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ALLGEMEINER STAND DER
TECHNIK
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Bildaufnehmer zum Lesen
optischer Symbole wie etwa traditioneller Strichcodes und 2D-Symbole. Insbesondere
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen tragbaren Bildaufnehmer
für optische
Codes, der Beleuchtung und Fokus schnell und leicht anpasst und
eine bevorzugte Betriebsreichweite von ungefähr 1,5 bis 16 Zoll aufweist,
der Bildaufnehmer kann jedoch eine Betriebsreichweite mit sowohl
niedrigeren als auch höheren
Grenzen aufweisen und noch immer in den beabsichtigten Bereich der
vorliegenden Anmeldung fallen.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Die
Verwendung von Strichcodes hat bis zu dem Punkt zugenommen, dass
sie in fast jedem Industriezweig verwendet werden, um maschinenlesbare
Informationen über
ein Objekt oder ein Produkt bereitzustellen und dabei zu helfen,
derartige Objekte zu verfolgen. Zahlreiche verschiedene Symbole sind
entwickelt worden, wie etwa eindimensionale Linearcodes und 2D-Codes
wie etwa Data Matrix. Typische Linearcodes beinhalten eine Serie
paralleler Zeilen variierender Dicke und variierenden Abstands, die
in einer linearen Konfiguration angeordnet sind, um einen digitalen
Code zu repräsentieren,
der sich auf den Gegenstand beziehende Informationen enthält. Die
Verwendung der Strichcodes hat aufgrund der Tatsache, dass die Bildaufbereitung
und der Verfolgungsvorgang menschlichen Irrtum ausschließen und
schnell durchgeführt
werden können,
an Umfang zugenommen.
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Die
Menge an Informationen, die ein Strichcode enthalten kann, hängt von
der Größe der in
dem Strichcode eingesetzten Markierungen ab, die die Dichte des
Codes bestimmt. Lineare Strichcodes wie etwa UPC-Codes werden nur
in einer Dimension aufgezeichnet. Andererseits werden 2D-Symbole in zwei Dimensionen
codiert, um eine größere Informationsdichte
zu enthalten.
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Bei
einem typischen Lesevorgang wird von einem Laser ein Lichtfleck
projiziert und über
den Code streichen gelassen, und das reflektierte Licht wird von
einem fotoempfindlichen Element abgefühlt. Bei herkömmlichen
Bildaufnehmern werden Laser als Quellbeleuchtung verwendet. Abtaster
können entweder
an einer ortsfesten Stelle installiert oder portable, tragbare Einheiten
sein.
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Tragbare
Abtaster müssen
so konzipiert sein, dass sie in Situationen, in denen die Anzahl
variierender Faktoren größer ist
als bei ortsfesten Abtastern, betrieben werden können. Zum Beispiel sind die
Entfernung zwischen dem Abtaster und dem Strichcode, die Menge an
Beleuchtung, die Fokussierung des Abtasters, die Orientierung des
Abtasters relativ zu dem Strichcode und der Winkel des Abtasters
relativ zu dem Strichcode alles Faktoren, die berücksichtigt
werden müssen,
damit der Abtaster richtig betrieben werden kann. US-Patent Nr. 5,296,690
an Chandler et al. offenbart zum Beispiel ein System zum Lokalisieren
und Bestimmen der Orientierung von Strichcodes in einem zweidimensionalen
Bild. Das Patent an Chandler et al. widmet sich vor allem der Sicherstellung
der richtigen Durchführung
des Abtastens des Strichcodes in Hinsicht auf die Orientierung des
Abtasters und des Strichcodes.
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Einige
tragbare Abtastvorrichtungen weisen eine lesestiftartige Konfiguration
auf, bei der die Vorrichtung mit dem Code in Kontakt kommen soll,
während
sie über
den Code streichen gelassen wird. Ein derartiger Lesestift eliminiert
die Variation der Entfernung zwischen dem Abtaster und dem Code
und erfordert daher keine Fokussierung.
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Zweidimensionale
Anordnungen wie etwa CCD-Anordnungen sind verwendet worden, um das Bild
des Strichcodes zu kreieren, während
er abgetastet wird, aber traditionellerweise werden ein Laser und
eine einzelne Fotodiode verwendet, um einen linearen Strichcode
abzutasten. Ein CCD mit Abmessungen von 640 mal 480 Pixel stellt
eine ausreichende Auflösung
zur Verwendung mit VGA-Monitoren bereit und wird weithin akzeptiert.
Das Videobild wird in dem CCD abgefühlt, der ein analoges Signal
erzeugt, das die Variation der Intensität des Bildes repräsentiert,
und ein Analog-Digital-Wandler führt
das Bildsignal zur nachfolgenden Decodierung in die digitale Form über. Bei
räumlich
orientierten 2D-Codes werden zweidimensionale Sensoren verwendet.
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Bei
einem berührungsfreien
tragbaren Abtaster ist es notwendig, den Strichcode über eine
vernünftige
Entfernung lesen zu können,
ausreichend Beleuchtung bereitzustellen, den Abtaster auf den Strichcode
zu fokussieren und den gesamten Betrieb in einem angemessenen Zeitraum
durchführen
zu können.
Während
es möglich
sein kann, einen Bildaufnehmer zu kreieren, der alle gewünschten
Funktionen durchführen
kann, wird der Bildaufnehmer von den Endverbrauchern dann nicht
akzeptiert werden und nicht gewerblich realisierbar sein, wenn sich
der Bildaufnehmer nicht auf eine Art und Weise betreiben lässt, die
der Benutzer bequem und zufriedenstellend findet. Wenn der Bildaufnehmer
das Fokussieren zum Beispiel nicht schnell genug durchführen kann, werden
Variationen der Position des Abtasters aufgrund der Unfähigkeit
des Benutzers, den Bildaufnehmer ruhig zu halten, Probleme kreieren,
die sich nicht leicht überwinden lassen.
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Wenn
ein Abtaster zum Beispiel von dem Augenblick, in dem der Benutzer
einen Trigger niederdrückt,
zu lange dafür
braucht, um eine Fokussierfunktion durchzuführen, kann die Position des
Abtasters relativ zu dem Strichcode während des Fokussierbetriebs
variieren, wodurch noch ein weiterer Fokussierbetrieb erforderlich
wird. Auf ähnliche
Weise verändert
eine derartige Bewegung der Position des Abtasters relativ zu dem
Strichcode die Parameter zum Erreichen der gewünschten Beleuchtung.
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Abtaster,
die konzipiert wurden, um lineare oder eindimensionale Codes zu
lesen, sind größtenteils
nicht in der Lage, 2D-Symbole abzutasten. Lineare und 2D-Symbole
können
auf Objekten bereitgestellt werden, indem an dem Objekt ein Etikett
angebracht wird, indem das Objekt in einen Behälter mit einem vorgedruckten
Code platziert wird oder indem das Produkt direkt markiert wird,
zum Beispiel durch Ätzen.
Die meisten herkömmlichen
Abtaster können es
schwierig finden, Symbole zu lesen, die direkt auf ein Produkt geätzt worden
sind.
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US 5192856 offenbart einen
selbständig
fokussierenden Strichcodeleser oder Leser optischer Symbole. Der
Leser beinhaltet eine lineare oder Flächen-CCD-Detektoranordnung,
ein Fokussiergerät, das
eine erste Linse und eine zweite Linse, die entlang einer Achse
zum Fokussieren beweglich ist, beinhaltet, und ein Steuergerät zum Steuern
des Fokussiergeräts
und eines Betriebs des CCD-Detektors, so dass der Detektor eine
Bilderfassung für
jedes Position des Fokussiergeräts
durchführt.
Die CCD-Detektoranordnung wird auf eine herkömmliche Weise abgetastet, d.
h. um die Bilddaten im Wesentlichen serienmäßig zu verschieben. Der Leser
bewertet Übergänge zwischen
hellen und dunklen Daten in den Bilddaten für jede Position des Fokussiergerätes, um einen Kontrastwert
für jede
Position zu produzieren, und verwendet den größten Kontrastwert, um die Position,
die einen optimalen Fokus produziert, zu bestimmen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Diese
und andere Mängel
des Stands der Technik werden durch den vorliegenden Bildaufnehmer,
der sowohl lineare eindimensionale Codes als auch zweidimensional
Symbole lesen kann, der Beleuchtungs- und Fokussierschritte schnell
und akkurat durchführen
kann, um Variationen der Position des Bildaufnehmers relativ zu
dem Code zu eliminieren, und der in einem Umfeld betrieben werden
kann, in dem der Bildaufnehmer vorzugsweise irgendwo von im Wesentlichen
1,5 Zoll bis 16 Zoll von dem Zielcode positioniert ist, angesprochen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung ist ein optischer Symbolbildaufnehmer
bereitgestellt, der Folgendes beinhaltet:
einen zweidimensionalen
Fotodetektor, der einen aktiven Bereich zum Erfassen eines Bildes
der optischen Symbole aufweist;
ein Fokussiergerät, das eine
Fokussierscheibe mit mehreren optischen Positionen beinhaltet, um
verschiedene Brennweiten bereitzustellen, wobei die Scheibe drehbar
ist, so dass sich jede der mehreren optischen Positionen in einen
Lichtweg des Fotodetektors bewegen kann;
ein Steuerungsmittel
zum Steuern des Fokussiergeräts
und des Betriebs des Fotodetektors, so dass der Fotodetektor Bilderfassung
für jede
der mehreren optischen Positionen durchführt;
wobei das Steuerungsmittel
den Fotodetektor steuert, um die Bilddaten im Wesentlichen serienmäßig zu verschieben;
und
wobei das Steuerungsmittel Übergänge zwischen hellen und dunklen
Daten in einer zentralen Gruppe von Abtastzeilen bewertet, um einen
repräsentativen Wert
für jede
der mehreren optischen Positionen zu produzieren, wobei ein größter repräsentativer
Wert einer der optischen Positionen, die den optimalen Brennpunkt
produziert, entspricht, und wobei der Fotodetektor während des
Fokussierens über
eine erste Gruppe von mehreren Abtastzeilen auf einer ersten Geschwindigkeitsstufe
verfügt,
ohne die erste Gruppe von mehreren Abtastzeilen zu digitalisieren,
und dann eine zweite, folgende Gruppe von Abtastzeilen der zentralen
Gruppe von Abtastzeilen auf einer zweiten Geschwindigkeitsstufe,
die geringer als die erste Geschwindigkeitsstufe ist, abfragt.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Lesen von optischen
Symbolen bereitgestellt, dass die folgenden Schritte beinhaltet: Erfassen
eines Bildes der optischen Symbole in einem aktiven Bereich eines
zweidimensionalen Fotodetektors;
Bereitstellen eines Fokussiergeräts, das
eine Fokussierscheibe mit mehreren optischen Positionen beinhaltet,
um verschiedene Brennweiten bereitzustellen, wobei die Scheibe drehbar
ist, so dass sich jede der mehreren optischen Positionen in einen
Lichtweg des Fotodetektors bewegen kann;
Steuern des Fokussiergeräts und Betriebs
des Fotodetektors, so dass der Fotodetektor Bilderfassung für jede der
mehreren optischen Positionen durchführt;
Steuern des Fotodetektors,
um die Bilddaten im Wesentlichen serienmäßig zu verschieben; und
Bewerten
der Übergänge zwischen
hellen und dunklen Daten in einer zentralen Gruppe von Abtastzeilen, um
einen repräsentativen
Wert für
jede der mehreren optischen Positionen zu produzieren, wobei ein
größter repräsentativer
Wert einer der optischen Positionen, die den optimalen Brennpunkt
produziert, entspricht, und wobei der Fotodetektor während des
Fokussierens über
eine erste Gruppe von mehreren Abtastzeilen auf einer ersten Geschwindigkeitsstufe verfügt, ohne
die erste Gruppe von mehreren Abtastzeilen zu digitalisieren, und
dann eine zweite, folgende Gruppe von Abtastzeilen der zentralen
Gruppe von Abtastzeilen auf einer zweiten Geschwindigkeitsstufe,
die geringer als die erste Geschwindigkeitsstufe ist, abfragt.
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Der
Bildaufnehmer der vorliegenden Erfindung kann das Lesen allseitig
gerichtet codierter Symbole für
sowohl lineare als auch zweidimensionale Symbole über relativ
lange Arbeitsentfernungen durchführen.
Der Bildaufnehmer umfasst ein Bildaufbereitungssystem mit einem
Fokussiersystem, einem Beleuchtungssystem und einem zweidimensionalen Fotodetektor,
der ein Bild des Strichcodes bildet. Nach dem Erreichen des Zielens
auf die codierten Symbole passt der Leser die Beleuchtung und dann den
Fokus zwischen mehreren verschiedenen Fokussen an und benutzt einen
Abschnitt des zweidimensionalen Fotodetektors, um den optimalen
Fokus zu bestimmen. Nach der Bestimmung des optimalen Fokus wird
das Fokussiersystem auf die in dem anfänglichen Fokussierschritt festgestellte
optimale Fokussierkonfiguration konfiguriert und ein Bild wird unter
Verwendung des ganzen zweidimensionalen Fotodetektors kreiert.
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Ein
Zielsystem hilft dem Benutzer visuell, den Leser zu positionieren,
so dass die codierten Symbole, auf die gezielt wird, innerhalb des
Sichtfeldes des Lesers liegen. Der Leser weist zwei Arten von Beleuchtung
auf, eine für
Symbole, die sich eng an dem Leser befinden, und eine zweite Art
von Beleuchtung für
Symbole, die sich weiter von dem Leser entfernt befinden. Der zweidimensionale
Fotodetektor kann eingesetzt werden, um die optimale Beleuchtung
zu bestimmen.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine tragbare Lesevorrichtung
bereitzustellen, die sowohl lineare als auch 2D-codierte Symbole
lesen kann.
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Ein
anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen tragbaren
Leser bereitzustellen, der einen Bildaufbereitungsbetrieb in einer
Reichweite zwischen 1,5 Zoll und 16 Zoll von den codierten Symbolen
zur typischen tragbaren Verwendung durchführen kann, aber sowohl höhere als
auch niedrigere Grenzen aufweisen kann.
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Noch
ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen tragbaren
Leser bereitzustellen, der zusätzlich
zu den auf Etiketten gedruckten codierten Symbolen direkte Produktmarkierungen
lesen kann.
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Noch
ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen tragbaren
Leser bereitzustellen, der einen zweidimensionalen Sensor benutzt,
um die Fokussierung und das Anpassen der Beleuchtung zu erleichtern.
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Noch
ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen tragbaren
Leser bereitzustellen, der einen zweidimensionalen Sensor benutzt,
um die Fokussierung und das Anpassen der Beleuchtung zu erleichtern,
wobei nur ein kleiner Teil der von dem zweidimensionalen Sensor
empfangenen Informationen verwendet wird, um dadurch die Verarbeitung
zu beschleunigen.
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Ein
anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen tragbaren
Leser bereitzustellen, der aus Bauteilen gefertigt ist, die gemeinhin „sofort
lieferbar" erhältlich sind.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorangehenden und andere Attribute und Ziele der vorliegenden Erfindung
werden mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 eine
perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Lesers ist;
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2 eine
Draufsicht typischer codierter Symbole der linearen Art ist;
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3 eine
Draufsicht von Data-Matrix-Symbolen ist;
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4 eine
Querschnittsansicht des in 1 gezeigten
Lesers gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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5a eine
perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Fokussierscheibe
ist, die in dem Fokussiersystem der vorliegenden Erfindung eingesetzt
werden kann;
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5b und 5c eine
planare Ansicht bzw. eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform
einer Fokussierscheibe sind, die in dem Fokussiersystem der vorliegenden
Erfindung eingesetzt werden kann;
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6a–6k elf
Bilder p1–p11
repräsentieren,
wobei die Bilder p1–p6,
in 6a–6f gezeigt,
bei der optoelektronischen oder fotometrischen Analyse verwendet
werden und die Bilder p6–p11,
in 6f-6k gezeigt, bei der Fokusanalyse
verwendet werden;
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7 ein
Pixeldiagramm der Zeile 235 eines CCD's für
die Werte zwischen 128 und 508 zeigt, an der horizontalen Stelle,
für die
Bilder p1, p6 und p11, die in 6a, 6f und 6k gezeigt
sind;
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8a–8k Tabelle
A zeigen, die Daten enthält,
von denen die Pixeldiagramme von 7 abgeleitet
sind;
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9 ein
Kantenhistogramm für
die Bilder p1–p6
ist, die in 6a–6f gezeigt
sind;
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10a–10g Tabelle B zeigen, die die Gesamtheit für jeden
Spitze-Spitze-Wert
jedes Bildes p1–p6
enthält
und in 9 dargestellt ist;
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11 eine
Tabelle ist, die den Entropiepunktwert, den maximalen Pixelwert
und den minimalen Pixelwert für
jedes Bild p1–p6
zeigt;
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12a und 12b Frequenzhistogramme
für die
Bilder p6–p11
sind, die in 6f–6k gezeigt
sind, wobei 12b eine Vergrößerung eines
Abschnitts von 12a ist;
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13a–13g Tabelle C zeigen, die den Deltaspitzenwert
jedes Bildes p6–p11
enthält;
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14 ein
Schaubild ist, das den Entropiepunktwert, den maximalen Pixelwert
und den minimalen Pixelwert für
jedes Bild p6–p11
zeigt; und
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15 ein
Blockschema des erfindungsgemäßen Bildaufnehmers
ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Der
in 1 gezeigte tragbare Leser 10 kann codierte
Symbole allseitig gerichtet lesen und decodierte Daten produzieren.
Die Abtastvorrichtung 10 ist unabhängig und erfordert keine externe
Leistungsquelle, mit Ausnahme von Leistung für den Host, die durch ein Schnittstellenkabel 14 bereitgestellt
wird. Der Abtaster 10 kann sowohl lineare Strichcodes 40,
wie in 2 gezeigt, als auch Matrix- oder 2D-codierte Symbole 54,
wie in 3 gezeigt, lesen.
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Die
linearen oder 2D-codierten Symbole sind Standardsymbole, die auf
dem Fachgebiet wohl bekannt sind, und ihre Decodierung ist ähnlich wohl
bekannt. Anders als herkömmliche
Abtaster kann der Leser 10 der vorliegenden Erfindung beide
Arten von Symbolen lesen, über
eine breite Reichweite von Entfernungen, 1,5 bis 16 Zoll, betrieben
werden und ist tragbar. Um diese Ergebnisse zu erreichen, muss der
Leser 10 bei Aktivierung durch den Benutzer in der Lage
sein, auf die codierten Symbole zu zielen, die optimale Beleuchtung
zu bestimmen, den optimalen Fokus zu bestimmen und ein Bild der
codierten Zielsymbole in einem extrem kurzen Zeitraum anzufertigen,
um mögliche
entartende Variationen zu eliminieren.
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Wenn
der Benutzer den Leser 10 zum Beispiel relativ zu einem
linearen Strichcode 40 oder zu 2D-codierten Symbolen 54 hält, kann
sich der Leser relativ zu dem Code bewegen, wodurch der Fokus, die
Beleuchtung und der Winkel des Abtasters relativ zu dem Code verändert werden.
Indem die gesamte Bilderfassungsfunktion von dem Augenblick, indem das
Zielen erreicht worden ist, so schnell wie möglich durchgeführt wird,
werden derartige Variablen minimiert. Wie eine derartige schnelle
Bildfokussierung, -beleuchtung und -erfassung durchgeführt werden, wird
unten detailliert beschrieben.
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Der
Leser 10 umfasst ein ergonomisches Gehäuse 12, das konzipiert
ist, um bequem in die Hand eines Benutzers zu passen. Der Leser 10 decodiert
die Daten und leitet die decodierten Daten an eine Rechenvorrichtungsplattform
wie etwa PDT, PLC oder PC weiter, die als eine ihrer Funktionen
das Einsammeln von Informationen durchführt. Ein Schalter oder Trigger 15 ragt
durch die Oberseite des Gehäuses 12 zur
Aktivierung durch den Finger des Benutzers heraus. Lichter 18 und 20 sind
an der Oberseite des Gehäuses 12 bereitgestellt
und geben den aktiven Status bzw. die erfolgreiche Bildaufbereitung
der codierten Symbole an. Hörbare
Signale können
ebenfalls bereitgestellt werden.
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Der
tragbare Bildaufnehmer 10 benutzt eine Zielnahme, um die
Zielsymbole im Sichtfeld (FOV) zu lokalisieren. Das Verfahren des
Zielens ist konzipiert, um den Leistungsverbrauch zu minimieren.
Ein programmierbarer zweiphasiger Trigger wird verwendet, um die
Zielsymbole zu erlangen.
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Ein
Fenster 22 mit einem klaren Öffnungsteilabschnitt 24 wird
auf der Vorderseite des Gehäuses 12 bereitgestellt.
Eine Zielzeile 32 wird durch eine Lichtquelle in dem tragbaren
Bildaufnehmer 10 produziert und auf die codierten Zielsymbole
projiziert, um sicherzustellen, dass sich die codierten Symbole 40 oder 54 innerhalb
des Sichtfelds des Bildaufnehmers 10 befinden. Die Zielzeile 32 ist
vorzugsweise eine Farbe wie etwa rot, die von den Umgebungslichtquellen
unterscheidbar ist.
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In
Betrieb drückt
der Benutzer den Trigger 15 in eine erste Position, wodurch
das Projizieren der Zielzeile 32 auf die codierten Symbole
verursacht wird. Die Zielzeile 32 wird dann verwendet,
um den Bildaufnehmer 10 und die codierten Symbole relativ zueinander
zu positionieren. Der Bildaufnehmer 10 passt dann das beleuchtende
Licht an, falls notwendig, und bestimmt den korrekten Fokus. Das
Licht 18 wird beleuchtet, um dem Benutzer anzugeben, dass die
Bildaufbereitung derzeit stattfindet. Bei Vervollständigung
des Bildaufbereitungsvorgangs schaltet sich das Licht 20 ein,
um den Benutzer mit einer Angabe des erfolgreichen Abtastens zu
versorgen.
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Unter
Bezugnahme auf 2 und 3 werden
ein linearer Code 40 bzw. ein Daten-Matrix-Code 54 gezeigt.
Typische 2D- oder Daten-Matrix-Symbole sind kleiner als Linearcodes
und können
auf das Produkt gerichtet geätzt
werden. Die Informationen werden typischerweise in Strukturgrößen von
5, 7,5 oder 10 Tausendstelzoll codiert. Als Ergebnis muss der Bildaufnehmer 10 viel
näher sein, wenn
er 2D-Symbole 54 liest, als für Linearcodes 40.
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Der
Bildaufnehmer 10 wird in 4 im Querschnitt
gezeigt, wobei das optische System 80 als eine Objektivaufnahmelinse 92 und
Fokussierscheibe 94 einschließend dargestellt wird. Die
Scheibe wird von dem Motor 96 drehend bei 600 U/min um
die Achse 91 getrieben. Die Drehachse 91 ist von
der optischen Achse OA des Bildaufbereitungssystems 80 versetzt.
Ein Dunkelfeldbeleuchter 82 mit mehreren Lichtemitterelementen 98 wie
etwa LED, die rückwärtig eine
nicht transparente Wand beleuchten, die dann Streulicht für das Fenster 22 bereitstellt.
Ein Hellfeldbeleuchter 84 wird mit mehreren Lichtemitterelementen 100 zum
direkten Strahlen vorwärts
durch das Fenster 22 bereitgestellt. Dunkelfeldbeleuchtung wird
zur direkten Produktmarkierung bereitgestellt (niedriger Kontrast),
während
Hellfeldbeleuchtung hauptsächlich
für Etikettenmarkierungen
mit hohem Kontrast verwendet wird.
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Eingebaute
Hellfeld- und Dunkellfeldbeleuchtung werden bereitgestellt, um einen
richtigen Kontrast zum Lesen der Symbole auf direkten Produkt markierten
Teilen bei nahen Entfernungen zu erreichen. Bei größeren Arbeitsentfernungen
wird nur Hellfeldbeleuchtung verwendet.
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Ein
Schlüsselaspekt
der vorliegenden Erfindung ist der CCD-Detektor 93, der
entlang der optischen Achse OA positioniert
ist. Der CCD-Detektor 93 ist rechteckig und weist eine
VGA-Pixeldichte auf. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der CCD-Detektor 93 ein
monochromatisches 659 × 494
CCD zur progressiven zwischenzeiligen Abtastung, das von der Panasonic
Corporation, Modell Nr. MN37761 AE hergestellt sein kann, oder ein
659 × 494-Pixel-CCD, hergestellt
von Sony Corporation, Modell Nr. ICX084AL. Beide der vorangehenden
CCDs stellen eine Auflösung
von 640 × 480
bereit, die üblicherweise
bei VGA-Monitoren verwendet wird. Während die hier dargestellte
bevorzugte Ausführungsform
ein CCD benutzt, können
andere Anordnungsdetektoren wie etwa CMOS oder andere Sensoren verwendet werden.
Des Weiteren muss das CCD nicht auf 640 mal 480 begrenzt sein und
kann andere Größen aufweisen.
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Der
tragbare Bildaufnehmer 10 kann mehrere Symbole auf jedem
beliebigen Hintergrund decodieren, einschließlich geätztem Metall und gedrucktem
Tintenstrahl. Die vorrangige Lesefähigkeit zur Verwendung auf
Oberflächen,
die direkt auf dem Produkt markiert sind, sind die Datenmatrixsymbole.
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Eine
erste Ausführungsform
der Fokussierscheibe 94, die in 4 im Querschnitt
gezeigt wird, wird detaillierter in 5a gezeigt.
Die Scheibe 94 weist eine Serie von optischen Positionen 132 verschiedener
Dicke auf. Die Dicke der optischen Positionen 132 wird
variiert, um die Objektivlinse 92 während der Bilderfassung auf
den CCD-Detektor 93 zu fokussieren. Die dargestellte Ausführungsform
zeigt zwölf
optische Positionen 132, die dadurch zwölf potentielle Fokusbereiche
bereitstellen. Ein positioneller Codierstreifen 134 wird
auf der Scheibe 94 bereitgestellt, so dass die Position
der Scheibe verfolgt werden kann.
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Unter
Bezugnahme auf 5b und 5c werden
planare Ansichten und Querschnittansichten einer zweiten Ausführungsform
der Fokussierscheibe 94 gezeigt. Die zweite Ausführungsform
weist acht optische Positionen 132 auf, und umfasst ferner eine äußere Umfangswand 136,
die eine zusätzliche strukturelle
Stütze
bereitstellt.
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Der
CCD-Detektor 93 wird benutzt, um zu bestimmen, welche optische
Platte 132 und somit welche Fokussierzone für ein bestimmtes
codiertes Symbolabtasten geeignet ist. Während die Scheibe 94 gedreht
wird, wird das beleuchtende Licht durch die Objektivlinse 92 durch
jede der optischen Positionen 132 und auf den CCD-Detektor 93 zurück reflektiert.
Um die Zeit zu minimieren, die es dauert, um den Bildaufnehmer 10 zu
fokussieren, wird nur ein Bruchteil der Pixel des CCD-Detektors 93 bei
der Bestimmung der optimalen optischen Platte und dadurch die fokussierte
optische Platte eingesetzt.
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Ab
dem Hochfahren produziert der Bildaufnehmer 10 Zielbeleuchtung
und braucht dann ungefähr
25 bis 30 Millisekunden, um die Drehgeschwindigkeit von 600 U/min
zu erreichen. Das CCD schaltet sich dann ein und setzt dann zurück. Mehrere
Bilder, bis zu fünf,
werden zur Photometrie aufgenommen, und mehrere Bilder werden zur
Fokussierung aufgenommen. Jedes Bild benötigt Belichtungszeit und Verschiebezeit,
die sich im Bereich von 5,5 ms befindet, aber nicht größer ist.
Nachdem die optimale optische Platte erneut in dem Lichtweg positioniert worden
ist, muss der CCD-Detektor das gesamte Bild in ungefähr 31,4
Millisekunden erfassen und verschieben. Die Gesamtzeit für den ganzen
Betrieb beträgt
daher weniger als eine halbe Sekunde, was ausreichend ist, um die
vorher erörterten
variablen Faktoren zu minimieren.
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Die
zuvor erwähnten
Variationen sind schädlicher
für die
Photometrie als für
die Fokusanalyse. Um die Variationen zu minimieren, setzt die vorliegende
Erfindung eine Anzahl von Techniken ein, um den Betrieb zu beschleunigen.
Als Erstes wird der Bildaufnehmer in einem „schnellen Modus" betrieben. Eine
kleine Scheibe eines Bilds, 384 mal 10, wird benutzt, wobei 384 über 60 %
der Bildbreite beträgt,
und 10 Abtastzeilen mehr als zweimal das minimale Erfordernis der
Zellgröße (4 Pixel)
ist. Dies stellt sicher, dass in der Bildscheibe ein Übergang stattfindet,
während
diese die kleinstmöglichste
Größe aufweist.
Die Suche nach der richtigen Belichtungszeit verwendet sieben Bilder,
jedoch wird die Verwendung von nur fünf Bildern in Betracht gezogen,
was nicht mehr als 30 ms erfordert. Die optische Scheibe 94 kann
in zwei Gruppen optischer Positionen 132 für Dunkelfeld-
und Hellfeldbilder getrennt werden.
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Die
Höchstzeit,
um ein gedrucktes Etikett zu decodieren, beträgt 350 Millisekunden, während die Höchstzeit,
um einen direkten, auf dem Pzudukt markierten Code zu decodieren,
400 Millisekunden beträgt.
Die vorangehenden Zeiten umfassen die Zeit vom Aktivieren des Triggers
zum Beleuchten, Fokussieren, Erlangen des Bilds, Decodieren der
Symbole und Ausgabe der decodierten Daten.
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Wenn
alle 325, 546 Pixel des CCD-Detektors 93 für jede optische
Platte 132 der Fokussierscheibe 94 verwendet würden, würde das
Bilderfassungsverfahren viel zu lange dauern. Um die zum Erhalten
von Daten für
jede optische Platte 132 erforderliche Zeit zu minimieren,
wird nur ein Abschnitt des CCD-Detektors 93 verwendet.
In Betrieb erzeugt der CCD-Detektor 93 Bilddaten als 494
Zeilen, jeweils eine Zeile zur Zeit, wobei jede Zeile 659 Pixel
lang ist. Anstatt digitalisiert zu werden, was eine erhebliche Zeit
dauern würde,
werden die ersten 246 Zeilen „weggeworfen". Um den Vorgang
zu beschleunigen, ist des Weiteren die Geschwindigkeit, bei der
Daten durch die CCD gesendet werden, viel schneller als die Geschwindigkeit,
die zur normalen Bilderfassung verwendet wird. Da die in den ersten
246 Zeilen enthaltenen Informationen für die Fokussierungsschritte nicht
wichtig sind, ist der Abbau derartiger Informationen aufgrund des
beschleunigten Empfangs nicht von Nachteil.
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Die
nächsten
zehn Zeilen, Zeilen 247–256, werden
in der unten beschriebenen Analyse verwendet, und dann wird der
CCD-Detektor 93 zurückgesetzt,
wobei die Zeilen 257–494
nie gelesen werden. Auf diese Weise wird die Fokussierungszeit mehr
als halbiert.
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Unter
Bezugnahme auf 15 wird ein Blockschaltbild
des Bildaufnehmers 10 der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Die CPU 200 ist mit dem Flash-Speicher 202 und
dem DRAM 204 verbunden, die zusammen den Rechenmotor für den Bildaufnehmer 10 bilden.
Die CPU 200 ist ferner mit den seriellen Schnittstellen 206 verbunden,
die wiederum mit der Leistungsversorgung 210 verbunden
sind. Ein Mikrocontroller 212 ist durch eine Serienverbindung mit
der CPU 200 verbunden, und ist wiederum mit der Leistungsversorgung 210,
den Schaltern 214, dem Motor 216 und den Beleuchtungstreibern 218 verbunden.
Die Beleuchtungstreiber 218 sind mit dem Hellfeld und mit
dem Dunkelfeld und der Zielbeleuchtung, die in 15 als
Beleuchtung 224 gezeigt ist, verbunden. Ein FPGA 220 ist
mit der CPU 200, dem Flash-Speicher 202, dem DRAM 204,
den Beleuchtungstreibern 218 und dem CCD 222 verbunden.
Das FPGA 220 steuert das CCD und die Beleuchtung 224.
Das FPGA 220 und der Mikrocontroller 212 steuern
das Zielen. Der Motor 216 treibt die Fokussierscheibe 94 an.
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Um
die Bilddaten für
jede optische Platte 132 zu bewerten, müssen die zehn mittleren Zeilen
der Daten analysiert werden. Die Übergänge zwischen hellen und dunklen
Bereichen des Codes sind für eine
solche Analyse entscheidend. Es ist des Weiteren wichtig anzumerken,
dass bei der Bestimmung, welche optische Platte den besten Fokus
und die beste Beleuchtung bereitstellt, die Qualität der Bilder relativ
zueinander wichtig ist, nicht die absolute Qualität des Bildes.
Der Bildaufnehmer 10 ist konzipiert, um die richtige Decodierung
der codierten Symbole, auf die mit der geringsten notwendigen Fokussierung gezielt
wird, nicht der perfekten Fokussierung, die wesentlich mehr Zeit
und/oder Komplexität
erfordern würde,
zu erreichen.
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Als
ein Beispiel durchlaufen wir eine Abtastzeile von links nach rechts.
Für die
Beispiele in 7-14 verwendeten
wir einen minimalen Spitze-Spitze-Wert
von 12. Dies bedeutet, dass ein relatives weißes Pixel um eine Größenordnung
von 12 größer als
ein relatives schwarzes Pixel sein muss, damit es relativ zu dem
schwarzen Pixel als weißes Pixel
betrachtet werden kann, andere Werte können aber abhängig von
der Anwendung verwendet werden. Wir suchen zuerst nach einem lokalen
Minimum. Wir wählen
ein neues Minimum, wenn das gegenwärtige Pixel weniger als das
vorherige Minimum ist. Wir hören
damit auf, nach einem Minimum zu suchen, und Beginnen mit dem Suchen
nach einem Maximum, wenn wir ein Pixel mit einem größeren Wert
als oder gleich dem minimalen Pixel plus 12 finden. Wir fahren dann
damit fort, nach einem Maximum zu suchen, bis wir ein Pixel finden,
das weniger als oder gleich dem gegenwärtigen Maximum minus 12 ist. Wenn
dies auftritt, haben wir ein lokales Minimum, ein lokales Maximum,
die Größenordnung
des Unterschieds und die Anzahl von Pixeln zwischen dem Minimum-
und dem Maximumpunkt. Die Größenordnung
des Unterschieds oder des Spitze-Spitze-Werts wird als der Index
zur Intervallbereichsnummer des Kantenhistogramms, das um eins inkrementiert
werden sollte, verwendet. Die Anzahl der Pixel zwischen den Spitzen
wird als der Index zu der Intervallbereichsnummer des Frequenzhistogramms,
das um eins inkrementiert werden sollte, verwendet. Diese Sequenz
wird für
den Rest der Abtastzeile wiederholt.
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Unter
Bezugnahme auf 7a ist Punkt A das erste lokale
Maximum. Punkt B ist das erste lokale Minimum. Punkt C ist ein Wendeerkennungspunkt,
was bedeutet, dass man mit dem Suchen nach einem lokalen Minimum
fertig ist, da man sich mehr als 12 über dem Wert bei Punkt B befindet.
Man kann dann das Paar AB bewerten. Für das Paar AB entspricht die
Frequenz |X(A) – X(B)|,
während
der Spitze-Spitze-Wert |Y(A) – Y(B)|
entspricht. Punkt D ist kein lokales Minimum, da es nicht mindestens
12 weniger als Punkt C1, ein Wendepunkt zwischen den Punkten B und
D, beträgt.
Punkt E ist das zweite lokale Maximum, Punkt F ist der Wendeerkennungspunkt
für das
Paar BE. Punkt G ist das zweite lokale Minimum und Punkt H ist der
dritte, dem Paar EG entsprechende Wendeerkennungspunkt. Punkt I
ist das dritte lokale Maximum.
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Zu
Darstellungszwecken zeigt 7 ein Pixeldiagramm
der Zeile 235 des CCD für
die Werte zwischen 128 und 508, an der horizontalen Stelle, für die in 6a, 6f und 6k gezeigten
Bilder p1, p6 und p11. Die drei Bilder werden durch drei verschiedene
Linien gezeigt, p1 wird durch die durchgezogene Linie gezeigt, Bild
p6 wird durch die gestrichelte Linie gezeigt, und Bild p11 wird
durch die gepunktete Linie gezeigt.
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Die
Daten, von denen die Pixeldiagramme aus 7 gezogen
werden, werden in Tabelle A gezeigt, gezeigt in 8a–8h,
und umfassen die Werte für
jede horizontale Stelle innerhalb des Felds. Es ist aus 7 klar
ersichtlich, dass das Bild p6 die besten Übergänge aufweist.
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Die
Beleuchtungsanalyse wird durch das Entwickeln der Entropiepunktwerte
für jede
Beleuchtungsbedingung durchgeführt.
Die Qualität
oder Beschaffenheit der Übergänge (Spitze-Spitze)
Werte wird durch diese Analyse in Betracht gezogen. Bei einem Kantenhistogramm
ist die y-Achse die Gesamtheit oder die Anzahl von Übergängen, und
die x-Achse stellt den Spitze-Spitze-Wert dar.
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6a–6k repräsentieren
elf Bilder p1–p11.
Die Bilder p1–p6,
gezeigt in 6a–6f, werden
in der folgenden optoelektronischen oder photometrischen Analyse
gezeigt, und die Bilder p6–p11,
gezeigt in 6f–6k, werden
in der folgenden Fokusanalyse verwendet.
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Unter
Bezugnahme auf 9 wird ein Kantenhistogramm
für die
Bilder p1–p6,
gezeigt in 6a–6f, dargestellt. 10a–10e zeigen die Tabelle B, die die Gesamtheit für jeden
Spitze-Spitze-Wert jedes Bilds p1–p6 enthält. Die Bilder p1–p6 werden
durch verschieden schattierte Bereiche in 9 dargestellt.
Die Spitze-Spitze-Werte beginnen bei 12, da, wie in 10a gezeigt, der erste Wert der Gesamtheit nicht
vor 12 bei Bild p1 auftritt. Auf ähnliche Weise endet 9 mit
Wert 118 für
Bild p6. Die verbleibenden Werte bis zu 255 sind alle Nullen in
dem in 9 gezeigten Beispiel, und werden daher nicht dargestellt.
Der Entropiepunktwert, maximale Pixelwert und minimale Pixelwert
für jedes
Bild p1–p6
werden in 11 gezeigt, wobei der Entropiepunktwert
die Summe der Gesamtheitswerte für
jedes Bild ist. Die Entropiepunktwerte haben individuell keine Bedeutung.
Stattdessen zeigt ein Vergleich der Entropiepunktwerte miteinander,
welches Bild den höchsten
Entropiepunktwert aufweist. Hier ist es Bild p6 mit einem Wert von
758. Unter Bezugnahme auf 9 ist es
klar, dass das Bild p6 den größten Bereich
unter seiner Kurve aufweist, die durch den Entropiepunktwert repräsentiert
wird. Aus dem Vorangehenden ist ersichtlich, dass das Bild p6 die
beste Beleuchtung aufweist.
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Die
maximalen und minimalen Pixelwerte werden aus dem Durchschnitt der
hellsten 20 bzw. dem Durchschnitt der 20 dunkelsten Werte erhalten. Diese
maximalen und minimalen Pixelwerte können verwendet werden, um zu
bestimmen, ob das Bild die Mindestkriterien zur Verwendbarkeit erfüllt.
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Der
Entropiepunktwert wird nicht für
sich selbst verwendet, und insbesondere wenn ein Bild übersättigt ist.
In diesem Fall hat das Signal die Spitze-Spitze-Werte reduziert,
und weist weniger Kanten auf als ein untersättigtes Bild.
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Um
die Fokusanalyse der optischen Platte durchzuführen, beschäftigt sich der Mikroprozessor mit
der Energieänderungsrate
zwischen benachbarten Pixeln der Bilddaten. Wenn alle Übergänge in einem
zweidimensionalen Histogramm aufgezeichnet werden, kann ein Graph
erzeugt werden, um einen Punktwert zum Bestimmen des optimalen Fokus
zu produzieren. Die x-Achse repräsentiert
die Anzahl von Pixeln zwischen den lokalen Maxima und Minima, und
die y-Achse repräsentiert
die Gesamtheit.
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12a–12b sind Frequenzhistogramme für die Bilder p6–p11, gezeigt
in 6f–6k. Die
Anzahl der Pixel zwischen den Spitzen sind auf der x-Achse in einem
Bereich von 1 bis 123 aufgezeichnet. 123 ist der höchste Wert
mit einer Gesamtheit, für
Bild p6, wie in Tabelle C in 13a–13e gezeigt, die die Gesamtheitswerte für die Anzahl
von Pixeln zwischen den Spitzen bereitstellt. Unter nochmaliger
Durchsicht von 12a ist klar ersichtlich, dass
der Großteil
der Daten in den ersten 25 Werten auf der x-Achse erscheint, und
daher werden diese Werte in dem vergrößerten Abschnitt des in 12b gezeigten Histogramms gezeigt.
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Ein
fokussiertes Bild weist einen scharfen Kontrast zwischen hellen
und dunklen Bereichen auf. Ein Zustand außerhalb des Fokus wird durch
den Verlust an Hochfrequenzkomponenten repräsentiert. Daher gibt das Bild
mit der höchsten
Gesamtheitsdichte bei hoher Frequenz den besten Fokus an. Die in 12a und 12b repräsentierten
Daten werden in Tabelle C der 13a–13e gezeigt. Im Unterschied zur Beleuchtung verwendet
die Bestimmung des optimalen Fokus nicht die ganze Gesamtheit.
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Stattdessen
werden nur die ersten sieben Werte verwendet, um die Entropiepunktwerte
zu entwickeln, gezeigt in 14. Da
langsame Kanten durch niedrige Frequenzwerte repräsentiert
werden, werden nur die ersten sieben Werte benötigt. Gemäß 14 weist
das Bild p6 den höchsten
Entropiepunktwert von 894 auf, wodurch angezeigt wird, dass es das
beste fokussierte Bild ist.
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Während der
Bilderfassung und den Decodieroperationen zieht der Bildaufnehmer 10 ungefähr 200–500 Milliampere
konstanter Energie bei 4,2–5,25
V. Wo sich der Bildaufnehmer 10 mit einem portablen Datenterminal
(PDT) schneidet, werden normalerweise 4 bis 6 V bei 200–500 mA
spezifiziert, während
die USB-Schnittstelle bei 4,2 bis 5,25 Volt bei 100–500 mA
spezifiziert wird.
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Nach
der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen des tragbaren
Bildaufnehmers gemäß der vorliegenden
Erfindung wird angenommen, dass sich den Fachleuten andere Abwandlungen,
Variationen und Änderungen
hinsichtlich der oben dargelegten Beschreibung nahelegen, wie etwa die
Benutzung verschiedener Fokussierscheibenkonfigurationen.