CN115052077B - 一种扫描装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扫描装置，其至少包括能够进行图像数据采集的扫描单元和能够对所述扫描单元的扫描区域进行补光的照明单元，所述扫描单元通过悬架调整组件悬置于平台主体的上方并与机架连接，所述扫描单元通过悬架调整组件对其工作位置进行调节，其中，所述悬架调整组件能够带动并排设置的多个所述扫描单元进行同步调节和/或带动至少一个所述扫描单元进行独立的工作位置调节，使得所述扫描单元的焦点始终定位在待扫描物品表面。本申请还涉及一种扫描方法，其包括通过将基于引导滤波器的融合算法与光场成像相结合，形成基于引导滤波器的单次曝光光场全焦融合处理系统，实现高质量、大景深全焦图像的采集。

Description

一种扫描装置及方法

技术领域

本发明涉及扫描设备技术领域，尤其涉及一种扫描装置及方法。

背景技术

光场成像系统可以在一次拍摄内获取整个物品表面的图像信息。当然，这样的采集方式是有代价的，由于不确定性原理的局限，其空间分辨率与角度分辨率之间存在矛盾，往往在获取角度分辨率的同时牺牲了空间分辨率，只能获取低分辨率的图像。目前，实现景深扩展的有效方法是生成全焦图像，全焦图像获取的最常见方法是进行多聚焦图像融合，此方法主要由多聚焦图像采集和全焦融合两部分组成。传统多聚焦融合方法主要包含手动聚焦、基于机械结构的自动聚焦以及基于特定光学器件的聚焦方法，其中，手动聚焦精度低，速度慢，无法获取大量多聚焦图像；基于机械结构的聚焦方法增加了系统复杂度的同时无法实现较大范围的景深扩展；基于特定光学部件的聚焦方法往往会受到场景复杂度、高昂成本以及较小的景深扩展能力等多方面的限制，无法实现大量、高质量多聚焦图像的获取，此外，上述方法均需要通过多次曝光的方式采集不同聚焦位置的图像，背景信息不一致，严重影响全焦融合效果。在多聚焦融合算法方面，主要包含基于空间域、基于变换域、空间域与变换域相结合的方法以及基于深度学习的方法，其中，基于变换域的方法，例如：小波变换融合方法不具有平移不变性，在复杂和配准错误的区域中融合误差较大，较大的信息冗余也会影响融合结果；基于空间域的融合方法主要依赖高精度的决策图(权重图)获取全焦图像，此过程会出现时间损耗大、区域边缘位置像素点融合质量差的现象；空间域和变换域相结合的算法综合了前两者的优势，但此类方法对不同属性区域进行分类处理的方式增加了系统复杂度，并且此算法对于聚焦特性分布不明显的图像的处理效率较低，限制了全焦融合算法的广泛应用；基于深度学习的融合算法对硬件的要求较高，大量合适的训练集的获取也增大了此方法的难度，同时在高频信息重建的过程中易出现噪声，影响全焦融合的质量。

公开号为CN109491212A的专利文献公开了一种激光器多点线性机械扫描成像的装置及其使用方法，包括曝光台，所述曝光台上安装有横梁和感光胶承载台，横梁上设有阵列分布的激光器，曝光台上配合横梁安装有驱动电机和齿条滑轨；在曝光台上，激光器和横梁可以利用驱动电机和齿条滑轨沿X向做机械往复扫描和Y向做机械往复扫描；最终的图像会刻画在安装有涂覆有感光胶体的感光胶承载台上；计算机解析图像后，根据具体的图像，控制激光器的打开与关闭，完成对感光胶的扫描曝光；冲洗掉未曝光的胶体，得到最终图像。通过该发明提出的一种激光器多点线性机械扫描成像的装置及其使用方法，节省时间和成本，图像精度高，曝光幅面可加宽，设计的幅面可以扩大到更多应用场所。但是该专利的扫描单元处于固定状态，无法有效地进行具有非平整表面的物品的扫描操作，尤其是无法进行具有大幅面和存在光线阴影的物品扫描操作，此外，该专利的图像处理为常规的图像解析操作，无法对非平整表面获取的多聚焦图像进行全焦融合的同时保证输出的图像兼具高时间分辨率和空间分辨率。

因此，针对现有多聚焦图像处理的缺陷和对多个部分清晰图像的融合需求，需要一种能够对大幅面物品表面扫描和扫描信息进行图像数据处理及全焦融合的扫描装置及方法。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明的技术方案提供的是一种扫描装置，其至少包括能够进行图像数据采集的扫描单元和能够对所述扫描单元的扫描区域进行补光的照明单元，所述扫描单元通过悬架调整组件悬置于平台主体的上方并与机架连接，其特征在于，所述扫描单元通过悬架调整组件对其工作位置进行调节，其中，所述悬架调整组件能够带动并排设置的多个所述扫描单元进行同步调节和/或带动至少一个所述扫描单元进行独立的工作位置调节，使得所述扫描单元的焦点始终定位在待扫描物品表面。其优势在于，通过调节扫描单元和照明单元的工作位置能够使得单个扫描单元在进行待扫描物品的至少部分条形区域表面信息的采集时，使得扫描单元和照明单元根据物品表面的起伏和色泽等分别调节扫描高度和补光角度，从而能够准确地采集待扫描物品整个表面的清晰图像信息，尤其是通过将扫描单元的扫描区域以相互部分重叠的方式进行扫描单元的并排设置，使得扫描单元能够在获取大幅面物品表面的准确信息的同时能够利用相邻扫描单元采集的图像信息进行图像数据的相互验证和修正，从而弥补单个条形图像的边缘数据信息模糊的缺陷。

根据一种优选的实施方式，所述扫描单元按照能够获取待扫描物品不平整表面的准确信息的方式根据待扫描物品表面的起伏而调节其悬置高度，并且多个并排设置的扫描单元以线性扫描的方式获取分别待扫描物品的多个条形区域表面信息。其优势在于，通过设置工作位置可调节的扫描单元，使得扫描单元能够根据待扫描物品厚度等初始信息调节其工作高度，并且扫描单元针对与其采集区域相对应的物品条形表面的差异性起伏情况而选择性地进行单个或多个扫描单元的高度调节，此外，照明单元还同步地进行工作位置调节，从而消除待扫描物品表面可能存在的阴影、反光等影响采集数据准确性的缺陷。

根据一种优选的实施方式，多个并排设置的所述扫描单元能够按照同时完成各自工作位置调节的方式完成具有大幅面的待扫描物品表面的图像信息采集，并且处理单元通过对多个有序排列的扫描单元采集的条形图像信息进行全焦融合的方式完成整个待扫描物品表面的信息整合。其优势在于，通过条形图像数据的有序拼接，能够利用设定扫描单元采集的准确图像数据对相邻扫描单元采集的图像数据进行验证，并通过将存在重叠的部分图像以重合的方式完成图像的拼接，在保证图像高分辨的同时完成大幅面物品表面的有效扫描。

根据一种优选的实施方式，所述处理单元通过基于引导滤波器的全焦融合算法对多个所述扫描单元采集的多聚焦图像进行全焦融合，其中，单个所述扫描单元能够扫描到的条形区域与相邻所述扫描单元的条形区域存在部分重合。其优势在于，应用基于引导滤波器的全焦融合算法对多聚焦图像进行全焦融合可以最大限度地保留边缘信息，实现高速、高质量的全焦融合。为了提升多聚焦图像采集质量，采用光场成像的方法在单次曝光下进行多聚焦图像采集，保证了多聚焦图像背景信息的一致性和全焦融合输入信息的完备性，同时此方法还具有成本低、系统结构简单以及深度扩展范围广的优点，有效地实现高质量的多聚焦图像采集。通过将基于引导滤波器的融合算法与光场成像相结合，形成基于引导滤波器的单次曝光光场全焦融合处理系统，实现高质量、大景深全焦图像的采集。

根据一种优选的实施方式，所述处理单元按照能够提高低分辨率的光场部分在焦图像的空间分辨率的方式增加卷积深度神经网络以完成光场低分辨率图像的单图超分辨，其中，任意一个所述扫描单元能够通过相邻扫描单元采集到的图像边缘信息对其所采集的低分辨率的光场部分在焦图像的边缘区域进行补充，使得其图像边缘区域缺失的图像信息得到补充而提高单图的分辨率。其优势在于，通过引入基于深度神经网络的高时空分辨的全焦成像系统的方式获取高时间分辨率和空间分辨率的图像数据，通过增加卷积深度神经网络来实现光场低分辨率图像的单图超分辨，利用此网络对低分辨率的光场部分在焦图像进行上采样，有效地提升了多聚焦图像的分辨率，最后经过基于引导滤波器的全焦融合算法，得到具有高时空分辨率的全焦图像，进而实现对待扫描物品表面的高分辨率和大景深的图像采集。通过基于引导滤波器的单次曝光来进行光场全焦融合的处理方式解决了传统多聚焦融合方法精度低、复杂度高、背景信息不一致、高频信息丢失等问题，实现单次曝光下全焦图像的采集，有效地获取大景深的图像信息。通过在基于引导滤波器的全焦融合的基础上，利用卷积深度神经网络实现对低分辨率光场部分在焦图像的上采样，有效地提升了全焦图像的空间分辨率，实现了大景深范围内高分辨率全焦图像采集的目标。

根据一种优选的实施方式，所述照明单元能够根据所述扫描单元的工作位置和待扫描物品的表面情况调节其光线出射角度，使得所述扫描单元获取到无阴影的待扫描物品的表面信息；所述照明单元至少包括分设于所述扫描单元两侧的第一照明模块和第二照明模块，而且所述第一照明模块和第二照明模块能够构建出呈夹角的两个照射光线对待扫描物品表面进行补光。其优势在于，通过在扫描单元的两侧设置能够射出呈一定对称式夹角的照明光线的照明单元，在一定程度上提高扫描单元获取的图像数据的准确性，尤其是针对需要进行色彩还原和三维表征的图像数据。

根据一种优选的实施方式，所述照明单元还包括用于将第一照明模块和第二照明模块安装至所述机架上的安装支架；所述第一照明模块和第二照明模块通过旋转安装座与安装支架转动连接，使得所述第一照明模块和第二照明模块通过转动旋转安装座来改变其照明光线的出射角度。其优势在于，通过将照明模块设置为照明光线出射角度可调节的辅助机械结构，使得照明光线能够针对物品表面的实际补光需求进行补光，从而方便扫描单元快速且准确地采集待扫描物品的表面信息。

根据一种优选的实施方式，所述旋转安装座上还连接有能够控制其转动的旋转驱动单元；所述照明单元还包括能够获取放置台上待扫描物品的实际位置而可调节地控制所述第一照明模块和第二照明模块进行开启或关闭的感应控制单元。其优势在于，通过设置感应式的照明开关，有效地降低了电能的消耗并同时大大地延长了照明单元的使用寿命。

本申请还提供了一种扫描方法，所述扫描方法至少包括以下步骤：

S1：将待扫描的大幅面物品放置在放置台上，通过控制扫描运动主体的定向平移来使得扫描单元扫描放置于放置台上的待扫描的大幅面物品，从而扫描单元能够通过分版块的方式完成多个线性图像信息的采集；

S2：确定光场成像采集待测区域的光场信息；

S3：对采集到的光场信息进行解码并运用数字重聚焦算法获取低分辨率的多聚焦图像；

S4：运用深度神经网络对多聚焦图像进行采样，获取高分辨率的光场多聚焦图像；

S5：运用基于引导滤波器的全焦融合算法对高分辨率多聚焦图像进行全焦融合处理并合成高分辨率大景深的全焦图像。其优势在于，应用基于引导滤波器的全焦融合算法对多聚焦图像进行全焦融合可以最大限度地保留边缘信息，实现高速、高质量的全焦融合。为了提升多聚焦图像采集质量，采用光场成像的方法在单次曝光下进行多聚焦图像采集，保证了多聚焦图像背景信息的一致性和全焦融合输入信息的完备性，同时此方法还具有成本低、系统结构简单以及深度扩展范围广的优点，有效地实现高质量的多聚焦图像采集。通过将基于引导滤波器的融合算法与光场成像相结合，形成基于引导滤波器的单次曝光光场全焦融合处理系统，实现高质量、大景深全焦图像的采集。

根据一种优选的实施方式，高分辨率的光场多聚焦图像是通过引入卷积压缩模块的卷积神经网络结构对低分辨率光场图像进行上采样获取的。其优势在于，通过引入基于深度神经网络的高时空分辨的全焦成像系统的方式获取高时间分辨率和空间分辨率的图像数据，通过增加卷积深度神经网络来实现光场低分辨率图像的单图超分辨，利用此网络对低分辨率的光场部分在焦图像进行上采样，有效地提升了多聚焦图像的分辨率，最后利用基于引导滤波器的全焦融合算法，得到具有高时空分辨率的全焦图像，实现了对待扫描物品表面的高分辨率和大景深的图像采集。通过基于引导滤波器的单次曝光来进行光场全焦融合的处理方式解决了传统多聚焦融合方法精度低、复杂度高、背景信息不一致、高频信息丢失等问题，而且基于引导滤波器的单次曝光下的全焦图像的采集操作能够获取到大景深的图像信息。通过在基于引导滤波器的全焦融合的基础上，利用卷积深度神经网络实现对低分辨率的光场部分在焦图像的上采样，有效地提升了全焦图像的空间分辨率，实现了大景深范围内的高分辨率的全焦图像的采集。

附图说明

图1是本发明所提出的一种优选的扫描装置的立体示意图；

图2是本发明所提出的一种优选的扫描装置的结构示意图；

图3是本发明所提出的一种优选的扫描装置的扫描单元排列结构示意图；

图4是本发明所提出的一种优选的扫描方法的工作流程示意图。

附图标记列表

1：平台主体；2：机架；3：放置台；4：扫描单元；5：照明单元；6：悬架调整组件；7：吹扫单元；8：处理单元；9：控制单元；10：扫描运动主体；51：第一照明模块；52：第二照明模块；53：安装支架；54：旋转安装座；55：旋转驱动单元；56：感应控制单元；61：第一调节机构；62：第二调节机构。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

实施例1

本申请提供了一种扫描装置，其包括平台主体1、机架2、放置台3、扫描单元4、照明单元5、悬架调整组件6、吹扫单元7和扫描运动主体10。

根据图1和2示出的一种具体的实施方式，平台主体1上设置有用于放置待扫描物品的放置台3。机架2设置在平台主体1的两侧，使得位于机架2上方的扫描运动主体10能够被支撑在平台主体1的正上方。扫描运动主体10内安装有照明单元5、悬架调整组件6和吹扫单元7，其中，悬架调整组件6还连接有扫描单元4。机架2能够带动扫描运动主体10在放置台3的上方进行往复平移，使得扫描单元4能够获取到放置于放置台3上的整个待扫描的大幅面物品的表面信息。扫描单元4对放置于放置台3上的待扫描物品进行扫描。扫描单元4通过悬架调整组件6活动连接至扫描运动主体10，从而扫描单元4能够利用可运动的悬架调节组件6调整其与放置台3之间的相对工作位置，使得扫描单元4能够在扫描运动主体10带动扫描单元4在放置台3的上方进行往复平移的同时获取扫描单元4的扫描区域经过的待扫描物品的表面信息，同时扫描单元4能够根据待扫描物品高低起伏的非平整表面而调整其工作位置，使得扫描单元4按照能够将其焦点准确地定位在物品表面的方式获取到清晰的扫描数据。

如图3所示，多个扫描单元4能够以并行的方式对待扫描区域进行扫描和信息采集，即单个扫描单元4按照其能够以线性扫描获取大幅面的待扫描区的至少部分条形区域的高时空分辨率图像及图像色彩的方式进行扫描操作，从而多个并排设置的扫描单元4能够按照同时完成各自工作位置调节方式完成整个大幅面待扫描区的图像数据采集，进而通过对多个扫描单元4采集的条形图像数据进行拼接的方式完成整个扫描区域的数据整合。优选地，任意一个扫描单元4在完成一个线性矩形图像的获取时能够始终将其相机的焦点定位于待扫描物品的表面位置，从而采集到的至少一部分表征待扫描物品表面的图像信息可以作为最优信息。优选地，单个扫描单元4能够扫描到的条形区域与相邻扫描单元4的条形区域存在部分重合，即单个扫描单元4的扫描区域至少包括其正下方的精准区域和覆盖相邻扫描单元4的部分精准扫描区域的模糊区域，使得处理单元8能够通过将扫描单元4输出的清晰图像和相邻扫描单元4输出的对应于物品同一表面区域的模糊图像进行重叠的方式完成处理后具有高时空分辨率的图像的拼接，从而形成了大幅面待扫描物品的完整表面图像。

具体地，扫描单元4包括相互平行且均为横向排列的扫描模块组。单个扫描模块组均由多个扫描模块横向排列而成。扫描模块组的扫描高度根据扫描操作而进行高度调节，其是基于待扫描物品材质厚度等调节扫描模块的工作高度，使得扫描模块与待扫描物品表面始终保持设定间距和景深进行扫描。扫描模块组的任意一个扫描模块均能够根据物品表面的起伏而调节其焦点位置，保证扫描模块始终能够采集相对清晰的聚焦图像。优选地，扫描模块组的扫描模块可以采用线性相机。

优选地，平台主体1上通过导轨连接结构与用于放置待扫描物品的放置台3进行连接。平台主体1能够固定支撑在任意安置空间中，使得平台主体1能够为放置台3提供一个稳定且平整的工作环境。平台主体1的侧边还设置有与放置台3同高度的收纳盒。收纳盒内设置有能够对待扫描物品进行保护膜铺设的片基滚筒。

优选地，照明单元5至少包括第一照明模块51、第二照明模块52和用于安装照明模块的安装支架53。进一步优选地，第一照明模块51、第二照明模块52的两端通过能够插装在安装支架53端部的旋转安装座54与安装支架53连接，使得第一照明模块51、第二照明模块52能够根据需求相对于安装支架53进行转动。优选地，旋转安装座54通过在安装支架53上转动而带动第一照明模块51、第二照明模块52的工作端进行旋转，从而调节第一照明模块51、第二照明模块52发出的光线与扫描单元4之间的角度和相对位置。优选地，旋转安装座54还活动连接有能够控制其转动的旋转驱动单元55。优选地，旋转驱动单元55通过可调节地控制旋转安装座54进行预设的转动，使得第一照明模块51、第二照明模块52能够将其光线以设定角度照射于待扫描物品表面。旋转驱动单元55的设置，使得旋转安装座54能够带动第一照明模块51、第二照明模块52进行旋转角度大小调节，第一照明模块51、第二照明模块52的工作位置进行限定，方便使用者快速准确地完成照明光线出射角度的调整。优选地，安装支架53远离第一照明模块51或第二照明模块52的一端可拆卸地连接在扫描运动主体10上。优选地，旋转驱动单元55可以采用能够准确控制其工作状态的伺服电机。

优选地，照明单元5还包括能够主动对待扫描物品位置进行获取而准确地控制第一照明模块51、第二照明模块52进行开启或关闭的感应控制单元56。优选地，感应控制模块56能够分别固定安装在安装支架53靠近进料端和出料端的一侧，并且感应控制模块56的工作端按照正对放置台3的方式进行设置。具体地，设置于进料端的感应控制模块56能够通过第一次感应到待扫描物品时控制第一照明模块51、第二照明模块52进行工作，对扫描单元4的成像拍摄区域进行打光，设置于出料端的感应控制模块56在第一照明模块51、第二照明模块52处于工作状态下，再次检测到放置台3未被待扫描物品遮挡的滑台表面时控制第一照明模块51、第二照明模块52停止工作。通过设置感应控制模块56能够一定程度上降低照明补光耗费的电能，能够有效地延长照明单元5的使用寿命。

优选地，悬架调整组件6包括第一调节机构61和第二调节机构62。两个平行设置的第一调节机构61与扫描运动主体10连接。优选地，第一调节机构61上的工作端能够在垂直于放置台3的工作面的竖直方向上做直线移动。第一调节机构61的工作端上固定安装有第二调节机构62。优选地，多个第二调节机构62能够与并排设置的扫描单元4相对应，从而第二调节结构62能够带动与其连接的设定扫描单元4进行悬置高度的二次调节，使得每个扫描单元4的焦点都能定位在待扫描物品不平整表面。

优选地，扫描运动主体10上还安装有能够对放置台3的工作面进行吹扫处理的吹扫单元7。吹扫单元7设置在照明单元5的上游，从而在扫描运动主体10进行平移运动时，吹扫单元7先对放置台3上放置的待扫描物品表面进行除尘、除杂和除水处理后再被扫描单元4获取图像信息。优选地，吹扫单元7能够根据扫描需求调节其吹风量的大小。

如图4所示，扫描单元4在采集到物品表面数据后通过处理单元8进行处理，从而生成具有高分辨率和清晰度的图像。优选地，处理单元8能够在控制单元9的控制下选择性地进行基于引导滤波器的全焦融合处理和/或基于深度神经网络的高时空分辨全焦成像操作。优选地，控制单元9还能够将处理单元8处理后的图像数据传输至终端或显示屏进行显示。

实施例2

本实施例是对实施例1的进一步改进，重复的内容不再赘述。

现有技术中，一次性拍摄操作在获取图像信息时是需要以牺牲某一参数的准确性为代价进行扫描操作。例如，空间分辨率与角度分辨率之间存在矛盾，往往在获取角度分辨率的同时牺牲了空间分辨率，只能实现低分辨率的图像。现有技术的缺陷限制了光场成像在快速成像技术中的应用。

优选地，受到成像系统结构的限制，采集到的场景信息只能在一定范围内成清晰像，超过此范围的物体会因离焦而模糊，此范围被定义为景深。由于景深的限制，处于景深范围内的物体聚焦清晰，景深以外的物体成模糊像，这就造成获取到的图像均为部分在焦图像。在机器视觉的物体检测和分类识别的应用中，对于图像景深的要求极高，只有大景深才能保证场景内尽可能多的物体都在焦清晰。由于有限景深的存在，场景信息的采集深度和成像质量都受到影响，传统相机通常需要在景深和信噪比之间进行权衡，相机具有固定且单一的焦距，景深外像的模糊程度取决于焦距以及孔径尺寸的大小。通过减小光圈的方式提升景深，会导致信噪比降低，反之如果增大光圈，信噪比得以提升但是景深减少，由此可知，降低光圈孔径大小不是增大景深的最佳选择，特别是在暗场环境下，小光圈成像必然会造成图像强度减弱，严重影响成像效果。为了有效地解决此类问题，人们常采用增加曝光时间的方法来增加图像强度，然而增加曝光时间的成像方式在动态成像以及高速成像中表现不佳，无法实现动态场景下的高速、清晰以及大景深成像。为了有效地增大成像景深，全焦成像的方法应运而生，即场景内各个深度物体均在焦的成像方法。

作为现有技术的多聚焦图像获取方法，存在手动聚焦精度低、速度慢和图像采集效率较低的缺陷，此外，基于机械结构的自动聚焦方法相对手动聚焦方法的精度提升，但是多聚焦图像的数目有限。基于特定光学器件的多聚焦图像采集方法各有优缺点，例如，基于电控液晶变焦透镜的调焦方法增加了微制动结构，增加了系统复杂度。基于DMD的部分聚焦方法成本较高，光谱扫描相机以及基于彩色滤波孔径的方法受到核心器件的限制，无法实现快速、高精度、大量的多聚焦图像采集，不利于多聚焦图像融合。此外，上述四种方法具有共同的缺点：聚焦深度范围有限。

优选地，为了解决现有的全焦融合算法中出现的问题，本申请的处理单元8应用基于引导滤波器的全焦融合算法对多聚焦图像进行全焦融合。引导滤波器是一种典型的非线性滤波器，可以最大限度地保留边缘信息，实现高速、高质量的全焦融合。为了提升多聚焦图像采集质量，采用光场成像的方法在单次曝光下进行多聚焦图像采集，保证了多聚焦图像背景信息的一致性和全焦融合输入信息的完备性，同时此方法还具有成本低、系统结构简单以及深度扩展范围广的优点，有效地实现了高质量的多聚焦图像采集。通过将基于引导滤波器的融合算法与光场成像相结合，形成基于引导滤波器的单次曝光的光场全焦融合处理系统，实现了高质量、大景深全焦图像的采集。

优选地，针对扫描过程中由于在获取角度分辨率的同时牺牲了空间分辨率，造成采集图像的空间分辨率较低的缺陷，本申请的处理单元8通过引入基于深度神经网络的高时空分辨全焦成像系统的方式获取高时间分辨率和空间分辨率的图像数据。现有扫描单元4在采集多聚焦图像时，由于在单次曝光下同时获取场景光线的强度信息和角度信息，虽然采集的图像信息具有很高的时间分辨率，但是通过光场成像获取的多聚焦图像受到微透镜单元个数以及对应传感器个数的限制，其空间分辨率往往较低，因而无法获取高分辨率的全焦图像。因此，通过增加卷积深度神经网络来实现光场低分辨率图像的单图超分辨。优选地，设定扫描单元4通过相邻扫描单元4采集到的图像边缘信息对设定扫描单元4所采集的低分辨率的光场部分在焦图像边缘区域进行补充，使得其图像边缘区域缺失的图像信息得到补充而提高单图的分辨率。优选地，利用此网络对低分辨率的光场部分在焦图像进行上采样，有效地提升多聚焦图像的分辨率，最后经过基于引导滤波器的全焦融合算法，得到具有高时空分辨率的全焦图像，进而实现对场景信息的高分辨率大景深的图像采集。优选地，处理单元8通过基于引导滤波器的单次曝光来进行光场全焦融合的处理方式解决了传统多聚焦融合方法精度低、复杂度高、背景信息不一致、高频信息丢失等问题，实现单次曝光下全焦图像的采集，能有效获取大景深的场景信息。进一步优选地，处理单元8通过在基于引导滤波器的全焦融合的基础上，利用卷积深度神经网络实现对低分辨率光场部分在焦图像上的采样，有效地提升了全焦图像的空间分辨率，进而实现了高时空分辨率的全焦成像，达成大景深范围内高分辨率全焦图像采集的目标。

优选地，通过设置用于光场低分辨率图像单图超分辨的卷积深度神经网络，对低分辨光场图像进行上采样操作，从而有效地提升多聚焦图像的分辨率，进而弥补现有的光场成像方法获取的多聚焦图像的空间分辨率低且无法利用引导滤波器获取高分辨率的全焦图像的缺陷，使得基于引导滤波器的全焦融合操作能够对已完成单图超分辨后的多聚焦图像进行处理，从而获取具有高时间分辨率和空间分辨率的全焦图像。优选地，超分辨处理是从至少一幅低分辨率图像中重建高分辨率的图像，使得扫描单元4获取的原始图像经处理后能够输出具有高质量感知信息的高分辨图像。

优选地，引导滤波模块相比于常规的深度值索引法和小波融合算法，具有更好的边缘保持能力，更好地保证全焦融合得到的结果图的高频细节信息不丢失，从而相对于现有的图像融合具有更好的融合效果。进一步优选地，在引入引导滤波模块提高采集多聚焦图像的时间分辨率的情况下，通过引入能够完成单图超分辨处理的卷积深度神经网络对低分辨光场图像进行上采样操作，能有效地提升多聚焦图像的分辨率，进而弥补现有光场成像获取的多聚焦图像的空间分辨率低而无法利用引导滤波器获取高分辨率的全焦图像的缺陷。

优选地，低分辨率图像的构建过程包括：首先将高分辨率图像与模糊核进行卷积，然后对所得结果下采样，最后加上噪声影响因子n。单图超分辨算法的难点在于同一个低分辨率输入可能对应多个不同的高分辨率输出图像。

优选地，前述内容中设置的卷积神经网络可以包括压缩模块、重构模块和损失模块。优选地，压缩模块具有三个分别利用至少两个卷积层和一个最大池化层组成的子模块。优选地，压缩模块输出的数据能够在重构模块中完成上采样，并在经过损失模块后提高最终生成图像的空间平滑度。优选地，重构模块主要是由残密块(RDB)组成，在其主干结构中通过加入卷积层的方式实现图像融合混合并减少通道，使得整个结构能够采用像素混洗策略来灵活地实现上采样。优选地，在损失模块中，输出结构具有16个权重层网络(VGG-16)，用于标记输入的预训练视觉几何组网络，以及在不同深度层输出ReLU的激活值，同时计算L1损耗，总损耗变量的作用是提高生成图像的空间平滑度。

实施例3

优选地，本申请还提供一种扫描方法，其通过将卷积神经网络与光场成像结合，实现了高时间分辨率和高空间分辨率的全焦图像采集，扫描方法分为以下步骤：

S1：将待扫描的大幅面物品放置在放置台3上，通过控制扫描运动主体10的定向平移来使得扫描单元4扫描放置于放置台3上的待扫描的大幅面物品，从而扫描单元4能够通过分版块的方式完成多个线性图像信息的采集；

S2：结合光场成像采集待测区域(场景)的光场信息；

S3：对采集到的光场信息进行解码并运用数字重聚焦算法获取低分辨率的多聚焦图像；

S4：运用深度神经网络对多聚焦图像进行采样获取高分辨率的光场多聚焦图像；

S5：运用基于引导滤波器的全焦融合算法对高分辨率的多聚焦图像进行全焦融合处理并合成具有高分辨率和大景深的全焦图像。

优选地，照明单元5按照能够由扫描单元4的镜头限定的可扫描区域进行无死角补光的方式布设在扫描单元4的两侧，并且其能够在扫描单元4进行图像扫描的过程中通过调节其与扫描单元4之间的相对照射角度的方式消除待扫描物品上由于表面不平整而形成的阴影。优选地，悬架调整组件6能够根据扫描物品的厚度、表面平整度等情况调节扫描单元4的悬置高度，从而使得扫描单元4的镜头焦点始终能够定位于物品表面，从而获取准确的图像数据。

优选地，光场信息采集的过程是指在单次曝光中同时获取场景光线的强度信息和角度信息，此操作具有很高的时间分辨率，但是受到微透镜单元个数以及对应传感器个数的限制，光场成像的图像空间分辨率较低。通过卷积神经网络结构对低分辨率光场图像进行上采样操作，可有效提升图像分辨率，最后经过基于引导滤波器的全焦融合算法，得到具有高时空分辨率的全焦图像。优选地，重聚焦过程相当于对实际场景进行扫描，每一个扫描位置就是聚焦清晰的位置，在光场数字重聚焦过程中，扫描步长可以根据实际情况设置为足够小，这样可以保证在相同的采集深度范围内，获取足够多的部分聚焦图像，聚焦扫描精度高，多聚焦图像数量多，光场重聚焦的这种优势保证了后期全焦融合算法所需的多聚焦图像信息的完备性。基于深度神经网络的上采样方法可以重建更多的细节信息，在保留原始部分聚焦图像的聚焦特性的情况下，更大限度地恢复高频信息。

优选地，本申请采用的卷积神经网络中引入了卷积压缩模块，用于对图像进行一定程度的压缩，并通过压缩减少双线性插值方法与真实图像模糊核之间的差异，从而成功解决训练数据集问题。此外，在进行重构模块的构建时，通过选择基于残余密集网络(RDN)的结构，使得重构模块具有更好的性能。最后，本申请还使用预训练的卷积神经网络作为损失函数，实现更好的细节保持上采样效果。因此，本申请设置的卷积神经网络可以实现高质量的上采样，并且针对光场数字重聚焦图像具有更好的高频细节信息保留效果，从而基于深度神经网络的高时空分辨全焦成像技术可以实现具有高时间分辨率和高空间分辨率的全焦图像的获取，进而实现了具有大景深高分辨率的场景信息采集。

实施例4

CN104614339公开了一种油画的三维太赫兹成像方法，用以为修复师拟定修复方案提供科学依据。然而根据该专利，在根据待测油画成像区域中不同画层的点的位置信息及其对应的反射信号光强并重建油画以得到油画的三维图像之后，修复师面对显示屏内的三维图像并不能很好地进行修复，而是需要借助于打印形成的复制品来反复练习，而后才敢于在真品乃至珍品上进行实际的修复。然而，参照该专利图3所示的扫描图可知，其扫描确定的三维图像在打印时并不能给出贴近原作的图像，只能给出真正的三维图像，用以判断各笔迹痕迹及其在相关深度方向上的颜料等。而借助于本发明实施例1至3的内容，可以扫描得到更为精细的图像并进行打印，以便修复师通过对照根据CN104614339形成的三维图像来在打印件上进行修复练习。

在本申请中，如图4所示的多个扫描单元4以并行的方式对大幅面待扫描区域(油画)进行信息采集时，各个扫描单元4是根据由三维太赫兹成像方法(CN104614339)所确定的三维图像来确定各自高度位置的，换而言之，各个扫描单元4在执行扫描时的高度位置是根据预先确定的三维图像来实时动态调整的。

优选地，安装在悬架调整组件6上的扫描单元4还可以采用矩阵排列，使得其在单次执行扫描时可以准确地获取到一个对应的矩形区域内物品表面所有数据。具体地，针对待扫描物品的一个矩形区域内的凹凸不平的表面进行扫描时，控制单元9根据由三维太赫兹成像方法(CN104614339)所确定的三维图像来确定一个矩形区域内不同位置处的扫描单元4的高度位置，从而可通过控制悬架调整组件6的工作来改变扫描单元4的升降，使得每个扫描单元4能够在控制单元9的控制下，调节其工作高度，进而矩阵排列的多个扫描单元4能够呈现出与物品表面相对应的高低起伏状态，每一个扫描单元4的焦点均可定位于对应位置的物品表面。

优选地，控制单元9可以根据扫描运动主体10的运动而实时动态调整多个扫描单元4的高低位置。在扫描单元4采集到物品表面一个矩形区域的数据后，扫描运动主体10能够带动扫描单元4进行步进式平移，使得矩阵排列的扫描单元4能够再次对一个未进行数据采集的矩形区域进行扫描。优选地，在扫描单元4进行扫描之前，控制单元9能够根据预先获取到的该区域物品表面的三维图像对扫描单元4的高度位置进行调节。此外，扫描单元4在采集到物品表面数据后，其在将相应数据交由处理单元8进行处理时，处理单元8是根据预先确定的三维图像来修正各个扫描单元4所采集的图像的，尤其是修正取景范围、景深，从而方便与扫描装置相关联的打印设备能够准确地打印出具有与原物品相一致的物品表面形状和色彩。

具体地，控制单元9可在扫描单元4完成一个矩形区域内的扫描操作后，在扫描运动主体10带动扫描单元4进行步进式运动的同时，根据预先接收的扫描物品的整个三维图像定位出下一待扫描矩形区域的三维图像，从而在扫描运动主体10运动的同时完成矩阵排列的若干个扫描单元4各自对应的高度位置调节，从而在扫描运动主体10带动扫描单元4移动至下一个待扫描区后，扫描单元4立即完成该区域的扫描工作，进而在扫描运动主体10完成单次步进式平移后的短暂停滞时间内，扫描单元4即可准确地完成该矩形区域的扫描。在扫描运动主体10的继续运动过程中，控制单元9能够对应地控制扫描单元4进行适应性的工作位置调节，从而实现扫描运动主体10的持续运动和扫描单元4的实时动态调节以完成大幅面的扫描工作。

优选地，扫描单元4的矩阵排列能够与扫描运动主体10的运动相适配，使得若干个扫描单元4根据预先接收的由三维太赫兹成像方法(CN104614339)所确定的三维图像进行各自的工作高度调节的调节期恰好能够与步进式扫描运动主体10的运动周期相对应，从而扫描单元4能够预先调节自身扫描高度至待扫描物品的对应表面位置所需的扫描高度，进而在静止状态下完成待扫描物品一个矩形区域的扫描工作。在完成一个矩形区域的扫描操作后，扫描运动主体10带动扫描单元4进行运动方向不变的二次运动，扫描单元4同步地进行高度位置的调节并提前完成高精度的对焦，从而在扫描运动主体10带动扫描单元4完成一个矩形宽度的平移后，扫描单元4能够在扫描运动主体10步进间隙的停滞时间快速完成高精度的扫描和数据获取。本申请的扫描方式是矩阵排列的若干个扫描单元4进行同步的扫描，其扫描在扫描运动主体10停滞的瞬间即可完成，使得扫描运动主体10多个步进运动的停滞间隙尽可能地缩短，从而多个步进运动相拼接可以近似于一个持续运动的过程，扫描单元4的高度位置调节也是一个持续的过程，从而相对于现有技术中的高速扫描方式大大提高了扫描精度且同时也保证了扫描效率。

相对于现有技术中采用待扫描物品或扫描装置的持续高速运动完成待扫描物品表面的扫描工作，本申请通过将扫描运动主体10设置为步进式运动，使得扫描单元4能够在待扫描物品处于静止状态下完成物品表面的扫描，大大提高了扫描单元4的对焦精度和扫描数据的准确度，尤其是相对于运动状态下的物品表面扫描，本申请静止状态下的扫描操作具有更高的扫描质量，并且能够在完成扫描后，处理单元8立即对扫描图像是否存在阴影等进行验证，控制单元9根据验证结果调节扫描运动主体10的运动状态，使得扫描单元4能够立即对该区域进行二次扫描，避免了在完成所有区域扫描和图像拼接后再进行验证和修正的繁杂工作量。扫描单元4对一个矩形区域的扫描是指多个扫描单元4进行分块扫描，其扫描过程耗时极短，无需特别设置扫描时长，仅需要将其扫描工作时间点与扫描运动主体10的步进运动周期相匹配，使得两者的工作周期相重叠即可。优选地，在扫描单元4需要进行同区域的二次扫描时，控制单元9控制扫描运动主体10的停滞时间增加一个步进时长，此时，控制单元9通过调节照明单元5的工作位置以消除物品表面该区域存在的扫描阴影。扫描单元4在照明单元5完成二次调节后进行二次扫描。

优选地，照明单元5的工作位置也是根据由三维太赫兹成像方法(CN104614339)所确定的三维图像进行变换的。具体地，控制单元9在调节扫描单元4的高度位置的同时依据待扫描物品的三维图像对照明单元5的照明高度和角度进行适应性调节，使得照明单元5通过光照消除待扫描物品矩形区域表面可能存在的阴影。照明单元5与扫描单元4依据控制单元9预先接收的由三维太赫兹成像方法(CN104614339)所确定的三维图像进行同步运动，既可以高效准确地获取高精度扫描图像，同时还能够避免传统步进式扫描的调节操作对时间的耗费。尤其是，本申请的矩阵排列的扫描单元4的高度位置调节能够与扫描运动主体10的单个步进运动时间相重叠，使得两者保持持续运动的停滞间隙即可完成一个矩形区域的扫描工作，通过扫描运动主体10的持续运动和扫描单元4持续起伏的工作位置变换大大提高了扫描效率且有效地保证了扫描精度。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。

Claims (8)

1.一种扫描装置，其至少包括能够进行图像数据采集的扫描单元（4）和能够根据物品表面的色泽对所述扫描单元（4）的扫描区域进行补光角度调节的照明单元（5），所述扫描单元（4）通过悬架调整组件（6）悬置于平台主体（1）的上方并与机架（2）连接，其特征在于，所述扫描单元（4）通过悬架调整组件（6）对其工作位置进行调节，其中，所述悬架调整组件（6）能够带动并排设置的多个所述扫描单元（4）进行同步调节和/或带动至少一个所述扫描单元（4）进行独立的持续起伏的工作位置调节，使得所述扫描单元（4）的焦点始终定位在待扫描物品表面；所述扫描单元（4）按照能够获取待扫描物品不平整表面的准确信息的方式根据待扫描物品表面的起伏而调节其悬置高度，并且多个并排设置的扫描单元（4）以线性扫描的方式获取分别待扫描物品的多个条形区域表面信息；

所述照明单元（5）能够根据所述扫描单元（4）的工作位置和待扫描物品的表面情况调节其光线出射角度，使得所述扫描单元（4）获取到无阴影的待扫描物品的表面信息；

所述照明单元（5）至少包括分设于所述扫描单元（4）两侧的第一照明模块（51）和第二照明模块（52），而且所述第一照明模块（51）和第二照明模块（52）能够构建出呈夹角的两个照射光线对待扫描物品表面进行补光。

2.如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，多个并排设置的所述扫描单元（4）能够按照同时完成各自工作位置调节的方式完成具有大幅面的待扫描物品表面的图像信息采集，并且处理单元（8）通过对多个有序排列的扫描单元（4）采集的条形图像信息进行全焦融合的方式完成整个待扫描物品表面的信息整合。

3.如权利要求2所述的扫描装置，其特征在于，所述处理单元（8）通过基于引导滤波器的全焦融合算法对多个所述扫描单元（4）采集的多聚焦图像进行全焦融合，其中，

单个所述扫描单元（4）能够扫描到的条形区域与相邻所述扫描单元（4）的条形区域存在部分重合。

4.如权利要求3所述的扫描装置，其特征在于，所述处理单元（8）按照能够提高低分辨率的光场部分在焦图像的空间分辨率的方式增加卷积深度神经网络以完成光场低分辨率图像的单图超分辨，其中，

任意一个所述扫描单元（4）能够通过相邻扫描单元（4）采集到的图像边缘信息对其所采集的低分辨率的光场部分在焦图像的边缘区域进行补充，使得其图像边缘区域缺失的图像信息得到补充而提高单图的分辨率。

5.如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述照明单元（5）还包括用于将第一照明模块（51）和第二照明模块（52）安装至所述机架（2）上的安装支架（53）；

所述第一照明模块（51）和第二照明模块（52）通过旋转安装座（54）与安装支架（53）转动连接，使得所述第一照明模块（51）和第二照明模块（52）通过转动旋转安装座（54）来改变其照明光线的出射角度。

6.如权利要求5所述的扫描装置，其特征在于，所述旋转安装座（54）上还连接有能够控制其转动的旋转驱动单元（55）；

所述照明单元（5）还包括能够获取放置台（3）上待扫描物品的实际位置而可调节地控制所述第一照明模块（51）和第二照明模块（52）进行开启或关闭的感应控制单元（56）。

7.一种根据权利要求1至6之一所述的扫描装置的扫描方法，其特征在于，所述扫描方法至少包括以下步骤：

S1：将待扫描的大幅面物品放置在放置台（3）上，通过控制扫描运动主体（10）的定向平移来使得扫描单元（4）扫描放置于放置台（3）上的待扫描的大幅面物品，并且扫描单元（4）的镜头焦点始终能够定位于物品表面，从而扫描单元（4）能够通过分版块的方式完成多个线性图像信息的采集；

S2：确定光场成像采集待测区域的光场信息；

S3：对采集到的光场信息进行解码并运用数字重聚焦算法获取低分辨率的多聚焦图像；

S4：运用深度神经网络对多聚焦图像进行采样，获取高分辨率的光场多聚焦图像；

S5：运用基于引导滤波器的全焦融合算法对高分辨率多聚焦图像进行全焦融合处理并合成高分辨率大景深的全焦图像。

8.如权利要求7所述的扫描方法，其特征在于，高分辨率的光场多聚焦图像是通过引入卷积压缩模块的卷积神经网络结构对低分辨率光场图像进行上采样获取的。