CN1930867A - 用于成像基本二维的目标的方法和装置 - Google Patents

Abstract

为了成像二维目标(T)并基本确保扫描，这样拍摄并数字化书页的整个表面，使得需要将昂贵的或博物馆的书以略大于45度的较小角度打开，提出了一种方法，包括以下步骤，使至少一个用于影响射到其上的光线方向的光学单元与目标(T)匹配；照明所述目标(T)，同时将光学记录装置引向所述光学单元，且移动所述光学记录装置，并且以相比于起始于目标(T)的中心的光轴(OA)的弧形的预定角度α从目标(T)的平面以后退的方式偏移，同时以对所述光学记录装置的偏移的一半即α/2角倾斜反射镜(M)，以及通过在所述光学记录装置的整个光学角范围内将来自所述目标(T)的光线通过所述光学单元以与目标(T)成直角地投影到光学记录装置的传感器装置，而映射通过光学单元映射到达所述光学记录装置的目标(T)的像素。

Description

用于成像基本二维的目标的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于成像基本二维的目标的方法，包括以下步骤：使至少一个用于影响射到其上的光线方向的光学单元与目标匹配；照明所述目标，同时将光学记录装置引向所述光学单元，通过在所述光学记录装置的整个光学角范围内将来自所述目标像素的光线通过所述光学单元以与目标成直角地投影到光学记录装置的传感器装置，而映射通过光学单元到达所述光学记录装置的目标的像素。本发明还涉及一种用于成像基本二维的目标的装置，包括适于影响射到其上的光线方向的至少一个光学单元、照明所述目标的光源以及引向所述光学单元的光学记录装置，所述装置确保扫描、拍摄并数字化书页的整个表面，使得需要将书以略大于45度的较小角度打开。

背景技术

在传统图书馆和档案管实践中已经使用摄影和缩微拍摄用于记录数据。最新的数字数据记录已经增加了对这些方法的需求。多种不同的高速扫描器用于数字化单独的页和书。然而，其不能用于处理博物馆的昂贵的书，因为在该情况下，应该将书至少打开90度或在许多情况下甚至打开180度。这种受迫打开可能既损坏封面也损坏内页。根据一个已知方案，将要拍摄的页不是完全平坦的而具有一些起伏。通过软件装置校正所获得的映射或曝光变形。

美国2002/191,994公开了通过一维传感器的扫描。该方案的一个缺点是，通过移动传感器或成像系统进行扫描，这样速度较慢，另外，对书脊附近内容的扫描不能适当地完成。

CN1,354,441中公开了一种对应于拍摄的真正快速的扫描方法。然而，其不能解决在具有类似受限的打开角的书和其它文件的情况下的扫描和需要的均匀照明。

理论上存在三种数字化二维图像的方法，所述二维图像尤其为书页。

在第一种可选方案中，一个接一个地顺序记录各个图像像素的信息内容。由于该方法较慢，其不用于数字化书本，但是在共焦激光显微镜或者在基于相同的技术背景的CD/DVD读取器操作中起到重要的作用。

在第二可选方案中，将一维内嵌传感器沿与对象即目标的表面成直角的方向移动，则图像由这样记录的线构成。对大多数复印机和一些扫描器的操作就是基于该原理。美国4,585,334；美国4,633,080；美国6,603,580；美国5012275；CS2,253,522或美国6,587,227示出一些类型的方法和装置。该原理的一个缺点在于，线形传感器自身的设计，接合照明方案和需要的移动机构即使在90度的打开角下对书脊接合部分不能提供适当的扫描。虽然在几十年中已经作了很多努力用于改善这些特征，目前仍没有获得有用的结果。最新的扫描器配置有所谓的LIDE传感器，其中在单个半导体带上集成照明LED、传感器单元和光学元件。然而，即使这样的传感器不能低于10mm地接近扫描平面即书本的打开页的任何凸出。在基于一维图像接收单元的每个上述方案中，需要至少以直角打开书，并且没有关注接近书脊的空白处的内容，所述空白处从而不能被扫描到。

第三种方案是将需要数字化的表面完全投影到传感器，其通常用于微缩拍摄。当然，在上一世纪发展了几个方案以改善该方法。现在，提出的方案可以直接用于数字摄影领域。随着传感器以及二维CCD和CMOS光学传感器的分辨率的迅速发展，该第三方法将是该领域中的一个主流。由美国Palo Alto Research Centre提供的名为“Bookscanner”的文献、德国Zeutschel公司的产品“OMNISCAN 3000”、或美国Reality Imaging SystemCo.的产品“PageScan 150”通过只提出一些实例介绍了类似的装置和方案。不利的是，这里也不能以小于直角的角度打开书。考虑该情况的重要性，下面将单独详细描述。

Palo Alto Reasearch Centre的“Bookscanner”是用于90度打开的典型方案。其中从上方、从右边和从左边的45度即与页面成直角拍摄以直角打开并背面朝下放置的书本并数字化。注意，这里反复提及的45度表示对各个面即背朝下放置的打开的书的书页的提升角度。从而，根据该解释，在两面上的0度角表示180度角的完全打开的书，而在两面的45的提升表示以90度打开的书。但是存在的问题是，如何解决以可能的最小角打开书的问题，而其页面可以被拍摄至书脊。

在美国5,359,207描述的方法中示出了对该问题的理论上的完美方案。其中在页面之间设置书页尺寸的薄传感器，其还包括照明和传感器单元。传感器的小厚度使得可以打开最小角度。唯一的问题是，公知的是，这样厚度的光学传感器还不存在。

在名位“Unique Prism Camera System”的文献中可以找到可选的完美方案，其中描述了OMNIA的装置“OK301P”。其中60度的固体光学棱镜解决了观察以60度打开的书的全180度的图像的问题。可以认为棱镜的上表面只是简单的窗口，但是两个下部同时完成双重的工作。左侧表面是透视左边书页的窗口，由于光以几乎直角的角度穿过它，从而损耗最小。但是从右边书页的角度看，它用作全反射镜，因为来自光密介质即棱镜中心的光以60度的入射角射入，从而将图像发送给作为图像记录装置的照相机。棱镜的右侧表面具有类似的双重作用。所述两个表面相对于照明类似地工作。一百年来光学反射镜小规模地在双目显微镜和特定望远镜中的光线分配器中用于倒转倒像。考虑该方案，应该注意，60度角是理论值，因为不能对其调节或减小。另一方面，棱镜自身可以由折射率系数比空气高得多的材料(玻璃、光纤玻璃、透明流体等)制成。在A3书页的情况下，棱镜的边缘长度至少为600mm，高度至少为420mm。制造这种具有要求的光学均匀性和质量的棱镜非常困难(天文望远镜的透镜和反射镜基材落入该尺寸范围，对其的冷却过程持续数年以消除在制造过程中发生的张力)。重量为100kg的棱镜的数量也将是较多的。其它应用问题来源于，只有棱镜的表面完全洁净且无接触时才可以完成其双重工作。该条件的灵敏度可以从如下看出，将这样的全反射棱镜用于痕迹扫描器中用于检测：全反射在皮肤皱纹接触玻璃的点处停止，这导致极差对比度的图像。

GB2,292,281提出了这样的方案，其中在上方照明的情况下将书以45度打开。然而，所述描述既没有涉及其有效可行性也没有建议在所述楔形中存在什么元件。假设了施加以45度角度放置的反射镜。但是，根据实验和经验，在以有限距离放置相机的情况下，在反射镜和压页玻璃之间发生有害的反射，其阻碍拍摄高质量的图像。

发明内容

技术问题

可以认为已知方案存在由于照明导致的问题和反射的共同缺点，从而本发明的主要目的是消除该反射。

另一个目的是有利于对机械敏感的文献(例如古书)进行高质量的扫描，以及类似于以最小可能的角度打开它们的目的。

高级光学设计程序包括所谓的“虚焦产生器”模块以分析有害反射的效果，但是它们不适于分析在平面反射镜上形成的重像。

技术方案

本发明的主旨是通过适当设置照相机和反射镜的角度，可以形成这样的光学装置，其在扫描书时排除有害的光学反射，而主要保持上述映射系统的有利特征，即可以看到书页的书脊附近，即使其以小角度打开。

本发明基于如下：如果通过置于书中的反射镜偏转光路而不使其变形，则以45度或更小的角度打开书已经足够。但是在任何情况下都应将拍摄的书页压下以将其保持在相机的焦平面。该下压工具或最终的透光(gleaming)书页可能导致二次反射，其在图像中呈现为页面或光源的灰暗重像。通过合适的涂敷可以减少压板的反射，但是在该情况下，技术上可以将其减少到低于0.1％的需要水平，从而不可能调节扫描的对象即书页的光学参数。

本发明提出的对上述目的设置的方案基于成像基本二维的目标的方法，包括以下步骤：使至少一个用于影响射到其上的光线方向的光学单元与目标匹配；照明所述目标，同时将光学记录装置引向所述光学单元，通过在所述光学记录装置的整个光学角范围内将来自所述目标的光线通过所述光学单元以与目标成直角地投影到光学记录装置的传感器装置，而映射通过光学单元到达所述光学记录装置的目标的像素。本发明的新颖性在于，通过移动所述光学记录装置，并且以相比于起始于目标的中心的光轴的弧形的预定角度从目标的平面以后退的方式偏移，同时以所述偏移光学记录装置的一半角度倾斜反射镜。

根据提出方法的一个有利实施，所述成像包括压下所述目标表面以获得用于映射的平坦表面的步骤。

根据本发明还有利的是，选择角度α的值使其超过所述光学记录装置的光学角度的至少一半。

根据本发明还有利的是，所述匹配包括使用表面反射镜步骤。

根据提出方法的另一有利实施，使用楔形光学元件，其由下压玻璃板和表面反射镜构成。

根据提出方法的另一有利实施，使用具有可调前斜度的光学元件。

根据本发明还有利的是，所述扫描包括以下步骤：通过可倾斜地嵌入所述楔形元件的反射镜连续扫描用作目标的打开书本的两页，但是不从构成所述楔形元件的边界的所述玻璃板之间移走所述楔形元件。

根据提出方法的另一有利实施，施加提供均匀漫射光的光源。

根据本发明还有利的是，施加由若干个分散光源组成的光源。

另一方面，通过用于成像基本二维的目标的装置解决上述目标设置，所述装置包括适于影响射到其上的光线方向的至少一个光学单元、照明所述目标的光源以及引向所述光学单元的光学记录装置，其中当所述光学记录装置被引向所述光学单元时，其被定位以使得将其移开，并且以相比于起始于目标中心、并以与目标的表面成45度角的方向开始延伸的光轴的弧形的预定角度从目标的平面以后退的方式偏移，同时以偏移光学记录装置的一半角度倾斜反射镜。

有利效果

提出方法的主要优点是，首先，其允许扫描限制移动的物理敏感的文献，即古书和抄本，使得所述书可以以比60度小得多的角度打开，而提供基本没有变形、且更重要地是没有反射和重像的扫描图像。所提出的方法和装置不是三维的，从而其可以用于映射和扫描3D性对象而不需要其它辅助措施。

附图说明

通过下面参考附图对用于公开的优选实施例的描述，本发明的特征和优点将更清楚，其中：

图1A、1B示出在实像和成像角度目标在用作光学记录装置的照相机的焦平面上的反射图像的光路的理论图；

图2A、2B示出通过现有技术方法记录的目标的反射图像；

图3A、3B示出根据提出的本发明的在实像和成像角度的对象的反射图像；

图4示出实现提出方法的装置的可能实施例；以及

图5示出用于两页扫描的图4的装置示意图。

具体实施方式

图1A示出公知的基本情况。假设，由箭头表示的目标T不反射，且图像I通过位于与目标T的平面成45度的平面上的反射镜M被传送到点R，点R表示光学记录装置，例如照相机。

图1B示出了成像的光路。实际上，这是照相机或人眼看到图像的光路。虚线表示从点R(即从照相机的位置)不能看到的至少一个反射表面。将要成像的目标T应该这样放置，使得从点R开始且在中间反射表面RS上折射的成像轴OA最后通过目标T的焦点，同时与其表面成直角。该设置确保最少畸变地成像。

图2A示出上述设置的变型，其中甚至T自身(或者下压元件即玻璃)是反射的。图2B示出目标T的映射图像I位于与图1B相同的位置，但是这里在下方还存在重像GI作为三重反射的结果(在反射镜M上反射两次，同时在其自身的透光反射表面RS上反射一次，见虚线)。阴影区域表示可见区域以外的盲区EA。注意，在目标T的实像I下面出现的目标T的模糊而平坦的图像重像GI完全落入视场中。

图3A和3B示出这样的视图，其中表示照相机的点R从如前图所示的其通常位置移开，使得以孤形将其向上偏移转开到在图中标记的方向，所述方向相对于起始于目标T的焦点的光轴OA轴成α角，使得光轴OA在该情况下仍以与其表面成直角地通过目标T的焦点，并且反射镜M也倾斜偏移点R的1/2角(α/2)。

可以看出，由于多重反射形成的重像GI现在落入阴影盲区EA，即在例如照相机的光学记录装置的视场外。

在表示照相机的点R移到与起始于目标T的焦点的光轴OA相对的方向(图中向下的方向)的情况下，重像GI将更多落入视场的范围内，从而该选择可以忽略。

因此，如果相比于在图1A中定位为90度的理论角的光轴OA向上偏移α角，所述α角对应于照相机视角的一半，同时为了保持直角观察，将反射镜M从理论角45度偏移到对应于上述偏移的角α的一半的角，然后，需要强照明的目标和它们的反射(以及多次反射)虚像将落入照相机的视场，而可能通过已知方法保持黑暗的面积S将落入其中，从而它们将不干扰图像I。然而，对于该装置实际使用的视角，产生盲区ES，其图像通过任何初级或高级反射都不能进入照相机的视角，并且，可以可选地放置照明光源(见图4)。通过其适当的设置，可以提供均匀的照明。

有若干种实施选择以实现上述方案。在最简单的情况中，可以设置这样的装置，其允许扫瞄和成像目标T，例如一页打开的书，其中通过以适当角度组装下压玻璃板G和表面反射镜M，以及适当放置照相机和光源，并利用黑色材料覆盖在产生重像方面较灵敏的区域。

图4示出一个优选实施例。利用透镜焦距为80mm的可市场获得的光学照相机(例如Lecia)的参数计算，拍摄A4页的图像需要的光路的总长度为700mm，其中对象的视角是17度。基于上述条件，应该将照相机的点R至少升高α＝8.5度，所述角度相对于与目标T的表面成直角延伸的光轴OA。实际上，推荐使用稍微大一点的角，例如α＝10度。在该情况下，应该将反射镜向上倾斜5度的角度。在该装置中，应该将对应于目标T的书只在50度的角度打开，这表示从书的角度基本更宽容的处理。通过适当选择照相机，当考虑上述因素时，还可以进一步减少书的打开角度，其比率仅受到将插到书页之间的反射镜M的物理尺寸的约束。

根据另一个优选实施，将要扫瞄的书放到楔形单元的表面上，其中其一侧是下压玻璃板G，而另一侧是反射镜M。

假设反射镜M和下压玻璃板G的厚度都是3mm。可以容易计算，在该情况下，目标T从由M和G形成的楔形的外部边缘向内6mm的部分将已经出现在扫瞄图像I上。

由于只有一个反射镜位于光路上，相比于目标，图像I将是倒的，但是利用现代数字处理系统，可以通过软件或硬件方案容易地解决该问题。

下压玻璃板G和反射镜M的基材可以是BK7型的平行平面光学玻璃，但是一些质量更好的浮法(窗)玻璃也是足够的。反射镜M优选是反射层位于基础玻璃板的外表面的表面反射镜。这样的反射镜广泛用于光学应用，其由例如Unioptik Ltd.，Hungary制造和打磨。通过该方案，可以消除由于反射镜的非表面的面的反射形成重像，所述重像将显示与原物相同的尺寸，但是根据反射镜M的厚度偏移了1-2mm。

对所述对象可以使用所有这样的装置，只要所述装置允许将像素映射到图像接收传感器。为此，可以使用适当版本的Rodenstock Rodagon系列(其可以具有不同焦距)或Schneider Company，德国(主页：http://www.schneider-kreuznach.com)的装置。

可以使用两种主要类型的图像接收传感器(除常规胶片以外)：CCD和CMOS传感器。CMOS传感器的升级版本是Foveon公司的“X3”型。

照明应该根据试验设置。附图可以帮助识别盲区ES，其即使在重复的反射后也不落入照相机的视场。为了获得均匀的照明，建议使用具有大的发光表面并提供漫射光的若干个光源L，类似与由再现技术提出的已知方案。

通常，当数字化书本，则左边页和右边页都需要。当扫瞄感光的书，如果从同一位置可以拍摄两页而不需要移动书将是非常有利的。如图5所示，新提出的方法和装置实现了这点。

在这种情况下，将书B放入具有开放顶部和平行边缘的自对准支架C，所述支架的开放角对应于提出的映射装置的角。该装置的前部，即由设置为对应于开放角的角度的两个玻璃板G构成的楔形单元，从上方适配入打开的书B，从而使两页平滑。将两侧涂敷的表面反射镜M插入，从而其可以倾斜并转动，将其置于楔形内部，实际接近其下部边缘。将照明光源L和两个照相机对称固定在书B的上方，所述光源也可以实施为一组光源。通过将反射镜M倾斜到左侧，可以利用右边的照相机和左边的光源L拍摄右边页的图像，然后，当将反射镜倾斜到相对位置后并利用对称的元件，可以拍摄左边页的图像。在提升楔形单元后，进行翻页，并对下一对页继续所述过程。可以通过手动或通过操作装置进行对反射镜M的倾斜。

可以用单个照相机代替两个照相机，其同时跟随反射镜M移动，但是是移动到相反的方向。另外，照相机可以是固定的，如果通过其它已知光学单元(图中未示出)将光偏转到需要的方向，其所述光学单元同时跟随倾斜的反射镜M移动。

在提出的装置的另一个优选实施例中，整个光学单元是固定的，而用于保持书B的支架上下移动。支架C的具有开放顶部的水平位置实际保持，以便于翻动书页。

根据提出装置的另一个优选实施例，用于保持书B的支架C是固定的，而光学单元上下移动。

根据另一个优选实施例，可以在中心垂直旋转轴上将光学单元的楔形元件旋转180度，而玻璃板G和反射镜M改变位置，当降低楔形元件时，利用反射镜G可以扫瞄书B的其它页。该方案的优势在于，通过单个楔形元件，可以扫瞄两页而不用移动书B。

虽然从成本上考虑不是优选的，然而可以包括两个光学单元，从而可以将一个反射镜G放入一侧的部分单元中的一个，将另一个反射镜放入另一侧的另一部分单元中，且在两个部分单元下将其上放置打开的书的支架C水平来回移动。该方案的主要优势在于，光学部分单元只需要沿垂直轨道移动，从而可以保持验证为优选的设置。

当然，可以这样颠倒所述装置，其中光学元件位于下方，而将书B置于楔形元件且面朝上，其中通过书B自身的重量确保对书页的必要的平滑化。

作为最新技术发展的结果，还可以实施另一优选实施例，其中楔形元件的两边都构成可控板，其根据控制信号行为的特性为完全透明或完全反射的元件。利用该方案，可以不再需要再楔形元件中施加移动部件(在两边上的表面反射镜)以用于同时扫瞄两页。

当然，还可以通过用于印刷或复印技术中的已知技术自动控制翻页的过程。

所提出的方法和装置还允许扫瞄水印。为此，使用薄的(0.1-5.0mm)且实际为二维的均匀照明装置，例如用作TFT显示的背景照明的电致发光光源。

然而，应该理解，这里对具体实施例的描述不是为了将本发明限制在公开的特定形式，而是，本发明覆盖在由所附权利要求限定的本发明精神和范围内所有修改、等同物以及可选方案。

Claims (11)

1.一种用于成像基本二维的目标(T)的方法，包括以下步骤：使至少一个适于影响射到其上的光线方向的光学单元与所述目标(T)匹配；照明所述目标(T)，同时将光学记录装置引向所述光学单元，通过在所述光学记录装置的整个光学角范围内将来自所述目标(T)的像素的光线通过所述光学单元以与所述目标(T)成直角地投影到所述光学记录装置的传感器装置，而映射通过所述光学单元到达所述光学记录装置的目标(T)的像素，其特征在于，通过移动所述光学记录装置，并且以相比于起始于目标(T)的中心的光轴(OA)的弧形的预定角度α从目标(T)的平面以后退的方式偏移，同时以对所述光学记录装置的偏移角的一半即α/2角倾斜反射镜(M)。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，压下所述目标(T)的表面以获得用于映射的平坦表面。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，选择角度α的值使其超过所述光学记录装置的光学角度的至少一半。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，使用反射镜(M)作为光学元件。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于使用表面反射镜(M)。

6.根据权利要求1至5中任一项的方法，其特征在于，使用楔形光学元件，其由下压玻璃板(G)和表面反射镜(M)构成。

7.根据权利要求6的方法，其特征在于，使用具有可调前斜度的光学元件。

8.根据权利要求1至7中任一项的方法，其特征在于，通过被可倾斜地嵌入所述楔形元件的反射镜(M)连续扫描用作目标(T)的打开书本(B)的两页，但是不从构成所述楔形元件的边界的所述玻璃板(G)之间移动所述楔形元件。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，施加提供均匀漫射光的光源(L)。

10.根据权利要求9的方法，其特征在于，施加由若干个分散光源组成的光源(L)。

11.一种用于成像基本二维的目标(T)的装置，

包括适于影响射到其上的光线方向的至少一个光学单元、照明所述目标(T)的光源(L)以及被引向所述光学单元的光学记录装置，其特征在于，当所述光学记录装置被引向所述光学单元时，所述光学记录装置被定位为，其被移动，并且以相比于起始于目标(T)的中心、并以与目标(T)的表面成45度角的方向开始延伸的光轴(OA)的弧形的预定角度α从目标(T)的平面以后退的方式偏移，同时以对所述光学记录装置的偏移角的一半即α/2角倾斜反射镜(M)。

Images