CN107071266A - 一种高拍仪及其图像校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高拍仪及其图像校正方法，该高拍仪的摄像头的水平方向的角度以及仰角均可自动调节，在拍摄纸质文件前，摆放高拍仪时，用户只需将其摆放在大致的方位，使纸质文件处于高拍仪的拍摄范围内即可，高拍仪对摄像头自动进行机械校正，完成摄像头精确对准纸质文件的步骤，这样就省去了用户调整高拍仪的角度的步骤，极大方便了用户；由于该高拍仪在软件校正之前进行机械校正，使软件校正步骤开始之前摄像头的拍摄区域与纸质文件的文字区域的相对偏差角度很小，摄像头基本对准文字区域，这样可以极大提升后续的软件校正的效果，得到高质量的电子文件。

Description

一种高拍仪及其图像校正方法

技术领域

本发明涉及信息采集技术领域，更具体地说，它涉及一种图像采集设备，尤其涉及一种高拍仪及其图像校正方法。

背景技术

随着社会信息化程度提高，办公领域对于各种纸质文档电子化的要求越来越强烈，高速扫描或者高速拍摄越来越多被利用。但随着人工成本的提高，越来越多的企业更倾向于使用无人值守的快速文档电子化设备。

高拍仪可以很好的解决以上问题，利用摄像头拍摄纸质文档，形成电子文件。 在将拍摄的图像转换为电子文件的过程中，由于拍摄角度的偏差，往往需要对拍摄到的图像进行校正，将图像旋转、裁切等，最终方便高拍仪准确识别图像中的文字。

现有的高拍仪一般是采用软件算法来对图像校正，其校正效果受到拍摄角度的很大影响，如果高拍仪与被拍摄纸质文件存在较大的角度偏差，将导致后续的软件校正效果十分差。因此，要保证良好的软件校正效果，在进行拍摄前就需要仔细调整高拍仪的摄像头与纸质文件的相对角度，使摄像头尽量正对纸质文件，这样操作起来并不是十分方便。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种高拍仪，其具有活动式的摄像头，可以自动调整摄像头的角度，使摄像头能够自动对准纸质文件，实用十分方便。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种高拍仪，包括底座、支架以及与支架转动连接的活动臂，活动臂的前端装有摄像头，在高拍仪内集成有单片机，所述活动臂的内部设有悬架，所述悬架的上部与活动臂转动连接且悬架可绕在竖直平面内垂直于活动臂的轴线转动，所述悬架的两侧向下伸出，在悬架的下部设有活动环，所述活动环的两侧与悬架的两侧固定，所述摄像头位于活动环内并与活动环转动连接，且摄像头的转动轴线垂直于悬架的转动轴线，且悬架与活动环的两个连接处中心位置的连线垂直于摄像头的转动轴线，所述活动环的外周上沿其周向设有齿槽，在活动臂内部固定有主电机，主电机的动力输出轴上同轴固定有主齿轮，所述主齿轮与活动环啮合，所述悬架的一侧设有副齿轮并在悬架上固定有用于驱动副齿轮的副电机，所述摄像头上与副齿轮对应的部位的上部固定有向上延伸且朝悬架内侧弯曲的弧形的齿条，所述副齿轮与齿条啮合，所述主电机和副电机均与单片机连接并由单片机控制转动，所述摄像头上装有与单片机连接的用于检测摄像头的仰角的角度传感器。

采用上述方案，在活动臂内设置可水平旋转的悬架，在悬架下方设置活动环并在活动环内装设可转动调节仰角的摄像头，是摄像头的镜头可以在水平维度和竖直维度内自由活动，从而调节摄像头的拍摄角度，再利用电机驱动摄像头在两个维度内的活动，可以实现镜头自动对准纸质文件的功能，从而无需手动完成精确的对准步骤，大大降低了手动摆放高拍仪的角度要求，用户只需把握好大致的摆放角度即可，十分便捷。

作为优选方案：所述悬架的上部固定有连接轴，所述连接轴的上部为由两个互相平行且间隔设置的限位盘构成的活动连接部，所述活动臂内部设有与该活动连接部配合的环形卡位结构。

采用上述方案，该种结构在保证悬架可以自由旋转的前提下，使悬架和活动环不与活动臂接触，从而使悬架的转动阻力最小化，降低主电机的输出力矩，节省电能。

作为优选方案：所述悬架的侧部为弯曲方向与所述齿条一致的弧形部，所述悬架安装副齿轮的一侧开设有贯穿的悬架内外侧的安装槽，所述副齿轮位于安装槽中，所述副电机固定在副齿轮的一侧，副齿轮与副电机的动力输出轴同轴固定。

采用上述方案，可以使二轴活动结构结构紧凑，减小对空间的占用。

作为优选方案：所述主电机和副电机均为步进电机。

采用上述方案，可以便于精准控制主电机和副电机的转动行程。

本发明的另一个目的在于一种图像校正方法，该方法利用在该高拍仪上，可以使该高拍仪将被拍摄的纸质文件准确、快速地转化为高质量的电子文件，大幅提升高拍仪的图像处理性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种图像校正方法，适用于上述高拍仪，包括如下步骤：

S1、摆放好纸质文件后打开高拍仪，拍摄纸质文件形成图像，对图像进行黑白化处理，计算黑白图像中的各个区域的平均灰度值，以参考灰度值来筛选这些区域，保留平均灰度值接近参考灰度值的区域将保留的区域顺次连接形成文字区域H的边缘线；

采用上述方案，可以快速形成图像的文字区域的边缘线，形成的边缘线具有较高的准确性和参考性，方便进行后续的操作。

S2、确定文字区域的边缘线后，以摄像头的拍摄区域S的中心为坐标原点(X0，Y0)，建立坐标系，并将坐标原点与拍摄区域的上边框的中点的连线定义为坐标系的纵轴，利用文字区域H的相对的两段边缘线的四个端点坐标确定文字区域H的中心坐标(Xi,Yi)，将坐标(Xi,Yi)与原点 (X0,Y0)进行计算得到偏移向量，计算得到H区域的上边框的中点坐标(Xn,Yn)，再将坐标(Xn,Yn)与偏移向量进行计算得到纠正坐标(Xr,Yr)，之后计算得到拍摄区域S与文字区域H在水平方向上的相对偏差角度；

S3、根据相对偏差角度计算出主电机的转动行程；

S4、利用单片机控制主电机完成转动行程；

采用上述方案，可以调整摄像头的水平方向的拍摄角度，使拍摄区域与纸质文件的文字区域在水平面内的夹角变小，被限制在符合要求的范围内，便于后期形成高质量的电子文件。

S5、利用角度传感器检测摄像头的实时仰角并向单片机输出角度检测信号，利用单片机控制副电机驱动摄像头进行仰角的反馈调节，直至摄像头的镜头正对纸质文件。

采用上述方案，在摄像头的水平方向的拍摄角度校正后，再对摄像头的仰角进行调节，使摄像头最终能够正对纸质文件，从而能使摄像头能够拍摄出基本无角度偏差、无变形的图像，有利于后续的步骤中产生高质量的电子文件。

S6、再次拍摄纸质文件，形成图像，提取图像的各个部位的灰度值，再对图像进行二值化处理，确定出需要裁切的目标区域；随后根据灰度值筛分出目标区域的边缘部位，再从边缘部位提取目标区域的边缘线；

S7、完成裁边目标区域的裁切，得到裁切图像。

S8、图像纠偏为矩形，保存目标区域图像。

作为优选方案：在进行S7步骤前还包括对裁边目标区域的边缘线过滤的步骤，具体如下：

选取裁边目标区域的某一条边缘线，在其附近区域以一定的空间间隔寻找其余边缘线，若附近区域无其他边缘线，则停止寻找，若其附近区域有其他边缘线，则随即选取一条边缘线作为有效边缘线，滤除掉其他重复的边缘线。

作为优选方案：完成边缘线过滤的步骤之后且在S7步骤之前还包括不补边的步骤，具体如下：

利用图像灰度值的过渡来确定裁边目标区域的各个边的边缘线的端点数量和端点坐标，从而判断是否有缺边区域，当某一边缘线出现断线，则直接利用图像处理算法填补断线处；当某相邻两边的边缘线并未交叉，则建立各个边缘线的解析方程，利用方程计算出相邻两边的边缘线的交点坐标，再进行填补。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、由于该高拍仪的摄像头的水平方向的角度以及仰角均可自动调节，在拍摄纸质文件前，摆放高拍仪时，用户只需将其摆放在大致的方位，使纸质文件处于高拍仪的拍摄范围内即可，高拍仪对摄像头自动进行机械校正，完成摄像头精确对准纸质文件的步骤，这样就省去了用户调整高拍仪的角度的步骤，极大方便了用户。

2、由于该高拍仪在软件校正之前进行机械校正，使软件校正步骤开始之前摄像头的拍摄区域与纸质文件的文字区域的相对偏差角度很小，摄像头基本对准文字区域，这样可以极大提升后续的软件校正的效果，得到高质量的电子文件。

3、该高拍仪采用了结构紧凑的摄像头调节机构，不会额外占用高拍仪太多的空间，可以在现有高拍仪的基础之上对活动臂进行简单的改装就能轻松实现安装，而无需重新设计高拍仪的整体结构。

附图说明

图1为高拍仪的整体结构示意图；

图2为摄像头及其调节机构的第一视图；

图3为摄像头及其调节机构的第二视图；

图4为摄像头及其调节机构的第三视图；

图5为高拍仪的电路原理图；

图6为角度纠正的原理示意图；

图7为图像校正方法的流程图。

附图标记说明: 1、底座；2、支架；3、活动臂；4、摄像头；401、主体；402、镜头；403、转轴；5、补光灯；6、活动环；7、悬架；8、连接轴；9、活动连接部；901、上限位盘；902、下限位盘；10、主电机；11、主齿轮；12、安装槽；13、副齿轮；14、齿条；15、副电机；16、电机座；17、肋板。

具体实施方式

实施例一：

一种高拍仪。

参照图1，该高拍仪包括底座1、支架2以及与支架2转动连接的活动臂3，活动臂3的前端设有摄像头4和补光灯5,摄像头4为活动式摄像头4。

参照图2，为实现摄像头4活动的结构。摄像头4位于活动环6内并与活动环6转动连接，活动环6的上方固定有“门”形的悬架7，其包括横向部位为位于横向部位两端且向下延伸的两个侧部，悬架7的两侧部为向活动环6的内侧弯曲的弧形，悬架7的上方且位于悬架7的中部固定有竖直方向上的连接轴8，连接轴8的上端为将悬架7与活动臂3连接的活动连接部9，活动连接部9有平行设置的上限位盘901和下限位盘902构成，上限位盘901和下限位盘902均与连接轴8同轴固定，两限位盘之间存在空间。在活动臂3的内部设置环形的卡位结构，将环形卡块伸入两个限位盘之间的空间内，使两个限位盘分别位于环形卡块的上方和下方，就能完成连接轴8与活动臂3的活动连接。

活动环6的外周均匀地设有齿槽，主电机10倒立设置，主电机10固定在活动臂3的内部，主电机10的动力输出轴的下端同轴固定有主齿轮11，主齿轮11与活动环6啮合。主电机10工作时，其动力输出轴转动带动主齿轮11转动，最终驱动活动环6绕连接轴8转动，摄像头4随着活动环6一起绕连接轴8转动，摄像头4的水平方向上的拍摄角度发生改变。

悬架7的一侧开设有安装槽12，安装槽12内设有副齿轮13，副齿轮13的轴向为水平方向。在摄像头4的主体401上对副齿轮13对应的部位（该部位定义为摄像头4的主体401的前部）固定有齿条14，齿条14向上伸出并朝活动环6的内侧弯曲，副齿轮13与齿条14啮合。本实施例中，通过设置，使镜头402的拍摄区域的上边框（图4中虚线所示）与齿条14所在的部位相对应。

参照图3，在悬架7上开设有安装槽12的一侧固定有电机座16，电机座16的下方设有器支撑作用的肋板17，电机座16的上方固定有副电机15，副电机15的动力输出轴处于水平方向，副电机15的动力输出轴伸入安装槽12内，副齿轮13与副电机15的动力输出轴同轴固定。摄像头4的主体401的两侧部固定有转轴403，在活动环6的内侧上开设有与摄像头4的主体401两侧的转轴403对应的安装孔，安装孔的孔径大于转轴403的直径，转轴403插入安装孔内。摄像头4可随转轴403绕转轴403的轴线一起转动。摄像头4两侧转轴403的连线垂直于悬架7的横向部位的长度方向。副电机15工作时，其动力输出轴转动带动副齿轮13转动，副齿轮13带动齿条14，驱动摄像头4绕转轴403转动，摄像头4的拍摄仰角发生改变。

本实施例中，主电机10和副电机15均为步进电机，在高拍仪内部集成有用于控制主电机10转动以及用于控制副电机15转动的单片机，在摄像头4内部集成有用于检测摄像头4的仰角的角度传感器。

参照图5，角度传感器连接单片机的信号输入端，角度传感器实时检测摄像头4的仰角并向单片机输出角度检测信号；主电机10和副电机15均连接单片机的脉冲信号输出端；摄像头4连接单片机的数据串口；图像编辑器件连接单片机的内部缓存。

实施例二：

一种图像校正方法，该方法适用于实施例一中的高拍仪。

该方法包括以下步骤:

S1、纸质文件的文字区域的边缘线的确定步骤：

将高拍仪展开，将纸质文件放置在高拍仪的摄像头下方后，打开高拍仪，高拍仪开启后，单片机控制摄像头拍摄纸质文件，单片机内置图像处理算法，摄像头拍摄的图片被单片机存储在内部缓存中，随后图像编辑器件将缓存中的图像进行黑白化处理，使之成为黑白图像，这样图像中的文字区域和空白区域就具有明显的明暗度差异。随后，单片机利用图像处理算法对黑白图像中的各个区域的灰度值进行计算得到各个区域的平均灰度值数据，再根据黑白图像中的空白区域与文字区域的平均灰度值作为的参考灰度值来筛选这些区域，将灰度值平均灰度值接近参考灰度值的区域保留而筛除其他区域，再将这些区域顺次连接起来就确定了黑白图像中文字区域的边缘线，理论上，采样区域划分得越小，其包含的采样点就越少，所得到的文字区域的边缘线就越精确。

S2、摄像头的拍摄边框与纸质文件的文字区域的边缘线的相对偏差角度的确定步骤：

参照图6，确定黑白图像中文字区域的边缘线后，以摄像头的拍摄覆盖区域S的中心为坐标原点(X0,Y0)，建立坐标系，并将坐标原点(X0,Y0)与拍摄区域的上边框的中点(Xm,Ym)的连线定义为坐标系的纵轴。

根据黑白图像中的文字区域H的相对的两段边缘线的端点坐标(X1,Y1) 、(X2,Y2)、 (X3,Y3)和 (X4,Y4)，以四个端点坐标为准，建立两条对角线的方程，计算出两条对角线的交点坐标(Xi,Yi)，利用对角线原理，计算出的坐标即为文字区域的中心坐标。再将文字区域的中心坐标(Xi,Yi)与坐标原点(X0,Y0)进行计算得到偏移向量，利用端点坐标(X2,Y2)、 (X3,Y3)计算出H区域的上边框的中点坐标(Xn,Yn)，再将坐标(Xn,Yn)与偏移向量进行计算得到纠正坐标(Xr,Yr),如图6所示。之后，利用坐标(X0,Y0) 、(Xm,Ym) 以及(Xr,Yr)进行计算得到夹角α——即S区域与H区域在水平方向上的的相对偏差角度。

S3、将摄像头的拍摄边框与纸质文件的文字区域的边缘线的相对偏差角度转换为主电机所需走动的步数的步骤：

若主电机的动力输出轴转动一周所需的步数为N步，则可以换算出要驱动滑动环转过α角度就要使主电机转动N*α/360步。

S4、摄像头水平方向的角度调节的步骤：

单片机向主电机发出N*α/360个脉冲信号，驱动主电机走动N*α/360步。

S5、摄像头的仰角调节的步骤；

摄像头内部的角度传感器检测摄像头的实时仰角并向单片机输出角度检测信号，单片机将接收到的角度检测信号与水平方向的角度信号进行比较，若前者大于后者，则单片机向副电机输出脉冲信号，控制副电机正转，摄像头的前部被压低，摄像头趋于水平拍摄角度；若前者小于后者，则单片机向副电机输出脉冲信号，控制脉冲副电机反转，摄像头的前部被太高，摄像头趋于水平拍摄角度。在摄像头的仰角调节的过程中，副电机每走一步，单片机都将接收的角度检测信号进行比较，直至摄像头的仰角停止调节，此时摄像头的仰角为0度，其镜头正对纸质文件。

经过水平偏差角度的调节和仰角的调节后，就完成了摄像头的校正。

校正后即进行正式的拍摄、生成电子文件的步骤。

S6、拍摄图像并确定裁边目标区域的步骤：

单片机再次控制摄像头拍摄纸质文件，形成图像，利用图像处理算法提取图像的各个部位的灰度值，再利用二值化的处理方法将图像的灰度值进行处理，将图像中的高灰度区域标为1，低灰度区域标为0，从而确定出需要裁切的目标区域。随后根据灰度值筛分出目标区域的边缘部位，再从边缘部位提取目标区域的边缘线。

若边缘线有重复的，则需要进行过滤。

S7、裁边目标区域的边缘线过滤的步骤：

选取某一条边缘线，在其附近区域以一定的空间间隔寻找其余边缘线，若附近区域无其他边缘线，则停止寻找，若其附近区域有其他边缘线，则随即选取一条边缘线作为有效边缘线，滤除掉其他重复的边缘线。

若各个有效边缘线不能形成完整的四边形的，则需要进行补边处理。

S8、补边处理的步骤:

利用灰度二值化后的图像灰度值的过渡来确定裁边目标区域的各个边的边缘线的端点数量和端点坐标。根据各个边的边缘线的端点数量和端点坐标判断是否有缺边区域，例如，当某一边的边缘线具有至少四个端点，则说明该边缘线出现断线的情况，针对这种情况，则直接利用图像处理算法填补断线处，使该边缘线变得完整；而当某两边的边缘线的对应的端点的坐标不一致时，说明相邻两边的边缘线并未交叉，存在缺边区域，则建立各个边缘线的解析方程，利用方程计算出相邻两边的边缘线的交点坐标，在进行补边处理。经过补边处理后，裁边目标区域的边缘线就是完整的四边形了。

S9、完成裁边目标区域的裁切，得到裁切图像。

S10、图像纠偏为矩形，保存目标区域图像。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高拍仪，包括底座、支架以及与支架转动连接的活动臂，活动臂的前端装有摄像头，在高拍仪内集成有单片机，其特征是：所述活动臂的内部设有悬架，所述悬架的上部与活动臂转动连接且悬架可绕在竖直平面内垂直于活动臂的轴线转动，所述悬架的两侧向下伸出，在悬架的下部设有活动环，所述活动环的两侧与悬架的两侧固定，所述摄像头位于活动环内并与活动环转动连接，且摄像头的转动轴线垂直于悬架的转动轴线，且悬架与活动环的两个连接处中心位置的连线垂直于摄像头的转动轴线，所述活动环的外周上沿其周向设有齿槽，在活动臂内部固定有主电机，主电机的动力输出轴上同轴固定有主齿轮，所述主齿轮与活动环啮合，所述悬架的一侧设有副齿轮并在悬架上固定有用于驱动副齿轮的副电机，所述摄像头上与副齿轮对应的部位的上部固定有向上延伸且朝悬架内侧弯曲的弧形的齿条，所述副齿轮与齿条啮合，所述主电机和副电机均与单片机连接并由单片机控制转动，所述摄像头上装有与单片机连接的用于检测摄像头的仰角的角度传感器。

2.根据权利要求1所述的高拍仪，其特征是：所述悬架的上部固定有连接轴，所述连接轴的上部为由两个互相平行且间隔设置的限位盘构成的活动连接部，所述活动臂内部设有与该活动连接部配合的环形卡位结构。

3.根据权利要求1所述的高拍仪，其特征是：所述悬架的侧部为弯曲方向与所述齿条一致的弧形部，所述悬架安装副齿轮的一侧开设有贯穿的悬架内外侧的安装槽，所述副齿轮位于安装槽中，所述副电机固定在副齿轮的一侧，副齿轮与副电机的动力输出轴同轴固定。

4.根据权利要求1所述的高拍仪，其特征是：所述主电机和副电机均为步进电机。

5.一种图像校正方法，适用于如权利要求1-4中任意一项所述的高拍仪，其特征是，包括如下步骤：

S1、摆放好纸质文件后打开高拍仪，拍摄纸质文件形成图像，对图像进行黑白化处理，计算黑白图像中的各个区域的平均灰度值，以参考灰度值来筛选这些区域，保留平均灰度值接近参考灰度值的区域将保留的区域顺次连接形成文字区域H的边缘线；

S2、确定文字区域的边缘线后，以摄像头的拍摄区域S的中心为坐标原点(X0，Y0)，建立坐标系，并将坐标原点与拍摄区域的上边框的中点的连线定义为坐标系的纵轴，利用文字区域H的相对的两段边缘线的四个端点坐标确定文字区域H的中心坐标(Xi,Yi)，将坐标(Xi,Yi)与原点 (X0,Y0)进行计算得到偏移向量，计算得到H区域的上边框的中点坐标(Xn,Yn)，再将坐标(Xn,Yn)与偏移向量进行计算得到纠正坐标(Xr,Yr)，之后计算得到拍摄区域S与文字区域H在水平方向上的相对偏差角度；

S3、根据相对偏差角度计算出主电机的转动行程；

S4、利用单片机控制主电机完成转动行程；

S5、利用角度传感器检测摄像头的实时仰角并向单片机输出角度检测信号，利用单片机控制副电机驱动摄像头进行仰角的反馈调节，直至摄像头的镜头正对纸质文件；

S6、再次拍摄纸质文件，形成图像，提取图像的各个部位的灰度值，再对图像进行二值化处理，确定出需要裁切的目标区域；随后根据灰度值筛分出目标区域的边缘部位，再从边缘部位提取目标区域的边缘线；

S7、完成裁边目标区域的裁切，得到裁切图像；

S8、图像纠偏为矩形，保存目标区域图像。

6.根据权利要求5所述的图像校正方法，其特征是：在进行S7步骤前还包括对裁边目标区域的边缘线过滤的步骤，具体如下：

选取裁边目标区域的某一条边缘线，在其附近区域以一定的空间间隔寻找其余边缘线，若附近区域无其他边缘线，则停止寻找，若其附近区域有其他边缘线，则随即选取一条边缘线作为有效边缘线，滤除掉其他重复的边缘线。

7.根据权利要求6所述的图像校正方法，其特征是：完成边缘线过滤的步骤之后且在S7步骤之前还包括不补边的步骤，具体如下：

利用图像灰度值的过渡来确定裁边目标区域的各个边的边缘线的端点数量和端点坐标，从而判断是否有缺边区域，当某一边缘线出现断线，则直接利用图像处理算法填补断线处；当某相邻两边的边缘线并未交叉，则建立各个边缘线的解析方程，利用方程计算出相邻两边的边缘线的交点坐标，再进行填补。