图像自适应数字量化方法和结构

摘要

本发明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。

权利要求

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

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。

3.图像自适应数字量化方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、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；

S2、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；

S3、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；

S4、利用步骤S3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；

S5、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，步骤S3中，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

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31、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32、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33、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34、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。

4.根据权利要求3所述的图像自适应数字量化方法，其特征在于，所述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。

说明书

图像自适应数字量化方法和结构

技术领域

[0001] 本发明涉及图像处理领域，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。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 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。

发明内容

[0004] 为了解决上述技术问题，本发明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，

[0005] 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；

[0006] 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；

[0007] 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；

[0008] 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；

[0009] 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。

[0010] 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；

[0011] 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；

[0012] 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。

[0013] 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；

[0014] 预先设定的规则为，

[0015] 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；

[0016] 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；

[0017] 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；

[0018] 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

[0020] 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；

[0021] 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；

[0022] 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；

[0023] 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；

[0024] 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；

[0025] 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。

[0026] 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：

[0027] 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；

[0028] 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；

[0029] 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：

[0030] 当CN小于或者等于LVL时，量化序列QS保持不变；

[0031] 当CN大于LVL时，若QS大于或者等于BD，QS保持不变；

[0032] 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；

[0033] 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；

[0034] 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。

[0035] 本发明还包括一种图像自适应数字量化方法，其特征在于，包括如下步骤：

[0036] S1、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；

[0037] S2、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；

[0038] S3、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；

[0039] S4、利用步骤S3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；

[0040] S5、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。

[0041] 所述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；

[0042] 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；

[0043] 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。

[0044] 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，步骤S3中，预先设定的规则为，

[0045] 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；

[0046] 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；

[0047] 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；

[0048] 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

[0050] 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；

[0051] 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；

[0052] 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；

[0053] 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；

[0054] 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；

[0055] 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。

[0056] 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：

[0057] 步骤31、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；

[0058] 步骤32、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；

[0059] 步骤33、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：

[0060] 当CN小于或者等于LVL时，量化序列QS保持不变；

[0061] 当CN大于LVL时，若QS大于或者等于BD，QS保持不变；

[0062] 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；

[0063] 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；

[0064] 步骤34、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。

[0065] 本发明基于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，同时能使处理速度最优化，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。

[0066] 本发明不需要利用DSP对图像对比度进行调整，连续图像采集间不需要传统方式的采集-处理-采集的处理时间间隙，不需要缓存图像。本发明为全定制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。

附图说明

[0067] 图1为本发明的结构示意图；

[0068] 图2为基于流水线的帧图像灰度值计算架构图；

[0069] 图3为电容采集阵列上每一个电容采集单元每次放电产生的电容放电曲线图；

[0070] 图4为初始值为0时的二值电容放电数字量化曲线图；

[0071] 图5为一帧图像像素原始数据灰度等级对应的像素点个数统计直方图；

[0072] 图6为当前帧矫正后的直方图下限阈值参数的计算方法示意图；

[0073] 图7为当前帧矫正后的直方图上、中限阈值参数的计算方法示意图；

[0074] 图8为图像灰度值计算模块流水线实现架构。

[0075] 图9为利用传统ADC数字量化后的湿手指指纹图像；

[0076] 图10为利用本发明自适应数字量化后的湿手指指纹图像；

[0077] 图11为传统ADC数字量化后的干手指指纹图像；

[0078] 图12为利用本发明自适应数字量化后的干手指指纹图像；

[0079] 图13为传统ADC数字量化后的正常手指指纹图像；

[0080] 图14为利用本发明自适应数字量化后的正常手指指纹图像。

具体实施方式

[0081] 下面结合附图来说明本发明的优选实施例，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0082] 本发明提供的图像自适应数字量化结构如图1所示，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。

[0083] 本发明采用基于流水线架构对每一帧图像进行灰度值计算，其流水线架构顺序如图2，也就是利用上一帧直方图统计的阈值参数矫正后的参数来计算当前帧的数字量化后的图像灰度值。

[0084] 具体说明如下：

[0085] 一、二值电容放电数字量化曲线产生模块

[0086] 二值电容放电数字量化曲线产生模块由电容采集阵列组成。电容采集阵列上每一个电容采集单元每次放电产生模拟信号，称为电容放电曲线，电容放电曲线如图3所示，N电容采集单元总放电次数。电容放电数字量化时，首先将电容放电数字量化值设定为初始值0(或者1)。并设定一翻转点电压值，若放电次数为n时电压达到设定的翻转点电压，则将电容放电数字量化值取反(若初始值为0，则此时电容放电数字量化值为1；若初始值设为1时，此时电容放电数字量化值为0)，产生和放电次数对应的二值电容放电数字量化曲线，如图4所示为初始值为0时的二值电容放电数字量化曲线图。

[0087] 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。形成的电容大，翻转点电压偏大；形成的电容小时，翻转点电压偏小。翻转点电压范围在0～u之间(u为电容两极板间的电压)。

[0088] 设电容采集阵列上共有m个电容采集单元，则一帧图像采集完毕时一共会产生m个二值电容放电数字量化曲线。而电容采集阵列上有k个电容采集单元同时放电，则同时有k个二值电容放电数字量化曲线在此时刻有效。

[0089] 二、直方图统计模块

[0090] 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点，每一个电容采集单元对应一个二值电容放电数字量化曲线。如图3所示，电容采集阵列上单个电容采集单元的原始采集图像数据为n，也就是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。将这个值认为是单个电容采集单元对应的像素点的原始数据灰度等级，作为直方图统计的数据源。而N是电容采集单元总放电次数，对应像素点原始数据灰度等级的最大值。直方图统计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y＝hist(x)，并生成直方图如图5。图中还标注了个每个阈值点在直方图中的位置关系。

[0091] 三、直方图阈值参数获取模块

[0092] 将直方图阈值参数命名如下：

[0093]

[0094] 一帧图像的直方图阈值参数求解方法如下：

[0095] 选定CLR、CMR、CHR、CB的值，其选取依据为：CLR、CMR、CHR的取值范围为0到1的小数，CLR

[0096] 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；

[0097] 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；

[0098] 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；

[0099] 其中，N为电容采集单元总放电次数，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。

[0100] 下一帧图像直方图阈值统计时，重复以上步骤。

[0101] 四、直方图阈值参数矫正模块

[0102] 对阈值参数命名如下：

[0103] 上一帧直方图下限阈值参数：C_LTH

[0104] 上一帧直方图中限阈值参数：C_MTH

[0105] 上一帧直方图上限阈值参数：C_HTH

[0106] 上一帧矫正后的直方图下限阈值参数：PF_LTH

[0107] 上一帧矫正后的直方图中限阈值参数：PF_MTH

[0108] 上一帧矫正后的直方图上限阈值参数：PF_HTH

[0109] 当前帧矫正后的直方图下限阈值参数：F_LTH

[0110] 当前帧矫正后的直方图中限阈值参数：F_MTH

[0111] 当前帧矫正后的直方图上限阈值参数：F_HTH

[0112] 阈值增量参数：INC

[0113] 阈值减量参数：DEC

[0114] 中限阈值范围参数：MR

[0115] 上限阈值范围参数：HR

[0116] 其中阈值增量参数INC、阈值减量参数DEC、中限阈值范围参数MR、上限阈值范围参数HR这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，当相邻两帧图像原始直方图差异大时，四个参数偏大；当相邻两帧图像直方图差异小时，四个参数偏小。其范围在0～N之间，所述N为电容采集单元总放电次数。

[0117] 1、当前帧矫正后的直方图下限阈值参数(F_LTH)的计算方法如下(参照图6)：

[0118] 当PF_LTH减去C_LTH得到的数值小于DEC，并且C_LTH减去PF_LTH得到的数值大于INC时，F_LTH为PF_LTH加上INC得到的数值；

[0119] 当PF_LTH减去C_LTH得到的数值大于或者等于DEC时，F_LTH为C_LTH的数值；

[0120] 当PF_LTH减去C_LTH得到的数值小于DEC，并且C_LTH减去PF_LTH得到的数值小于或者等于INC时，F_LTH为C_LTH的数值。

[0121] 2、当前帧矫正后的直方图上、中限阈值参数(F_MTH、F_HTH)的计算方法如下(参照图7)：

[0122] 当PF_LTH减去C_LTH得到的数值大于或者等于DEC时，F_MTH为C_MTH的数值，F_HTH为C_HTH的数值；

[0123] 当PF_LTH减去C_LTH得到的数值小于DEC时，令M1的数值为F_LTH减去PF_LTH再加上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F_LTH减去PF_LTH再加上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；

[0124] 则F_MTH的数值为C_MTH与M3之中的最大值再与M2之中的最小值；F_HTH的数值为C_HTH与H3之中的最大值再与H2之中的最小值。

[0125] 四、灰度值计算模块

[0126] 对图像灰度计算参数命名如下：

[0127] 电容放电次数：CN

[0128] 电容放电总次数：N

[0129] 放电等级：LVL

[0130] 图像灰度值：GREY

[0131] 等值步长：ST

[0132] 阈值权重：WGT

[0133] 量化序列：QS

[0134] 量化极限数值：BD

[0135] 图像灰度值计算方法和步骤如下：

[0136] 步骤1、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，例如8位灰度图时为255，4位灰度图时为15。

[0137] 步骤2、当一帧图像开始由电容采集阵列采集时，电容放电标志信号为1bit数字信号，每次电容放电标志信号由无效变为有效时(例：假设0为无效，则1为有效)，认为电容进行了一次放电，电容放电次数CN自加1。

[0138] 步骤3、每次放电时，比较电容放电次数CN与放电等级LVL：

[0139] 当CN小于或者等于LVL时，量化序列QS保持不变；

[0140] 当CN大于LVL时，若QS大于或者等于BD，QS保持不变；

[0141] 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；

[0142] 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。

[0143] 步骤4、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，也就是二值化电容放电数字量化曲线发生改变时(参考图4)，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，也就是通过二值化电容放电数字量化曲线的跳变沿采样QS而得到量化后的图像灰度值。

[0144] 当此帧图像采集完毕后再开始下一帧图像采集时，重复以上步骤。

[0145] 图像灰度值计算模块流水线实现架构如图8所示，电容采集阵列的每一个电容采集单元与图像的物理像素分布一一对应。图像采集时，当电容采集阵列同时有k个电容采集单元在放电时，产生k个二值电容放电数字量化曲线，每个二值电容放电数字量化曲线在数值改变时，由上述方法产生其对应的采集阵列的图像像素点的灰度值，这种ASIC结构可以同时产生若干个像素点的灰度值，具有高效的处理效果。

[0146] 本发明不需要传统ADC进行高精度模数信号转换，具有独特的数字量化结构及方法。

[0147] 图9-14分别显示了基于电容式采集阵列原理的某型号刮擦指纹传感器采集到指纹图像及利用本发明提供的方法及架构进行数字量化处理后的图像。其中图9为利用传统ADC数字量化后的湿手指指纹图像，图10为利用本发明自适应数字量化后的湿手指指纹图像；图11为传统ADC数字量化后的干手指指纹图像，图12为利用本发明自适应数字量化后的干手指指纹图像；图13为传统ADC数字量化后的正常手指指纹图像，图14为利用本发明自适应数字量化后的正常手指指纹图像。从图中可以明显看出，本发明基于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，同时能使处理速度最优化，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。

[0148] 本发明不需要利用DSP对图像对比度进行调整，连续图像采集间不需要传统方式的采集-处理-采集的处理时间间隙，不需要缓存图像。本发明为全定制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。

[0149] 本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。