DE69838714T2

DE69838714T2 - Optische abtastvorrichtung und bildleser zum bildlesen und dekodieren optischer informationen mit ein- und zweidimensionalen symbolen bei veränderlicher tiefenschärfe

Info

Publication number: DE69838714T2
Application number: DE69838714T
Authority: DE
Inventors: Alexander R. La Jolla Roustaei
Original assignee: Symbol Technologies LLC
Current assignee: Symbol Technologies LLC
Priority date: 1997-05-05
Filing date: 1998-05-05
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2018-05-06
Also published as: EP0980537A1; CA2288758C; CA2288758A1; WO1998050814A1; EP0980537B1; EP0980537A4; DE69838714D1; AU7564698A; US6123261A

Description

Es wird die Priorität der provisorischen Anmeldung mit der Seriennummer 60/045,542 beansprucht, eingereicht am 5. Mai 1997, mit dem Titel „Optical Scanner/Image Reader for Reading Images and Decoding Optical Information or Code, Including One and Two Dimensional Symbologies at Variable Depth of Field, Including Memory and Image Processing for the High Speed Application".
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Abtast- oder Bildgebungssystem zum Lesen und/oder Analysieren optisch codierter Informationen oder Bilder und insbesondere ein chipintegriertes („on-chip") System mit der Intelligenz bzw. dem Vermögen zum Aufnehmen, Analysieren und/oder Verarbeiten von Bildern innerhalb eines Ausschnitts ("Frames").
Hintergrund der Erfindung
In vielen Industriezweigen, u. a. der Montage-, der Nahrungsmittel- und der Lebensmittelverarbeitungs-Industrie, der Transport- und der Multimediaindustrie, wird ein Kennzeichnungssystem benutzt, bei welchem die Produkte mit einem optischen Code (z. B. mit einem Balkencodesymbol, welches aus einer Reihe von Linien und Freiräumen variierender Breite besteht, oder mit anderen Arten von Symbolen, welche aus einer Reihe von kontrastierenden Markierungen bestehen, im Allgemeinen als zweidimensionale Symbolik bekannt) gekennzeichnet werden. Es ist eine Anzahl verschiedener Lesegeräte für optischen Code und Laserabtastsysteme entwickelt worden, um das optische Muster für die Inventur, die Produktverfolgung, die Ausgabe oder den Verkauf zu einer Darstellung aus mehreren Ziffern zu decodieren. Einige der optischen Lesevorrichtungen werden auch benutzt, um Bilder aufzunehmen und Echtzeitbilder anzuzeigen, zu speichern oder einem anderen System zu übermitteln.
Optische Lesegeräte oder Scanner sind in einer Vielfalt von Konfigurationen erhältlich, von welchen einige zu einer festen Scannerstation zusammengebaut sind und andere tragbar sind. Die Tragbarkeit einer optischen Lesevorrichtung bietet zahlreiche Vorteile, u. a. die Möglichkeit, Produkte auf Regalen in ein Bestandsverzeichnis aufzunehmen und tragbare Gegenstände zu verfolgen, z. B. Akten oder kleine Geräte. Eine Anzahl dieser tragbaren Lesevorrichtungen beinhalten Laserdioden, welche es dem Benutzer ermöglichen, die Symbolik in verschiedenen Abständen von der Fläche, auf welche der optische Code aufgedruckt ist, abzutasten. Ein Nachteil bekannter Laserscanner ist es, dass die Herstellung teuer ist und dass sie nicht die Möglichkeit bieten, das Bild des vom Sensor anvisierten Bereichs wiederzugeben, dies schränkt daher den Verwendungsbereich der Lesegeräte für optischen Code ein. Außerdem benötigen Laserscanner typischerweise eine Raster-Abtasttechnik, um einen zweidimensionalen optischen Code zu lesen und zu decodieren.
Die US-Patentschrift 5,625,483 offenbart eine integrierte Laser-Abtastvorrichtung, welche ein Substrat eines Halbleiter- und/oder elektrooptischen Materials aufweist, eine Laserlichtquelle, welche auf dem Substrat angeordnet ist, und einen Scanner, welcher in dem Weg des Laserstrahls auf dem Substrat angeordnet ist, zum wiederholten und zyklischen Bewegen des Laserstrahls, um einen Abtaststrahl zum wiederholten Abtasten/Absuchen (Scannen) eines Ziels nach Reflexion von dort zu bilden. Insbesondere weist der Scanner eine Schicht eines reflektierenden Materials auf, welches an einer beweglichen Struktur an dem Substrat angeordnet ist, wobei die Ebene einer solchen Schicht in einem spitzen Winkel zu dem Laserstrahl angeordnet ist, so dass der Strahl entlang einem Strahlenweg in Richtung von Markierungen geführt wird, welche sich in Nachbarschaft einer Bezugsebene befinden, die in dem Strahlengang liegt, um räumlich benachbarte Teile der Bezugsebene entlang einer relativ langgestreckten Abtastlinie abzutasten.
Die US-Patentschrift 4,930,848 offenbart in ähnlicher Weise einen Hand-Laserscanner. Der Scanner weist ein selbständiges Laserscannermodul auf, welches in einem Gehäuse untergebracht ist, das ein Fenster aufweist, und welches einen Mechanismus aufweist, um einen Laserstrahl innerhalb des Gehäuses abzulenken, um ein Abtastmuster zu erzeugen. Der Strahlablenkungsmechanismus umfasst ein sich hin- und herbewegendes (oszillierendes) reflektierendes Element.
Bei einer anderen Art einer Lesevorrichtung für optischen Code, im Allgemeinen als Scanner oder Abbildungseinrichtung bekannt, welche in ein tragbares System integriert werden kann, werden Leuchtdioden (LEDs) als Lichtquelle und ladungsgekoppelte Bauelemente (Charge Coupled Devices, CCD) oder Komplementär-Metalloxid-Silicium(CMOS)-Sensoren als Detektoren verwendet. Diese Klasse von Scannern oder Abbildungseinrichtungen ist im Allgemeinen als „CCD-Scanner" oder „CCD-Bildgeber" bekannt. CCD-Scanner nehmen ein Bild des optischen Codes auf und speichern das Bild in einem Bildspeicher, welcher dann elektronisch abgetastet oder unter Verwendung von Software verarbeitet wird, um das aufgenommene Bild zu einem Ausgabesignal umzuwandeln.
Eine Art eines solchen CCD-Scanners ist in früheren Patenten des Erfinders der vorliegenden Erfindung, Alexander Roustaei, offenbart. Zu diesen gehören die US-Patentschriften 5,291,009 ; 5,349,172 ; 5,354,977 ; 5,532,467 und 5,627,358 . Während CCD-Scanner den Vorteil aufweisen, preisgünstiger in der Herstellung zu sein, waren die Scanner vor Roustaei darauf beschränkt, den optischen Code abzutasten, indem sie entweder mit der Fläche, auf welche der optische Code aufgedruckt war, in Kontakt kamen, oder einen Abstand von nicht mehr als Eineinhalb Inch von dem optischen Code einhielten, was eine weitere Einschränkung darin erzeugt, dass sie keinen optischen Code lesen konnten, der größer war als das Fenster oder die Gehäusebreite der Lesevorrichtung.
Der CCD-Scanner, der in der US-Patentschrift 5,291,009 offenbart ist, und seine Nachfolger führten die Möglichkeit ein, Symboliken, welche breiter sind als die physische Breite und Höhe des Scannergehäuses, in Entfernungen von bis zu zwanzig Inch von dem Scanner oder der Abbildungseinrichtung zu lesen. Dies führte zu einer Vielseitigkeit der CCD-Scanner, welche vorher auf den Kontakt- und Nahbereich beschränkt waren, und ermöglichte nun, dass CCD-Abtastgeräte oder Bildgeber in feste Scannersysteme eingebaut wurden, wie sie an den Kassen des Einzelhandels verwendet werden.
Beträchtliche Aufmerksamkeit wurde auf das Abtasten zweidimensionaler Symboliken gerichtet, welche etwa die hundertfache Menge an Informationen in demselben Raum wie eine eindimensionale Symbolik speichern können. In zweidimensionalen Symboliken sind entweder Reihen von Linien und Freiräumen aufeinander gestapelt, oder sie bilden eine Matrix von schwarzen und weißen quadratischen, rechteckigen oder sechseckigen Zellen. Die Symboliken oder die optischen Codes werden gelesen, indem ein Laser über jede Reihe geführt wird, im Fall einer gestapelten Symbolik hintereinander in einem Zickzackmuster. Ein Nachteil dieser Technik ist es, dass sie das Risiko des Verlustes der vertikalen Synchronie einführt aufgrund der Zeit, welche benötigt wird, um den gesamten optischen Code abzutasten. Sie weist auch den Nachteil auf, dass ein Laser zur Beleuchtung und ein bewegliches Teil zur Erzeugung des Zickzackmusters benötigt wird, um die gesamte Symbolik abzutasten, was den Scanner teurer und aufgrund der mechanischen Teile weniger zuverlässig macht.
Die US-Patentschrift 5,414,251 offenbart einen Scanner zum Lesen zweidimensionaler Codes. Der Scanner weist ein lichtempfindliches Feld- und Mustererkennungsmittel zum Verarbeiten ausgewählter Bilder auf dem Feld auf. Bilder, bei denen erkannt wird, dass sie decodierbare optische Informationen enthalten, werden durch eine Anzeigevorrichtung angezeigt und hervorgehoben.
Die US-Patentschrift 5,561,283 offenbart ein Laser-Abtastsystem, welches einen sich hin- und herbewegenden Spiegel aufweist, der benutzt wird, um einen Lichtstrahl in einem linearen Raster-Abtastmuster über ein Ziel-Balkencodesymbol zu lenken. Es wird ein Signalverarbeitungs-Schaltungssystem bereitgestellt, um zu ermitteln, ob das Balkencodesymbol eindimensional oder zweidimensional ist.
Die Internationale Patentanmeldung WO 97/15024 offenbart eine Datenform-Lesevorrichtung zum Lesen von Datenformen, z. B. 1D- und 2D-Balkencodes und Matrixcodes.
In allen Arten optischer Codes, also eindimensionalen, zweidimensionalen und sogar dreidimensionalen (mehrfarbigen überlagerten Symboliken), muss die Leistungsfähigkeit des optischen Systems optimiert werden, um für die bestmögliche Auflösung, das bestmögliche Signal-Rausch-Verhältnis, den bestmöglichen Kontrast und die bestmögliche Reaktion zu sorgen. Diese und andere Parameter sind steuerbar durch Auswahl und Einstellung der optischen Komponenten, z. B. des Linsensystems, der Wellenlänge des Beleuchtungslichts, der optischen und elektronischen Filterung und der Empfindlichkeit des Detektors.
Ein weiterer Nachteil des Abtastens zweidimensionaler Symboliken ist es, dass eine größere Zeitmenge und Bildverarbeitungsleistung benötigt wird, um das Bild aufzunehmen und zu verarbeiten, also ein größerer Mikrocomputerspeicher und ein Prozessor mit schnellerer Impulsperiode.
Ein weiterer Nachteil bekannter Vorrichtungen zum Abtasten von Symboliken ist es, dass die Hochgeschwindigkeits-Verarbeitungschips, welche sie benötigen, teuer sind, Wärme erzeugen und Platz benötigen.
Dementsprechend besteht ein Bedarf für ein System zum Abtasten von Symboliken, welches die notwendigen Komponenten auf einem einzigen Chip oder auf einer verringerten Anzahl von Chips integriert, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein solches bereitzustellen. Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die integrierte Speichermenge zu verringern und ein System bereitzustellen, welches eine verringerte Energiemenge benötigt und ein geringeres Maß an Wärme erzeugt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abtast- oder Abbildungsvorrichtung bereitzustellen, welche ein Bildverarbeitungssystem hoher Qualität und hoher Geschwindigkeit verwendet, das Bildaufnahme-, Bildverarbeitungs- und Decodierfunktionen hinsichtlich der Zielsymbolik oder des optischen Codes umfasst.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Scanner oder Abbildungseinrichtung, welche eine variable Schärfentiefe aufweisen, mit Mitteln zu versehen, um einem Bediener zu helfen, einen Ausschnitt für die Symbolik, also den Zielbereich, zu bestimmen, so dass sie im geeigneten Sichtfeld eingefangen wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bildgebungsvorrichtung bereitzustellen, welche mehrere Symboliken innerhalb eines optisch abgetasteten Bildfelds abtasten kann und das Bildfeld dann mit Hochgeschwindigkeit in einzelne Symbolikfelder trennen oder segmentieren kann.
Kurzdarstellung der Erfindung
Diese und andere Aufgaben und Vorteile werden in einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erfüllt bzw. erzielt, indem ein vorzugsweise integriertes System zum Abtasten von Zielbildern und Verarbeiten derselben bereitgestellt wird, vorzugsweise in Echtzeit, beginnend während des Abtastverfahrens. In einer Ausführungsform wird ein optischer Abtastkopf bereitgestellt, welcher eine oder mehrere Leuchtdioden (LEDs) aufweist, die auf jeder Seite einer Leiterplatte befestigt sind, um in verschiedenen Winkeln Licht zu emittieren. Es wird ein divergierender Lichtstrahl erzeugt.
Es wird ein CCD zur Abtastung mit Zeilensprung (progressive scanning CCD) bereitgestellt, in welcher Daten eine Zeile nach der anderen gelesen werden können und in den Speicher oder das Register ausgegeben werden können, wodurch gleichzeitig Binär- und Grauskaladaten bereitgestellt werden. Gleichzeitig identifiziert die Bildverarbeitungsvorrichtung vorzugsweise den interessierenden Bereich und die Art und Natur des optischen Codes oder der Informationen, die innerhalb des Ausschnitts vorliegen.
Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine optische Lesevorrichtung zum Lesen von Bildinformationen aus optischen Codes, eindimensionalen Symboliken oder zweidimensionalen Symboliken bereitgestellt, wobei die Bildinformationen in einem Zielbildfeld enthalten sind, wobei die optische Lesevorrichtung die Merkmale umfasst, die in Patentanspruch 1 definiert sind.
Die vorliegende Erfindung stellt einen optischen Scanner oder eine Abbildungseinrichtung nicht nur zum Lesen der optisch codierten Informationen oder Symbole bereit, sondern welcher auch die Fähigkeit aufweist, Bilder aufzunehmen, welche in dem Speicher der Vorrichtung gespeichert werden sollen oder über ein Datenaustauschmittel bzw. Kommunikationsmittel zu einer anderen Empfangseinheit übermittelt werden sollen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden einzelne Felder decodiert und digital auf das Bildfeld zurückgelenkt. Dies erhöht die Geschwindigkeit des Lesens von Symboliken. Ein Beispiel, wo ein schneller Durchsatz benötigt wird, ist jenes der Verarbeitung von sich bewegenden Paketen mit daran befestigten oder darauf gedruckten Symboliken, welche Informationen enthalten, was als Hochgeschwindigkeits-Sortierung bezeichnet wird, welche eine Geschwindigkeit von 200 Fuß oder mehr je Minute aufweisen kann.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass sich das Bild, welches Informationen enthält, in variablen Entfernungen von der Lesevorrichtung befinden kann, welche eine LED-Lichtquelle, Umgebungs- oder Blitzlicht in Verbindung mit spezialisierten intelligenten Sensoren verwendet, und welche chipintegrierte Signalverarbeitungsmittel aufweist, um ein Rohbild oder decodierte Informationen bereitzustellen, die in einem Ausschnitt enthalten sind, und Echtzeit-Bildverarbeitungsfähigkeiten aufweist.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische Lesevorrichtung bereitzustellen, welche ein- und/oder zweidimensionale Symbole, optische Codes und Bilder mit einem einzigen Schnappschuss aufnehmen und decodieren kann.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische Lesevorrichtung bereitzustellen, um optische Codes zu decodieren, welche einen weiten Bereich von Merkmalsgrößen aufweisen.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische Lesevorrichtung bereitzustellen, welche optische Codes in allen Richtungen Lesen kann.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass sie alle obigen Vorteile in einer optischen Lesevorrichtung bereitstellt und einen Mikrocomputer und Bildverarbeitungs-Software in einer ASIC oder FPGA aufweist.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass sie alle obigen Vorteile in einer optischen Lesevorrichtung bereitstellt und einen Mikrocomputer, welcher einen Mikroprozessor, Speicher und Speicherpuffer aufweist, ADC und Bildverarbeitungs-Software in einer ASIC oder FPGA, alles auf demselben Chip, aufweist.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass sie alle obigen Vorteile in einer optischen Lesevorrichtung bereitstellt und dabei effizient den Speicher des Mikrocomputers und andere integrierte Teilsysteme nutzt, ohne dessen Zentralprozessor zu belasten, wobei die Leistung wirksam erhalten wird.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass sie alle obigen Vorteile in einer optischen Lesevorrichtung bereitstellt und dabei die Verarbeitungsgeschwindigkeit und die Bildverarbeitungsqualität erhöht und die Möglichkeit bietet, für eine höhere Durchsatzgeschwindigkeit mehrere Bilder aus demselben Bildfeld zu segmentieren.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass sie alle obigen Vorteile in einer optischen Lesevorrichtung in Form einer Maschine oder eines fertigen Produktes bereitstellt, wobei die meisten oder alle der elektronischen Funktionen in demselben Stück Silicium integriert sind.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung zusammen mit den begleitenden Figuren zu erkennen, in welchen sich durchgehend gleiche Bezugsziffern auf gleiche Teile beziehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1(a) ist ein Diagramm, welches eine optische Lesevorrichtung veranschaulicht;
1(b) veranschaulicht ein Zielobjekt, welches gemäß der vorliegenden Erfindung abgetastet werden soll;
1(c) veranschaulicht Bilddaten, welche dem Zielobjekt entsprechen, gemäß der vorliegenden Erfindung;
2(a) ist ein Diagramm einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
2(b) veranschaulicht ein Beispiel einer Floating-Threshold-Kurve, welche in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
2(c) veranschaulicht ein Beispiel vertikaler und horizontaler Schwellenwerte, wie sie in Verbindung mit der Abbildung der Fläche einer Floating-Threshold-Kurve verwendet werden, wie sie in 2(b) als Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht ist;
3(a) ist ein Diagramm einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3(b) veranschaulicht Taktsignale, wie sie in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
4 veranschaulicht ein Laserlicht-Beleuchtungsmuster und eine Laserlicht-Beleuchtungsvorrichtung, bei welchen ein holographischer Diffusor verwendet wird;
5 veranschaulicht einen Ausschnittsanordnungsmechanismus, bei welchem ein Strahlenteiler und ein Spiegel oder ein lichtbrechendes optisches Element verwendet wird, welches zwei Strahlen erzeugt;
6 ist ein Diagramm, welches eine alternative Vorrichtung zur Ausschnittsbestimmung für ein Zielobjekt veranschaulicht;
7(a) veranschaulicht eine Ausführungsform einer Bildgebungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
7(b) veranschaulicht ein erzeugtes Muster einer Ausschnittsanordnungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
8(a) ist ein Diagramm, welches eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
8(b) veranschaulicht eine Ausführungsform, welche ein System auf einem Chip gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
8(c) veranschaulicht ein Ablaufdiagramm gemäß der vorliegenden Erfindung;
8(d) ist ein Blockdiagramm, welches eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
8(e) ist ein Blockdiagramm, welches einige der Schritte in einer Grauskala-Bildverarbeitungstechnik gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
8(f) veranschaulicht die Bildpunktprojektion bezüglich der Abtastlinie gemäß der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung
Mit Bezug auf die Figuren stellt die vorliegende Erfindung einen optischen Scanner oder Abbildungseinrichtung 15 zum Lesen optisch codierter Informationen und Symbole bereit, welcher auch ein Bildaufnahmemerkmal und einen Bildspeicher 21 zum Speichern der Bilder aufweist.
In der vorliegenden Beschreibung werden die Begriffe „optischer Scanner", „Abbildungseinrichtung" und „Lesevorrichtung" untereinander austauschbar für die Technologie des auf einem einzigen Chip integrierten Scanners verwendet, welche in der vorliegenden Beschreibung beschrieben wird.
Der optische Scanner oder Abbildungseinrichtung 15 der vorliegenden Erfindung weist vorzugsweise ein Übertragungs- bzw. Sendesystem zum Übertragen von Bildern über eine Datenaustausch-Schnittstelle bzw. eine Kommunikations-Schnittstelle, wie in 8(b) dargestellt, zu einer anderen Empfangseinheit, z. B. einen Hauptrechner (Host) 811, auf. Die Datenaustausch-Schnittstelle 84 kann für irgendeine Form der Übertragung von Daten sorgen, z. B. über Kabel, Infrarot-Sender/Empfänger, RF-Sender/Empfänger oder irgendein anderes drahtgebundenes oder drahtloses Übertragungssystem.
1(b) veranschaulicht ein Zielobjekt 510, welches gemäß der vorliegenden Erfindung abgetastet werden soll. Das Zielobjekt beinhaltet ein eindimensionales Bild 28, ein zweidimensionales Bild 27 und einen Text 29. Dies sind Beispiele für die Art der abzutastenden Informationen. 1(c) veranschaulicht auch ein Bild oder einen Ausschnitt 210, welcher digitale Daten darstellt, die dem abgetasteten Zielobjekt 510 entsprechen. Wie in 1(c) dargestellt, beinhaltet das Bild oder der Ausschnitt vorzugsweise Daten, die mehreren Bildpunkten 214 entsprechen, obwohl es sich versteht, dass jede Form von Daten verwendet werden kann, die dem abgetasteten Zielobjekt 510 entsprechen. Es versteht sich auch, dass in dieser Anmeldung die Begriffe „Bild" und „Ausschnitt" verwendet werden, um eine Region zu bezeichnen, die abgetastet wird.
Im Betrieb kann das Zielobjekt 510 in irgendeiner Entfernung von der optischen Lesevorrichtung 15 angeordnet werden, solange es sich innerhalb der Schärfentiefe der Bildgebungsvorrichtung 15 befindet.
Es kann jede Form der Lichtquelle benutzt werden, welche für eine ausreichende Beleuchtung sorgt. Zum Beispiel kann eine LED-Lichtquelle 72, Umgebungslicht oder ein Blitzlicht 720 benutzt werden. Wie in 8(b) dargestellt, können diese in Verbindung mit spezialisierten intelligenten Sensoren 20 benutzt werden, welche einen chipintegrierten Sensor 20 und Signalverarbeitungsmittel aufweisen, um dem Hauptrechner 811 ein Rohbild oder decodierte Informationen bereitzustellen, welche den Informationen entsprechen, die in dem Ausschnitt oder Bild 210 enthalten sind. Der optische Scanner 15 weist vorzugsweise Möglichkeiten für Echtzeit-Bildverarbeitungstechniken auf, wobei er eines oder eine Kombination der Verfahren oder Vorrichtungen anwendet, die im Folgenden noch detaillierter erörtert werden und für verbesserte Abtastfähigkeiten sorgen.
Hardware-Bildverarbeitung
In der vorliegenden Erfindung können verschiedene Formen der Bildverarbeitung auf Hardware-Basis angewendet werden. In einer solchen Form der Bildverarbeitung auf Hardware-Basis werden aktive Bildpunktsensoren verwendet, wie in der US-Patentanmeldung 08/690,752 beschrieben, welche am 26. Mai 1998 als US-Patentschrift 5,756,981 veröffentlicht wurde. Eine andere Form der Bildverarbeitung auf Hardware-Basis ist eine Ladungsmodulationsvorrichtung (Charge Modulation Device, CMD) gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine bevorzugte CMD stellt mindestens zwei Betriebsmodi bereit, darunter einen Sprungzugriffsmodus (skip access mode) und/oder einen Blockzugriffsmodus (block access mode) zur Verwendung bei der Echtzeit-Ausschnittsbestimmung und der Fokussierung mit dem optischen Scanner 15. Es versteht sich, dass in dieser Ausführungsform der optische Scanner 15 als eine digitale Bildgebungsvorrichtung oder eine digitale Kamera dient. Diese Betriebsmodi werden besonders nützlich, wenn der Sensor 20 in Systemen verwendet wird, welche optische Informationen (z. B. ein- oder zweidimensionale Symboliken) lesen oder Bilder verarbeiten, also die eingefangenen Bildern nach Ergebnissen untersuchen, da solche Anwendungen typischerweise ein breites Gesichtsfeld erfordern sowie die Fähigkeit, genaue Beobachtungen spezieller Bereiche vorzunehmen. Vorzugsweise paketiert der CMD-Sensor 20 eine große Zahl an Bildpunkten (mehr als 600 × 500) und stellt drei Abtastmodi bereit, darunter einen Vollauslesemodus, einen Blockzugriffsmodus und einen Sprungzugriffsmodus. Der Vollauslesemodus liefert hochaufgelöste Bilder aus dem Sensor 20 in einem einzigen Auslesezyklus. Der Blockzugriffsmodus liefert eine Auslesung irgendeines beliebigen interessierenden Fensters, welches die Suche nach dem interessierenden Bereich erleichtert (ein sehr wichtiges Merkmal in schnellen Bildverarbeitungstechniken). Im Sprungzugriffsmodus wird in der horizontalen und in der vertikalen Richtung jeder „n-te" Bildpunkt gelesen. Sowohl Block- als auch Sprungzugriffsmodus ermöglichen die Echtzeit-Bildverarbeitung und Überprüfung bzw. Überwachung eines Teilbildes und eines ganzen Bildes. Elektronische Zoom- und Schwenkmerkmale mit moderater und angemessener Auflösung sind mit den CMD-Sensoren ebenfalls zugänglich, ohne irgendwelche mechanischen Teile erforderlich zu machen.
1(a) veranschaulicht ein System, welches einen Klebstofflogikchip (glue logic chip) oder ein programmierbares Gate Array 10 aufweist, welches auch als ASIC 10 oder FPGA 10 bezeichnet wird. Die ASIC oder das FPGA 10 beinhaltet vorzugsweise eine Bildverarbeitungs-Software, welche in einem Permanentspeicher darin gespeichert ist. Die ASIC oder das FPGA 10 weist zum Beispiel vorzugsweise einen Puffer 212 oder eine andere Art des Speichers und/oder einen RAM-Arbeitsspeicher auf, welcher für Speicherung sorgt. Es kann ein Speicher relativ kleiner Größe (um 40 K) verwendet werden, obwohl ebenso auch jede andere Größe verwendet werden kann. Wenn ein Zielobjekt 510 von dem Sensor 20 gelesen wird, werden die Bilddaten 210, welche dem Zielobjekt 510 entsprechen, vorzugsweise in Echtzeit von dem Sensor ausgegeben. Die ausgegebenen Daten zeigen vorzugsweise Bereiche des Bildes 210 an, die geeignete Daten enthalten können, welche zum Beispiel zwischen eindimensionalen Symboliken (Folgen von Balken und Freiräumen), Text (einheitliche Form und reines Grau) und Störungen/Rauschen (abhängig von anderen spezifischen Merkmalen, d. h. abrupter Übergang oder andere spezielle Merkmale) unterscheiden. Vorzugsweise sobald das Auslesen der Bilddaten durch den Sensor 20 beendet ist oder kurz danach, gibt die ASIC 10 die Indikatordaten 25 aus. Die Indikatordaten 25 beinhalten Daten, welche die Art des optischen Codes (zum Beispiel ein- oder zweidimensionale Symbolik) anzeigen, und andere Daten, welche den Ort der Symbolik innerhalb der Bildausschnittsdaten 210 anzeigen. Wenn ein Teil der Daten gelesen ist (vorzugsweise ungefähr 20 bis 30% obwohl auch andere Anteile gewählt werden können), kann die ASIC 10 (in der Hardware implementierte Software-Logik) parallel zu der Datenübertragung des Sensors 20 eine Grauskala-Bildverarbeitung beginnen (bezeichnet als „Echtzeit-Bildverarbeitung"). Dies kann entweder zu irgendeinem Zeitpunkt während des Datenübertragung vom Sensor 20 oder danach geschehen. Dieses Verfahren wird unten im Grauskala-Bildverarbeitungs-Abschnitt der vorliegenden Beschreibung noch detaillierter beschrieben.
Während der Bildverarbeitung, oder wenn die Daten aus dem Sensor 20 ausgelesen werden, tastet die ASIC 10, bei welcher die Bildverarbeitungs-Software vorzugsweise in ihrem Hardware-Speicher codiert ist, die Daten nach speziellen Merkmalen irgendeiner Symbolik ab, oder sucht in dem optischen Code, den eine Bildaufnahmevorrichtung lesen sollte, durch die Einstellungsparameter. (Wenn zum Beispiel eine Anzahl von Balken und Freiräumen zusammen beobachtet werden, bestimmt sie, dass es sich bei der in dem Bereich 210 vorliegenden Symbolik um eine eindimensionale oder eine PDF-Symbolik handeln kann, oder wenn sie ein(e) organisierte(s) und gleich bleibende(s) Form/Muster sieht, kann sie leicht erkennen, dass es sich bei dem aktuell Ausgelesenen um Text handelt.) Bevor die Datenübertragung von dem CCD 20 beendet ist, hat die ASIC 10 vorzugsweise die Art der Symbolik oder des optischen Codes innerhalb der Bilddaten 210 und deren genaue Position bereits erkannt und kann die geeignete Decodierroutine für die Decodierung des optischen Codes aufrufen. Dieses Verfahren erhöht merklich die Reaktionszeit des optischen Scanners 15. Außerdem komprimiert die ASIC 10 (oder der Prozessor 11) vorzugsweise auch die Bilddatenausgabe aus dem Sensor 20. Diese Daten können als Bilddatei oder Datenbank gespeichert werden, z. B. im Speicher 212, oder alternativ im integrierten Speicher in der ASIC 10. Die Datenbank kann an einer Speicherstelle gespeichert werden, die im Diagramm der 2(a) durch den Kasten 30 gekennzeichnet ist. Bei der Datenbank handelt es sich vorzugsweise um eine komprimierte Darstellung der Bilddaten 210, welche eine kleinere Größe aufweist als das Bild 210. In einem Beispiel ist die Datenbank um das 5- bis 20-fache kleiner als die entsprechenden Bilddaten 210. Die Datenbank wird von der Bildverarbeitungs-Software verwendet, um den interessierenden Bereich in dem Bild zu lokalisieren, ohne die Bilddaten 210 Bildpunkt für Bildpunkt oder Bit für Bit zu analysieren. Die Datenbank wird vorzugsweise erzeugt, wenn die Daten aus dem Sensor 20 ausgelesen werden. Sobald der letzte Bildpunkt aus dem Sensor ausgelesen ist (oder kurz danach), ist auch die Datenbank fertig gestellt. Durch Verwendung der Datenbank kann die Bildverarbeitungs-Software leicht die Art der optischen Informationen erkennen, welche durch die Bilddaten 210 dargestellt werden, und sie kann dann anfordern, dass der geeignete Teil der Verarbeitungs-Software abläuft, z. B. eine geeignete Teilroutine. In einer Ausführungsform weist die Bildverarbeitungs-Software getrennte Teilroutinen oder Objekte auf, welche zur Verarbeitung von Text, eindimensionalen Symboliken bzw. zweidimensionalen Symboliken gehören.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der Abbildungseinrichtung um ein Handgerät. Ein (nicht dargestellter) Auslöser kann gedrückt werden, um die Abbildungsvorrichtung zu aktivieren, das Zielobjekt 510 abzutasten und die hierin beschriebene Verarbeitung zu beginnen. Sobald der Auslöser aktiviert ist, wird wahlweise die Beleuchtungsvorrichtung 72 und/oder 720 aktiviert, wodurch das Bild 210 beleuchtet wird. Der Sensor 20 liest das Zielobjekt 510 ein und gibt entsprechende Daten an die ASIC oder das FPGA 10 aus. Das Bild 210 und die Indikatordaten 25 liefern Informationen bezüglich des Bildinhalts, der Art und des Ortes des Bildes und andere nützliche Informationen für die Bildverarbeitung, um über die zu unternehmenden Schritte zu entscheiden. Alternativ können auch oder alternativ die komprimierten Bilddaten verwendet werden, um solche Informationen zu liefern. In einem Beispiel, wenn es sich bei dem Bildinhalt um eine zweidimensionale DataMatrix^®-Symbolik handelt, ist der Kennzeichner so angeordnet, dass die Bildverarbeitungs-Software versteht, dass es sich bei der in diesem Fall zu verwendenden Decodier-Software um ein DataMatrix^®-Decodiermodul handelt, und dass sich die Symbolik an einem Ort mit den Koordinaten X und Y befindet. Nachdem die Decodier-Software aufgerufen ist, werden die decodierten Daten über die Datenaustausch-Schnittstelle 84 an den Hauptrechner 811 ausgegeben.
In einem Beispiel beträgt die Gesamt-Bildverarbeitungszeit, um den optischen Code zu identifizieren und zu lokalisieren, für eine CCD-Auslesezeit von ungefähr 30 ms für ein CCD von (ungefähr) 500 × 700 Bildpunkten etwa 33 ms, was bedeutet, dass nahezu unmittelbar nach dem Auslesen des CCD die geeignete Decodier-Softwareroutine aufgerufen werden konnte, um den optischen Code in dem Ausschnitt zu decodieren. Die gemessenen Decodierzeiten für verschiedene Symboliken hängen von deren Decodierroutinen und Decodierstrukturen ab. In einem anderen Beispiel zeigten Experimente, dass in Abhängigkeit von der Komplexität der Decodier-Software etwa 5 ms für eine eindimensionale Symbolik und zwischen 20 und 80 ms für eine zweidimensionale Symbolik benötigt würden.
8(a) zeigt ein Ablaufdiagramm, welches Verarbeitungsschritte gemäß diesen Techniken veranschaulicht. Wie in 8(a) veranschaulicht, gehen Daten aus dem CCD-Sensor 20 vorzugsweise zur SH(Sample-and-Hold, Abtast-Halte)-Schaltung 139 und zur ADC(Analog-to-Digital-Converter, Analog-Digital-Umwandler)-Schaltung 130 und dann zur ASIC 10, parallel geschaltet zu ihren Komponenten, dem Grauskalaprozessor 80 und den Serien bzw. Reihen von Binärprozessor 120 und dem Lauflängencode-Prozessor 213. Der RLC(Run-Length-Code, Lauflängencode)-Prozessor 213 erzeugt die Indikatordaten 25, welche entweder (wie dargestellt) in der ASIC 10 gespeichert werden oder zur Speicherung und zukünftigen Verwendung in den Speicher 60 kopiert werden können. Der Grauskalaprozessor 80 gibt relevante Grauskala-Bilddaten 210 an einen Speicher 60, z. B. einen SDRAM, aus.
Ein anderes System für eine hohe Integration ist in 8(b) veranschaulicht. Dieses bevorzugte System kann den CCD-Sensor 20, eine Logikverarbeitungseinheit 83 (welche Funktionen durchführt, die von der SH 139, ADC 130 und ASIC 10 durchgeführt werden), einen Speicher 60, eine Datenaustausch-Schnittstelle 84 umfassen, alle vorzugsweise in einem einzigen Computerchip 70 integriert, was hier als „System On A Chip" (SOC, Chipintegriertes System) 70 bezeichnet wird. Dieses System liest Daten direkt aus dem Sensor 20 aus. In einer Ausführungsform ist der Sensor 20 auf dem Chip 70 integriert, solange die benutzte Sensortechnologie mit der Integration auf einem Chip vereinbar ist, z. B. bei einem CMOS-Sensor. Alternativ ist er vom Chip getrennt, wenn die Sensortechnologie nicht auf einem Chip integriert werden kann. Die Daten aus dem Sensor werden vorzugsweise in Echtzeit unter Benutzung der Logikverarbeitungseinheit 83 verarbeitet, ohne zuerst in den Speicher 60 geschrieben zu werden, obwohl in einer alternativen Ausführungsform ein Teil der Daten aus dem Sensor 20 in den Speicher 60 geschrieben wird, bevor er in der Logik 83 verarbeitet wird. Die ASIC 10 kann gegebenenfalls Bildverarbeitungs-Softwarecode ausführen. Es kann irgendein Sensor 20 verwendet werden, z. B. ein CCD-, CMD- oder CMOS-Sensor 20. Bei dem Speicher 60 kann es sich um irgendeine Form von Speicher handeln, die für die Integration in einem Chip geeignet ist, z. B. um einen Datenspeicher und/oder Pufferspeicher. Beim Betrieb dieses Systems werden die Daten direkt aus dem Sensor 20 ausgelesen, was die Verarbeitungsgeschwindigkeit deutlich erhöht. Nachdem alle Daten zum Speicher 60 übertragen sind, kann die Software daran arbeiten, Daten sowohl aus den Grauskala-Bilddaten 210 als auch aus dem Lauflängencode (RLC) im RLC-Speicher 211 zu extrahieren, in einer Ausführungsform unter Verwendung der Datenbankdaten 30 und der Indikatordaten 25, bevor die Decoder-Software 88 aufgerufen wird, wie in der Patentanmeldung 08/690,752, eingereicht am 1. August 1996, der Patentanmeldung 08/596,728, eingereicht am 8. Dezember 1995, der Patentanmeldung 08/363,985, eingereicht am 27. Dezember 1994, der Patentanmeldung 08/059,322, eingereicht am 7. Mai 1993, der Patentanmeldung 07/965,991, eingereicht am 23. Oktober 1992, nun erteilt als Patentschrift 5,354,977 , der Patentanmeldung 07/956,646, eingereicht am 2. Oktober 1992, nun erteilt als Patentschrift 5,349,172 , der Patentanmeldung 08/410,509, eingereicht am 24. Mai 1995, der Patentschrift 5,291,009 , der Patentanmeldung 08/137,426, eingereicht am 18. Oktober 1993, der Patentanmeldung 08/444,387, eingereicht am 19. Mai 1995, und der Patentanmeldung 08/329,257, eingereicht am 26. Oktober 1994, beschrieben. Ein Unterschied zwischen diesen Patenten und Patentanmeldungen und der vorliegenden Erfindung ist es, dass in der Bildverarbeitung der vorliegenden Erfindung nicht ausschließlich Binärdaten verwendet werden. Stattdessen berücksichtigt die vorliegende Erfindung auch Daten, die aus dem „Doppelkegel" ("double taper") und der Datenbank 30 extrahiert werden, um den interessierenden Bereich zu lokalisieren, und sie verwendet auch die Grauskalawerte, um die Decodierbarkeit des Symbols zu verbessern, das in dem Ausschnitt gefunden wird, wie in 8(c) (speziell für eindimensionale und gestapelte Symbolik) dargestellt, wobei die Subpixel-Interpolationstechnik angewendet wird, wie im Bildverarbeitungsabschnitt beschrieben wird.
2(a) und 3(a) veranschaulichen eine Ausführungsform einer Hardware-Implementierung einer Binärverarbeitungseinheit 120 und einer RLC-Umsetzungseinheit 213. Es ist anzumerken, dass die Binärverarbeitungseinheit 120 auf einer einzigen Einheit integriert sein kann, wie im SOC 70, oder aus einer größeren Anzahl von Komponenten aufgebaut sein kann. 3(a) zeigt ein beispielhaftes Schaltungsdiagramm der Binärverarbeitungseinheit 120 und einer RLC-Umsetzungseinheit 213. 3(b) veranschaulicht ein Taktgebungsdiagramm, welches 3(a) entspricht.
Die Binärverarbeitungseinheit 120 empfängt Daten aus bzw. von dem Sensor (d. h. dem CCD) 20. Mit Bezug auf 8(d) wird einer Abtast-Halte-Schaltung 139 ein analoges Signal aus dem Sensor 20 (V_out 125) bereitgestellt. In einer alternativen Ausführungsform wird eine Schmitt-Vergleichseinheit bereitgestellt, um den RLC (Run Length Code) als DMA(Direct-Memory-Access, Direktspeicherzugriffs)-Sequenz in den Speicher bereitzustellen, wie in 8(d) dargestellt. Im Betrieb überträgt der Zähler 135 Zahlen, welche für X Zahlen von Bildpunkten 0 oder 1 stehen, an der DMA-Sequenz, statt „0" oder „1" für jeden Bildpunkt in den Speicher 60 (welcher in einer Ausführungsform ein Teil des FPGA oder der ASIC 10 ist). Die Funktionen des Schwellenwerts 214 und des RLC 213 werden vorzugsweise in Echtzeit ausgeführt, wenn die Bildpunkte gelesen werden (die Zeitverzögerung überschreitet nicht 30 Nanosekunden). In dem Beispiel, in dem eine Fuzzy-Logic-Software verwendet wird, wird ein RLC verwendet, um DataMatrix-Code zu lesen. Dieses Verfahren beansprucht 125 ms. Wenn wir das Fuzzy-Logic-Verfahren verändern, um eine Bildpunkt-für-Bildpunkt-Auslesung aus den bekannten Offset-Adressen anzuwenden, verringert dies die Zeit in diesem Beispiel auf etwa 40 ms. Es sei angemerkt, dass „ms" für Millisekunden steht. Dieses Beispiel basiert auf einer Vorrichtung, bei welcher ein SH-2-Mikrocontroller von Hitachi mit einer Taktfrequenz von etwa 27 MHz verwendet wird, und beinhaltet keine Optimierung durch ein Modul, weder funktionell noch zeitlich. Diagramme, welche diesem Beispiel entsprechen, sind in 2(a), 3(a) und 3(b) dargestellt, welche unten noch detaillierter beschrieben werden. 2(a) veranschaulicht eine Hardware-Implementierung einer Binärverarbeitungseinheit 120 und einer RLC-Umsetzungseinheit 213. Ein Beispiel eines Schaltungsdiagramms einer Binärverarbeitungseinheit 120, welche Daten ausgibt, die mit der Bezugsziffer 81b gekennzeichnet sind, und einer RLC-Umsetzungseinheit 213, welche Daten ausgibt, die mit der Bezugsziffer 81a gekennzeichnet sind, ist in 3(a) dargestellt. 3(b) veranschaulicht ein Taktgebungsdiagramm für 3(a).
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, gleichzeitig Grauskaladaten 210 bereitzustellen, den Schwellenwert zu ermitteln, z. B. durch Verwendung der Schmitt-Vergleichseinheit 82, und den RLC 81 des in dieser Beschreibung erörterten Ausführungsbeispiels bereitzustellen. In einem Beispiel fand ich heraus, dass in der veranschaulichten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Grauskaladaten, die Schwellenwertermittlung und die RLC-Berechnung alle in 33,3 Millisekunden während der DMA-Zeit erhalten werden konnten.
Wie er in der vorliegenden Beschreibung verwendet wird, ist ein Grauskalawert der digitale Wert des Analogwerts eines Bildpunktes, welcher für einen 8-Bit-ADC 130 zwischen 0 und 255 liegen kann. Die Grauskaladaten wurden in diesem Beispiel erhalten, nachdem die analoge V_out 125 des Sensors 20 von der DSH 139 abgetastet und gehalten wurde. Das analoge Signal wurde zu Grauskaladaten umgewandelt, indem es durch den ADC 130 lief. Die Ausgabe 50 wird dann an die ASIC oder das FPGA 10 angeschlossen, um während der DMA-Sequenz zum Speicher 60 übertragen zu werden.
Wie er ebenso in der vorliegenden Beschreibung verwendet wird, ist ein Binärwert eine digitale Darstellung des Grauskalawerts eines Bildpunktes, welche „0" oder „1" sein kann, wenn sie mit einem Schwellenwert verglichen wird. Aus den Grauskala-Bilddaten 210 wird ein Binärbild 219 erhalten, nachdem die Schwellenwerteinheit 214 den Schwellenwert berechnet hat. Ein Lauflängencode (RLC), wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, ist eine Darstellung einer Folge mehrerer Bildpunkte mit einem Wert von „0" oder „1". In der hierin beschriebenen Erfindung werden Speicherplatz und Verarbeitungszeit verringert, indem man den Ablauf des RLC mit dem Auslesen von Bildpunktwerten und der DMA-Verarbeitung überlappen lässt.
Diese Ergebnisse werden zum Beispiel in der Ausführungsform erzielt, die in 2(a) veranschaulicht ist. Die analogen Bildpunktwerte werden aus dem Sensor 20 ausgelesen und werden nach dem Durchlauf durch die DSH 139 und den ADC 130 im Speicher 60 gespeichert. Zur selben Zeit empfängt die Binärverarbeitungseinheit 120 während des DMA die Daten und berechnet den Schwellenwert der Netzpunkte (eine nichteinheitliche Verteilung der Beleuchtung aus dem Zielobjekt 510 bewirkt eine ungleichmäßige Kontrast- und Lichtverteilung in den Bilddaten 210). Deswegen benötigt der herkömmliche echte Floating-Threshold-Binäralgorithmus, beschrieben in der CIP-Patentanmeldung 08/690,752, eingereicht am 1. August 1996, eine lange Zeit. Um diese schlechte Lichtverteilung zu überwinden, insbesondere in dem optischen Handscanner 15, ist es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, eine Technik der Fläche einer Floating-Threshold-Kurve anzuwenden, wie sie in Computer Graphics, Bd. 25, Nr. 4 (Juli 1991), ACM SIGGRAPH, Zeitschriftenvorsitz Thomas W. Sederberg, beschrieben ist. Wie in 2(b) veranschaulicht, umfassen die Grauskala-Bilddaten 210 Informationen, welche „n" Linien entsprechen, vertikal 351 und horizontal 352 (d. h. 20 Linien, dargestellt durch 10 Zeilen und 10 Spalten). Zwischen zwei Linien liegt immer derselbe Freiraum. Jeder Schnittpunkt einer vertikalen und horizontalen Linie 353 wird verwendet, um die Fläche 354 der Floating-Threshold-Kurve abzubilden. Eine verformbare Fläche ist aus einer Gruppe verbundener quadratischer Elemente hergestellt. Die quadratischen Elemente wurden so gewählt, dass ein großer Bereich einer topologischen Form modelliert werden konnte. In diesen Umwandlungen werden die Punkte des Schwellenwertparameters auf Ecken in der verformten dreidimensionalen Fläche abgebildet. Die Schwellenwerteinheit 214 verwendet die Grauskalawerte auf der Linie, um die Grauabschnittkurve zu erhalten, und dann betrachtet sie die Spitzen-Verbindungskurve und die Tal-Verbindungskurve des Grauabschnitts. Die Mittelwertkurve der Spitzen-Verbindungskurve und der Tal-Verbindungskurve ist die Schwellenwertkurve für diese gegebene Linie. Wie in 2(c) veranschaulicht, ist der Mittelwert des vertikalen 355 und horizontalen 356 Schwellenwertes auf dem Schnittpunkt der Schwellenwertparameter zur Abbildung der Fläche der Schwellenwertkurve. Unter Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens berechnet die Schwellenwerteinheit 214 den Schwellenwert der Netzpunkte für die Bilddaten 210 und speichert sie auf der Speicherstelle 219 im Speicher 60.
Nachdem der Schwellenwert für verschiedene Teile der Bilddaten 210 berechnet ist, erzeugt die Binärverarbeitungseinheit 120 das Binärbild 219 durch eine Schwellenwertoperation an den Grauskala-Bilddaten 210. Zur selben Zeit erzeugt die RLC-Umsetzungseinheit 213 den RLC, der im Speicher 211 zu speichern ist.
3(a) zeigt ein Schaltungsdiagramm oder eine alternative Ausführungsform zum Erhalt des RLC in Echtzeit. Die Schmitt-Vergleichseinheit 82 empfängt an ihrem negativen Eingang das Signal von der DSH 139 und an ihrem positiven Eingang die V_ref 141, welche einen Teil des Signals darstellt, welches den Beleuchtungswert des Zielobjekts 510 darstellt, eingefangen durch den Beleuchtungssensor 138. V_ref 141 steht für die Zielobjektbeleuchtung, welche von der Entfernung des Bildgebers 15 vom Zielobjekt 510 abhängt. Jeder Bildpunktwert wird mit dem Schwellenwert verglichen und führt zu einer „0" oder „1" verglichen mit einem variablen Schwellenwert, bei welchem es sich um die mittlere Zielobjektbeleuchtung handelt. Der Zähler 135 zählt (er inkrementiert seinen Wert in jedem CCD-Bildpunkttakt 137) jede Gesamt-Bildpunktzahl, welche für die ASIC 10 an der DMA-Sequenz „0" oder „1" darstellt, statt „0" oder „1" für jeden Bildpunkt, und überträgt sie zu dem Signalspeicher 136. 3(b) ist die Zeitdiagrammdarstellung des in 3(a) dargestellten Schaltungssystems.
Die vorliegende Erfindung liefert gleichzeitig die Grauskaladaten 210, um unter Verwendung der Schmitt-Vergleichseinheit 82 den Schwellenwert zu ermitteln und den RLC 81 bereitzustellen. In einem Beispiel bestätigte die während des Experiments gemessene Zeit, dass die Grauskaladaten, die Schwellenwertermittlung und die RLC-Berechnung alle während der DMA-Zeit in 33,3 Millisekunden erhalten werden konnten.
Ein Grauskalawert ist der digitale Wert des Analogwerts eines Bildpunktes, welcher für einen 8-Bit-ADC 130 zwischen 0 und 255 liegen kann. Die Grauskaladaten werden erhalten, nachdem die analoge V_out 125 des Sensors 20 von der DSH 139 abgetastet und gehalten wird (Doppel-Abtast-Halteeinheit). Das analoge Signal wird zu Grauskaladaten umgewandelt, indem es durch den ADC 130 läuft. Die Ausgabe 50 wird dann an die ASIC oder das FPGA 10 angeschlossen, um während der DMA-Sequenz zum Speicher 60 übertragen zu werden.
Ein Binärwert ist eine digitale Darstellung des Grauskalawerts eines Bildpunktes, welcher „0" oder „1" sein kann, wenn er mit einem Schwellenwert verglichen wird. Ein Binärbild 219 kann aus den Grauskala-Bilddaten 210 erhalten werden, nachdem die Schwellenwerteinheit 214 den Schwellenwert berechnet hat.
Ein Lauflängencode (RLC) kann eine Darstellung einer Folge mehrerer (X) Bildpunkte mit einem Wert von „0" oder „1" sein. Es ist leicht zu verstehen, dass der Speicherplatz und die Verarbeitungszeit bedeutend optimiert werden können, wenn der RLC in derselben Zeit stattfinden kann, in der die Bildpunkt werte gelesen werden und der DMA stattfindet. 2(a) zeigt eine Alternative für die Binärverarbeitungs- und RLC-Umsetzungseinheiten für einen optischen Hochgeschwindigkeits-Scanner 15. Die analogen Pixelwerte werden aus dem Sensor 20 ausgelesen und werden im Speicher 60 gespeichert, nachdem sie durch die DSH 139, den ADC 130 gelaufen sind. In derselben Zeit empfängt die Binärverarbeitungseinheit 120 während des DMA die Daten und berechnet den Schwellenwert der Netzpunkte (eine nichteinheitliche Verteilung der Beleuchtung aus dem Zielobjekt 510, bewirkt eine ungleichmäßige Kontrast- und Lichtverteilung in den Bilddaten 210. Deswegen benötigt der herkömmliche echte Floating-Threshold-Binäralgorithmus, beschrieben in der CIP-Patentanmeldung 08/690,752, eingereicht am 1. August 1996, eine lange Zeit. Um diese schlechte Lichtverteilung zu überwinden, insbesondere in einem optischen Handscanner oder einer Abbildungsvorrichtung, ist es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, eine Technik der Fläche einer Floating-Threshold-Kurve anzuwenden, wie sie auf dem Fachgebiet bekannt ist. Die Grauskala-Bilddaten 210 umfassen Daten, welche „n" Abtastlinien vertikal 351 „m" Abtastlinien horizontal 352 entsprechen (zum Beispiel 20 Linien, dargestellt durch 10 Zeilen und 10 Spalten). Zwischen zwei Linien liegt immer derselbe Freiraum. Jeder Schnittpunkt einer vertikalen und horizontalen Linie 353 wird verwendet, um die Fläche 354 der Floating-Threshold-Kurve abzubilden. Eine verformbare Fläche ist aus einer Gruppe verbundener quadratischer Elemente hergestellt. Die quadratischen Elemente wurden so gewählt, dass ein großer Bereich einer topologischen Form modelliert werden konnte. In diesen Umwandlungen werden die Punkte des Schwellenwertparameters auf Ecken in der verformten dreidimensionalen Fläche abgebildet. Die Schwellenwerteinheit 214 verwendet die Grauskalawerte auf der Linie, um die Grauschnittkurve zu erhalten, und dann betrachtet sie die Spitzen- und die Talkurve des Grauschnitts. Die Mittelkurve der Spitzenkurve und der Talkurve ist die Schwellenwertkurve für diese gegebene Linie. Der Mittelwert des vertikalen 355 und horizontalen 356 Schwellenwertes auf dem Schnittpunkt ist der Schwellenwertparameter zur Abbildung der Fläche der Schwellenwertkurve. Unter Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens berechnet die Schwellenwerteinheit 214 den Schwellenwert der Netzpunkte für die Bilddaten 210 und speichert ihn auf der Speicherstelle 219 im Speicher 60.).
Nachdem der Schwellenwert für verschiedene Teile der Bilddaten 210 berechnet ist, erzeugt die Binärverarbeitungseinheit 120 das Binärbild 219 durch eine Schwellenwertoperation an den Grauskala-Bilddaten 210. Zur selben Zeit erzeugt die RLC-Umsetzungseinheit 213 den RLC, der im Speicher 211 zu speichern ist.
3(a) zeigt eine Alternative zum Erhalten des RLC in Echtzeit. Die Schmitt-Vergleichseinheit 82 empfängt an ihrem negativen Eingang das Signal von der DSH 139 und an ihrem positiven Eingang die V_ref 141, welche einen Teil des Signals darstellt, welches den Beleuchtungswert des Zielobjekts 510 darstellt, eingefangen durch den Beleuchtungssensor 138. V_ref 141 steht für die Zielobjektbeleuchtung, welche von der Entfernung des optischen Scanners 15 vom Zielobjekt 510 abhängt. Jeder Bildpunktwert wird mit dem Schwellenwert verglichen und führt zu einer „0" oder „1" verglichen mit einem variablen Schwellenwert, bei welchem es sich um die mittlere Zielobjektbeleuchtung handelt. Der Zähler 135 zählt (er inkrementiert seinen Wert in jedem CCD-Bildpunkttakt 137) jede Gesamt-Bildpunktzahl, welche für jeden Bildpunkt „0" oder „1" darstellt, und überträgt sie zu dem Signalspeicher 136. 3(b) ist die Zeitdiagrammdarstellung des in 3(a) definierten Schaltungssystems.
Grauskala-Bildverarbeitung
Die Darstellung der Schärfentiefe (Depth of Field, DOF) eines optischen Scanners 15 ist definiert durch ein fokussiertes Bild in den Entfernungen, für die für eine minimale Element breite (Minimum Element Width, MEW) für einen gegebenen Punkt, der verwendet wird, um die Symbolik zu drucken, ein Minimum von weniger als einem (1) bis drei (3) Bildpunkten erhalten wird wobei der Unterschied zwischen einem weißen und einem schwarzen auf einer Grauskala mindestens 50 Punkte beträgt. Die Subpixel-Interpolationstechnik ermöglicht die Decodierung einer MEW bis herunter zu weniger als einem (1) Bildpunkt statt 2 oder 3 Bildpunkten, was für eine Wahrnehmung „erweiterter DOF" sorgt. Dieses Verfahren wird unten beschrieben, um ausrichtungsunabhängige Lesefähigkeiten für die Bildaufnahmevorrichtung zu erhalten.
Ein Beispiel für eine Betriebsweise der vorliegenden Erfindung ist in 8(e) und 8(f) veranschaulicht. Wie es dort veranschaulicht ist, sucht das System, wenn ein Teil der Daten aus dem CCD 20 ausgelesen ist, nach einer Serie von zusammenhängenden Balken und Freiräumen, wie es in Schritt 220 dargestellt ist. Das System identifiziert dann in den Bilddaten 210 Text und/oder andere Arten von Daten, wie es in Schritt 221 dargestellt ist. Das System ermittelt dann in Schritt 230 einen interessierenden Bereich, welcher bedeutsame Daten enthält. In Schritt 240 ermittelt das System den Winkel der Symbolik unter Anwendung einer Schachbrettmuster-Technik oder einer Kettencode-Technik, wie zum Beispiel durch Herausfinden der Neigung oder Ausrichtung der Symbolik 27, 28, 29 innerhalb des Zielobjekts 510. Das System wendet dann in Schritt 250 eine Subpixel-Interpolationstechnik an, um den optischen Code 381 oder Symbolik-Code 381 zu rekonstruieren. In einem beispielhaften Schritt 260 wird dann eine Decodierroutine ausgeführt.
Es ist wichtig anzumerken, dass zu jeder Zeit Daten innerhalb der Schachbrettmuster-Fenster 380 konserviert werden, um dafür benutzt zu werden, andere zweidimensionale Symboliken oder Text zu identifizieren, wenn erforderlich.
Bei der Interpolationstechnik wird die Projektion eines in einem Winkel angeordneten Balkens 381 oder Freiraums durch Bewegen einer Zahl von x Bildpunkten nach oben oder unten angewendet, um den Modulwert zu ermitteln, der der minimalen Elementbreite (MEW) entspricht, und um die Faltungsverzerrung auszugleichen, wie sie unter der Bezugsziffer 382 dargestellt ist. Dieses Verfahren ermöglicht es, für den Decodieralgorithmus die MEW der Bildpunkte auf weniger als 1,0 Bildpunkte zu verringern, im Gegensatz zu normalerweise erforderlichen 2 bis 3 Bildpunkten.
Beleuchtung
Ein beispielhafter optischer Scanner 15 beinhaltet eine Zielbeleuchtungsvorrichtung 72, welche innerhalb des sichtbaren Spektrums arbeitet. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Beleuchtungsvorrichtung mehrere LEDs (Leuchtdioden) auf. Jede LED weist vorzugsweise eine Spitzen-Lichtstärke von z. B. 6,5 Lumen/Steradiant (für eine HLMT-CL00) bei einem Gesamt-Bildfeldwinkel von 8 Grad auf, obwohl jedes geeignete Maß an Beleuchtung ausgewählt werden kann. In der bevorzugten Ausführungsform sind drei LEDs auf beiden Seiten des Linsentubus angeordnet und sind eine auf der anderen ausgerichtet, so dass die Gesamthöhe ungefähr 15 mm beträgt. Jede Gruppe von LEDs ist mit einem holographischen optischen Element angeordnet, welches dazu dient, den Strahl zu homogenisieren und einen Zielbereich zu beleuchten, welcher dem breiten Gesichtsfeld entspricht.
4 zeigt ein alternatives Beleuchtungssystem, um das Zielobjekt 510 zu beleuchten. Es kann jede geeignete Lichtquelle 410 verwendet werden, z. B. ein Blitzlicht (Strobe), Halogenlicht (mit Kollektor/Diffusor auf der Rückseite) oder eine Batterie von LEDs, die um das Linsensystem herum befestigt sind (mit oder ohne Kollektor/Diffusor auf der Rückseite oder Diffusor auf der Vorderseite), welche wegen des MTBF der LEDs besser geeignet ist. Ein Laserdiodenspot 400 kann, kombiniert mit einem holographischen Diffusor, ebenfalls verwendet werden, um den Zielbereich zu beleuchten, welcher als Gesichtsfeld bezeichnet wird. Kurz ausgedrückt empfängt der holographische Diffusor 420 das Laserlicht und projiziert es gemäß den vorgegebenen Winkeln des holographischen Musters sowohl in X- als auch in Y-Richtung in Richtung auf das Zielobjekt, wie in 4 dargestellt.
Ausschnittsanordnungsvorrichtung
6 veranschaulicht ein Beispiel einer alternativen Vorrichtung, um einen Ausschnitt das Zielobjekt zu bestimmen. Bei der Ausschnittsanordnungsvorrichtung kann es sich um irgendeine Binäroptik mit Muster oder Gradierung handeln. Der Strahl erster Ordnung kann beibehalten werden, um die Mitte des Zielobjekts anzuzeigen, wodurch das Muster 61 erzeugt wird, welches vier Ecken und die Mitte des anvisierten Bereichs anzeigt, wie in 6 dargestellt. Jeder Teilstrahl gelangt durch ein Binärmuster, welches für ein „L"-förmiges Bild sorgt, um jede Ecke des Gesichtsfeldes zu lokalisieren, und der Strahl erster Ordnung lokalisiert die Mitte des Zielobjekts. Eine Laserdiode 450 versorgt die Binäroptik 460 mit Licht. Es kann ein Spiegel 470 verwendet werden, um das Licht zu lenken, oder alternativ wird kein Spiegel verwendet. Das Linsensystem 480 wird bereitgestellt, wie es benötigt wird.
In einem alternativen Beispiel, dargestellt in 5, verwendet der Ausschnittsanordnungsmechanismus 500 einen Strahlenteiler 550 und einen Spiegel 520 oder ein lichtbrechendes optisches Element, welches zwei Strahlen erzeugt. Jeder Strahl erzeugt eine Linie, nachdem er durch den holographischen Diffusor 530 gelangt ist, mit einem Lichtfeld von 1° × 30° entlang der X- und/oder Y-Achse, wodurch entweder eine horizontale Linie 501 oder eine kreuzende Linie 502 durch das Gesichtsfeld erzeugt wird, welche deutlich das Gesichtsfeld des Zoomobjektivs anzeigen. Die Brechungsoptik ist zusammen mit einer Gruppe von Rastern oder Blockierelementen angeordnet, welche dazu dienen, eine Gruppe von zwei Strahlen derart zu unterdrücken, dass sich dem Bediener nur eine Gruppe von zwei Strahlen zeigt.
Ein weiteres Beispiel ist in 7(a) veranschaulicht. Wir könnten auch die beiden parallelen schmalen Lichtlamellen bzw. Lichtwände (sheets of light) in verschiedenen Kombinationen parallel auf der X- oder Y-Achse und mit zentriert, links oder rechts angeordneten Schnittlinien kreuzen, wenn sie in Richtung auf das Zielobjekt projiziert werden, veranschaulicht durch die Muster 73a und 73b in 7(b).
Somit wird ersichtlich, dass ein optischer Scanner bzw. ein Bildlesegerät zum Lesen von Bildern und Decodieren von optischen Informationen oder optischem Code, z. B. ein- und zweidimensionalen Symboliken, mit einer variablen Schärfentiefe bereitgestellt wird, welcher einen Speicher und Bildverarbeitungsmöglichkeiten für Hochgeschwindigkeitsanwendungen aufweist. Der Fachmann wird erkennen, dass die vorliegende Erfindung in anderen als den bevorzugten Ausführungsformen ausgeführt werden kann, welche in dieser Beschreibung zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht der Beschränkung angeführt wurden, die vorliegende Erfindung wird also nur durch die folgenden Patentansprüche beschränkt. Es sei angemerkt, dass mit Äquivalenten der speziellen Ausführungsformen, die in dieser Beschreibung erörtert wurden, die Erfindung ebenfalls ausgeführt werden kann.

Claims

Optische Lesevorrichtung zum Lesen von Bildinformationen aus optischen Codes und eindimensionalen Symboliken oder zweidimensionalen Symboliken, wobei die Bildinformationen in einem Zielbildfeld enthalten sind, wobei die optische Lesevorrichtung umfasst: mindestens eine Leiterplatte; eine LED-Lichtquelle (72) zum Projizieren eines einfallenden Lichtstrahls auf das Zielbildfeld; einen optischen Aufbau, welcher mindestens eine Linse umfasst, die entlang eines Strahlenwegs angeordnet ist, um das Licht, welches von dem Zielbildfeld reflektiert wird, zu fokussieren; einen Sensor (20) innerhalb des Strahlenwegs, wobei der Sensor eine Vielzahl an Bildpunktelementen aufweist, um ein Beleuchtungsniveau des fokussierten Lichtes zu erfassen, und um ein elektrisches Ausgabesignal zu erzeugen, welches der Beleuchtung entspricht; einen Grauskalaprozessor (80), um das erfasste Zielbild unter Verwendung des elektrischen Ausgabesignals von dem Sensor zu verarbeiten, um ein elektrisches Signal zu erhalten, welches proportional zu den Beleuchtungsniveaus ist, und Ausgabemittel zum Umwandeln des elektrischen Signals in Ausgabedaten, wobei die Ausgabedaten für jedes Bildpunktelement ein Grauskala-Beleuchtungsniveau beschreiben, welches diskreten Punkten innerhalb des Zielbildfeldes zuordenbar ist; eine Speichereinheit, die sich in Kommunikation mit dem Prozessor befindet; eine Bildverarbeitungseinheit (120, 213), welche mit dem Speicher und dem Grauskalaprozessor (80) verbunden ist, um das anvisierte Bild zu verarbeiten, um decodierte Daten bereitzustellen; wobei die Bildverarbeitungseinheit (120, 213) eine Serie von einem Binärprozessor (120) und einem Lauflängencodeprozessor (213) zur Identifikation der Symbolik oder des optischen Codes und zur Lokalisierung eines interessierenden Bereichs des Zielbildfeldes umfasst; wobei das elektrische Ausgabesignal von dem Sensor parallel zu dem Grauskalaprozessor (80) und zu der Bildverarbeitungseinheit (120, 213) übertragen wird; wobei der Binärprozessor (120) weiter dafür eingerichtet ist, gleichzeitig auf Basis einer Floating-Threshold-Kurven-Oberflächentechnik einen Schwellenwert zum Erhalten eines binären Bildes zu ermitteln und die Grauskaladaten durch den Grauskalaprozessor (80) und den Lauflängencode bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Sensor und der Grauskalaprozessor (80) auf einem einzigen Chip integriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend: eine Kommunikationseinheit zur Kommunikation mit einem Hauptrechner, welcher dafür vorgesehen ist, die von der optischen Lesevorrichtung gesammelten und/oder verarbeiteten Daten zu verwenden; wobei der Sensor, der Grauskalaprozessor (80) und die Kommunikationseinheit auf einem einzigen Chip integriert sind.
Kombination nach Anspruch 1, wobei der Sensor, der Grauskalaprozessor (80) und die Bildverarbeitungseinheit (120, 213) auf einem einzigen Chip integriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Sensor, der Grauskalaprozessor (80), die Bildverarbeitungseinheit (120, 213) und die Kommunikationseinheit auf einem einzigen Chip integriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend Bildfeldanordnungsmittel, um eine optische Lesevorrichtung anzuleiten, einen interessierenden Bereich in einem Zielbildfeld zu lokalisieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Lesevorrichtung Kameramittel mit Kamerafunktionalität und digitale Bildgebungsmittel beinhaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend Suchermittel mit einer Bildanzeigevorrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter aufweisend einen festen fokussierten Linsenaufbau.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend digitale Zoomfunktionsmittel.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend ein integriertes Funktionsmittel zur digitalen Bildgebung mit hoher Geschwindigkeit und niedriger Leistung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend Bildverarbeitungsmittel mit Autozoom- und Autofokusmittel, um unter Anwendung des Hochfrequenzübergangs zwischen Schwarz und Weiß einen interessierenden Bereich in jeder Entfernung zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend Mustererkennungsmittel zur Ermittlung globaler Merkmale.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend Mittel zur automatischen Unterscheidung zwischen einer Kamerafunktion und dem optischen Code und Mittel zur Implementierung einer Decodierfunktion, um codierte Daten innerhalb des optischen Bildes zu lesen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Öffnung und Mittel zum Lesen von optischen Codes, die größer sind als die physikalische Größe der Öffnung.