JP2005295012A - 画像読取装置 - Google Patents

Abstract

【課題】読取対象物から取得した画像の鮮明さや画像の信頼性が著しく向上する画像読取装置を提供する。
【解決手段】カメラにより読取窓の両側部にそれぞれ設けた複数の黒色の基準マークを読取り、これら基準マークと当該基準マークの背景部の部分をヒストグラム化し、このヒストグラム化した値を基準値と比較し、その比較結果に基づきカメラのゲインを制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、たとえば、カメラを用いて帳票上の文字画像などを光学的に読取る画像読取装置に関する。

従来、この種の画像読取装置にあっては、常時、カメラ被写体の一部または全体を明るさに応じてカメラのゲインをコントロールしていた。この方式では、読取対象物が代わるごとに最適なゲインコントロールが必要になり、鮮明な画像が得られるのに時間を要していた。その結果、安定する時間を考慮して撮影することが前提となり、画像を取得していた。

また、読取対象物を撮影したときカメラの物理的条件が変わることで、撮影した画像の位置ずれや回転方向ずれ、および倍率ずれが生じ、本来必要な画像が得られないことがある。これは、カメラが画像を読取って処理したときに始めて判ることから、画像読取装置の信頼性に関わっていた。
特開平９−１６３３８１号公報

読取対象物を照明する光源（蛍光灯、ハロゲンランプ、キセノンランプ、ＬＥＤなど）が温度や劣化により照度が変化することにより、カメラのゲインをコントロールしたり、レンズの絞りをコントロールしたりすることにより、画像のダイナミックレンジを適正に保つように制御している。この制御には読取対象物上の画像を収集して計算することで、カメラのゲインやレンズの絞りを繰り返し一定のダイナミックレンジが保たれるまでコントロールしていた。しかし、この方法では、結果的に画像が安定する条件を導くのに時間が掛かってしまい、鮮明な画像を得るまでに手間と時間が必要になるという問題がある。

また、カメラと読取対象物との距離が何らかの影響により変化し、本来必要とする倍率が保たれなかったり、カメラの位置（光軸）や回転方向（傾き）にずれが生じた場合、読取りたい領域内の画像が正確に得ることができなくなってしまうという問題がある。

そこで、本発明は、読取対象物から取得した画像の鮮明さや画像の信頼性が著しく向上する画像読取装置を提供することを目的とする。

本発明の画像読取装置は、読取対象物に対向して設けられ、当該読取対象物上の画像を読取るための読取窓を備えた光学基準板と、この光学基準板上で、かつ、前記読取窓を間に挟み込むように当該読取窓の両側部にそれぞれ設けられた特定色の基準マークと、前記光学基準板および前記読取窓内の読取対象物に対し光を照射する光源と、この光源による光照射により前記光学基準板および前記読取窓内の読取対象物から得られる光を受光し画像データに変換するカメラと、このカメラから得られる画像データ内の前記基準マークと当該基準マークの背景部の部分をヒストグラム化するヒストグラム化手段と、このヒストグラム化手段により得られるヒストグラム値をあらかじめ設定基準値と比較し、その比較結果に基づき前記カメラのゲインを制御するゲイン制御手段とを具備している。

また、本発明の画像読取装置は、読取対象物に対向して設けられ、当該読取対象物上の画像を読取るための読取窓を備えた光学基準板と、この光学基準板上で、かつ、前記読取窓を間に挟み込むように当該読取窓の両側部にそれぞれ配列された特定色の複数の基準マークと、前記光学基準板および前記読取窓内の読取対象物に対し光を照射する光源と、この光源による光照射により前記光学基準板および前記読取窓内の読取対象物から得られる光を受光し画像データに変換するカメラと、このカメラから得られる画像データに基づき、前記複数の基準マークの各重心点を求める重心点算出手段と、この重心点算出手段により求められた前記複数の基準マークの各重心点の座標値をあらかじめ設定される論理値と比較し、その比較結果に基づき前記カメラから得られる画像データを補正する画像補正手段とを具備している。

本発明によれば、読取対象物から取得した画像の鮮明さや画像の信頼性が著しく向上する画像読取装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施の形態に係る画像読取装置の構成を模式的に示すものである。図１において、密閉状態の筐体１１はいわゆる暗箱であり、その底面は光学基準板１２となっている。光学基準板１２は、その表面が白色に形成されているとともに、そのほぼ中央部に矩形状の読取窓１３が形成されており、この読取窓１３内に読取対象物１４上の画像（文字画像等）１５が位置するように、光学基準板１２の裏面側に対向して読取対象物１４がセットされる。この場合、図２にも示すように、光学基準板１２と読取対象物１４は被写体深度内に配設される。これにより、正確な基準を求めることが可能になる。

筐体１１内には、光学基準板１２および読取窓１３内の読取対象物１４に対し光を照射する２つの光源１６，１６、この光源１６による光照射により光学基準板１２の表面および読取窓１３内の読取対象物１４から得られる反射光をレンズ１７を介して受光し画像データに変換するカメラ１８がそれぞれ配設されている。

カメラ１８から得られる画像データは、ケーブル１９を介して筐体１１外に設置された画像処理装置２０に送られる。画像処理装置２０は、カメラ１８からの画像データに基づきカメラ１８の各種制御を行なったり、読取窓１３内の読取対象物１４上の画像１５を読取る処理を行なったりする。

光学基準板１２の表面には、たとえば、図３に示すように、読取窓１３を間に挟み込むように当該読取窓１３の両側部にそれぞれ２つずつ合計４つの基準マーク２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄが形成されている。これら基準マーク２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄは、たとえば、黒色で、かつ、正方形に形成されており、カメラ１８の読取った位置（光軸）ずれと回転方向のずれや倍率のずれなどを検査するために設けたものである。

この場合、読取窓１３の一方側に基準マーク２１ａ，２１ｂが平行に配設され、読取窓１３の他方側に基準マーク２１ａ，２１ｂと相対向して基準マーク２１ｃ，２１ｄが平行に配設されている。なお、図中の破線で示す部分２２はカメラ１８が映し出す全体領域（カメラ画角）を示している。

本実施の形態の動作原理を説明する。まず、読取窓１３から見える読取対象物１４上の画像１５の分布データを基準データとして画像処理装置２０内の図示しないメモリに記憶しておく。次に、カメラ１８および光源１６を動作状態にすることにより、図４に示すような黒と白の部分をヒストグラム化する。このヒストグラム値から図５に示すように全体の階調に対し、現在のゲイン値での黒と白の分布つまりダイナミックレンジがどれだけあるかが判断できる。この状態があらかじめメモリに記憶しておいた基準データと比較することで、より画面を明るくするか、暗くするかを判断し、カメラ１８のゲインを制御する。
図６は、図５の状態からカメラ１８のゲインを制御して、明るくさせたイメージである。このようなカメラ１８のゲイン制御を常に行なうことにより、ゲイン制御時間を気にせずに適正な明るさを持った画像が収集できる環境ができる。

また、この４点の黒マーク（基準マーク２１ａ〜２１ｄ）を利用して画像の補正を行なう。補正を行なう内容として、画面の位置、回転方向、倍率等の補正を行なうためのずれ量を計算する。図７は、同じ形で同じ面積を持つ黒マーク（基準マーク２１ａ〜２１ｄ）で、読取った画像から各黒マークの重心点を求めることにより、理論的マークの重心点と読取った画像から求めた重心点の各座標の差を比較することで、位置（光軸）ずれ、回転方向ずれ、倍率ずれに必要なデータが得られる。これらのデータは読取対象物１４と同時に撮影した画像を基に行なうことができるため、より正確に補正データを取得することが可能になる。

以下、図４〜図８について詳細に説明する。
図４は、カメラ１８が捉えた画像イメージで、破線で示す外枠２２がカメラ１８で撮影した画面枠全体（カメラ画角）を示している。この画像領域内には４つの基準マーク２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄが存在する。この基準マーク２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの内部（黒マークと呼称する）ｂＡ，ｂＢ，ｂＣ，ｂＤとその背景部（光学基準板１２の表面）に設定された矩形部分（白い部分）ｗＡ，ｗＢの２点は同様の面積を持つものとする。この画像をヒストグラム化することにより、読取対象物１４の表面、すなわち、読取窓１３内の明るさが推測される。

図５は、図４の画像をヒストグラム化したイメージである。黒い部分と白い部分の分布が左右に分かれていることがわかる。この左右に分かれている階調をダイナミックレンジという。このグラフからも、全体の階調に対し黒い部分と白い部分のダイナミックレンジは数値的に低い、これは画像の明るさ、つまり鮮明さに関わる。

図６は、図５に対しカメラ１８のゲインを制御し、補正した状態を表わす。図５に比べ図６は、黒い部分と白い部分の分布を階調の高い方向へ上げる方向へ持って行くことで、図５のときに撮影した画像に対し、図６のときに撮影した画像が明るさが最適な状態になり、鮮明な画像を得ることが可能になる。

図７は、カメラ１８が捉えた画像イメージで、破線で示す外枠２２がカメラ１８で撮影した画面全体である。この画像領域内には４つの黒マークが存在する。これは、光学基準板１２に設けた基準マーク２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄで、その他の部分は白くなっている。この光学基準板１２の基準マーク２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄは、同じ形で同じ面積を持つものとする。

４つの基準マーク２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの重心点を基準とし、撮影した画像から基準マーク２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの各重心点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄをそれぞれ計算し、比較することで、画面上側の重心点Ａ，Ｂ間で上横の倍率や画面下側の重心点Ｃ，Ｄ間で下横の倍率がどれくらい実体と変わっているか検査することが可能になる。

同様に、画面左側の重心点Ａ，Ｃ間で左縦の倍率や画面右側の重心点Ｂ，Ｄ間で右縦の倍率が実体とどれぐらい変わっているかを検査できる。また、回転方向のずれについては、基準マーク２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの各重心点を計算し、この４点の座標値から回転方向や位置的（光軸）ずれを計算することで、検査することが可能になる。

ポイントは、最終的に必要な読取りたい読取対象物の位置を挟み込むような状態でデータを収集した方がより信頼性が向上する。これらのデータを基に画像の補正を行なうことで、より正確な画像、つまり撮影した読取対象物そのものの正確なデータを得ることが可能になる。

これらのデータからカメラ１８で撮影した画像が正しい状態で撮影されたか否かを判断する数値となるとともに、これらの数値から読取った読取対象物の画像を補正することにより、正確な形状の画像を得ることが可能となる。

図８は、カメラ１８で撮影した画像イメージで、倍率が大きく左へ回転している状態を示している。各黒マークの重心点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを結び、その結んだ線の中央部を対応する線の中央部と結んだ線をｙ軸線２３、ｘ軸線２４とし、このｙ軸線２３、ｘ軸線２４が交差する点を４点マーク重心点２５としたとき、本来理論的に存在する座標系と比較することで、位置（光軸）ずれ、回転方向ずれ、倍率ずれが検査することができる。

位置ずれ：４点マーク重心点を理論値と比較
回転方向ずれ：ｘ軸線の傾きと水平度とを比較
倍率ずれ：４点マーク重心点間距離と理論値とを比較
以下、具体的な処理例について説明する。
まず、カメラ１８のゲイン制御について図９に示すフローチャートを参照して説明する。光源１６を点灯して（ステップＳ１）、カメラ１８の撮影動作を開始し（ステップＳ２）、読取対象物１４を読取窓１３へセットする（ステップＳ３）。この状態で、カメラ１８により撮影した画像を取得し（ステップＳ４）、画像処理装置２０へ送る。

画像処理装置２０は、カメラ１８から得られる画像から射影をとることにより、光学基準板１２の基準マーク２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの位置をそれぞれ検出する（ステップＳ５）。次に、画像処理装置２０は、検出した基準マーク２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの内部、つまり黒マークｂＡ，ｂＢ，ｂＣ，ｂＤ（図４参照）と白い部分ｗＡ，ｗＢ（図４参照）をヒストグラム化する（ステップＳ６）。

次に、画像処理装置２０は、ステップＳ６で得られた黒マークｂＡ，ｂＢ，ｂＣ，ｂＤと白い部分ｗＡ，ｗＢの各ヒストグラム値があらかじめ設定された一定値になっているか否かをチェックする（ステップＳ７）。このチェックの結果、ヒストグラム値が一定値になっていない場合、画像処理装置２０は、ゲイン制御回数（Ｎ）があらかじめ設定された所定値（たとえば、５回）か否かをチェックする（ステップＳ８）。このチェックの結果、ゲイン制御回数が所定値に達していればエラーとし、ここでゲイン制御動作を終了する。

ステップＳ８におけるチェックの結果、ゲイン制御回数が所定値に達していなければ、画像処理装置２０は、先に求めたヒストグラム値に基づきカメラ１８のゲインを最適値に設定する（ステップＳ９）。次に、画像処理装置２０は、再びカメラ１８により撮影した画像を取得し（ステップＳ１０）、ステップＳ６に戻って上記同様な動作を繰り返す。

ステップＳ７におけるチェックの結果、ヒストグラム値が一定値になっている場合、画像処理装置２０は、カメラ１８により読取窓１３内の読取対象物１４を撮影し、その読取処理を行なう（ステップＳ１１）。

次に、カメラ１８から得られる画像の補正処理について図１０に示すフローチャートを参照して説明する。光源１６を点灯して（ステップＳ２１）、カメラ１８の撮影動作を開始し（ステップＳ２２）、読取対象物１４を読取窓１３へセットする（ステップＳ２３）。この状態で、カメラ１８により撮影した画像を取得し（ステップＳ２４）、画像処理装置２０へ送る。

画像処理装置２０は、カメラ１８から得られる画像から射影をとることにより、光学基準板１２の基準マーク２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの位置をそれぞれ検出する（ステップＳ２５）。次に、画像処理装置２０は、検出した基準マーク２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの各重心点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ（図７参照）をそれぞれ計算する（ステップＳ２６）。

次に、画像処理装置２０は、求めた基準マーク２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの各重心点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを結ぶ（ステップＳ２７）。次に、画像処理装置２０は、結んだ４つの重心点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの角度（つまり、４つの重心点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを結んだラインの角度）や各重心点間の距離をそれぞれ計算する（ステップＳ２８）。

次に、画像処理装置２０は、ステップＳ２８で求めた各重心点の角度や各重心点間の距離があらかじめ設定された一定条件以内か否かをチェックする（ステップＳ２９）。このチェックの結果、各重心点の角度や各重心点間の距離が一定条件以内でなければエラーとし、ここで画像補正動作を終了する。

ステップＳ２９におけるチェックの結果、各重心点の角度や各重心点間の距離が一定条件以内であれば、画像処理装置２０は、カメラ１８により読取窓１３内の読取対象物１４を撮影する（ステップＳ３０）。次に、画像処理装置２０は、ステップＳ３０で得られた画像に対し、ステップＳ２８で求めた各重心点の角度や各重心点間の距離に基づき補正を施し、その補正後の画像に対し読取処理を行なう（ステップＳ３１）。

以上説明したように、上記実施の形態によれば、読取対象物１４を撮影する読取窓１３と補正の基準となる光学基準板１２を被写体深度内に設けることで補正に必要なデータが正確に収集できる。また、読取りたい画像（読取窓１３）を挟み込むように基準マーク２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを設けることでより、読取りたい画像の位置的なことや倍率（歪み）や明るさの状態を正確に検知できる。その結果、明るさをゲイン制御し、最適な状態に画像を補正することが可能になり、同時に画像の位置的なことや倍率（歪み）を補正することが可能になる。

また、撮影する状態と同様の条件で光学基準板１２の画像が取得できることで、信頼性の高い補正データの収集ができる。このため、ゲイン制御用画像やカメラ１８の状態を把握できる画像が読取対象物１４の撮影条件と同じように収集できる。

したがって、画像の階調性に対してはダイナミックレンジを最大に取ることができる状態で撮影が可能になり、読取対象物１４から取得した画像の鮮明さや画像の信頼性が著しく向上する。

本発明の実施の形態に係る画像読取装置の構成を模式的に示す構成図。 光学基準板と読取対象物の配置状態を説明する模式図。 光学基準板の構成を模式的に示す平面図。 カメラが捉えた画像イメージを示す図。 図４の画像をヒストグラム化したイメージ例を示す図。 図５に対しゲイン制御した結果例を示す図。 基準マークの重心点を説明する図。 カメラで撮影した画像イメージで倍率が大きく左へ回転している状態を示している図。 カメラのゲイン制御について説明するフローチャート。 カメラから得られる画像の補正処理について説明するフローチャート。

符号の説明

１１…筐体（暗箱）、１２…光学基準板、１３…読取窓、１４…読取対象物、１５…画像（文字画像等）、１６，１６…光源、１７…レンズ、１８…カメラ、２０…画像処理装置、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…基準マーク。

Claims (6)

1. 読取対象物に対向して設けられ、当該読取対象物上の画像を読取るための読取窓を備えた光学基準板と、
   この光学基準板上で、かつ、前記読取窓を間に挟み込むように当該読取窓の両側部にそれぞれ設けられた特定色の基準マークと、
   前記光学基準板および前記読取窓内の読取対象物に対し光を照射する光源と、
   この光源による光照射により前記光学基準板および前記読取窓内の読取対象物から得られる光を受光し画像データに変換するカメラと、
   このカメラから得られる画像データ内の前記基準マークと当該基準マークの背景部の部分をヒストグラム化するヒストグラム化手段と、
   このヒストグラム化手段により得られるヒストグラム値をあらかじめ設定された基準値と比較し、その比較結果に基づき前記カメラのゲインを制御するゲイン制御手段と、
   を具備したことを特徴とする画像読取装置。
2. 前記基準マークは、前記光学基準板上で、かつ、前記読取窓を間に挟み込むように当該読取窓の両側部にそれぞれ複数個配列されていることを特徴とする請求項１記載の画像読取装置。
3. 読取対象物に対向して設けられ、当該読取対象物上の画像を読取るための読取窓を備えた光学基準板と、
   この光学基準板上で、かつ、前記読取窓を間に挟み込むように当該読取窓の両側部にそれぞれ配列された特定色の複数の基準マークと、
   前記光学基準板および前記読取窓内の読取対象物に対し光を照射する光源と、
   この光源による光照射により前記光学基準板および前記読取窓内の読取対象物から得られる光を受光し画像データに変換するカメラと、
   このカメラから得られる画像データに基づき、前記複数の基準マークの各重心点を求める重心点算出手段と、
   この重心点算出手段により求められた前記複数の基準マークの各重心点の座標値をあらかじめ設定される論理値と比較し、その比較結果に基づき前記カメラから得られる画像データを補正する画像補正手段と、
   を具備したことを特徴とする画像読取装置。
4. 前記画像補正手段は、前記カメラから得られる画像データに対し位置ずれ、回転方向ずれ、倍率ずれなどの補正を行なうことを特徴とする請求項３記載の画像読取装置。
5. 前記読取対象物と前記光学基準板は被写体深度内に配設されることを特徴とする請求項１または請求項３記載の画像読取装置。
6. 前記光学基準板は白色であり、前記基準マークは黒色であることを特徴とする請求項１または請求項３記載の画像読取装置。

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