KR100463947B1 - 주사된전자이미지형성방법및주사장치 - Google Patents

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휴렛-팩커드 컴퍼니(델라웨어주법인)
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Abstract

본 발명의 주사된 전자 이미지(54)를 형성하는 주사 장치(10) 및 방법은 이미징 센서(22)와 적어도 하나의 항행 센서(24 및 26)를 구비한다. 바람직한 실시예에서, 이미징 센서는 센서 소자의 선형 어레이이며, 각각의 단부에서 2차원 항행 센서 어레이를 갖는다. 주사 장치는 자유도 3을 갖는데, 그 이유는 항행 센서로부터의 위치 정보가 이미징 센서로부터의 이미지 신호의 조작을 허용하여 곡선 주사에 의해 야기되는 왜곡 아티팩트를 감소시키기 때문이다. 위치 정보의 수용가능한 소스는 프린트 문제 및 주사된 이미지가 형성되는 매체(14)의 고유한 구조 관련 속성(64)의 변화에 의해 지시받는 콘트라스트 변화를 포함한다. 항행 시스템의 최적 동작을 위한 조명이 몇몇 응용에 있어서 접지각(30) 또는 기타 응용에 있어서 원물의 평면에 수직으로 유도될 수 있지만, 필수적인 것은 아니다.

Description

주사된 전자 이미지 형성 방법 및 주사 장치{FREEHAND IMAGE SCANNING DEVICE AND METHOD}
본 발명은 전반적으로 원물(originals)의 주사된 전자 이미지(scanned electronic images)를 형성하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이미지 캡처(image capture) 동안의 부정확한 이동(imprecise movements)을 수용할 수 있는 주사 장치 및 방법에 관한 것이다.
본래의 이미지를 전자적으로 형성하는 스캐너(scanners)가 알려져 있다. 전형적으로, 스캐너에 의해 공급되어 캡처된 이미지는 디지탈 포맷(digital format)으로 메모리 내에 기억되는 픽셀 데이타 어레이(pixel data array)이다. 왜곡이 없는 이미지(distortion-free image)는 원래 이미지를 픽셀 데이타 어레이로 충실하게 맵핑할 것을 요구한다. 스캐너는 전형적으로 충실한 맵핑 가능성을 최대화하기 위해 이미지 캡처 처리 동안 기계적 제한을 부여하기 위한 적어도 하나의 수단을 포함한다.
본 기술 분야에 알려진 스캐너의 4 가지 유형은 드럼 스캐너(drum scanners), 평면 스캐너(flatbed scanners), 2차원 어레이 스캐너(two-dimensional array scanners) 및 핸드 스캐너(hand scanners)이다. 드럼 스캐너는 원물을 실질적으로 일정한 속도로 회전시키는 원통형 드럼(cylindrical drum)의 표면에 부착된다. 드럼이 회전하는 동안, 이미지 센서는 드럼의 회전축과 나란한 방향으로 이동된다. 이미지 센서의 선형 변위와 드럼 상의 원물의 회전과의 조합은 전체 원물이 주사되도록 한다. 이미지를 처리하는 동안의 어떠한 순간에 있어서도, 원물에 대한 픽셀 데이타 어레이 내의 현재 위치는 드럼의 각 위치 및 센서의 전이 위치를 측정함으로써 결정될 수 있다. 원물에 대한 픽셀 데이타 어레이의 위치는 원물이 드럼에 정확히 부착되고, 드럼 회전이 정확히 제어되며, 센서가 선형 경로를 따라 자신의 변위에서 정확히 제어되는 한 고정된다.
평면 스캐너는 어레이의 축에 수직인 축을 따라 원물에 대해 이동하는 선형 어레이 센서(linear array sensor)를 구비한다. 따라서, 1차원 내 센서의 위치는 센서의 상대적인 이동을 추적함으로써 알 수 있다. 수직 방향의 센서의 위치는 강도(intensity)가 측정될 수직 어레이 소자를 어드레싱함으로써 절대적으로 고정된다. 평면 스캐너의 일실시예에 있어서, 원물은 투명한 인자판(transparent platen) 상에 배치되고, 센서는 이미지 조명원(image illumination source)을 따라 원물과 마주하는 인자판의 한쪽에 배치된다. 원물이 인자판에 대하여 이동되지 않는 한, 픽셀 데이타 어레이는 캡처될 이미지에 대해 고정될 것이다. 다른 실시예에 있어서, 센서가 아닌 원물이 움직인다. 이러한 제 2 실시예는 전형적으로 팩시밀리 머신이다. 정확한 페이퍼 전송은 이미지 캡처 처리 동안 고도의 위치 정확도를 제공한다.
드럼 및 평면 스캐너의 이점은 적어도 A4, 즉 8.5" x 11" 크기의 페이퍼 서류를 수용할 수 있는 능력을 구비한다는 점이다. 더욱이, 이들 스캐너 중 일부는 한번의 셋업으로 A1 페이퍼를 처리할 수 있다. 그러나, 스캐너는 통상적으로 휴대가 불가능한데, 그 이유는 이들 스캐너가 제어용 호스트 컴퓨터(host computer), 데이타 기억 장치 및 이미지 조작을 필요로 하기 때문이다.
2차원 어레이 스캐너는 기계적인 인코딩 제약이 없는 경우 사용될 수 있으며, 노출 기간 동안 이동없이 유지되는 어레이 및 원물만을 필요로 한다. 감광성 소자의 2차원 어레이는 픽셀 데이타 어레이에 원물의 이미지를 맵핑하는 것을 직접적으로 성취할 수 있다. 그러나, 8.5" x 11" 원물의 단일 300 dpi 맵핑은 2500 x 3300 소자의 어레이, 즉 8백 25만 픽셀을 갖는 이미지 센서를 필요로 하며, 이들 스캐너는 대부분의 응용에 있어서 비용 문제에 직면한다.
종래의 수동 스캐너(hand scanner)는 사용자가 원물 위에서 전자 광학 센서 소자의 선형 어레이를 이동시킬 것을 요구한다. 이동은 수동 조작에 의해 이루어진다. 어레이-위치 정보는 컴퓨터 "마우스"의 조작 시 이용되는 것과 같은 방법을 이용하여 결정된다. 선형 센서 어레이가 이동함에 따라서, 원물과 접촉하는 휠(wheels), 볼(balls) 또는 롤러(rollers)의 회전이 감지되고, 위치 정보는 회전의 기계적인 세부 사항으로부터 결정된다. 일반적으로, 원물과 접촉하는 기계적 소자의 표면은 슬립(slip) 및 스키드(skid)를 견디도록 고무와 같이 높은 마찰 계수를 갖는다. 원통형 롤러 또는 단단한 차축(rigid axle)에 의해 접속된 두개의 휠이 주사 처리 동안 단일 전이 자유도(single translational degree of freedom)를 시행하기 위해 사용될 수도 있다. 직선 에지 또는 기타 고정물(straight-edge or other fixture)이 원물에 관하여 주사 방향을 고정시키고 한쌍의 휠 또는 롤러에 의해 제공되는 전이 제약을 더 시행하기 위해 종종 사용된다. 그럼에도 불구하고, 위치 인코더 방법은 종종 슬립 및 스킵에 민감한 방법으로서, 픽셀 데이타 어레이는 원물 상의 이미지와 일치하지 않을 것이다.
전형적으로, 수동 스캐너는 이미지 데이터의 저장, 처리 및 이용을 위해 퍼스널 컴퓨터에 직접 접속된다. 이미지 센서로부터의 데이타 속도는 주사 속도를 제한하는 경향이 있다. 스캐너는 전형적으로 녹색 또는 적색 발광 다이오드를 이용해 사용자에게 피드백을 제공하여 원하는 이미지 해상도를 위한 적절한 속도를 유지한다. 몇몇의 수동 스캐너는 전자기 브레이크(electromagnetic brakes)를 사용하여 사용자가 너무 빨리 이미지 위에 스캐너를 드래깅(dragging)하는 것을 방지하며, 기계적인 저항은 주사 속도를 증가시킴으로써 증가한다.
수동 스캐너는 비교적 소형의 이미징 어레이를 이용하며 통상적으로 한번의 단계로 A6 서류보다 큰 서류를 처리할 수 없다. 이것은 보다 큰 서류의 다수의 스워스를 함께 결합하기 위해 스티칭 알고리즘(stitching algorithms)을 필요로 한다. 스워스 스티칭(swath stitching)은 퍼스널 컴퓨터에 의해 개개의 동작으로 이루어진다. 수동 스캐너에 의해 여러 페이지의 사업 문서 또는 보고서를 주사하는 것은 종종 저품질의 결과를 가져오는 지루한 공정이다.
전술한 바와 같이, 몇가지 유형의 고정물이 전형적으로 수동 스캐너에 의해 사용된다. 고정물이 없을 때, 수동 스캐너가 원물을 가로질러 이동함에 따라서 약간의 회전을 부과하는 경향이 있다. 사용자의 팔꿈치가 스캐너의 이동 동안 평탄면상에서 활동하지 않는 경우, 회전은 스캐너와 사용자의 팔꿈치간의 거리에 의해 정의되는 반경을 가질 것이다. 결과적으로, 주사된 전자 이미지는 왜곡될 것이다. 스캐너의 스워스 동안의 다른 곡선 이동이 또한 왜곡을 발생시킬 것이다.
주사 처리 동안 곡선 이동을 수용하는 주사 장치가 필요하며, 이러한 수용은 저렴한 방법 및 원물 이미지와 결과적인 이미지간의 높은 일치도에 의해 성취될 수 있다.
주사된 전자 이미지를 형성하는 주사 장치 및 방법은 이미지 데이타와 함께 획득되는 위치 정보를 사용하는 단계와, 그후 항행 및 이미지 정보에 기초하여 이미지 데이타를 수정하는 단계를 포함한다. 바람직한 실시예에 있어서, 항행 정보는 주사되는 원물의 고유한 구조 관련 속성을 검출하는 적어도 하나의 항행 센서를 이용하여 획득된다. 원물에 따른 이미지 센서의 이동은 이미지 센서가 원물에 대해 이동함에 따른 고유한 구조 관련 속성의 변화를 감시함으로써 추적될 수 있다. 감시되는 고유한 구조 관련 속성은 페이퍼 섬유, 또는 원물의 기타 구성요소와 같은 고유한 구조적 특징(inherent structural features)인 것이 바람직하다. 항행은 또한 스페클 기반(speckle-based)일 수 있으며, 원물을 따르는 이미지 센서의 이동은 항행 정보를 획득하기 위해 코히어런트 조명을 사용하여, 발생되는 스페클 패턴의 변화를 감시함으로써 추적된다.
"고유한 구조 관련 속성"은 본 명세서에서 이미지 데이타의 형성 및/또는 원물에 관한 시스템적인 겹침 데이타에 독립적인 인자에 기인한 원물의 속성으로서 정의된다. 항행 정보는 스페클 정보의 위치 신호 또는 개별적인 고유한 구조적 모습의 추적을 허용하는 위치 신호와 같은 고유한 구조 관련 속성의 검출에 응답하는 위치 신호를 발생시킴으로써 형성될 수 있다. "고유한 구조적 모습"은 본 명세서에서 원물을 형성하는 공정의 특성이고 이미지 데이타 및/또는 원물에 관한 시스템적인 겹침 데이타를 형성하는 것에 독립적인 원물의 모습으로서 정의된다. 예를 들면, 원물이 기록된 매체가 페이퍼 물품인 경우, 관심있는 고유한 구조적 모습은 페이퍼 섬유일 것이다. 다른 예로서, 광택이 있는 원물 또는 오버헤드 투명 필름을 가로지르는 이미지 센서의 항행은 경면 필드(specular fields)에 영향을 끼치는 표면 텍스쳐 변화(surface texture variations)를 추적함으로써 결정될 수 있다. 전형적으로, 고유한 구조적 모습은 극미세(microscopic), 예를 들어, 10에서 40㎛의 표면 텍스쳐의 모습이다.
따라서, 항행 정보를 획득하기 위해 고려된 방법의 영역은 변한다. 가장 광범위하게 사용되는 방법에 있어서는, 주사 경로를 따라서 주사 장치의 곡선 및 회전 이동의 왜곡 아티팩트를 제거하기 위해 사용될 항행 정보의 소스에 대한 한계가 없다. 따라서, 항행 신호는 원물에 대한 이미지 데이타의 검출에 응답하는 위치 신호의 형태(예를 들면, 텍스트 문자의 에지를 식별)일 수도 있으며, 그후 위치 신호는 이미지 신호의 조작 시 사용된다. 보다 좁게 사용되는 두 번째 방법은 위치 신호가 스페클 패턴을 결정하는 속성과 같은 고유한 구조 관련 속성의 검출에 응답하는 방법이다. 세 번째 방법은 시간을 통해 개별적인 고유한 구조적 모습(예를 들면, 페이퍼 섬유)의 위치를 감시함으로써 주사 장치의 항행을 추적하는 것이다. 이 세 번째 방법은 가장 좁게 사용되는 방법인데, 그 이유는 이 세 번째 방법이 실제로 두 번째 방법의 서브카테고리이기 때문이다.
바람직한 실시예에 있어서, 이미지 센서는 전자 광학 소자의 선형 어레이인 반면에, 항행 방법은 항행 센서 소자의 적어도 한 2차원 어레이를 이용한다. 이미지 센서의 각 단부에 개개의 2차원 항행 어레이를 배치함으로써, 스캐너는 이동 자유도 3이 주어진다. 원물이 평면이면, 자유도 2는 병진 운동이고 원물의 평면 내에서 서로 수직인 반면에, 자유도 3은 원물의 평면에 거의 수직으로 회전 운동한다. 회전 추적의 정확성은 두개의 항행 어레이를 사용하여 향상되며, 단 하나의 항행 어레이가 사용되면, 보다 작은 어레이 면적을 갖는 각각의 어레이가 필요할 것이다. 바람직한 실시예에 있어서, 항행 센서가 2차원 어레이인 센서라고 하더라도, 선형 어레이가 또한 사용될 수 있다. 더욱이, 이하 충분히 설명된 바와 같이, 이미지 데이타를 수정하는 항행 정보는 인코딩 휠 및 볼, 컴퓨터 마우스 트랙볼, 겹침 그리드-검출기, 가속도계, 기계적 연동 장치, 비접촉 전자기 및 정전 연동 장치 및 시간 지연 집적 센서 어레이를 구비하는 주사 장치에 다른 위치 추적 수단을 설치함으로써 쉽게 획득될 수 있다. 이들 대체 실시예에 있어서, 이미지 데이타를 수정하기 위한 항행 정보는 원물의 소정의 고유한 구조 관련 속성에 독립적인 방법으로 획득되는데, 그 이유는 위치 추적이 이미지 획득을 포함하지 않기 때문이다.
항행 센서는 이미지 센서에 대해 알려진 위치에 존재한다. 바람직하게, 항행 센서는 가능한 한 이미징 센서의 종점(end point)에 근접시킴으로써, 이미지 어레이가 이동됨에 따라서 항행 센서가 원물의 에지를 넘어선 이동에 덜 민감하게 된다. 이미지 센서는 관심있는 이미지를 나타내는 신호를 형성한다. 동시에, 각각의 항행 센서는 원물의 고유한 구조 관련 속성을 나타내는 신호를 형성한다. 주사 장치는 원물을 따라서 갑자기 좌에서 우로 혹은 우에서 좌로 이동을 변경할 수 있는 패턴인 프리핸드 미앤더링 패턴(freehand meandering pattern)으로 이동할 수 있으며, 장치는 원물과 접촉을 유지한다. 사이드-사이드(side-to-side) 스워스의 각각은 전술한 스워스의 일부를 오버랩함으로써 이미지가 위치에 대하여 조작되고 주사 처리 중이나 혹은 주사 처리에 이어 스티칭될 수 있다. 이미지 신호의 조작은 이미지 데이타의 수정이고, 수정은 항행 센서 혹은 센서들과 항행 센서에 의해 검출되는 고유한 구조 관련 속성간의 상대적인 이동에 기초한다. 조작은 이미지 신호의 "수정", 즉 원물과 출력 이미지간의 일치를 성취하기 위해 항행 데이타에 기초한 획득 이미지 데이타를 정렬시키고 수정하는 동작이다. 스티칭은 연속적인 스워스 동안 획득된 이미지 데이타를 접속시키기 위해 사용된다.
바람직하게, 각각의 항행 센서는 원물의 고유한 구조 관련 속성에 종속하는 콘트라스트를 제공하도록 설계된 하나 이상의 광원을 구비한다. 발광은 가시 범위내일 수도 있지만, 이것이 필수적인 것은 아니다. 예를 들면, 표면 수직선에 비해 입사각 보다 큰 각을 갖는 "그레이징(grazing)" 광은 페이퍼 물품인 원물의 표면 또는 근처에서 페이퍼 섬유와 상호작용하여, 섬유간의 콘트라스트 향상 섀도우(shadow)를 생성한다. 다른 한편, 원물이 포토그래픽 프린트(photographic print), 클레이 코팅 페이퍼(clay-coated paper) 또는 오버헤드 투명 필름(overhead transparency film)과 같은 광택이 있는 표면을 갖는 경우, 직각으로 입사하는 광은 항행 목적에 충분한 이미지-콘트라스트 모습(image-contrast features)을 갖는 경면 필드 내에 이미지를 제공할 것이다. 필터와 같은 광 소자 및 하나 이상의 이미징 렌즈는 고유한 구조 관련 속성의 검출을 더욱 향상시킨다.
본 발명의 이점은 주사 장치 및 방법이 주사 장치의 이동 자유도 3을 허용하는 동시에 계속해서 양질의 이미지 캡처를 제공한다는 점이다. 따라서, 이미지 캡처 처리를 통해 원물의 표면과 접촉하는 것에 의해 제공되는 것 이외에, 기계적인 제약이 없을 때 운반가능한 포켓 크기의 주사 장치가 제조되어 사용될 수 있다. 실제로, 이미지 수정이 항행 이미지의 상관에 의해 제공되는 실시예의 경우, 장치와 원물의 접촉 제약이 제거될 수 있다. 다른 이점은 바람직한 실시예의 주사 장치가 고유한 구조적 모습에 기초한 전자 이미지를 형성하기 때문에, 원물의 이미지 모습 사이의 "백색 공간(whitespace)"의 넓은 영역이 보존됨으로써 스티칭 단계 동안 보다 근접하여 함께 움직이는 이미지 모습의 결과를 초래하지 않을 것이다.
제 1 도를 참조하면, 운반가능한 휴대용 주사 장치(10)가 원물(14)을 따라 구불구불한 경로(meandering path)(12)를 따르는 것으로 도시된다. 바람직한 실시예에서, 원물은 한장의 페이퍼, 오버헤드 투명 필름, 또는 원물의 고유한 구조 관련 속성이 구불구불한 경로를 따라서 항행하는 동안 위치 정보를 제공하기 위해 충분한 콘트라스트를 발생시키는 임의의 다른 이미지를 포함하고 있는 표면이다. 전형적으로, 고유한 구조적 모습의 위치가 추적되며 위치 정보가 이미지 데이타를 수정하기 위해 사용되지만, 다른 실시예가 설명될 것이다. 주사 장치는 자체로서 완비되고 배터리로 전력이 공급되는 것이 바람직하지만, 외부 전원 또는 컴퓨터 혹은 네트워크의 데이타 포트에 대한 접속을 포함할 수도 있다.
제 1 도의 주사 장치(10)는 이미지 디스플레이(image display)를 구비한다. 디스플레이는 캡처된 이미지를 거의 즉각적으로 표시할 수 있다. 그러나, 디스플레이는 주사 장치의 사용에 필수적인 것은 아니다.
주사 장치(10)는 자유도 3을 허용하는데, 2 개의 자유도는 병진 운동이고 1개의 자유도는 회전 운동이다. 제 1 자유도는 원물(14)을 따라서 사이드에서 사이드로 이동(X축 이동)하는 것이다. 제 2 자유도는 원물을 따라서 상하로 이동(Y축 이동)하는 것이다. 제 3 자유도는 원물(14)의 에지에 대하여 이미지 센서 소자의 선형 어레이의 회전 오정렬에 의해 장치를 동작시킬 수 있는 능력이다(θ축 이동). 즉, 이미징 소자의 선형 어레이는 장치의 전이 방향에 수직이 아닌 개시각(angle of attack)을 가질 수 있다.
제 1-3 도를 참조하면, 주사 장치(10)의 전방 측면(18)은 원물(14)과 이미징 센서(22) 간의 적절한 접촉을 유지하는 데 도움을 주는 피봇 부재(pivoting member)(20)를 구비한다. 항행 센서(24 및 26)는 이미징 센서의 반대 단부에 위치된다. 항행 센서가 피봇 부재 상에 장착되기 때문에, 항행 센서는 이미징 센서에 대하여 고정된 위치에 존재한다.
물리적인 소형화를 위해, 이미징 센서 어레이(22)는 접촉 이미지 장치(contact image device)인 것이 바람직하지만, 소형화보다는 보다 작은 이미지가 요구되는 응용에 대해, 1(unity)보다 작은 배율을 갖는 투사 광학에 이용되는 센서가 이용될 수도 있다. 이러한 응용에 있어서, 이미징 센서(22)의 소자는 보다 작을 수 있으며, 서로 보다 가깝게 패키징된다. 접촉 이미징 장치는 전형적으로 SEIFOC란 상표명으로 판매되고 있는 렌즈를 이용하며, 이 렌즈는 Nippon Sheet Glass Company Limited의 연방 등록 상표이다. 보다 덜 통상적으로, 접촉 이미징은 어떠한 이미징 렌즈도 갖지 않는 소스의 인터리빙된 어레이 소자, 기부 센서(proximal sensors)를 사용하여 획득될 수 있다. 주사 응용을 위한 종래의 이미징 센서가 사용될 수도 있다. 이미징 센서는 또한 조명원(illumination source), 조명 광학 장치(illumination optics) 및 이미지 전송 광학 장치(image transfer optics)를 포함하는 장치(unit)의 일부일 수 있다.
이미징 센서는 이산 광 감지 소자의 선형 어레이로서 도시된다. 소자의 간격은 스캐너(10)의 공간 해상도(spatial resolution)를 결정하는 역할을 한다. 예를 들면, 101.6mm의 길이를 갖는 선형 어레이는 300 dpi의 해상도를 성취하기 위해 1200개의 센서 소자를 필요로 한다. 센서는 전하 결합 장치(charge coupled device), 비정질 실리콘 포토다이오드 어레이(amorphous silicon photodiode array) 또는 본 기술 분야에 알려져 있는 임의의 다른 유형의 선형 어레이 센서일 수 있다.
이미징 센서 장치의 설계 시 고려해야 할 핵심적인 사항은 속도이다. 이미징 센서(22)는 초당 약 10K 샘플로 각 픽셀을 이미징할 수 있는 것이 바람직하다. 통상적으로, 선형 이미징 어레이는 직렬 데이타 스트림을 발생시키며, 픽셀값, 즉, 전하는 시프트 레지스터(shift register) 내에 배치된 후 시프트 아웃된다. 원하는 속도를 성취하기 위해서는 전체 이미지 어레이로부터의 매우 빠른 직렬 전송 속도나 다중 탭(multiple tabs)을 필요로 하며, 따라서 픽셀값은 보다 적은 셀을 통해 시프트된다. 이것은 디지탈 처리에 유리한 병행법(parallelism)을 도입한다.
속도 필요 조건의 다른 중요성은 원물의 표면에서 픽셀 영역의 프로덕트 및 각각의 어레이 소자에 수집되고 운반되는 방출된 광의 입체각(solid angles)이 100㎲ 정도의 적분 시간 동안 검출가능한 신호를 발생할 만큼 충분히 커야 한다는 것이다. 성능 향상 옵션은 광 소자를 센서에 추가하여 각각의 감지 소자가 응답하는 센서 피치의 유효 부분을 증가시킨다. 전형적으로 어레이 매트릭스 내에 사용되지 않는 영역이 존재하기 때문에, 이러한 광 수집 광학 장치는 감도를 증가시킬 수 있다.
이미징 센서(22)의 직접적인 수정은 컬러 이미지의 감지를 인에이블시킨다. 세 개의 선형 어레이는 서로 나란하며, 이들 각각은 입사광의 적색, 녹색 및 청색 성분을 선택적으로 통과시키는 적어도 하나의 내장된 필터 소자를 가지며, 컬러 이미징을 가능하게 할 것이다. 또한, 광대역 감도를 갖는 단일 어레이가 적색, 녹색 및 청색 광원에 의해 순차적으로 조명될 수 있다.
이미징 센서(22)의 동작을 개선하기 위한 조명에 관해서는, 황갈색(amber) 파장에서 고강도 발광 다이오드의 선형 어레이가 사용될 수 있다. 그러나, 바람직한 조명원 및 모든 광 소자의 선택은 원물의 매체에 종속된다. 광의 파장은 원물(14)의 주어진 영역의 주사 동안 획득된 콘트라스트 이미지 데이타를 최대화하기 위해 선택되지만, 원하지 않는 신호를 고려하지는 않는다. 조명 광학 장치는 LED 돔 렌즈(LED dome lenses)로 구성되거나 혹은 최소의 광 손실로 원물 상에 조명을 전달하는 정밀 몰드형 광 소자(precision-molded optical element)로 구성된 광 파이프(light pipe)를 구비할 수도 있다. 이러한 설계는 넓은 각도로 원물의 목표 영역에 비교적 균일한 조명을 제공할 수 있지만, 경면 반사를 피하기 위해 수직 입사 광선(normal incident rays)을 차단한다.
제 1 도에서, 구불구불한 경로(12)는 4와 1/2의 스워스, 즉 원물(14)을 가로질러 사이드에서 사이드로 지나는 것으로 도시된다. 대부분의 편의주의적인 응용에 대해 유용한 이미징 센서(22)는 25.4mm 및 101.6mm 범위내의 길이를 갖는다. 센서(22)가 63.5mm의 길이를 가지면, A4 페이퍼가 4 또는 5 스워스 내에 주사될 수 있다. 이하 보다 상세히 설명된 바와 같이, 스워스는 오버랩의 영역을 포함할 수 있으며, 따라서 스티칭 공정이 원물 이미지를 충실히 재생하기 위해 사용될 수 있다.
주사 장치(10)는 전형적으로 적어도 하나의 항행 센서(24 또는 26)를 구비한다. 바람직한 실시예에서, 장치는 한 쌍의 항행 센서를 구비하며, 센서는 이미징 센서(22)의 반대 단부에 존재한다. 1차원 어레이의 광전자 소자가 사용될 수 있지만, 바람직한 실시예에서, 각각의 항행 센서는 2차원 어레이 소자이다. 항행 센서(24 및 26)는 원물(14)에 대한 주사 장치(10)의 이동을 추적하는데 사용된다.
바람직한 실시예에서, 각각의 항행 센서(24 및 26)는 주사 장치(10)의 위치와 관련된 정보를 발생시키기 위해 원물의 고유한 구조 관련 속성에 관련된 이미지를 캡처한다. 대부분의 종래 기술의 주사 장치의 경우, 고유한 구조적 모습은 잡음(noise)인 것으로 고려된다. 제 1-3 도의 주사 장치(10)의 경우, 이러한 모습은 이미징 센서(22)에 대해서는 잡음이지만, 항행 센서(24 및 26)에 토대를 제공하여 위치 정보를 발생하는데 사용될 수 있다. 표면 텍스쳐의 유용하고 높은 콘트라스트는 매체에 대해 고유하거나 혹은 매체, 예를 들면 텍스트 상에 형성되는 구조적 변화를 검출함으로써 발생될 수 있다. 예를 들면, 이미지는 고유한 구조적 모습의 계곡 내 음영과 피크에서의 밝은 스폿간의 콘트라스트를 토대로 하여 형성될 수 있다. 통상 이러한 모습은 현실적으로 미세 구조이며, 공통 프린트 매체 상에서 10㎛와 40㎛ 사이의 크기를 갖는다. 대안으로서, 스펙클이 사용될 수도 있는데, 그 이유는 코히어런트 빔의 경면 반사가 밝고 어두운 영역의 콘트라스트 패턴을 발생하기 때문이다. 콘트라스트 정보의 제 3 소스는 컬러이다. 컬러 콘트라스트는 표면 텍스쳐에 독립적이다. 심지어 가시 범위 내 광으로 텍스쳐가 없는 표면을 조명하는 경우에도, 컬러 콘트라스트가 상이한 컬러의 영역들 사이, 즉 그레이의 상이한 색조 사이에 존재한다.
그러나, 항행 정보가 원물의 고유한 구조 관련 속성에 영향을 받지 않는 응용에 대해 본 발명을 이용하는 것이 고려된다. 예를 들면, 제 2 도의 항행 센서(24 및 26)의 하나 또는 모두가 원물에 관한 프린트의 연속적인 이미지를 형성하기 위해 사용될 수도 있으며, 연속적인 이미지의 상관(correlation)이 원물(14)을 따라서 이미징 센서(22)의 위치 및 방향성(orientation)을 결정하기 위해 사용된다. 본 실시예에 있어서, 세개의 센서(22, 24 및 26) 모두는 원물에 관해 텍스트를 이미징하지만, 센서(22)로부터의 신호만이 이미지 데이타를 획득하는 데 사용된다. 항행 센서(24 및 26)로부터의 신호는 이미지 기반 항행 정보를 획득하기 위해 사용된다.
이미징하지 않는 방법이 또한 X, Y 및 세타(θ) 위치 정보를 획득하고 처리하기 위해 사용될 수 있다. 불행히, 다수의 대체 수단은 소형화(compactness), 사용의 편의성, 속도, 이동 자유도, 전력 소모, 정확성, 정밀성 및/또는 비용에 관한 각종 제한을 갖는다. 위치 정보를 획득하는데 이용할 수 있는 하나의 이미징에 의존하지 않는 대안은 항행 센서 대신에 하나 이상의 인코딩 휠(encoding wheels)을 제공하는 것이다. 그 다음, 인코딩 휠은 주사된 표면상에서 슬립(slip)없이 회전될 수도 있으며, 직선 또는 곡선 궤도를 따라 이동하도록 주사 장치를 인에이블링 시킨다. 인코딩 휠이 공통 축(common axis)상에 존재하는 것은 중요한 것이 아니다. 휠은 축받이(swivel)에 장착될 수도 있다. 모니터 회전 장치에 결합된 인코더는 시작 위치 및 방향성에 대한 이미징 센서의 위치 및 방향성을 계산하기 위해 입력 데이타를 제공할 것이다.
항행 정보를 획득하기 위한 다른 이미지와 무관한(image-free) 방법은 컴퓨터 마우스와 유사한 트랙볼을 사용하는 것이다. 트랙볼이 전술한 각각의 인코더 휠 대신에 사용될 수 있다. 인코더는 각각의 트랙볼로부터 2차원 변위 정보를 획득하기 위해 사용될 것이다. 다른 방법으로서, 광(optical) 또는 전자(용량성, 저항성 또는 유도성) 센서가 제 2 도의 항행 센서 대신에 사용되어 협동적인(능동 또는 수동) 그리드 또는 주사되고 있는 원물에 대한 지지물(support)로서 제공되는 하부의 태블릿(underlying tablet)내에 구성되는 다른 기준과 관련하여 위치 및 방향성을 감지한다.
위치 및 방향성 정보를 획득하는 또 다른 이미지와 무관한 방법은 가속도계(accelermeter)를 제공하는 것이다. 온-보드 관성 항행 플랫폼(on-board inertial navigation platform)이 사용될 수도 있으며, 가속도가 속력을 얻기 위해 1회 감지 및 적분되거나, 위치를 획득하기 위해 2회 감지 및 적분된다. 또는, 스프링 서스펜드 질량(spring-suspended mass)의 속력은 위치를 획득하기 위해 1회 감지 및 적분될 수 있다. 자이로스코프(gyroscopes)가 방향성을 직접 감지하기 위해 이용될 수도 있다.
또 다른 대안적인 방법은 주사되고 있는 매체에 대해 고정된 기준 좌표에 대한 위치 및 방향성을 추적하기 위한 모든 각종 기계적인 연동 장치를 사용할 것이다. 위치 및 방향성 정보는 기계적인 부재의 상대적인 이동을 측정하기 위해 결합된 센서를 이용하여 획득될 수 있다. 이들 센서는 상대적이거나 혹은 절대적인 유형일 수 있으며, 직접적인 위치 및 방향성 감지를 기초로 할 수 있으며, 그 다음 가속도 혹은 속력의 감지가 위치를 획득하기 위해 1 회 또는 2 회 시간에 대해 적분될 것이다. 또한, 주사된 원물에 대해 고정된 기준 좌표에 대한 주사 장치의 위치 및 방향성을 측정하기 위해 비접촉 원격 감지가 사용될 수도 있다. 이러한 비 접촉 감지의 예는 전자계, 파(wave) 또는 빔(예를 들면, 광 또는 무선 주파수); 전계 효과(예를 들면, 용량성); 및/또는 자계 효과(예를 들면, 유도성)를 이용한 감지를 포함할 것이다. 이들 방법은 표준 또는 차동 글로벌 위치지정 기술(differential Global Positioning technologies)을 이용할 수 있으며, 잠재적으로 인공위성을 이용할 수 있다. 이들 방법은 또한 삼각 측량술과 같은 전통적인 항행/측량 방법을 포함할 수 있다. 이들 방법은 또한 성형된 광 빔을 사용하고 이들 빔이 이동중인 물체를 인터셉트하는 곳의 이미지로부터 위치를 해석하는 것과 같은 로봇 공학 기술에서 이용되는 기법을 포함한다.
제 2 도의 항행 센서(24 및 26)는 원물(14)의 이동 이미지를 효과적으로 관측하고 연속적인 관측 사이의 2차원 평면 내 변위의 표시(indication)를 발생한다. 이하 보다 상세히 설명된 바와 같이, 항행 센서로부터의 픽셀값은 이미징 센서(22)로부터의 이미지 데이타의 적절한 맵핑을 결정하도록 소자를 처리함으로써 동작된다. 처리 소자는 특정 픽셀에 대하여 동작하고 각각의 픽셀 위치에서 상관 값의 어레이를 발생하기 위해 자신의 가장 가까운 근처에서 동작한다. 상관 값은 표면 구조의 현재 이미지와 고유한 구조적 모습의 알려진 위치를 나타내는 저장된 이미지간의 비교에 기초하며, 저장된 이미지는 위치 기준으로서 역활을 한다. 그러나, 상관 처리와 다른 동작은 출력 이미지를 형성하기 위해 입력 이미지 데이타를 조작하는데 이용될 수도 있다.
제 4 도 및 제 5 도를 참조하면, 항행 센서(24)는 조명 광학 장치와 동작적으로 연관되는 것으로서 도시된다. 원물(14)이 페이퍼 섬유가 항행 센서(24)에 의해 검출될 페이퍼 물품인 경우, 그레이징 입사각으로 광이 입사되는 것이 바람직하다. 필수적인 것은 아니지만, 하나 이상의 발광 다이오드(LED)(28)가 사용될 수 있다. 입사각의 보수인 그레이징각(30)은 0˚에서 15˚사이가 바람직하지만, 이것은 원물(14)의 속성에 따라서 변할 수 있다. 제 5 도에서, 소스(28)는 조명 광학 장치(34)를 갖는 것으로 도시된다. 광학 장치는 적절한 시준 및 통상적으로 타겟 표면의 균일한 조명을 성취하기 위해 단일 소자(single element) 또는 렌즈, 필터 및/또는 홀로그래픽 소자의 조합을 포함할 수 있다. 소스(28)에 의해 방출된 광의 파장은 항행에 이용할 수 있는 공간 주파수 정보를 향상시키도록 선택될 수 있다. 조명 필드 내 고정된 패턴 잡음은 최소화되어야 한다. 소스(28)의 출력은 주사 장치가 흡수 혹은 반사 잉크 또는 기타 표시 작용제(marking agent)를 갖는 프린트 재료 위로 진행함에 따라서 매체 반사성의 넓은 동적 범위를 수용하기 위해 조정을 필요로 할 수도 있다.
제 4 도에서, 소스(35)로부터의 광은 조명 광학 장치(36)에서 시준된 후 진폭 분할 빔 스플리터(amplitude splitting beam-splitter)(37)에 의해 재반사된다. LED로부터의 광 에너지 일부는 제 4 도에 도시되지 않은 빔 스플리터를 통해 직접 전송된다. 빔 스플리터로부터의 광 에너지는 표면에 수직하게 원물(14)을 따라서 조명된다.
또한, 원물(14)로부터 반사되거나 혹은 산란되고 소자(38)에서의 구경(aperturing) 및 필터링을 위해 그리고 소자(39)에서 이미지에 대한 집속을 위해 빔 스플리터(37)를 통과하는 광 에너지의 일부가 제 4 도에 도시된다. 원물에서 빔 스플리터로 진행되고 빔 스플리터로부터 반사되는 광 에너지 부분은 도시되지 않는다. 항행 이미징 광학 장치의 배율은 집속된 광을 검출하는 2차원 센서 어레이(24)의 시야 전체에 걸쳐서 일정해야 한다. 다수의 응용에 있어서, 변조 전달 함수(modulation transfer functions), 즉 항행 광학 장치의 광 주파수 응답의 진폭 측정은 항행 센서의 센서 소자의 피치 및 광 소자의 배율에 의해 결정되는 나이퀴스트 주파수(Nyquist frequency)에 앞서 감쇠를 제공할 정도이어야 한다. 광 소자는 또한 배경 조명이 잡음을 생성하는 것을 방지하도록 설계되어야 한다. 파두 분할 빔 스플리터(wavefront splitting beam-splitter)가 또한 사용될 수 있다는 것을 주목해야 한다.
입사각의 선택은 원물의 재료 속성에 달려있다. 조명의 그레이징각은 보다 긴 섀도우 및 보다 분명한 콘트라스트, 혹은 원물의 표면이 광택이 없는 경우 AC 신호를 발생한다. 그러나, DC 신호 레벨은 조명각이 원물에 수직으로 됨에 따라서 증가한다.
그레이징각(30)으로 원물(14)의 타겟 영역을 조명하는 것은 원물의 표면이 미세 구조 레벨에서 높은 불균일도를 갖는 응용에 대해 잘 작용할 것이다. 예를 들면, 그레이징각으로 소스(28)로부터의 광의 유도는 원물이 움직이지 않는(stationery), 카드보드(cardboard), 섬유(fabric) 또는 인간의 피부(human skin)인 경우 고유한 구조적 모습과 관련된 데이타의 높은 신호 대 잡음비를 제공한다. 다른 한편, 수직 입사각으로 인코히어런트 광을 사용하는 것은 위치 데이타가 포토그래프, 광택이 있는 잡지 페이지 및 오버헤드 투명 필름과 같은 원물을 따라 스캐너 이동을 추적하는데 필요한 응용에 바람직할 수도 있다. 수직 조명과 함께 인코히어런트 광을 사용하고 특정 반사 필드내의 원물을 뷰잉함으로써 이미지 및 상관 기반 항행을 허용하기 위해 텍스쳐 내용 내에 매우 풍부한 이미지를 제공할 것이다. 원물의 표면은 극미세 릴리프(microscopic relief)를 가지므로 표면이 마치 타일의 모자이크 또는 패싯(facets)처럼 광을 반사한다. 원물의 많은 "타일"은 수직으로부터 약간 벗어난 방향으로 광을 반사한다. 따라서, 산란된 광 및 특정 반사된 광을 포함하는 시야는 표면이 다수의 이러한 타일로 구성된 것과 같이 모델링될 수 있으며, 각각의 표면은 수직에 대해 약간 다르게 경사진다. 이러한 모델링은 더블유. 더블유. 바르카스(W. W. Barkas)에 의해 Proc. Phys. Soc., Vol. 51, pages 274-292(1939)에 "Analysis of Light Scattered from a Surface of Low Gloss into Its Specular and Diffuse Components"란 명칭으로 발표된 논문에 설명되어 있는 모델링과 유사하다.
제 4 도는 원물(14)의 표면에 수직인 방향을 따르는 인코히어런트 광의 소스(35)에 의한 조명을 도시한다. 제 5 도는 그레이징각(30)에서의 조명을 설명한다. 제 3 실시예에 있어서, 조명이 제공되지 않는다. 대신에, 항행 정보가 배경 광(background light), 즉 환경으로부터의 광을 사용하여 축적된다.
제 4 실시예에 있어서, 코히어런트 조명이 수직 입사되어 스펙클에 기초한 항행을 허용한다. 주사 장치와 원물 간의 상대적인 이동은 항행 센서에 대한 스펙클의 이동을 감시함으로써 추적될 수 있다. 코히어런트 조명이 이미징 광학 장치의 사용없이 이용된다면, 좁은 영역의 조명을 선택하고 원물의 표면과 항행 센서(24)의 광검출기 어레이간의 비교적 큰 분리를 가짐으로써, 코히어런트 조명에 의한 결과적으로 눈에 띄는 스펙클 셀 크기는 나이퀴스트 샘플링 기준을 만족시킬 정도로 충분히 크다. 빔 스플리터의 사용은 입사 조명과 검출된 산란 모두의 방향이 제 4 도에서 유사하게 성취된 바와 같이 원물의 표면에 거의 수직이 되도록 한다.
제 6 도를 참조하면, 스캐너(10)는 원물의 표면상에 프린트된 블럭(46)을 갖는 원물(44)을 가로질러 이동중인 것으로 도시된다. 스캐너(10)는 원물의 평면 내 어떠한 운동학적 제약에도 종속되지 않기 때문에, 사용자의 손 및 앞팔(forearm)이 팔꿈치를 중심으로 회전하는 경우와 같이, 사용자는 원물을 가로지르는 곡선 경로를 따르려는 경향이 있다. 제 6 도에서, 주사 장치는 블럭(46)을 가로질러 곡선 경로(48)를 따르는 것으로 도시된다. 주사 장치의 하부 에지가 회전축을 정의하는 팔꿈치에 보다 가까운 에지인 경우, 하부 에지는 보다 짧은 반경을 가질 것이다. 결과적으로, 이미징 센서의 이미징 소자는 블럭(46)을 통과하는데 필요한 시간 및 거리에 대하여 변할 것이다. 블럭의 왜곡된 이미지(50)는 장치가 점선으로 표시된 제 2 위치(52)로 이동될 때 캡처된다.
캡처된 이미지(50)는 이하 설명될 처리가 없는 저장 이미지일 것이다. 그러나, 이미징 센서가 블럭(46)과 관련한 데이타를 캡처함에 따라서, 항행 정보가 요구된다. 바람직한 실시예에서, 하나 이상의 항행 센서는 원물(44)의 고유한 구조적 모습과 관련된 데이타를 캡처한다. 주사 장치(10)와 관련한 고유한 구조적 모습의 이동은 블럭(46)과 관련한 이미징 센서의 변위를 결정하기 위해 추적된다. 그 다음, 충실하게 캡처된 이미지(54)가 형성될 것이다. 본 명세서에서 이미지(54)는 "수정된" 이미지로 정의된다.
제 7 도에서, 항행 처리의 일실시예가 도시된다. 항행 처리는 고유한 구조적 모습과 관련된 데이타와 같은 항행 정보의 연속적인 프레임을 상관시킴으로써 수행된다. 상관은 연속적인 프레임 내 고유한 구조적 모습의 위치를 비교하여 특정 시간에서 항행 센서의 위치와 관련된 정보를 제공한다. 그 다음, 항행 정보가 이미지 데이타를 수정하기 위해 사용된다. 제 7 도의 처리는 전형적으로 각각의 항행 센서에 대해 수행된다.
제 1 단계(56)에서, 기준 프레임이 획득된다. 실제로, 기준 프레임이 시작 위치이다. 보다 늦은 시간에서 항행 센서의 위치는 보다 늦은 시간에서 항행 센서로부터 위치 데이타의 샘플 프레임을 획득하는 단계(58) 이후에 기준 프레임과 보다 늦게 획득된 샘플 프레임간의 상관을 계산하는 단계(60)에 의해 결정될 수 있다.
초기 기준 프레임을 획득하는 단계(56)는 이미징 처리의 개시 시 발생할 수 있다. 예를 들면, 획득은 단지 원물과 접촉하게 주사 장치를 배치함으로써 트리거될 수 있다. 또한, 주사 장치는 이미징 처리 및 항행 처리를 개시하는 시작 버튼(start button)을 구비할 수 있다. 개시는 또한 각각의 항행기(navigator)의 조명 시스템을 주기적으로 펄스시킴으로써 수행될 수 있다. 사전정의된 반사 임계치를 초과하는 반사 신호가 존재하거나 혹은 이동을 나타내는 상관 신호가 존재하면, 기준 프레임이 획득된다.
항행 처리가 계산적으로 수행되지만, 본 발명의 실시예의 개념은 제 7 도 및 제 8 도를 참조하여 설명될 수도 있다. 기준 프레임(62)은 T 형의 고유한 구조적 모습(64)의 이미지를 갖는 것으로 도시된다. 기준 프레임의 크기는 주사 장치의 최대 주사 속도, 구조적 모습의 이미징 시의 현저한 공간 주파수 및 센서의 이미지 해상도와 같은 인자(factors)에 달려있다. 32 픽셀(N) x 64 픽셀(M)인 항행 센서에 대한 기준 프레임의 실제적인 크기는 24 x 56 픽셀이다.
보다 늦은 시간(dt)에서, 항행 센서는 프레임(62)에 대해 변위된 샘플 프레임(66)을 획득하지만, 이것은 실질적으로 동일한 고유한 구조적 모습을 나타낸다. 지속 기간(dt)은 T 형 모습(64)의 상대적인 변위가 주사 장치의 전이 속도에서 항행 센서의 한 픽셀보다 작게 설정되는 것이 바람직하다. 수용가능한 시간 주기는 600dpi에서 0.45m/sec의 속력에 대해 50㎲이다. 이러한 상대적인 변위는 본 명세서에서 "마이크로 단계(microstep)"로 지칭된다.
주사 장치가 기준 프레임(62)을 획득하는 단계(56)와 샘플 프레임(66)을 획득하는 단계(58) 사이의 시간 주기 동안 이동하였다면, T 형 모습의 제 1 및 제 2 이미지는 모습이 시프트된 이미지일 것이다. dt가 전체 픽셀 이동을 허용하는 시간보다 작은 실시예가 바람직한 실시예이지만, 제 8 도에 도시된 개략적인 도면은 모습(64)이 한 픽셀씩 우측으로 시프트 업(shift up)되도록 하는 도면이다. 전체 픽셀 시프트는 단지 표시를 단순히 하기 위한 것으로 가정된다.
제 8 도의 소자(70)는 프레임(68)의 픽셀값이 8개의 가장 가까운 인접 픽셀로 순차적으로 시프트되는 것을 나타낸다. 즉, 단계 "0"은 시프트를 포함하지 않고, 단계 "1"은 좌측 상방으로의 대각선 시프트이며, 단계 "2"는 상방으로의 시프트 등이다. 이러한 방법으로, 픽셀 시프트된 프레임은 샘플 프레임(66)과 조합되어 위치 프레임의 어레이(72)를 발생할 수 있다. "위치 0"으로서 표시된 위치 프레임은 시프트를 포함하지 않으며, 따라서 결과는 단지 프레임(66)과 프레임(68)을 조합한 것에 지나지 않는다. "위치 3"은 최소의 그늘진 픽셀을 가지며, 따라서 최고의 상관을 갖는 프레임이다. 상관 결과에 기초하여, 샘플 프레임(66) 내 T 형 모습(64)의 위치는 앞서 획득된 기준 프레임(62)내 동일한 모습의 위치에 대해 우측 및 상방으로의 대각선 시프트인 것으로 결정되며, 이것은 주사 장치가 시간(dt) 동안 좌측 방향 및 하방으로 움직였다는 것을 암시한다.
다른 상관 방법이 이용될 수 있다 하더라도, 수용가능한 방법은 "제곱 차의 합(sum of the squared differences)" 상관이다. 제 8 도의 실시예에 대해, 소자(70)에서 9개의 오프셋으로부터 형성되는 9개의 상관 계수(Ck=C0, C1...C8)가 존재하며, 상관 계수는 하기 식
으로부터 결정되며, 여기서 Sij는 샘플 프레임(66)의 위치 ij에서의 항행 센서 측정값을 나타내고, Rij는 소자(70)에서 k 방향으로 시프트될 때 프레임(68)에서의 항행 센서 측정된 값을 나타내며, k는 소자(70)에서 시프트의 식별자이다. 제 8 도에서, k=3은 최저값을 갖는 상관 계수를 제공한다.
상관은 프레임에서 프레임으로의 모습의 변위를 결정하기 위해 연속적인 프레임에서 동일한 모습의 위치를 찾는데 사용된다. 이들 변위를 더하거나 혹은 적분하는 단계 및 관련 광학 장치의 설계를 통해 유도된 스케일 인자들에 대한 수정 단계는 주사 절차 처리로서 이미징 센서의 변위를 결정한다.
전술한 바와 같이, 프레임 대 프레임 상관은 "마이크로 단계"로서 지칭되는데, 그 이유는 프레임 속도가 충분히 높게 선택되어 단일 픽셀의 면적을 초과하지 않는 변위를 보장하기 때문이다. 오버샘플링은 서브픽셀 변위 정밀도(sub-pixel displacement precision)를 제공할 수 있다. 제 7 도를 참조하면, 마이크로 단계가 취해질 것인지의 결정(determination)(74)은 상관의 각각의 계산(64)에 따라 이루어진다. 마이크로 단계가 필요하면, 기준 프레임이 단계(76)에서 시프트된다. 이 단계에서, 제 8 도의 샘플 프레임(66)이 기준 프레임으로 되어 새로운 샘플 프레임이 획득된다. 그 다음, 상관 계산이 반복된다.
비록 프로세스가 고도의 상관 정합을 제공하더라도, 발생되는 소정의 에러는 기준 프레임 지정에 대한 샘플 프레임(66) 각각의 연속적인 시프트(76)에 의해 축적될 것이다. 이러한 "랜덤 워크(random walk)" 에러의 성장율에 제한을 가하기 위해 샘플 프레임이 개개의 버퍼 메모리 내에 저장된다. 이러한 개별적으로 저장된 샘플 프레임은 후속적인 일련의 상관 계산을 위한 새로운 기준 프레임으로 된다. 뒤늦은 상관은 "마이크로 단계"로서 지칭된다.
마이크로 단계를 사용하여, m 이미지 프레임 변위의 거리, 즉 m 마이크로 단계를 통해 스캐너 변위의 보다 정밀한 결정이 획득될 수 있다. 한 마이크로 단계 내 에러는 단일 상관 계산의 결과인 반면에, m 마이크로 단계의 동등한 에러는 단일 마이크로 단계에서의 에러의 m1/2배이다. m 마이크로 단계의 에러의 평균이 m이 증가함에 따라서 영에 접근한다 하더라도, 에러의 평균에 있어 표준 편차는 m1/2만큼 증가한다. 따라서, 실질적으로 큰 m을 갖는 마이크로 단계를 사용하여 축적된 에러의 표준 편차를 감소시키는 것이 바람직하며, 마이크로 단계를 정의하는 두개의 프레임이 서로 먼거리로 이격되지 않는 한 이들은 공통 이미지 내용의 중요한 영역을 갖지 않는다.
샘플링 주기 dt는 일정하지 않을 것이다. 샘플링 주기는 사전 측정치의 함수로서 결정될 수 있다. 변수 dt를 이용하는 하나의 방법은 연속적인 기준 프레임 간의 상대적인 변위를 소정 범위 내로 유지함으로써 변위 계산의 정확성을 개선시킬 것이다. 예를 들면, 상한은 하나의 픽셀 변위일 수도 있는 동시에, 하한은 항행 데이타의 처리에 있어 수치적인 라운드오프 고려 사항에 의해 결정된다.
제 9 도를 참조하면, 그 다음 이미징 센서(22)에서 발생되는 이미지 신호는 항행 데이타에 기초하여 "위치-태그(position-tagged)"될 수 있다. 일실시예에서, 두 항행 센서(24 및 26)로부터의 픽셀값은 제 7 도 및 제 8 도의 동작을 수행하는 항행 프로세서(80)에 의해 수신된다. 계산된 상관에 기초하여, 제 1 항행 센서(24)(X1, Y1)의 현재 위치 및 제 2 항행 센서(26)(X2, Y2)의 현재 위치에 대해 좌표가 결정된다. 항행 프로세서(80)는 또한 픽셀 증폭기(pixel amplifier)(82) 및 아날로그-디지탈 변환기(84)를 통해 이미징 센서(22)의 픽셀값을 수신한다. 제 9 도에는 단지 이미징 센서(22) 및 단일 A/D 변환기(84)로부터 단일 탭만이 도시되어 있지만, A/D 변환기를 각각 갖는 다수의 탭은 본 발명의 범주 내에 속한다. 항행 센서의 현재 위치 좌표는 이미징 센서내 픽셀의 수에 대응하는 데이타 라인의 단부에서 "태그"된다. 따라서, 항행 프로세서(80)의 출력(86)은 위치 태그된 데이타 스트림이다. 제 10 도에서 데이타 스트림의 증분(88)은 N 픽셀 셀의 반대 단부에서 위치 좌표 셀(90, 92, 94 및 96)을 갖는 것으로 도시되었지만, 이러한 순서는 필수적인 것은 아니다.
항행 프로세서(80)의 출력(86)에서 위치 태그된 데이타 스트림은 이미지가 X축과 Y축 모두에서 연속성을 제공하는 메모리 위치를 채우도록 허용하는 이미지 공간 내에 1차적으로 저장될 수 있다. 결과적으로, 이미지 획득은 원물의 상부 좌측 코너에서 하부 우측 코너로의 주사에 제한되지 않는다. 각각의 이미지 픽셀이 임의의 시작점으로부터의 상대적인 (X, Y) 변위와 연관되기 때문에, 이미지는 X 및 Y에서 이미지 메모리의 전체 크기까지 확장될 수 있다.
이미징 센서(22)는 주사 장치가 원물을 가로질러 이동함에 따라서 클럭킹된다. 클럭킹은 센서의 가장 빠른 이동 소자가 픽셀 변위 당 적어도 한번 샘플하도록 보장한다. 제 6 도와 관련하여 전술한 바와 같이, 이미지 캡처 동안 주사 장치(10)의 상당한 곡면인 경우, 이미징 어레이의 한 단부는 나머지 어레이 단부보다 빨리 운반되어 보다 느린 단부에서 픽셀이 과도하게 샘플링되도록 할 것이다. 이러한 상황은 가장 최근의 판독(그레이 스케일에 대해)을 기록하거나 이미지 공간내 특정 픽셀 위치에서 논리 OR 모드(2진 이미지에 대해)내에 기록함으로써 처리될 수 있다.
다음 동작은 위치 태그된 증분을 맵핑하는 것이다. 일실시예에서, 증분의 종점(end points)은 하나의 라인에 의해 결합된다. 이미징 센서(22)의 각각의 픽셀의 거리가 고정되기 때문에, 라인과 관련한 픽셀의 물리적인 위치가 계산될 수 있다. 각각의 픽셀의 물리적인 위치를 결정하는 하나의 방법은 브레센햄 래스터 라인 기법(Bresenham Raster Line Technique)의 수정이다. 수정은 이미징 센서 내 픽셀의 어레이가 고정되기 때문이고, 라인 루프는 동일한 수로 고정될 것이다. 즉, 통상적인 브레센햄 알고리즘은 라인 루프 내 반복 횟수가 delta_x 및 delta_y, 즉 max(delta_x, delta_y) 보다 큰 알고리즘이지만, 수정된 알고리즘에 대해 어레이에 따른 픽셀의 수(N)는 max(delta_x, delta_y)가 주문형으로 사용되는 곳에서 사용되며, 따라서 루프는 N번 실행된다. 다음의 프로그램 소자는 이러한 알고리즘을 설명한다. 즉,
/****************************************************************************
수정된 브레센햄 라인 드로우 알고리즘을 사용한 픽셀값의 N-소자 어레이의 종점의 위치 쌍 (xa, ya) 및 (xb, yb)를 사용하여 get_pixel( )으로 픽셀값을 로드
****************************************************************************/
delta_x=xb-xa;
delta_y=yb-ya;
inc_x=(delta_x > 0)-(delta_x < 0); /* +1 또는 -1씩 증가 */
inc_y=(delta_y > 0)-(delta_y < 0);
delta_x *=inc_x; /* 절대값을 취함 */
delta_y *=inc_y;
x=xa;
y=ya;
x_err=0;
y_err=0;
for (i=0; i<N; i++)
{get_pixel(i/2, x/2, y/2);
x_err +=delta_x;
y_err +=delta_y;
if(x_err >= N)
{x_err -= N;
x += inc_x;
}
if(y_err >= N)
{y_err -= N;
y += inc_y;
}
}
따라서, N 픽셀의 이미징 센서(N)의 종점인 래스터(xa, ya) 및 (xb, yb) 상에 두 종점이 주어지면, 목적은 각각의 픽셀이 판독될 래스터상의 포인트(x, y)를 연속적으로 찾는 것이다. 이들 포인트는 a 및 b에서 종점을 접속하는 직선에 대해 최상의 근사를 형성한다. x 및 y의 차를 취한다. a와 b의 차의 부호로부터, x 및 y가 라인이 횡단됨에 따라서 증가할 것인지 또는 감소될 것인지를 결정한다. x=xa, y=ya에서 시작하여, 두 에러 레지스터 x_err 및 y_err가 영으로 세트되어 루프를 시작한다. 다음, (x, y)에서 값을 판독하여 이 값을 get_pixel( )을 사용하여 출력 래스터에 기록한다. 절반의 항행 해상도를 갖는 선형 이미지 센서가 주어지면, 센서 내 픽셀 수 및 출력 래스터 내 위치에 대해 i/2, x/2, y/2를 사용한다. delta_x 및 delta_y를 각각의 에러 레지스터에 더한 다음, 이들이 N을 초과하는지를 알기 위해 에러 레지스터 모두를 테스트한다. N을 초과하면, 이들로부터 N을 감한 후 x및/또는 y를 증분에 의해 변화시킨다. 에러 레지스터가 N을 초과하지 않는다면, x 또는 y의 현재 값을 계속해서 사용한다. 프로세스는 루프가 N번 실행될 때까지 계속된다.
다음 단계는 이들의 오버랩 영역 내에서 연속적인 이미지 스워스를 스티칭하는 것이다. 이것은 대부분의 축적된 항행 에러를 식별하고 수정하며 모든 나머지 에러를 마스크하기 위한 방법으로 행하여져야 한다. 이러한 "마스킹"은 백색 배경 상의 검은 프린트의 영역에서, 백색 공간 영역 즉 사전정의되거나 혹은 적응적인 임계치를 초과하는 강도값을 갖는 영역에서만 스티칭함으로써 이루어질 수 있다. 이하 설명될 단원은 오버랩 영역으로부터의 리던던트 데이타를 식별(포기)하는 방법 및 항행 에러를 측정하고 수정하는 방법을 설명한다.
이미지 스워스를 스티칭하는 기법은 주사 기술분야에 알려져 있다. 이들 기법은 전형적으로 한 쌍의 완전한 이미지 스워스를 필요로 하고, 두 스워스가 겹치도록 하는 단일, 글로벌 변환을 발생한다. 그러나, 이러한 경우, 연속적인 항행 데이타는 스티칭을 위해 필요한 겹침 정보를 제공한다. 항행 신호가 에러를 축적하려는 경향이 있기 때문에, 항행 신호는 모습 오프셋의 분석으로부터 유도된 정정 신호(correction signal)를 피드백함으로써 연속적으로 수정될 수 있다.
오버랩의 몇몇 영역은 두 이미지 스워스를 스티칭하기 위해 필요한데, 그 이유는 항행 정정이 이러한 영역내 모습을 상관시킴으로써 계산되기 때문이다. 리턴 패스 스워스 #2에 의해 재샘플링되고 있는 스워스 #1이 제 11 도에 묘사된 상황을 고려한다. 따라서, 시간 T에서, 부분적인 스워스는 멀리 주사된다. 제 12 도는 이러한 오버랩 영역(108)을 강조한다. 제 12 도에 도시된 바와 같이, 스워스 #1의 수집 동안, 4변형 이미지 세그먼트(따라서, "겹침 타일"로 불리움)는 전술한 태그(110, 112 및 114)의 위치를 갖는 스워스의 하부 에지를 따라서 주기적으로 레이블링된다. 뒤늦은 통과(스워스 #2)시 스워스 #1의 태그된 영역을 초과하는 "과잉 오버랩 영역(Surplus Overlap Area)"(108)이 클립되고, 클립되는 곳을 결정하기 위해 항행 정보를 사용한다. 스워스 #2에서 각각의 세그먼트 길이가 획득될 때, 스워스 #1로부터의 겹침 타일은 "과잉" 부분이 클립된 후 스워스 #2의 나머지의 상부 내에 위치된다. 항행 데이타가 완전하면, 태그 #1의 위치와 스워스 #2내 타일의 재주사된 이미지의 위치간에 오프셋이 존재하지 않을 것이다. 특히, 몇몇 항행 에러는 마지막 겹침이 수행되었기 때문에 축적될 것이다. 이들 두 타일간의 오프셋은 데이타와 연관된 미래의 항행 위치 태그를 갱신하기 위해 사용되는 정정 인자를 발생하여 전체 축적된 에러를 최소화한다. 이러한 방법으로, 스워스 오버랩의 영역에서 분명한 왜곡을 유도하는 항행 데이타내 전체 축적된 에러가 크게 성장하는 것을 방지한다.
스워스 #1과 스워스 #2 모두가 조합되어 하나의 이미지를 발생시키기 때문에, 하나의 버퍼를 이용하여 스워스 #2가 버퍼 내에 위치될 때까지 원물 겹침 타일의 사본을 임시 저장한다. 전체 겹침 타일은 이러한 상관을 위해 사용될 수 있지만, 바람직한 실시예에서, 그레이 스케일 이미지의 직사각형 타일(예를 들면, 15 x 15 픽셀)로 이루어진 고주파 콘트라스트의 작은 영역("모습"으로 불리움)이 스워스 #1의 겹침 타일 내에 위치되고 버퍼에 보관된다. 이러한 모습의 위치가 잠시동안 교차하는 경우, 보관된 모습의 위치와 스워스 #2내 동일한 모습간의 오프셋은 항행 정정 신호, 즉 두 모습을 가깝게 대응하도록 하는데 필요한 전이를 발생한다. 다른 상관법이 이용될 수 있다하더라도, 수용가능한 방법은 "제곱 차의 합" 상관이다. 작은 탐색 영역은 모습의 원물 위치 주변에 정의되고 상관 계수는
으로 정의되며, 여기서 Ti,j는 스워스 #1로부터의 모습의 그레이 스케일값을 표시하며, Ii+k,j+1은 스워스 #2로부터 새로이 획득된 모습의 그레이 스케일 값을 표시한다. 지수(i 및 j)는 모습 내의 위치를 지정하는 동시에, k 및 1은 (탐색 공간 내의 남도록 제한된) 제안된 전이 오프셋의 크기를 지정한다. 결과적인 상관 어레이에서의 가장 작은 소자는 두 개의 모습들간의 오프셋을 나타낸다. 서브픽셀의 위치적 정확성은 이러한 보울형(bowl-shaped) 결과의 최소치를 찾기 위해 보간법을 사용하여 획득될 수 있다.
겹침 타일 내 모습은 이미지 변화를 최대화하기 위해 선택되는데, 그 이유는 이러한 모습이 상관 방법의 정확성을 개선시키기 때문이다. 하나의 가능한 실시예에 있어서, 영역 내 위치의 한 서브세트만이 고려된다. 이들 위치(116, 118, 120, 122 및 124)는 겹침 타일의 주축(126 및 128)(영역을 정의하는 라인의 반대편 중점을 연결하는 라인)을 따라 놓여진 것으로 제 13 도에 도시되고, 교점과 축의 각 종점 사이의 교점 및 중간에서 샘플된다. 각각의 위치(116, 118, 120, 122 및 124)에 대해, 변차 VARk,1는 하기 식
을 사용해 계산된다.
최종적인 표시 이미지 내의 분명한 왜곡을 방지하기 위해, 에러 추정치가 서서히 인가되고, "위치-태그"는 각각의 선형 센서 데이타의 새로운 행이 메모리 내로 로드됨에 따라 전체 에러에 대한 고려가 있을 때까지 작은 고정된 크기 단계로 수정된다.
바람직한 실시예에 있어서, 이미지 재구성, 스티칭 및 이미지 관리용 처리 전자 장치는 제 1 도의 주사 장치(10)를 정의하는 하우징 내에 포함된다. 따라서, 주사된 이미지는 이미지 디스플레이(16)에 즉시 표시될 수 있다. 그러나, 주사 장치는 위치 태그 이미지 데이타(position-tagged image data)를 저장하기 위한 메모리를 포함할 수도 있지만, 처리 및 화일 관리 전자 장치 및 펌웨어(firmware)를 포함하지 않을 수 있다.
제 3 도를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 항행 및 이미징 센서(22, 24 및 26)가 피봇 부재(20) 상에 장착되는 것이 바람직하다. 일실시예에 있어서, 피봇부재는 적어도 하나의 탄성 중합체에 의해 하우징의 나머지에 접속되며, 이 탄성 중합체의 한 단부는 하우징의 고정부에 접속되고 나머지 한 단부는 피봇 부재에 접속된다. 탄성 중합체는 힌지(hinge)로서 작용한다. 따라서, 피봇부는 미소한 소자를 사용하지 않고 "부양(float)"될 수 있다. 전력, 제어 및 데이타 신호는 전자기 간섭(electromagnetic interference)을 최소화하기 위해 차폐되는 가요성 케이블(flex cable)을 통해 센서로 전도될 수 있다. 피봇 부재에 피봇적으로 부착하는 다른 방법이 사용될 수 있다. 피봇 부재가 제거되고 센서가 하우징상의 고정된 위치 내에 존재하면, 이미지 캡처 동안 주사 장치(10)를 과도하게 경사지지 않게 하기 위해 세심한 주의가 취해져야 한다. 이러한 실시예에서, 조명의 설계 및 광 소자는 세심한 주의가 필요하다.
비록 본 발명이 평탄한 원물이 주사되는 것으로 설명 및 예시되었지만, 이것은 중요한 것이 아니다. 실제로, 당업자라면 3차원 이미지를 주사하기 위해 사용되는 많은 기법을 쉽게 이해할 것이다. 그러나, 바람직한 실시예는 관심 대상의 이미지가 한장의 종이, 투명한 물건, 혹은 포토그래프와 같은 매체상에 형성되고, 주사 장치가 매체와 접촉하는 예이다.
제 1 도는 본 발명에 따른 원물(original) 상의 구불구불한 경로를 따르는 휴대용 주사 장치의 투시도,
제 2 도는 제 1 도의 주사 장치의 이미징 및 항행 센서의 배면도,
제 3 도는 이미징 및 항행 센서가 노출된 것으로 도시된 제 1 도의 주사 장치를 도시하는 투시도,
제 4 도는 제 3 도의 항행 센서 중 하나에 대한 조명 시스템을 개략적으로 도시하는 측면도,
제 5 도는 제 4 도를 참조로 하여 설명된 조명을 제공하는 발광 다이오드 및 광 소자의 개략적인 측면도,
제 6 도는 제 1 도의 주사 장치의 이미지 캡처 동작을 개념적으로 도시하는 도면,
제 7 도는 제 1 도의 주사 장치의 항행 프로세싱의 일 실시예를 동작적으로 설명하는 도면,
제 8 도는 제 7도의 선택 단계를 개략적으로 도시하는 도면,
제 9 도는 제 8 도의 단계를 수행하는 구성 요소의 블럭도,
제 10 도는 제 9 도로부터 출력되는 전형적인 위치-태그 데이타 스트림을 나타내는 도면,
제 11 도 및 제 12 도는 제 1 도의 주사 장치에 의한 스워스(swath)를 나타내는 도면,
제 13 도는 연속적인 견본의 스티칭을 성취하기 위해 이용될 수 있는 겹침 타일을 나타내는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 주사 장치 12 : 굴곡 경로
16 : 이미지 디스플레이 18 : 전방 단부
20 : 피봇 부재 22 : 이미징 센서
24, 26 : 항행 센서 28 : 발광 다이오드
32 : 렌즈 34 : 홀로그래픽 확산체
35 : 소스 36 : 광 소자
37 : 빔 스플리터 42 : 타겟 영역
46 : 블럭 62 : 기준 프레임
66 : 샘플 프레임 72 : 위치 프레임의 어레이
80 : 항행 프로세서 82 : 픽셀 증폭기
84 : A/D 변환기 90, 92, 94, 96 : 위치 좌표 셀
110, 112, 114 : 태그 126, 128 : 축

Claims (10)

  1. 주사된 전자 이미지(scanned electronic image)를 형성하는 방법에 있어서,
    이미지를 갖는 원물(original)(14)에 대해 주사 장치(10)를 이동하는 단계-상기 주사 장치는 상기 이미지를 검출하는 이미징 수단(22)을 구비하며, 상기 이동은 주사 경로를 정의함(12)-와,
    상기 이미징 장치가 상기 주사 경로를 따라 이동함에 따라 형성된 이미지 데이타(50)의 시퀀스를 캡처하는 단계와,
    상기 주사 경로를 따르는 상기 주사 장치의 이동을 나타내는 항행 정보(navigation information)(56)를 형성하는 단계와,
    상기 이미지 데이타로부터 출력 이미지(54)를 형성하는 단계-상기 출력 이미지 형성 단계는 상기 항행 정보에 기초하여, 상기 주사 장치가 상기 주사 경로를 따라 이동함에 따른 곡선 및 회전 이동의 왜곡 아티팩트(distortion artifacts)를 제거하는 것을 포함함-를 포함하는
    주사된 전자 이미지 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 항행 정보(56)를 형성하는 단계는 상기 원물의 고유한 구조 관련 속성(inherent structure-related properties)(64)의 변화를 검출하는 단계를 포함하는 주사된 전자 이미지 형성 방법.
  3. 주사 장치에 있어서,
    자신과 이미지를 갖는 원물 간의 상대적인 이동시 이미지 신호를 형성하는 센서 수단(22) - 상기 상대적인 이동은 주사 처리이며, 상기 이미지 신호는 상기 이미지에 응답한 것임 - 과,
    제 1 광학 센서 소자의 2차원 어레이(a first two-dimensional array of optical sensor elements)를 포함하며, 상기 센서 수단에 대해 고정된 위치에서, 상기 주사 처리 동안 상기 원물의 고유한 구조 관련 속성(64)의 검출에 응답하여 적어도 하나의 위치 신호(56)를 형성하는 항행 수단(24, 26)과,
    상기 위치 신호에 응답하여, 상기 고유한 구조 관련 속성의 변화에 의해 결정되는 상기 항행 수단과 상기 원물간의 상대적인 이동에 기초하여 상기 이미지 신호를 조정하여 조정된 출력 이미지 신호를 생성하는 프로세서 수단(80) - 상기 조정으로 인해, 상기 조정된 출력 이미지 신호로부터 생성된 출력 이미지가 상기 원물의 상기 이미지를 보다 정교하게 재생하게 됨 -
    을 포함하는 주사 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 항행 수단은 항행 센서 소자의 제 1의 2차원 어레이(24)를 포함하는 주사 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 항행 수단은 항행 센서 소자의 제 2의 2차원 어레이(26)를 포함하며, 상기 제 1의 어레이(24)는 상기 제 2의 어레이로부터 이격되어 있는 주사 장치.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 수단(22) 및 상기 항행 수단(24, 26)은 상기 원물(14)과 접촉될 접촉면(contact surface)(18)에 대하여 고정되고, 상기 장치는 상기 접촉면에 대하여 예각(acute angle)(30)으로 상기 원물 위에 광을 유지하도록 위치된 제 1 광 수단(first light means)(28)을 더 포함하는 주사 장치.
  7. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 수단(22) 및 상기 항행 수단(24, 26)은 상기 원물(14)과 접촉될 접촉면(18)에 대하여 고정되고, 상기 장치는 상기 접촉면에 일반적으로 수직인 각도로 상기 원물 위에 광을 유도하기 위한 제 2 광 수단(35)을 더 포함하는 주사 장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 센서 수단(22) 및 상기 항행 수단(24, 26)이 부착되며 수동 조작이 가능한 하우징(hand-manipulatable housing)(10)을 더 포함하는 주사 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 센서 수단(22) 및 상기 항행 수단(24, 26)은 상기 하우징에 피봇적으로(pivotally) 부착되는 주사 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    이미지를 형성하기 위해 상기 프로세서 수단(80)에 접속된 이미지 디스플레이(16)를 더 포함하되, 상기 이미지 디스플레이는 상기 하우징(10)에 부착되는 주사 장치.
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