JP2004511015A - 自動露光制御の方法および装置 - Google Patents

Abstract

２つの別個のモジュールを組み込むことにより、イメージャの露光およびゲイン設定を制御して、マルチタスクの単一ＣＰＵ環境内で処理が発生するようにする、自動露光制御のための多次元イメージング・デバイスおよび方法。本明細書ではイメージャ制御モジュールと呼ばれる第１モジュールは、イメージャの露光およびゲイン設定を制御する。第１モジュールは一般に、割込みサービス・ルーチンのような高い優先順位ルーチン内に組み込まれ、モジュールがすべての取込みフレームについて実行されることを保証している。本明細書ではヒストグラム処理モジュールと呼ばれる第２モジュールは、第１モジュールおよびメモリからのイメージデータからのフィードバックに基づいて、目標コントラスト（目標にされる露光およびゲイン設定の積）を計算する。第２モジュールは一般に、タスク・レベル・ルーチンのような低い優先順位ルーチン内に組み込まれ、ルーチンが優先順位に従って系統的に実行されるようにする。

Description

【０００１】
［発明の分野］
本発明は、携帯型光学的イメージング・デバイスの露光制御に関し、より詳細には、多次元光学的イメージング装置における光学的イメージャの自動的、リアルタイムの露光制御のための方法および装置に関する。
【０００２】
［発明の背景］
バーコード・リーダ、光学的文字リーダ、ディジタルカメラ等のような携帯型光学的イメージング・デバイスは、多数の小売り、産業および医療の応用分野で広範囲に使用されている。このようなイメージング・デバイスを利用して、手動のデータ・エントリをはるかに上回る正確性および信頼性を備えて、価格決定、在庫管理等のようなルーチンのデータ・エントリ機能を実行している。高速データ処理能力とデータ処理デバイスおよびシステムとの直接互換性のような、これらおよび他の利点は、イメージング・デバイスが将来さらに普及することを確実にしている。このようなデバイスの利用が増加するに伴い、このようなデバイスに関する需要も増大するであろう。これらの需要は、将来の携帯型イメージング・デバイスが、さらに増大する光学的復号化データの量および密度を読取り、記録および復号することを要求するであろう。
【０００３】
バーコード・リーダのような携帯型イメージング・デバイスは、スーパーマーケット等におけるバーコード化された情報のような１次元（１Ｄ）および２次元（２Ｄ）バーコード・シンボルを読み取るためのもので公知である。さまざまな異なるバーコード・シンボルが広く知られており、現在各種の用途に利用されている。データ量が比較的少ない用途では、データは１次元バーコード・シンボルで簡便に符号化される。例えば、コード４９、コード３９、コード１２８およびコードバーなどの１Ｄバーコード・シンボル方式が開発されて、比較的少量のデータの符号化を可能にしている。例えば、１９８８年１２月２７日に、発明者Ａｌｌａｉｓに交付された、米国特許Ｎｏ．４，７９４，２３９の、発明の名称「マルチトラック・バーコードおよび関連する復号方法」では、コード４９シンボルが記載されている。１Ｄシンボル方式は符号化データを、各々がそれぞれのバーコード・パターンを含む複数列に分割している、スタック型シンボルを使用する。操作においては、シンボルのすべておよび大部分を走査し、復号し、その後合わせて関連付けして完全なメッセージを形成する。
【０００４】
増大するデータの量および密度を読取り、記録および復号する必要性に適応するために、２Ｄマトリクス・シンボル方式が開発されてきた。この２Ｄマトリクス・シンボル方式は、１Ｄと異なり自由方向走査と高いデータ密度および容量を提供する。２Ｄマトリクス・コードは、グラフィカルなファインダ、方向および基準構造を伴う正多角形マトリクス内の暗いまたは明るいデータ・エレメントを符号化する。例えば、ＰＤＦ４１７のような２Ｄシンボルでは、ＭａｘｉＣｏｄｅおよびＤａｔａＭａｔｒｉｘが開発されて、多量のデータの符号化を可能にしている。例えば、１９９４年４月１９日に、発明者Ｐａｖｌｉｄｉｓらに交付された、米国特許Ｎｏ．５，３０４，７８６の、発明の名称「高密度２次元バーコード・シンボル」では、ＰＤＦ４１７シンボルが記載されている。ＰＤＦ４１７では、文字の列が垂直に積み重ねられる「２次元」方式を使用する。すなわち、１列だけでなく、複数列のバーとスペースのパターンが存在する。
【０００５】
電荷結合素子（ＣＣＤ）イメージ・センサのような２Ｄソリッド・ステート・イメージ・センサは、符号化されたデータ・イメージを光学的に捕集し、それを電気信号に変換できる。これらのイメージ・センサは、それらのターゲットの適正に露光されかつ焦点合わせされたイメージを提供する光学的イメージング・システムと、適正な復号化ソフトウェアを含む信号プロセッサと組み合わされるとき、各種タイプ、形状およびサイズのバーコードおよび他のシンボルを読み取ることができる。
【０００６】
前述のように、材料、サイズ、形状およびその他の多岐にわたる広範囲の製品からデータを読取る能力は、認識または走査されるパターンのある目的物に対し適正なイメージャ露光を提供することに直接関係する。これに関して最も重要なことは、リアルタイムで露光設定を調整し、露光設定が取り込みされるイメージに対し適正になるようにする能力である。
【０００７】
イメージング・デバイスが、バーコード・リーダ等のようなイメージを復号するためのソフトウェアまたはアルゴリズムを必要とする場合には、このイメージング・デバイスが、適正に露光されたイメージをそのアルゴリズムに提供することが必須条件である。このようなデバイスの復号アルゴリズムは、一般に、イメージャ（すなわち、カメラ）に組み込まれた露光制御により制限される。この制限は一般に、復号化処理速度を低下させ、全体イメージ取込みおよび復号処理の効率を低下させる。従って、イメージャとは別個の自動露光制御機構を組み込み、それにより復号処理の効率を低下させないことが必須条件になる。
【０００８】
複数プロセッサを組み込んでいる現在の大部分の携帯型イメージング・デバイスでは、自動イメージャ制御モジュールの組込みは比較的簡単である。この理由は、１つのプロセッサを自動露光制御ルーチンの実行に専用化し、同時に他のプロセッサをオペレーティング・システム、アプリケーション・プログラム等の実行に専用化できるためである。ただし、マルチタスク・オペレーティング・システム環境の下で正確なリアルタイム露光設定（すなわち、自動露光制御）を提供する露光制御機構を組み込むことは、問題を含む可能性がある。一般的なマルチタスク環境では、アプリケーション・プログラム、イメージ取込みおよび復号処理を実行できる、単一の中央処理装置（ＣＰＵ）が組み込まれている可能性がある。このような共有プロセッサ環境では、いずれか１つのアプリケーションに対し割り当てられるＣＰＵの使用を最少化する必要がある。例えば、イメージ取込みおよび復号処理では、露光は、イメージャのフレーム期間内の特定の時間期間中にイメージャに書き込まれる必要がある。これは、イメージャ状態を維持し、かつイメージャからのすべてのフレーム信号に応答するリアルタイム応答を必要とする。
【０００９】
逆に、ＣＰＵ（中央処理装置）を共有するタスクの存在するマルチタスク・オペレーティング・システムでは、ＣＰＵが実行するルーチンは、自動露光計算にＣＰＵを連続して占有しない。これに関して望ましいことは、モジュールを、ＣＰＵ時間を必要とする別のタスクにより先に占有できる場合に、タスク・レベルで存在する高性能のＣＰＵ計算を可能にする２重目的モジュールである。さらに、モジュールは、割込みサービス・ルーチンで存在するリアルタイム応答におけるイメージャの制御を可能にし、それによりイメージャのタイミング基準に適合できる。
【００１０】
この問題に対処するために、本明細書に開示する本発明の概念は、２つの別個のモジュール内にコード／ルーチンを組み込んでいる。カメラを制御するモジュールは、割込みサービス・ルーチンに組み込まれる。他の実現例では、高い優先順位またはリアルタイムのスレッドまたはタスク内にモジュールを組み込むことができる。イメージに関する計算を実行して、どの程度の露光およびゲイン設定を使用すべきかを決定するモジュールは、低い優先順位のスレッドまたはタスクに組み込まれる。これにより、高性能なＣＰＵ計算を実行するモジュールがタスク・レベルで存在でき、同時に、イメージャを制御し、かつリアルタイム応答を必要とするモジュールが、厳格なタイミング基準に適合しなければならない割込みサービス・ルーチン内に存在できる。
【００１１】
［発明の概要］
従って、マルチタスク環境における操作の可能な多次元イメージング・デバイス自動露光制御プロセスは、２つの別個のモジュールを実装することで提供される。イメージャ制御モジュールは、調整された露光およびゲイン設定でイメージャを更新することによりイメージャを制御する。ヒストグラム処理モジュールは、イメージに関する計算を実行して、どのような露光およびゲイン設定を目標にすべきかを決定する。イメージャ制御モジュールは、イメージャからフレーム信号の終端を受け取り、ヒストグラム処理モジュールは、イメージャから送られるゲインおよび露光データ（すなわち、フィードバック）およびメモリ内のイメージデータから目標コントラストを計算する。次に、ヒストグラム処理モジュールは目標コントラストをイメージャ制御モジュールに送る。イメージャ制御モジュールは受け取った目標コントラストを使用して、イメージャに書き込まれている露光およびゲイン設定を駆動する。
【００１２】
本発明の１つの実施形態では、自動露光制御プロセスは、画像から光学的イメージデータを取り込むイメージング・デバイス内に組み込まれる。イメージング・デバイスはイメージ信号を発生するイメージャと、このイメージャからイメージ信号を受け取り、そのイメージ信号をイメージデータとして格納するメモリ・コンポーネントと、露光制御処理を実行するプロセッサとを含む。露光制御は、イメージャの露光およびゲイン設定を制御する第１モジュールと、メモリ・コンポーネントから送られるイメージデータおよび第１モジュールから送られる露光データに応じて計算を実行し、目標とする露光およびゲイン設定を決定する第２モジュールとにより実行される。
【００１３】
本発明の１つの実施形態では、前述のイメージング・デバイスは、多次元イメージ・シンボルを読み取ることができる。本発明のイメージング・デバイス内に組み込まれるプロセッサは、一般にマルチタスク能力を備えることにより、露光制御プロセスを実行中に、１つまたは複数のアプリケーション・プログラムおよび／またはオペレーティング・システムをプレセッサ上で実行できる。このようなマルチタスク能力に対応するために、第１モジュールは一般に割込みサービス・ルーチンのような高い優先順位ルーチンとして実行され、その結果、取り込みされるすべてのフレームに対して露光およびゲイン設定を決定できる。第２モジュールは、一般に低い優先順位ルーチンとして実行され、その結果、優先順位階層に基づいて必要とされるときに、第２モジュール内で発生する一般的ヒストグラム処理計算を先に占有可能にする。
【００１４】
別の実施形態では、イメージング・デバイスは直接メモリ・アクセス（ＤＭＡ）・コントローラを備え、それにより、イメージャからイメージ信号を受け取り、第２モジュールからのイメージ取込みコマンドに応答し、取り込んだイメージ信号をメモリ・コンポーネントに転送できる。ＤＭＡコントローラは、プロセッサ上に組み込むことができ、またはプログラムマブル・ロジック・デバイスのような別のデバイス上に組み込むことができる。プログラムマブル・ロジック・デバイスを組み込む実施形態では、ロジック・デバイスは一般に、イメージャ、プロセッサおよびメモリ・コンポーネント間のインタフェースとしての役割を果たす。
【００１５】
本発明はまた、多次元イメージング・デバイスにおける露光制御の方法により画定される。この方法は、イメージャにおいてフレーム信号の終端を発生し、中央プロセッサにおいて、フレーム信号の終端に応答してイメージャの露光およびゲイン設定を制御する第１モジュールを実行する。次に、第１モジュールは、取り込みされるコントラスト設定を生成し、第２モジュールは、中央プロセッサにおいて、フレーム・イメージ信号の終端に応答して目標コントラスト設定を計算することにより、取り込みされたコントラスト設定および格納されたイメージデータを実行する。次に、後続の（または新しい）露光およびゲイン設定が、目標コントラスト設定に応じて第１モジュール内で生成される。その後、後続の露光およびゲイン設定がイメージャで実行される。第１モジュールは一般に、割込みサービス・ルーチンのような高い優先順位ルーチンとして実行され、第２モジュールは一般に、タスク・レベル・ルーチンのような低い優先順位ルーチン上で実行される。別の実施形態では、第１および第２モジュールを実行するプロセッサはさらに、少なくとも１つのイメージング・デバイスのアプリケーション・プログラムおよび／またはイメージング・デバイスのオペレーティング・システムを実行する役割を果たす。
【００１６】
［発明の詳細な説明］
次に、本発明の好ましい実施形態を示す図を参照して、以後に本発明を詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態において実現できるものであり、本明細書に記載する実施形態に限定されると解釈してはならない。正確に言えば、これら実施形態は、当業者に対し、この開示が詳細および完全であり、本発明の範囲を完全に記載するように提供されている。同一符号は全体を通して同一エレメントを指す。
【００１７】
図１は、本発明による、自動露光制御を組み込んでいるイメージング・デバイス内のコンポーネント間の相互作用を示すブロック図である。イメージング・デバイス１０は、イメージャ２０、典型的には、連続イメージデータをイメージング・デバイス・メモリ・コンポーネント３０（例えば、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ））に提供するカメラを備える。イメージャは一般に、例えばＰＤＦ４１７、ＭａｘｉＣｏｄｅ、ＤａｔａＭａｔｒｉｘ等のような、少なくとも２次元イメージ・シンボルを読み取りできる。
【００１８】
イメージャ２０は、イメージャ制御モジュール４０およびヒストグラム処理モジュール５０と通信して、イメージャに対し自動露光制御を実行する。イメージャ制御モジュールは、ヒストグラム処理モジュールにより提供される目標コントラスト・パラメータを利用して、イメージャ・ゲインおよび露光設定を制御する。さらに、イメージャ制御モジュールは、フレーム信号を処理して、最新に取り込まれた画像が露光された方法を確認し、この情報をヒストグラム処理モジュールに通信して戻し、目標コントラストの次の計算に備える。同様に、ヒストグラム処理モジュールは、イメージャ２０から送られたフレームの終端（ＥＯＦ（Ｅｎｄ ｏｆ ｆｒａｍｅ））信号に基づいて目標コントラストを計算する。
【００１９】
イメージャ制御モジュール４０は一般に、割込みサービス・ルーチン内に組み込まれる。本発明の別の実施形態では、このモジュールを高い優先順位またはリアルタイム・スレッドまたはタスク内に組み込むことができる。イメージに関する計算を実行して、どの程度の露光およびゲイン設定を使用すべきかを決定するヒストグラム処理モジュールは、タスク・ルーチンまたは他の低い優先順位のルーチン内に組み込まれる。２つの固有のモジュールを組み込むことにより、高性能ＣＰＵ計算を実行するモジュール（すなわち、ヒストグラム処理モジュール）が、タスク・レベルに存在でき、同時に、イメージャを制御し、かつリアルタイム応答を望むモジュール（すなわち、イメージャ制御モジュール）が、厳格なタイミングに適応しなければならない割込みサービス・ルーチン内に存在できる。従って、全体露光制御プロセスはプロセッサ能力を最少化し、その結果、別のアプリケーションおよび／またはモジュールをプロセッサで実行できる。このようにして、２重モジュール・プロセスが、マルチタスク環境で作動するイメージング・デバイスに自動露光制御を提供できる。
【００２０】
一般に、イメージング・デバイスは直接メモリ・アクセス（ＤＭＡ）・コントローラ６０を備え、それにより、イメージャからメモリへのイメージデータの転送を制御できる。本発明の１つの実施形態では、ＤＭＡコントローラはプロセッサ・デバイス内に常駐する（図１には示していない）。ＤＭＡコントローラは、自動露光制御プロセスの機能には必須ではなく、本発明の特定の実施形態では、イメージデータはメモリに直接転送され、取込みコマンドがヒストグラム処理デバイスからイメージャに直接送られ、それによりＤＭＡコントローラを組み込む必要をなくすことができる。
【００２１】
図２は本発明の別の実施形態であり、図では、ロジック・デバイス７０、好ましくはフィールド・プログラマブル・ロジック・デバイスが、イメージャ２０とイメージャ制御モジュール４０間のインタフェースとして組み込まれる。この実施形態では、イメージャはロジック・デバイスに送られるＥＯＦ信号を生成する。ロジック・デバイスは、ＥＯＦ信号をイメージャ制御モジュールとヒストグラム制御モジュールとに送る。次に、イメージャ制御モジュールは、ロジック・デバイスを介して露光およびゲイン設定をイメージャに送る。
【００２２】
イメージャ２０とメモリ・コンポーネント３０との間にインタフェースとしてＤＭＡコントローラ６０を組み込んでいる実施形態では、ＤＭＡコントローラはロジック・デバイス・インタフェース７０内に組み込むか、またはＤＭＡコントローラ機能を実行できる任意の他の適正なデバイス内に常駐できる。ＤＭＡコントローラがロジック・デバイス・インタフェース内に組み込まれている実施形態（図２）では、ヒストグラム処理モジュールは、ロジック・デバイスを介して取込みコマンドをＤＭＡコントローラに送り、ＤＭＡコントローラはイメージをメモリに提供し、ヒストグラム処理モジュールはメモリからのデータを読み込む。
【００２３】
イメージャ制御モジュールおよびヒストグラム処理モジュール内で実行されている処理を正等に評価するには、必須の露光制御パラメータを画定する必要がある。露光はイメージャがイメージャ・セルを光に露光する時間量として画定される。ゲインはイメージャに記録されるフォトン数とイメージャに含まれるディジタル・ユニット（「カウント」）の数の間の換算として画定される。ゲインは一般に、信号をディジタル化する前に与えられる。ゲインおよび露出設定の両方は、イメージのデータの線形拡大縮小（ｌｉｎｅａｒ ｓｃａｌｉｎｇ）を生成する。例として、露出またはゲインを２倍にする場合、イメージャから得られるピクセル値は２倍になる。コントラストはこの用途では、露光とゲインの積（露光×ゲイン＝コントラスト）として画定される。適正に露光されたイメージを得るには、ゲインまたは露光のどちらかを調整して、ゲインおよび露光の積が、所望の、または目標とするコントラストに等しくなる長さにすることができる。
【００２４】
ヒストグラム処理モジュールは、イメージャ制御モジュールに対して、特定のコントラストを持つイメージへの要求（すなわち、目標コントラスト）を発生する。この要求に基づき、イメージャ制御モジュールはゲインおよび露光値を設定して、２つの値の積が目標コントラストに等しくなるように試みる。当業者には公知のように、イメージャの露光設定の変更は、一般に、直ちに効果を発揮しない。ＤＭＡコントローラからＲＡＭに１つの画像が転送される間、次の画像が露光される。この方法において、取り込まれるイメージの１つに文字ｎを割り当て、露光設定を書き込んだ後に、イメージｎの取込みプロセスを開始する。この露光設定は、イメージｎ＋１が取り込まれるまで効果を発揮しない。従って、イメージャ制御モジュールは、現在の露光設定を維持し、イメージャから送られるどのデータ・フレームが特定の露光設定を有するかを認識する役割を果たす。逆に、イメージを取り込む前にゲイン設定を変更する場合、ゲインの変更は直ちに効果を発揮する。
【００２５】
露光設定が直ちに効果を発揮しないため、ヒストグラム処理モジュールは、どの程度のコントラストが実際に取り込まれたのかについての、取り込まれる各イメージのコントラストに関するデータを必要とする。ヒストグラム処理モジュールは、取込みイメージのコントラストを含むフィードバックを使用して、後続のイメージデータに対する目標コントラストを計算する。イメージャ制御モジュールはヒストグラム処理モジュールと接続して動作し、最新の取込みイメージに関するフィードバック情報を、ヒストグラム処理モジュールに供給する。取り込まれた各フレームの露光およびゲイン設定に追従するために、イメージャ制御モジュールは一般に、高い優先順位のタスクまたは割込みサービス・ルーチンのどちらに組み込まれる。これを実現することにより、イメージャからのＥＯＦ信号が失われずに、各フレームのコントラストが正確に決定されることを保証できる。
【００２６】
イメージャ制御モジュール
イメージャ制御モジュールだけが、イメージャから送られたＥＯＦ割込み信号に応答して実行する。本発明の１つの実施形態では、イメージャ制御モジュールは、イメージャ制御モジュールとヒストグラム処理モジュールの両方がアクセスできる、その中に関係する変数のグループが存在する共有データ構造を通して、ヒストグラム処理モジュールと通信する。イメージャ制御モジュールとヒストグラム処理モジュールとの間で通信する別の手段もまた可能であり、本明細書の本発明の概念の中で開示される。イメージャ制御モジュールは、ＥＯＦ処理ルーチンを含む。このルーチンは、ＥＯＦフレーム信号がイメージャ制御モジュールで受け取られる毎に増加するフレーム数を持つカウンターを維持する。イメージャ制御モジュールは、共有メモリ領域にアクセスして、ヒストグラム処理モジュールから要求される目標コントラストを読み込む。
【００２７】
図３Ａ〜３Ｃは、本発明によるイメージャ制御モジュール内の処理を示すフローチャートである。２００において、ヒストグラム処理モジュールから受け取る目標コントラストを与えられて、後続の（すなわち、新しい）露光設定を計算する。本発明の実施形態によれば、後続の露光設定は目標コントラストを２で割った値（目標コントラスト／２）に等しくなる。後続の露光は、ゲインの中心値に関連付けて画定される。本発明の１つの実施形態では、イメージャはゲインを１〜７の間のゲインをサポートする。ただし、ゲイン設定が高すぎる場合、イメージャにノイズが加わる。ノイズ・ファクタに注意して、この場合のゲインは２の中心値を持つ１〜４の間に制限される。
【００２８】
用途においては、後続の露光の設定は、直ぐに効果を発揮しないが、ゲインの設定は直ちに効果を発揮する。従って、露光が効果を発揮する前に、新しいフレームが取り込まれる。新しいフレームが処理されるとき、ヒストグラム処理モジュールは、目標コントラストの変更を決定できる。従って、目標コントラストを２で割ることにより、目標コントラストが変化しない場合において、ｎ＋１イメージに対するゲイン設定は２に等しくなる。ただし、目標コントラストが僅かに変化する場合、ゲイン設定が１〜４の中間になるため、ゲインは、一致する目標コントラストに近づくどちらかの方向に変化できる。イメージャ制御モジュールは、目標コントラストに基づいて露光を書き込む。イメージャ制御モジュールはフレームｎに先立って露光を書き込むが、露光はフレームｎ＋１まで効果を発揮しない。ヒストグラム処理モジュールは、フレームｎとフレームｎ＋１との間に新しい目標コントラストを設定できる。これが発生する場合、イメージャ制御モジュールがフレームｎ＋１に対する新しい目標コントラストに達することができる唯一の方法は、ゲインを変更することである。フレームｎとｎ＋１との間に設定される目標コントラストは、フレームｎの前に設定された目標コントラストに近いのが通常である。
【００２９】
従って、イメージャ制御モジュールは新しい露光を設定し、目標コントラストがフレームｎとｎ＋１との間で変化しない場合に、フレームｎに対するゲイン設定が２になるようにする。新しい目標コントラストが設定される場合、そのゲインは２以上または以下に調整できる。フレームｎとｎ＋１との間に設定された目標コントラストが減少するが、フレームｎの前に設定された目標コントラストの半分以下に減少しない場合、ゲインを減少する方向に調整することにより、フレームｎ＋１が取り込まれたときに、そのフレームは新しい目標コントラストを有することができる。同様に、ｎとｎ＋１との間の目標コントラストが増加するが、フレームｎの前に設定された目標コントラストの２倍以上に増加しない場合、ゲインを増加する方向に調整することにより、フレームｎ＋１が取り込まれたときに、そのフレームは新しい目標コントラストを有することができる。
【００３０】
後続の露光設定が目標コントラストから決定されると、後続の露光の範囲が確定され、後続の露光設定が有効な最大露光設定以下および最少露光設定以上になることを保証する。２１０において、後続の露光は最大露光と比較される。後続の露光が最大値を超える場合、２２０において、後続の露光設定は最大露光設定値に設定される。最大露光設定を設定して、動きに起因するぶれを無くする。露光時間を長くすると、イメージの動きがぶれを発生しやすくなり、従って、イメージャ制御モジュールは露光設定を強制的に最大値以下にする。後続の露光設定が最大値より小さい場合、２３０において、後続露光設定値は最少露光設定値と比較される。後続の露光が最小露光設定値より小さくなる場合、２４０において、後続の露光設定値は最小露光設定値、一般にはゼロまたはデフォルト値に設定される。
【００３１】
２５０では、後続の露光が現在のイメージャ露光に等しいかどうかが判定される。等しい場合、イメージャに後続の露光を書き込む必要はない。等しくない場合、２５０において、イメージャに後続の露光設定を書き込む。
【００３２】
露光およびゲイン設定の書込みにおいて、１つのフレームの終端と次のフレームの開始の間に小さい時間ウィンドウが存在し、その時間内に設定を書き込んで、所望の時間内に効果を発揮することを保証できる。露光およびゲイン設定が所望の時間期間内に書き込まれることを保証するために、イメージャからのＥＯＦ信号を合成する。合成されたＥＯＦ信号はパルスであり、そのパルスは、露光およびゲイン設定の書込みが有効になる時間期間の間、アクティブにされるかまたは真の状態が存在する。この方法では、パルスの前縁により、イメージャ制御モジュールがＥＯＦを実行および応答し、露光およびゲイン設定がイメージャに書き込まれた後に、その信号を検査して真に留まっていることを確認する。その信号が真であることを決定した場合、イメージャ制御モジュールは、要求された時間期間内に露光およびゲイン設定を書き込むことを管理する。その信号が真でないことを決定した場合、イメージャ制御モジュールは、露光およびゲイン設定を書き込むそれのウィンドウの機会を失った可能性を考慮する必要がある。この場合には、イメージャ制御モジュールは共有データ構造内にデータを書き込み、その露光が未知であることを示す。ヒストグラム処理モジュールは、目標コントラストを計算するために、取込みコントラストの値がどの値であったかを知る必要がある。従って、露光がヒストグラム処理モジュールに対し未知であるとき、ヒストグラム処理モジュールは、新しい目標コントラストを計算するときに、そのフレームを無視する。
【００３３】
後続の露光がイメージャに書き込まれると、２７０において、ＥＯＦ信号がアクティブの間に後続の露光設定がカメラに書き込まれたことを確認する判定がなされ、後続の露光がアクティブ期間内に書き込まれた場合、２８０において、ｉｎＴｉｍｅフラグがセットされる。後続の露光がアクティブ期間内に書き込まれなかった場合、２９０において、ｉｎＴｉｍｅフラグがクリアされる。
【００３４】
３００において、次の露光が未知の露光定数に設定されているかどうかを判定する決定がなされる。未知の露光定数は、露光の書込みが遅れた可能性があることを意味する。従って、その定数を次の露光に割り当てして、露光が未知であることを示す必要がある。次の露光が未知の露光定数に設定されている場合、後続のゲイン設定を計算する必要はない。次の露光が未知の露光定数に設定されていない場合、後続のゲイン設定は、３１０において、目標コントラスト（ヒストグラム処理モジュールから）を取込みされる次のイメージに対する露光（すなわち、次の露光設定）で割算した値として計算される。後続の（すなわち、新しい）ゲイン設定は、取込みされる次のイメージに対して効果を発揮する。露光が次のイメージに対しすでに設定されているため、新しいゲイン設定を次の露光に基づいて計算する必要がある。ゲイン設定が算出された後、その設定の範囲を検査して、最大および最少ゲイン設定以内にあることを保証する。前述のように、ゲイン設定範囲は１〜４である。３２０において、後続のゲインは最大ゲインと比較される。後続のゲインが最大値を超える場合、３３０において、後続のゲイン設定は最大ゲイン設定に設定される。ゲインが高すぎる場合、アナログのイメージ信号内のノイズが過大に増幅され、パターン認識および復号モジュールが処理できないイメージを発生させる。後続のゲイン設定が最大値より小さい場合、３４０において、後続ゲイン設定は最少ゲイン設定と比較される。後続のゲインが最小ゲイン設定より小さくなる場合、３５０において、後続のゲイン設定は最小ゲイン設定に設定される。最少ゲイン設定は１の値に設定される。３６０において、ゲイン設定が要求される範囲内に設定されると、次にその値がイメージャに書き込まれる。
【００３５】
ゲインおよび露光がイメージャに書き込まれると、３７０において、現在の露光が次の露光（すなわち、モジュールが実行された最後の時点で設定されていた露光）に設定される。次に３８０において、現在の露光が未知の露光定数に設定されているかどうかを判定する決定がなされる。現在の露光が未知の露光定数に設定されている場合、３９０において、現在のコントラストは未知の露光定数に設定される。現在の露光が未知の露光定数に設定されていない場合、４００において、現在のコントラストは現在の露光と後続のゲインの積に設定される。
【００３６】
現在のコントラストが設定されると、４１０において、ｉｎＴｉｍｅフラグが設定されていることを確認する判定がなされる。ｉｎＴｉｍｅフラグが設定されている場合、４２０において、次の露光がカメラ露光（すなわち、イメージャ内に設定された露光）に対し設定される。ｉｎＴｉｍｅフラグが設定されていない場合、４３０において、次の露光が未知の露光定数に対し設定される。
【００３７】
次に４４０において、モジュールは、次のフレームが取り込まれたフレームであるかどうかの判定を行い、取り込まれたフレームである場合、４５０において、取り込まれたコントラストが現在のコントラストに対し設定される。
【００３８】
ヒストグラム処理モジュール
ヒストグラム処理モジュールは、イメージャ設定およびコントラストを調整して、取り込まれたイメージのホワイト値がパターン認識およびバーコード復号化の最適範囲内に入るようにする役割を果たす。これを実行するために、ヒストグラム処理モジュールはイメージのヒストグラムを生成し、イメージのコントラストとそのヒストグラムを利用して、次のイメージに対する新しいコントラスト（すなわち、目標コントラスト）を決定する。その結果、次のイメージは目標の最適ホワイト値の範囲に近いかまたはその範囲内にあるホワイト値を持つ。
【００３９】
図４は、本発明によるヒストグラム処理モジュール内の処理のフローチャートを示す。５００において、イメージ・デコーダは適正に露光されたイメージを要求し、５１０において、これが、取込みコマンドをヒストグラム処理モジュールからイメージャのハードウェアに発行するように促す。
【００４０】
ヒストグラム処理モジュールは、イメージ・デコーダがデータのｎラインを受け取る毎に、ライン割込みを受け取る。本発明の１つの実施形態では、ｎの値は２４に設定されるが、任意のｎに対する別の値を設定することも可能である。５２０において、ヒストグラム処理フローは発生するライン割込みを待機し、この期間の間、イメージャのオペレーティング・システムは、待機期間中に別のスレッドおよびタスクを実行できる。５３０において、ヒストグラム処理モジュールは、取り込まれている最中のイメージのヒストグラムを生成する。ｎ＝２４の実施形態では、２４番目のイメージ・ライン毎にヒストグラム処理モジュールが割込みを受け取ると、データの実行中のヒストグラムの新しいデータを加える。
【００４１】
５４０において、画像が完全に取り込まれたかどうかについての判定がなされる。画像が完全に取り込まれていない場合、ヒストグラム処理モジュールは５２０に戻り、発生する割込みを待機し、ヒストグラムの次の更新が発生できるようにする。画像が完全に取り込まれ、ヒストグラムが更新されると、５５０において、ヒストグラム処理モジュールはそのイメージのホワイト値を決定する。ヒストグラムを検索して、ホワイト値を見出し、ピクセルの６．２５％がホワイト値より高い輝度を有することを確認する。６．２５％値は、その特定イメージに対するホワイト値を決定する。５６０において、イメージのホワイト値が許容できる復号範囲内にあるかどうかの判定がなされる。ホワイト値が許容できる復号範囲内にある場合、５７０において、そのイメージはデコーダに戻される。
【００４２】
ホワイト値が許容できる復号範囲内にない場合、５８０において、ヒストグラム処理符号はホワイト値を使用して新しいコントラストを計算し、次のイメージのホワイト値が最適範囲内に入るようにする。ゲインおよび露光設定の線形特性を考慮して、新しいコントラストは、簡単な線形拡大縮小を実行することにより、取り込まれるイメージのコントラストおよびホワイト値から計算できる。線形拡大縮小は、イメージのホワイト値−ブラック・レベルに等しいオフセットのホワイト値を計算することにより、実行される。ブラック・レベルは、画像が露光を持たないときに、イメージャにより戻されるピクセル値である。さらに、オフセットの目標値は、どれが最適ホワイト値−ブラック・レベルとして画定された目標のホワイト値であるかを計算される。これに関しては、次のイメージに対する新しい目標コントラストが、「現在のイメージのコントラスト×（オフセットの目標ホワイト値÷そのイメージのオフセット・ホワイト値」に等しい（現在のイメージのコントラスト×オフセットの目標ホワイト値／現在のイメージのオフセット・ホワイト値＝新しい目標コントラスト）。
【００４３】
過大露光のイメージの場合、線形拡大縮小を実行して新しい目標のホワイト値を決定することができない。この理由は、イメージャのデジタイザの飽和のために、現在のイメージのホワイト値を正確に決定できないからである。この場合、ピクセルの６．２５％が最大値より大きい場合、およびどれかのピクセルが最大露光である場合、そのイメージは過大露光であると判定される。最大露光のピクセルの数は、経験的に導かれる関数に対する引数として使用され、その関数により、ホワイト値２５５を持つイメージを得るために調整するのに必要なコントラストの大きさを決定する。
【００４４】
ホワイト値２５５を持つイメージを生成するのに必要なコントラスト調整量を決定後、前述の線形拡大縮小を使用してコントラストを計算し、それにより、最大ホワイト値を目標のホワイト値以下に調整し、その調整結果を新しい目標コントラスト値にして、５９０において、そのコントラスト値をイメージャ制御モジュールに送る。
【００４５】
ヒストグラム処理モジュールが、パターン認識および／または複合化に対する最適ホワイト値範囲内のホワイト値を有するイメージを取り込んだと判定した後に、前記モジュールは、有効画像が取り込まれたことを、パターン認識およびデコーダ・モジュールに通知する。この時点で、パターン認識およびデコーダ・モジュールはＲＡＭからイメージを検索して取り出し、そのイメージに処理を実行できる。
【００４６】
この２重モジュール方式により、イメージャのフレーム期間内の特定時間期間中に、露光をイメージャに書き込みできる。リアルタイム応答により、イメージャ状態を維持して、イメージャからのどのフレーム信号にも応答できるようになる。カメラを制御するイメージャ制御モジュールは、割込みサービス・ルーチンまたは別の高い優先順位ルーチンまたはリアルタイム・スレッド内に組み込まれる。イメージに関する計算を実行し、使用すべき露光およびゲイン設定の大きさを決定するヒストグラム処理モジュールは、タスク内に組み込まれる。このルーチンにより、高性能ＣＰＵ計算を実行するモジュールがタスク・レベルに存在し、同時に、イメージャを制御し、かつリアルタイム応答を望むモジュールが、厳格なタイミング基準に対応する必要がある割込みサービス・ルーチン内に存在することが可能になる。総合的な結果としては、露光を進行中に変更し、取り込まれる実際イメージを反映するリアルタイム露光設定を変更することができる。
【００４７】
前述の説明および関連図面において提示された内容に関する利益を有する、本発明が関係する当業者には、本発明の多くの変形形態および別の実施形態は容易に考えられるであろう。従って、本発明は開示された特定の実施形態およびそれの変形携帯に限定されず、さらに別の実施形態は添付の特許請求の範囲内に含まれるものである、と理解すべきである。本明細書では特定の用語を使用したが、それらは単に総称的および説明的意味で使用したものであり、限定を目的とするものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の１つの実施形態による多次元イメージング・システムにおける自動露光制御プロセスのブロック図である。
【図２】
本発明による多次元イメージング・システムにおける自動露光制御プロセスの別の実施形態のブロック図である。
【図３Ａ】〜
【図３Ｃ】
本発明の実施形態による、自動露光制御プロセスの第１モジュール（イメージャ露光モジュール）内で発生する処理を示すフローチャートである。
【図４】
本発明の実施形態による、自動露光制御プロセスの第２モジュール（ヒストグラム処理モジュール）内で発生する処理を示すフローチャートである。

Claims (48)

1. 光学的イメージデータを取り込むためのイメージング・デバイスであって、
   イメージ信号を発生するイメージャと、
   イメージ信号をイメージャから受け取り、そのイメージ信号をイメージデータとして格納するメモリ・コンポーネントと、
   イメージャの露光およびゲイン設定を制御する第１モジュールと、第１モジュールから送られる露出データに応じて計算を実行し、目標とする露光およびゲイン設定を決定する第２モジュールとを組み込むことにより、露光制御ルーチンを実行するプロセッサと、
   を備えているイメージング・デバイス。
2. 前記イメージャが多次元シンボルからイメージ信号を生成する、請求項１のイメージング・デバイス。
3. 前記プロセッサがイメージング・デバイスにマルチタスク能力を提供する、請求項１のイメージング・デバイス。
4. 前記プロセッサがイメージング・デバイスの少なくとも１つのアプリケーション・プログラムを実行する、請求項１のイメージング・デバイス。
5. 前記プロセッサがイメージング・デバイスのオペレーティング・システムを実行する、請求項１のイメージング・デバイス。
6. 前記プロセッサが、イメージング・デバイスの少なくとも１つのアプリケーション・プログラムおよびオペレーティング・システムを実行する、請求項１のイメージング・デバイス。
7. 前記第１モジュールが高い優先順位のスレッド内に組み込まれている、請求項１のイメージング・デバイス。
8. 前記第１モジュールが高い優先順位のタスク内に組み込まれている（内で実行される）、請求項１のイメージング・デバイス。
9. 前記第１モジュールが割込みサービス・ルーチン内に組み込まれている、請求項１のイメージング・デバイス。
10. 前記第２モジュールが低い優先順位のスレッド内に組み込まれている、請求項１のイメージング・デバイス。
11. 前記第２モジュールが低い優先順位のタスク・ルーチン内に組み込まれている、請求項１のイメージング・デバイス。
12. 前記第２モジュールがヒストグラム処理を含む、請求項１のイメージング・デバイス。
13. 前記第１モジュールが割込みサービス・ルーチン内に組み込まれ、かつ前記第２モジュールが低い優先順位のタスク・ルーチン内に組み込まれている、請求項１のイメージング・デバイス。
14. イメージャからイメージ信号を受け取り、かつ前記第２モジュールからのイメージ取込みコマンドに応答して、取り込まれたイメージ信号をメモリ・コンポーネントに転送する直接メモリ・アクセス（ＤＭＡ）コントローラをさらに備えている、請求項１のイメージング・デバイス。
15. 前記プロセッサがＤＭＡコントローラを備えている、請求項１４のイメージング・デバイス。
16. 前記イメージャとプロセッサとの間のインタフェースとして機能するプログラマブル・ロジック・デバイスをさらに備えている、請求項１のイメージング・デバイス。
17. 前記プログラマブル・ロジック・デバイスが、前記イメージャからイメージ信号を受け取り、かつ前記第２モジュールからのイメージ取込みコマンドに応答して、取り込まれたイメージ信号をメモリ・モジュールに転送するＤＭＡコントローラを備えている、請求項１６のイメージング・デバイス。
18. 光学的イメージデータを取り込むためのイメージング・デバイスであって、
    イメージ信号を発生するイメージャと、
    イメージ信号をイメージャから受け取り、そのイメージ信号をイメージデータとして格納するメモリ・コンポーネントと、
    前記イメージャのリアルタイム制御のための高い優先順位のモジュールと、前記イメージ信号を検査し、かつ前記高い優先順位モジュール・ルーチンにフィードバックを提供する低い優先順位モジュールとを組み込んでいるプロセッサと、を備えているイメージング・デバイス。
19. 多次元イメージング・デバイスにおける露光制御の方法であって、
    イメージャにおいてフレーム信号の終端を生成するステップと、
    中央プロセッサにおいて、前記フレーム信号の終端に応答してイメージャの露光およびゲイン設定を制御する第１モジュールを実行するステップと、
    第１モジュール内で、取り込まれた、露光設定およびゲイン設定の積として画定されるコントラスト設定を生成するステップと、
    中央プロセッサにおいて、フレーム信号の終端、取り込まれたコントラスト設定および格納されたイメージデータに応じて目標コントラスト設定を計算する第２モジュールを実行するステップと、
    第１モジュール内で、目標コントラスト設定に応じてイメージャに対する後続の露光およびゲイン設定を生成し、および
    イメージャ内で後続の露光およびゲイン設定を実行するステップと、
    を含む、露光制御方法。
20. 前記中央プロセッサがさらに、少なくとも１つのイメージング・デバイスのアプリケーション・プログラムを実行する役割を果たしている、請求項１９の方法。
21. 前記中央プロセッサがさらに、イメージング・デバイスのオペレーティング・システムを実行する役割を果たしている、請求項１９の方法。
22. 前記中央プロセッサがさらに、少なくとも１つのイメージング・デバイスのアプリケーション・プログラムと、イメージング・デバイスのオペレーティング・システムとを実行する役割を果たしている、請求項１９の方法。
23. 中央プロセッサにおいて、イメージ信号に応答してイメージャの露光およびゲイン設定を制御する第１モジュールを実行することが、さらに、高い優先順位のスレッド・ルーチン内の前記第１モジュールを実行することを含む、請求項１９の方法。
24. 中央プロセッサにおいて、イメージ信号に応答してイメージャの露光およびゲイン設定を制御する第１モジュールを実行することが、さらに、高い優先順位のタスク・ルーチン内の前記第１モジュールを実行することを含む、請求項１９の方法。
25. 中央プロセッサにおいて、イメージ信号に応答してイメージャの露光およびゲイン設定を制御する第１モジュールを実行することが、さらに、割込みサービス・ルーチン内の前記第１モジュールを実行することを含む、請求項１９の方法。
26. 中央プロセッサにおいて、イメージ信号および取り込んだコントラスト設定に応じて目標コントラスト設定を計算する第２モジュールを実行することが、さらに、低い優先順位のスレッド・ルーチン内の第２モジュールを実行することを含む、請求項１９の方法。
27. 中央プロセッサにおいて、イメージ信号および取り込んだコントラスト設定に応じて目標コントラスト設定を計算する第２モジュールを実行することが、さらに、低い優先順位のタスク・ルーチン内の第２モジュールを実行することを含む、請求項１９の方法。
28. 中央プロセッサにおいて、フレーム信号の終端および取り込んだコントラスト設定に応じて目標コントラスト設定を計算する第２モジュールを実行することが、さらに、ヒストグラム処理を実行して、目標コントラスト設定を計算することを含む、請求項１９の方法。
29. プロセッサにより読み出し可能なプログラム格納デバイスであって、プロセッサにより実行可能な命令のプログラムを組み込んで、多次元イメージングにおいて露光制御する方法を実行するものであり、前記方法が、
    高い優先順位のモジュール内で、イメージャからのフレーム信号の終端に応じて取り込まれた、露光設定とゲイン設定の積として画定されるコントラスト設定を生成するステップと、
    低い優先順位のモジュール内で、イメージャからのフレーム信号の終端、取り込まれたコントラスト設定および格納されたイメージデータに応じて目標コントラストを計算するステップと、
    高い優先順位のモジュール内で、目標コントラスト設定に応じてイメージャに対する後続の露光およびゲイン設定を生成するステップと、
    多次元イメージング・デバイスのイメージャ内で後続の露光およびゲイン設定を実行するステップと、
    を含む、プログラム格納デバイス。
30. 高い優先順位のモジュール内で、イメージャからのフレーム信号の終端に応じて取り込まれたコントラスト設定を生成することと、高い優先順位のモジュール内で、目標コントラスト設定に応じてイメージャに対する後続の露光およびゲイン設定を生成することとが、さらに、割込みサービス・ルーチン・モジュール内で生成することを含む、請求項２９のプログラム格納デバイス。
31. 高い優先順位のモジュール内で、イメージャからのフレーム信号の終端に応じて取り込まれたコントラスト設定を生成することと、高い優先順位のモジュール内で、目標コントラスト設定に応じてイメージャに対する後続の露光およびゲイン設定を生成することとが、さらに、高い優先順位のスレッド・モジュール内で生成することを含む、請求項２９のプログラム格納デバイス。
32. 高い優先順位のモジュール内で、イメージャからのフレーム信号の終端に応じて取り込まれたコントラスト設定を生成することと、高い優先順位のモジュール内で、目標コントラスト設定に応じてイメージャに対する後続の露光およびゲイン設定を生成することとが、さらに、高い優先順位のタスク・モジュール内で生成することを含む、請求項２９のプログラム格納デバイス。
33. 低い優先順位のモジュール内で、イメージャからのフレーム信号の終端、取り込まれたコントラスト設定および格納されたイメージデータに応じて目標コントラストを計算することが、さらに、低い優先順位のタスク・モジュール内で計算することを含む、請求項２９のプログラム格納デバイス。
34. 低い優先順位のモジュール内で、イメージャからのフレーム信号の終端、取り込まれたコントラスト設定および格納されたイメージデータに応じて目標コントラストを計算することが、さらに、低い優先順位のスレッド・モジュール内で計算することを含む、請求項２９のプログラム格納デバイス。
35. 低い優先順位のモジュール内で、イメージャからのフレーム信号の終端、取り込まれたコントラスト設定および格納されたイメージデータに応じて目標コントラストを計算することが、さらに、ヒストグラム処理を実行して、目標コントラスト設定を計算することを含む、請求項２９のプログラム格納デバイス。
36. 前記第２モジュールが、前記第１モジュールから送られた露光データと、前記メモリ・コンポーネントから送られたイメージデータとに応じて計算を実行する、請求項１のイメージング・デバイス。
37. 光学的イメージデータを取り込むためのイメージング・デバイスであって、
    イメージ信号を生成するイメージャと、
    イメージャからイメージ信号を受け取り、そのイメージ信号をイメージデータとして格納するメモリ・コンポーネントと、および
    マルチタスク露光制御ルーチンを実行するマルチタスク・オペレーティング・システムと、
    を備えているイメージング・デバイス。
38. 前記マルチタスク露光制御ルーチンがさらに、
    イメージャの露光およびゲイン設定を制御する第１モジュールと、第１モジュールから送られる露出データに応じて計算を実行し、目標とする露光およびゲイン設定を決定する第２モジュールとを備えている、請求項３７のイメージング・デバイス。
39. 前記第２モジュールが前記第１モジュールから送られた露光データと、前記メモリ・コンポーネントから送られたイメージデータとに応じて計算を実行する、請求項３８のイメージング・デバイス。
40. 前記マルチタスク・オペレーティング・システムが、イメージング・デバイスのマルチタスク・アプリケーションのすべてを実行する、イメージング・デバイス内のプロセッサにより制御されている、請求項３７のイメージング・デバイス。
41. 前記第１モジュールが高い優先順位のスレッド内に組み込まれている、請求項３７のイメージング・デバイス。
42. 前記第１モジュールが高い優先順位のタスク内に組み込まれている、請求項３７のイメージング・デバイス。
43. 前記第１モジュールが割込みサービス・ルーチン内に組み込まれている、請求項３７のイメージング・デバイス。
44. 前記第２モジュールが低い優先順位のスレッド・ルーチン内に組み込まれている、請求項３７のイメージング・デバイス。
45. 前記第２モジュールが低い優先順位のタスク・ルーチン内に組み込まれている、請求項３７のイメージング・デバイス。
46. 前記第２モジュールがヒストグラム処理を含む、請求項３７のイメージング・デバイス。
47. 前記第１モジュールが割込みサービス・ルーチン内に組み込まれ、前記第２モジュールが低い優先順位のタスク・ルーチン内に組み込まれている、請求項３７のイメージング・デバイス。
48. 光学的イメージデータを取り込むためのイメージング・デバイスであって、
    イメージ信号を生成するイメージャと、
    イメージャからイメージ信号を受け取り、そのイメージ信号をイメージデータとして格納するメモリ・コンポーネントと、
    イメージャのリアルタイム制御用の高い優先順位のモジュールと、イメージ信号を検査し、かつ前記高い優先順位のモジュール・ルーチンにフィードバックを提供する低い優先順位のモジュールとを同時に実行することができる、マルチタスク・オペレーティング・システムと、
    を備えているイメージング・デバイス。

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