素之間(圖26)。
為了對符號中心的所有可能的校準獲得與一幅符號圖象相關(guān)的能量的度量，使用的度量方法是對象素的一個3×3陣列的進行加權(quán)求和。在陣列中選擇9個象素是為了使所求出的真實符號中心在3×3陣列的中心象素之內(nèi)。此中心象素位置被再分成16個區(qū)域，根據(jù)符號的中心位于哪一個區(qū)域中，來確定在對3×3陣列求和時所使用的預定加權(quán)。圖27顯示了一個象素上的16個區(qū)域的定位及其9個相應(yīng)的加權(quán)圖案。
在本實施例中選擇了四個權(quán)重(“0”,“.25”,“.5”和“1”)以使二進制計算的復雜性趨于最小。(這些權(quán)重均可以通過對象素值進行簡單的位移位實現(xiàn))。通常也可以使用其它的加權(quán)策略。
脈沖細化
脈沖細化步驟估計出相鄰符號的影響并從由正被處理的當前傳感器象素中讀出的信號中將由于相互重疊而產(chǎn)生的信號成分去除掉。在插值之后，即在根據(jù)傳感器柵格對象素位置對數(shù)據(jù)作了校正之后進行脈沖細化，是本優(yōu)選實施例一個重要特性。脈沖細化減小了重疊所造成的影響從而增大了“眼形”的尺寸(見圖25d)。
確定相鄰符號的影響的一種方法是計算其位置，并從所研究的當前象素處的值中減去所計算出的這些相鄰位置上的象素值的一部分。其中的一個實施例是減去正被處理的區(qū)段中的每個象素的上下兩個和左右兩個的象素值的總和的8分之一。其數(shù)學表達式為Pixel(x,y)=Pixel(x,y)-(Pixel(x,y-2)_Pixel(x,y+2)+Pixel(x-2,y)+Pixel(x+2,y)8]]>3.8步驟8進行檢索閾值判定最后，在順序地執(zhí)行完ABR處理中的上述模塊之后，將通過將處理后的符號值(在脈沖細化和插值之后)與一個閾值進行比較來判定每個潛在符號位置是1或是0。如果校正后的象素值低于該閾值(亮度低)，則檢測到一個“0”。如果校正后的象素值高于該閾值，則檢測到一個“1”。
3.9步驟9進行附加的誤差檢測和校正(EDAC)除了本發(fā)明的校準和位檢索之外，也可以采用其它常用的誤差檢測和校正處理。
關(guān)于適用的ORAM誤差校正設(shè)計可見Illinois大學電子工程系碩士Chow,Christopher Matthew的科學論文，“一種優(yōu)化的單擴展Reed-Solomon解碼算法”。
4．用于硬件實現(xiàn)本方法的裝置如上所述的方法是本發(fā)明的軟件實現(xiàn)。然而為了實現(xiàn)速度指標和其它的優(yōu)點，當前的優(yōu)選實施例可以在具體的硬件(電路中實現(xiàn)的邏輯)和微程序語言(微編碼)中實現(xiàn)本處理。在圖28“ORAM電子接收機子系統(tǒng)”中對本優(yōu)選實施例進行了描述，并將硬件實現(xiàn)分成兩個功能集成電路(IC)。圖象感應(yīng)與數(shù)字化(傳感器IC)圖28中的傳感器IC將傳感器27和圖象數(shù)字化儀29合在一起并將光子能量(光)轉(zhuǎn)化為電信號(一種模擬處理)。傳感器IC 27包括排列在放置于數(shù)據(jù)圖象的焦平面上的一個平面柵格中的感應(yīng)元件(象素)的一個陣列27a，并感應(yīng)每個元件或象素上的光線入射。累積的象素電荷被順序地移到象素陣列的邊緣并被預放大。在本實施例中，利用3位(8種電平)的分辨率來數(shù)字化每個象素上的模擬電壓電平。所累積的此圖象數(shù)字表示隨后被傳送到兼有了圖1所示的RAM 30和校準/位檢索算法的功能的ABR IC。數(shù)據(jù)校準和位檢索(ABRIC)圖28所示的ABR IC是一個純數(shù)字的邏輯模塊或集成電路。該模塊的功能是以一種算法的方式(利用被稱為置信的數(shù)據(jù)圖象中的內(nèi)嵌特征)用數(shù)學方法校正數(shù)據(jù)圖象旋轉(zhuǎn)，放大和偏移誤差。一旦圖象被校準，便可以通過檢查每個投影符號位置處的幅值分布提取出數(shù)據(jù)。隨機存取存儲器(RAM)30(在本實施例中其為一種快速SRAM)保存來自傳感器IC的數(shù)據(jù)圖象，具體處理中執(zhí)行用于所述圖象校準和數(shù)據(jù)位檢索的數(shù)值運算及處理。圖象感應(yīng)和數(shù)字化IC(傳感器IC)4.1.1光子檢測傳感器IC由硅光感應(yīng)元件構(gòu)成。硅上的光子入射擊中晶格從而產(chǎn)生電子-空穴對。這些正電荷和負電荷彼此相斥并集中在場區(qū)的終點從而產(chǎn)生一個可檢測到的累積電荷群。所產(chǎn)生的電荷電平分布便是二維傳感器平面上的光亮度分布(數(shù)據(jù)圖象)的一個表示。
傳感器平面是被稱為象素(其將電荷匯集到以空間方法組織的樣本中)的特殊(和普通)感應(yīng)單元一個柵格。圖29用圖形的方法顯示了圖象的光強(被顯示為三維分布)是如何影響象素信號強度的。象素信號強度是一個代表了該象素上所匯集的圖象亮度(能量)分布的單獨取值的數(shù)。圖29中每個象素中的數(shù)便是這些相關(guān)數(shù)值。
圖29的亮度表示呈現(xiàn)出“1”位置(高亮度光點)和象素柵格陣列之間的一種確定的重合關(guān)系。比如，圖29左圖中的單獨分布的“1”。如果“1”位的中心不在一個單獨的象素上，而是在四個相鄰象素的相交部分上，則將會出現(xiàn)一個異對稱。將有四個象素(形成一個2×2的正方形)被均勻的照亮，而在其周圍是亮度稍小的象素的一個環(huán)帶。本例假設(shè)單個數(shù)據(jù)符號的圖象大約覆蓋4(2×2)個象素。標稱的系統(tǒng)放大倍數(shù)為20比1(±10％)，也就是說介質(zhì)上的一個1μ直徑的象素投影到傳感器上將變?yōu)?0μ象素的一個2×2陣列。然而放大誤差將會使相關(guān)象素值發(fā)生輕微的改變。當放大倍數(shù)超過20比1時，每個符號將分布在多于2×2的象素上，而當圖象放大倍數(shù)小于20比1時，符號能量將由少于2×2的象素的分享。注意本近似忽略了符號圖象散射的高階效果(由光學的點擴散函數(shù)所得)。
放大倍數(shù)和校準公差以及防擾頻帶定義了所需的傳感器陣列的大小。傳感器27(圖28)必須足夠大以在最大放大倍數(shù)(本例中定為22比1)和最差校準公差(定為在x和y方向上均小于±100μ)的情況下也能夠容納下完整的圖象。由于介質(zhì)上的數(shù)據(jù)圖塊為354×354個間隔為1μ的符號，所以傳感器上的圖塊圖象將有7788μ那么大。再加上最大允許偏移(200μ)以允許正負偏移，傳感器陣列至少需要有7988μ或799個10μ象素那么寬。
4.1.2預放大設(shè)計研究通過執(zhí)行各自的器件循環(huán)，信號電荷可以被順序地傳送到主動傳感器的邊緣，在此一個預放大器80將信號電荷轉(zhuǎn)化為一個足夠強的電壓以操作由緊跟著輸出緩沖器的數(shù)字化儀和邏輯電路29提供的典型處理電路。傳感器IC體系為每一行的象素指定一個預放大器80。由于是以每個電荷耦合器件(CCD)周期(每一行一個象素，橫貫全部800行)來讀出整列數(shù)據(jù)的，因此CCD的工作頻率是決定系統(tǒng)性能的一個關(guān)鍵參數(shù)。為每個象素行設(shè)計輸出電路時將一個標準滿幀圖象的每周期吞吐量乘以行數(shù)。在本優(yōu)選實施例中，其具有將系統(tǒng)性能增加到800倍的效果。
系統(tǒng)噪聲主要是預放大器設(shè)計參數(shù)的函數(shù)，因此，對預放大器的設(shè)計和構(gòu)造要十分仔細。重要的預放大器參數(shù)是增益，帶寬和輸入電容。增益必須能夠產(chǎn)生相對于噪聲足夠大的輸出信號；但是增益-帶寬折衷是不可避免的，增益必須適中以獲得足夠快的速度。必須將輸入電容保持很低以使由輸入引起的噪聲電荷最小。傳感器預放大器80是一種共源FET輸入結(jié)構(gòu)?？梢允褂脴藴试O(shè)計的相關(guān)復位電路，其應(yīng)該簡單，小巧且低噪聲。
選擇合適的預放大器設(shè)計方案時需要滿足如下的技術(shù)要求預放大器性能A=100μ伏特/電子BW(3dB)=55MHz輸入引入噪聲=50電子4.1.3數(shù)字化-自動增益控制在對圖象進行數(shù)字化之前，將利用象素幅值抽樣來確定A/D轉(zhuǎn)換器的閾值。如果所選閾值太高，則所有的圖象符號值將只落入A/D最初的少數(shù)幾個計數(shù)脈沖內(nèi)從而損失了分辨率。如果所選的閾值過低，A/D將發(fā)生飽和，從而使輸出失真。圖象亮度是區(qū)，圖塊和章上的位置的一個函數(shù)，因此任何的閾值算法必須滿足區(qū)域的變化。
自動增益控制(AGC)方案通過使圖象數(shù)字化的動態(tài)范圍最大，提高系統(tǒng)精度和速度而使系統(tǒng)性能達到最佳的。在一些預定的點(AGC裙)上對圖象幅值(亮度)進行檢驗，并將此信息用于控制A/D轉(zhuǎn)換器的閾值電平。當開始讀取圖象時，信號主要是背景噪聲，因為通過設(shè)計，圖象對準的是傳感器27的中心，而圖象讀取是從應(yīng)該是黑色的邊緣開始的。當CCD循環(huán)繼續(xù)進行且連續(xù)列被移向正感應(yīng)的邊緣時，所遇到的第一個信號是來自AGC裙的前導邊緣的圖象(見圖31)。AGC裙圖象為一個5×9的全“1”陣列，因此其亮度最高。從映象這些特征的象素中讀出的幅值代表了在整個表面上任何地方均能得到的最大亮度。在數(shù)字化儀和邏輯電路29(見圖30)中設(shè)計了一個邏輯時鐘以在每個象素行上檢測這些峰值的位置并在簡單的控制下選擇與AGC特征最對齊的象素行。
在置信行中，沿與AGC裙相同的象素行是圖象的預編碼部分，其代表了局部“黑暗”，即一個最小值(全“0”)和局部“明亮”，即一個最大值(全“1”)。當讀取象素列時，峰值檢測電路對這些行值進行檢驗。峰值檢測器(見下文中所討論的圖22)本身是眾所周知的，這里所用的一個基于判定的峰值檢測器存儲的是所遇到的最高值。其對應(yīng)物，最小值檢測器，構(gòu)造相同但比較器指向相反。
最大和最小信號之間的差值代表了A/D的整個范圍，并因此為每個計數(shù)分別設(shè)置了權(quán)重。最小信號的值代表了圖象中出現(xiàn)的DC偏移(或背景光)。該偏移被加到A/D閾值上。這些閾值沿圖象(對圖31來說其為垂直地)共享以實現(xiàn)AGC樣本之間的數(shù)值的線性插值。
4.1.4數(shù)字化一量化為了進行處理，需要將所捕獲的圖象數(shù)字化并將其傳給讀取/位檢索(ABR)算法。包含CCD的傳感器IC 27，29在預放大之后進行數(shù)字化。這里所說明的ORAM實施例使用的是圖32所示的3位(8級)量化。
參照圖32，每個預放大器80將饋入直接地輸出進一個A/D塊中，所以每一象素行有一個A/D。本設(shè)計使用7個具有轉(zhuǎn)換電容偏移校正的比較器。這些比較器的閾值是從一個電流源饋入的，該電流源在一系列電阻上加載了一組電壓。該閾值由一個為所有象素行共用的電阻網(wǎng)絡(luò)來控制，并根據(jù)AGC象素行圖象最大和最小幅值的先驗知識來預先設(shè)置。圖32顯示了應(yīng)用于任意信號的典型的A/D代碼。
本步驟的結(jié)果是象素電壓的一個3位(8級)表示。這個值代表了入射光的亮度。該比例門限的凈效果是使橫貫圖塊的任何緩慢變化的圖象亮度包跡線變平滑。數(shù)字化后的圖象，現(xiàn)在被標準化了，已可以將其輸出到ABR功能部件。
4.1.5數(shù)據(jù)輸出在每個象素時鐘周期的末端，A/D為每個象素行產(chǎn)生一個3位值。在傳感器檢測器平面上共有800個象素行，而傳感器象素時鐘的工作頻率為20MHz。在20MHz的頻率下，傳感器每50nS輸出2400位(800行3位值)。一個工作在240MHz的200位寬的總線，將傳感器IC耦合到圖28所示的ABRIC上。
該總線結(jié)構(gòu)在最小化硅表面和芯片的能量消耗的同時使速度最大。每個輸出緩沖器分配給4個象素行，每個象素行每個象素時鐘周期產(chǎn)生3位。在每個象素時鐘周期，輸出緩沖器及時的將這12位輸出以為下一個局部向量作好準備。盡管本方案是用現(xiàn)有的技術(shù)來實現(xiàn)的，但在多級邏輯電路方面的進步將會顯著地降低所需帶寬。
4.1.6傳感器IC控制為了管理所需的功能，傳感器包括一個中央控制邏輯塊，其功能是產(chǎn)生用于圖象電荷傳輸?shù)臅r鐘；向預放大器，A/D轉(zhuǎn)換器及峰值減檢測器提供復位信號；啟動AGC行選擇；及使數(shù)據(jù)輸出流有效。圖33描述了傳感器IC上的信號流程的原理圖。
控制時鐘由系統(tǒng)中最快的器件，一個240MHz的主時鐘驅(qū)動。該時鐘被分頻以產(chǎn)生在CCD中為完成圖象電荷傳輸所需的三個相位。對具有電荷傳輸操作的預放大器和A/D轉(zhuǎn)換器的操作進行周期性協(xié)調(diào)的復位和控制脈沖，是從電荷傳輸相位中導出的并與主時鐘保持同步。輸出緩沖器控制以完整的主時鐘速率操作(以滿足吞吐量的需要)，并在下一個象素時鐘周期之前依次地輸出12個局部位。
圖33顯示了傳感器控制部件的主要定時元件。三個CCD相位一起工作以增加橫貫圖象陣列的電荷集。當?shù)谌辔蛔兊蜁r，電荷被輸入到預放大器中。在第三相位剛變低之前，預放大器被復位以使其可以處理輸入的電荷。另外在第三相位剛變低之前，在預放大器復位的同時，A/D轉(zhuǎn)換器被復位，消零并被設(shè)置為感應(yīng)模式。
4.2數(shù)據(jù)對齊和位技術(shù)(ABR)ICORAM數(shù)據(jù)校正電子裝置的主要元件如圖34所示，其顯示了從傳感器IC 27,29接收原始數(shù)據(jù)的校準和位檢索IC 32。IC 32電子裝置包括快速SRAM，校準電路，位檢索電路和EDAC電路。
4.2.1 ABR功能說明4.2.1.1功能流程校準和位檢索(ABR)處理步驟如圖5中的流程圖所示。
首先圖象信息被捕獲并在傳感器IC上被量化(步驟1-2)。隨后該數(shù)據(jù)通過高速數(shù)據(jù)總線被送到ABRIC以填充一個板上數(shù)據(jù)緩沖器(步驟2)。執(zhí)行一個例程，“粗略拐角定位”，以確定存儲器指針的地址從而近似地確定圖象的位置(步驟3)。當粗略拐角定位執(zhí)行完畢后，將執(zhí)行更加精確的“準確拐角定位”(步驟4)。步驟5,6,7和8是確定解碼中所使用的精確的區(qū)段偏移，旋轉(zhuǎn)和放大參數(shù)的數(shù)學強化運算。步驟5是在區(qū)段置信圖象上進行的用于產(chǎn)生x方向上的“同相”和“正交”(下文中簡稱為I和Q)的一系列卷積。步驟6，最小二乘擬合(LSF)，將I和Q合在一起以形成一條直線，其斜率和截距產(chǎn)生“x”軸偏移和符號間隔距離。類似的步驟產(chǎn)生“y”軸的有關(guān)信息。利用所得的“x”和“y”軸信息可以描述區(qū)段中的每一個符號的精確定位。下面的兩個操作是用于提高系統(tǒng)的信噪比(SNR)的信號增強步驟。在步驟7中，脈沖細化減小了由相鄰符號引起的碼間干擾(ISI)的潛在可能性，而插值則滿足了多個相連象素共享符號信息的可能性。
在通過上述步驟1到7對圖象進行過處理之后，可以通過簡單地估算符號幅值表示的MSB(最顯著位)來進行位判定。其是將圖象信息(具有幅值分布和空間象色差)轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字位的二進制判定處理。一旦數(shù)據(jù)以位形式表示后，誤差檢測和校正(EDAC)功能部件便可以將任何由介質(zhì)缺陷，污染物，噪聲或處理誤差所造成的殘余誤差清除掉。
4.2.1.2塊級說明圖34所示為ABR IC32的一個更詳細的方框圖。該圖描述了一個功能強大的，有特殊目的的計算工具。該裝置的結(jié)構(gòu)是為存儲二維數(shù)據(jù)而特別設(shè)計的，可用于執(zhí)行特殊的ORAM算法以快速地將原始傳感器信號轉(zhuǎn)換為用戶最終數(shù)據(jù)。ABR IC32的此實施例包括一個SRAM 91，微控制器和所存儲的程序92，加法器95，比較器96，暫存97,TLU 98，硬件乘法器99和SIT處理器100。此外，在本優(yōu)選實施例中還提供了一個輸出RAM緩沖器102和EDAC 103。
傳感器數(shù)據(jù)在一個由自激地址發(fā)生和控制電路所執(zhí)行的處理中被讀進快速RAM 91。兩個微控制器(μC)92粗略地確定圖像拐角的位置并為所感興趣的區(qū)段找出拐角符號象素的近似位置。通過連續(xù)運行上述的一個相關(guān)內(nèi)核程序找出參考象素的精確定位，其中使用一個具有快速累加器95的專用8字長加法器94和一個比較器96來加快這些計算的速度。
通過處理圖像置信確定了詳細的區(qū)段圖像屬性。其涉及對兩個不同核的多次卷積。其也是由8字長加法器和快速累加器來簡化的。這些運算的結(jié)果由通過硬件資源加速的乘法組合在一起。微控制器(μC)92進行除法運算。弧度正切函數(shù)可以通過查表器(TLU)98來完成。
在此階段，區(qū)段的圖像偏移和旋轉(zhuǎn)是精確已知的。這些已知條件被用于求解RAM存儲器空間中描述了符號位置的地址(離拐角符號原點的偏移)。這些偏移被輸入到細化插值器(SIT)100中，由其進行1或0位判定并將結(jié)果移送到一個執(zhí)行EDAC 103功能的輸出RAM緩沖器中102。
4.2.1.3 RAM和傳感器接口圖像數(shù)據(jù)被順序地從傳感器IC讀到ABR IC上的一個RAM緩沖器中。該緩沖器存儲了正被處理的數(shù)據(jù)。緩沖器的容量足夠大以保存一幅被量化為3位的完整圖像。一個每個象素被量化為3位的800×800象素大小的傳感器，需要1.92兆個存儲位。
假設(shè)一個20MHz的傳感器線路時鐘，將整幅傳感器圖像載入RAM中需要40μS。為了保證吞吐量和存取時間的要求，其必須在圖像被完全載入之前便開始對圖像數(shù)據(jù)進行處理。因此，RAM緩沖器應(yīng)具有雙向端口的特性。為了在不增加RAM單元尺寸的情況下實現(xiàn)雙向端口操作，緩沖器被分段為如圖35所示的樣子。
當逐列讀入圖像數(shù)據(jù)時，首先將其存儲在存儲器中，組織成如圖35所示的條紋或段1-n。根據(jù)所選用的用于ABR IC實現(xiàn)的技術(shù)對這些條紋的寬度(及其數(shù)目)進行優(yōu)化。對于本實施例，條紋寬度大約為40單元，因此需要20個條紋(兩個數(shù)值的乘積為800，等于傳感器圖像數(shù)據(jù)的象素寬度)。這種選擇將會使在圖像數(shù)據(jù)讀出和處理完成之間出現(xiàn)一個2μS的等待延遲時間。
4.2.1.4并行加法器，累加器和比較器許多校準運算均涉及對一個預定核的矩陣卷積運算。這些運算中常有對一組象素幅值用±1的系數(shù)求和的運算。為了加快這些運算的速度，本設(shè)計方案中包括一個專用硬件加法器，其功能是在一個步驟中對8個3位字進行求和。例如，一個8×8的卷積掩碼將變?yōu)橐粋€8步驟的處理，而如果此運算完全串行時，其將為一個64步驟的處理。到加法器的輸入是存儲器輸出總線，而其輸出是一個6位字(足夠?qū)捯詽M足所有8個字全等于7，結(jié)果為56的情況)。這個6位字的最大值為64(26)，大于最差的情況。
本算法中的卷積為二維而并行加法器為一維。為了實現(xiàn)二維，加法器的連續(xù)輸出自身必須被求和。這項工作是在累加器中完成的。卷積開始時，累加器被清零。當在微控制器的控制下存取正確的存儲器位置時，加法器的結(jié)果便被加到累加器保持寄存器中。此求和可以是加，也可以是減，其取決于卷積核的系數(shù)值。
在需要數(shù)字峰值檢測的地方(比如，當求解拐角符號參考象素時)要采用比較器功能部件。在此操作中，沿一個被確保足夠大以包括拐角象素位置的區(qū)域中掃描一個與區(qū)段拐角符號圖案相匹配的卷積核。此區(qū)域的大小取決于粗略校準算法的精度。每次核迭代得出結(jié)果(圖36)便測試當前結(jié)果是否大于所存儲的結(jié)果。如果新的結(jié)果小于所存儲的值，便將其舍去而將此核應(yīng)用與下一個位置。如果新的結(jié)果大于所存儲的值，則沿其對應(yīng)的地址用它來代替所存儲的結(jié)果。以此方式，累加得到最大卷積，也就是最佳匹配(及其相關(guān)地址)。這個地址便是區(qū)段拐角的參考象素的位置(x,y)。
4.2.1.5硬件倍乘校準算法對一系列點進行最小二乘擬合以確定放大和旋轉(zhuǎn)。最小二乘運算涉及多次乘法運算。為了減小其對存取時間的影響，需要一種專用乘法器。有多種乘法器滿足要求(即，流水線的，位串行的，微控制的，華萊士樹型)。本實施例使用的是一種華萊士樹型結(jié)構(gòu)。其基本要求是乘法器在一個周期的時間內(nèi)從兩個8位輸入中產(chǎn)生一個12位的結(jié)果。
4.2.1.6弧度正切函數(shù)通過求解由校準參數(shù)，即x0和y0的商所表示的角度，可將最小二乘擬合運算的結(jié)果轉(zhuǎn)化為具有物理意義的數(shù)值(諸如以存儲器地址觀點看的幅值，旋轉(zhuǎn))。商被用作此函數(shù)的輸入，因其是無量綱的，即已將其標準化從而消除了幅值變化的影響。
一個查表(TLU)運算被用于執(zhí)行該步驟，由此節(jié)省了(迭代)計算時間以及專用于求解的電路所需的IC表面面積。一個256個十位數(shù)(2560位)大小的表可保證小到0.35°的角度分辨率。該表的256個點只需要說明一個單獨的象限即可(商操作數(shù)的符號決定了屬于哪一個象限)。
4.2.1.7 SIT處理器和位確定在一個線性擬合的例子中，四個校準參數(shù)x0,dx,y0和dy，描述了粗略和準確拐角定位，校準計算和三角運算的結(jié)果。這些參數(shù)代表了離第一數(shù)據(jù)符號的拐角符號原點的x和y偏移，其分辨率為1/4象素。參數(shù)dx和dy以存儲單元為單位表示了符號之間的距離。
需要特別注意的是這些值具有比通過簡單地指定一個地址而獲得的值高得多的精度。這些參數(shù)能夠?qū)^(qū)段中任何地方的一個符號定位于±1/4象素之內(nèi)。換句話說，這些數(shù)準確到608分之一(放大倍數(shù)為2.2時，一個區(qū)段中有69個符號意味著該區(qū)段的橫跨152個象素；精確到1/4象素之內(nèi)便意味著在152*4或608個中精確到1)。因此，校準參數(shù)字長必須至少為9位，原因在于最小是29的數(shù)值才可以提供大于1/608的精度?？紤]到量化噪聲以防止來自有限精度數(shù)學的惡化影響，當前這些參數(shù)的基線的精度為12位。
插值和細化(SIT)處理器是原始圖像存儲器數(shù)據(jù)所經(jīng)過的一個數(shù)字濾波器。每次向SIT電路提供一行數(shù)據(jù)，而每次對五行(當前行及其上下個兩行)進行運算。該電路跟蹤離區(qū)段原點(由拐角參考象素定義)的距離(x與y)。“象素間隔“距離的先驗知識與求解出的校準參數(shù)一起將在此坐標系中產(chǎn)生精確的符號定位。
圖37顯示了映象到存儲器中的區(qū)段圖像的一部分。一旦校準例程確定了精確的區(qū)段原點，便可以知道數(shù)據(jù)的位置。從原點向遠處移動，向下三個符號位置，向左三個符號位置(對應(yīng)地，大約向下六個象素及向左六個象素，取決于確切的放大倍數(shù))，便到達包含數(shù)據(jù)的區(qū)段的存儲器區(qū)。一旦進入該區(qū)域中，圖像數(shù)據(jù)的行便被順序地(從頂?shù)降?傳送到SIT電路，以利用鄰域的知識一次操作一個。
插值和脈沖細化是用于提高信噪比(SNR)的信號處理步驟。圖38概述了兩種技術(shù)的運算。關(guān)于脈沖細化更詳細的說明請參閱3.7節(jié)。
脈沖細化計算在一個中心符號上的總能量中由于碼間干擾而從相鄰的符號中“溢出”的光線所引起的那部分。該處理將計算所得的值從總能量中減去從而減小了ISI的影響。本實施例中的算法是從每個符號值中減去來自相鄰符號的總能量的一部分。
插值被用于定義離符號圖像的真實中心最近的象素的位置。因為傳感器陣列對符號圖像進行空間地重復取樣(平均每個符號4個象素)，來自任何單獨符號的能量均被多個象素共享。對實際符號能量的最精確的度量是通過確定符號圖像在其鄰域中的象素的每一個上所映象的百分比，并將此能量相加而獲得的。欲對插值和脈沖細化算法有一個更綜合的概覽請參閱3.7節(jié)。
當插值和細化處理器(SIT)的輸入是圖像數(shù)據(jù)行及其相鄰的一個級連續(xù)列。通過查看每一行中的數(shù)據(jù)，利用所計算出的符號位置的知識，可確定和計算出每個符號中的實際能量。利用最終的余數(shù)判定是1或是0。在通訊理論中，一個系統(tǒng)的“眼形圖”說明了對數(shù)據(jù)存在與否作出正確結(jié)論的可能性。由于AGC功能部件的均衡作用，整個圖像上的最大幅值包絡(luò)線應(yīng)該相當平滑。脈動最可能的來源將來自橫貫多個象素的符號圖形的MTF。SIT塊的輸出為簡單位。對于(近似地)每兩行的圖形象素數(shù)據(jù)，將提取出64位。在記錄介質(zhì)中，每個區(qū)段包含4096個數(shù)據(jù)位(64×64)，在傳感器上則由大約19000個(138×138)個象素表示，其取決于確切的放大倍數(shù)。當其所存儲的為圖形數(shù)據(jù)時，每個區(qū)段大約有138×138個象素，每個有3位，或大約57K位。在讀出時，這些簡單位被傳送到輸出緩沖器，在此其被有效地再次壓縮。此圖形最后產(chǎn)生4096個位的二進制數(shù)據(jù)，大約14比1。
4.2.1.8輸出RAM緩沖器輸出緩沖器(圖39)存儲了SIT處理器的結(jié)果。其為一個小RAM，共有8192位，兩倍于一個區(qū)段的數(shù)據(jù)容量的大小。當從區(qū)段中提取出位時，其被放置在此緩沖器的第一半中。一旦區(qū)段解碼被完成(及緩沖器的第一半存滿了來自區(qū)段中的新數(shù)據(jù))，EDAC工具便開始對其進行操作。
4.2.1.9 EDAC工具誤差檢測和校正(EDAC)是由在本技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知的一種常規(guī)Reed Solomon解碼器來進行的。
4.2.1.10微控制器ABR處理的執(zhí)行控制是由微控制器管理的(圖34)。此塊電路啟動及停止進行區(qū)段定位(粗略或精細)，以及校準，符號圖像處理和校正的運算。除了除法運算(最小二乘擬合運算的一部分，在圖像參數(shù)提取的過程中執(zhí)行的)外，微控制器不進行諸如SIT的算術(shù)運算，因為可以使用單獨的專用模塊。
4.2.2臨界ABRIC性能要求4.2.2.1數(shù)據(jù)存取時間預算接下來的是對ORAM數(shù)據(jù)存取時間技術(shù)要求的分解，其形成了對ABR IC組件的要求的基礎(chǔ)。下面列出了數(shù)據(jù)存取處理中的步驟，其后還給出了一些全局假設(shè)以及對與每一個步驟相關(guān)的時序的分析或原理說明。
1．(電荷)積累(圖像獲取)2．讀出到RAM中(同時進行AGC)3．粗略圖像定位4．準確拐角(參考象素)定位5．Y軸相位和正交求和，反正切運算和多點直線的展開6．LSF產(chǎn)生Y0和dY7．X軸相位和正交求和，反正切運算和多點直線的展開8．LSF產(chǎn)生X0和dX9．插值10．脈沖細化11．門限12．誤差校正全局假設(shè)1．傳感器IC每50nS或以20MHz的速率傳送象素數(shù)據(jù)(量化為3位)的一個完整行。
2．AGC是在圖像被讀到RAM時由峰值檢測電路實時地進行的，因此其不增加總的數(shù)據(jù)存取時間。
3．所有的存儲器存取和簡單的數(shù)學運算是以100MHz(10nS)的時鐘速率進行的。
4．可獲得一種計算時間為10nS的硬件乘法器。
5．物理的數(shù)據(jù)圖像大小=354符號×354符號。(標稱地，每個符號為2×2個象素)，象素范圍=708×708象素。
6．圖像放大倍數(shù)特定值=20±2。
7．所有正交方向上的物理圖像偏移(不確定性)均為±15個象素。
存取時間分量<
條目3,4,5,6,7和8加在一起為形成校準結(jié)果而消耗的時間為15.5μS，在圖40所示的圖中被顯示為“校準”對整個用時的“貢獻”。
4.2.2.2 RAM和數(shù)據(jù)輸入速度存儲傳感器圖象的RAM必須足夠快以應(yīng)付強加其上的周期次數(shù)。分析表明此速率為每4.2nS 200并行位。分段的RAM設(shè)計通過將行長度保持很短而使其較容易實現(xiàn)。
4.2.2.3邏輯傳播速度極限的途徑包括CMOS邏輯電路，其以大約200pS(200×10-12秒)每次柵延遲的速率傳播，其觸發(fā)速率將超過500MHz。通過在邏輯電路設(shè)計中使用足夠多的并行機制，下面所討論的用時約束將很容易地被滿足。
4.2.2.4所需的微控制器的周期時間ORAM微控制器以大于100MHz的速率循環(huán)工作。加法，乘法和比較的硬件加速需要以此周期時間進行操作。此外，在選擇任何存儲裝置時，包括RAM，均需要考慮是否能夠保證此定時。
5．術(shù)語詞匯附錄校準和位檢索術(shù)語的主要詞匯AGC自動增益控制(AGC)是指調(diào)節(jié)放大器的增益為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)設(shè)置閾值的處理?！白詣印币辉~表明這種對放大器閾值進行設(shè)置的增益調(diào)節(jié)“自動地”跟蹤圖象亮度中的變化。當圖象亮度增加時，放大器增益便增加，從而相應(yīng)地增加了閾值。當圖象亮度降低時，門限放大器增益便也降低。AGC的作用是向電子分析儀提供一個信號，其近似等價于從具有一個在整個CCD(電荷耦合器件)陣列上保持恒定的亮度分布的圖象中導出的一個信號。所得的信號越是近似于來自一個恒定亮度分布的信號，AGC的效果便越好。
粗略區(qū)段定位粗略區(qū)段定位所需的信息是每個區(qū)的左上角的坐標值。粗略校準是獲得這些坐標的處理。將此校準處理稱為“粗略”是因為該坐標值是以±4個象素的精度來確定的。
準確區(qū)段定位“準確”區(qū)段定位信息是定義了最靠近包含區(qū)段的拐角參考的符號(或符號集)中心的象素定位的坐標對。一個區(qū)段的拐角參考是來自一個區(qū)段中的所有其它符號均被位檢索算法參考的點。為了找到準確的區(qū)段定位，使用的是一種拐角符號定位算法。本實施例中是在環(huán)繞粗略區(qū)段定位的一個小面積中進行一次局部卷積。該卷積使用了一個近似于拐角參考圖案的一個匹配濾波器的卷積核。卷積的面積等于核加行和列方向上的9個象素的面積，其中心位于在粗略拐角定位處理中找到的坐標上。
校準及校準參數(shù)校準是確定與CCD陣列上的固定象素位置相關(guān)的圖象符號的位置的處理。理論上，任何函數(shù)(x2,cos(x),
，等等)集合均可用于描述這種關(guān)系，只要這些函數(shù)能夠提供這些符號位置的一個精確近似。在本實施例中的校準和檢索算法中，符號位置與象素位置之間的關(guān)系是用多項式來描述的。其中所提供的一個可以精確確定這些符號位置的一階多項式是一個區(qū)段上的一個恒定放大倍數(shù)。一個能夠確定符號位置的二階多項式是一個區(qū)段上的放大倍數(shù)的一個線性變化。而對于區(qū)段上更高階的扭曲可以使用更高階的多項式。通過用一個多項式來表示符號和象素之間的關(guān)系，校準處理將變?yōu)榇_定校準參數(shù)值的處理。
校準算法校準算法通過對包圍區(qū)段的內(nèi)嵌校準圖案(置信)進行處理而確定了每個區(qū)段的校準參數(shù)。這些置信被符號陣列均勻地間隔開。這些置信被解釋為一個二維周期信號。
盡管本文中僅公開了特殊的實施例，但對于那些技術(shù)熟練者來說除此之外還可以進行多種變化與修正，包括使用不背離本發(fā)明的精神的等價裝置，器件和方法步驟。例如，如上所述的和當前的實施例中使用的是一種稍大于頁(圖塊)圖象的傳感器柵格。除此之外還可以采用另一種方式，即用稍小于圖象頁面的傳感器柵格沿所投影的數(shù)據(jù)圖象步進或掃描。
在如上所述的當前優(yōu)選實施例中，AGC和校準置信與可變數(shù)據(jù)差別很大，但另外也可能使用用于驅(qū)動AGC電路的信號中除了或作為置信的數(shù)據(jù)部分。基本上可以用一種確保在一個特殊的空間頻率范圍內(nèi)有某數(shù)量的能量的方式來對數(shù)據(jù)進行編碼。因而可以使用一個低通濾波器或高通濾波器來驅(qū)動AGC處理。由低通濾波器的輸出將可估計出信號的直流偏移，而帶通或高通濾波器的輸出將確定增益的電平(中心定位于直流偏移)。
產(chǎn)生校準數(shù)據(jù)的另一個實施例具有一系列具有構(gòu)成置信的標志(標志集)。這些標志包括以一種規(guī)則的或不規(guī)則的方式散布于整個范圍的數(shù)據(jù)上的校準標志(置信)。因此校準多項式便可以通過找出每個標志的位置并對其進行設(shè)計來抵銷這些標志之間已知的空間關(guān)系。隨后便可以使用最小二乘誤差方法來產(chǎn)生已知位置和計算位置之間的關(guān)系的最佳擬合多項式。
權(quán)利要求
1．一種用于從一幅包含一個為讀出而被映象到傳感器上的二維數(shù)據(jù)圖案光學圖象中檢索數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其特征在于包括一個傳感器，其具有一個以二維柵格圖案排列的光電感應(yīng)元件陣列用以感應(yīng)映象到其上的數(shù)據(jù)圖案，所述感應(yīng)元件陣列的密度大于數(shù)據(jù)圖案中的數(shù)據(jù)光點的密度以對數(shù)據(jù)光點在兩維方向上重復取樣；具有映象到所述傳感器上的所述數(shù)據(jù)圖案的光學檢索置信；及所述傳感器的數(shù)據(jù)檢索處理器，其用于確定所映象的圖象數(shù)據(jù)光點的幅值和位置，并從所述傳感器中產(chǎn)生校正的幅值和位置數(shù)據(jù)。
2．如權(quán)利要求1所述的用于從光學圖象中檢索數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其特征在于所述光學檢索置信包括AGC和校準置信，其中所述數(shù)據(jù)檢索處理器包括AGC和校準處理，并包括一個用于產(chǎn)生與所述柵格圖案中的感應(yīng)元件的所述陣列相關(guān)的校正數(shù)據(jù)的多項式子處理器。
3．如權(quán)利要求2所述的用于從光學圖象中檢索數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其特征在于某幾個所述校準置信引發(fā)將由所述多項式子處理器產(chǎn)生的空間定時信號，所述信號另外包括同相和正交空間參考信號用以調(diào)節(jié)與所述同相數(shù)據(jù)圖案中的所述校準置信有關(guān)的用于產(chǎn)生準確數(shù)據(jù)光點位置的所述空間定時信號。
4．如權(quán)利要求3所述的用于從光學圖象中檢索數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其特征在于在所述校準處理中另外包括一個用于從所述空間定時信號中除去空間噪聲的低通濾波器。
5．如權(quán)利要求1所述的用于從光學圖象中檢索數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其特征在于所述光學檢索置信包含AGC屬性，所述數(shù)據(jù)檢索處理器另外包括用于在感應(yīng)數(shù)據(jù)光點的過程中進行由于所述圖象上的亮度變化而引起的自動增益控制的AGC子處理器。
6．如權(quán)利要求5所述的用于從光學圖象中檢索數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其特征在于所述AGC子處理器包括用于在所述圖象數(shù)據(jù)圖案的預定區(qū)域上跟蹤圖象光點亮度的AGC峰值檢測電路。
7．如權(quán)利要求6所述的用于從光學圖象中檢索數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其特征在于所述峰值檢測電路包括一個沿二維數(shù)據(jù)圖案的一個軸對一個基線峰值檢測幅值求平均值，以及在沿數(shù)據(jù)圖案的另一個垂直軸的峰值檢測幅值之間進行插值的二維信號處理。
8．如權(quán)利要求2所述的用于從光學圖象中檢索數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其特征在于所述校準處理的所述多項式子處理器包括一個最小二乘子處理器，其用于產(chǎn)生一個多項式的最佳擬合以確定與所述柵格圖案中的感應(yīng)元件的所述陣列相關(guān)的所述校正數(shù)據(jù)位置。
9．如權(quán)利要求2所述的用于從光學圖象中檢索數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其特征在于所述校準處理的所述多項式子處理器包括計算多項式的系數(shù)以及用所述系數(shù)來求解校準參數(shù)，從而產(chǎn)生所述校正數(shù)據(jù)位置的處理步驟，通過其至少可以徹底校正由于光學，機構(gòu)和電氣缺陷而引起的對齊不準效果中的某一部分。
10．如權(quán)利要求1所述的用于從光學圖象中檢索數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其特征在于所述傳感器柵格圖案的面積稍大于包含將被檢索的數(shù)據(jù)的圖象的面積。
11．一種通過為了讀出而將所存儲的光學圖象投影到傳感器上來檢索存儲在一種可擦寫光學介質(zhì)上的數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其中該圖象含有一個包括了映象到用于讀出的傳感器上的相關(guān)檢索置信的二維數(shù)據(jù)圖案，其特征在于包括一個具有以二維圖案排列以感應(yīng)映象到其上的光數(shù)據(jù)圖案中的數(shù)據(jù)的光電感應(yīng)元件的傳感器，所述感應(yīng)元件以所述二維陣列圖案建造與排列是為了在二維方向上對圖象數(shù)據(jù)進行重復取樣。所述傳感器的一個檢索處理器，其對應(yīng)于用于確定圖象數(shù)據(jù)的校正幅值和位置的所述檢索置信，通過其可以在圖象亮度和校準方面對感應(yīng)元件上的數(shù)據(jù)映象進行校正。
12．如權(quán)利要求11所述的用于檢索數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其特征在于包括所述二維數(shù)據(jù)圖案的檢索置信包含位置校準置信，而所述檢索處理器包括位置校準處理。
13．如權(quán)利要求11所述用于檢索數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其特征在于在所述二維數(shù)據(jù)圖案中的檢索置信包含AGC置信，而所述檢索處理器包括AGC處理。
14．如權(quán)利要求11所述用于檢索數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其特征在于所述檢索處理器包括一個用于校正被傳感器元件之間的碼間干擾所破壞的感應(yīng)數(shù)據(jù)的脈沖細化子處理。
15．如權(quán)利要求11所述用于檢索數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其特征在于所述檢索處理器包括一個用于最小化由碼間干擾所引入的誤差的二維脈沖細化子處理器。
16．一種用于從一幅包含有一個具有已知光學檢索置信的二維數(shù)據(jù)圖案并被映象到傳感器上以將其讀出的光學圖象中檢索數(shù)據(jù)，及在數(shù)據(jù)圖象被轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)時對包括平移和旋轉(zhuǎn)誤差在內(nèi)的多種光學效果進行補償?shù)南到y(tǒng)，其特征在于包括一個由排列在一個通常與一個映象數(shù)據(jù)圖案大小一致的二維柵格上的光感應(yīng)元件組成的傳感器陣列，所述光感應(yīng)元件以高于所述圖象數(shù)據(jù)圖案中的數(shù)據(jù)的密度的密度建造與排列，以使得可以在兩維方向上對數(shù)據(jù)圖象進行重復取樣；所述傳感器元件的感應(yīng)電平電路，其用于產(chǎn)生一個代表了每個感應(yīng)元件上所感應(yīng)的一個編碼光學特性的多位數(shù)字值；以及用于根據(jù)具有所述光學圖象的所述檢索置信檢測所述圖案上的圖象亮度的自動增益控制(AGC)。
17．如權(quán)利要求116所述的系統(tǒng)，其特征在于另外包括一個用于校正二維碼間干擾的二維脈沖細化處理器。
18．如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于另外包括并行讀出和處理，其使得字長由在數(shù)據(jù)圖象的每一維中的數(shù)據(jù)光點的數(shù)目所決定的數(shù)據(jù)能夠被輸出以控制順流的數(shù)據(jù)處理。
19．一種用于從一幅包含有一個用電-光方法選擇的具有檢索置信的二維數(shù)據(jù)圖案，且被映象到一個傳感器陣列上以將其讀出的光學圖象中檢索數(shù)據(jù)，及在數(shù)據(jù)圖象被轉(zhuǎn)化為電氣數(shù)據(jù)時對數(shù)據(jù)圖象包括平移和旋轉(zhuǎn)平移和放大在內(nèi)的多種光學效果進行補償?shù)南到y(tǒng)，其中所選擇的每個數(shù)據(jù)圖案均被劃分為多個區(qū)段而每個區(qū)段又均具有包括區(qū)段拐角在內(nèi)的已知圖象特性以輔助檢索處理，其特征在于包括一個由排列在一個通常與一個映象數(shù)據(jù)圖案大小一致的二維柵格上的光感應(yīng)元件組成的傳感器陣列，所述傳感器以使得可以在兩維方向上對數(shù)據(jù)圖象進行重復取樣的方式建造與排列；確定所述多個數(shù)據(jù)區(qū)段的近似區(qū)段拐角位置的粗略校準處理器；用于確定每個與所計算的數(shù)據(jù)位置有關(guān)的所述區(qū)段中的一個參考點比所述粗略校準處理器更精確的位置的精細拐角定位處理器。
20．如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于另外包括一個校準處理器，其用于在使用多項式來描述與所述傳感器元件的已知位置有關(guān)的校正位置的圖象處理中產(chǎn)生對位置誤差的校正。
21．如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于所述校準處理器另外包括一個二階多項式子處理器，其用于提高對由于光學效果而引起的圖象扭曲的校正能力。
全文摘要
本說明書公開了一種用于從一幅含有二維數(shù)據(jù)圖案并被映象到一個傳感器陣列上的光學圖象中檢索數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)記錄是一個能夠通過諸如可變透射率,反射率,偏振和/或相位來選擇性地改變光線的光學數(shù)據(jù)層(19)。傳感器(27)是一層排列在一個柵格圖案中的電荷耦合器件(CCD),該柵格圖案通常與所投影的數(shù)據(jù)頁的大小一致,但傳感器柵格優(yōu)選地稍大于所映象的數(shù)據(jù)。為了在數(shù)據(jù)圖象由傳感器陣列轉(zhuǎn)化為電數(shù)據(jù)時對數(shù)據(jù)圖象的多種光學效果,包括平移和旋轉(zhuǎn)平移,放大和扭曲進行補償,原始圖象數(shù)據(jù)被感應(yīng)在一個大于頁圖象的柵格上并隨后在一個校準和位檢索電路(30,32)中對其進行處理以確定校正了平移,旋轉(zhuǎn),放大和扭曲后的真實數(shù)據(jù)。處理及校正后的數(shù)據(jù)隨后被輸出到存儲器或送到應(yīng)用程序中去。
文檔編號G06K7/14GK1220019SQ97194549
公開日1999年6月16日 申請日期1997年5月8日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月10日
發(fā)明者洛倫·萊伯恩, 理查德E·布萊哈特, 詹姆斯T·拉塞爾 申請人:艾奧光學公司