CN101207688B - 高速通过图像扫描器的电子冻结帧快门的方法、系统和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了使用图像扫描装置读取光代码的设备、方法和系统。该设备包括带有电子快门的图像捕获装置，其冻结光代码的运动因而可以捕获清晰的图像。该清晰图像允许图像扫描装置来检测和读取具有高的通过速度的光代码。

Description

高速通过图像扫描器的电子冻结帧快门的方法、系统和设备

技术领域

在此描述的设备总体上涉及使用带有电子冻结帧快门的图像扫描装置读取光代码。

背景技术

图像扫描装置通过捕获和处理光代码的一个或多个照片，读取光代码。至少一个捕获的相片必须包含光代码的图像，以及该图像必须有足够的清晰度用于图像扫描装置检测和读取光代码。通常光代码作为静态或缓慢移动的物体出现在图像扫描装置。图像扫描装置使用图像捕获装置捕获光代码的电子相片。使用互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器来实现低成本图像捕获装置。CMOS传感器(也称为成像传感器，因为其捕获相片或图像)包含用于捕获图像的光敏区域(每个区域代表一个像素)的二维阵列。集成在CMOS传感器内的是电子快门，电子快门控制光敏区域的曝光。目前的图像扫描装置使用基于滚动快门曝光方法的电子快门，该滚动快门曝光方法一次对一行像素进行曝光和读取来生成相片。因为阵列的每一行在不同时间曝光，所以快速移动的物体将在整个相片捕获完成之前移走。这将引起物体在相片中出现歪斜和模糊。因此，使用滚动快门曝光方法的图像扫描装置只在光代码是静态或缓慢移动的时候可用。随着光代码的通过速度的增加，在相片中光代码的捕获图像开始变得歪斜和模糊，直至光代码不可读。

发明内容

本发明的目的在于提供一种图像扫描装置。

本发明的另一目的在于提供一种用在图像扫描装置读取光代码中的方法。

本发明的再一目的在于提供一种图像扫描系统。

根据本发明第一方面的图像扫描装置，用于扫描光代码。该图像扫描装置包括：图像捕获装置，用于捕获光代码的图像。该图像捕获装置包括：冻结帧电子快门，其在同一时间开始和停止所有像素的曝光来在捕获光代码的图像之前冻结光代码的运动。

依据本发明第二方面的方法，用于图像扫描装置读取光代码。该方法包括：将光代码的图像导引至图像捕获装置；在图像捕获装置中实现使用冻结帧电子快门冻结整个被导引的图像的运动，该快门在同一时间开始和停止所有像素的曝光；以及，捕获光代码的已冻结图像。

依据本发明第三方面的图像扫描系统，用于读取光代码。该系统包括：服务器计算机，用于存储与光代码相关的信息；本地计算机，与服务器计算机通信；以及，图像扫描装置，与本地计算机通信。该图像扫描装置包括：图像捕获装置，用于捕获光代码的图像。该图像捕获装置包括：冻结帧电子快门，用于在同一时间开始和停止所有像素的曝光来在捕获光代码的图像之前冻结光代码的运动。

附图说明

图1示出了图像扫描系统的实施例。

图2A和2B示出了条形码的瞬间如何影响成像传感器的曝光时间。

图3是高层流程图，示出了使用图像扫描装置扫描光代码的方法的示例。

具体实施方式

在下面的描述中使用了许多细节来提供对于本发明的理解。但本领域普通技术人员可以意识到的是，本发明可以不使用这些细节，并且源自描述的实施例的许多变形例或修正也是可能的。

如图1，提供了用于扫描(也称为读取)光代码140的图像扫描系统100的实施例的图例。系统100包括用于读取光代码140的图像扫描装置115。在这个实施例中，光代码140是条形码。在其他实施例中，光代码140是人可读或可识别的代码，例如，数字、文本、符号，图标，图像或以上的组合。一旦图像扫描装置115读取了光代码140，从光代码中获得的信息被发送至电子收款机系统(POS)计算机110用于其他的处理。POS计算机110然后将光代码信息发送至存储服务器105，其使用这些信息来访问数据库，或者存储在服务器105上的或来自服务器105可访问的文件的其他文件。服务器105从数据库或文件取回与光代码有关的附加信息(例如价格、描述，照片等)，并将这些信息发送至POS计算机110。POS计算机110然后处理来自服务器105的信息，并按照需要呈现信息和/或指令给用户。在其他实施例，数据库分散在多个服务器，其中的一些服务器可能位于商店的外面。

在一些实施例中，光代码与销售的货物或服务相关。随着在交易中读取光代码，POS计算机110保持与光代码相关的所有货物和服务的总价。在其他实施例中，在光代码包括相片时，图像扫描装置115捕获光代码的图像。例如，当光代码是驾照的一部分或者包含相片的其他形式的身份证件的一部分时，发生上述情况。图像扫描装置115向POS计算机110发送捕获的光代码的图像(包括相片)，光代码包含相片。POS计算机110将捕获的图像传送至存储服务器105用于存储。在某些实施例中，带有相片的光代码被转发至监管终端，用来进行年龄验证和形象验证。

继续描述图1，图像扫描装置115包括处理器125，该处理器125和存储器130连接。存储器130包括非易失和易失(有时也称作动态)类型的存储器。非易失存储器用来存储控制图像扫描装置115的程序和参数。当撤去电源时，非易失存储器的内容不会丢失。此外，处理器125按照需要更新非易失存储器的内容。例如，在软件升级操作的过程中，POS计算机110下载新的或升级的程序至图像扫描装置115，处理器125将程序存储在非易失存储器中。因为当撤去电源时，易失存储器的内容将丢失，处理器125仅仅将临时的或瞬态的数据存储在易失存储器中。处理器125运行存储在存储器130中的程序。该程序指导处理器来控制图像扫描装置115的操作和功能。

图像扫描装置115也包含图像捕获装置120，图像捕获装置120用于在处理器125的控制下捕获电子图像。图像捕获装置120使用CMOS传感器实现。该传感器有多个光敏区域。每个光敏区域提供电子图像的单个像素的信息。光敏区域以二维阵列的行和列排列。每个光敏区域输入的光子转换为电荷，该电荷由内建在传感器中的电路放大，并且一次读取一行。电荷的量级和在一个时间周期内接收到的光子数目成正比。该时间周期是指曝光时间或周期。复位控制光敏区域(一个像素)的电路将引起该区域的电荷被复位，这将重新开始曝光时间。对应于给定行的光敏区域的所有电路可以同时被复位或者整个传感器的所有电路可以同时被复位。传感器的分辨率由传感器支持的所有像素数目确定。具有1280列和1024行的像素阵列的传感器具有130万像素的分辨率。

图像扫描装置115有图像聚焦光学器件135，图像聚焦光学器件135在图像捕获装置120上聚焦图像。图像聚焦光学器件135包括一个或多个透镜，用于在图像捕获装置120上聚焦光学图像。在某些实施例中，图像聚焦光学器件135使用凸透镜/凹透镜来聚焦光学图像。在某些实施例中，图像聚焦光学器件135以连续的处理聚焦和导引多个图像至图像捕获装置120。这允许图像捕获装置120从多于一个方向观察物体，并且增加在单次通过中捕获和读取光代码的概率。

读取传感器帧(整个像素阵列)需要的时间十分长。例如，在3百万像素的传感器中，需要83毫秒(msec)来读取整个帧。如果同样的3百万像素的传感器具有1024行，则需要81微秒(μsec)来读取每一行。如果同时将所有行复位(这也开始了曝光时间)然后读取每一行，则第一行读取有81微秒的曝光时间，而最后一行读取有83毫秒的曝光时间。第一行和最后一行的曝光时间的巨大差别引起了所获的图像具有不可接受的差的质量。一种解决这个问题的尝试是：在即将读取一行之前将该行复位。这个曝光方法称为电子滚动快门方法。这个方法将一行复位，这样开始了曝光周期，然后在曝光周期过去之后读取该行。这个方法滚动通过阵列在每一行执行操作直至读取了整个阵列。这致使阵列的所有行有同样的曝光周期，改善了图像的曝光质量。然而，因为需要相对长的时间来读取整个阵列，第一行曝光周期的开始比最后一行曝光周期的开始大约早了83毫秒，这引起快速移动的物体出现歪斜和模糊。这个方法在物体为静止或缓慢移动的情况下改善了图像质量，但是随着物体速度的增加，物体的捕获图像变得歪斜和模糊至不能够检测物体的程度。

在上面的示例中，CMOS传感器使用滚动快门曝光方法有能力将控制每个像素的电路复位，重新开始了那个像素的曝光周期。然而，传感器没有停止曝光周期，冻结以及保持电荷的值直至其被读取的能力。像素的电荷可以随时被读取，但是像素的曝光周期持续(电荷的值可以变化)直至控制像素电路被复位。复位电路将电荷的值重新设置为零，并重新开始像素的曝光周期。

实现冻结帧或停止电子快门动作的CMOS传感器具有上面描述的电路来复位和开始每个像素或传感器的光敏区域的曝光周期，但是传感器也有额外的电路来停止每个像素的曝光时间以及冻结每个像素的电荷的值。被冻结的电荷值被存储并可以稍后读出。(处理器125读取每个像素冻结的电荷值来创建或捕获图像。)另外，冻结帧快门(Freeze Frame Shutter)在这一时间启动和停止所有像素(所有行)的曝光周期。这导致了传感器的所有像素不仅具有相同的曝光长度，而且也具有曝光周期的相同的开始和结束时间。这消除了由滚动快门曝光方法引起的歪斜和模糊，允许成功地读取高速通过的光代码。

处理器125控制CMOS传感器的功能，包括曝光周期的开始和结束时间。这允许处理器对于曝光周期进行实时的调整，确定什么时间捕获图像以及每秒捕获多少图像。在某个实施例中，聚焦光学器件135在不同的时间将多于一个图像导引在图像捕获装置120上，处理器125将图像的捕获定时为当新图像导引在图像捕获装置120时。在其他实施例中，图像扫描装置115提供和控制光源来照亮光代码140。处理器125确定曝光周期和开始时间以使得在最大的照明度的时候捕获光代码140的图像。

如果曝光时间设定的太长，则高速通过的光代码变得不可读。传感器中像素的数目以及光代码的最大通过速度确定了允许的最大曝光周期来产生光代码的可读图像。光代码的通过速度是光代码移动通过光代码扫描器的速度。高速通过图像扫描器被设计来读取移动速度为每秒50英寸的光代码。如果被读取的光代码是5mil(千分之一英寸)的条形码并且图像捕获装置使用传感器和光学器件，导致条形码上的每个条形具有两个像素，则下面的公式确定了最大的曝光时间以防止条形码图像出现不可接受的模糊，而且允许条形码被读取。该公式也假设条形码将在曝光周期内移动像素的光学宽度的一半。这些设定的结果是25微秒或更少的曝光时间来捕获条形码的图像，而具有可以读取的足够的清晰度。

$t_{\mathrm{exposure}}=\frac{5\mathrm{mils}}{1\mathrm{bar}}\×\frac{1\mathrm{bar}}{2\mathrm{pix}}\×\frac{1}{2}\×\frac{1\sec }{50\mathrm{inches}}\×\frac{1\mathrm{inch}}{1000\mathrm{mils}}=25\mathrm{\μ}\sec$

也可能有其他的设置和假设，这将导致不同的曝光时间。如上所示，由电子滚动快门实现的图像扫描器需要83毫秒来捕获图像，这意味着这个实例中的条形码的图像不可读，因为在83毫秒的曝光/捕获时间中条形码的移动导致了歪斜和模糊。

图2A和图2B示出了上面的公式和示例。在图2A中，条形码200具有标记为“亮”的亮条205和标记为“暗”的暗条210。显示了看到的条形码的区域有5个像素，每个单独的像素区域标记为“m”，“l”或“d”。标记为“l”的区域捕获了条形码的亮区域。标记为“d”的像素捕获了条形码的暗区域，标记为“m”的像素捕获了部分亮区域和部分暗区域。图2A表示在曝光时间刚刚开始之后的五个像素的值，图2B表示当曝光时间结束并且条形码移动半个像素的光学距离之后像素的值。图2A和图2B示出了如果曝光时间等于或小于将条形码移动的距离等于像素的光学宽度的一半所需要的时间，至少一个像素将正确捕获条形码中每个条的亮或暗值，这允许条形码被正确读取。

图3为示出了用于扫描光代码的示例方法的高层流程图。在步骤300，用于扫描的图像扫描器115通过光代码140。在这个实施例中，光代码140是条形码。在步骤305中，电子冻结帧快门为图像捕获装置120的一部分，其在光代码通过图像扫描器的时候冻结光代码的运动。该电子快门在CMOS传感器的所有光敏区域的曝光发生在同一时间时使用冻结帧曝光方法。同时开始和停止所有光敏区域的曝光具有在捕获的图像中冻结任何物体的动作的效果。在步骤310中，图像捕获装置捕获冻结的光代码的图像。在步骤315中处理捕获的图像，并读取光代码。

虽然该实施例使用基于CMOS技术的成像传感器，其他的实施例可以使用由不同技术实现的成像传感器，只要其有实现冻结帧曝光方法的电子快门。电荷耦合装置或CCD是另一种技术的示例，其可以用于实现基于该方法的成像传感器。

尽管在当前的较佳实施例的上下文中揭示了本发明，但在权利要求的精神和范围内所揭示的发明的变形例和修改也有效。

Claims (14)

1.一种图像扫描装置，用于扫描光代码，其特征在于，该图像扫描装置包括： 

图像捕获装置，用于捕获光代码的图像，其中光代码是条形码，并且图像捕获装置使用传感器和聚焦光学器件，导致条形码上的每个条形具有两个像素，其中所述传感器有多个光敏区域，每个光敏区域提供电子图像的单个像素的信息，光敏区域以二维阵列的行和列排列； 

该图像捕获装置包括： 

冻结帧电子快门，其在同一时间开始和停止所有像素的曝光来在捕获光代码的图像之前冻结光代码的运动；其特征在于 

处理器，被配置来确定最大曝光周期，假设光代码在曝光周期内移动像素的光学宽度的一半，条形码沿着与光敏区域的行平行的方向移动，确定条形码沿着该移动方向的速度，确定条形码的条形的宽度，则最大曝光周期等于： 

条形码的条形的宽度x(1/2)x(1/2)x(1/速度)。 

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，图像捕获装置使用互补金属氧化物半导体来实现。 

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，图像捕获装置使用电荷耦合装置来实现。 

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括： 

聚焦光学器件，用于导引并聚焦光代码的图像至图像捕获装置。 

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，聚焦光学器件进一步用于连续地将来自不同方向的多个图像导引至图像捕获装置。 

6.一种方法，用于图像扫描装置读取光代码，其特征在于，该方法包括： 

将光代码的图像导引至图像捕获装置，其中光代码是条形码，并且图像捕获装置使用传感器和聚焦光学器件，导致条形码上的每个条形具有两个像素；其中所述传感器有多个光敏区域，每个光敏区域提供电子图像的单个像素的信息，光敏区域以二维阵列的行和列排列； 

在图像捕获装置中实现使用冻结帧电子快门冻结整个被导引的图像的运动，该快门在同一时间开始和停止所有像素的曝光；以及 

捕获光代码的已冻结图像，其特征在于 

确定像素的最大曝光周期，假设光代码在曝光周期内移动像素的光学宽度的一半，条形码沿着与光敏区域的行平行的方向移动，确定条形码沿着该移动方向的速度，确定条形码的条形的宽度，则最大曝光周期等于： 

条形码的条形的宽度x(1/2)x(1/2)x(1/速度)。 

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，图像捕获装置使用互补金属氧化物半导体来实现。 

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，图像捕获装置使用电荷耦合装置来实现。 

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，聚焦光学器件用于将光代码的图像导引至图像捕获装置。 

10.一种图像扫描系统，用于读取光代码，其特征在于，该系统包括： 

服务器计算机，用于存储与光代码相关的信息； 

本地计算机，与服务器计算机通信；以及 

图像扫描装置，与本地计算机通信，该图像扫描装置包括： 

图像捕获装置，用于捕获光代码的图像，其中光代码是条形码，并且图像捕获装置使用传感器和聚焦光学器件，导致条形码上的每个条形具有两个像素，其中所述传感器有多个光敏区域，每个光敏区域提供电子图像的单个像素的信息，光敏区域以二维阵列的行和列排列， 

该图像捕获装置包括： 

冻结帧电子快门，用于在同一时间开始和停止所有像素的曝光来在捕获光代码的图像之前冻结光代码的运动；其特征在于 

处理器，被配置来确定最大曝光周期，假设光代码在曝光周期内移动像素的光学宽度的一半，条形码沿着与光敏区域的行平行的方向移动，确定条形码沿着该移动方向的速度，确定条形码的条形的宽度，则最大曝光周期等于： 

条形码的条形的宽度x(1/2)x(1/2)x(1/速度)。 

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，图像捕获装置使用互补金属氧化物半导体来实现。 

12.如权利要求10所述的系统，其特征在于，图像捕获装置使用电荷耦合装置来实现。 

13.如权利要求10所述的系统，其特征在于，图像扫描装置进一步包括： 

聚焦光学器件，用于聚焦和导引光代码的图像至图像捕获装置。 

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，聚焦光学器件进一步用于将来自于不同方向的多个图像聚焦和导引至图像捕获装置。 

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