JP2011159178A - 光学的情報読取装置、光学的情報読取方法及びデジタルフィルタの作成方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 コードスキャナ200に、読取対象物までの距離を測定する距離測定部232を設け、フィルタ処理部224に、複数の距離の各々に対応した、CMOS212がその距離だけ離れた位置の読取対象物を撮像して得た画像をその読取対象物の理想的な像に近づける処理を行うための複数のフィルタ224aを用意し、距離測定部232が測定した距離に基づいて、フィルタ選択部230が上記複数のフィルタ224aのうちその距離で撮像した画像の処理に適した1つを選択し、フィルタ処理部224がCMOS212によって撮像した読取対象物の画像に対してその選択したフィルタ処理を行い、デコード部225がその処理後の画像を解析して、読取対象物上に配置されたコード記号をデコードするようにした。
【選択図】 図30
Description
バーコードは、例えば、白と黒の太さの異なるバーを水平方向に並べ、光を当てたときに、バーの太さによって反射率の異なる性質を利用して、情報をコード化あるいはデコード化する記号の一種である。このバーコードを読み取るために、レーザビームで走査し、その反射光による光信号を電気信号に変換してデコード処理するレーザスキャナがよく用いられている。その中でも、例えば特許文献1にあるように、正確にバーコードを読み取るために、電流信号を電圧信号に変換する際にノイズを多く含む高域成分を減少させ、その信号を増幅させて出力信号の高域成分を増加させるフィルタリング回路が提案されている。
二次元コードには、大きく分けてスタック式とマトリックス式がある。スタック式は、バーコードを縮小して縦に複数段積み重ねた形態をしており、水平方向に長い長方形をしている。このスタック式コードの代表的なものとしてPDF417が上げられる。また、マトリックス式の代表的なものは、QRコードと呼ばれ、概ね正方形をしており、碁盤の目のごとく細かく区切られた領域に大小の黒と白のセルが複雑に並んで構成されるものである。これらは、レーザスキャナと異なり、CCD/CMOSイメージセンサを使用して、二次元コード画像を取り込み様々な画像処理を施してデコードを行う場合が多い。
二次元コードを読み取るための読取装置については、例えば特許文献2及び特許文献3に記載がある。
この発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、光学的情報読取装置において、ノイズや分布定数の影響を低減し、正確なデコードができるようにすることを目的とする。
まず、この発明の光学的情報読取装置の実施形態において用いるフィルタ処理の原理について説明する。
図1に、この説明に用いる、1次元のバーコードを読み取るバーコードスキャナの光学系の構成を示す。
そして、バーコードスキャナ1においては、半導体レーザを光源とするレーザ光源11の発光点11aから出力されるレーザビームを、集光レンズ12を通過させた後、開口絞り13で径を絞り、スキャニングミラー14により偏向させて、読取対象物30上に設けられたバーコード31に対して照射し、バーコード31上をレーザビームのビームスポットにより走査できるように構成している。スキャニングミラー14は、図1では平面鏡として示しているが、実際には正多角形柱上で側面が鏡面となっているポリゴンミラーを用いてもよい。
処理回路20は、図2に示す通り、IV変換部21,プリアンプ22,フィルタ処理部23,二値化回路24を有し、光電変換器16が出力する、読み取り対象物30により反射されてきた反射光の強度に応じた電気信号を処理し、バーコード記号のデコードに供するパルス列を出力する回路である。
図3において、u(t)がバーコード記号の白バーと黒バーの並びに対応した方形波を示す入力信号である。理想的には、この波形が光電変換器16に入力するはずである。しかし実際には、走査に用いるレーザビームに拡がりがあるため、その分だけ劣化した信号が光電変換器16に入力することになる。
また、v(t)はノイズであり、回路ノイズや散乱ノイズを一括して表すものである。そして、y(t)はx1(t)にv(t)が付加された読取信号であり、図2でいうプリアンプ22の出力信号を示す。ここで,t=nTs,n=0,1,…,N−1,N、Nは信号の全データ数、Tsはサンプリング周期を示す。
そこで、本実施形態では、y(t)を入力してu(t)に近い出力を得られるような特性W(s)を持つように、フィルタ処理部23を設計することにより、入力信号から効果的にボケやノイズを除去してバーコードの読取り可能範囲を拡張することを目指した。
ここでは、逆フィルタを、所望の信号と入力信号の差分の二乗平均を最小にする意味で最適なフィルタであるウィーナフィルタ(Wiener filter)として設計している。
図5にこのウィーナフィルタの概念図を示す。ウィーナフィルタには入力信号とノイズに因果性の仮定が求められるが、ここではその仮定が満足されているとする。
通常、図1及び図2に示したようなバーコードスキャナ1により読み取るバーコード記号の信号帯域は130キロヘルツ(kHz)程度であり、それ以上の周波数成分はノイズとみなすことができる。そこで、カットオフ周波数150kHz程度のバタワース低域通過フィルタをy(t)に(逆フィルタよりも前に)掛けることにより、逆フィルタの設計においてノイズ成分を無視することができる。
図6に、入力信号u(t)として用いたバーコード記号を表す信号を示す。
また、各読取距離(結像レンズの主点Pから読取対象物までの距離)における走査レーザビームのビームスポットプロファイルは既知であり、読取距離350mmにおけるビームスポットプロファイルは図4に示したものであるとする。これをフーリエ変換することによって求めた周波数特性は、図7に示すものである。
なお、このフィルタ次数は、DSP(Digital Signal Processor、例えばTexas Instruments, Inc.のTMS320C6713DSK)を用いて本実施形態の装置を実現する際の実装可能性を考慮して決定した。
図9(a)に上記条件における読取信号y(t)を、同(b)に再生信号u*(t)を示す。これらを比較すると、逆フィルタにより微分が効いて、読取信号y(t)よりも入力信号u(t)の方形波に近い形の再生信号u*(t)が得られることがわかる。
図10に、この説明に用いるコードスキャナの概略ハードウェア構成を示す。
図10に示すように、このコードスキャナ200は、光学ヘッド部210及びデコーダ部220を有する。
レンズ211は例えば光学レンズであり、二次元コード等のコード記号の画像を光学ヘッド部210に取り入れ、CMOS212の撮像エリア上に結像させるためのものである。
また、光学ヘッド部210は、光源の一例である発光ダイオード(LED)213も有し、LED213が照射する光により読取対象物を照明して、CMOS212により鮮明な画像を撮像できるようにしている。ただし、装置の構造によってはLED213は設けなくてもよい。
このうち第1I/O221は、光学ヘッド部210とデコーダ部220との間で、制御信号やCMOS212が出力する画像データなどを送受信するためのインタフェースである。
なお、デコード部225によるデコード処理については、例えば特開2005−25417号公報に記載の手法など、公知の任意の手法を採用すればよい。
第2I/O228は、不図示のホストコンピュータ等の外部装置とデータ通信を行うためのインタフェースであり、デコード部225によるデコード後のデータを第2I/O228を介して外部装置に出力することができる。
コード記号上の各点からの反射光(u(t)に相当)により形成される像をCMOS212により撮像して画像データ(y(t)に相当)を得る際にノイズが混入する過程については、図3と同様に表現することができる(ただし2次元で考える必要がある)。
1次元の場合には、周波数特性W(jω)を求めるに際し、他の条件を考慮して特殊解を求めたが、2次元の場合には、実験データから劣化関数H(jω1,jω2)及び信号(図3におけるu(t)を2次元に拡張したu(t1,t2))とノイズ(図3におけるv(t)を2次元に拡張したv(t1,t2))のパワースペクトルの比を推定し、これらに基づいてW(jω)を導出することにした。
まず、推定のベースとなる画像データは,図11に示したような鋭いエッジを有する原画像を形成した部材を、コードスキャナ200の読取距離として想定される距離だけ離れた位置から、コードスキャナ200と同じ光学ヘッド部210のCMOS212によって撮像する。例えば、読取距離300mmの場合の撮像画像データから効果的にノイズを除去するためのフィルタを得たい場合には、推定のベースとなる画像データの撮像も、距離300mmから行う。なお、今回の撮像に用いた光学ヘッド部210の光学系は、焦点距離が120mmである(撮像距離が120mmの場合に読取対象物の像がちょうどCMOS212の受光面に結像する特性である)ので、300mmの距離で撮像すると、若干ボケた画像が得られる。
なお今回の撮像の条件では、ESF1とESF2に大きな差は見られず、加算平均してもほとんどノイズを除去することはできなかった。このことから、画像データに含まれるノイズには、ランダムノイズより固定ノイズの影響が大きいことが考えられる。
このグラフから、複数ラインの画素値を平均することにより、ESFのノイズが減少することがわかる。またこのことから、画素毎の固定ノイズには相関がなく、複数ラインの画素値を平均することにより固定ノイズの影響を小さくすることができると言える。
このようにノイズの影響を低減したESF3が、逆フィルタのインパルス応答(及びその空間周波数特性)を決定する際に好適であり、ここではESF3に基づいて劣化関数H(jω1,jω2)の推定を行った。
以上をまとめると、劣化関数H(jω1,jω2)の推定は、図17のフローチャートに示すステップS101乃至S106の手順により行うことができる。
このパワースペクトル比も、劣化関数の場合と同様、図11に示したような原画像を形成した部材を、読取距離として想定される距離だけ離れた位置から撮像して得られる画像データを用いて推定することができる。
また、ノイズのパワースペクトルPV(ω1,ω2)については、撮像で得られた画像データ(劣化画像)の各画素の画素値を関数z(x, y)で表し、そのパワースペクトルPZ(ω1,ω2)と、上述の手法で求めた劣化関数H(jω1,jω2)とを用いて、以下の式(10)により求めることができる。
そこで、この実施形態では、上述の手法で求めたPV(ω1,ω2)とPU(ω1,ω2)の比PV(ω1,ω2)/PU(ω1,ω2)について、ω1=0又はω2=0の断面を求め、これを最小二乗法で二次関数に近似し、この二次関数を対称性を仮定してω1,ω2=0の軸を中心に回転させたものを、パワースペクトル比PV/PUの最終的な推定結果として採用した。
図18に、PV(ω1,ω2)/PU(ω1,ω2)のω2=0の断面を、二次関数で最小二乗法を用いて近似した例を示す。
図19に、図13及び図14に示したESFを用いて求めた、読取距離300mmの場合に好適なインパルス応答を有するウィーナの逆フィルタの空間周波数特性を示す。この図においても、グラフ画像の濃度については図16と同様である。
発明者らは、読取距離300mmの条件では、64次のデジタルフィルタを用いた場合に、そのフィルタ処理により、CMOS212で撮像した画像データのコントラストを改善できることを確認した。
また、図21乃至図23に、コード記号の撮像で得た画像データを図20に示したデジタルフィルタによりフィルタ処理した場合のコントラスト向上の例を示す。
図22に、図21に示した画像における横1ライン分の画素値を示す。(a)がフィルタ処理前、(b)がフィルタ処理後の値である。図23には、同様に縦1ライン分の画素値を示す。
これらのグラフからも、フィルタ処理により画像のコントラストが向上し、かつノイズが低減されていることがわかる。
従って、以上説明してきたフィルタ処理を行うことにより、焦点距離よりも遠方で読取を行う場合に得られる画像のコントラストを向上させ、このことによりコード記号の読取精度を向上させることができると言える。
図25に示すのは、読取距離30mmで図11に示した原画像を形成した部材を撮像して得られる画像データから求めたLSFを近似したガウス関数である。図15に示した300mmの場合のものよりも、半値幅が広くなっている。
図27に、図26に示した画像における横1ライン分の画素値を示す。(a)がフィルタ処理前、(b)がフィルタ処理後の値である。図28には、同様に縦1ライン分の画素値を示す。
従って、以上説明してきたフィルタ処理を行うことにより、焦点距離よりも近方で読取を行う場合に得られる画像のノイズを低減させ、このことによりコード記号の読取精度を向上させることができると言える。
図29に、このコードスキャナの概略ハードウェア構成を示す。なお、この図において、図10に示したコードスキャナと対応する箇所には同じ符号を付し、図10と同じ部分については説明を省略する。
図29に示したコードスキャナ200は、フィルタ処理部224に複数のフィルタ224aを設け、ユーザによる操作部240の操作に応じて、フィルタ処理に使用するフィルタを選択できるようにした点が、図10に示したコードスキャナと異なる。
複数のフィルタ224aとしては、例えば、近方(30mm)と遠方(300mm)に対応したものを用意したり、近方(30mm)と中距離(200mm)と遠方(300mm)に対応したものを用意したりすることが考えられる。
このことにより、読取対象物までの距離に応じて画像データからノイズを取り除くと共にコントラストを向上させ、コード記号の読み取り精度を向上させることができる。
また、焦点距離付近の、フィルタなしでも高いコントラストが得られる読取距離においては、フィルタ処理を行わなくてもよい。
図30に、このコードスキャナの概略ハードウェア構成を示す。なお、この図においても、図10又は図29に示したコードスキャナと対応する箇所には同じ符号を付し、図10又は図29と同じ部分については説明を省略する。
図30に示したコードスキャナ200は、読取対象物までの距離を測定する距離測定手段を設け、距離測定手段が測定した距離に基づいて、その距離で撮像した画像の処理に適したフィルタを選択できるようにした点が、図29に示したコードスキャナと異なる。
この場合、図31(a)に示すように、読取対象物が近くにある場合にはスポットSが撮像した画像中の横軸方向の端部に現れ、遠くにある場合には(c)に示すように中央付近に現れる。
図32は、読取対象物までの距離の算出に必要なパラメータの説明図である。
読取対象物までの距離xについては、同図中の次のパラメータと下記式(11)とに基づいて算出することができる。
x:撮像光学系のレンズ211の主点Pから読取対象物までの距離
a:CMOS212のイメージエリアに平行な向きに測った場合の撮像光学系レンズの主点Pからレーザ光214a(の中心)までの距離
θ:レンズ211の主点Pからレーザ光214aの方向に広がる、視野角θ0の1/2の角度
N:レンズ211の主点Pからレーザ光214aに向かう方向に数えた場合のCMOS212におけるピクセル数の1/2(図31参照)
n:CMOS212における中心位置(レンズ211の主点Pと対応する位置)から反射光214bのスポットの中心位置までのピクセル数(図5参照)
φ:レーザ光214aと撮像光学系レンズの光軸qとがなす角
そして、ヘッド制御部223は、コード記号の読み取りに先立ってレーザ光源214を点灯させる。距離測定部232は、レーザビームの反射光により読取対象物までの距離を測定し、その結果をフィルタ選択部230に渡す。そして、フィルタ選択部230が、複数のフィルタ224aのうち、距離測定部232が測定した距離で撮像した画像の処理に適した1つを、フィルタ処理部224に選択させる。
なお、読取対象物までの距離と、使用するフィルタとの対応関係は、フィルタ選択部230が参照可能な不揮発性記憶手段に予め記憶させておく。
そして、以上のフィルタ選択の完了後、ヘッド制御部223は、レーザ光源214を消灯すると共に必要に応じてLED213を点灯させ、CMOS212にコード記号のデコード用の画像を撮像させる。
このようにすれば、ユーザの手を煩わすことなく、適切なフィルタ処理を用いた読取精度向上の効果を得ることができる。
また、コード記号をデコードする場合、コード記号の規格によっては、コード記号に含まれる所定の位置決めマークに従ってコード記号の画像を水平又は垂直方向にスライスしたり、ブロックに分割したりしてからデコード処理に供することも行われる。
このような場合、スライスや分割を行った後の画像データに対してスライスや分割した単位でフィルタ処理を行ってもよい。
図33に、複数の読取距離について実測のESFに基づき式(8)に従って求めたPSFの半値幅FWHMと、読取距離との関係を示す。この半値幅は空間分解能に相当し、半値幅が小さいほど分解能が高い。
従って、これらの関係から、読取距離と半値幅の関係を二次関数や一次関数で近似し、実測値のない読取距離に対応するPSFの半値幅を推定することができる。
そして、複数の読取距離についてこの二次関数の係数を求め、その結果に基づき、読取距離と係数との関係を一次関数や二次関数等の適当な関数で近似することにより、上記の半値幅の場合と同様、読取距離に基づき、その読取距離におけるPV(ω1,ω2)/PU(ω1,ω2)のω2=0の断面、ひいてはこれを回転して得られるパワースペクトル比を推定することができる。
また、この発明の光学的情報読取装置は、据え置き型の装置としても、手持ち型の装置としても、構成することができる。
また、以上述べてきた構成及び変形例は、矛盾しない範囲で適宜組み合わせて適用することも可能である。
また、この発明のデジタルフィルタの作成方法は、このような光学情報読取装置及び光学的情報読取方法において使用するデジタルフィルタの作成に好適である。
Claims (11)
- 光反射率が周囲と異なる記号により示される情報を読み取る光学的情報読取装置であって、
読取対象物までの距離を測定する距離測定手段と、
該読取対象物の画像を撮像する撮像手段と、
複数の距離の各々に対応したフィルタ手段であって、前記撮像手段が該距離だけ離れた位置の読取対象物を撮像して得た画像を前記読取対象物の理想的な像に近づける処理を行う複数のフィルタ手段と、
前記距離測定手段が測定した距離に基づいて、前記複数のフィルタ手段のうち該距離で撮像した画像の処理に適した1つを選択するフィルタ選択手段と、
前記撮像手段によって撮像した前記読取対象物の画像を、前記フィルタ選択手段が選択したフィルタ手段によって処理し、該処理後の画像を解析して、該読取対象物上に配置された、光反射率が周囲と異なる記号により示される情報をデコードするデコード手段とを有することを特徴とする光学的情報読取装置。 - 光反射率が周囲と異なる記号により示される情報を読み取る光学的情報読取装置であって、
該読取対象物の画像を撮像する撮像手段と、
複数の距離の各々に対応したフィルタ手段であって、前記撮像手段が該距離だけ離れた位置の読取対象物を撮像して得た画像を前記読取対象物の理想的な像に近づける処理を行う複数のフィルタ手段と、
ユーザの操作に従って前記複数のフィルタ手段のうち1つを選択するフィルタ選択手段と、
前記撮像手段によって撮像した前記読取対象物の画像を、前記フィルタ選択手段が選択したフィルタ手段によって処理し、該処理後の画像を解析して、該読取対象物上に配置された、光反射率が周囲と異なる記号により示される情報をデコードするデコード手段とを有することを特徴とする光学的情報読取装置。 - 請求項1又は2に記載の光学的情報読取装置であって、
前記各フィルタ手段は、前記撮像手段が所定距離だけ離れた対象を撮像した場合の(i)点拡がり関数及び(ii)読取画像データにおける入力信号成分とノイズ成分とのパワースペクトル比に基づいて求めたパラメータに従ったウィーナフィルタ処理を行う手段であることを特徴とする光学的情報読取装置。 - 請求項3に記載の光学的情報読取装置であって、
前記点拡がり関数は、
前記撮像手段が所定距離だけ離れた位置の基準部材を撮像して得たエッジ画像のうち、エッジを跨ぐ線上に位置する各画素の画素値を、画素位置の関数と見て画素位置で微分し、該微分によって得られた線拡がり関数をガウス関数にフィッティングし、該フィッティングしたガウス関数のガウス形状を対称軸を中心に回転させて得られる関数であることを特徴とする光学的情報読取装置。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の光学的情報読取装置であって、
前記各フィルタ手段が、H(jω1,jω2)を点拡がり関数、PU(ω1,ω2)を入力信号成分のパワースペクトル、PV(ω1,ω2)をノイズ成分のパワースペクトルとして、インパルス応答の空間周波数特性が数1におけるW(jω1,jω2)として得られる特性を有するデジタルフィルタであることを特徴とする光学的情報読取装置。
- 読取対象物までの距離を測定する距離測定工程と、
前記距離測定工程で測定した距離に基づいて、複数の距離の各々に対応したフィルタ手段であって、前記撮像手段が該距離だけ離れた位置の読取対象物を撮像して得た画像を前記読取対象物の理想的な像に近づける処理を行う複数のフィルタ手段から、前記距離測定工程で測定した距離で撮像した画像の処理に適した1つを選択するフィルタ選択工程と、
撮像手段によって撮像した前記読取対象物の画像を、前記フィルタ選択手段が選択したフィルタ手段によって処理し、該処理後の画像を解析して、該読取対象物上に配置された、光反射率が周囲と異なる記号により示される情報をデコードするデコード工程とを有することを特徴とする光学的情報読取方法。 - 複数の距離の各々に対応したフィルタ手段であって、前記撮像手段が該距離だけ離れた位置の読取対象物を撮像して得た画像を前記読取対象物の理想的な像に近づける処理を行う複数のフィルタ手段から、ユーザの操作に従って1つを選択するフィルタ選択工程と、
撮像手段によって撮像した読取対象物の画像を、前記フィルタ選択工程で選択したフィルタ手段によって処理し、該処理後の画像を解析して、該読取対象物上に配置された、光反射率が周囲と異なる記号により示される情報をデコードするデコード工程とを有することを特徴とする光学的情報読取方法。 - 請求項6又は7に記載の光学的情報読取方法であって、
前記各フィルタ手段は、前記撮像手段が所定距離だけ離れた対象を撮像した場合の(i)点拡がり関数及び(ii)読取画像データにおける入力信号成分とノイズ成分とのパワースペクトル比に基づいて求めたパラメータに従ったウィーナフィルタ処理を行う手段であることを特徴とする光学的情報読取方法。 - 請求項8に記載の光学的情報読取方法であって、
前記点拡がり関数は、
前記撮像手段が所定距離だけ離れた位置の基準部材を撮像して得たエッジ画像のうち、エッジを跨ぐ線上に位置する各画素の画素値を、画素位置の関数と見て画素位置で微分し、該微分によって得られた線拡がり関数をガウス関数にフィッティングし、該フィッティングしたガウス関数のガウス形状を対称軸を中心に回転させて得られる関数であることを特徴とする光学的情報読取方法。 - 請求項6乃至9のいずれか一項に記載の光学的情報読取方法であって、
前記各フィルタ手段が、H(jω1,jω2)を点拡がり関数、PU(ω1,ω2)を入力信号成分のパワースペクトル、PV(ω1,ω2)をノイズ成分のパワースペクトルとして、インパルス応答の空間周波数特性が数2におけるW(jω1,jω2)として得られる特性を有するデジタルフィルタであることを特徴とする光学的情報読取方法。
- H(jω1,jω2)を点拡がり関数、Pu(ω1,ω2)を入力信号成分のパワースペクトル、Pv(ω1,ω2)をノイズ成分のパワースペクトルとして、インパルス応答の空間周波数特性が数3におけるW(jω1,jω2)として得られる特性を有するデジタルフィルタの作成方法であって、
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