CN112954127A - 摄像头矩阵图像扫描器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种摄像头矩阵图像扫描器，包括：由摄像头矩阵及图像处理系统。在摄像头矩阵中的各个摄像头分别获得扫描分图像，完整的扫描图像是由在摄像头矩阵中的各摄像头分别获得的扫描分图像在图像处理系统中进行图像配准，图像融合和图像拼接而形成。通过在保证在图像不失真的情况下加大成像角度尤其是把大的图像扫描区域分割成相对小的扫描分图像区域，可以大幅度地缩短被扫描图像与摄像头矩阵中的摄像头之间的距离，从而有效地降低图像扫描器外形的高度。本发明用廉价的普通摄像头实现对大型图像的快速扫描，图像扫描器成本低廉，体积小巧，而且系统本身的多项发明特征保证可靠地简化图像处理算法，使图像处理速度更快捷，图像拼接误差更小，图像质量更精确。

Description

摄像头矩阵图像扫描器
技术领域
本发明涉及图像扫描器，特别涉及一种摄像头矩阵(Camera Array)图像扫描器系统，并且有效降低图像扫描器的高度，使扫描器更小巧美观，制造成本更低，图像处理速度更快捷，图像拼接误差更小，图像质量更精确。
背景技术
扫描器(Scanner)是一种捕获图像设备。作为一种光机电一体化的电脑外设产品，扫描仪是继鼠标和键盘之后的第三大计算机输入设备，它可将影像转换为计算机可以显示、编辑、存储和输出的数字格式，是功能很强的一种输入设备。条形码识别及护照，驾驶证，身份证等证件识读器都广泛建立在图像扫描器的基础上。
常规图像扫描器是用一维CCD高分辨率光传感器对目标图像宽度方向进行扫描，由机械系统拖动一维CCD沿着目标图像的长度方向移动，对目标图像的长度方向进行扫描，从而实现目标图像的二维图像数字化信息的生成。
由于常规图像扫描器有机械结构所以扫描速度慢，有机械噪声，扫描精度差，设备使用寿命短等缺陷，所以人们开始把注意力投向二维摄像头。由于使用二维摄像头图像扫描器无机械运动系统，而且速度快，精度高及无噪声等迷人的优点已引起人们广泛的兴趣并在很多图像扫描领域中获得应用。
但由于高分辨率摄像头价格昂贵，工艺复杂，制造困难，所以摄像头在实际图像扫描器的应用中受到极大的限制，尤其是在目前工艺水平还无法制造如常规机械图像扫描器那样高分辨率的二维摄像头。
因为目前具有摄像头的手机的广泛应用和大规模生成，使得普通摄像头工艺越来越成熟，价格也越来越便宜，这为摄像头矩阵图像扫描器的应用创造了前提。使用廉价普通摄像头矩阵图像扫描器比使用单个高分辨率摄像头的图像扫描器相比不仅价格低廉，而且可以大幅度地降低扫描器的高度，使得扫描器体积小巧，使用方便，便于携带。
发明内容
本发明目的是提供一种摄像头矩阵图像扫描器系统，以实现高分辨率，扫描速度快，低价格，无噪声，效率高，体积小，美观实用的数字化图像扫描器。
实现上述目的技术方案是：
本发明提供了一种摄像头矩阵图像扫描，包栝：由一个摄像头矩阵及图像处理系统。在摄像头矩阵中的各个摄像头分别获得扫描分图像(Sub Scan Image)，完整的扫描图像是由这组矩阵摄像头获得的所有扫描分图像在图像处理系统中进行图像配准(ImageRegistration)，图像融合(Image Fusion)和图像拼接(Image Merge)而形成。
扫描器的外形高度与摄像头和扫描的目标图像间的距离相关。根据摄像头镜头光路图可知这个距离受成像角度(Angle of View,AOV)影响，成像角度越大，被扫描的目标图像离摄像头镜头的光心也越近，可以降低扫描器的高度。但控制成像角度是有限的，成像角度过大，会产生图像的畸变，影响图像质量。在不产生图像畸变的最大成像角度情况下，减小摄像头扫描范围也可以有效地缩短目标图像离摄像头镜头的光心之间的距离，从而有效地降低扫描器的高度。从三角形相似定理可以知道，当摄像头扫描范围减少k倍，目标图像离摄像头镜头的光心之间的距离也可以缩短k倍，这也意味着扫描器的外形高度可以大幅度地降低。
为了减小摄像头扫描范围，可以把完整的扫描图像区域按实际需要分成M*N矩阵图像区域(M，N为大于等于2的整数)，每个矩阵图像区域是一个扫描分图像。每个扫描分图像对应一个摄像头矩阵中的摄像头，所以摄像头矩阵规模也是M*N。
对于每个摄像头都有一个镜头及在摄像头内部成像的光敏芯片，在光敏芯片中会感应生成的数字化的二维图像。二维图像有二个相互垂直的坐标轴，与图像宽度平行并通过光敏芯片中心的为X轴，与图像长度平行并通过光敏芯片中心的为Y轴。另外通过镜头光心及光敏芯片中心的为Z轴，这个三维坐标系的原点与光敏芯片的中心相互重合。
如果在摄像头矩阵中的各个摄像头的成像角度不一致，Z轴相互不平行，扫描分图像之间会产生透视参数的不一致，那么在图像处理系统中对这些扫描分图像进行图像配准时要进行复杂的透视变换，这种透视变换繁琐费时还会引起变换误差。为了简化透视变换算法，提高透视变换效率及图像融合精度，在摄像头矩阵中的各个摄像头的成像角度必须相同，Z轴必须精确校准以保证相互平行。
如果在摄像头矩阵中的各个摄像头X，Y轴不相互平行，扫描分图像之间会产生的角度参数的不一致，那么在图像处理系统中对这些扫描分图像进行图像配准时要进行旋转变换。这种旋转变换涉及大量的三角函数浮点运算，也繁琐费时，同时也会引起变换误差。为了简化旋转变换算法，提高旋转变换效率及图像融合精度，在摄像头矩阵中的各个摄像头必须精确校准以保证X，Y轴之间的相互平行。
在摄像头矩阵中的各个摄像头的Z轴必须通过各自扫描分图像的中心。如果Z轴没有通过各自扫描分图像的中心，扫描分图像之间会引起的水平位置相互不匹配。为了矫正水平位置相互不匹配，需要在图像处理系统中对这些扫描分图像进行图像配准时要进行平移变换。为了简化平移变换算法，提高平移变换效率及图像拼接精度，在摄像头矩阵中的各个摄像头必须精确校准其水平位置以保证Z轴通过各自扫描分图像的中心。
最后在摄像头矩阵中各摄像头获得的所有数字化的扫描分图像信息输入图像处理系统，在图像处理系统中进行图像配准，图像融合和图像拼接，图像处理系统输出完整的整体扫描图像。图像处理算法可以在主机内由特殊设计的程序完成，也称为联机工作模式，或者由专门设计的微机嵌入式系统完成，也称为脱机工作模式。
附图说明
图1是摄像头光路原理图。
图2是摄像头矩阵图像扫描器组件分布顶示图。
图3是摄像头矩阵图像扫描器组件分布正示图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1是本是摄像头光路原理图。在图1中，A是摄像头的光敏芯片，B是摄像头镜头，C是镜头的光心，D是镜头的焦点，E是成像角度，G是扫描的目标图像。扫描的目标图像G通过镜头C在摄像头的光敏芯片A投影生成二维数字化图像。
扫描器的外形高度与摄像头的光敏芯片A至扫描的目标图像G间的距离相关。镜头中透镜的曲率及改变焦距都可以影响成像角度E，如果成像角度E越大，扫描的目标图像离摄像头镜头的光心C也越近，可以降低扫描器的高度。但改变成像角度E作用是有限的，成像角度E过大会产生图像的畸变。在不产生图像畸变的最大成像角度E情况下，把摄像头扫描范围由G减小到F，根据三角形相似原理也可以有效地缩短目标图像F至摄像头镜头的光心C之间的距离，从而也缩短了扫描的目标图像F至摄像头的光敏芯片A之间的距离，实现大幅度地降低扫描器高度的目的。
图2是本发明是本发明摄像头矩阵图像扫描器的顶示图，在图2中为了减小摄像头矩阵中每个摄像头扫描范围，把完整的宽度为m，长度为n的大的扫描图像分割成3*3矩阵形成9个小的矩阵矩阵图像。每个小的矩阵图像定义为扫描分图像H。扫描分图像H宽度等于m/3，长度等于n/3。每个扫描分图像H的中心都对应在摄像头矩阵中的一个相对应的摄像头L，所以摄像头矩阵规模也是3*3。在每个扫描分图像H中都有与图像宽度方向平行的X轴I及与图像高度方向平行的Y轴J。X轴I与Y轴J的交点K是扫描分图像H的中心，也是X轴I与Y轴J形成的平面坐标系的原点。在摄像头矩阵中的各个摄像头L的X，Y轴必须保持相互平行以提高旋转变换效率及图像融合精度。
图3是本发明是本发明摄像头矩阵图像扫描器的正示图，在图3中每个摄像头L对应扫描面积相对小的扫描分图像H。在摄像头L上固定有镜头B及在摄像头L内部有成像的光敏芯片，通过镜头B的光心及光敏芯片中心的是坐标系的Z轴O。
摄像头L的成像角度E大可以缩短扫描分图像H与摄像头L之间的距离，可以降低图像扫描器的外形高度。选择成像角度E尽可能地大，但必须要保证产生图像不失真。原始扫描图像的范围是m，扫描分图像的范围是p，因为p的尺寸远小于m的尺寸，又大幅度地降低了图像扫描器的高度。在摄像头矩阵中的各个摄像头Z轴O必须保持相互平行，可以提高透视变换效率及图像融合精度。
最后在摄像头矩阵中各个摄像头捕获的所有数字化的扫描分图像信息输入图像处理系统，在图像处理系统中进行图像配准，图像融合和图像拼接，图像处理系统输出完整的整体扫描图像。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (6)

1.摄像头矩阵图像扫描器，包括：
由一个M*N摄像头组成的摄像头矩阵及图像处理系统，M和N都为正整数并且M≥2，N≥2，整体图像扫描区域也对应分为M*N扫描分图像区域，在摄像头矩阵中的每个摄像头扫描在整体图像扫描区域中相应的扫描分图像区域，
其特征在于，
在摄像头矩阵中的各个摄像头分别捕获扫描分图像的信息，整体扫描图像是由这组摄像头矩阵中每个摄像头捕获的各扫描分图像信息在图像处理系统中进行图像配准，图像融合和图像拼接而形成。
2.根据权利要求1所述摄像头矩阵图像扫描器，其特征在于，在摄像头矩阵中的每个摄像头的最大不失真成像角度必须相等。
3.根据权利要求1所述摄像头矩阵图像扫描器，其特征在于，在摄像头矩阵中所有摄像头Z轴都必须相互平行。
4.根据权利要求1所述摄像头矩阵图像扫描器，其特征在于，所有扫描分图像区域图像中的X轴及Y轴都必须相互平行。
5.根据权利要求1所述摄像头矩阵图像扫描器，其特征在于，在摄像头矩阵中所有摄像头Z轴都必须与各自相对应扫描分图像的中心配准。
6.根据权利要求1所述摄像头矩阵图像扫描器，其特征在于，图像处理过程可以在主机内由特殊设计的程序完成，或者由微机嵌入式系统完成。
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