CN101006449A - 在图像阅读器中的运动检测 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在图像阅读器中的运动检测，其中CMOS成像传感器阵列的子阵列(52、54、56、58)被寻址，以检测何时目标符号完全在成像阅读器的视场(44)内，以提高在高掠过速度下的阅读器性能。

Description

在图像阅读器中的运动检测

技术领域

本发明一般涉及光电阅读器，该光电阅读器用来通过图像捕获阅读标记，特别是两维标记，并且更具体地说，用来在标记的阅读之前检测在标记与阅读器之间的相对运动以保证标记全部位于阅读器的视场内，由此改进阅读器性能，特别是当在标记与阅读器之间进行快速相对运动时。

背景技术

平台式激光阅读器，也称作水平槽式扫描器，已经用来在超市、仓储俱乐部、百货商店、及其它种类的零售店中的交易点工作站处，光电地阅读一维条码符号，特别是通用产品代码(UPC)类型的，多年了。如由美国专利No.5,059,779；No.5,124,539及No.5,200,599举例说明的那样，单个、水平窗口设置成与工作站的水平柜台顶部平齐，并且建造在其中。待购买的产品载有标识符号，并且典型地滑过或掠过(swiped)水平窗口，经该水平窗口多条扫描线发射在一般向上的方向上。当至少一条扫描线扫过与产品相联系的符号时，符号被处理和阅读。

多条扫描线由扫描图案发生器产生，该扫描图案发生器在为了由电机绕轴线转动安装在轴上的反射元件处包括用来发射激光束的激光器。多个固定反射镜绕轴线布置。当反射元件旋转时，激光束依次反射到固定反射镜上，以便从其经水平窗口反射，作为扫描线的扫描图案。

代替水平槽式扫描器或除其之外，已知提供竖直槽式扫描器，该竖直槽式扫描器典型地是放置在柜台顶部上的便携阅读器，从而其窗口一般是竖直的，并且在工作站处面向操作人员。一般竖直窗口与水平窗口相垂直地定向，或者稍向后倾斜。在工作站中的扫描图案发生器也在一般向上方向上经竖直窗口向操作人员发射多条扫描线。用于竖直窗口的发生器可与用于水平窗口的产生器相同或不同。操作人员使产品从右向左、或从左向右以“掠过”模式滑过或掠过窗口。可选择地，操作人员仅把在产品上的符号以“呈现”模式呈现给任一个窗口的中心。选择取决于操作人员的喜好，或取决于工作站的布局。

每件产品必须由操作人员定向成使符号背离操作人员并且直接面向任一个窗口。所以，操作人员在扫描期间不能准确地看到符号在何处。在典型的“盲目对准”使用中，常常是在符号被成功阅读之前，操作人员重复地掠过或呈现单个符号几次，由此延迟交易处理并降低生产率。

使符号的盲目对准更困难，因为符号的位置和方位是可变的。符号可能位于产品上的低处或高处、或右边至左边、或在之间的任何地方。符号可以以其中一维UPC符号的细长平行条是竖直的“木栅栏”方位、或以其中符号条是水平的“梯子”方位、或以之间的任何方位角度定向。

与这些交易点工作站在涉及与每个具有沿一个方向的一排条和间隔开空隙的一维符号相联系的产品的处理交易中一样便利，工作站不能处理两维符号，如在单一符号中引入竖直堆叠多排条和空隙图案的概念的Code 49。Code 49的结构在美国专利No.4,794,239中描述。可呈现或存储在给定量的表面积上用来增加数据量的另一种两维代码结构称作PDF417，并且在美国专利No.5,304,786中描述。这样的两维符号一般由可操作用来发射激光束作为扫描线光栅的光电阅读器阅读，每条线在一个方向上在相应排上延伸，并且所有线沿两维符号的高度在一般垂直的方向上间隔开。

一维和两维符号也都可通过采用固态成像器阅读。例如，可以采用具有一维或两维单元或光传感器阵列的图像传感器装置，该单元或光传感器与在装置的视场中的图像元素或像素相对应。这样一种图像传感器装置可以包括一维或两维电荷耦合器件(CCD)或互补型金属氧化物半导体(CMOS)器件、和用来产生与用于视场的一维或两维像素阵列信息相对应的电子信号的相关电路。

因此已知使用用来捕获符号的单色图像的固态装置，如例如在美国专利No.5,703,349中公开的那样。也已知使用具有用来捕获目标的全色图像的多个埋入通道的固态装置，如例如在美国专利No.4,613,895中公开的那样。通常是提供具有通常在VGA监视器中发现的640×480分辨率的两维CCD，尽管其它分辨率大小是可能的。

然而，已知交易点工作站不产生能够阅读两维符号的光栅扫描，它们也不利用用来捕获两维目标，特别是要求光电阅读的两维符号，的图像的固态成像器。为了获取目标图像，固态成像器，例如如嵌在客户数字摄像机中那样，必须相对于目标保持在静止位置中。只有当固态成像器相对于目标保持在固定位置中时，才能可靠地捕获和解码符号的图像，使在符号中编码的数据发送到用来处理的主机。在其中操作人员以各种掠过速度把符号掠过窗口有时一次、有时几次、并且其中操作人员以另外的运动分量向着和远离窗口呈现符号的交易点工作站的上下文中，并且在其中符号以各种速度在运动的传送带上传送过窗口的情况下，及在其中具有窗口的手持阅读器相对于符号以各种速度运动的另外其它情况下，符号的图像由于在符号与成像器之间的相对运动而模糊，并且作为结果，不能可靠和成功地解码和阅读图像。

作为数值例子，普通适用的成像器以30帧每秒的视频或帧速率操作。因而，成像器读出图像的时间是约33毫秒。在50英寸每秒的掠过速度下，符号在30毫秒内运行近似1.5英寸。在阅读器工作范围的端部附近处的视场宽度可能是约2英寸或更小。因此，在大于50英寸每秒的掠过速度下，符号可在小于33毫秒的时段中进入和退出视场，由此使得不可能成功地阅读符号。事实上，符号可能如此快地运动过视场，从而传统成像器没有足够的时间得到甚至符号的一个完整图像。

发明内容

因而，本发明的一般目的是，提高通过图像捕获操作的光电阅读器的状态。

本发明的另一个目的是，可靠地捕获以比由普通适用成像器可阅读得大的掠过速度运动的符号的两维目标图像。

本发明的又一个目的是，在工作站处或在手持阅读器处捕获快速运动目标的图像，以提高阅读器性能。

为了与以上目的和下文将成为显然的其它目的相一致，本发明的一个特征，简要地说，驻留在一种用来光电阅读标记，特别是两维符号，的阅读器中。阅读器可实施为具有窗口的静止交易点工作站，或者实施为具有窗口的手持阅读器。在阅读期间，相对运动在符号与窗口之间进行。例如，在工作站的情况下，符号掠过窗口，并且在手持阅读器的情况下，阅读器本身相对于符号运动。在优选实施例中，工作站建立在零售设施中，如超市中。

按照本发明，两维、固态成像器安装在阅读器中，并且包括可寻址图像传感器的阵列，该图像传感器可操作，用来在阅读期间捕获从两维目标穿过在视场上方的窗口的光。优选地，阵列是CMOS阵列。可寻址图像传感器的选择一些形成可操作的子阵列，用来捕获从在视场内在感兴趣区域(ROI)处的目标穿过窗口一部分的光。ROI用来检测目标，并且判断何时目标完全在视场内。ROI包含比全阵列少的传感器，并因此，ROI可在与有效阵列需要捕获整个图像的时间段相比较短的时间段中读出。因而，在高掠过速度下，例如大于50英寸每秒，ROI用来检测目标的相对运动和计时整个目标图像的捕获。阵列可成功地解码整个目标图像，因为仅在ROI已经确认目标完全在视场内之后才对于这样的图像捕获寻址阵列，该ROI是自运行的。成像器的非ROI区域不是自运行的，并且仅在需要时才触发。

ROI可以是布置在视场内的单个区域、或多个区域。定序器用来顺序地寻址区域，以使一次仅由区域中的一个实现运动检测。

成像器与高速选通照明器相关联以使目标的图像能够在非常短的时间段中获取，例如在500微秒的量级上获取，从而即使在成像器与目标之间有相对运动，目标图像也不会弄模糊。选通照明比特别是靠近窗口的周围照明要亮，并且如这里描述的那样帮助自动分辨。

附图说明

图1是按照本发明的、可操作用来捕获来自两维目标的光的交易点工作站的立体图；

图2是按照本发明的、或者以手持模式或者以工作站模式可操作用来捕获来自两维目标的光的光电阅读器的立体图；

图3是图1的工作站的各种元件的方块电路图；及

图4-7是在按照本发明使用的成像器的视场中的不同配置或感兴趣区域。

具体实施方式

在图1中的附图标记10一般标识用来处理交易的工作站、以及更明确地标识在零售点处的结账柜台，在该结账柜台处，诸如罐12或箱14之类的、每个载有目标符号的产品为了购买被处理。柜台包括柜台顶部16，跨过该柜台顶部16，产品以掠过速度滑过安装在柜台顶部16上的箱形竖直槽式阅读器20的竖直窗口18。结账职员或操作人员22位于柜台顶部的一侧处，并且阅读器20位于相对侧处。现金/信用单记录器24位于操作人员容易够到的范围内。

在图2中的附图标记30一般标识具有与阅读器20不同构造的另一种阅读器。阅读器30也具有一般竖直窗口26、和由用来把阅读器30支撑在柜台顶部上的基座32支撑的枪形壳体28。阅读器30因而可用作静止工作站，其中，产品滑过或掠过竖直窗口26，或者可拿离柜台顶部并且握在操作人员的手中；和用作手持阅读器，其中触发器34被人工地按下，以开始符号的阅读。

如至此描述的那样，阅读器20、30是传统的。按照本发明，成像器40和聚焦透镜41安装在任一个阅读器(如图3的阅读器20)的外壳43中。成像器40是固态器件，优选地是CMOS成像器，并且具有可寻址图像传感器的阵列，该可寻址图像传感器可操作用来捕获从两维符号穿过窗口18的光，该两维符号在视场上方并且位于在近工作距离(WD1)和远工作距离(WD2)之间的工作距离范围中。在优选实施例中，WD1离传感器约两英寸，并且一般与窗口18相重合，并且WD2离窗口18约八英寸。照明器42也安装在阅读器中，并且优选地包括绕成像器40以环形布置的多个光源，例如发光二极管(LED)，以均匀地照明目标，如下面进一步描述的那样。

如图3中所示，区域成像器40和照明器42操作地连接到微处理器36上，微处理器36可操作用来控制这些元件的操作。优选地，微处理器与用来解码从标记散射的光和用来处理捕获目标图像所使用的一种微处理器相同。

在操作中，微处理器36把命令信号发送到照明器42以使LED脉动500微秒的短时间段或更小，并且激励区域成像器40以仅在所述时间段期间从目标收集光。典型的CMOS阵列需要约33毫秒来阅读整个目标图像，并且在约30帧每秒的视频速率下操作。CMOS阵列可以具有在一百万量级上的可寻址图像传感器。

在成像器与目标之间存在相对运动的情况下，特别是在50英寸每秒或更大的高掠过速度下，在目标的整个图像可被捕获之前，目标进入和退出视场。所以，本发明提出可寻址图像传感器的子阵列的选择、和在由全阵列捕获整个图像之前寻址子阵列。子阵列包含比全阵列少的传感器，并因而可在较短时间段中读出。子阵列捕获从在视场内的感兴趣区域(ROI)处的目标穿过窗口一部分的光。由于ROI在较短时间段中操作，所以ROI可用来判断何时目标完全在视场内。代之以以自由运行连续模式操作的阵列，该阵列可仅当目标完全在视场内时才触发操作。

例如，如图4中描绘的那样，全目标图像的视场由矩形场44标识。在阵列的中央区域处的阵列40的传感器的子阵列被寻址和选择成仅捕获在ROI处的光，该ROI在这个实施例中是在视场内的中央矩形区域46。包含较少传感器的ROI46以较高帧速率检测目标的存在，并且同样，全阵列被触发以阅读全目标图像。

在图5中，ROI构造成以直角交叉并且像十字丝图案的两个窄矩形区域48、50。在图6中，ROI构造成在视场的外缘边缘处的四个窄矩形区域52、54、56、58，以框住同一视场。在图7中，另外四个窄矩形区域60、62、64、66布置在矩形框中在视场的中央区域处。

当如图5-7中那样有多个区域时，如图3中所示的定序器38操作，以顺序寻址区域。例如，可以组合到微处理器36中的定序器38在图6中，首先寻址顶部区域52，接着是底部区域54，接着是左部区域56，接着是右部区域58。以这种方式，阅读器将知道目标正在从哪个方向接近视场、以及何时目标完全在视场内、还有何时目标退出视场。

按照本发明，增加用于目标检测的有效帧速率。对于50英寸每秒或更大的掠过速度，以在100次每秒量级上的速率分析区域。给定以12MHz的传感器时钟速率运行的阵列，ROI包含最多约12,000个传感器。如果阵列以更快的传感器时钟速率运行，则可增加传感器数量或帧速率。

由照明器42发射的选通照明优选地设置成比全部工作范围强烈得多，以有利于自动分辨的任务。通常情况是，在成像器的视场内有各种对象。由于照明器42一般与成像器集成，所以在对象上可得到的单位面积的照明量与到对象的距离的平方成反比。对象到成像器的距离不是用于返回光收集的因素，这是由于因为成像器的每个传感器映像到对象上的面积，该面积与这个距离的平方成正比，由此抵消同一面积当位于离成像器较远时看着较小的效果。

因此，在前景中往往是载有待扫描的标记的对象，显得比在背景中的那些要亮得多。换句话说，它们的对比度要高得多。用于成像器的曝光参数设置成，在工作范围内的对象显得在获取图像中具有适当照明，而在背景中的对象将显得几乎完全黑暗。这在其中选通照明要强烈得多(例如与周围光相比大十倍或更多倍)的情况下才可行。周围光不提供分辨，因为它往往在离成像器的各种距离处相当均匀。

要求新的和希望由专利证书保护的在附属权利要求书中叙述。

Claims (20)

1.一种用来光电阅读标记的阅读器，包括：

a)壳体，具有窗口，在阅读期间通过该窗口进行在窗口与标记之间的相对运动；和

b)固态成像器，在壳体中，并且包括可寻址图像传感器的阵列，该阵列用来在阅读期间捕获从在视场上方的标记穿过窗口的光，该阵列具有可寻址图像传感器的子阵列，该子阵列用来捕获从视场内在感兴趣区域(ROI)处的标记穿过窗口一部分的光，以在通过阵列阅读之前检测相对运动。

2.根据权利要求1所述的阅读器，其中，ROI是居中位于视场内的矩形区域。

3.根据权利要求1所述的阅读器，其中，ROI是位于视场内的多个矩形区域。

4.根据权利要求3所述的阅读器，其中，矩形区域布置在视场的外缘边缘处，以框住视场。

5.根据权利要求3所述的阅读器，其中，矩形区域布置成框住视场的中央区域。

6.根据权利要求3所述的阅读器，其中，矩形区域彼此交叉。

7.根据权利要求3所述的阅读器，还包括定序器，用来顺序地寻址矩形区域，以使一次仅由矩形区域中的一个实现相对运动的检测。

8.根据权利要求1所述的阅读器，其中，壳体具有用于握持操作的手把。

9.根据权利要求1所述的阅读器，其中，壳体具有用来把壳体支撑在支撑表面上以便工作站操作的基座。

10.根据权利要求1所述的阅读器，还包括照明器，在阅读期间以与周围光相比强度至少大十倍的亮度来照明标记。

11.一种用来光电阅读标记的方法，包括步骤：

a)在标记的阅读期间，进行在标记与光电阅读器的窗口之间的相对运动；

b)在阅读期间，通过寻址可寻址图像传感器的阵列，捕获从在视场上方的标记穿过窗口的光；及

c)通过寻址可寻址图像传感器中选择的一些，捕获从视场内在感兴趣区域(ROI)处的标记穿过窗口一部分的光，以在由阵列阅读之前检测相对运动。

12.根据权利要求11所述的方法，其中把ROI配置成居中位于视场内的矩形区域。

13.根据权利要求11所述的方法，其中把ROI配置成位于视场内的多个矩形区域。

14.根据权利要求13所述的方法，其中把矩形区域布置在视场的外缘边缘处，以框住视场。

15.根据权利要求13所述的方法，其中把矩形区域布置成框住视场的中央区域。

16.根据权利要求13所述的方法，其中把矩形区域布置成彼此交叉。

17.根据权利要求13所述的方法，其中顺序地寻址矩形区域，以使一次仅由矩形区域中的一个实现相对运动的检测。

18.根据权利要求11所述的方法，其中把窗口安装在手持阅读器上。

19.根据权利要求11所述的方法，其中把窗口安装在静止工作站上。

20.根据权利要求11所述的方法，其中在阅读期间以与周围光相比强度至少大十倍的亮度来照明标记。

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