CN102170514B - 低成本超宽幅高速扫描仪 - Google Patents

Abstract

一种低成本超宽幅高速扫描仪，包括用于提供平放被扫描物体的扫描平台，所述扫描仪还包括移动支架，所述移动支架可移动地地安装在纵向轨道上，所述移动支架与驱动部件连接，所述移动支架的上方安装横向布置的悬臂梁，所述悬臂梁上安装用于固定扫描成像的多个由面阵CCD构成扫描单元的多个摄像单元，所述多个摄像单元并排布置，所述扫描平台位于所述悬臂梁的下方，所述扫描仪还包括用于对多个面阵CCD所拍摄的图像进行处理的以及控制驱动部件使得移动支架产生移动动作的计算机。本发明具有扫描幅度宽、扫描速度快、制造成本低、适用于任何平面物体扫描等优点。

Description

低成本超宽幅高速扫描仪

技术领域

本发明属于图像传感器技术、图像处理技术、机械传动控制技术和计算机技术在图像扫描领域的应用，尤其是一种低成本超宽幅高速扫描仪。

背景技术

宽幅扫描仪用于处理大幅彩色海报、建筑草图、详细地图、艺术品等各种尺寸的原图，在大型复印、POP/展览/展会、制版、勘查测绘、档案和工程等行业得到了广泛的应用。评价一种宽幅扫描仪往往有下面几个重要参数：1)扫描速度；2)扫描精度；3)扫描宽度；4)对扫描对象的要求；5)扫描仪的价格；6)图像处理的能力；7)远程实时交互能力等。目前大幅面扫描仪使用的成像方式通常只有两种，一种是CCD(Charge Coupled Device)成像方式、一种是CIS(Contact Image Sensor)成像方式。这两种扫描的成像方式都属于线扫描，同时在宽幅扫描过程中需要通过走纸机构来实现扫描的遍历过程；这种线扫描方式作为大幅面的线扫描图像采集装置，主要存在着以下几个问题：1)宽幅线扫描成像器件其价格十分昂贵；2)扫描效率不高；3)走纸机构对扫描对象有一定限制，不适用于除纸张以外的介质的扫描，也不适用于珍贵文物的扫描，尤其不适用于刚性介质物体的扫描。

发明内容

为了克服已有的宽幅扫描仪制造成本高、扫描速度慢、对扫描对象有限制等不足，本发明提供一种具有扫描幅度宽、扫描速度快、制造成本低、适用于任何平面物体扫描的、并能提供远程扫描图像传输功能的低成本超宽幅高速扫描仪。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种低成本超宽幅高速扫描仪，包括用于提供平放被扫描物体的扫描平台，所述扫描仪还包括移动支架，所述移动支架可移动地地安装在纵向轨道上，所述移动支架与驱动部件连接，所述移动支架的上方安装横向布置的悬臂梁，所述悬臂梁上安装用于固定扫描成像的多个由面阵CCD构成扫描单元的多个摄像单元，所述多个摄像单元并排布置，所述扫描平台位于所述悬臂梁的下方，所述扫描仪还包括用于对多个面阵CCD所拍摄的图像进行处理的以及控制驱动部件使得移动支架产生移动动作的计算机，各个摄像单元均通过视频卡与计算机连接，所述计算机包括：

图像获取模块，用于获取被扫描物体的图像，采用多个摄像单元分别获取被扫描物体的某一个局部图像；

图像标定模块，用于对多幅图像进行标定，使得每幅图像的中心点统一在一条直线上，且每幅图像的放大倍数一致以及每幅图像无旋转形变；

亮度一致化处理模块，用于对每个摄像单元所拍摄的图像进行亮度一致化处理；

扫描横向图像的拼接模块，用于将多个摄像单元所拍摄的图像按横向左右顺序无缝拼接成宽幅图像；

扫描纵向图像的拼接模块，用于将多个摄像单元所拍摄的图像按横向左右顺序无缝拼接成宽幅图像后，宽幅条状图像在纵向前后方向进行拼接得到被扫描件的整幅图像。

进一步，所述悬臂梁上安装照明单元，所述照明单元位于所述摄像单元的两侧，所述移动支架安装在提供扫描行程的长轴上，所述驱动部件为用于带动移动支架沿所述长轴移动的皮带齿轮机构，所述皮带齿轮机构与用于驱动皮带齿轮机构动作的电机连接，所述悬臂梁与支撑条连接，所述扫描台面与所述用于支撑扫描台面的支撑支架连接，所述计算机与用于人机交互的触摸屏连接，所述扫描仪还包括分别为计算机、摄像单元、电机和LED照明单元提供电源的多功能电源单元。

再进一步，所述图像标定模块中，读取每个摄像单元拍摄的多幅图像，接着对多幅图像在X轴方向上分别做Sobel梯度算子运算，然后进行二值化处理，得到多幅二值化图像；

对多幅二值化图像进行水平倾斜检测，水平倾斜检测精度为0.001°，得到每幅图像的水平倾斜角，水平倾斜检测算法采用Hough变换算法；Hough变换算法检测图像中直线倾斜角度的思想是利用了从直角坐标平面到极坐标平面的平面域变换时以极坐标系刻画同一二维图像所用到的倾斜角θ，对于图像上的一条直线可以斜率和截距式表示，如公式(4)所示：

Y＝mX+b                            (4)

式中，m为直线的斜率，b为直线的截距；

上述直线方程又可以写成极坐标系中的直线方程，如公式(5)所示：

r＝Xcosθ+Ysinθ                   (5)

式中，r为直线到原点的距离，θ为以水平直线为基准的直线的倾斜角；极坐标平面上的一点(r，θ)对应着直角坐标平面上的一条直线；具体检测直线倾斜角度算法如下；

设置r，θ坐标平面原点O；

定义数组J(r，θ)，记录极坐标上距离r和角度θ上的交点数；

初始化：J(r，θ)＝0；

for(距离r从(0-(1个增量))到(图像高+(1个增量)){

for(像素位置X从0到图像高度值)

for(像素位置Y从0到图像宽度值){

如果(x，Y)点灰度G(x，Y)，为亮点；则计算该点连接原点0的线段的角度θ，J(r，θ)增加1；}

}

增量1采用0.001°进行遍历，限制角度检测范围为-5°～5°；通过对多幅图像进行检测得到了每幅图像的倾斜角度值，检测倾斜角误差小于0.01°，用θ_N来表示第N幅图像的倾斜角度，并将其保存在文件名为Profile.txt的文件内，保存顺序为θ₁，θ₂，θ₃，L，θ_N，L，θ₁₆；

在得到了每幅图像的倾斜角度后，用公式(1)分别对多幅图像进行旋转变换，

$\left[\begin{array}{c}{u}_{{\mathrm{\θ}}_N}\\ v_{{\mathrm{\θ}}_N}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_N& -\sin {\mathrm{\θ}}_N\\ \sin {\mathrm{\θ}}_N& \cos {\mathrm{\θ}}_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_N\\ y_N\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中，x_N为第N幅图像x的坐标值，y_N为第N幅图像y的坐标值，θ_N为第N幅图像的水平倾斜角度，为第N幅图像旋转变换后x的坐标值，

为第N幅图像旋转变换后y的坐标值。

更进一步，所述的图像标定模块中，根据规定的分辨率进行归一化处理，对于采用150×150dpi的标准对16幅旋转变换后的图像用公式(2)进行缩放处理，归一化处理后的图像都统一成150×150dpi分辨率的图像，

$\left[\begin{array}{c}{u}_{S_N}\\ v_{S_N}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_N& 0\\ 0& S_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{{\mathrm{\θ}}_N}\\ v_{{\mathrm{\θ}}_N}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_N& 0\\ 0& S_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_N& -\sin {\mathrm{\θ}}_N\\ \sin {\mathrm{\θ}}_N& \cos {\mathrm{\θ}}_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_N\\ y_N\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中，为第N幅图像旋转变换后x的坐标值，

为第N幅图像旋转变换后y的坐标值，S_N为第N幅图像的缩放比例系数，

为第N幅图像归一化后x的坐标值，

为第N幅图像归一化后y的坐标值；每幅图像的缩放比例系数S_N保存在文件名为Profile.txt的文件内，保存顺序为S₁，S₂，S₃，L，S_N，L，S₁₆。

所述的图像标定模块中，将每幅图像的中心点在水平方向上对齐，采用平移变换来实现每幅图像的中心点在水平方向上对齐，以第一幅图像的中心点在X轴上的坐标为基准，然后分别计算其他图像的中心点与第一幅图像的中心点在X轴上的坐标值之间的差值ΔX_N，并将每幅图像的在X轴上的坐标值之间的差值ΔX_N保存在文件名为Profile.txt的文件内，保存顺序为ΔX₁，ΔX₂，ΔX₃，L，ΔX_N，L，ΔX₁₆；平移变换算法用公式(3)表示，

$\left[\begin{array}{c}{u}_N\\ v_N\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_{S_N}\\ v_{s_N}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{X}_N\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_N& 0\\ 0& S_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{{\mathrm{\θ}}_N}\\ v_{{\mathrm{\θ}}_N}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{X}_N\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_N& 0\\ 0& S_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_N& -\sin {\mathrm{\θ}}_N\\ \sin {\mathrm{\θ}}_N& \cos {\mathrm{\θ}}_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_N\\ y_N\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{X}_N\\ 0\end{array}\right]$

$=A_N\left[\begin{array}{c}{x}_N\\ y_N\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{X}_N\\ 0\end{array}\right]---\left(3\right)$

式中，u_N为第N幅图像经旋转、缩放和垂直平移变换后x的坐标值，v_N为第N幅图像经旋转、缩放和垂直平移变换后y的坐标值，ΔX_N为第N幅图像在X轴方向上的平移量；A_N为对第N幅图像进行旋转和缩放变换的矩阵，用公式(13)表示：

$A_N=\left[\begin{array}{cc}{S}_N& 0\\ 0& S_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_N& -\sin {\mathrm{\θ}}_N\\ \sin {\mathrm{\θ}}_N& \cos {\mathrm{\θ}}_N\end{array}\right]---\left(13\right)$

将每幅图像进行旋转和缩放变换的矩阵A_N保存在文件名为Profile.txt的文件内，保存顺序为A₁，A₂，L A_N，L，A₁₆。

所述的图像标定模块，确定每幅图像中心点在Y轴上的坐标值，对于宽幅扫描仪的最大扫描幅度为160cm，均分每个摄像单元在宽度方向上的有效扫描幅度为100cm，那么就将16幅并列的图像中心点在Y轴上的坐标值分别确定为50、150、250、350、450、550、650、750、850、950、1050、1150、1250、1350、1450、1550cm，以图像中心点为基准来截取每幅图像的大小，按扫描分辨率150dpi来计算在100cm范围内有594个像素，除了第1幅图像和第16幅图像处于左右边缘外，其他14幅图像在左右两边都有8个像素的重叠区域，对中间的14幅图像的宽幅截取的大小为620个像素，对左右两侧图像的宽幅截取的大小为612个像素。

所述的亮度一致化处理模块，用于对每个摄像单元所拍摄的图像进行亮度一致化处理；由于光照条件不同，每个摄像单元采集的原始图像在亮度上会有较大变化，因此直接拼接会在图像的重叠区域产生亮度的跳变，给人不真实的感觉。为了在最终拼合的图像中得到流畅的效果，必须对其进行预处理；均值、方差是颜色传输中常用的两个统计参数，可使用这两个参数对待拼接图像进行调整，将一幅图像的统计特征赋给待拼接的另外一幅，最终使二者整体亮度一致；设待拼接相邻两幅图像的重叠区域分别为A_N-1、A_N，若选定左图像I_N-1为参考图像，则可将I_N-1的统计特征赋给右图像I_N，具体处理过程为：

设重叠区A_N的像素均值为

对其所有像素点去掉均值，用公式(14)表示，

${\hat{M}}_N=M_N-{\stackrel{\‾}{M}}_N---\left(14\right)$

式中，

为重叠区A_N的像素均值，M_N为重叠区A_N的像素值，

为重叠区A_N去掉像素均值后的像素值；

使用A_N-1、A_N的方差σ_N-1、σ_N以及A_N-1的均值对步骤(14)处理后的图像用公式(15)进行处理，

式中，σ_N-1为重叠区A_N-1的像素方差，σ_N为重叠区A_N的像素方差，

为重叠区A_N去掉像素均值后的像素值，

为重叠区A_N-1的像素均值，

为重叠区A_N的像素传递均值；

使用步骤(15)处理后图像的均值

与原始图像块A_N的均值

对I_N中所有像素进行处理，用公式(16)表示，

式中，M_N为I_N图像中所对应的RGB通道中的各个分量，

为原始图像块A_N所对应的RGB通道中的各个分量的均值，

为原始图像经公式(15)处理后图像所对应的RGB通道中的各个分量的均值，M′_N为待拼接图像整体光照整体保持一致处理后图像所对应的RGB通道中的各个分量的均值；

由于共有16幅图像需要进行亮度一致化处理，因此上述处理需要从N＝1～16重复上述处理过程，使得最左一幅图像的统计特征赋给待拼接的15幅图像，使得待拼接图像整体光照整体保持一致；

所述的扫描横向图像的拼接模块，用于将16个摄像单元所拍摄的图像并经光照一体化处理后的图像按顺序无缝拼接成宽幅图像，采用渐入渐出的方法对相邻两幅图像的重叠部分由左边一幅图像慢慢过渡到右边一幅图像，设参数d为渐变因子，用来调和相邻图像的颜色，产生加权平均的作用，其取值范围应该限制在(0，1)之间；对应左边一幅图像中重叠部分f_N-1(x，y)与右边一幅图像中重叠部分f_N(x，y)，融合结果为f_W(x，y)，融合算法用公式(6)表示，

f_W(x，y)＝d×f_N-1(x，y)+(1-d)×f_N(x，y)                 (6)

式中，d是渐变因子，由1渐变到0；对于重叠区域有8个像素，渐变步长为1/8；f_W(x，y)为融合结果、f_N-1(x，y)为左边一幅图像中重叠部分、f_N(x，y)为右边一幅图像中重叠部分。

所述的扫描纵向图像的拼接模块，通过求取图像互功率谱函数的傅立叶逆变换峰值位置来求取位移量，具体的相位相关法的算法步骤如下：

Step1：读取前后两幅宽幅条状图像中的重叠部分的前宽幅图像部分f_P-1(x，y)和后宽幅图像部分f_P(x，y)；

Step2：计算f_P-1(x，y)和f_P(x，y)的傅立叶变换，得到F_P-1(ξ，η)和F_P(ξ，η)；

Step3：根据公式(10)计算F_P-1(ξ，η)和F_P(ξ，η)互功率谱；

$\mathrm{hgl}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=\frac{\left|F_P(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})F_P(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\right|}{\left|F_P(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})F_P(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\right|}{e}^{-j2\mathrm{\π}\left(\mathrm{\ξ\Δx}\right)}=e^{-j2\mathrm{\π}\left(\mathrm{\ξ\Δx}\right)}---\left(10\right)$

Step4：对互功率谱进行逆FFT变换，在相关表面上找到峰值点坐标：

Step5：找出幅值最大值的位置即为两幅图像f_P-1(x，y)和f_P(x，y)的平移量Δx；

采用渐入渐出的方法对前后相邻两幅宽幅图像的重叠部分由前一幅宽幅图像慢慢过渡到后一幅宽幅图像，设参数d为渐变因子，用来调和相邻图像的颜色，产生加权平均的作用，其取值范围应该限制在(0，1)之间；对应前一幅宽幅图像中重叠部分f′_P-1(x，y)与后一幅宽幅图像中重叠部分f′_P(x，y)，融合结果为f_WP(x，y)，融合算法用公式(12)表示，

f_WP(x，y)＝d×f′_P-1(x，y)+(1-d)×f′_P(x，y)         (12)

式中，d是渐变因子，由1渐变到0；f_WP(x，y)为两幅宽幅图像的融合结果、f′_P-1(x，y)为前一幅宽幅图像中重叠部分、f′_P(x，y)为后一幅宽幅图像中重叠部分；前一幅宽幅图像中重叠部分f′_P-1(x，y)与后一幅宽幅图像中重叠部分f′_P(x，y)是在两幅图像f_P-1(x，y)和f_P(x，y)的平移量Δx的计算结果基础上按照8个像素重叠区域截取的。

所述计算机还包括：扫描行程控制模块，用于在前后两幅宽幅图像的纵向拼接完成后，判断扫描位置是否已经到达了终点位置，如果没有达到终点位置，就发送一条移动扫描装置移动指令进行继续扫描工作，等待扫描装置移动结束后继续控制摄像单元同时抓拍多幅图像，…，直至整个扫描结束；当扫描结束后将最后完成纵向拼接的图像用JPEG文件格式保存在Temp文件内，同时在显示单元上显示扫描结果。

所述的皮带齿轮机构由一个主动齿轮、一个被动齿轮和一个皮带齿构成，主动齿轮的轴心线与被动齿轮的轴心线平行并固定在所述的支撑支架上，皮带齿与主动齿轮和被动齿轮进行啮合，主动齿轮与所述的电机轴进行连接，电机的转动带动主动齿轮转动，主动齿轮正反方向的转动带动皮带齿的往复运动，从而使得与皮带齿固定连接的所述的移动支架和所述的悬臂梁实现扫描动作，所述的电机为伺服电机；

在所述的悬臂梁的同一直线上等间距均匀分布固定着16个所述的摄像单元和17个所述的照明单元；所述的悬臂梁在移动过程中的稳定性保证摄像单元能获取高质量的视频图像，所述的悬臂梁的一端与所述的移动支架进行固定连接，在所述的悬臂梁的两侧增加了光遮挡单元，所述的光遮挡单元采用柔性的布织材料，布织材料的外侧为黑色，布织材料的内侧采用白色膜喷涂，使得被扫描物体的投影光比较均匀；安置在所述的悬臂梁上的16个所述的摄像单元和17个所述的照明单元的视频线和电源线通过连接带穿过所述的移动支架分别与所述的视频卡和所述的多功能电源单元连接。

本发明的技术构思为：目前高清的面阵CCD由于市场需求量大，已经十分廉价，这为实现低成本扫描仪提供了很好的物质基础；另外对于在同样的扫描长度范围内面阵CCD一次获取的信息量要远远高于线阵CCD所获取的信息量，这为实现高速扫描提供了有效支持；随着图像处理技术以及计算机处理能力的提高，用多个面阵CCD构建一种超宽幅扫描仪提供了基本保证；本发明利用面阵CCD的价格低廉、一次成像信息量多以及多个面阵CCD组合的方式来实现一种低成本超宽幅高速扫描仪。

本发明的有益效果主要表现在：1、由于采用了多个面阵CCD实现同时扫描图像的采集，扫描的宽度可以有并列的CCD个数来确定，因此具有扫描幅度宽、扫描速度快的优点；2、作为扫描仪的核心器件决定了扫描仪的价格，由于面阵CCD价格远远低于线阵的CCD，可以构建出性价比很高的扫描仪；3、由于采用非接触式的扫描方式，可适用于任何平面物体的扫描，同时也不会对被扫描件产生各种不良影响；4、可以充分利用PC机的各种资源和其他软硬件资源对扫描图像进行处理，利用网络资源可以将扫描图像实时进行远程传输。

附图说明

图1为低成本超宽幅高速扫描仪的结构原理图；

图2是图1的俯视图；

图3为一种用于标定扫描仪的模板；

图4为扫描仪的标定流程图；

图5为扫描仪中各摄像单元所拍摄图像发生倾斜的情况示意图；

图6为扫描仪中各摄像单元所拍摄图像不同的大小放大倍数示意图；

图7为扫描仪中各摄像单元所拍摄图像发生偏离的情况示意图；

图8为在横向方向上进行两幅相邻图像融合拼接的示意图；

图9为在纵向方向上进行两幅相邻宽幅图像融合拼接的示意图；

图10为扫描仪的扫描流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图1～图10，一种低成本超宽幅高速扫描仪，包括用于固定扫描成像的多个由面阵CCD构成扫描单元的16个摄像单元和17个照明单元的悬臂梁4，用于固定和支撑悬臂梁的移动支架6、用于为移动支架提供扫描行程的长轴7、所述的移动支架在所述的长轴规定的轨道上移动，用于将面阵CCD构成的摄像单元与计算机连接的视频卡、用于对多个面阵CCD所拍摄的图像进行处理的以及控制驱动部件使得移动支架产生移动动作的计算机12、用于给扫描区域提供照明光的LED照明单元11、用于提供平放被扫描物体的扫描台面3、用于支撑扫描台面的支撑支架1、用于人机交互的触摸屏14、用于获取扫描图像的摄像单元2、用于分别为计算机、摄像单元、电机和LED照明单元提供电源的多功能电源单元13、用于带动移动支架沿所述的长轴移动的皮带齿轮机构9、用于驱动皮带齿轮机构动作的电机8、用于保证所述的悬臂梁4钢性的支撑条5、用于遮挡外部光干扰的光遮挡单元10；

低成本超宽幅高速扫描仪的工作原理是，在移动支架上均匀地分布固定了多个由面阵CCD构成的摄像单元2和多个LED照明单元11，由16个摄像单元2均与地固定在移动支架的悬臂梁4上，悬臂梁4与移动支架6进行固定连接，移动支架6与长轴7以滑动副方式进行连接，移动支架6与齿轮9之间采用皮带齿轮啮合方式，齿轮9的正反转使得移动支架6在扫描方向上来回移动，齿轮9由电机8驱动，计算机12通过A/D接口控制电机8的转动，电源13给摄像单元16、照明单元11、电机8以及计算机12供电，摄像单元16通过视频卡与计算机12进行连接，4条支撑脚1支撑扫描台面3，在扫描时将待扫描的物体平坦地放置在扫描台面3上，计算机12通过编程电缆与触摸屏14连接，用户通过触摸屏14对计算机发出扫描命令时扫描软件启动16个线程抓拍16副图像，当抓拍完成后计算机发出一个步进命令控制控制电机8的转动，使得移动支架6移动一个摄像范围距离，在移动支架6移动过程中计算机软件中的拼接模块对16副图像进行无缝拼接；当移动支架6移动到下一个位置是计算机继续发出扫描命令抓拍下16副图像，计算机软件中的拼接模块对该16副图像进行无缝拼接，同时对该计算机软件中的拼接模块对前后所拍摄的16副进行无缝拼接，…如此重复，直至扫描结束位置，当扫描结束后计算机发出返回指令，控制电机8返回到初始位置，这样一次扫描过程结束，扫描结束后被扫描的图像显示在触摸屏14上；

在所述的悬臂梁的同一直线上等间距均匀分布固定着16个所述的摄像单元和17个所述的照明单元；为了增加所述的悬臂梁在移动过程中的稳定性保证摄像单元能获取高质量的视频图像，在所述的悬臂梁的两侧增加了所述的支撑条；所述的悬臂梁的一端与所述的移动支架进行固定连接；为了防止外界光源的干扰在所述的悬臂梁的两侧增加了光遮挡单元10，所述的光遮挡单元采用柔性的布织材料，布织材料的外侧为黑色，布织材料的内侧采用白色膜喷涂，使得被扫描物体的投影光比较均匀；安置在所述的悬臂梁上的16个所述的摄像单元和17个所述的照明单元的视频线和电源线通过连接带穿过所述的移动支架分别与所述的视频卡和所述的多功能电源单元连接；

所述的扫描台面由所述的支撑支架进行固定支撑，所述的扫描台面的最大宽幅以及最大长度要大于扫描仪设计的被扫描物体的最大宽幅以及最大长度；所述的支撑支架由四腿支撑脚并用连接杆构成；为了便于操作使用，所述的触摸屏固定在所述的扫描台面的前右侧上方；所述的长轴平行地固定在所述的扫描台面的后下方，所述的移动支架与所述的长轴以滑动副方式进行连接，所述的移动支架的下端与所述的皮带齿轮机构中的皮带用螺钉进行固定连接，所述的皮带齿轮机构由一个主动齿轮、一个被动齿轮和一个皮带齿构成，主动齿轮的轴心线与被动齿轮的轴心线平行并固定在所述的支撑支架上，皮带齿与主动齿轮和被动齿轮进行啮合，主动齿轮与所述的电机轴进行连接，电机的转动带动主动齿轮转动，主动齿轮正反方向的转动带动皮带齿的往复运动，从而使得与皮带齿固定连接的所述的移动支架和所述的悬臂梁实现扫描动作；所述的电机为伺服电机；所述的计算机固定在所述的支撑支架中部；所述的计算机为一般市售的PC机；

所述的计算机包括：

图像获取模块，用于获取被扫描物体的图像，由于在本发明中采用16个摄像单元分别获取被扫描物体的某一个局部图像，因此采用16个线程同时采集16幅局部图像；

图像标定模块，用于对16幅图像进行标定，使得每幅图像的中心点统一在一条直线上，且每幅图像的放大倍数一致以及每幅图像无旋转形变；虽然在机构设计中将16个摄像单元都固定在所述的悬臂梁的同一直线上，但是很难保证每个摄像单元的成像中心点都在同一直线上，同时每个摄像单元所拍摄的图像放大倍数和成像的水平角度也会略有差别；图像标定模块的作用是将16个摄像单元所拍摄的16幅图像的中心点一致、图像放大倍数一致以及成像的水平角度一致，以实现16幅图像的无缝拼接；另外在成像图像的边缘会发生一些畸变，在图像标定模块中也希望能消除这些畸变对图像拼接的影响；图像标定时采用图3所示的标定板，标定板的幅度为16个摄像单元所获取的16幅图像叠加后的总幅度，标定板的高度略大于摄像单元的成像高度；标定时将标定板放置在所述的扫描台面上的16个摄像单元的摄像范围内；将16个摄像单元所获取的图像分辨率设定为相同，如768×576像素；

图像标定的处理流程如图4所示，首先是读取每个摄像单元拍摄的16幅图像；接着对16幅图像在X轴方向上分别做Sobel梯度算子运算，然后进行二值化处理，得到16幅二值化图像，关于Sobel梯度算子和二值化处理方法在一般的数字图像处理教课书中均有介绍；

进一步，对16幅二值化图像进行水平倾斜检测，如附图5中摄像单元所拍摄的图像发生了水平倾斜，一般这种水平倾斜在±5°范围内；本发明中将水平倾斜检测精度设定为0.001°，得到每幅图像的水平倾斜角，然后用公式(1)进行旋转变换，保证旋转变换后的每幅图像的水平倾斜角小于0.01°，水平倾斜检测算法采用Hough变换算法；Hough变换算法检测图像中直线倾斜角度的思想是利用了从直角坐标平面到极坐标平面的平面域变换时以极坐标系刻画同一二维图像所用到的倾斜角θ，对于图像上的一条直线可以斜率和截距式表示，如公式(4)所示，

Y＝mX+b                      (4)

式中，m为直线的斜率，b为直线的截距；

上述直线方程又可以写成极坐标系中的直线方程，如公式(5)所示，

r＝Xcosθ+Ysinθ             (5)

式中，r为直线到原点的距离，θ为以水平直线为基准的直线的倾斜角；极坐标平面上的一点(r，θ)对应着直角坐标平面上的一条直线；因此在Hough变换后，检测倾斜角的最简单的思路是检查Hough域中曲线最频繁的交点，即(r，θ)的最大值，该交点值对应了直角坐标系中最长直线的长度，该交点的θ值就是该直线的倾斜角度，具体检测直线倾斜角度算法如下；

设置r，θ坐标平面原点O；

定义数组J(r，θ)，记录极坐标上距离r和角度θ上的交点数；

初始化：J(r，θ)＝0；

for(距离r从(0-(1个增量))到(图像高+(1个增量)){

for(像素位置X从0到图像高度值)

for(像素位置Y从0到图像宽度值){

如果(x，Y)点灰度G(x，Y)，为亮点；则计算该点连接原点0的线段的角度θ，J(r，θ)增加1；}

}

为了得到较高的直线倾斜角度值，本发明中的增量1采用0.001°进行遍历，由于知道每个摄像单元的最大倾斜角度在-5°～5°，限制角度检测范围也是在-5°～5°；通过对16幅图像进行检测得到了每幅图像的倾斜角度值，检测倾斜角误差小于0.01°，用θ_N来表示第N幅图像的倾斜角度，并将其保存在文件名为Profile.txt的文件内，保存顺序为θ₁，θ₂，θ₃，L，θ_N，L，θ₁₆；

在得到了每幅图像的倾斜角度后，用公式(1)分别对16幅图像进行旋转变换，

$\left[\begin{array}{c}{u}_{{\mathrm{\θ}}_N}\\ v_{{\mathrm{\θ}}_N}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_N& -\sin {\mathrm{\θ}}_N\\ \sin {\mathrm{\θ}}_N& \cos {\mathrm{\θ}}_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_N\\ y_N\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中，x_N为第N幅图像x的坐标值，y_N为第N幅图像y的坐标值，θ_N为第N幅图像的水平倾斜角度，

为第N幅图像旋转变换后x的坐标值，

为第N幅图像旋转变换后y的坐标值；

根据规定的分辨率进行归一化处理，如附图6所示，16个摄像单元所抓拍的图像由于焦距的原因，所拍摄的图像分辨率略有差别，需要进行归一化处理；比如用150×150dpi的标准对16幅旋转变换后的图像用公式(2)进行缩放处理，归一化处理后的图像都统一成150×150dpi分辨率的图像，

$\left[\begin{array}{c}{u}_{S_N}\\ v_{S_N}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_N& 0\\ 0& S_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{{\mathrm{\θ}}_N}\\ v_{{\mathrm{\θ}}_N}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_N& 0\\ 0& S_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_N& -\sin {\mathrm{\θ}}_N\\ \sin {\mathrm{\θ}}_N& \cos {\mathrm{\θ}}_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_N\\ y_N\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中，为第N幅图像旋转变换后x的坐标值，

为第N幅图像旋转变换后y的坐标值，S_N为第N幅图像的缩放比例系数，为第N幅图像归一化后x的坐标值，为第N幅图像归一化后y的坐标值；每幅图像的缩放比例系数S_N保存在文件名为Profile.txt的文件内，保存顺序为S₁，S₂，S₃，L，S_N，L，S₁₆；

将每幅图像的中心点在水平方向上对齐，如附图7所示，由于16个摄像单元在悬臂梁上固定免不了会存在微小位移差别，为了消除这些差别本发明中采用平移变换来实现每幅图像的中心点在水平方向上对齐，具体做法是以第一幅图像的中心点在X轴上的坐标为基准，然后分别计算其他图像的中心点与第一幅图像的中心点在X轴上的坐标值之间的差值ΔX_N，并将每幅图像的在X轴上的坐标值之间的差值ΔX_N保存在文件名为Profile.txt的文件内，保存顺序为ΔX₁，ΔX₂，ΔX₃，L，ΔX_N，L，ΔX₁₆；平移变换算法用公式(3)表示，

$\left[\begin{array}{c}{u}_N\\ v_N\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_{S_N}\\ v_{s_N}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{X}_N\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_N& 0\\ 0& S_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{{\mathrm{\θ}}_N}\\ v_{{\mathrm{\θ}}_N}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{X}_N\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_N& 0\\ 0& S_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_N& -\sin {\mathrm{\θ}}_N\\ \sin {\mathrm{\θ}}_N& \cos {\mathrm{\θ}}_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_N\\ y_N\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{X}_N\\ 0\end{array}\right]$

$=A_N\left[\begin{array}{c}{x}_N\\ y_N\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{X}_N\\ 0\end{array}\right]---\left(3\right)$

式中，u_N为第N幅图像经旋转、缩放和垂直平移变换后x的坐标值，v_N为第N幅图像经旋转、缩放和垂直平移变换后y的坐标值，ΔX_N为第N幅图像在X轴方向上的平移量；A_N为对第N幅图像进行旋转和缩放变换的矩阵，用公式(13)表示，

$A_N=\left[\begin{array}{cc}{S}_N& 0\\ 0& S_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_N& -\sin {\mathrm{\θ}}_N\\ \sin {\mathrm{\θ}}_N& \cos {\mathrm{\θ}}_N\end{array}\right]---\left(13\right)$

将每幅图像进行旋转和缩放变换的矩阵A_N保存在文件名为Profile.txt的文件内，保存顺序为A₁，A₂，L A_N，L，A₁₆；

确定每幅图像中心点在Y轴上的坐标值，比如宽幅扫描仪的最大扫描幅度为160cm，均分每个摄像单元在宽度方向上的有效扫描幅度为100cm，那么就将16幅并列的图像中心点在Y轴上的坐标值分别确定为50、150、250、350、450、550、650、750、850、950、1050、1150、1250、1350、1450、1550cm同时以图像中心点为基准来截取每幅图像的大小，按扫描分辨率150dpi来计算在100cm范围内有594个像素，除了第1幅图像和第16幅图像处于左右边缘外，其他14幅图像在左右两边都有8个像素的重叠区域，因此对这14幅图像宽幅截取的大小为620个像素；整个标定流程如附图4所示，一般来说最好是隔一段使用时间做一次标定，以保证扫描的精度；标定结束后就可以进入到扫描流程，整个扫描流程如附图10所示；

首先是从Profile.txt的文件中读取标定数据，得到A₁，A₂，L A_N，L，A₁₆和ΔX₁，ΔX₂，ΔX₃，L，ΔX_N，L，ΔX₁₆等数据；

接着，启动16个线程控制摄像单元同时抓拍16幅图像，用公式(3)分别对16幅图像进行旋转、缩放和平移变换，采用截取方式获得16幅拼接预备图像，并将其保存在动态存储单元中；

进一步，启动新线程用扫描横向图像的拼接模块对16幅拼接预备图像进行亮度一致化和图像拼接处理，拼接后的宽幅图像保存在动态存储单元中；

由于光照条件不同，每个摄像单元采集的原始图像在亮度上会有较大变化，因此直接拼接会在图像的重叠区域产生亮度的跳变，给人不真实的感觉。为了在最终拼合的图像中得到流畅的效果，必须对其进行预处理；均值、方差是颜色传输中常用的两个统计参数，可使用这两个参数对待拼接图像进行调整，将一幅图像的统计特征赋给待拼接的另外一幅，最终使二者整体亮度一致；设待拼接相邻两幅图像的重叠区域分别为A_N-1、A_N，若选定左图像I_N-1为参考图像，则可将I_N-1的统计特征赋给右图像I_N，具体处理过程为：

设重叠区A_N的像素均值为

对其所有像素点去掉均值，用公式(14)表示，

${\hat{M}}_N=M_N-{\stackrel{\‾}{M}}_N---\left(14\right)$

式中，

为重叠区A_N的像素均值，M_N为重叠区A_N的像素值，

为重叠区A_N去掉像素均值后的像素值；

使用A_N-1、A_N的方差σ_N-1、σ_N以及A_N-1的均值

对步骤(14)处理后的图像用公式(15)进行处理，

式中，σ_N-1为重叠区A_N-1的像素方差，σ_N为重叠区A_N的像素方差，

为重叠区A_N去掉像素均值后的像素值，

为重叠区A_N-1的像素均值，

为重叠区A_N的像素传递均值；

使用步骤(15)处理后图像的均值

与原始图像块A_N的均值对I_N中所有像素进行处理，用公式(16)表示，

式中，M_N为I_N图像中所对应的RGB通道中的各个分量，

为原始图像块A_N所对应的RGB通道中的各个分量的均值，

为原始图像经公式(15)处理后图像所对应的RGB通道中的各个分量的均值，M′_N为待拼接图像整体光照整体保持一致处理后图像所对应的RGB通道中的各个分量的均值；

由于共有16幅图像需要进行光照一体化处理，因此上述处理需要从N＝1～16重复上述处理过程，使得最左一幅图像的统计特征赋给待拼接的15幅图像，使得待拼接图像整体光照整体保持一致；

所述的扫描横向图像的拼接模块，用于将16个摄像单元所拍摄的图像并经光照一体化处理后的图像按顺序无缝拼接成宽幅图像；为了能使拼接区域平滑并保证图像质量，本发明采用渐入渐出的方法对相邻两幅图像的重叠部分由左边一幅图像慢慢过渡到右边一幅图像，设参数d为渐变因子，用来调和相邻图像的颜色，产生加权平均的作用，其取值范围应该限制在(0，1)之间；对应左边一幅图像中重叠部分f_N-1(x，y)与右边一幅图像中重叠部分f_N(x，y)，融合结果为f_W(x，y)，融合算法用公式(6)表示，

f_W(x，y)＝d×f_N-1(x，y)+(1-d)×f_N(x，y)               (6)

式中，d是渐变因子，由1渐变到0；对于本发明中重叠区域有8个像素，渐变步长为1/8；f_W(x，y)为融合结果、f_N-1(x，y)为左边一幅图像中重叠部分、f_N(x，y)为右边一幅图像中重叠部分；通过上述扫描横向图像的拼接模块所得到宽幅条状图像需要在纵向方向上进一步拼接，从而得到被扫描件的整幅图像，横向方向上的拼接融合如附图8所示；

需要判断在内存单元中是否有前一幅宽幅图像，如果没有将这次得到的宽幅条状图像作为前一幅宽幅图像保存到内存单元中；如果有的话，需要采用扫描纵向图像的拼接模块将这次得到的宽幅条状图像与前一幅宽幅图像进行拼接；

所述的扫描纵向图像的拼接模块，用于将16个摄像单元所拍摄的图像按顺序无缝拼接成宽幅图像后的宽幅条状图像进一步在纵向方向进行拼接得到被扫描件的整幅图像；在扫描的过程中对于前后两幅由16幅图像构成的宽幅条状图像，由于所述的电机存在着控制误差和所述的移动支架也存在着机械传动误差，而这些误差往往是厘米级或者是毫米级的；前后两幅宽幅条状图像中的重叠部分的前宽幅图像部分f_P-1(x，y)和后宽幅图像部分f_P(x，y)在空域中有如下关系，

f_P-1(x，y)＝f_P(x+Δx，y)                          (7)

则根据傅立叶变换的平移特性，它们对应的傅立叶变换有这样的关系，

F_P-1(ξ，η)＝|F_P(ξ，η)|e^-j2π(ξΔx)      (8)

其中，F_P-1(ξ，η)和F_P(ξ，η)分别为f_P-1(x，y)和f_P(x，y))的傅立叶变换，它们的标准互功率谱用公式(9)表示，

$\mathrm{hgl}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=\frac{F_P(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})F_{P-1}^{*}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})}{\left|F_P(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})F_{P-1}^{*}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\right|}---\left(9\right)$

为F_P-1(ξ，η)的复共轭，将公式(8)代入公式(9)并整理得到公式(10)，

$\mathrm{hgl}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=\frac{\left|F_P(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})F_P(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\right|}{\left|F_P(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})F_P(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\right|}{e}^{-j2\mathrm{\π}\left(\mathrm{\ξ\Δx}\right)}=e^{-j2\mathrm{\π}\left(\mathrm{\ξ\Δx}\right)}---\left(10\right)$

对公式(10)进行傅立叶逆变换可以得到相位相关函数表达式，用公式(11)表示，

hgl(x，y)＝δ(x-Δx，y)                           (11)

由公式(11)可见相位相关函数是一个脉冲函数，它只在位置(Δx，0)处不为零，而在其它各处几乎为零，这个位置正是要计算的位移量；因此，相位相关法就是通过求取图像互功率谱函数的傅立叶逆变换峰值位置来求取位移量；具体的相位相关法的算法步骤如下：

Step1：读取前后两幅宽幅条状图像中的重叠部分的前宽幅图像部分f_P-1(x，y)和后宽幅图像部分f_P(x，y)；

Step2：计算f_P-1(x，y)和f_P(x，y)的傅立叶变换，得到F_P-1(ξ，η)和F_P(ξ，η)；

Step3：根据公式(10)计算F_P-1(ξ，η)和F_P(ξ，η)互功率谱；

Step4：对互功率谱进行逆FFT变换，在相关表面上找到峰值点坐标：

Step5：找出幅值最大值的位置即为两幅图像f_P-1(x，y)和f_P(x，y)的平移量Δx；

为了能使纵向拼接区域平滑并保证图像质量，本发明采用渐入渐出的方法对前后相邻两幅宽幅图像的重叠部分由前一幅宽幅图像慢慢过渡到后一幅宽幅图像，设参数d为渐变因子，用来调和相邻图像的颜色，产生加权平均的作用，其取值范围应该限制在(0，1)之间；对应前一幅宽幅图像中重叠部分f′_P-1(x，y)与后一幅宽幅图像中重叠部分f′_P(x，y)，融合结果为f_WP(x，y)，融合算法用公式(12)表示，

f_WP(x，y)＝d×f′_P-1(x，y)+(1-d)×f′_P(x，y)                     (12)

式中，d是渐变因子，由1渐变到0；对于本发明中将纵向拼接区域的重叠区域设计成8个像素，渐变步长为1/8；f_WP(x，y)为两幅宽幅图像的融合结果、f′_P-1(x，y)为前一幅宽幅图像中重叠部分、f′_P(x，y)为后一幅宽幅图像中重叠部分；前一幅宽幅图像中重叠部分f′_P-1(x，y)与后一幅宽幅图像中重叠部分f′_P(x，y)是在两幅图像f_P-1(x，y)和f_P(x，y)的平移量Δx的计算结果基础上按照8个像素重叠区域截取的，纵向方向上的拼接融合如附图9所示；

前后两幅宽幅图像的纵向拼接完成后，接着要判断扫描位置是否已经到达了终点位置，如果没有达到终点位置，就发送一条移动扫描装置移动指令进行继续扫描工作，等待扫描装置移动结束后继续控制摄像单元同时抓拍16幅图像，…，直至整个扫描结束；当扫描结束后将最后完成纵向拼接的图像用JPEG文件格式保存在Temp文件内，同时在显示单元上显示扫描结果。

实施例2

参照图1～图10，本实施例中，采用的摄像单元的数目以及摄像单元的分辨率可以不同，通过更换不同的摄像单元分辨率可以得到不同的扫描分辨率；通过调整摄像单元的数目可以满足不同宽度的扫描要求。本实施例的其他方案均与实施例1相同。

Claims (10)

1.一种低成本超宽幅高速扫描仪，包括用于提供平放被扫描物体的扫描平台，其特征在于：所述扫描仪还包括移动支架，所述移动支架可移动地地安装在纵向轨道上，所述移动支架与驱动部件连接，所述移动支架的上方安装横向布置的悬臂梁，所述悬臂梁上安装用于固定扫描成像的多个由面阵CCD构成扫描单元的多个摄像单元，所述多个摄像单元并排布置，所述扫描平台位于所述悬臂梁的下方，所述扫描仪还包括用于对多个面阵CCD所拍摄的图像进行处理的以及控制驱动部件使得移动支架产生移动动作的计算机，各个摄像单元均通过视频卡与计算机连接，所述计算机包括：

图像获取模块，用于获取被扫描物体的图像，采用多个摄像单元分别获取被扫描物体的某一个局部图像；

图像标定模块，用于对多幅图像进行标定，使得每幅图像的中心点统一在一条直线上，且每幅图像的放大倍数一致以及每幅图像无旋转形变；

亮度一致化处理模块，用于对每个摄像单元所拍摄的图像进行亮度一致化处理；

扫描横向图像的拼接模块，用于将多个摄像单元所拍摄的图像按横向左右顺序无缝拼接成宽幅图像；

扫描纵向图像的拼接模块，用于将多个摄像单元所拍摄的图像按横向左右顺序无缝拼接成宽幅图像后，宽幅条状图像在纵向前后方向进行拼接得到被扫描件的整幅图像。

2.如权利要求1所述的低成本超宽幅高速扫描仪，其特征在于：所述悬臂梁上安装照明单元，所述照明单元位于所述摄像单元的两侧，所述移动支架安装在提供扫描行程的长轴上，所述驱动部件为用于带动移动支架沿所述长轴移动的皮带齿轮机构，所述皮带齿轮机构与用于驱动皮带齿轮机构动作的电机连接，所述悬臂梁与支撑条连接，所述扫描平台与用于支撑扫描平台的支撑支架连接，所述计算机与用于人机交互的触摸屏连接，所述扫描仪还包括分别为计算机、摄像单元、电机和LED照明单元提供电源的多功能电源单元。

3.如权利要求1或2所述的低成本超宽幅高速扫描仪，其特征在于：所述图像标定模块中，读取每个摄像单元拍摄的多幅图像，接着对多幅图像在X轴方向上分别做Sobel梯度算子运算，然后进行二值化处理，得到多幅二值化图像；

对多幅二值化图像进行水平倾斜检测，水平倾斜检测精度为0.001°，得到每幅图像的水平倾斜角，水平倾斜检测算法采用Hough变换算法；Hough变换算法检测图像中直线倾斜角度的思想是利用了从直角坐标平面到极坐标平面的平面域变换时以极坐标系刻画同一二维图像所用到的倾斜角θ，对于图像上的一条直线以斜率和截距式表示，如公式(4)所示：

Y＝mX+b    (4)

式中，m为直线的斜率，b为直线的截距；

公式(4)的直线方程又可以写成极坐标系中的直线方程，如公式(5)所示：

r＝Xcosθ+Ysinθ    (5)

式中，r为直线到原点的距离，θ为以水平直线为基准的直线的倾斜角；极坐标平面上的一点(r，θ)对应着直角坐标平面上的一条直线；具体检测直线倾斜角度算法如下；

设置r，θ坐标平面原点0；

定义数组J(r，θ)，记录极坐标上距离r和角度θ上的交点数；

初始化：J(r，θ)＝0；

for(距离r从(0-(1个增量))到(图像高+(1个增量)){

for(像素位置X从0到图像高度值)

for(像素位置Y从0到图像宽度值){

如果(x，Y)点灰度G(x，Y)，为亮点；则计算该点连接原点0的线段的角度θ，J(r，θ)增加l；}

增量l采用0.001°进行遍历，限制角度检测范围为-5°～5°；通过对多幅图像进行检测得到了每幅图像的倾斜角度值，检测倾斜角误差小于0.01°，用θ_N来表示第N幅图像的倾斜角度，并将其保存在文件名为Profile.txt的文件内，保存顺序为θ₁，θ₂，θ₃，…，θ_N，…，θ₁₆；

在得到了每幅图像的倾斜角度后，用公式(1)分别对多幅图像进行旋转变换，

$\left[\begin{array}{c}{u}_{{\mathrm{\θ}}_N}\\ v_{{\mathrm{\θ}}_N}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_N& -\sin {\mathrm{\θ}}_N\\ \sin {\mathrm{\θ}}_N& \cos {\mathrm{\θ}}_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_N\\ y_N\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中，x_N为第N幅图像x的坐标值，y_N为第N幅图像y的坐标值，θ_N为第N幅图像的水平倾斜角度，

为第N幅图像旋转变换后x的坐标值，

为第N幅图像旋转变换后y的坐标值。

4.如权利要求3所述的低成本超宽幅高速扫描仪，其特征在于：所述的图像标定模块中，根据规定的分辨率进行归一化处理，对于采用150×150dpi的标准对16幅旋转变换后的图像用公式(2)进行缩放处理，归一化处理后的图像都统一成150×150dpi分辨率的图像，

$\left[\begin{array}{c}{u}_{S_N}\\ v_{S_N}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_N& 0\\ 0& S_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{{\mathrm{\θ}}_N}\\ v_{{\mathrm{\θ}}_N}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_N& 0\\ 0& S_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_N& -\sin {\mathrm{\θ}}_N\\ \sin {\mathrm{\θ}}_N& \cos {\mathrm{\θ}}_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_N\\ y_N\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中，

为第N幅图像旋转变换后x的坐标值，

为第N幅图像旋转变换后y的坐标值，S_N为第N幅图像的缩放比例系数，

为第N幅图像归一化后x的坐标值，

为第N幅图像归一化后y的坐标值；每幅图像的缩放比例系数S_N保存在文件名为Profile.txt的文件内，保存顺序为S₁，S₂，S₃，…，S_N，…，S₁₆。

5.如权利要求3所述的低成本超宽幅高速扫描仪，其特征在于：所述的图像标定模块中，将每幅图像的中心点在水平方向上对齐，采用平移变换来实现每幅图像的中心点在水平方向上对齐，以第一幅图像的中心点在X轴上的坐标为基准，然后分别计算其他图像的中心点与第一幅图像的中心点在X轴上的坐标值之间的差值ΔX_N，并将每幅图像的在X轴上的坐标值之间的差值ΔX_N保存在文件名为Profile.txt的文件内，保存顺序为ΔX₁，ΔX₂，ΔX₃，…，ΔX_N，…，ΔX₁₆；平移变换算法用公式(3)表示，

$\left[\begin{array}{c}{u}_N\\ v_N\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_{S_N}\\ v_{S_N}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{X}_N\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_N& 0\\ 0& S_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{{\mathrm{\θ}}_N}\\ v_{{\mathrm{\θ}}_N}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{X}_N\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_N& 0\\ 0& S_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_N& -\sin {\mathrm{\θ}}_N\\ \sin {\mathrm{\θ}}_N& \cos {\mathrm{\θ}}_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_N\\ y_N\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{X}_N\\ 0\end{array}\right]$

$=A_N\left[\begin{array}{c}{x}_N\\ y_N\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{X}_N\\ 0\end{array}\right]---\left(3\right)$

式中，u_N为第N幅图像经旋转、缩放和垂直平移变换后x的坐标值，v_N为第N幅图像经旋转、缩放和垂直平移变换后y的坐标值，ΔX_N为第N幅图像在X轴方向上的平移量；A_N为对第N幅图像进行旋转和缩放变换的矩阵，用公式(13)表示：

$A_N=\left[\begin{array}{cc}{S}_N& 0\\ 0& S_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_N& -\sin {\mathrm{\θ}}_N\\ \sin {\mathrm{\θ}}_N& \cos {\mathrm{\θ}}_N\end{array}\right]---\left(13\right)$

将每幅图像进行旋转和缩放变换的矩阵A_N保存在文件名为Profile.txt的文件内，保存顺序为A₁，A₂，…A_N，…，A₁₆。

6.如权利要求1或2所述的低成本超宽幅高速扫描仪，其特征在于：所述的图像标定模块，确定每幅图像中心点在Y轴上的坐标值，对于宽幅扫描仪的最大扫描幅度为160cm，均分每个摄像单元在宽度方向上的有效扫描幅度为100cm，那么就将16幅并列的图像中心点在Y轴上的坐标值分别确定为50、150、250、350、450、550、650、750、850、950、1050、1150、1250、1350、1450、1550cm，以图像中心点为基准来截取每幅图像的大小，按扫描分辨率150dpi来计算在100cm范围内有594个像素，除了第1幅图像和第16幅图像处于左右边缘外，其他14幅图像在左右两边都有8个像素的重叠区域，对中间的14幅图像的宽幅截取的大小为620个像素，对左右两侧图像的宽幅截取的大小为612个像素。

7.如权利要求1或2所述的低成本超宽幅高速扫描仪，其特征在于：所述的扫描横向图像的拼接模块，用于将多个摄像单元所拍摄的图像按顺序无缝拼接成宽幅图像，采用渐入渐出的方法对相邻两幅图像的重叠部分由左边一幅图像慢慢过渡到右边一幅图像，设参数d为渐变因子，用来调和相邻图像的颜色，产生加权平均的作用，其取值范围应该限制在(0，1)之间；对应左边一幅图像中重叠部分f_N-1(x，y)与右边一幅图像中重叠部分f_N(x，y)，融合结果为f_W(x，y)，融合算法用公式(6)表示，

f_W(x，y)＝d×f_N-1(x，y)+(1-d)×f_N(x，y)    (6)

式中，d是渐变因子，由1渐变到0；对于重叠区域有8个像素，渐变步长为1/8；f_W(x，y)为融合结果、f_N-1(x，y)为左边一幅图像中重叠部分、f_N(x，y)为右边一幅图像中重叠部分。

8.如权利要求7所述的低成本超宽幅高速扫描仪，其特征在于：所述的扫描纵向图像的拼接模块，通过求取图像互功率谱函数的傅立叶逆变换峰值位置来求取位移量，具体的相位相关法的算法步骤如下：

Step1：读取前后两幅宽幅条状图像中的重叠部分的前宽幅图像部分F_P-1(x，y)和后宽幅图像部分f_P(x，y)；

Step2：计算f_P-1(x，y)和f_P(x，y)的傅立叶变换，得到F_P-1(ξ，η)和F_P(ξ，η)；

Step3：根据公式(10)计算F_P-1(ξ，η)和F_P(ξ，η)互功率谱；

$\mathrm{hgl}(\mathrm{\ξ},n)=\frac{{|F}_P(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})F_P(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})|}{\left|F_P(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})F_P(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\right|}{e}^{-j2\mathrm{\π}\left(\mathrm{\ξ\Δx}\right)}=e^{-j2\mathrm{\π}\left(\mathrm{\ξ\Δx}\right)}---\left(10\right)$

Step4：对互功率谱进行逆FFT变换，在相关表面上找到峰值点坐标：

Step5：找出幅值最大值的位置即为两幅图像f_P-1(x，y)和f_P(x，y)的平移量Δx；

采用渐入渐出的方法对前后相邻两幅宽幅图像的重叠部分由前一幅宽幅图像慢慢过渡到后一幅宽幅图像，设参数d为渐变因子，用来调和相邻图像的颜色，产生加权平均的作用，其取值范围应该限制在(0，1)之间；对应前一幅宽幅图像中重叠部分f′_P-1(x，y)与后一幅宽幅图像中重叠部分f′_P(x，y)，融合结果为f_WP(x，y)，融合算法用公式(12)表示，

f_WP(x，y)＝d×f′_P-1(x，y)+(1-d)×f′_P(x，y)    (12)

式中，d是渐变因子，由1渐变到0；f_WP(x，y)为两幅宽幅图像的融合结果、f′_P-1(x，y)为前一幅宽幅图像中重叠部分、f′_P(x，y)为后一幅宽幅图像中重叠部分；前一幅宽幅图像中重叠部分f′_P-1(x，y)与后一幅宽幅图像中重叠部分f′_P(x，y)是在两幅图像f_P-1(x，y)和f_P(x，y)的平移量Δx的计算结果基础上按照8个像素重叠区域截取的。

9.如权利要求8所述的低成本超宽幅高速扫描仪，其特征在于：所述计算机还包括：扫描行程控制模块，用于在前后两幅宽幅图像的纵向拼接完成后，判断扫描位置是否已经到达了终点位置，如果没有达到终点位置，就发送一条移动扫描装置移动指令进行继续扫描工作，等待扫描装置移动结束后继续控制摄像单元同时抓拍多幅图像，直至整个扫描结束；当扫描结束后将最后完成纵向拼接的图像用JPEG文件格式保存在Temp文件内，同时在显示单元上显示扫描结果。

10.如权利要求2所述的低成本超宽幅高速扫描仪，其特征在于：所述的皮带齿轮机构由一个主动齿轮、一个被动齿轮和一个皮带齿构成，主动齿轮的轴心线与被动齿轮的轴心线平行并固定在所述的支撑支架上，皮带齿与主动齿轮和被动齿轮进行啮合，主动齿轮与所述的电机轴进行连接，电机的转动带动主动齿轮转动，主动齿轮正反方向的转动带动皮带齿的往复运动，从而使得与皮带齿固定连接的所述的移动支架和所述的悬臂梁实现扫描动作，所述的电机为伺服电机；

在所述的悬臂梁的同一直线上等间距均匀分布固定着16个所述的摄像单元和17个所述的照明单元；所述的悬臂梁在移动过程中的稳定性保证摄像单元能获取高质量的视频图像，所述的悬臂梁的一端与所述的移动支架进行固定连接，在所述的悬臂梁的两侧增加了光遮挡单元，所述的光遮挡单元采用柔性的布织材料，布织材料的外侧为黑色，布织材料的内侧采用白色膜喷涂，使得被扫描物体的投影光比较均匀；安置在所述的悬臂梁上的16个所述的摄像单元和17个所述的照明单元的视频线和电源线通过连接带穿过所述的移动支架分别与所述的视频卡和所述的多功能电源单元连接。

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