CN111527742B - 通过用于光学可读代码识别的cmos型图像传感器采集图像的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种目标代码的图像采集方法，该方法允许CMOS传感器在用于采集目标代码的读取器被触发之后，快速且内部地确定用于拍摄该代码图像所需的曝光时间值Topt。传感器被触发后会激活测量模式Mode_MES，该模式快速采集k个不同的曝光时间值Ti(i＝1至k，k至少等于2)的图像数据，并且该采集仅用于传感器并仅基于直方图H(Ti)快速地定义所需的曝光时间值，所述直方图H(Ti)是基于针对不同的曝光时间采集的图像数据计算出的；该值存储在图像拍摄参数的寄存器中，然后传感器激活标称图像采集模式Mode_ACQ，该模式将由寄存器提供的该所需曝光时间值应用于矩阵的所有像素，所获取的图像DATA‑OUT是传感器作为输出传送的图像，以用于外部系统对代码进行解码/识别。

Description

通过用于光学可读代码识别的CMOS型图像传感器采集图像的 方法

技术领域

本发明涉及一种通过用于识别光学可读代码的有源像素(像素结构包括光敏元件和控制晶体管)CMOS传感器来控制图像拍摄的方法。这些传感器集成到可识别代码的光电装置中，这些光电装置通常称为条形码读取器。这些读取器通常用于许多商业和工业领域，作为自动收集数据、替代键盘输入的手段，适用于各种应用，例如销售、可追溯性(制造、分销)、商品派发、医疗保健、库存管理、书籍租借等。

这些通常印在(以标签的方式贴在)或刻在物体表面的代码通常采用两种颜色的符号，该符号可以是一维线性的(条形码)，也可以是多维的(QR代码、PDF 417、数据矩阵等)。每个符号或图案一一对应地表示与贴有代码的物体相关的信息值(或一组值)，例如价格和/或折扣、可追溯性数据(制造、派发、采样的时间、地点等)等等。对代码进行解码可以可靠地获取与所涉及的物体相关的一个或更多个信息值。

背景技术

包含CMOS矩阵图像传感器的代码读取器包括照明装置，该照明装置包括与光学组件(反射镜、透镜)相关联的光源(例如，LED和/或激光器)，该光源设置为照亮待采集的目标代码。传感器拍摄该目标代码的图像，然后将获取的图像数据发送到外部数字处理系统(该系统通过任意类型的有线或无线通信方式连接到读取器)，并且传感器外部的该系统对代码进行解码。

在这种类型的应用中需要的是传感器尽可能快地传送高质量的代码图像(即足够高的质量的代码图像)，以允许对代码进行解码或识别而没有错误。更准确地说，由传感器传送的图像必须很好地位于传感器的有效动态范围内，即，既不能曝光不足，否则信噪比太低；也不能曝光过度，以免丢失太多有用的信息。

一旦针对该应用调整了读取器的内部照明源的光功率，则所获取的图像质量取决于传感器的图像拍摄参数，具体地，取决于像素的曝光时间。曝光时间通常由操作员在工厂或现场预设为一个值，该值根据下列的使用的操作条件进行限定：环境光水平(在室外、室内、人造光下使用)；读取器光源的功率，即照亮物体/代码的光源的功率；带有代码的物体的材料类型；固定或手持的读取器。但是，该预设的“默认”值实际上不能够从第一次图像拍摄中直接获取高质量的图像，这是因为存在太多与读取器的人机工程学相关的外部因素，其阻止了实际的图像拍摄条件完全受控。读取器的人体工程学定义了如何对其进行使用。例如，读取器可以是固定的，而目标代码则是手动或机械地放到读取器前面；或者，读取器可以是便携式的，即由操作员持有(手持)或佩戴(佩戴在手臂、头上等)。读取器运行的环境可以利用人工或自然环境光照亮。物体本身(包含代码的表面的相对反射特性)或物体的呈现方式(距离、呈现角度)都是也可能会影响传感器收集的光量的因素。因此，当传感器被触发时，它将采用的图像拍摄参数不一定适合于触发拍摄的时刻的目标代码的图像拍摄条件。

由于这些原因，使用了由外部代码识别系统控制的迭代图像拍摄循环，以使图像拍摄参数，尤其是像素的曝光时间适合于实际条件。该循环如下运行：一旦触发，传感器就会定期地采集目标代码的图像，并将其发送到外部系统。对于每次图像拍摄，传感器都应用由传感器的图像拍摄寄存器传送的当前的参数值，从而具体地定义曝光时间值。就其本身而言，系统接收图像，并且对于每个接收到的图像，如果系统判断其质量太低而无法对代码进行解码，即，如果图像曝光不够好，则外部系统确定并发送新的曝光时间值，该值存储在传感器的图像拍摄参数的寄存器中，目的是获取曝光更好的新的图像。仅在下一次图像拍摄时，传感器才会考虑该值。这个迭代的采集和传送循环一直持续到系统验证图像质量并成功解码代码为止。

外部系统确定新的曝光时间值使用一种或多种算法，所述算法利用图像的直方图，即像素根据图像灰度级(如果直方图是归一化的，则是概率密度)的分布。如果图像中具有256个编码的灰度级，则直方图表示有多少像素具有0、1、直到255的值。

因此，外部系统计算接收到的图像的直方图；基于当前的曝光时间值以及像素的读取链的增益(但是对于这种类型的应用，该增益通常设为1)，这些值与图像数据一起由传感器传送，在适当的情况下，外部系统通过将所获取的直方图的一个或更多个特征值(平均值、具有低于给定灰度级的值的像素的百分比、饱和像素的百分比等)与参考值进行比较，确定新的曝光时间值。如果图像曝光过度，由此确定的新的曝光时间值将低于当前值；相反，如果图像曝光不足，则新的曝光时间值将高于当前值。

技术问题

实际上，考虑到采集图像并将所述图像传送到外部系统所需的时间，以及确定新的曝光时间值并将该值写入传感器所需的时间，由外部系统基于由传感器传送的第一图像的数据而设定的新的曝光时间值最多将仅应用于在第一次图像拍摄之后的第三次或甚至第四次图像拍摄；系统仍然必须检查该第三或第四图像的质量，然后，只有在该质量良好的情况下，才对代码进行解码。

用于确定适合于采集当前目标代码的曝光时间的该迭代外部循环使得代码读取器的响应时间不可忽略，该响应时间对应于接收至少三个或四个图像所需的时间。结果，读取器的响应时间(即读取器被触发的时刻与代码被解码的时刻之间的时间)太长。这种可以察觉的迟钝使对于用户的读取器的人体工程学变差，并且系统的功耗(传感器以及照明源的功耗(LED的闪烁次数))随着拍摄的图像数量的增加而增大。

专利申请EP 1 791 074提出，在卷帘快门曝光模式的情况下，通过从覆盖一组行的一个矩阵区域到另一个矩阵区域改变曝光时间，来确定条形码的图像拍摄的最佳曝光时间。在第一次图像拍摄(称为研究图像拍摄)中，在卷帘快门模式下，对5个图像区域应用5个不同的曝光时间，并对每个图像区域进行统计计算，以区分这些区域并确定最佳曝光时间，或者通过两个最佳曝光时间进行推断。然后将由此确定的曝光时间用于新的图像拍摄，该图像为在输出端传送的图像。该方法的缺点是需要两次完整的图像拍摄，并且比较针对不同图像区域计算出的统计数据。

发明内容

本发明提供了另一种技术，该技术用于确定通过包括有CMOS传感器的代码读取器拍摄目标代码图像的最佳曝光时间，该技术改善了响应时间和作为输出传送的图像的质量。

本发明所基于的技术方案是一种用于采集目标代码的图像的方法，该方法使传感器在触发读取器以采集目标代码之后，通过标称图像拍摄之前的测量模式，能够快速且内部地(片上)确定该代码的图像拍摄所需的曝光时间值，该测量模式利用在矩阵的行或列上周期性分布的至少两个不同的曝光时间值进行图像数据的快速采集，并且利用这些不同的曝光时间值获取的图像数据只被传感器利用，并仅用来快速地限定所需的曝光时间值。然后该值用于进行标称图像拍摄，并且所获取的图像是作为输出传送的图像，以用于代码的解码/识别。使用这种传感器的代码读取器的响应时间显著减少。该响应时间主要等于采集用于确定所需时间值的图像数据所需的短时间，再加上采集和传送单个标称图像作为输出所需的时间。此外，不同的曝光时间值是周期性地分布在行或实际上是列上的，标称曝光时间是基于统计数据确定的，该统计数据是利用由规则地分布在整个图像上的像素生成的数据计算出的。换句话说，这些测量图像数据具有良好的空间均匀性(欠采样)和良好的时间均匀性(Ti)，这有利于最佳的所需的曝光时间的确定。

通过在测量图像的快速读取阶段中组合不同的曝光时间的分布选择以及与行相关的欠采样，可以促进这种在空间和时间上的双重均匀性。

因此，本发明的方法可以明显改善代码读取器的人体工程学，并降低其功耗。

因此，本发明涉及一种用于采集CMOS电子图像传感器光学可读的一个或更多个代码的图像的方法，该方法在传感器接收到外部触发信号时被激活，并且该方法包括进行测量图像拍摄以确定所需的曝光时间值，然后将所述所需的曝光时间值作为当前曝光时间值应用于矩阵的所有像素，以便进行标称图像拍摄，其特征在于，测量图像拍摄包括：

-积分阶段，其是像素共有的，并且其中k个不同的曝光时间值应用于规则分布在矩阵的行或列上的像素，每个像素与k个不同的值中的一个值相关联，k为至少等于2的整数；

-快速采集阶段，其中以不同的像素曝光时间值快速地采集数字图像数据，并且所述快速采集阶段包括应用矩阵的行的欠采样的快速读取阶段；以及

-确定阶段，其中通过比较基于快速采集阶段中获取的数字图像数据针对每个不同的曝光时间值而计算出的直方图来确定所需的曝光时间值。

根据本发明的一方面，根据矩阵的列上的周期性模式，将k个像素曝光时间值分布在像素上。

根据本发明的一方面，矩阵的行的欠采样的比值为1至8、16或32。

根据本发明的另一方面，计算测量模式的不同的曝光时间值的直方图，所述直方图的灰度级的数量小于测量模式下与模数转换装置的分辨率对应的灰度级的数量。

附图说明

参考附图，在下面的描述中将给出本发明的其他特征和优点，其中：

图1示意性地示出了便携式代码读取器；

图2是适用于实现根据本发明的方法的现有技术的代码读取器的CMOS传感器架构的简化示意图；

图3示出了图2的矩阵的像素的控制的变体方案；

图4是根据本发明的用于在条形码读取器传感器中采集图像的方法的总体流程图；

图5是根据本发明的采集方法的快速测量步骤的更详细的流程图；

图6示出了对应于像素暴露于光的不同时间的各种图像直方图；

图7示出了各种曝光时间值在像素矩阵的列上的分布的示例；

图8示出了各种曝光时间值在像素矩阵的行上的分布的另一示例；以及

图9至图11示出了测量模式的矩阵中的关注区域的定义的示例。

具体实施方式

本发明涉及包括CMOS传感器的代码读取器，不论所述代码读取器是固定的(例如集成在超市自助结账装置中的那些代码读取器)，还是由操作员携带并操作的。图1示出了该示例中的便携式代码读取器。该便携式代码读取器包括：CMOS电子传感器1、光源2以及光学系统3，所述CMOS电子传感器1包括有源像素的矩阵；所述光源2用于通过标为o的窗口照亮目标(贴在物体上的代码)；所述光学系统3设置为将目标反射的光重新定向到传感器的像素矩阵上。在目前的系统中，对于图像拍摄，光源通常采用由LED产生的闪光来照亮目标。为了帮助操作员在图像拍摄之前使目标代码居中，某些系统可以进一步集成与衍射光学元件相关联的激光源，以投射特定的图案(十字形、角形等)。该操作被称为瞄准操作。该激光源通常在用于图像拍摄的LED闪光之前关闭。

便携式读取器配备有触发器4或等效机构(可选地是手动的)，用于触发读取器。当该机构被激活时，触发信号Trig将读取器从低功率待机模式唤醒，光源和传感器被激活以便采集目标代码的图像并将其传送到用于处理数字数据的外部系统5，该外部系统5对代码进行解码。图像以(数字)数据流的形式经由传输线(例如USB线)或经由无线传输装置传送到处理系统5。如果读取器是固定的，则触发信号Trig例如由集成到读取器中的存在检测系统生成。

如图2所示，CMOS传感器通常包括：有源像素的矩阵M、读取电路ADC、数字处理电路COMP和I/O接口电路，所述有源像素的矩阵M为n行(Row₀至Row_n-1)、m列(Col₀至Col_m-1)(n、m为整数)的矩阵；所述读取电路ADC包括一个或更多个模数转换器；所述数字处理电路COMP能够对由读取电路传送的图像数据进行计算，具体地，计算直方图；所述I/O接口电路用于将图像数据传送至外部系统5。这些各种电路由用于对传感器进行排序的电路SEQ控制，该电路SEQ发送执行图像拍摄所需的各种控制信号。具体地，时序电路传送用于控制有源像素的晶体管的信号。

为了便于描述，在此将回顾CMOS传感器的包含晶体管的有源像素结构通常至少包括：

-初始化晶体管，其允许将光敏元件中积累的所有电荷排空到排空漏极。初始化脉冲的末尾设置像素的曝光时间的开始：从这一点起，光敏元件可以(再一次)积累光生电荷；

-转移晶体管，其允许将光敏元件中积累的所有电荷转移到存储节点，该存储节点可以是像素的读取节点或临时的存储节点。对于正在进行的图像拍摄，转移脉冲的结尾设置像素的曝光时间的结束；

-用于将像素的读取节点归零的晶体管；以及

-跟随器晶体管，其栅极连接到读取节点，该读取节点与用于选择像素的晶体管相关联，该用于选择像素的晶体管连接在能够将存储在读取节点中的电荷转换为列导体上的相应的模拟电压水平的跟随器晶体管的源极和列导体之间，该列导体连接到模数转换电路。

尽管出于本发明的描述的目的而无需进一步深入细节，但是众所周知，有源像素结构可以包括除上述四种晶体管以外的晶体管，这取决于是否提供与读取节点分开的临时的存储节点，或放大级等。并且，可以在多个像素之间共享某些晶体管。

在本发明中，更具体地，通过初始化晶体管和转移晶体管(栅极)以电子方式控制有源像素的曝光时间，以在传感器中并利用传感器实现这样的测量模式：能够在目标代码的标称图像拍摄之前确定用于采集目标代码的图像所需的曝光时间值Topt，该图像拍摄以常规方式进行，但是利用了值Topt。

因此，测量模式利用以下情况：可以调节有源像素的曝光时间，以将各种曝光时间值应用于像素。这可以通过以下方式实现：在考虑到传感器中实现的拍摄模式和控制线的拓扑结构的同时，调整初始化晶体管的(栅极)命令，其设置曝光时间的开始，和/或调整转移晶体管的(栅极)命令，其控制向相关存储节点(其可能是也可能不是读取节点)的转移，从而调整曝光时间的结束。可以回忆一下，CMOS传感器可能能够实现一种或两种拍摄模式，全局快门模式或卷帘快门模式。在全局快门或“快照”图像拍摄模式下，所有像素都同时集成：对于所有像素，曝光阶段同时开始，并且对于所有像素，曝光阶段也同时结束。然后开始逐行执行读取阶段。这种全局快门拍摄模式是高性能(例如高速)应用程序的首选，因为该模式可以冻结图像并避免卷帘快门模式固有的失真，这种失真可能会降低图像质量，特别是在物体移动时。在卷帘快门拍摄模式下，各行以偏移方式连续积分：为每行像素定义曝光阶段的开始，并逐行进行偏移，并且仅在前一行像素的读取结束时，一行像素的曝光时间才开始。全局快门拍摄模式是高性能(例如高速)应用程序的首选，因为该模式可以冻结图像并避免卷帘快门拍摄模式固有的失真，这种失真可能会降低图像质量，特别是在物体移动时。

控制线的拓扑结构满足各种约束条件，例如：晶体管数量、像素是否共享晶体管、全局快门和/或卷帘快门拍摄模式、像素孔径比的优化。例如，图2中所示的控制线的拓扑结构允许逐列控制曝光时间的结束，并且适用于全局快门拍摄模式；而图3所示的拓扑结构则允许逐行控制曝光时间的开始和结束，并允许两种类型的拍摄。这些拓扑结构将在下面详细说明。

在任何情况下，时序电路SEQ均允许以适合于一个或更多个拍摄模式和实施的拓扑结构的像素时序来生成用于控制像素和传感器的其他电路(转换器、输出接口等)的信号。关于时序电路如何通过存储器编程以极大的灵活性实现该控制的更多细节，读者可以参考例如专利申请EP3058719。

做出了这些一般性的回顾，现在可以描述本发明提供的用于采集目标代码的图像的方法。由信号Trig的激活而触发的该方法允许传感器1传送将可以被处理系统5直接用于解码/识别代码的标称质量的单个图像，因为所述单个图像是对像素矩阵应用了用于光积分的曝光时间值而获取的，所述曝光时间值是在标称采集模式之前激活的测量模式中，基于根据至少一个质量下降的测量图像并且利用至少两个不同的曝光时间值计算出的直方图，由传感器本身(片上)内部地确定的。

“质量下降”是指测量图像的像素数量低于标称质量的图像的像素数量：换句话说，像素矩阵欠采样；和/或在测量模式下像素积分的光量的测量(读取)的分辨率比标称采集模式下的分辨率低：换句话说，在测量模式下从像素读取的光水平的模数转换的结果所编码的灰度级比标称采集模式少。例如，如果在标称图像的转换中是对10位或12位进行的，则在测量图像的转换中是优选地对8位甚至是4位进行的。

图4示出了根据本发明第一实施方案的用于采集目标代码的方法的总体流程图，其中，由信号Trig触发测量模式Mode_MES，该信号Trig提供单个测量图像拍摄，其中每个像素与k个不同的曝光时间值T1至Tk中的一个曝光时间值相关联，k是至少等于2的整数。测量模式主要包括由传感器的时序电路控制的三个阶段：快速采集阶段100、确定阶段110以及存储阶段120，在所述快速采集阶段100中，以k个曝光时间值中的每一个快速地采集图像数据DATA(Ti)；在所述确定阶段110中，传感器的数字处理电路COMP基于图像数据DATA(Ti)并根据已知的可以有效解码代码的图像质量标准来确定所涉及的目标代码的图像拍摄所需的曝光时间值Topt：既不要太高(为了不会有太多的饱和像素)，也不要太低(为了不丢失信号)(黑色像素)；在所述存储阶段120中，值Topt存储在传感器的图像拍摄参数的寄存器REG的对应字段Tr中。

然后，该方法激活标称采集模式Mode_ACQ，该模式使用寄存器REG中的参数的当前值，具体地是参数Tr。该寄存器可以包括其他参数，例如转换增益值G，但是在代码读取应用中，不寻求精确地重建图像，而是对代码进行解码，通常将该增益设定为1。获得最佳图像质量(用于代码解码)：从矩阵阵列(完整图像)的像素中读取以曝光时间值Tr获取的相应图像数据Data-OUT，然后将其发送到外部处理系统5。通常，寄存器REG中的参数值(Tr，G)也与这些数据一起传送，也可以将由数字处理电路从这些数据Data-OUT计算出的直方图数据H(Tr)添加到其中。因此，由传感器执行的该标称采集阶段与常规模式(其中获取并传送完整图像)相对应，除了所应用的曝光时间值Tr(其由传感器的图像拍摄参数的寄存器传送)是由传感器本身在先前的测量阶段Mode_MES中自行确定的值。

在图5中更详细地示出了测量模式的快速采集阶段100。这涉及快速地采集k个曝光时间值Ti的图像数据，以在比传送标称图像所需的时间T_ACQ更短的时间T_MES内计算值Topt，从而使得允许标称图像被传送到外部系统5以进行解码的根据本发明的采集方法的总持续时间T_total小于2×T_ACQ。优选地，目标是实现T_MES≤10％T_ACQ。

根据一个优选的实施方案，通过使k个值Ti在像素矩阵上周期性地分布，以k个值Ti在单次拍摄中执行图像数据的采集。因此，快速采集阶段100包括：曝光阶段101和随后的快速读取阶段102，在所述曝光阶段101中，像素被曝光，矩阵的每个像素与k个值Ti中的给定曝光时间值相关联；在所述快速读取阶段102中，像素被快速地读取。

Ti的分布模式考虑了在传感器中实现像素的初始化晶体管和转移晶体管的控制线(栅极)的方式(拓扑结构方面)以及在传感器中实现的拍摄模式。

已经说明了如何根据所选择的图像拍摄控制模式(全局快门或卷帘快门)来(不同地)控制矩阵的像素的行的曝光和读取顺序。

让我们更详细地研究拓扑结构方面。通常，为了限制导体的数量并允许增大像素的孔径尺寸，转移栅极和初始化栅极的命令对于给定行或给定列的像素是共用的。

在图2所示的示例中，用于调整曝光时间的开始的初始化栅极的命令对于矩阵的给定行的像素是共用的；用于调整曝光时间的结束的转移栅极的命令对于矩阵给定列的像素是共用的。

更准确地说，矩阵包括n行像素Row₀至Row_n-1和m列像素Col₀至Col_m-1(n，m为整数)，并且有：

-n个栅极初始化控制线GI_l，l等于0至n-1，每条栅极初始化控制线平行于对应的像素行(在该示例中水平地)延伸；

-m个转移栅极控制线GT_j，j等于0至m-1，每条转移栅极控制线平行于对应的像素列(在该示例中竖直地)延伸；以及

-n个行选择控制线selr_l，l等于0至n-1，每条行选择控制线平行于对应的像素行(在该示例中水平地)延伸，用于控制选择该行的像素的晶体管的栅极。

像素的其他晶体管的控制线未在图2中示出，以免不必要地干扰附图。

这种拓扑结构提供了按列控制像素的曝光结束并按行(像素的每行)读取的控制，从而能够实现全局快门拍摄模式。该拓扑结构不适用于卷帘快门拍摄模式，在该模式下，仅当前一行像素的读取结束时才开始一行像素的曝光阶段。

图3示出了允许两种拍摄模式的另一种拓扑结构：初始化栅极的命令和转移栅极的命令对于矩阵的给定行的像素都是共用的。因此，转移控制线GT_l(l等于0至n-1)，就像初始化控制线GI_l一样，平行于对应的像素行(在该示例中水平地)延伸。

其他的传感器拓扑结构可以采用其他的控制方案。例如，设置曝光时间开始的初始化栅极的命令对于矩阵的给定列的像素可以是共用的；可以逐列选择要读取的像素等等。根据拓扑结构的不同，可以应用一种或两种控制模式(全局快门、卷帘快门)。

现在将使用示例来说明如何考虑拓扑结构方面和拍摄模式来定义值Ti在矩阵上的分布模式，以便允许在单次拍摄中以k个曝光时间值Ti采集图像数据。通常更简单和更有利的是，在矩阵的单个方向上分配k个值Ti，并且仅使用单个初始化控制线或转移控制线来实现该分配。此外，为了在整个矩阵上对于不同的值Ti实现均匀信息，值Ti的分布有利地是周期性的。

图7示出了在针对图2的拓扑结构和全局快门拍摄模式的像素矩阵上，对于k＝4，值Ti(i＝1至k)的分布模式的第一示例。在这种模式下，值Ti有规律地(周期性地)分布在列的排列中。在该示例中：T1应用于序数为0、4、8等的列；T2应用于序数为1、5、9等的列；T3应用于序数为2、6、10等的列；T4应用于序数为3、7、11等的列。然后，如下执行采集阶段(其中以k个曝光值Ti采集图像数据)：对于所有像素行同时开始曝光阶段(同时激活信号GI_l)，时序器根据定义的模式(图7)按照列的序数j控制信号GT_j(其控制曝光的结束)。逐行读取阶段可以在矩阵的曝光阶段结束之后开始，所述读取阶段与最长的曝光时间(在当前情况下为T4)同步。

图8示出了应用于具有图3的拓扑结构的像素矩阵的另一种分布模式，该拓扑结构允许时序器利用曝光时间的开始(控制线GI_l)来调整每行的曝光时间，而其余的时刻(曝光结束、读取)则取决于(全局快门或卷帘快门)拍摄模式，不受此“调整”的影响。更明确地，与控制为具有较短曝光时间的行相比，控制为具有较长曝光时间的行将相对更早地激活其初始化栅极的命令，控制为具有较短曝光时间的行将相对较晚地激活其初始化栅极的命令。在图8的示例中，值T1应用于序数为0、4、8等的行；值T2应用于序数为1、5、9等的行。

因此，根据所涉及的传感器的控制线的拓扑结构(该拓扑结构可以是图2中的拓扑结构、图3中的拓扑结构或另一种拓扑结构)，可以定义各种曝光时间在矩阵的行或列上的优选为周期性的分布模式，传感器的时序电路SEQ(图2)配置(编程)为传送与该模式和传感器的拍摄模式相对应的像素控制信号，以便控制测量模式的不同的阶段。

关于曝光时间值Ti的数量k，有利的是可以仅使用两个不同的值T1和T2(k＝2)，这是因为已知如何根据行或列地址的奇偶性：偶数(T1)或奇数(T2)，在时序器中轻松地实现。在这种情况下，选择两个相距很远的值T1和T2，分别对应于高亮度和低亮度，例如100微秒和1毫秒。

但是，将选择k至少等于3或4，以覆盖较宽范围的照明条件(从暗到亮)，并提高在可变操作条件下(例如：室外，待分析的物体反射性很强(例如金属饮料罐)或吸收性强(黑纸))值Topt的确定的的可靠性和有效性。然后有利地是，k个值Ti将以一个值与下一个值之间恒定的比值R进行选择，以便于计算并对直方图具有相同的约束条件。为了给出数值示例，例如将选择k＝4，并且T1＝8μs、T2＝40μs、T3＝200μs、T4＝1ms，其间的恒定比值为5(T2＝5·T1，T3＝5·T2，T4＝5·T3)。

实际上，根据时序器的约束条件和容量来选择值Ti。例如，时序器中用于管理信号的参考时间通常是在标称模式(全分辨率)下的行的读取周期的持续时间(称为线时间)，在现有的技术中大约为10微秒。但是，近来的时序器可以实现低于1到2微秒的参考时间。可以在传感器中提供本发明的测量模式的参数的可编程寄存器REG_M(图2)，以存储k个值，最短的曝光时间(T1)和比值R。

在曝光阶段102(在卷帘快门拍摄模式下的曝光阶段，每行都被曝光，在全局快门拍摄模式下的曝光阶段，所有行都被曝光)之后，为了获取不同曝光时间值的每个值相应的图像数据，需要读取像素。这是测量模式(图4)的快速读取阶段102。该快速读取阶段满足与所述技术问题的解决方案有关的约束条件，即在比标称模式下完整图像的采集时间T_ACQ更短的时间内，由传感器本身快速地自行确定所需的曝光时间值Topt。实际上，目标是在大约为时间T_ACQ的10％(或更短)的时间内执行对Topt的确定，即采集测量图像(曝光时间Ti，并且读取、计算并存储Topt)，实际上是图像数据的读取，更确切地说是转换数据所需的时间以及待采集并发送到关键的数字处理电路COMP的数据量。

快速读取阶段102使用以下描述的两种措施中的任一种。

第一种措施是不读取矩阵的所有像素。已经验证，不需要利用完整的矩阵的数据计算出的直方图来有效地确定值Topt，但是相比之下，图像数据必须表示各种应用的值Ti并可以对曝光进行良好的分析。因此建议对矩阵进行欠采样；然而，待读取的像素的选择必须可以覆盖各种曝光时间值。换句话说，所采样的像素的选择既考虑了在读取期间选择像素的方式(即传感器的拓扑结构)，又考虑了Ti在矩阵上的分布模式。

通常，这对应于图2和图3，通过连接到模数转换装置ADC(其传送m个相应的数字值)的m列导体(cc₀，…cc_m-1)逐行(行选择线selr_l)进行读取，并且对所选择的行的m个像素同时进行。

如果返回图7的方案，其中，根据列的序数分配不同的值Ti，i＝1至k，从而可以选择仅对N行中的一行进行采样。出于简化图示的明显原因，图9示出了对于N＝4的情况，但是N优选等于8、16或32。在每一行中，将对应于所应用的k个曝光时间值Ti的每一个生成数据。此外，这组采样行均匀地覆盖图像的范围。最后，如同已知值Ti是如何分布的，即在示例中，对于采样的每一行，在哪些列上(这些列是传感器的时序电路的配置数据)可以对于每个像素将读取的数据与曝光值Ti相关联。换句话说，可以为每个值Ti形成数据集合{DATA(Ti)}，该数据集合将可以针对由降低分辨率模式编码的所有或部分灰度级计算对应的直方图H(Ti)，如上所述。应该注意的是，图7中值Ti的竖直的周期性分布(根据列的排列)的示例结合了因此也是周期性的水平的欠采样(N行中的1行)，实际上能够获得具有良好的空间均匀性(欠采样)以及良好的时间均匀性(Ti)的测量图像数据，以用于图像曝光的分析和Topt的确定。

对于图8中值Ti的分布模式(根据行的排列)，需要对按行的欠采样应用不同的定义，因为每行只能传送与单个曝光时间值对应的数据。通常，如图8所示，k个值Ti将以周期性模式分布，以在矩阵上实现良好的时间均匀性。然后可以规定每X行对k个连续的行进行采样，而优选地仍然是在矩阵的规模上对8、16或32行中的一行进行采样。图10示出了k＝3的这种情况。对于快速读取102，这相当于定义连续行ROI₀、ROI₁...等的集合。

由于按行的顺序读取，因此测量模式的读取时间与读取的总行数成正比。

为了进一步优化测量阶段的长度，可以通过瞄准矩阵中所关注的一个或更多个区域(例如，如图11所示的中心区域ZOI₂或拐角区域ZOI₁、ZOI₃、ZOI₄和ZOI₅)来减少测量图像的读取时间。

这些区域是根据应用定义的，并且覆盖了在数量上足以获取均匀的空间和时间的数据集合的连续的像素集合，从而可以分析曝光并有效地确定值Topt。在这种情况下，测量模式的快速读取阶段对一个或更多个目标区域应用水平的欠采样。例如，如果为测量模式定义了一个(1)关注的区域，该区域覆盖矩阵的y行和z列，则在测量模式下，读取电路配置为对y行高度中的P行中的1行进行采样，其中P为大于或等于1的整数；对于每个采样行，读取电路将并行地执行m次转换，并且仅保留由z列像素传送的图像数据，以便由数字处理电路进行处理，数字处理电路建立所需的曝光时间值。

应当注意的是，也可以定义矩阵中不需要进行采样的(为负的)一个或更多个特定地区域，因为已知它们可能由于瞄准器而被过度照明(因为瞄准激光源将保持打开状态)。这相当于定义了在快速读取阶段不会选择的行(地址)。从而，测量图像的曝光分析将不会被这些可能被过度照明的区域所干扰。实际上，这些可能被瞄准器过度照明的区域可能在侧部，特别是在拐角处(图11)或实际上在中心(取决于瞄准器)。

为了给出结合这两种方法的实际示例，对于瞄准器瞄准矩阵侧部的情况，优选地将拐角区域排除在外，以便保持仅矩阵的中央区域被定义用于分析目标代码的图像的曝光。为了给出相应的数值示例，对于1000×1000像素的传感器(1M像素传感器)，可以定义这样一个关注的中心区域ZOI₂，其覆盖250个中心行和250个中心列。读取时间减少了4倍(从完整的矩阵的1000行中读取250行)。再通过结合对8行中的一行进行欠采样，读取时间减少了32倍(1/4×1/8＝1/32)，从矩阵的1000行中读取了大约30行。相反，如果瞄准器瞄准中心，则将优选地排除中心区域，并且在测量模式中优选地采集拐角区域。

提出了用于快速读取阶段102的第二种措施，即降低模数转换的分辨率。例如，通过将分辨率减少两位，可以将转换时间减少4倍。借助于通过时序器(图2)定位的Set-q指示器，从而设置转换器的分辨率，可以很容易地实现该措施。在本发明中，规定该指示器在测量模式下相对于标称采集模式需要不同的、减小的分辨率。

根据本发明的快速读取阶段102将优选地实施欠采样措施和降低分辨率的措施。举一个数值的示例，对于2K×1K(行×列)的10位的传感器，以100幅图像/秒(每个标称图像10毫秒)的速度实施测量模式来确定根据本发明的Topt，如果结合以下措施：在分辨率降低到8位(因此比标称模式少2位)的情况下，对M＝16行中的一行进行欠采样，则提高了16×4＝64倍。(下降的)测量图像的采集时间减少到10ms/64＝156μs(优于T_ACQ的10％的目标)。

一旦快速读取阶段102结束，则测量模式进入确定阶段110，在确定阶段110中，确定所涉及的目标代码所需的曝光值Topt。该阶段110由数字处理电路COMP(图2)执行，该数字处理电路COMP在测量模式下预先由时序器经由模式指示信号(Sel模式)进行配置。

电路COMP从直方图计算阶段111开始。为了计算这些直方图，电路针对每个曝光时间值获取从矩阵读取的数字值的集合{DATA(Ti)}。每个值对应于通过转换进行编码的灰度级范围内的灰度级。利用这些数据(或其中一些与灰度级的选择相对应的数据)进行的直方图给出针对曝光时间值Ti的像素根据灰度级的分布：因此，针对该曝光时间测量出目标代码的图像的光度范围。

对于这些计算，可以仅处理在测量模式下从与转换器的分辨率相对应的灰度级中选择的灰度级相对应的数据。例如，如果测量模式采用降低的分辨率，例如采用8位的分辨率编码256个灰度级，则可以计算256个灰度级中的仅仅8个或16个灰度级(或bin)的直方图。从而可以减少这些直方图计算所需的存储器空间(RAM存储器、寄存器)。应当注意，在这种情况下，有利地是这样的8bin或16bin直方图计算将与至少3个或4个不同的曝光时间值组合，其间的恒定(整数)的比值R将介于5至10之间(含端点值)。因此，环境光水平覆盖范围、存储器空间和确定效率方面的所有优势都被组合在一起。

接下来，进入确定阶段112，在确定阶段112中，基于针对不同的时间Ti计算出的直方图来确定时间Topt。

图6示出了针对与图像的各种曝光条件相对应的256个灰度级(256个类别或bin)计算出的各种直方图H₁至H₅。在该图的顶部的第一直方图H₁对应于未充分曝光的图像，该图像具有高百分比的黑色像素并且像素集中在最低的灰度级。相反，该图底部的最后一个直方图H₅对应于曝光过度的图像，该图像具有许多饱和像素，并且像素集中在最高的灰度级。

对于人眼而言，要达到的直方图是中间的直方图H3，该直方图非常居中，没有或只有很少的饱和(过度曝光)的像素，也没有或只有很少的(曝光不足)的黑色像素。但是，为了用代码读取器的数据处理系统对代码进行解码，显示较少的饱和像素的直方图H4也完全适合。

因此，基于在阶段111中计算出的直方图H(Ti)，在阶段112中，确定曝光时间值Topt，然后该值必须能够在采集标称图像的阶段中获取类似于这些直方图H₃或H₄的直方图。

让我们假设直方图H₅对应于曝光时间T5，Topt的值将小于T5，以便趋于诸如H₃或H₄的直方图形状。如果直方图H₁对应于曝光时间T1，则Topt的值将大于T1。

实际上，计算电路通过在阶段112中确定哪个直方图包含最多有用信息(既不饱和也不是曝光不足的像素数量)开始。为此，应用了一种算法，用于比较k个直方图H(Ti)的一个或更多个特征值或统计数据，例如平均值、饱和像素的百分比或对应于给定灰度级的像素的百分比等；然后基于保留的直方图估算所需的时间值Topt。优选地，为了提高确定的可靠性，计算电路组合至少两种比较算法(优选地，一种算法基于平均值，另一种算法基于饱和像素的百分比)的结果，以建立由算法传送的结果的平均值，作为接下来的标称采集阶段所需的曝光时间值。值Topt的确定还考虑了时序器的容量(参考时间、线时间)。

可选地，可以规定使用不同于1的增益值G来获取由测量模式定义的最佳曝光时间值。在这种情况下，计算电路修改图像拍摄参数的寄存器REG中的两个相应的值，曝光时间Tr和增益G。然后利用总增益＝G×(Topt/Trf)修改从最终图像获取的最终直方图，其中Trf是与测量模式中保留的用于计算Topt的直方图相关的积分时间。

由数字处理电路COMP进行的这些计算非常快速：在几个时钟周期内，即实际上在不到一微秒的时间内，将值Topt传送并存储在传感器的图像拍摄参数的寄存器中，以便定义标称采集模式下像素的曝光时间值Tr。测量模式结束，随后标称采集模式被激活：在标称采集模式下，传感器使用图像拍摄参数的寄存器中的当前值(包括值Tr＝Topt)执行新的图像拍摄，并将获取的图像传送到外部处理系统，以进行代码的解码/识别。

刚刚描述的本发明适用于光学可读代码的读取器中使用的任何CMOS传感器，本发明使得读取器的响应时间和功耗得以显着改善，并且其功耗得以降低。本领域技术人员将能够根据所涉及的传感器，具体地，根据在传感器中实施的拍摄模式、像素矩阵的控制线的拓扑结构以及像素结构来进行所需的修改，根据所述结构是否实施了最新的读取方案、用于降低读取噪声的方案(相关的双采样)、电荷倍增放大级等，修改可能相对复杂。本领域技术人员将能够应用已经描述的测量模式的快速采集和确定阶段，并在适当时定义各种曝光时间值的分布模式，和/或待采样的矩阵的行和/或列的定义的方案。

在传感器中实施本发明的方法需要对时序器进行适当的配置/编程，这涉及编程到存储表中，该存储表定义分布和欠采样的方案，以及在测量模式下使用的各种曝光时间值。

Claims (9)

1.一种用于采集CMOS电子图像传感器光学可读的一个或更多个代码的图像的方法，该方法在传感器接收到外部触发信号(Trig)时被激活，该方法包括进行测量图像拍摄以确定所需的曝光时间值，然后将所述所需的曝光时间值作为当前曝光时间值应用于矩阵的所有像素，以便进行标称图像拍摄，其特征在于，测量图像拍摄(Mode-Mes)包括：

-积分阶段(100)，其是像素共有的，并且其中k个不同的曝光时间值(Ti)应用于规则分布在矩阵的行或列上的像素，每个像素与k个不同的曝光时间值中的一个值相关联，k为至少等于2的整数；

-快速采集阶段(102)，其中以不同的像素曝光时间值快速地采集数字图像数据(DATA(Ti))，并且所述快速采集阶段(102)包括应用矩阵的行的欠采样的快速读取阶段；以及

-确定阶段(110)，其中通过比较基于快速采集阶段中获取的数字图像数据针对每个不同的曝光时间值而计算出的直方图来确定所需的曝光时间值(Topt)。

2.根据权利要求1所述的方法，将k个曝光时间值(Ti)的周期性分布模式应用于矩阵的列。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述快速读取阶段对行进行欠采样，所述欠采样的比值为1至8、16或32。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述快速读取阶段(102)仅应用于矩阵的一个或更多个预定义区域。

5.根据权利要求1所述的方法，对于快速读取阶段(102)，排除像素矩阵的一个或更多个预定义区域。

6.根据权利要求1所述的方法，使用模数转换装置来读取像素，所述像素配置为对于标称图像拍摄具有至少十位的标称分辨率，并且配置为对于测量图像拍摄具有等于或低于八位的降低分辨率。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，计算测量模式的k个不同的曝光时间值(T1，…Tk)的直方图，所述直方图的灰度级的数量小于测量模式下与模数转换装置的分辨率对应的灰度级的数量。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，在确定所需的曝光时间值(Topt)的确定阶段(112)，应用至少两种直方图比较算法，每个算法传送第一值作为输出，并建立所述第一值的平均值，作为接下来的标称采集阶段所需的曝光时间值。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，用于测量图像拍摄的时间为标称图像拍摄的时间的10％或以下。

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