ES2879613T3 - Escáner lineal de imágenes y método de escaneo de imágenes - Google Patents

Abstract

Un escáner de imágenes lineal que comprende un sensor de imágenes de tipo lineal (1), un plano de escaneo (8) sobre el cual se pone un objeto de digitalización (5), un sistema óptico (2s,2t), un eje óptico (3) que coincide con un eje z, una línea de escaneo (4) contenida en un eje y, y determinada por la visión del sensor de imágenes de tipo lineal (1), a través del sistema óptico (2s, 2t), de una parte lineal del plano de escaneo (8) o una superficie del objeto de digitalización (5), un sistema de iluminación que comprende al menos dos primeras fuentes de luz (6a, 6b), un plano de visión definido por la línea de escaneo (4) y el eje óptico (3) y un plano de movimiento definido por una dirección de avance (7), que coincide con un eje x, y por el eje óptico (3), y en el que cada una de la primera fuente de luz (6a, 6b) está dispuesta simétricamente con respecto a dicho plano de visión y centrado en el eje x, siendo dichas fuentes de luz controlables independientemente y estando dispuestas de modo que cada fuente de luz ilumine la línea de escaneo (4) desde una dirección diferente con una intensidad de luz uniforme y ángulos de incidencia uniformes de las fuentes de luz a lo largo de toda la longitud de la línea de escaneo (4), el sistema de iluminación también incluye al menos dos segundas fuentes de luz (6e, 6f) controlables independientemente, dicho escáner de imágenes lineal se caracteriza por que dichas al menos dos segundas fuentes de luz (6e, 6f) están dispuestas simétricamente respecto a dicho plano de movimiento y centradas en el eje Y, y en el que cada segunda fuente de luz (6e, 6f) está hecha de un iluminador lineal (22e) y un subsistema óptico (23e) asociado al iluminador lineal (22e) y capaz de concentrar haces de luz originados a intervalos regulares (16e) del iluminador lineal (22e) únicamente en una parte discreta y contigua correspondiente (18e) de la línea de escaneo (4) a intervalos regulares (16e) y de irradiar la línea de escaneo (4) con una intensidad de luz uniforme (9e) y ángulos incidentes uniformes (10e) a lo largo de toda la longitud de la línea de escaneo (4) de modo que los haces de luz que pertenecen a intervalos regulares adyacentes (16e) se superpongan para formar una línea luminosa continua.

Description

DESCRIPCIÓN

Escáner lineal de imágenes y método de escaneo de imágenes

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un escáner de superficie de imagen lineal y tridimensional basado en un sensor lineal de imágenes de tipo color o de escala de grises, tales como un sensor lineal, bilineal, trilineal o multilineal o similar, capaz de obtener información sobre elevación, altura y relieve en 3D a partir de la digitalización de objetos y superficies tridimensionales según la técnica estereofotométrica y por tanto combinando la información de diferentes imágenes del objeto todas adquiridas desde el mismo punto de vista pero variando la dirección de iluminación entre las diferentes adquisiciones.

El objeto de digitalización es una parte de la superficie de un objeto tridimensional, tal como una moneda o un jarrón o una superficie básicamente plana con detalles tridimensionales, tales como una pintura, bajorrelieve, textil, cuero, panel de madera, losa de mármol, piedra, cerámica, papel pintado, cliché, etc.

Además, la invención describe un método de escaneo.

Estado de la técnica anterior

La reproducción industrial para propósitos decorativos, tales como pinturas, bajorrelieves, textil, cuero, paneles de madera, losas de mármol, piedras, papeles pintados, etc..., requiere la digitalización de la información de color pero también cada vez con más frecuencia la digitalización de la información de elevación, altura y relieve a fin de copiar y reproducir, con los más finos detalles, la estructura tridimensional de la superficie original. Actualmente, la reproducción artística para los más diferentes propósitos, tales como la duplicación y la conservación, tiene unas necesidades de digitalización similares a la reproducción industrial para propósitos decorativos. En los últimos años, ha crecido exponencialmente la necesidad de obtener también información tridimensional con la creciente popularidad de las tecnologías de impresión en 3D. El escaneo de superficies tridimensionales y, en particular, la obtención de información sobre elevación, altura y relieve se consigue hoy en día por diversas técnicas dependiendo de las necesidades de formato y resolución. En particular, la reproducción industrial para propósitos decorativos requiere la digitalización de grandes superficies, incluso de varios metros cuadrados, con un alto nivel de color y de detalle 3D a menudo incluso superior a 300 ppi y sobre todo requiere la capacidad de registrar variaciones mínimas en la elevación, altura y relieve sobre la superficie del original, incluso de únicamente unos pocos micrómetros. Con dichos altos requerimientos de formato y de resolución, la digitalización de la información de elevación, altura y relieve hoy en día se obtiene principalmente utilizando la técnica de "escaneo de punto a punto" puesto que es la única que hasta ahora ha sido capaz de asegurar la consecución de los resultados requeridos. El escaneo punto a punto implica utilizar un escáner dedicado para digitalizar la información de elevación, altura y relieve, in escáner que, sin embargo, no es capaz de adquirir también información del color. La implementación más común está basada en el escaneo punto a punto que se consigue utilizando un sensor láser o confocal. Sin embargo, esta técnica implica tiempos de escaneo extremadamente largos debido a la necesidad de adquirir individualmente cada punto de la imagen y a menudo lleva incluso una semana obtener un mapa 3D de alta resolución de un área de un metro cuadrado. Además, este tipo de escáner no adquiere información de color que, por tanto, debe capturarse con un dispositivo diferente y combinarse manualmente más tarde, por lo tanto, alinearse con la información 3D, lo que conduce una sobrecarga adicional del tiempo de producción y además también provoca un resultado imperfecto debido a la imposibilidad de obtener un punto de vista idéntico entre los dos sistemas de digitalización.

Alternativamente al escáner punto a punto, en la técnica anterior ha habido intentos de utilizar la técnica "multiestéreo" en combinación con un escáner lineal también del tipo de color. La técnica "multiestéreo" consiste en capturar la superficie que va a digitalizarse varias veces desde diferentes puntos de vista y combinar la información resultante a través de algoritmos "multiestéreo" para obtener un perfil 3D de la superficie. Esta técnica tiene limitaciones conocidas e intrínsecas y, en particular: la resolución de la información de elevación, altura y relieve está limitada por la resolución de adquisición y la distancia entre los diferentes puntos de vista. Por lo tanto, a la digitalización de grandes formatos de resolución raramente excede un milímetro, lo que permite, por ejemplo, reconocer el contorno de una moneda pero no los finos detalles de los dibujos sobre su superficie; y el mapa 3d contiene muchos errores generales por el algoritmo de coincidencia 3D; de hecho, esta técnica se basa en la capacidad de reconocer píxeles o grupos de píxeles dentro de las diferentes imágenes y esto implica errores debidos a la muy alta probabilidad de que en la misma imagen se repitan píxeles o grupos de píxeles similares, como en una superficie continua con un patrón regular. Una manera de limitar el problema del reconocimiento es extender el área de búsqueda para que incluya grupos muy grandes de píxeles pero, en este caso, provoca una degradación proporcional de la resolución efectiva que, por lo tanto, con mucha frecuencia es solo una fracción de la resolución de escaneo original. Esto es un límite conocido y las diferentes implementaciones de los algoritmos "multiestéreo" están, de hecho, dedicados a reducir este problema tanto como sea posible. Por lo tanto, la técnica "multiestéreo" solo es utilizable en formatos muy pequeños o cuando el nivel de resolución y de detalle requerido es muy bajo. Como alternativa al escáner punto a punto, también se han hecho intentos para usar la técnica de "luz estructurada" que, sin embargo, no es capaz de proporcionar un nivel suficiente de resolución y detalle incluso en formatos más pequeños.

El uso de sensores láser lineales en lugar de sensores de punto a punto para la reproducción industrial con propósitos decorativos, aunque muy popular para el escaneo 3D completo de objetos tridimensionales, no es posible en la técnica anterior debido a los límites en la resolución de estos sensores, pero también debido a problemas en el cosido automático de las diferentes franjas.

La técnica estereofotométrica es la menos conocida entre las técnicas de reconstrucción 3D y, de hecho, son raras las implementaciones existentes basadas en ella, especialmente existen muy raras implementaciones comerciales. Esta técnica requiere realizar un complejo sistema de iluminación y algoritmos matemáticos incluso más complejos. Además, esta técnica no permite obtener una medida 3D absoluta del objeto digitalizado, si no únicamente una escala relativa y, por lo tanto, por ejemplo, no puede usarse en aplicaciones de medición o para la reconstrucción de objetos complejos. Por lo tanto, en la mayoría de las aplicaciones 3d comerciales son muy populares las técnicas de "escaneo láser con sensor lineal", "multiestéreo" y "luz estructurada", donde estas permiten obtener resultados limitados que de ningún modo son adecuados para las necesidades de estas aplicaciones. Mientras que, en cambio, en las aplicaciones 3D industriales para propósitos decorativos, la técnica de escaneo punto a punto es popular debido al hecho de que, en la técnica anterior, no hay ninguna implementación existente de la técnica estereofotométrica capaz de proporcionar resultados en originales grandes y también a alta resolución.

La técnica estereofotométrica permite estimar un "mapa normal" de la superficie de un objeto a partir de un conjunto de imágenes digitales a color o a escala de grises del mismo objeto y más en detalle repitiendo la digitalización del objeto iluminándolo cada vez desde una dirección diferente.

La técnica estereofotométrica establece que existe una relación matemática entre las variaciones de UNA luz que pueden medirse comparando las diversas imágenes adquiridas con diferentes direcciones de iluminación y la orientación de la superficie del objeto digitalizado. En particular, conociendo las diferentes direcciones de iluminación, los ángulos de incidencia y la intensidad de la luz y la posición del punto de vista del sensor de imágenes, es posible establecer una relación matemática entre las diversas imágenes digitales que permiten estimar la normal a la superficie del objeto de digitalización.

Con la técnica estereofotométrica también es posible obtener una especie de modelo de elevación llamado comúnmente "mapa de profundidad", por ejemplo a través de un proceso de integración del "mapa normal", pero que también depende directamente de los algoritmos utilizados para implementar la técnica estereofotométrica. Tanto el mapa normal como el mapa de profundidad permiten general representaciones 3D del objeto digitalizado. La técnica estereofotométrica, cuando es aplicable, permite obtener un mapa 3D con un nivel de resolución proporcional a la resolución del sensor de imágenes y también es capaz de resolver los detalles de elevación que normalmente solo pueden obtenerse con sistemas láser de punto a punto. Sin embargo, la técnica estereofotométrica hasta ahora se ha implementado muy raramente y casi exclusivamente en combinación con sensores matriciales y, por lo tanto, con una resolución limitada por el tamaño del sensor. Combinar la técnica estereofotométrica con un sensor de imágenes de alta resolución, tal como en un escáner lineal, permitiría obtener información 3D detallada incluso en grandes formatos. Pero en el estado de la técnica todavía existen varios problemas sin resolver que no han permitido alcanzar una implementación óptima de esta técnica en un escáner lineal.

En la figura 1, ilustrada en una vista axonométrica, está una realización típica del estado de la técnica de un escáner de imágenes basado en un sensor de imágenes de tipo lineal 1, en el que la digitalización se realiza a través de adquisición línea tras línea de un objeto de digitalización 5. En particular, la adquisición se realiza moviendo en la dirección de avance indicada por la flecha 7 un conjunto formado por un sensor de imágenes 1, un sistema óptico 2s, un eje óptico 3, un sistema de iluminación que comprende dos primeras fuentes de luz 6a, 6b y una línea de escaneo 4 o, como alternativa, mover un conjunto formado por un plano de escaneo 8 y el objeto de digitalización 5. Generalmente, la línea de escaneo 4 es una porción lineal del plano de escaneo 8 o la superficie del objeto de digitalización 5 determinada por la visión del sensor de imágenes de tipo lineal 1 a través del sistema óptico 2s. Los ejes x, y y z definen un sistema cartesiano en el que el eje x, paralelo a la dirección de avance indicada por la flecha 7, es coplanar con el plano de escaneo 8 y está centrado en el eje óptico 3; el eje y, paralelo a la línea de escaneo 4, es coplanar con el plano de escaneo 8 y está centrado en el eje óptico 3 y el eje z corresponde precisamente al eje óptico 3. Esta realización comprende dos fuentes de luz 6a, 6b, llamadas en las reivindicaciones dos primeras fuentes de luz, dispuestas simétricamente con respecto al plano de visión definido por la línea de escaneo 4 y el eje óptico 3, y está centrado en el eje x. La fuente de luz centrada en el eje x significa que la línea central de la fuente de luz está en un plano de movimiento definido por el eje x y el eje y. Esta disposición de las fuentes de luz 6a, 6b permite irradiar la línea de escaneo 4 con haces de luz perpendicularmente incidentes en la línea de escaneo 4. Esta disposición de las fuentes de luz 6a, 6b permite irradiar uniformemente toda la línea de escaneo 4 de un lado al otro y, por ejemplo, en referencia a la fuente de luz 6a, con una intensidad de luz uniforme 9a y ángulos de incidencia uniformes 10a de la fuente de luz a lo largo de toda la longitud de la línea de escaneo 4. La intensidad de luz 9a de la fuente de luz, por ejemplo 6a, se representa esquemáticamente en los dibujos mediante los haces de luz emitidos desde la fuente de luz 6a y dirigidos a la línea de escaneo 4. En esta disposición del estado de la técnica, la distancia recorrida por los haces de luz emitidos por la fuente de luz 6a e incidentes sobre la línea de escaneo 4 es uniforme a lo largo de toda la longitud de la línea de escaneo 4 con el resultado de determinar la intensidad de luz uniforme 9a. Los ángulos incidentes 10a de la fuente de luz 6a se determinan a partir de un conjunto de ángulos con los cuales los haces de luz emitidos desde la fuente de luz 6a son incidentes sobre la línea de escaneo 4; además, en esta realización del estado de la técnica, los ángulos con los cuales los haces de luz emitidos por la fuente de luz 6a son incidentes sobre la línea de escaneo 4 son uniformes a lo largo de toda la longitud de la línea de escaneo 4 y esto, por lo tanto, determina ángulos incidentes uniformes 10a de la fuente de luz 6a.

En la figura 2, ilustrada en una vista axonométrica, está otra realización del estado de la técnica en la que dos fuentes de luz 6c, 6d, están dispuestas simétricamente con respecto a dicho plano de movimiento definido por el eje x y el eje y, y está centrado en eje y. La fuente de luz centrada en el eje y significa que la línea central de la fuente de luz está situada en el plano de visión definido por el eje y y el eje z.

Esta disposición de las fuentes de luz 6c, 6d no permite irradiar la línea de escaneo 4 con haces de luz perpendicularmente incidentes en la línea de escaneo 4. En el estado de la técnica, esta disposición de las fuentes de luz 6c, 6d no permite irradiar uniformemente toda la línea de escaneo 4 de un lado al otro y, en particular, no permite una intensidad de luz uniforme 9c ni ángulos incidentes uniformes de las fuentes de luz 10c a lo largo de toda la longitud de la línea de escaneo 4.

La figura 2 representa una realización inusual y destaca los problemas de no uniformidad de iluminación típicos de esta configuración de iluminación. En particular, los problemas consisten en el hecho de que tanto la intensidad de luz 9c, que depende principalmente de la distancia recorrida por los haces de luz, y los ángulos incidentes 10c de la fuente de luz 6c no son uniformes a lo largo de toda la longitud de la línea de escaneo 4 debido a la diferente distancia y ángulo de irradiación.

La figura 2 también destaca los problemas de no uniformidad del punto de vista óptico y, en particular, los haces de luz 12s dirigidos al sistema óptico 2s no son paralelos entre sí ni tampoco los haces de luz 11s dirigidos al sensor de imágenes 1 son paralelos entre sí. De hecho, la figura 2 destaca que el uso de un sistema óptico 2s estándar implica que un lado del sensor de imágenes 1 percibe el original con un ángulo de inclinación dado a la vez que el lado opuesto del sensor 1 incluso con un ángulo muy diferente. Los haces de luz 12s dirigidos al sistema óptico 2s son un conjunto de haces de luz, útiles para la visión, que van desde la línea de escaneo 4 al sistema óptico 2s.

Los haces de luz 11s dirigidos al sensor de imágenes 1 son el conjunto de haces de luz, útiles para la visión, que desde el sistema óptico 2s van al sensor de imágenes 1. En particular, los haces de luz 12s dirigidos al sistema óptico 2s tienen diferentes ángulos incidentes 13s respecto al sistema óptico 2s, y los haces de luz 11s dirigidos al sensor de imágenes 1 tienen diferentes ángulos incidentes 14s en el sensor de imágenes 1.

Los ángulos incidentes 13s respecto al sistema óptico 2s son el conjunto de ángulos con los cuales los haces de luz dirigidos al sistema óptico inciden sobre la línea de escaneo 4 respecto al sistema óptico 2s. Los ángulos incidentes 14s en el sensor de imágenes 1 son el conjunto de ángulos con los cuales los haces de luz dirigidos al sensor de imágenes 1 inciden sobre el sensor de imágenes 1 respecto al sistema óptico 2s.

Es sabido que para obtener una estimación óptima de la normal a la superficie según la técnica estereofotométrica, es necesario tener un conjunto de múltiples imágenes de la superficie iluminada por múltiples direcciones correspondientes muy diferentes unas de otras, considerándose generalmente el valor mínimo como un conjunto de tres imágenes y el óptimo como un conjunto de cuatro imágenes; también se sabe que únicamente pueden obtenerse resultados óptimos usando fuentes de luz con una irradiación que pueda definirse matemáticamente fácilmente y, en consecuencia, en la práctica pueden obtenerse resultados óptimos únicamente utilizando fuentes de luz con irradiación uniforme sobre toda la superficie del objeto de digitalización y, en particular, con una intensidad de luz uniforme y ángulos incidentes uniformes para cada una de las diferentes direcciones de iluminación. Así que, esencialmente, esto requeriría que al menos dos fuentes de luz 6c, 6d adicionales, según se describen en la figura 2, se añadieran a la típica realización de la técnica anterior de la figura 1.

Pero esto es insuficiente debido a que la técnica estereofotométrica indica que es posible establecer una relación matemática entre las variaciones de reflexión de luz sobre la superficie original y la normal a la superficie y, por tanto es evidente que si la intensidad y los ángulos incidentes de los haces de luz emitidos por las fuentes de luz 6c, 6d no son uniformes sobre toda la superficie del objeto que va a digitalizarse, es muy difícil establecer una relación matemática válida y, por tanto, obtener resultados óptimos.

Precisamente para los problemas descritos anteriormente y en la figura 2, in en las muy raras excepciones en las que el escáner lineal del estado de la técnica también incluye fuentes de luz del tipo 6c, 6d, estas no son en ningún caso útiles para los propósitos de la técnica estereofotométrica puesto que no proporcionan ángulos incidentes uniformes de la fuente de luz y una intensidad de luz uniforme sobre toda la línea de escaneo 4. Más generalmente, si en una realización de la técnica anterior hay fuentes de luz como las fuentes de luz 6c y 6d en la figura 2, situadas en los extremos de la línea de escaneo 4, estas fuentes de luz no están concebidas para iluminar la línea de escaneo 4 independientemente de las fuentes de luz 6a, 6b principales de la figura 1, si no que sirven para proporcionar efectos de luz limitados y localizados. De hecho, las fuentes de luz 6c y 6d de la figura 2 no permiten iluminar adecuadamente la línea de escaneo 4 incluso únicamente con propósitos de escaneo del color y, por lo tanto, independientemente de la técnica estereofotométrica.

Otro problema del estado de la técnica destacado en la figura 2 limita la capacidad de realizar una implementación óptima de la técnica estereofotométrica en un escáner lineal y concierne a la dificultad de obtener un punto de vista óptico uniforme sobre toda la línea de escaneo 4 con respecto a la visión del sensor de imágenes 1. De hecho, los sistemas ópticos tradicionales implican que los haces de luz 12s dirigidos al sistema óptico 2s y los haces de luz 11s dirigidos al sensor de imágenes 1, que vienen desde la línea de escaneo 4 y dirigidos al sensor de imágenes 1, no sean paralelos entre sí y, en particular, tengan ángulos incidentes 13s con respecto al sistema óptico 2s y ángulos incidentes 14s en el sensor de imágenes 1 que son todos no uniformes. De un modo similar, al problema de no uniformidad de las fuentes de luz 6c, 6d destacado previamente, un punto de vista óptico no uniforme puede comprometer gravemente la capacidad de obtener resultados óptimos utilizando la técnica estereofotométrica. Esto sucede porque si la intensidad y ángulos incidentes de los haces de luz dirigidos al sensor de imágenes no son uniformes a lo largo de toda la longitud del objeto de digitalización y, por lo tanto, si el sensor de imágenes 1, a través del sistema óptico 2, detecta de un modo diferente los haces de luz 11s que vienen de porciones diferentes de la línea de escaneo 4, evidentemente es muy difícil establecer una relación matemática entre las variaciones de luz en la superficie del original y la normal a la superficie. Otra clase de escáner de imágenes se conoce de la Patente EP2355483A2, que da a conocer una disposición simétrica de fuentes de luz con respecto a un plano definido por el eje óptico y la línea de escaneo.

Una aplicación de la técnica estereofotométrica en un escáner lineal se describe la Patente en CN1O2798351. Dado el problema de iluminación descrito previamente, la solicitud de patente CN1O2798351 describe un escáner de escritorio en el que el objeto de digitalización se gira manualmente cuatro veces con respecto al plano de escaneo y, por lo tanto, con respecto al sistema de iluminación, el sensor de imágenes y el sistema óptico. Esto permite obtener cuatro imágenes diferentes del objeto de digitalización usando el sistema óptico de un escáner de escritorio. Sin embargo, las cuatro imágenes resultantes deben alinearse antes de calcular las 3D a través de la técnica estereofotométrica. El escáner lineal de la solicitud de patente mencionada anteriormente tiene una sola fuente de luz para iluminar la línea de escaneo de un lado a la vez. El problema de la solicitud de patente CN102798351 es exactamente que los diferentes puntos de vista de las cuatro adquisiciones no permiten obtener perfectamente imágenes de superposición, especialmente con un objeto de digitalización de gran espesor, debido a la visión a través del sistema óptico del escáner, la recolocación y también a la inevitable deformación del objeto de digitalización entre un escaneo y el siguiente. Por lo tanto, la solicitud de patente CN102798351 además de proponer un método de escaneo inconveniente y complicado también falla al proporcionar las condiciones ideales para calcular información 3D detallada según la técnica estereofotométrica. Además, la solicitud de patente CN102798351 no propone ninguna solución a los problemas ópticos y de iluminación descritos anteriormente, sino simplemente un modo de implementar la técnica estereofotométrica en un escáner de imágenes de escritorio de la técnica anterior.

Debido al hecho de que el escaneo punto a punto de la técnica anterior es la única técnica realmente utilizable para escanear información 3D de gran formato y originales de alta resolución, se siente la necesidad de un escáner capaz de adquirir contextualmente información de color y de 3D, especialmente con los requerimientos demandados por las aplicaciones de reproducción industrial para propósitos decorativos. Además, por la misma razón, se siente la necesidad de un escáner capaz de proporcionar información perfectamente alineada de 3D y de color, puesto que estas informaciones se adquieren hoy en día como mucho usando diferentes dispositivos pero, en la mayoría de los casos, de escáneres diferentes y en momentos diferentes.

También sería deseable un escáner lineal que integre óptimamente la técnica estereofotométrica y que sea capaz de resolver los problemas descritos previamente, entre los cuales están la digitalización de objetos de gran formato a alta resolución que son requeridos por las aplicaciones de reproducción industrial para propósitos decorativos.

Descripción de la invención

En este contexto, la tarea técnica en la base de este invención es proponer un escáner de imágenes capaz de digitalizar superficies tridimensionales según la técnica estereofotométrica y también capaz de superar los problemas del estado de la técnica mencionados anteriormente.

Un propósito de este invención es proporcionar un escáner de imágenes, basado en un sensor de imágenes de tipo lineal, tal como un sensor lineal, bilineal, trilineal o multilineal o similar, capaz de implementar óptimamente la técnica estereofotométrica y, por lo tanto, capaz de generar información de elevación en 3D, altura y relieve del objeto de digitalización combinando la información de diferentes imágenes del objeto todas adquiridas desde el mismo punto de vista pero variando la dirección de iluminación en las diferentes adquisiciones.

Otro propósito de esta invención es proporcionar un escáner equipado con un sistema de iluminación que supere los límites de una iluminación no uniforme descritos anteriormente.

Otro propósito de esta invención es proporcionar un escáner equipado con un sistema de iluminación dispuesto óptimamente para la técnica estereofotométrica.

Otro propósito de esta invención es proporcionar un escáner equipado con un sistema óptico que permita superar los límites ópticos previamente descritos.

Otro propósito de esta invención es proporcionar un escáner capaz de digitalizar al mismo tiempo información de color o escala de grises e información 3D, todas perfectamente alineadas como resultado esencialmente del mismo proceso de escaneo.

Otro propósito de esta invención es proporcionar un escáner capaz de digitalizar grandes superficies a muy alta definición superando los límites de formato y resolución causados por la dimensión física y número de píxeles del sensor de imágenes y los límites del sistema óptico utilizado.

Según un primer aspecto de la presente invención, la tarea técnica indicada y los propósitos especificados se consiguen sustancialmente mediante un escáner de imágenes lineal capaz de digitalizar superficies tridimensionales según la técnica estereofotométrica que incluye las características técnicas expuestas en una o más de las reivindicaciones 1 a 7 en el presente documento. Según un segundo aspecto de la presente invención, la tarea técnica indicada y los propósitos especificados se consiguen sustancialmente mediante un método de escaneo que utiliza un escáner de imágenes lineal según las reivindicaciones 1 a 7 que incluyen las características técnicas expuestas en una o más de las reivindicaciones 8 y 9 en el presente documento.

Breve descripción de los dibujos

Otras características y ventajas de la presente se harán más obvias a partir de la descripción indicativa y, por tanto, no limitante de realizaciones de un escáner de imágenes lineal capaz de digitalizar superficies tridimensionales según la técnica estereofotométrica como se ilustra en los dibujos adjuntos en el presente documento, en los que:

- La figura 3 es una vista axonométrica de un escáner según una primera realización de la presente invención en la que se destacan cuatro fuentes de luz;

- La figura 4 es una vista lateral ampliada y detallada de una fuente de luz según la primera realización de la presente invención;

- La figura 5 es una vista axonométrica de la realización del escáner de la figura 3, en la que únicamente se representan esquemáticamente dos fuentes de luz, por motivos de claridad;

- La figura 6 es una vista lateral ampliada y detallada de una fuente de luz del escáner de la figura 5;

- La figura 7 muestra una vista lateral ampliada y detallada limitada a una parte de una fuente de luz de una segunda realización de la presente invención;

- La figura 8 es una vista axonométrica de una tercera realización del escáner de imágenes según la presente invención; y

- La figura 9 es una vista axonométrica de una cuarte realización del escáner de imágenes, similar al de la figura 8, pero sin las fuentes de luz, por motivos de claridad.

Descripción de las realizaciones

En las siguientes figuras se utilizan números de referencia iguales o similares para indicar piezas que son iguales o similares a las de la figura 1 y la figura 2 que representan el estado de la técnica.

En la figura 3 ilustrada en una vista axonométrica está una primera realización del escáner de imágenes según la presente invención. En esta realización, dos fuentes de luz 6a, 6b se disponen simétricamente respecto al plano de visión definido por eje y y el eje z y está centrado en el eje x. Además, dos fuentes de luz 6e, 6f están dispuestas simétricamente con respecto al plano de movimiento definido por el eje x y el eje z y están centrados en el eje y.

Esta primera realización permite iluminar óptimamente el objeto de digitalización 5 en cuatro direcciones correspondientes muy diferentes unas de otras y, por lo tanto, proporcionar una de las condiciones necesarias para obtener una estimación óptima de la normal a la superficie del objeto de digitalización según los principios de la técnica estereofotométrica.

Las figura 4 es una vista lateral ampliada y detallada de una fuente de luz 6e de la figura 3. La figura 3 y el detalle de la figura 4 muestran cómo la presente invención pretende resolver el problema, no resuelto en el estado de la técnica, de iluminar uniformemente la línea de escaneo 4 y, en particular, cómo obtener una intensidad de luz uniforme 9e, representada esquemáticamente como un segmento, desde la fuente de luz 6e y ángulos incidentes uniformes 10e a lo largo de toda la longitud de la línea de escaneo 4.

Los ángulos incidentes 10e son los ángulos formados entre la intensidad de luz 9e y la línea de escaneo 4. La fuente de luz 6e está hecha de un iluminador lineal 22e y un subsistema óptico 23e asociado al ilumninador lineal 22e y capaz de concentrar la emisión de luz originados a intervalos regulares 16e del iluminador lineal 22e únicamente en una parte discreta y contigua correspondiente 18e de la línea de escaneo 4 a intervalos regulares 16e y para irradiar la línea de escaneo 4 con una intensidad de luz uniforme 9e y ángulos incidentes uniformes 10e a lo largo de toda la longitud de la línea de escaneo 4 de modo que los haces de luz que pertenecen a intervalos regulares adyacentes 16e se solapen para formar una línea luminosa continua.

En la figura 5 se ilustra en una vista axonométrica un detalle diferente de la primera realización del escáner de imágenes según la presente invención. En este dibujo, las dos fuentes de luz 6a, 6b se han omitido por motivos de claridad mientras que las fuentes de luz 6e, 6f se han destacado adicionalmente.

La figura 6 muestra un detalle adicional de la fuente de luz 6e de la primera realización del escáner de imágenes según la presente invención, a partir del cual es evidente que, en esta realización, el iluminador lineal 22e está constituido por una matriz de LED 19e y el subsistema óptico 23e está constituido por una matriz de lentes 20e dispuestas entre sí a intervalos regulares 16e y de modo que los haces de luz de los LED adyacentes se superpongan para irradiar la línea de escaneo 4 con una intensidad de luz uniforme 9e y ángulos incidentes uniformes 10e a lo largo de toda la longitud de la línea de escaneo 4; la amplitud y la modulación de los haces de luz emitidos por los LED 19e en la porción discreta y continua 18e correspondiente de la línea de escaneo 4 depende del tipo de lente 20e que, por tanto, deberían seleccionarse de modo que los haces de luz de LED adyacentes se superpongan para formar una línea luminosa continua.

La figura 7 muestra un detalle de la fuente de luz 6e en una segunda realización del escáner de imágenes según la presente invención.

En esta realización el iluminador lineal 25e está constituido por una lámpara fluorescente y el subsistema óptico 23e está constituido por una cuadrícula de modelado de luz 26e hecha de una matriz de aletas 27e. La matriz de aletas 27e tiene una longitud, distancia y orientación adecuadas para limitar los ángulos de emisión de luz únicamente en una parte discreta y contigua 18e correspondiente de la línea de escaneo 4 para que los haces de luz se superpongan para formar una línea luminosa continua con una intensidad de luz uniforme 9e y ángulos incidentes uniformes 10e de la fuente de luz 6e a lo largo de toda la longitud de la línea de escaneo 4.

Una realización diferente no ilustrada aquí del escáner de imágenes según la presente invención y, en particular, del sistema de iluminación incluye, en lugar de las lentes 20e mostradas en la figura 6, el uso de unas lentes Fresnel diseñadas para dirigir los haces de luz emitidos desde la matriz de LED o desde una fuente de luz lineal, tal como un tubo fluorescente o un LED lineal, a fin de obtener una iluminación uniforme a lo largo de toda la línea de escaneo 4.

Una realización diferente del escáner de imágenes según la presente invención no ilustrada en el presente documento, en lugar de usar las lentes de Fresnel previamente descritas, incluye el uso de una matriz de microlentes diseñadas para dirigir los haces de luz emitidos desde la matriz de LED o una lámpara lineal, tal como un tubo fluorescente o un LED lineal a fin de obtener una iluminación uniforme a lo largo de toda la línea de escaneo 4.

Las mismas soluciones previamente descritas para hacer uniforme la emisión de luz también pueden implementarse incluso cuando las fuentes de luz están situadas y orientadas, con respecto a la línea de escaneo 4, de una manera diferente, no mostrada en las figuras, de lo que se ha mostrado en la figura 3 y, en particular, cuando las fuentes de luz 6a y 6b no están centradas en el eje x, o cuando las fuentes de luz 6e y 6f no están centradas en el eje y.

En la figura 8 ilustrada en una vista axonométrica está una tercera realización preferida del escáner de imágenes según la presente invención en el que hay un sistema de iluminación con cuatro fuentes de luz 6a, 6b, 6e, 6f, dispuestas según la presente invención, con un movimiento en la dirección de avance indicada por la flecha 7. Esta tercera realización del escáner de imágenes según la presente invención usa el sistema de iluminación descrito previamente en la primera realización pero, en lugar del sistema óptico estándar, usa una lente telecéntrica 2t. Lente telecéntrica significa un sistema óptico de tipo telecéntrico o bi-telecéntrico.

La figura 8 muestra un sistema de iluminación con cuatro fuentes de luz 6a, 6b, 6e, 6f, dispuestas según la presente invención, que se caracteriza por la lente 2t de tipo telecéntrico que es capaz de proporcionar un punto de vista uniforme a lo largo de toda la longitud del sensor de imágenes 1.

En consecuencia, los haces de luz 12t dirigidos al sistema óptico 2t y los haces de luz 11t dirigidos al sensor de imágenes 1 son paralelos en la entrada y en la salida del sistema óptico 2t y, por lo tanto, tienen ángulos incidentes 13t uniformes con respecto al sistema óptico 2t y ángulos incidentes 14t uniformes sobre el sensor de imágenes 1.

Esta tercera realización preferida del escáner de imágenes según la presente invención resuelve el problema del estado de la técnica de obtener un punto de vista uniforme de la línea de escaneo 4 sobre el sensor de imágenes 1, proporcionando una de las condiciones necesarias para una estimación óptima de la normal a la superficie del objeto de digitalización 5 según los principios de la técnica estereofotométrica.

Una cuarta realización preferida del escáner de imágenes según la presente invención se describe en la figura 9, en la cual, ilustrado en una vista axonométrica, está el escáner de imágenes en el que está integrada una lente telecéntrica 2t, y en que, además del movimiento en la dirección de avance indicada por la flecha 7, también se añade el movimiento en la dirección indicada por las flechas 15 paralelo a la línea de escaneo 4 del conjunto constituido por el plano de escaneo 8 y el objeto de digitalización 5 o el conjunto constituido por el sensor de imágenes 1, el sistema óptico 2t, el eje óptico 3, la línea de escaneo 4 y el sistema de iluminación 6a, 6b, 6e, 6f, no mostrado en la figura 9 pero todavía presente en esta realización.

El movimiento en la dirección indicada por las flechas 15 es ortogonal a la dirección de avance indicada por la flecha 7 y permite adquirir originales que excedan la dimensión física de la lente telecéntrica 2t. En este caso, el método de escaneo consiste en repetir varias veces la adquisición en la dirección de avance indicada por la flecha 7 y, en particular, pasar de un escaneo al siguiente, la línea de escaneo 4 en la dirección indicada por las flechas 15 para obtener diferentes franjas adyacentes 21, con o sin solapamiento que, una vez cosidas por el software, forman una única imagen del objeto de digitalización 5. El uso de la lente telecéntrica 2t combinado con un escáner lineal equipado con un sistema de movimiento mecánico de alta precisión y repetibilidad, en las direcciones indicadas por las flechas 7 y 15, garantiza el cosido perfecto de las diversas franjas 21 gracias al punto de vista óptico uniforme a lo largo de toda la longitud de la línea de escaneo 4. Además, el uso de un sistema de iluminación según la presente invención y, por lo tanto, con una emisión de luz uniforme en la línea de escaneo 4, como se describe en las figuras 3, 4, 5, 6, 7, 8, también garantiza el cosido perfecto de las imágenes relacionadas con la intensidad de la iluminación y el color. Además, esta cuarta realización permite obtener un escáner de imágenes de enorme formato y resolución, en el que el formato y la resolución máxima de adquisición ya no están limitados por los formatos de píxeles del sensor de imágenes 1, si no por el movimiento mecánico en las direcciones indicadas por las flechas 7 y 15. En conclusión, esta cuarta realización del escáner de imágenes según la presente invención también permite adquirir originales de gran formato con una alta resolución, superando los límites impuestos por las dimensiones físicas del sensor de imágenes 1, y permitiendo también resolver los límites del tamaño de adquisición causados por la implementación de una lente telecéntrica y, más en detalle, para resolver los límites de tamaño de adquisición que están causados por el tamaño máximo de la línea de escaneo 4 y por la dimensión física de la lente telecéntrica 2t.

Todas las realizaciones del escáner de imágenes según la presente invención están basadas en el uso de un sensor de imágenes de tipo lineal 1 y, por lo tanto, también resuelven el problema del estado de la técnica de obtener información de color o de escala de grises contextualmente a la información tridimensional; de hecho, la información tridimensional se calcula según la técnica estereofotométrica exactamente a partir de la información de color o de escala de grises proporcionada por el sensor de imágenes 1.

Además, en todas las realizaciones del escáner de imágenes según la presente invención, es posible implementar múltiples fuentes de luz. La presente invención se define mediante la materia objeto de las reivindicaciones adjuntas. Otras características de la presente invención son evidentes a partir de la descripción de realizaciones ejemplares con referencia a los dibujos adjuntos.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Un escáner de imágenes lineal que comprende un sensor de imágenes de tipo lineal (1), un plano de escaneo (8) sobre el cual se pone un objeto de digitalización (5), un sistema óptico (2s,2t), un eje óptico (3) que coincide con un eje z, una línea de escaneo (4) contenida en un eje y, y determinada por la visión del sensor de imágenes de tipo lineal (1), a través del sistema óptico (2s, 2t), de una parte lineal del plano de escaneo (8) o una superficie del objeto de digitalización (5), un sistema de iluminación que comprende al menos dos primeras fuentes de luz (6a, 6b), un plano de visión definido por la línea de escaneo (4) y el eje óptico (3) y un plano de movimiento definido por una dirección de avance (7), que coincide con un eje x, y por el eje óptico (3), y en el que cada una de la primera fuente de luz (6a, 6b) está dispuesta simétricamente con respecto a dicho plano de visión y centrado en el eje x, siendo dichas fuentes de luz controlables independientemente y estando dispuestas de modo que cada fuente de luz ilumine la línea de escaneo (4) desde una dirección diferente con una intensidad de luz uniforme y ángulos de incidencia uniformes de las fuentes de luz a lo largo de toda la longitud de la línea de escaneo (4), el sistema de iluminación también incluye al menos dos segundas fuentes de luz (6e, 6f) controlables independientemente, dicho escáner de imágenes lineal se caracteriza por que dichas al menos dos segundas fuentes de luz (6e, 6f) están dispuestas simétricamente respecto a dicho plano de movimiento y centradas en el eje Y, y en el que cada segunda fuente de luz (6e, 6f) está hecha de un iluminador lineal (22e) y un subsistema óptico (23e) asociado al iluminador lineal (22e) y capaz de concentrar haces de luz originados a intervalos regulares (16e) del iluminador lineal (22e) únicamente en una parte discreta y contigua correspondiente (18e) de la línea de escaneo (4) a intervalos regulares (16e) y de irradiar la línea de escaneo (4) con una intensidad de luz uniforme (9e) y ángulos incidentes uniformes (10e) a lo largo de toda la longitud de la línea de escaneo (4) de modo que los haces de luz que pertenecen a intervalos regulares adyacentes (16e) se superpongan para formar una línea luminosa continua.

2. El escáner de imágenes lineal, según la reivindicación 1, en el que dicho iluminador lineal (22e) que pertenece a las segundas fuentes de luz (6e, 6f) se constituye eligiendo entre un grupo que incluye una matriz de LED (19e), una lámpara lineal, un tubo fluorescente (25e) y un LED lineal.

3. El escáner de imágenes lineal, según la reivindicación 1, en el que dicho iluminador lineal (22e) que pertenece a las segundas fuentes de luz (6e, 6f) está constituido por una matriz de LED (19e) y en el que dicho subsistema óptico (23e) que pertenece a las segundas fuentes de luz (6e, 6f) está constituido por una matriz de lentes (20e) dispuestas a intervalos regulares (16e) de modo que cada LED tenga unas lentes orientadas correspondientes destinadas a enfocar la emisión de luz solo en una porción discreta y contigua correspondiente de la línea de escaneo (4), y estando cada LED y lentes correspondientes situados a una distancia uniforme y un ángulo de emisión uniforme con respecto a dicha porción discreta y continua de la línea de escaneo (4) que va a iluminarse; emitiendo cada LED en la porción discreta y continua correspondiente de la línea de escaneo (4) un haz de luz que tiene una amplitud y modulación que dependen del tipo de lentes y tal que los haces de luz de LED uniformen se superponen para formar una línea luminosa continua y para irradiar la línea de escaneo (4) con una intensidad de luz uniforme (9e) y ángulos incidentes uniformes (10e) de las segundas fuentes de luz (6e, 6f) a lo largo de toda la longitud de la línea de escaneo (4).

4. El escáner de imágenes lineal, según la reivindicación 1, en el que dicho subsistema óptico (23e) que pertenece a las segundas fuentes de luz (6e, 6f) está constituido por una cuadrícula de modelado de luz (26e), hecha de una matriz de aletas (27e) cuyas longitud, distancia y orientación son adecuadas para limitar los ángulos de emisión de luz únicamente en una parte discreta y contigua correspondiente (18e) de la línea de escaneo (4) de modo que los haces de luz se superpongan para formar una línea luminosa continua para irradiar la línea de escaneo (4) con una intensidad de luz uniforme (9e) y ángulos incidentes uniformes (10e) de las segundas fuentes de luz (6e, 6f) a lo largo de toda la longitud de la línea de escaneo (4).

5. El escáner de imágenes lineal, según la reivindicación 1, en el que dicho subsistema óptico (23e) que pertenece a las segundas fuentes de luz (6e, 6f) está constituido por una lente destinada a limitar los ángulos de emisión de luz únicamente en porciones discretas y continuas (18e) de la línea de escaneo (4) para que los haces de luz se superpongan para formar una línea luminosa continua y para irradiar la línea de escaneo (4) con una intensidad de luz uniforme (9e) y ángulos incidentes uniformes (10e) de las segundas fuentes de luz (6e, 6f) a lo largo de toda la longitud de la línea de escaneo (4).

6. El escáner de imágenes lineal, según las reivindicaciones anteriores, en el que un sistema óptico (2t) consiste en una lente telecéntrica.

7. El escáner de imágenes lineal, según la reivindicación 6, caracterizado por que el escáner está provisto de movimiento mutuo, en una dirección paralela a la línea de escaneo (4), del plano de escaneo (8) y el conjunto que incluye el sensor de imágenes de tipo lineal (1), el sistema óptico (2t) y el sistema de iluminación, para escanear el objeto de digitalización (5) en diferentes franjas (21) que pueden coserse.

8. Un método de escaneo que utiliza el escáner de imágenes lineal, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que al menos cuatro imágenes diferentes del objeto de digitalización (5) se obtienen activando cada vez una fuente de luz diferente que incluye las al menos dos primeras fuentes de luz (6a, 6b) y las al menos dos segundas fuentes de luz (6e, 6f) de una manera que cada imagen representa la misma porción del objeto de digitalización (5), adquirido siempre desde el mismo punto de vista pero con diferentes direcciones de iluminación, para obtener una reconstrucción 3D de la superficie del objeto de digitalización (5) estimando las normales a la superficie obtenida calculando las variaciones en la cantidad de luz reflejada entre las al menos cuatro diferentes imágenes y, por lo tanto, estimando la orientación superficial en función de dichas variaciones y la posición, dirección y ángulo conocidos de las diferentes fuentes de luz y el punto de vista del sensor de imágenes (1).

9. El método de escaneo, según la reivindicación 8, en el que la información de color o de escala de grises y la información tridimensional se obtienen escaneando el objeto de digitalización (5).