4.4 影像信號前置處理及雜訊過濾

　　當線影像感測器將掃描到的一維影像信號傳送進DSP處理器之後，此時DSP處理器所接收到的信號資料並非只是CIS所偵測得到的一維信號這麼單純，裡頭還夾雜著有電路傳輸及其他原因所造成的雜訊存在。雖然在電路上，在一維影像信號輸入DSP處理器之前有設計一個雜訊濾波的電路，但是因為CIS本身的頻率就不低，且電路上所造成的雜訊無法百分之百過濾完全的前提之下，我們在程式資料的處理上也必須要有一些雜訊過濾的工作。所以我們在做影像信號前置處理的時候可以同時進行雜訊濾波，以便之後DSP處理器進行線性定位法定位[29]。

4.4.1　一維影像信號

　　在本系統中，因為我們所採用的是CIS型線影像感測器，此種感測器是一個觸發才偵測一條線的信號，所以就掃描情況而言，它是一條一條掃描線資訊連續傳輸進DSP處理器的，如附錄C所示。

圖4.18　連續一維影像信號

圖4.19　測試模板一

　　圖4.18所示是CIS把偵測圖4.19所得到的連續一維影像信號傳送進DSP處理器之後的資料所繪製成的圖。我們可以在圖4.18中清楚地觀察出一維影像信號內有一定的重複特徵，諸如數值接近於零的區域；寬度固定且信號雜亂的區域；數值高而平穩且寬度固定的區域等等。所以我們在接收到這一串連續的一維信號之後，首先要做的就是先將同一段掃描線的信號資訊萃取出來。要將這些同一條掃描線訊號從這一大堆信號中萃取出來並不容易，此時我們就要依靠我們觀察到的這些重複特徵來幫我們完成這件工作。

　　經過一番比對及確認之後，我們成功地透過以上這些特徵將一條掃描線從一維連續訊號中萃取出來。

圖4.20　一維影像信號比對

　　圖4.20中，下方黑白相間的矩陣是此次測試的掃描樣板，圖4.20上方的波形圖則是一維的影像訊號。在經由特徵比對之後，我們將單純的一條掃描信號萃取出來，在波形圖中我們以淡色的波形表示之。從比對圖中，可以明顯地觀察出此段完整的波形裡遮蔽區域及白色區域所佔的區域大小範圍及其波形狀況[30]。

圖4.21　單條掃描線波形

　　圖4.21所示是單一掃描線掃描的完整波形，在圖中顏色比較淡的波形區域是CIS掃描到暗色區塊所反應的波形狀況。我們可以觀察到當CIS掃描到暗色區塊的時候，其反應是屬於不規則的信號變化，但在此劇烈的變化當中其波形值仍有一定的上下限。

　　用一維掃描器掃描一個黑色物體或瞳孔的時候，我們所需要最重要的資料訊息不外乎是單一掃描線的開頭、結尾，以及掃描暗色區域時CIS所反應的波形區段之起始點及終點，如圖4.22所示。

圖4.22　掃描線特徵示意圖

　　若我們能從CIS傳送進DSP處理器的資料中辨別出如圖4.22所示的四點特徵位置ABCD，我們就可計算出掃描線段及遮蔽線段個別的範圍長度，進而代入線性定位法中追蹤定位出瞳孔位置[31]。

4.4.2　掃描線起始點萃取

    首先我們先從掃描線的起始點A開始檢測。在圖4.20中我們可以明顯地看出一個特徵，每一段完整的掃描波形之間都有一段既明顯又穩定且寬度固定的低信號值此段區域我們稱之為緩衝區。

　　CIS線影像感測器每接受到一次觸發才會掃描一次，且每一條掃描線所需的時間都相同。若是觸發頻率設定不良，每次間隔的觸發時間小於其單條掃描線掃描的時間。如此一來便有可能會發生上一條掃描線來不及完成，而下一次觸發就啟動了下一次掃描，造成前後兩次掃描資料發生重疊的現象。為避免這種現象產生，所以我們在設計系統時會設計電路使得觸發CIS的週期必定大於掃描一次的時間以策安全。至於這段時間內所造成的低信號值範圍，我們稱之為緩衝期。所以，緩衝區形成的原因及作用就是為了要防止前後信號發生重疊的錯亂。因為緩衝區一結束就是一次掃描的開始（從圖4.20中可以很清楚地觀察到這一點），所以我們以緩衝區這個特徵來萃取出掃描線起始點。

圖4.23　緩衝區的雜訊

　　一開始，我們利用緩衝區穩定的低信號狀態來做樣板特徵想將A點正確的位置找出來，但是在現實的狀況下，緩衝區雖然沒有掃描動作或任何信號的輸入，可是它仍會被一些雜訊所干擾而有所反應，所以用單純低信號值的緩衝區樣板來萃取A點並不實際。

　　圖4.23所示是緩衝區及某一掃描線段開頭的部分波形，圖中淡色部分的波形是雜訊，圓圈所標示的正是特徵點A。為了過濾雜訊，我們改進了比對的緩衝區樣板。因為緩衝區內的每一筆雜訊信號都是一單純的pulse，所以我們設定在緩衝區內當連續偵測到兩次信號值均大於閥值F3且第一點大於閥值F1，第二點介於閥值F2跟F3之間，那麼我們即判定此兩點信號的第一點為特徵點A。圖4.24是檢測特徵點A的動作流程圖。

圖4.24　檢測特徵點A之動作流程圖

圖4.25　特徵點A樣板比對

　　圖4.25所示是將特徵點A的樣板比對過程圖示化的簡圖，圖中粗線的波形就是樣板波形。在比對樣版的過程中，程式會從可疑點開始逐點檢測。程式會將樣板一一地套進資料裡比對相似的波形模式，當檢測出相似的波形特徵時即完成搜尋。

4.4.3　遮蔽區域起始點萃取

　　圖4.26所示是單次掃描線的前半部分波形，第一個圓圈所標示的是特徵點A，第二個圓圈所標示的是特徵點B，第三個圓圈所標示的是特徵點C，虛線區塊B1所圈出來的部分是在點A跟點B之間出現的雜訊。

圖4.26　特徵點B的萃取

　　圖4.26中，在點B跟點C有一段值為F4的平穩信號，雖然在這段平穩的信號之中一樣會有些許雜訊出現，但我們還是將其視為一個特徵。我們就透過這個特徵，將特徵點B萃取出來。首先在經過特徵點A後，一定會出現一段疾速漸增的波段，接著就是CIS掃描到亮色區塊時所反應的高信號值，之後就是遮敝區域的出現。雖然我們已經找到B點的特徵，但還是需要解決雜訊的干擾。當檢測過特徵點A且通過漸增的波段後，當其後的信號點D3小於閥值F5時，我們開始檢測其接下來的20個信號值Di。我們設定，若在D3 之後的20個信號值之內有15個以上的點，其值等於F4的話，我們即視D3為特徵點B。圖4.27所示是檢測特徵點B的動作流程圖。

圖4.27　檢測特徵點B之動作流程圖

圖4.28　特徵點B樣板比對

　　特徵點B的萃取，最主要是採用在其特徵區域內雜訊出現的機率比來過濾的。圖4.28所示是將特徵點B的樣板比對過程圖示化的簡圖，圖中粗線的波形就是樣板波形。在比對樣版的過程中，程式會在特徵點A且通過漸增的波段之後開始逐點檢測。程式會將樣板一一地套進資料裡比對相似的波形模式，當檢測出相似的波形特徵時即完成搜尋[18]。