JP7158465B2 - 光学的に読み取り可能なコードを認識するｃｍｏｓ型画像センサによる画像取得方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学的に読み取り可能なコードを認識する能動ピクセル（感光素子及び制御トランジスタを含むピクセル構造）ＣＭＯＳセンサによって撮像を制御する方法に関する。これらのセンサは、一般にバーコードリーダーと呼ばれるコード認識電気光学素子に組み込まれる。これらのリーダーは、一般に、販売、トレーサビリティ（製造、物流）、商品の発送、健康管理、在庫管理、図書の貸し出し等の広範な用途のためにデータの自動収集、キーボード入力の代替手段として多くの商業及び工業分野で一般的に採用されている。

これらのコードは、一般に物体の表面に印刷（ラベル）又は刻印され、１次元且つ線形（バーコード）又は多次元（ＱＲコード、ＰＤＦ４１７、データマトリクス等）であり得る２色記号を一般に用いる。各シンボル又はパターンは、価格及び／又は割引、トレーサビリティデータ（製造／発送の日時／場所、サンプリングされた場所等）等、コードが配置される物体に関連付けられた情報値（又は値の組）を全単射的に表現する。コードの復号化により、注目する物体に関連付けられた１個以上の情報値を高い信頼性で取得することができる。

ＣＭＯＳマトリクス配列画像センサが組み込まれたコードリーダーは、光学アセンブリ（鏡、レンズ）に関連付けられた光源（例えば、ＬＥＤ及び／又はレーザー）を含む照射装置を含み、光源は、取得される目標コードを照射するように設けられる。センサは、この目標コードの画像を撮影し、得られた画像データを外部デジタル処理システム（任意の種類の有線又は無線通信手段によってリーダーに接続される）に送信し、センサ外部のシステムがコードを復号化する。

この種のアプリケーションに求められるのは、センサが、可能な限り速く、高品質、すなわちエラーなしにコードを復号化又は認識できるのに十分に高い品質でコードの画像を配信することである。より厳密には、センサによって配信される画像は、センサの有効ダイナミックレンジに良好に、すなわち信号対雑音比が低過ぎないよう過度に露光不足にならないように、且つ有効な情報を失わないよう過度に露光過多にならないように配置されなければならい。

リーダーの内部照射光源の光力がアプリケーション向けに調整されると、得られた画質は、センサの撮像パラメータ、特にピクセルの露光時間に依存する。露光時間は、一般に、オペレータにより、工場又は現場において、使用時の動作条件、例えば環境光レベル（屋外、屋内、人工光の下での使用）、リーダーの光源、すなわち物体／コードを照射する光源の出力、コードを搭載した物体の材料の種類、固定又は手持ちリーダーに応じて決定された値に予め設定される。しかし、リーダーの使用感に関連して外部要因が多過ぎて実際の撮像条件を完全に制御することができないため、この予め設定された「既定」値で実際に最初の撮像から直ちに良質の画像が取得できるわけではない。リーダーの使用感は、その使用方法を決定するものである。例えば、リーダーが固定されて、目標コードが手動で又は機械的にリーダーの前に運ばれ得るか、又は実際に、リーダーは、可搬であり、すなわちオペレータが（手で）操作するか又は（腕、頭部等に）着用し得る。リーダーが動作する環境は、人工又は自然の環境照明で照らされ得る。物体自体（コードを含む表面が比較的反射性を有する）又は物体を提示する方法（距離、提示角度）の全ては、センサが集める光の量に影響を及ぼし得る要因である。従って、センサが起動された場合、撮像が起動された瞬間に必ずしも目標コードの撮像条件に適していない撮像パラメータを適用する。

これらの理由により、外部コード認識システムによって制御される反復的撮像ループが、撮像パラメータ、特にピクセルの露光時間を実際の状況に合わせる目的で用いられる。このループは、以下のように機能する：起動されると、センサは、目標コードの画像を周期的に取得して外部システムに送信する。各撮像において、センサの撮像レジスタによって配信されたパラメータの現在の値を適用することにより、特に露光時間値を決定する。システム側では、画像を受信し、受信した各画像について、その品質がコードを復号化するのに低過ぎる、すなわち画像が十分に露光されていないと判断すると、外部システムは、新たな露光時間値を決定して送信し、この値は、より良好に露光された新たな像を取得する目的でセンサの撮像パラメータのレジスタに格納される。この値をセンサが考慮するのは、次の撮像時のみである。この反復的取得及び配信ループは、システムが画像の品質を検証してコードを問題なく復号化するまで継続される。

外部システムによる新たな露光時間値の決定は、画像のヒストグラム、すなわち画像のグレースケールレベルの関数としてのピクセルの分布（又はヒストグラムが正規化される場合には確率密度）を利用する１個以上のアルゴリズムを用いる。符号化された２５６個のグレースケールレベルが画像にある場合、ヒストグラムは、０、１から最大２５５までの値を有するピクセルの個数を示す。

外部システムは、従って、現在の露光時間値及びピクセルの一連の読み取り利得（但し、この利得は、この種のアプリケーションでは一般に１に設定される）に基づいて、受信した画像のヒストグラムを計算し、この値は、画像データと共にセンサによって配信され、外部システムは、適宜、得られたヒストグラムの１個以上の特性値（平均値、所与のグレースケールレベル未満の値を有するピクセルの割合、飽和ピクセルの割合等）を基準値と比較することによって新たな露光時間値を決定する。このように決定された新たな露光時間値は、画像が露光過多であれば現在の値より低く、逆に画像が露光不足であれば高くなる。

実際には、画像の取得及び外部システムへの配信に要する時間並びに新たな露光時間値を決定してセンサに書き込むのに要する時間を考慮して、センサによって配信される第１の画像のデータに基づいて外部システムによって設定される新たな露光時間値は、最良でも、第１の撮像に続くこの第３又は第４の撮像のみに適用され、システムは、依然として第３又は更に第４の画像の品質を点検して、この品質が良好な場合のみコードを復号化する。

現在の目標コードの取得に適した露光時間を決定する上述の反復的外部ループにおいて、少なくとも３又は４個の画像の受信に要する時間に対応して、コードリーダーの応答時間は、無視できない程度になる。その結果、リーダーの応答時間、すなわち起動された時点からコードが復号化される時点までの時間は、遅過ぎる。この遅さは、知覚可能であり、リーダーのユーザー使用感が悪くなり、撮像する画像の数に応じてシステムの電力消費（センサ及び照射光源の電力消費（ＬＥＤの発光回数））が増大する。

特許出願欧州特許第１７９１０７４号明細書は、回転シャッタ露光モードに関連して、行の組にわたる１個のマトリクス配列ゾーン毎に露光時間を変化させることにより、バーコードの撮像に最適な露光時間を決定することを提案している。調査撮像と呼ばれる第１の撮像において、回転シャッタモードの５個の画像ゾーンに５個の異なる露光時間を適用し、ゾーンを区別するために各画像ゾーンについて統計計算を実行して最適露光時間を決定するか、又は２個の最適露光時間から推定する。このように決定された露光時間は、次いで、出力として配信される画像の新たな撮像に用いられる。本方法は、２回の完全な撮像を必要とし、且つ異なる画像ゾーンについて計算された統計値を比較する点が短所である。

本発明は、ＣＭＯＳセンサが組み込まれたコードリーダーによって目標コードの撮像に最適な露光時間を決定して、応答時間及び出力として配信される画像の品質の両方を改善する別の技術を提供する。

本発明が基づいている技術的解決策は、目標コードを取得するためにリーダーが起動された後、センサが、名目撮像に先行して、測定モードにより、このコードの撮像に望ましい露光時間値を高速且つ内部的に（オンチップで）決定することを可能にする、目標コードの画像を取得する方法であり、マトリクス配列の行又は列にわたって周期的に分布する少なくとも２個の異なる露光時間値で画像データの高速な取得を実行し、これらの様々な露光時間値で得られた画像データは、センサのみにより、望ましい露光時間値を高速に決定するためにのみ用いられる。この値は、次いで、名目撮像の実行に用いられ、得られた画像は、コードの復号化／認識のために出力として配信される画像である。このようなセンサを用いるコードリーダーの応答時間が大幅に短縮される。この時間は、望ましい時間値の決定に用いる画像データの取得にかかる短い時間に、単一の名目画像を出力として取得及び配信するのに要する時間を加算した値にほぼ等しい。更に、様々な露光時間が行又は実際に列にわたって周期的に分布し、名目露光時間は、画像全体にわたって規則的に分布するピクセルから発されたデータによって計算された統計値に基づいて決定される。換言すれば、これらの測定画像データは、望ましい露光時間の最適決定に有利な良好な空間的均一性（アンダーサンプリング）及び良好な時間的均一性（Ｔｉ）を有する。

この空間及び時間の両面での均一性は、測定画像の高速読み出しのフェーズにおいて、様々な露光時間の分布の選択と、行に依存するアンダーサンプリングとを組み合わせることによって顕著になる。

本発明の方法は、従って、コードリーダーの使用感を知覚可能な程度まで改善すると共に電力消費を減少させることができる。

本発明は、従って、ＣＭＯＳ電子画像センサによって光学的に読み取り可能な１個以上のコードの画像を取得する方法であって、ＣＭＯＳ電子画像センサは、センサによる外部起動信号の受信時に起動され、方法は、望ましい露光時間値を決定するために測定撮像を実行するステップを含み、前記望ましい露光時間値は、次いで、名目撮像を実行するために現在の露光時間値としてマトリクス配列の全てのピクセルに適用される、方法において、測定撮像は、
－ ピクセルに共通の積分フェーズであって、マトリクス配列の行又は列にわたって規則的に分布されるピクセルにｋ個の異なる露光時間値が適用され、各ピクセルは、ｋ個のうちの１個の露光時間値に関連付けられ、ｋは、少なくとも２に等しい整数である、積分フェーズと、
－ デジタル画像データが様々なピクセル露光時間値で高速に取得される高速取得フェーズであって、マトリクス配列の行のアンダーサンプリングを適用する高速読み出しフェーズを含む高速取得フェーズと、
－ 決定フェーズであって、各々の異なる露光時間値について高速取得フェーズで取得されたデジタル画像データに基づいて計算されたヒストグラムを比較することにより、望ましい露光時間値が決定される、決定フェーズと
を含むことを特徴とする方法に関する。

本発明の一態様によれば、ｋ個の露光時間値は、マトリクス配列の列の周期的パターンに従って分布されている。

本発明の一態様によれば、行のアンダーサンプリングは、１対８、１６又は３２の比率である。

本発明の他の特徴及び利点を、添付の図面を参照して以下の記述に示す。

可搬コードリーダーを概略的に示す。 本発明による方法の実装に適した、従来技術によるコードリーダーのＣＭＯＳセンサアーキテクチャの簡略化された概略図である。 図２のマトリクス配列のピクセルの制御の第５の変型形態のスキームを示す。 本発明による、バーコードリーダーセンサの画像を取得する方法の一般的なフローチャートである。 本発明による取得方法の高速測定ステップのより詳細なフローチャートである。 ピクセルの様々な露光回数に対応する様々な画像ヒストグラムを示す。 ピクセルマトリクス配列の列方向における様々な露光時間値の分布の一例を示す。 ピクセルマトリクス配列の行方向における様々な露光時間値の分布の別の例を示す。 測定モードのマトリクス配列における注目ゾーンの画定例を示す。 測定モードのマトリクス配列における注目ゾーンの画定例を示す。 測定モードのマトリクス配列における注目ゾーンの画定例を示す。

本発明は、スーパーマーケットのセルフチェックアウトに組み込まれたもの等の固定式であるか、又は可搬式であるか、且つオペレータによって起動されるかに依らず、ＣＭＯＳセンサが組み込まれたコードリーダーに関する。本例では、可搬式のコードリーダーを図１に示す。コードリーダーは、能動ピクセルのマトリクス配列、ｏと表記したウインドウを介して目標（物体に配置されたコード）を照射する光源２及び目標によって反射された光をセンサのピクセルマトリクス配列に転送するように設けられた光学系３を含むＣＭＯＳ電子センサ１を含む。今日のシステムにおいて、撮像を行うために、光源は、一般に、ＬＥＤによって生じた閃光を用いて目標を照射する。特定のシステムは、オペレータが撮像前に目標コードを中央に合わせ易くする目的で、特定のパターン（十字、角等）を投影するために、回折光学素子に関連付けられたレーザ源を更に組み込むことができる。この動作は、照準動作として知られる。このレーザ源は、通常、撮像のためにＬＥＤを閃光させる前にオフにされる。

可搬リーダーは、リーダーを起動するために、任意選択的に手動であるトリガ４又は均等な機構を備えている。この機構が起動されると、起動信号Ｔｒｉｇがリーダーを低出力待機モードから起動させ、目標コードの画像を取得してコードを復号化するデジタルデータ処理のための外部システム５に配信するために光源及びセンサが起動される。画像は、例えば、ＵＳＢケーブルのような伝送ケーブルを介して又は無線伝達手段を介して（デジタル）データストリームの形式で処理システム５に配信される。リーダーが固定式である場合、起動信号Ｔｒｉｇは、例えば、リーダーに組み込まれた存在検知システムによって生成される。

ＣＭＯＳセンサは、従来、図２に示すように、能動ピクセル（ｎ、ｍは、整数である）のｎ行の行_０～行_ｎ－１及びｍ列の列_０～列_ｍ－１のマトリクス配列Ｍ、１個以上のアナログ－デジタル変換器を含む読み出し回路ＡＤＣ、読み出し回路によって配信された画像データに対して計算を実行し、特にヒストグラムを計算することができるデジタル処理回路ＣＯＭＰ及び画像データを外部システム５に配信するＩ／Ｏインターフェース回路を含む。これらの様々な回路は、センサのシーケンスシングを行い、撮像の実行に要する様々な制御信号を配信する回路ＳＥＱによって制御される。特に、シーケンシング回路は、能動ピクセルのトランジスタを制御する信号を配信する。

説明のため、ＣＭＯＳセンサの能動ピクセル構造を含むトランジスタは、一般に、少なくとも、
－ 感光素子内に蓄積された全ての電荷を排出ドレインに排出させることができ、初期化パルスの終了時点がピクセルの露光時間の開始時点を設定し、この時点から、感光素子は、光発生された電荷を（再度）蓄積することができる初期化トランジスタと、
－ 感光素子によって蓄積された全ての電荷を、ピクセルの読み出しノード又は一時格納ノードであり得る格納ノードに転送できるようにし、進行中の撮像において転送パルスの終了時点がピクセルの露光時間の終了時点を設定する転送トランジスタと、
－ ピクセルの読み出しノードをゼロクリアするトランジスタと、
－ ピクセルを選択するトランジスタに関連付けられていて、フォロワトランジスタの光源と列導体との間に接続され、読み出しノードに格納された電荷を、アナログ－デジタル変換回路に接続された列導体の対応するアナログ電圧レベルに変換することができる、ゲートが読み出しノードに接続されたフォロワトランジスタと
を含み得ることがここで想起されるであろう。

本発明を記述するために詳細に立ち入る必要はないが、能動ピクセル構造が読み出しノードとは別個の一時格納ノード又は増幅段等が設けられているか否かに応じて、上述の４個のトランジスタ以外のトランジスタを含み得ることが公知である。また、特定のトランジスタを複数のピクセル間で共有し得る。

本発明において、能動ピクセルの露光時間は、より具体的には、初期化及び転送トランジスタ（ゲート）を介して電子的に制御され、センサ内で且つセンサと協働して、目標コードの画像取得に望ましい露光時間値Ｔｏｐｔを、従来方式であるが、値Ｔｏｐｔを用いて実行される目標コードの名目撮像に先行して決定できる測定モードを実行する。

測定モードは、従って、能動ピクセルの露光時間を調整して様々な露光時間値をピクセルに適用できることを利用する。これは、露光時間の開始時点を設定する初期化トランジスタの（ゲート）コマンドを調整することにより、且つ／又は付随する格納ノード（読み出しノードであってもなくてもよい）への転送を制御する転送トランジスタの（ゲート）コマンドを調整することにより実現され、これにより、センサに実装された撮像モード及び制御ラインのトポロジを考慮しつつ終了時点を調整することができる。ＣＭＯＳセンサが１又は２個の撮像モード、大域的シャッタモード又は回転シャッタモードを実装できることが想起されるであろう。大域的シャッタ又は「スナップショット」撮像モードにおいて、全てのピクセルが同時に積分される。すなわち、露光フェーズは、全てのピクセルについて同時に開始し、全てのピクセルについて同時に終了する。次いで、１行毎に実行される読み出しフェーズが開始する。この大域的シャッタ撮像モードが高性能（例えば、高速）アプリケーションに好ましい理由は、画像を固定して、特に物体が移動する場合に画質を劣化させる恐れがある回転シャッタモードに固有の歪みを回避できるためである。回転シャッタ撮像モードでは、行をずらしながら順次積分する。すなわち、露光フェーズの開始時点がピクセルの各行毎に１行ずつずらしながら決定され、ピクセルの１行の露光時間は、ピクセルの１つ前の行の読み出しが終了しない限り開始しない。大域的シャッタ撮像モードが高性能（例えば、高速）アプリケーションに好ましい理由は、画像を固定して、特に物体が移動する場合に画質を劣化させる恐れがある回転シャッタモードに固有の歪みを回避できるためである。

制御ラインのトポロジは、トランジスタの数、ピクセルが共通のトランジスタを有するか否か、大域的シャッタ及び／又は回転シャッタ撮像モード、ピクセルの口径比の最適化等の様々な制約を満たす。例えば、露光時間の終了時点を列方向に制御可能にする、図２に示す制御ラインのトポロジは、大域的シャッタ撮像モードに適しているのに対し、露光時間の開始時点及び終了時点を行毎に制御可能にする、図３に示すトポロジは、両方のタイプの撮像を可能にする。これらのトポロジについて以下に詳述する。

いずれの場合にも、シーケンシング回路ＳＥＱにより、ピクセル及びセンサの他の回路（変換器、出力インターフェース等）を制御する信号を、実装された１個以上の撮像モード及びトポロジに合わせて調整されたピクセルタイミングで生成することができる。メモリプログラミングによってシーケンシング回路がこの制御を極めて柔軟に実現できる詳細な方法について、読者は、例えば、特許出願欧州特許出願第３０５８７１９号明細書を参照することができる。

上述の概要説明を終えて、本発明が提供する目標コードの画像取得方法について説明できるようになった。本方法は、信号Ｔｒｉｇの起動によって起動され、処理システム５がコードの復号化／認識のために直接用いられ得る名目品質の単一画像の配信を可能にする。その理由は、前記単一画像が、品質が劣化した少なくとも１個の測定画像から少なくとも２個の異なる露光時間値で計算されたヒストグラムに基づいて、名目取得モードの前に起動された測定モードでセンサ自体によって内部的に（オンチップで）決定される、光を積分するための露光時間値をピクセルマトリクス配列に適用しながら取得されたためである。

「品質の劣化」が意味するものは、測定画像のピクセル数が名目品質の画像のピクセル数より少ないことである。換言すれば、ピクセルマトリクス配列は、アンダーサンプリングされ、且つ／又は１個のピクセルによって積分された光量の（読み出された）測定値の解像度は、名目取得モードよりも測定モードの方が低い。換言すれば、ピクセルから読み出された光量のアナログ－デジタル変換は、名目取得モードよりも測定モードで低いグレースケールレベルに符号化された結果を配信する。例えば、名目画像の変換を１０又は１２ビットで行う場合、測定画像の変換は、好ましくは、８ビット又は更に４ビットで行われる。

図４は、本発明の第１の実装方式による目標コード取得方法の一般的なフローチャートを示し、信号Ｔｒｉｇによって起動された測定モードＭｏｄｅ＿ＭＥＳで１回の測定撮像が行われ、各ピクセルがｋ個の異なる露光時間値Ｔ１～Ｔｋ（ｋは、少なくとも２に等しい整数である）の１個の露光時間値に関連付けられている。測定モードは、主に、センサのシーケンシング回路によって制御される３個のフェーズ、すなわち画像データＤＡＴＡ（Ｔｉ）がｋ個の露光時間値の各々で高速に取得される高速取得フェーズ１００、次いでセンサのデジタル処理回路ＣＯＭＰが画像データＤＡＴＡ（Ｔｉ）に基づいて、且つコードの効果的な復号化を可能にすることが分かっている画質基準に応じて、注目する目標コードの撮像に望ましい、すなわち飽和ピクセルを過剰に有しないように高過ぎず、且つ信号を失う（黒ピクセル）ことがないように低過ぎない露光時間値Ｔｏｐｔを決定する決定フェーズ１１０、及び値Ｔｏｐｔがセンサの撮像パラメータのレジスタＲＥＧの対応するフィールドＴｒに格納される格納フェーズ１２０を含む。

本方法は、次いで、レジスタＲＥＧのパラメータ、特にパラメータＴｒの現在の値を用いる名目取得モードＭｏｄｅ＿ＡＣＱを起動する。このレジスタは、変換利得値Ｇ等の他のパラメータを含み得るが、画像の精密な再構築ではなくコードの復号を目指すコード読出アプリケーションでは、この利得は、一般に、１に設定される。（コードの復号に）最適な画質が得られ、露光時間値Ｔｒで得られた対応画像データＤａｔａ－ＯＵＴがマトリクス配列（画像全体）のピクセルから読み出されて外部の処理システム５に送信される。一般に、レジスタＲＥＧ（Ｔｒ、Ｇ）内のパラメータの値もこれらのデータと共に配信され、これらのデータＤａｔａ－ＯＵＴからデジタル処理回路によって計算されたヒストグラムデータＨ（Ｔｒ）をこれに追加し得る。センサによって実行される名目取得フェーズは、従って、画像全体が取得されて配信される従来のモードに対応するが、但し、センサの撮像パラメータのレジスタによって配信された適用される露光時間値Ｔｒは、先行する測定フェーズＭｏｄｅ＿ＭＥＳでセンサ自体によって自己決定された値である。

測定モードの高速取得フェーズ１００を図５によって詳細に示す。問題は、名目画像を復号化のため外部システム５に配信可能にする本発明による取得方法の全持続期間Ｔ_{ｔｏｔａｌ}が２×Ｔ_ＡＣＱ未満であるように、名目画像の配信に要する時間Ｔ_ＡＣＱよりも短い時間Ｔ_ＭＥＳで値Ｔｏｐｔを計算するために、ｋ個の露光時間値Ｔｉの画像データを高速に取得することである。好ましくは、Ｔ_ＭＥＳ≦１０％Ｔ_ＡＣＱを実現することを目指す。

好ましい一実装方式によれば、ｋ個の値Ｔｉでの画像データの取得は、ｋ個の値Ｔｉをピクセルマトリクス配列にわたって周期的に分布させることにより、１回の撮像で実行される。高速取得フェーズ１００は、従って、ピクセルが露光され、マトリクス配列の各ピクセルがｋ個の値Ｔｉの所与の露光時間値に関連付けられている露光フェーズ１０１と、続いてピクセルが高速に読み出される高速読み出しフェーズ１０２とを含む。

Ｔｉの分布パターンは、初期化の制御ライン及びセンサ内のピクセルの転送トランジスタ（ゲート）が実装される方式（トポロジカルな側面）及びセンサ内に実装される１つ又は複数の撮像モードを考慮している。

マトリクス配列のピクセルの行の露光及び読み出しのシーケンスが、選択された撮像制御モード（大域的シャッタ又は回転シャッタ）に応じてどのように（異なる方法で）制御されるかについては、既に説明した。

トポロジカルな側面をより詳細に検討する。一般に、導体の数を制限してピクセル開口サイズを拡張できるように、転送及び初期化ゲートのコマンドは、所与の行又は所与の列のピクセルに共通である。

図２に示す例において、露光時間の開始時点を調整する初期化ゲートのコマンドは、マトリクス配列の所与の行のピクセルに共通であり、露光時間の終了時点を調整する転送ゲートのコマンドは、マトリクス配列の所与の列のピクセルに共通である。

より厳密には、マトリクス配列は、ｎ行のピクセル行_０～行_ｎ－１とｍ列のピクセル列_０～列_ｍ－１（ｎ、ｍは整数）とを含み、且つ
－ 各々がピクセルの対応する行に平行（本例では水平）に伸びるｎ個のゲート初期化制御ラインＧｌ_ｌ（ｌは、０～ｎ－１に等しい）、
－ 各々がピクセルの対応する列に平行（本例では垂直）に伸びるｍ個の転送ゲート制御ラインＧＴ_ｊ（ｊは、０～ｍ－１に等しい）、及び
－ 行のピクセルを選択するようにトランジスタのゲートを制御するために、各々がピクセルの対応する行に平行（本例では水平）に伸びるｎ個の行選択制御ラインｓｅｌｒ_ｌ（ｌは、０～ｎ－１に等しい）
がある。

ピクセルの他のトランジスタの制御ラインは、不必要に図が煩雑にならないように図２に示していない。

上述のトポロジは、ピクセルの列方向の露光終了時点の制御及び行方向（ピクセルの行毎の）読み出しを行い、大域的シャッタ撮像モードを可能にする。それは、ピクセルの先行する行の読み出しが終了しない限り、ピクセルの行を露光させるフェーズが開始しない回転シャッタ撮像モードに適用できない。

図３は、両方の撮像モードを可能にする別のトポロジを示す。初期化ゲートのコマンド及び転送ゲートのコマンドは、両方ともマトリクス配列の所与の行のピクセルに共通である。転送制御ラインＧＴ_ｌ（ｌは、０～ｎ－１に等しい）は、従って、初期化制御ラインＧｌ_ｌと同様に、ピクセルの対応する行に平行（本例では水平）に伸びる。

他のセンサトポロジは、他の制御スキームを適用することができる。例えば、露光時間の開始時点を設定する初期化ゲートのコマンドは、マトリクス配列の所与の列のピクセルに共通であり得、読み出しピクセルの選択を列方向に行い得るなどである。トポロジに応じて、一方又は両方の制御モード（大域的シャッタ、回転シャッタ）が適用できる。

以下に例を挙げて、１回の撮像でｋ個の露光時間値Ｔｉで画像データを取得できるように、トポロジカルな側面及び撮像モードを考慮してマトリクス配列にわたる値Ｔｉの分布のパターンを画定する様子を示す。ｋ個の値Ｔｉをマトリクス配列の一方向に分布させて、１本の初期化又は転送制御ラインのみを用いてこの分布を実現する方が一般により簡単且つ有利である。更に、マトリクス配列全体にわたり、様々な値Ｔｉに対して均一な情報を実現する目的で、値Ｔｉの分布は、周期的であることが有利である。

図７に、図２のトポロジ且つ大域的シャッタ撮像モードの場合のピクセルマトリクス配列にわたる値Ｔｉ（ｉ＝１～ｋ、ｋ＝４）の分布のパターンの第１の一例を示す。本パターンにおいて、値Ｔｉが規則的（周期的）に列のランクにわたって分布している。本例において、Ｔ１は、ランク０、４、８等の列に適用される。Ｔ２は、ランク１、５、９等の列に適用される。Ｔ３は、ランク２、６、１０等の列に適用され、Ｔ４は、ランク３、７、１１等の列に適用される。画像データがｋ個の露光値Ｔｉで取得される取得フェーズが次いで以下のように実行される。ピクセルの全ての行について露光フェーズが同時に開始（信号Ｇｌ_ｌが同時に起動）され、シーケンサは、画定されたパターン（図７）に従い、列のランクｊに応じて露光の終了時点を制御する信号ＧＴ_ｊを制御する。行方向の読み出しフェーズは、マトリクス配列を露光させるフェーズの終了後に開始し得、前記読み出しフェーズは、最長露光時間、この場合にはＴ４に同期される。

図８は、図３のトポロジを有するピクセルマトリクス配列に適用可能な別の分布パターンを示し、シーケンサは、露光時間（制御ラインＧｌ_ｌ）の開始時点を用いて各行の露光時間を調整することができ、（大域的シャッタ又は回転シャッタ）撮像モードに依存する残りのタイミング（露光、読み出しの終了時点）は、この「調整」に影響されない。より明確には、露光時間がより長いように制御された行の初期化ゲートコマンドは、露光時間がより短いように制御された行よりも相対的に早く起動され、その行の初期化ゲートコマンドは、相対的に遅く起動される。図８の例において、値Ｔ１がランク０、４、８等の行に、値Ｔ２がランク１、５、９等の行に適用される。

従って、図２若しくは図３のトポロジ又は別のトポロジであり得る、注目するセンサの制御ラインのトポロジに応じて、マトリクス配列の行又は列にわたる様々な露光時間の好ましくは周期的な分布のパターンを画定することができ、センサのシーケンシング回路ＳＥＱ（図２）は、測定モードの様々なフェーズを制御するために、このパターン及びセンサの撮像モードに対応するピクセル制御信号を配信するように構成（プログラム）される。

露光時間値Ｔｉの個数ｋに関して、行又は列アドレスの偶奇性、すなわち偶（Ｔ１）又は奇（Ｔ２）に応じて、それをシーケンサにどのように容易に実装できるかが知られているため、２個の異なる値Ｔ１及びＴ２（ｋ＝２）のみを用いることが有利な場合がある。この場合、各々高輝度及び低輝度に対応して、互いに大きく離れた２個の値Ｔ１及びＴ２、例えば１００マイクロ秒及び１ミリ秒が選択される。

しかし、ｋは、広範囲の照明条件（暗～明）をカバーし、且つ様々な動作条件下、例えば解析される物体が高反射性（例えば、金属飲料缶）又は高吸光性（黒い紙）である屋外での値Ｔｏｐｔの決定の信頼性及び有効性を向上させるために、少なくとも３又は４に等しくなるように選択される。ｋ個の値Ｔｉは、次いで、有利には、計算を容易にすると共にヒストグラムに同じ制約を課すために、ある値と次の値との比率Ｒを定数にして選択される。数値例を挙げると、例えば、ｋ＝４、Ｔ１＝８μｓ、Ｔ２＝４０μｓ、Ｔ３＝２００μｓ、Ｔ４＝１ｍｓが、それらの間の比率を定数５（Ｔ２＝５・Ｔ１、Ｔ３＝５・Ｔ２、Ｔ４＝５・Ｔ３）にして選択される。

実際には、値Ｔｉは、シーケンサの制約及び容量に応じて選択される。例えば、信号の管理のためにシーケンサで従来使用される基準時間は、名目モード（全解像度）の行の読み出しサイクルの持続時間（ライン時間と呼ばれる）であり、現代の技術で約１０マイクロ秒である。しかし、最近のシーケンサでは、１～２マイクロ秒未満の基準時間を実現することができる。ｋ個の値、最短露光時間（Ｔ１）及び比率Ｒを格納するように本発明の測定モードのパラメータのプログラマブルレジスタＲＥＧ_Ｍ（図２）をセンサに設け得る。

露光フェーズ１０２（回転シャッタ撮像モードにおいて各行が露光され、大域的シャッタ撮像モードで全ての行が露光される）後、対応する画像データを様々な露光時間値の各々で取得するためにピクセルを読み出す必要がある。これは、測定モード（図４）の高速読み出しフェーズ１０２である。この高速読み出しフェーズは、上述の技術的課題、すなわち名目モードにおける画像全体の取得時間Ｔ_ＡＣＱよりも短い時間での、望ましい露光時間値Ｔｏｐｔのセンサ自体による高速な自己決定の解決に関する制約を満たす。実際に目指しているのは、上述のＴｏｐｔの決定を実行すること、すなわち時間Ｔ_ＡＣＱの約１０％（以下）の時間内に測定画像を取得（Ｔｉでの露光、Ｔｏｐｔの読み出し、計算及び格納）することであり、最も重要なのは、実際に画像データの読み出し、より厳密にはデータの変換に要した時間及び取得してデジタル処理回路ＣＯＭＰに送信するデータ量である。

高速読み出しフェーズ１０２は、後述する２つの対策のいずれか一方を用いる。

第１の対策は、マトリクス配列の全てのピクセルを読み出さないことである。値Ｔｏｐｔを効果的に決定するためにマトリクス配列全体のデータを用いて計算されたヒストグラムが必要ではなく、逆に、画像データは、適用された様々な値Ｔｉを表し、且つ露光の良好な解析を可能にするものでなければならないことが確認されている。従って、マトリクス配列をアンダーサンプリングすることを提案する。しかし、読み出されるピクセルの選択は、様々な露光時間値をカバーできなければならない。換言すれば、サンプリングされるピクセルの選択は、読み出し中にピクセルを選択する方法、すなわちセンサのトポロジ及びマトリクス配列にわたるＴｉの分布のパターンの両方を考慮する。

一般に且つ図２、３に対応して、読み出しは、行方向（行選択ラインｓｅｌｒ_ｌ）に、且つ対応するｍ個のデジタル値を配信するアナログ－デジタル変換手段ＡＤＣに接続されたｍ列の導体（ｃｃ_０、．．．ｃｃ_ｍ－１）を介して、選択された行のｍ個のピクセルについて同時に行われる。

列のランクに応じて様々な値Ｔｉ（ｉ＝１～ｋ）が分布する図７のスキームに戻り、Ｎ行のうちの１行のみをサンプリングのために選択をすることができる。明らかに図を簡潔にするために、図９にはＮ＝４の場合を示すが、Ｎは、好ましくは、８、１６又は３２に等しくなる。各行において、データは、適用されたｋ個の露光時間値Ｔｉの各々に対応して生成される。更に、サンプリングされた行の組は、画像全体を均一にカバーする。すなわち、値Ｔｉが、どのように、すなわち本例ではいずれの列に分布しているかが分かっている（これらは、センサのシーケンシング回路の設定データである）ため、サンプリングされた各行について、ピクセル毎に、読み出されたデータを露光値Ｔｉに関連付けることが可能である。換言すれば、各値Ｔｉについて、上述したように、低解像度モードで符号化されたグレースケールレベルの全て又は一部について対応ヒストグラムＨ（Ｔｉ）を計算可能にするデータセット｛ＤＡＴＡ（Ｔｉ）｝を形成することができる。図７の（行のランクに依存する）値Ｔｉの垂直方向の周期的分布を、従って同じく周期的である水平方向のアンダーサンプリング（Ｎ行のうちの１行）と組み合わせた例では、実際に、良好な空間的均一性（アンダーサンプリング）且つ良好な時間的均一性（Ｔｉ）を有する測定画像データを画像露光の解析及びＴｏｐｔの決定のために得ることが可能になることに注意されたい。

行のランクに依存する図８の値Ｔｉの分布のパターンの場合、各行が単一の露光時間値に対応するデータのみを配信できるため、行方向のアンダーサンプリングの異なる決定を適用する必要がある。一般に、図８に示すように、マトリクス配列にわたって良好な時間的均一性を実現するために、ｋ個の値Ｔｉが周期的なパターンで分布するであろう。従って、好ましくは依然としてマトリクス配列のスケールで８、１６又は３２行のうちの１行ずつサンプリングしながら、Ｘ行目毎にｋ個の連続的な行のサンプリングを行うことができる。図１０は、ｋ＝３の場合を示す。これは、高速読み出し１０２の場合、連続的な行ＲＯｌ_０、ＲＯｌ_１等の組の決定に帰着する。

行方向の順次読み出しに起因して、測定モードの読み出し時間は、読み出される行の総数に比例する。

測定フェーズの長さを更に最適化するには、マトリクス配列で注目する１個以上のゾーン、例えば図１１に示す中央ゾーンＺＯｌ_２又はコーナーゾーンＺＯｌ_１ＺＯｌ_３、ＺＯｌ_４及びＺＯｌ_５を目標とすることによって測定画像読み出し時間を短縮することができる。

これらのゾーンは、アプリケーションに応じて画定され、露光が解析して値Ｔｏｐｔを効果的に決定できる均一な空間的及び時間的データセットの取得に十分な個数の連続するピクセルの組をカバーする。この場合、測定モードの高速読み出しフェーズは、１個以上の目標ゾーンに水平方向のアンダーサンプリングを適用する。例えば、注目する１個の（１）ゾーンが測定モードのために画定され、このゾーンがマトリクス配列のｙ行ｚ列をカバーする場合、読み出し回路は、測定モードにおいてｙ行の高さにわたってＰ行（Ｐは１以上の整数）のうちの１行をサンプリングするように構成され、サンプリングされた各々の列について、読み出し回路は、ｍ回の変換を並列に実行し、ｚ列のピクセルによって配信される画像データのみをデジタル処理回路で処理のため保持することにより、望ましい露光時間値が確定される。

潜在的に照準器に起因して（照準レーザ源がオン状態に保たれるため）過剰照射され得ることが知られているため、サンプリングが望ましくないマトリクス配列の１個以上の特定のゾーンを（否定的に）画定することもできる点に注意されたい。これは、高速読み出しフェーズで選択されない行（アドレス）の決定に至る。従って、測定画像の露光の解析は、これらの潜在的に過剰照射されたゾーンによって中断されない。実際には、潜在的に照準器によって過剰照射されるこれらのゾーンは、端部、特に角（図１１）又は実際に中央（照準器による）にあり得る。

２つの方式を組み合わせた実際的な例を挙げると、マトリクス配列の端部を目標とする照準器の場合、目標コードの画像の露光の解析のために決定されたマトリクス配列の中央ゾーンのみを保持するために角ゾーンを除外することが好ましい。対応する定数的な例を挙げると、１０００×１０００ピクセルのセンサ（１Ｍｐｉｘｅｌセンサ）の場合、２５０個の中央行及び２５０個の中央列をカバーするような注目する中央ゾーンＺＯｌ_２を画定することができる。読み出し時間は、４分の１（マトリクス配列全体の１０００行から読み出される２５０行）に短縮される。これに８行のうちの１行のアンダーサンプリングを関連付けることにより、読み出し時間は、マトリクス配列の１０００行から約３０行を読み出すため、３２分の１（１／４×１／８＝１／３２）に短縮される。逆に、照準器が中心を目標とする場合、中央ゾーンを除外することが好ましく、測定モードにおいて好ましくは角ゾーンが取得される。

高速読み出しフェーズ１０２のための第２の対策は、アナログ－デジタル変換の解像度を低下させることである。例えば、解像度を２ビット低下させることにより、変換時間が４分の１低下する。この対策は、コンバータの解像度を設定するためにシーケンサ（図２）によって配置されたＳｅｔ－ｑインジケータによって容易に実現される。本発明において、このインジケータは、測定モードについて、名目取得モードのものに対して異なる（低下した）解像度を求めるように構成される。

本発明による高速読み出しフェーズ１０２は、好ましくは、アンダーサンプリング対策及び解像度低下対策を実行する。定量的な例を挙げると、１００画像／秒（名目画像毎に１０ｍｓ）で２Ｋ×１Ｋ（行×列）の１０ビットセンサの場合、８ビットまで低下した（従って名目モードよりも２ビット低い）解像度でＭ＝１６行のうちの１行のアンダーサンプリングを組み合わせた本発明によるＴｏｐｔを決定するために測定モードを実行することにより、１６×４＝６４だけ向上する。（劣化）測定画像の取得時間は、１０ｍｓ／６４＝１５６μｓまで短縮される（Ｔ_ＡＣＱの１０％という目標よりもよい）。

高速読み出しフェーズ１０２が終了すると、測定モードは、決定フェーズ１１０に引き継がれ、注目する目標コードの望ましい露光値Ｔｏｐｔが決定される。このフェーズ１１０は、事前にシーケンサによってモード指示信号（自己モード）を介して測定モードに設定されたデジタル処理回路ＣＯＭＰ（図２）によって実行される。

回路ＣＯＭＰは、ヒストグラム計算フェーズ１１１から開始する。これらのヒストグラムを計算するために、回路は、各露光時間値について、マトリクス配列から読み出したデジタル値の組｛ＤＡＴＡ（Ｔｉ）｝を取得する。各々の値は、変換によって符号化されたグレースケールレベル範囲におけるグレースケールレベルに対応する。これらのデータ（又はグレースケールレベルの選択に対応するこれらのデータの一部）に対して実行されるヒストグラム計算は、この露光時間値Ｔｉのグレースケールレベルの関数としてピクセルの分布を与える。従って、この露光時間に対する目標コードの画像の光度範囲が測定される。

これらの計算において、測定モードにおけるコンバータの解像度に対応するグレースケールレベルから選択されたグレースケールレベルに対応するデータのみを処理することができる。例えば、測定モードが低下解像度を適用する、例えば８ビットの解像度で２５６グレースケールレベルを符号化する場合、２５６のうちの８又は１６グレースケールレベル（又はビン）のみに対してヒストグラムを計算することができる。従って、これらのヒストグラム計算に必要なメモリ空間（ＲＡＭメモリ、レジスタ）を減らすことができる。この場合、そのような８又は１６ビンのヒストグラム計算を、有利には、５～１０（両端を含む）の定数（整数）比率Ｒに有する少なくとも３又は４個の異なる露光時間値と組み合わせる点に注意されたい。従って、環境照明レベル、メモリ空間及び判定効果のカバレッジの観点からの全ての利点が組み合わされる。

次に、時間Ｔｏｐｔが様々な時間Ｔｉについて計算されたヒストグラムに基づいて決定される決定フェーズ１１２に移る。

図６は、画像の露光の様々な条件に対応する２５６のグレースケールレベル（２５６のクラス又はビン）について計算された様々なヒストグラムＨ_１～Ｈ_５を示す。図の最上部の第１のヒストグラムＨ_１は、十分に露光されていない、黒いピクセルの割合が高く、最低グレースケールレベルにピクセルが集中している画像に対応する。図の最下部の最後のヒストグラムＨ_５は、対照的に、多数の飽和ピクセルがあり、最高グレースケールレベルにピクセルが集中している、過度に露光過多の画像に対応する。

肉眼で見た場合、得ようとするヒストグラムは、中間のヒストグラムＨ_３であり、飽和（露光過多）ピクセルがないか又は極めて少なく、且つ黒い（露光不足）ピクセルがないか又極めて少ない状態で中央に位置する。しかし、コードリーダーのデータ処理システムによってコードを復号化するには、少数の飽和ピクセルを示すヒストグラムＨ_４は、完全に適切である。

従って、フェーズ１１１で計算されたヒストグラムＨ（Ｔｉ）に基づいてフェーズ１１２で露光時間値Ｔｏｐｔが決定され、次いで、名目画像を取得するフェーズにおいて、これらのヒストグラムＨ_３又はＨ_４に類似したヒストグラムを得ることができる。

ヒストグラムＨ_５が露光時間Ｔ５に対応すると仮定すれば、Ｔｏｐｔは、Ｈ_３又はＨ_４のようなヒストグラム形状となるようにＴ５より低い値を有することになる。ヒストグラムＨ_１が露光時間Ｔ１に対応する場合、Ｔｏｐｔは、Ｔ１よりも高い値を有することになる。

実際には、計算回路はフェーズ１１２において、いずれのヒストグラムが最も有用な情報（飽和も露光不足もないピクセル数）を含むかを判定することから開始する。これを行うため、ｋ個のヒストグラムＨ（Ｔｉ）の１個以上の固有値又は統計値、例えば平均値、飽和したか又は所与のグレースケールレベルに対応するピクセルの割合等を比較するアルゴリズムを適用する。次いで、保持されたヒストグラムに基づいて望ましい時間値Ｔｏｐｔを推定する。好ましくは、判定の信頼性を向上させるために、計算回路は、好ましくは、一方が平均値に基づき、他方が飽和したピクセルの割合に基づく少なくとも２個の比較アルゴリズムの結果を組み合わせて、後続の名目取得フェーズの望ましい露光時間値により、アルゴリズムによって配信された結果の平均を画定する。値Ｔｏｐｔの決定もシーケンサの能力（基準時間、ライン時間）を考慮している。

任意選択的に、１と異なる利得値Ｇを用いて取得する測定モードによって決定される最適露光時間値を与え得る。この場合、計算回路は、撮像パラメータのレジスタＲＥＧ内の２個の対応する値、すなわち露光時間Ｔｒ及び利得Ｇを変更する。最終画像から得られた最終的なヒストグラムは、次いで、総利得＝Ｇ×（Ｔｏｐｔ／Ｔｒｆ）によって変更され、Ｔｒｆは、Ｔｏｐｔを計算するために測定モードで保持されたヒストグラムに関連付けられた積分時間である。

デジタル処理回路ＣＯＭＰによって実行される上述の計算は、極めて高速であり、数クロックサイクル、すなわち実際には１マイクロ秒未満で実行され、値Ｔｏｐｔは、名目取得モードでのピクセルの露光時間値Ｔｒを決定するためにセンサの撮像パラメータのレジスタに配信されて格納される。測定モードが終了し、続いて名目取得モードが起動される。センサは、値Ｔｒ＝Ｔｏｐｔを含む、撮像パラメータのレジスタの現在の値を用いて、名目取得モードで新たな撮像を実行して、コードの復号化／認識のため得られた画像を外部の処理システムに配信する。

これまで説明され、且つ光学的に読み取り可能なコードのリーダーに用いられる任意のＣＭＯＳセンサに適用可能な本発明により、リーダーの応答時間及び電力消費が大幅に向上すると共に電力消費を減らすことができる。当業者は、注目するセンサに応じて、特にセンサ内で実行される撮像モードに応じて、ピクセルマトリクス配列の制御ラインのトポロジ及びピクセルの構造に対して必要な修正を行うことが可能であろうが、このような修正は、前記構造が最先端の読み出しスキーム、読み出しノイズを減少させるスキーム（相関二重サンプリング）、電荷増倍増幅段階等を実装しているか否かに応じて比較的複雑な場合がある。当業者は、測定モードの高速取得及び決定フェーズを適用して、様々な露光時間値の分布のパターン並びに／又はサンプリングされるマトリクス配列の行及び／若しくは列を定義するスキームを適宜決定することが可能であろう。

本発明による方法をセンサ内で実行するには、シーケンサが適切に設定／プログラミングされている必要があり、これは、分布及びアンダーサンプリングのスキーム並びに測定モードで用いる様々な露光時間値を決定するメモリテーブル内へのプログラミングを含む。

Claims (9)

1. ＣＭＯＳ電子画像センサによって光学的に読み取り可能な１個以上のコードの画像を取得する方法であって、前記ＣＭＯＳ電子画像センサは、前記センサによる外部起動信号（Ｔｒｉｇ）の受信時に起動され、前記方法は、望ましい露光時間値を決定するために測定撮像を実行するステップを含み、前記望ましい露光時間値は、次いで、名目撮像を実行するために現在の露光時間値としてマトリクス配列の全てのピクセルに適用される、方法において、前記測定撮像（測定モード）は、
   － 前記ピクセルに共通の積分フェーズ（１００）であって、前記マトリクス配列の行又は列にわたって規則的に分布されるピクセルにｋ個の異なる露光時間値（Ｔｉ）が適用され、各ピクセルは、前記ｋ個の異なる値のうちの１個の露光時間値に関連付けられ、ｋは、少なくとも２に等しい整数である、積分フェーズ（１００）と、
   － デジタル画像データ（ＤＡＴＡ（Ｔｉ））が前記ピクセルに適用される異なる露光時間値で高速に取得される高速取得フェーズ（１０２）であって、前記マトリクス配列の前記行のアンダーサンプリングを適用する高速読み出しフェーズを含む、高速取得フェーズ（１０２）と、
   － 決定フェーズ（１１０）であって、各々の異なる露光時間値について前記高速取得フェーズで取得された前記デジタル画像データに基づいて計算されたヒストグラムを比較することにより、前記望ましい露光時間値（Ｔｏｐｔ）が決定される、決定フェーズ（１１０）と
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記ｋ個の露光時間値（Ｔｉ）の周期的な分布パターンを前記マトリクス配列の前記列に適用する、請求項１に記載の取得方法。
3. 前記高速読み出しフェーズは、１対８、１６又は３２の比率である前記行のアンダーサンプリングを適用する、請求項１又は２に記載の取得方法。
4. 前記高速読み出しフェーズ（１０２）は、前記マトリクス配列の１個以上の所定のゾーンに適用される、請求項１～３のいずれか一項に記載の取得方法。
5. 前記高速読み出しフェーズ（１０２）について、前記マトリクス配列の１個以上の所定のゾーンを除外する、請求項１～３のいずれか一項に記載の取得方法。
6. 前記名目撮像について、少なくとも１０ビットの名目解像度で構成され、且つ前記測定撮像について、８ビット以下の低下した解像度で構成される、前記ピクセルを読み取るためのアナログ－デジタル変換手段を使用する、請求項１～４のいずれか一項に記載の取得方法。
7. 前記測定モードの前記ｋ個の様々な露光時間値（Ｔ１、．．．Ｔｋ）の前記ヒストグラムは、前記測定モードにおけるアナログ－デジタル変換手段の解像度に対応するグレースケールレベルの数より少ない数のグレースケールレベルで計算される、請求項１～６のいずれか一項に記載の取得方法。
8. 前記望ましい露光時間値（Ｔｏｐｔ）が決定される前記決定フェーズ（１１０）は、少なくとも２個のヒストグラム比較アルゴリズムであって、各アルゴリズムは、出力として第１の値を配信する、少なくとも２個のヒストグラム比較アルゴリズムを配信し、且つ後続の名目取得フェーズのための望ましい露光時間値として前記第１の値の平均を決定する、請求項１～７のいずれか一項に記載の取得方法。
9. 前記測定撮像の期間は、前記名目撮像の時間の約１０％以下である、請求項１～８のいずれか一項に記載の取得方法。

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