CN102473236B - 设定条形码扫描器中的光电检测器阵列的曝光量的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于设定条形码扫描器中的光电检测器阵列的曝光量的方法和装置。利用该光电检测器阵列捕获图像。确定被捕获图像中的多个子区域中的每个子区域的类型。基于子区域的类型，给多个子区域中的每个子区域分配权重。基于多个子区域中的每个子区域的权重，自动设定条形码扫描器中的光电检测器阵列的曝光量。在一些实施例中，基于被捕获图像将预定图像区域重新划分成新的多个子区域，且基于新的多个子区域中的每个子区域的权重，自动设定条形码扫描器中的光电检测器阵列的曝光量。

Description

设定条形码扫描器中的光电检测器阵列的曝光量的方法
技术领域
本公开一般涉及条形码扫描器。
背景技术
已开发出各种电光系统以用于读取光学标记，诸如条形码。条形码是由一系列有变化宽度的条和间隙构成的图形标记的编码图案，这些条和间隙具有不同的反光特性。一些较流行的条形码符号体系包括：统一产品代码(UPC)，通常用于零售店销售；39码，主要用于存货跟踪；以及Postnet，用于美国邮政的邮政编码。采用基于电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)的成像系统的用于读取和解码条形码的系统在下文中通常被称为成像系统、基于成像的条形码读取器或成像扫描器。
成像系统以电光方式将图形标记转换成电信号，这些电信号被解码成字母数字符号，而这些字母数字字符旨在描述物品或该物品的一些特性。这些字符然后一般以数字形式表示，并被用作数据处理系统的输入，以用于诸如销售点处理、存货控制等等之类的各种终端用户应用。
包括CCD、CMOS或其它成像配置的成像系统包括多个光敏元件(光电传感器)或像素，这些光敏元件或像素一般在可包括多个阵列的阵列图案中对准。基于成像的条形码读取器系统采用发光二极管(LED)或其它光源来照明目标对象(例如目标条形码)。从目标条形码反射的光通过成像系统的透镜被聚焦在像素阵列上。因此，聚焦透镜从其视场(FOV)产生图像，而该图像被投影到像素阵列上。阵列中的像素被周期性地按顺序读出，产生表示被捕获图像帧的模拟信号。模拟信号通过例如运算放大器放大一增益因数。经放大的模拟信号通过模数转换器数字化。成像系统的解码电路处理表示被捕获图像帧的经数字化信号，并试图解码所成像的条形码。
许多成像器利用能够基于硬件自动曝光的照相机芯片。该曝光基于对视场中场景亮度的评估而确定。有时候，条形码定位在非常强的背光(诸如灯光)前面。自动曝光的目的是使整个图像灰暗(既不是太亮也不是太暗)。由于这些非常亮的光源的亮度的影响，自动曝光使图像的大部分非常暗，以保持所需的平均亮度。在此情况下，条形码会变得过暗而无法解码。因此，存在对以下改进方法的需求：当视场中存在非常强的背光时，需要设定条形码扫描器中的光电检测器阵列的曝光量。
发明内容
在一个方面中，本发明涉及一种设定条形码扫描器中的光电检测器阵列的曝光量的方法。该方法包括以下步骤：(1)选择条形码扫描器中的光电检测器阵列的预定图像区域；(2)将该预定图像区域划分成多个子区域；(3)利用该光电检测器阵列捕获图像；(4)确定被捕获图像中的多个子区域中的每个子区域的类型；(5)基于多个子区域中的每个子区域的类型，给多个子区域中的每个子区域分配权重；以及(6)基于多个子区域中的每个子区域的权重，设定条形码扫描器中的光电检测器阵列的曝光量。
在另一方面中，本发明涉及一种设定条形码扫描器中的光电检测器阵列的曝光量的方法。该方法包括以下步骤：(1)选择条形码扫描器中的光电检测器阵列的预定图像区域；(2)将该预定图像区域划分成多个子区域；(3)利用该光电检测器阵列捕获图像；(4)基于所捕获的图像，将该预定图像区域重新划分成新的多个子区域；以及(5)基于新的多个子区域中的每个子区域的权重，设定条形码扫描器中的光电检测器阵列的曝光量。
在一种实现方式中，重新划分预定图像区域的步骤可包括以下步骤：(1)将预定图像区域划分成多个统计块；(2)将被捕获图像中的多个统计块中的每个统计块分类为第一类型或第二类型；(3)确定多个统计块的类型分布；以及(4)基于多个统计块的类型分布，将该预定图像区域重新划分成多个新的子区域，并给每个新的子区域分配权重。
本发明的诸个实现方式可包括以下优点中的一个或多个。条形码扫描器中的光电检测器阵列的曝光量能被自动设置，以使得即使将条形码定位在非常强的背光的前面，该条形码被捕获的图像也能具有足够的灰度级，以提高成功解码的可能性。本领域技术人员在阅读本发明的以下说明书和研究附图部分中的若干附图之后，本发明的这些和其它优点将变得显而易见。
附图说明
附图连同以下详细描述被纳入说明书中并构成说明书的一部分，用于进一步说明包括所要求保护的本发明的概念的实施例，并说明那些实施例的各种原理和优点，其中遍及各个图示，相同的参考数字表示相同的或功能类似人要素。
图1是根据本发明一个示例实施例构造的成像扫描器的侧视图。
图2是位于图1的成像扫描器内的扫描引擎的示意图。
图3A-3C描绘一些示例性实现方式，其中预定图像区域被划分成多个子区域。
图4A示出被捕获图像的轮廓图，其中条形码定位在高强度聚光灯的前方。
图4B示出图4A中的被捕获图像的示例性权重分配。
图4C示出与图4A中的被捕获图像相对应的图像区域的示例性重新划分。
图5示出根据一些实施例的通过自适应地为被捕获图像中的子区域分配权重来设定曝光量的方法。
图6A-6C描绘根据一些实施例的基于像素值的直方图来确定子区域的类型的方法。
图7A示出根据一些实施例的通过自适应地重新划分被捕获的图像来设定曝光量的方法。
图7B示出图7A中的框340的一种实现方式。
图8A示出在重新划分预定图像区域之前，该预定图像区域的一部分中的四个子区域。
图8B示出在重新划分预定图像区域之后，该预定图像区域的一部分中的四个子区域。
本领域技术人员将理解，图中的要素为了简化和清楚而示出，并且不一定按比例绘制。举例而言，相对于其它要素，附图中一些要素的尺寸可被放大来帮助改善对本发明各实施例的理解。
在适当的情况下，装置和方法的构成要素已通过附图中的常规符号来表示，仅示出那些与理解本发明的实施例有关的特定细节，以免那些对于获得了本文描述的益处的本领域普通技术人员来说容易明白的细节混淆本公开。
详细描述
如图1所示意的，成像系统10包括成像扫描器12，该成像扫描器12通过硬接线或无线电(远程通信)与主控计算机16通信14。除成像1D和2D条形码以及邮政编码之外，成像扫描器12还能捕获图像和签名。在本发明的一个示例性实施例中，成像扫描器12是被支承在外壳18中的手持便携式成像器，该手持便携式成像器可由用户在行走或骑乘经过商店、仓库或车间时携带和使用，以对条形码成像，用于库存和存货控制的目的。
然而，应认识到，以下将说明的本发明的成像系统10可有利地结合任何类型的扫描器或成像设备使用(便携或固定的均可)。本发明旨在包括所有此类扫描器和成像器。
成像扫描器12内部是扫描引擎20。扫描引擎20包括诸如发光二极管(LED)或LED组之类的照明源22，用于将光24投影在诸如条形码之类的目标对象26上。当用户将手持系统10指向目标对象26时，成像扫描器12可自动启用、连续启用或通过扣下扳机28来启用，这发动了光24在手持系统10中的投影。
图2是与成像扫描器12相关联的扫描引擎20的示意图。来自目标对象26的反射光30通过位于成像扫描器12的外壳18中的窗口32传递到扫描引擎20内部的聚焦透镜34上。透镜34将反射光聚焦到成像器元件38的像素阵列36上。成像器元件38包括诸如成像像素阵列36之类的光敏元件，例如，该成像像素阵列36可以是电荷耦合器件(CCD)阵列或互补金属氧化物半导体(CMOS)阵列。成像器元件38还包括模数(A/D)转换器40，用于将成像器元件38所产生的模拟信号转换至数字域。
总线连接42提供成像器元件38与解码器44之间的通信链路。总线连接42是高速(8)位并行接口，用于向解码器44提供数字信号，该数字信号表示被捕获的图像帧。解码器44处理经数字化的信号，并尝试将目标对象26解码成经解码的信息46。经解码的信息46可由扫描引擎20本地存储在存储器48中，和/或通过输出端口50传送至诸如监视器或远程计算机之类的外围设备(未示出)。
成像器扫描器对利用成像像素阵列36捕获得到的2D图像中条形码进行解码。为了得到可用的条形码图像，需要适当的曝光。通常，曝光包括两个可调节的因素：曝光时间和放大器增益。该组合决定了成像像素阵列36将得到多少光。这些变量的计算可以是基于软件的或基于硬件的。
许多成像器利用能够基于硬件自动曝光的照相机芯片。曝光基于对预定图像区域的亮度评估来确定。为此目的，将预定图像区域划分成若干子区域。整个预定图像区域的亮度是每个子区域的亮度的组合。划分预定图像区域的不同方式和组合这些子区域亮度的不同方案导致各种类型的自动曝光模式，诸如平均曝光模式、中心加权的曝光模式以及点曝光模式。
图3A-3C描绘一些示例性实现方式，其中预定图像区域被划分成由5行和5列组成的25个相等大小的子区域。图3A示出平均曝光模式的示例性实现方式。在平均曝光模式下，当组合所有子区域的亮度以获得预定图像区域的总亮度时，给予每个子区域的亮度以相等的权重。图3B示出中心加权模式的示例性实现方式。在中心加权模式下，当组合所有子区域的亮度以获得预定图像区域的总亮度时，相比于不靠近中心的那些子区域的亮度，给予更靠近中心的子区域的亮度以更高的权重。图3C示出点曝光模式的示例性实现方式。在点曝光模式下，当组合所有子区域的亮度以获得预定图像区域的总亮度时，仅给予特定点处的一个子区域的亮度以权重，并忽略所有其它子区域的影响。
在扫描条形码的应用中，由于条形码可以在视场的任一部分中，平均曝光模式能比其它两种模式(尤其是点曝光模式)更为适用。有时候，条形码定位在非常强的背光(诸如灯光)前面。自动曝光的目的是使整个图像灰暗(既不是太亮也不是太暗)。由于这些非常亮的光源的亮度的影响，自动曝光使图像的大部分非常暗，以保持所需的平均亮度。在此情况下，条形码会变得过暗而无法解码。图4A示出被捕获的图像100的轮廓图，其中条形码110定位在高强度聚光灯120的前方。由于高强度聚光灯120的存在，被捕获图像100中的条形码110太暗而无法解码。
当被捕获图像具有非常亮和非常暗的子区域时，暗的子区域几乎不具有对比度。为了显示暗的子区域中的细节以使条形码能被解码，需要更多的曝光。在一种实现方式中，与亮区域相对应的子区域的权重被自适应地重新分配，以使这些亮的子区域的影响降低。图4B示出图4A中的被捕获图像100的示例性权重分配。在图4B中，靠近高强度聚光灯120的子区域的权重被降低至0.2。替代地，这些子区域的权重可被设置成远小于0.2。一般而言，这些子区域的权重可被设置成小于0.5。
在另一种实现方式中，被捕获图像100中的预定图像区域被重新划分，以使非常亮的区域中的子区域不如暗区域(感兴趣区域)中的子区域那么密集。这本质上降低了较不感兴趣区域(非常亮的区域)对曝光计算的影响。图4C示出与图4A中的被捕获图像100相对应的图像区域的示例性重新划分。在图4C中，非常亮的区域中的接近高强度聚光灯120的子区域不如暗区域(感兴趣区域)中的子区域那么密集。在图4C中，所有子区域的权重被分配为相等的权重1.0。替代地，不同子区域的权重可被分配为不同的权重。每个新的子区域的权重也可被自适应地重新分配。
图5示出根据一些实施例的通过自适应地分配被捕获图像中子区域的权重来设定曝光量的方法200。方法200包括框210、220、230、240、250和260。在框210，为条形码扫描器中的光电检测器阵列选择一预定图像区域。
在框220，该预定图像区域被划分成多个子区域。在一个示例中，如图4B中所示，该预定图像区域可被划分成基于5×5矩阵的25个子区域。在框230，利用光电检测器阵列捕获图像。
在框240，确定被捕获图像中的多个子区域中的每个子区域的类型。在一种实现方式中，每个子区域可被分类成第一类型或第二类型。在一些实现方式中，每个子区域的类型可基于像素值直方图来确定。在框250，可基于每个子区域的类型给每个子区域分配权重。在一个示例中，如图4B中所示，如果一子区域被分类为白类型，则该子区域的权重被分配0.2的值，且如果一子区域未被分类为白类型，则该子区域的权重被分配1.0的值。
在框260，条形码扫描器中的光电检测器阵列的曝光量基于每个子区域的权重来设定。在一个示例中，假定微芯片器件具有自动曝光功能，其能基于每个子区域的权重来确定曝光量。如果该自动曝光功能启用，则当通过将某些位模式写入该微芯片器件中的一些控制寄存器而将每个子区域的权重设置到该微芯片器件中时，可自动确定该微芯片器件中的光电检测器阵列的曝光量。
图6A-6C描绘根据一些实施例的基于像素值直方图确定子区域的类型的方法。图6A示出表示子区域中的每个像素值的出现次数的样本直方图。在8位灰度图像的情况下，x坐标中的值是所有可能的像素值，从0到255。y坐标中的值表示每个可能的灰度值的出现次数(在0到图像上的像素总数的范围内)。直方图曲线的总面积是像素的总数。
在一种实现方式中，每个子区域的类型可根据该子区域的直方图的黑色值、白色值以及对比度值来确定。黑色值VB被定义为x坐标中的5％处的像素值(5％的像素具有不超过VB的值)。白色值VW被定义为x坐标中的95％处的像素值(5％的像素具有超过VW的值)。对比度C被定义为白色值和黑色值之差：C＝VW-VB。在一个示例中，如图6B中所示，如果白色值VW为低(例如VW＜50)且对比度值C小(例如VB＜30)，则子区域可被分类为黑色类型。在一个示例中，如图6C中所示，如果黑色值VB为高(例如VB＞200)且对比度值C小(例如VB＜30)，则子区域可被分类为白色类型。
图7A示出根据一些实施例的通过自适应地重新划分被捕获的图像来设定曝光量的方法300。方法300包括框310、320、330、340和350。在框310，选择条形码扫描器中的光电检测器阵列的预定图像区域。在框320，将该预定图像区域划分成多个子区域。在框330，利用光电检测器阵列捕获图像。在框340，基于被捕获图像将该预定图像区域重新划分成新的多个子区域。在框350，基于新的多个子区域中的每个子区域的权重来设定条形码扫描器中的光电检测器阵列的曝光量。
图7B示出框340的一种实现方式，其中该预定图像区域基于多个统计块的类型分布来划分。在图7B中，框340包括框342、344、346和348。在框342，将该预定图像区域划分成多个统计块。在框344，将被捕获图像中的多个统计块中的每个统计块分类为第一类型或第二类型。在框346，确定多个统计块的类型分布。在框348，基于多个统计块的类型分布将预定图像区域重新划分成多个新的子区域。此外，可对每个子区域分配权重。
图8A示出在重新划分预定图像区域之前，该预定图像区域的一部分中的四个子区域。图8B示出在重新划分预定图像区域之后，该预定图像区域的一部分中的四个子区域。在图8A和图8B中，每个子区域进一步划分成多个统计块。在一种实现方式中，每个统计块可被分类成第一类型或第二类型。如果基于统计块的直方图的分析表明它是白色类型，则此类统计块被分类为第一类型。如果基于统计块的直方图的分析表明它不是白色类型，则此类统计块被分类为第二类型。通过分析每个统计块的直方图，确定统计块是否良好(即是否太亮)是可能的。通过将毗邻的子区域的坏统计块分组，并使用重新分组的统计块作为新的子区域，可重新划分该预定图像区域。
在图8A中，在重新划分之前，四个子区域181、182、191和192中的每一个包括25个统计块。子区域181和182分别包括第二类型的25个统计块。子区域191和192分别包括第二类型的10个统计块和第一类型(即白色类型)的15个统计块。
在图8B中，在重新划分之后，子区域181和182分别包括第二类型的35个统计块。子区域191和192分别包括第一类型(即白色类型)的15个统计块。在一些实现方式中，在重新划分之后，可对所有子区域分配相同权重。在其它实现方式中，在重新划分之后，可将每个子区域进一步分类为不同类型之一，且可对不同类型的子区域分配不同权重。例如，在图8B中，子区域181和182可被分类为第二类型，且子区域191和192可被分类为第一类型(即白色类型)。第一类型(即白色类型)的子区域可被分配一权重，该权重远小于第二类型的子区域的权重。
在上述说明书中已经描述了特定实施例。然而，本领域普通技术人员将理解，可作出各种修改和改变，而不背离后附权利要求中陈述的本发明的范围。因此，说明书和附图将按照说明的意义而不是限制的意义来看待，且所有此类修改旨在被包含在本示教的范围内。
这些益处、优点、问题的解决方案以及可使任何益处、优点或解决方案发生或变得更突出的任何要素不应当解释为任何或所有权利要求的关键、必需的或实质的特征或要素。本发明仅由所附权利要求限定，所附权利要求包括在本申请待审期间作出的任何修改和那些授权的权利要求的所有等价方案。
此外，在本文档中，诸如第一和第二、顶和底等等之类的关系术语仅用于将一个实体或动作与另一实体或动作区分开，而不一定要求或暗示此类实体或动作之间的任何实际的这种关系或顺序。术语“包括”、“包括……的”、“具有”、“具有……的”“含有”、“含有……的”、“包含”、“包含……的”或其任意其它变型旨在覆盖非排他的包含，使得包括、具有、含有、包含一系列要素的过程、方法、物品或装置不仅包括那些要素而且还包括并未明确列出的其它要素或这些过程、方法、物品或装置固有的其它要素。跟随有“包括……”、“具有……”、“含有……”、“包含……”的要素不排除包括、具有、含有、包含该要素的过程、方法、制品或装置中存在附加的相同要素，且无更多限制。术语“一(a)”被定义为一个或多个，除非本文明确地另外指明。术语“基本上”、“本质上”、“大约”、“约”或其任何其它版本被定义为接近于本领域普通技术人员所理解的，且在一个非限制性实施例中，该术语被定义为在10％以内，在另一实施例中在5％以内，在另一实施例中在1％以内，且在另一实施例中在0.5％以内。如本文中所使用的术语“耦合”被定义为“连接”，不过不一定直接连接且不一定机械地连接。以某种方式“配置”的设备或结构至少以该方式配置，但也可能以未列出的方式配置。
将理解，一些实施例可由一个或多个通用或专用处理器(或“处理设备”)和独特存储的程序指令(包括软件和固件)组成，其中一个或多个通用或专用处理器诸如微处理器、数字信号处理器、定制处理器和现场可编程门阵列(FPGA)等，而程序指令控制上述一个或多个处理器以结合某些非处理器电路实现本文中描述的方法和/或装置的一些、大多数或全部功能。替代地，一些或全部功能可由不具有存储的程序指令的状态机实现，或在一个或多个专用集成电路(ASIC)中实现，在一个或多个专用集成电路(ASIC)中，这些功能的每个功能或某些功能的一些组合可被实现为定制逻辑。当然，可使用两种方法的组合。
此外，实施例可被实现为计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机可读代码，用于对计算机(例如包括处理器)编程以执行如本文中描述和要求保护的方法。此类计算机可读存储介质的示例包括但不限于硬盘、CD-ROM、光存储设备、磁存储设备、ROM(只读存储器)、PROM(可编程只读存储器)、EPROM(可擦除可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)以及快闪存储器。再者，预期在本文所公开的概念和原理的引导下，本领域普通技术人员将能在最少实验的情况下容易地产生此类软件指令和程序以及IC(尽管可能需要大量的努力和由例如可用时间、当前技术以及经济考虑启发的许多设计选择)。
提供说明书摘要是为了允许阅读者迅速查明本技术公开的本质。应理解，它将不用于解读或限制权利要求的范围或含义。此外，在前述的详细描述中，为使本公开更为流畅的目的，可将各种特征编组在各个实施例中。本公开的方法不应被解读为反映下述意图：所要求保护的实施例需要比在每一权利要求中明确表述的特征更多的特征。相反，如以下权利要求反映的，各发明主题可存在于比单个公开实施例的全部特征更少的特征。因此，以下权利要求在此被纳入详细描述中，其中每一项权利要求独自作为单独要求保护的主题。

Claims (12)

1.一种用于设定条形码扫描器中的光电检测器阵列的曝光量的方法，所述方法包括以下步骤：
选择所述条形码扫描器中的所述光电检测器阵列的预定图像区域；
将所述预定图像区域划分成多个子区域；
利用所述光电检测器阵列捕获图像；
基于被捕获的图像，根据亮度将所述预定图像区域重新划分成多个新的子区域；以及
基于所述多个新的子区域中的每个子区域的权重，设定所述条形码扫描器中的所述光电检测器阵列的所述曝光量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：根据亮度，确定所述多个子区域中的每个子区域的类型，其中所述确定步骤包括：
将子区域分类为第一类型或第二类型。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：将权重分配给所述多个子区域中的每个子区域，其中所述分配步骤包括：
如果子区域被分类为所述第一类型，则将第一权重分配给所述子区域；以及
如果子区域被分类为所述第二类型，则将第二权重分配给所述子区域。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一权重比所述第二权重大至少两倍。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，用于确定所述多个子区域中的每个子区域的类型的所述步骤包括：
基于像素值的直方图，确定所述多个子区域中的每个子区域的类型。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于设定所述光电检测器阵列的曝光量的所述步骤包括：
将所述多个子区域中的每个子区域的权重设置到微芯片器件中，所述微芯片器件中具有所述光电检测器阵列。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于重新划分所述预定图像区域的所述步骤包括以下步骤：
将所述预定图像区域划分成多个统计块；
将被捕获图像中的多个统计块中的每个统计块分类为第一类型或第二类型；
确定所述多个统计块的类型分布；以及
基于所述多个统计块的类型分布，将所述预定图像区域重新划分成多个新的子区域，并将权重分配给每个新的子区域。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
将相等权重分配给所述新的多个子区域中的每个子区域。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
基于被捕获图像，将权重分配给所述新的多个子区域中的每个子区域。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，对所述多个统计块中的每个统计块分类的步骤包括：
基于像素值的直方图，对所述多个统计块中的每个统计块分类。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，用于设定所述光电检测器阵列的曝光量的所述步骤包括：
将所述新的多个子区域中的每个子区域的权重设置到微芯片器件中，所述微芯片器件中具有所述光电检测器阵列。
12.一种用于对目标对象成像的条形码扫描器，包括：
照明源，用于提供射向目标对象的照明；
光电检测器阵列，其位于所述条形码扫描器内，用于捕获来自所述目标对象的图像；
电子电路，其在操作上用于：
将预定图像区域划分成多个子区域；以及
基于所述光电检测器所捕获的图像，根据亮度将所述预定图像区域重新划分成多个新的子区域；
微芯片器件，在所述微芯片器件中具有所述光电检测器阵列，所述微芯片器件在操作上用于接收所述多个新的子区域中的每个子区域的权重；
其中，所述条形码扫描器根据所述多个新的子区域中的每个子区域的权重，设定所述光电检测器阵列的曝光量。
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