TWI789418B - 使用用於識別光學可讀代碼之ｃｍｏｓ影像感測器獲取影像的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種用於獲取目標代碼之影像的方法，其允許CMOS感測器在讀取器已被觸發來獲取目標代碼之後快速地及內部地決定對於此代碼的影像擷取之期望的曝光時間值Topt。當其被觸發時，感測器以對於k個不同的曝光時間值Ti(i=1至k，k至少等於2)的影像資料之快速獲取來啟動測量模式Mode_MES，且此獲取僅藉由感測器來使用及基於以各種曝光時間所獲取之影像資料來計算的直方圖H(Ti)而快速地界定期望的曝光時間值；此值被儲存於影像擷取參數之暫存器中，且感測器接著啟動標稱影像獲取模式Mode_ACQ，其應用由該暫存器所遞送之此期望的曝光時間值至所有矩陣陣列之像素，且所取得的影像DATA-OUT是被遞送為藉由感測器之輸出的影像，用於藉由外部系統的代碼之識別/解碼。

Description

使用用於識別光學可讀代碼之ＣＭＯＳ影像感測器獲取影像的方法
本發明有關藉由用於識別光學可讀代碼之主動像素(包含光敏元件與控制電晶體之像素結構)CMOS感測器的控制影像擷取之方法。這些感測器被整合成代碼識別電光裝置(code-recognizing electro-optical devices)，其通常被稱為條碼讀取器。這些讀取器一般被使用於許多商業及工業界，作為自動收集資料、取代鍵盤輸入的手段，有各式各樣的應用，如銷售、可溯性(製造、分配)、商品的配送、健康照護、股票管理、圖書出借等等。
這些代碼(其通常被列印(標籤)或雕刻於物件的表面上)通常利用雙色符號，其可為一維與線性的(條碼)或多維的(QR代碼、PDF 417、資料矩陣(Data Matrix)等等)。各符號或型式雙射地(bijectively)表示資訊值(或一組值)，其與代碼被置於其上的該物件相關聯，例如價錢及/或折扣、可溯性資料(製造、配送、取樣之日期、地點等等)、等等。解碼代碼允許與該物件相關聯的一或多個資訊值被可靠地取得。
整合CMOS矩陣陣列影像感測器之代碼讀取器包含包括與光學組合件(鏡子、鏡片)相關聯的光源(舉例來說，LED及/或雷射)之照明裝置，其光源被提供來照明該目標代碼以被獲取。感測器取得此目標代碼之影像且將所取得的影像資料發送至外部數位處理系統(其利用任何類型的有線或無線通訊手段而被連接至讀取器)且正是在感測器外部的此系統用來解碼該代碼。
在此類型的應用中所需要的是：感測器盡可能地快速地遞送好品質的代碼之影像，亦即，足夠高的品質以允許代碼在沒有錯誤的情況下被解碼或識別。更精確而言，由感測器所遞送的影像必須被良好地定位於感測器之有用的動態範圍中，亦即，既不是曝光不足(否則，訊雜比將會太低)，也不是曝光過度，從而不會失去太多有用的資訊。
一旦讀取器之內部照明源的光功率已被調整用於該應用，所取得的影像品質係依據感測器之影像擷取參數，且特別是像素之曝光時間。曝光時間通常在工廠或場區內被操作員預先設定至一值，該值係依據使用的操作條件來界定：周圍光強度(使用外部、內部、在人造光下)；讀取器之光源(亦即，照明該物件/代碼之來源)的功率；載有代碼之物件的材料之類型；固定式或手持讀取器。然而，此預先設定的「預設(default)」值實際上沒有允許好品質影像被直接從第一影像擷取中取得，因為有太多有關讀取器之人體工學的外在因素，防止實際影像擷取狀況被完全地控制。讀取器之人體工學界定其將如何被使用。舉例來說，讀取器可為固定的，且目標代碼被手動地或機械地帶至讀取器前面；或者讀取器為可攜式的，亦即由操作者手持(用手拿)或配戴(在手臂上、在頭上等等)。讀取器操作於其中之環境可用人工或自然周圍光照亮。物件本身(包含該代碼之表面的相對地反射的特性)或者其所呈現的方式(距離、呈現角度)皆為亦可對感測器所收集之光線的量具有影響之因素。因此，當感測器被觸發時，其將在擷取被觸發的當下應用不一定適合目標代碼之影像擷取的狀況之影像擷取參數。
由於這些理由，由外部代碼識別系統所控制之迭代影像擷取迴圈被使用於對於實際狀況訂製影像擷取參數之目標，尤其是像素之曝光時間。此迴圈功能如下：一旦被觸發，感測器週期性地獲取(其傳送至外部系統的)目標代碼之影像。對於各影像擷取，其應用由感測器之影像擷取暫存器所遞送的參數之目前的值，從而特別地界定曝光時間值。對於其部份，系統接收影像，且對於各接收的影像，若其判斷其品質太低而無法使代碼被解碼時，亦即，若影像沒有被足夠良好的被曝光，則外部系統決定及傳送新的曝光時間值，其以取得應被更佳地曝光之新的影像之目標而被儲存於感測器之影像擷取參數的暫存器中。此值應僅在下個影像擷取時被感測器考慮。此迭代獲取及遞送迴圈繼續，直到系統證實影像之品質且成功地解碼該代碼。
藉由外部系統之新的曝光時間值之決定使用一或多個利用影像之直方圖的演算法，亦即，像素之分佈為影像之灰階度的函數(或機率密度，若直方圖被正規化)。若有256個灰階度被編碼於影像中，則直方圖表示有多少像素具有值0、1、直到255。
因此，外部系統基於目前的曝光時間值及像素之讀取鍊的增益(但對於此類型的應用，此增益通常被設為1)來計算所接收的影像之直方圖；其值連同影像資料由感測器來遞送，外部系統藉由將一或多個所取得的直方圖之特性值(平均值、具有在給定灰階度之下的值之像素的比例、飽和像素之比例等等)與參考值做比較來決定(當適合時)新的曝光時間值。若影像過度曝光，由此決定之新的曝光時間值將會低於目前的值，相反的，若影像曝光不足，則會高於目前的值。
實際上，考慮到獲取影像及將其遞送至外部系統所花的時間、以及決定新的曝光時間值及將其寫入感測器所花的時間，由外部系統基於由感測器所遞送之第一影像的資料所設定之新的曝光時間值將最佳被應用至跟隨第一影像擷取之僅第三或甚至第四影像擷取；系統仍必須檢查第三或第四影像之品質，然後，只有當此品質為良好時，才將代碼解碼。
用以決定適合用於目前的目標代碼之獲取之曝光時間的此迭代外部迴圈使得代碼讀取器之回應時間為不可忽略的，對應至如其用以接收至少三或四個影像所花的時間。結果，讀取器之回應時間(亦即，在其被觸發的當下以及代碼被解碼的當下之間的時間)太慢。此太慢(其為可感受的)降低讀取器之使用者人體工學且系統之電源消耗(感測器及照明源(LED閃光的數量)之電源消耗)隨著被擷取之影像的數量而增加。
歐洲專利申請案EP 1 791 074在滾動快門曝光模式的文中提出藉由從一個矩陣陣列區域(涵蓋一組列)改變曝光時間至另一個而用以決定對於條碼之影像擷取的最佳曝光時間。於第一影像擷取中(其被稱為研究影像擷取)，5個不同的曝光時間於滾動快門模式中被應用至5個影像區域，且統計計算對於各影像區域被執行以在該等區域之間區別並決定最佳曝光時間、或從兩個最佳曝光時間中推斷出來。因此，所決定的曝光時間接著被使用於新的影像擷取，其為被遞送作為輸出之影像。該方法具有需要兩個完整影像擷取及對於不同的影像區域之計算的比較統計之缺點。
本發明提供用以決定藉由整合CMOS感測器之代碼讀取器的目標代碼之影像的擷取之最佳曝光時間之另一技術，其同時改善回應時間與被遞送作為輸出的影像之品質。
本發明所根據的技術解決辦法為用於獲取目標代碼之影像的方法，其允許感測器在讀取器已被觸發以獲取目標代碼之後快速地及內部地(晶片上)對於此代碼之影像擷取在標稱影像擷取之前利用測量模式來決定期望的曝光時間值，其以至少兩個不同的曝光時間值(其係透過矩陣陣列之列或行而週期性地分佈)來執行影像資料之快速獲取，且以這些的各種曝光時間值所取得之影像資料僅藉由感測器且僅快速地界定期望的曝光時間值而被利用。此值接著被使用以執行標稱影像擷取，且所取得的影像為被遞送作為輸出(用於代碼之解碼/識別)之影像。使用此感測器之代碼讀取器的回應時間被明顯地降低。其主要等於獲取被使用以決定期望的時間值之影像資料所花的短時間加上獲取及遞送作為輸出單一標稱影像所花的時間。再者，各種曝光時間值被週期性地分佈(透過列或甚至行)，標稱曝光時間基於從規則地分佈於整個影像之像素所發出的資料所計算之統計而被決定。換句話說，這些測量影像資料具有良好的空間均勻性(下取樣)及良好的時間均勻性(Ti)，其偏好期望的曝光時間之最佳決定。
此雙重(空間與時間)的均勻性係藉由結合(在測量影像之快速讀出的階段)，各種曝光時間及列相關的(row-dependent)下取樣之分佈的選擇來偏好。
因此，本發明之方法允許代碼讀取器之人體工學被有感覺地改善且其電源消耗被降低。
因此，本發明有關一種用於獲取可由CMOS電子影像感測器所光學讀取之一或多個代碼的影像之方法，其於接收外部觸發訊號時被該感測器所啟動且其包含進行測量影像擷取以決定期望的曝光時間值，該期望的曝光時間值接著對於矩陣陣列的所有像素被應用作為目前的曝光時間值，以進行標稱影像擷取，其特徵在於該測量影像擷取包含： 　　- 累積階段，其對於該等像素為共同的，且其中k個不同的曝光時間值被應用至規則地分佈於該矩陣陣列之列或行的像素，各像素與k個不同的值中的一個相關聯，k為至少等於2之整數； 　　- 快速獲取階段，於其中數位影像資料以各種像素曝光時間值被快速地獲取，且其包含應用該矩陣陣列之列的下取樣之快速讀出階段；及 　　- 決定階段，其中該期望的曝光時間值係藉由比較基於對於各不同的曝光時間值在該快速獲取階段中所取得之該數位影像資料來計算的直方圖而決定。
根據本發明之一個態樣，k個像素曝光時間值根據於矩陣的行上之週期性的型式而被分佈於像素上。
根據本發明之一個態樣，矩陣陣列之列的下取樣之比率為1比8、1比16、或1比32。
根據本發明之另一態樣，測量模式之k個各種曝光時間值的直方圖係以低於對應至於測量模式中的類比數位轉換手段之解析度的灰階度之數量的灰階度之數量來計算。
本發明有關整合CMOS感測器之代碼讀取器，不論其為固定式(例如整合至超級市場自助結帳的代碼讀取器)、或可攜式且由操作員來致動。代碼讀取器(於此範例中為可攜式)係顯示於第1圖。代碼讀取器包含CMOS電子感測器1(包含主動像素之矩陣陣列)；光源2，用於透過元件符號為o的照明窗來照明目標(被置於物件上之代碼)；及光學系統3，其被提供以將由目標所反射的光改變方向至感測器之像素矩陣陣列上。於今日的系統中，對於影像擷取，光源通常利用由LED所產生的閃光來照明目標。某些系統可進一步整合(目標是幫助操作員在影像擷取之前將目標代碼置於中間)與繞射光學相關聯的雷射源以投射特定型式(交叉、角落、等等)。此操作已知為瞄準操作。此雷射源通常在用於影像擷取之LED的閃光之前被關閉。
可攜式讀取器配備有觸發器4或等效機制(其為選項地手動的)以用於觸發讀取器。當此機制被啟動時，觸發訊號Trig將讀取器從低電源待機模式喚醒，光源與感測器被啟動以獲取目標代碼之影像及將其遞送至外部系統5以用於處理數位資料，其將代碼解碼。影像以(數位)資料之串流的形式經由傳輸電纜(例如USB線)或經由無線傳輸手段被遞送至處理系統5。若讀取器被固定，則觸發訊號Trig例如藉由被整合至讀取器內之存在偵測(presence-detecting)系統來產生。
CMOS感測器傳統上包含(如第2圖所示)n列Row0 至Rown-1 及m行Col0 至Colm-1 之矩陣陣列M的主動像素(n、m為整數)、包含一或多個類比數位轉換器之讀出電路ADC、能對由讀出電路所遞送的影像資料執行計算且尤其是計算直方圖之數位處理電路COMP、及用以將影像資料遞送至外部系統5之I/O介面電路。這些的各種電路被用以定序(sequencing)感測器之電路SEQ所控制，其遞送進行影像擷取所需之各種控制訊號。具體言之，定序電路遞送用以控制主動像素之電晶體的訊號。
為了說明的理由，現在將在此回想CMOS感測器之包含主動像素結構的電晶體通常包含至少： 　　- 初始化電晶體，其允許在光敏元件中累積的所有電荷被排空至排空汲極。初始化脈衝的結束設定像素之曝光時間的開始點：自此點開始，光敏元件可(再一次)累積光產生電荷； 　　- 傳送電晶體，其允許由光敏元件所累積之所有的電荷被傳送至儲存節點，其可為像素之讀出節點或暫時儲存節點。傳送脈衝的結束設定像素之曝光時間的結束(對於進行中的影像擷取)； 　　- 電晶體，用於將像素之讀出節點歸零；及 　　- 隨動電晶體，其之閘極係連接至讀出節點，其與用於選擇像素之電晶體相關聯，其係連接至隨動電晶體之源極與行導體之間，其允許儲存於讀出節點中之電荷被轉換至於行導體上之對應的類比電壓位準，其係連接至類比數位轉換電路。
雖然沒有需要，為了本發明之說明的理由，進一步至其細節，已為眾所周知的是，主動像素結構可包含以上四個電晶體之外的電晶體，依據是否提供暫時儲存節點(與讀出節點有區別)、或放大級等等。同樣的，某些電晶體可被共用於複數個像素之間。
於本發明中，主動像素之曝光時間被更具體地電子地控制(經由初始化及傳送電晶體(閘極))以(於感測器中及利用感測器)實現允許對於在目標代碼的標稱影像擷取之前被決定的目標代碼之影像的獲取之期望的曝光時間值Topt之測量模式，其影像擷取被以傳統方式但用值Topt來實現。
因此，測量模式使用調整主動像素之曝光時間以應用各種曝光時間值至像素是可能的之事實。其可藉由調整初始化電晶體之(閘極)命令(其設定曝光時間的開始)、及/或藉由調整傳送電晶體之(閘極)命令(其控制傳送至相關聯的儲存節點(其可或可不為讀出節點))同時考慮於感測器中實現的擷取模式及控制線之拓樸從而調整其結束來達成。將回想的是，CMOS感測器可實現一或兩個擷取模式，即全域快門模式或滾動快門模式。於全域快門或「快照(snapshot)」影像擷取模式中，所有像素同時整合：曝光階段對於所有像素同時開始且其對於所有像素同時結束。讀出階段(被一列一列進行)接著開始。此全域快門擷取模式較佳用於高效能(例如高速)應用，因為其允許影像被凍結且避免滾動快門模式固有的失真，其會劣化影像品質，尤其若物件移動。在滾動快門擷取模式中，列以偏移方式連續地整合：曝光階段的開始對於像素之各列及從一列偏移至下一列且像素之一列中的曝光時間僅當像素之前面的列之讀出已結束時開始而被界定。全域快門擷取模式較佳用於高效能(例如高速)應用，因為其允許影像被凍結且避免滾動快門擷取模式固有的失真，其會劣化影像品質，尤其若物件移動。
控制線之拓樸滿足各種限制，例如：電晶體之數量、具有(或沒有)共用電晶體之像素、全域快門及/或滾動快門擷取模式、像素之孔徑比的最佳化。舉例來說，顯示於第2圖中之控制線的拓樸允許以行的方式來控制的曝光時間之結束且係適合用於全域快門擷取模式；而顯示於第3圖中之拓樸允許以列的方式來控制的曝光時間之結束且允許兩種類型的擷取。這些拓樸將被詳細說明如下。
無論如何，定序電路SEQ允被以對於一或多個擷取模式及實現的拓樸來訂製的像素時序來產生許用於控制像素及感測器之其他電路(轉換器、輸出介面、等等)之訊號。對於更詳細的定序電路如何藉由記憶體程式化而可有絕佳彈性來達成此控制，讀取器可例如參照歐洲專利申請案EP3058719。
已做出這些大致觀察，目前說明由本發明所提供的獲取目標代碼之影像的方法是可能的。此方法(其被訊號Trig之啟動所觸發)允許標稱品質之單一影像，且可藉由處理系統5被直接地使用以解碼/識別代碼、被遞送(因為所述單一影像被取得)同時對於光的整合應用曝光時間值至像素矩陣陣列，其係藉由感測器本身(晶片上)基於從劣化的品質之至少一個測量影像及至少兩個不同的曝光時間值來計算的直方圖在標稱獲取模式之前啟動的測量模式中被內部地決定。
關於「劣化的品質」，其意指測量影像之像素的數量低於標稱品質之影像的像素之數量：換句話說，像素矩陣陣列為下取樣；及/或由像素所整合的光之量的測量(讀出)之解析度在測量模式中係低於標稱獲取模式中：換句話說，從像素讀出的光位準之類比數位轉換得出在測量模式被編碼成較於標稱獲取模式中少的灰階度之結果。舉例來說，若標稱影像之轉換對於測量影像被實現於10或12位元，則該轉換較佳於8位元、或甚至4位元被實現。
第4圖顯示根據本發明之第一實現的用以獲取目標代碼之方法的大致流程圖，測量模式Mode_MES被訊號Trig觸發，其提供單一測量影像擷取，其中各像素與k個不同的曝光時間值T1至Tk之間的一個曝光時間值相關聯，k為至少等於二之整數。測量模式主要包含由感測器之定序電路所控制的三個階段：快速獲取階段100，其中影像資料DATA(Ti)被以各個k個曝光時間值快速地獲取；接著決定階段110，其中感測器之數位處理電路COMP對於有問題的目標代碼之影像擷取來決定(基於影像資料DATA(Ti)、及依據已知允許代碼之有效率的解碼之影像品質基準)期望的曝光時間值Topt：不是太高(為了不具有太多飽和的像素)、也不是太低(為了不要失去訊號(黑像素))；及儲存階段120，其中值Topt被儲存於感測器之影像擷取參數的暫存器REG之對應的欄位Tr。
方法接著啟動標稱獲取模式Mode_ACQ，其使用暫存器REG中之參數的目前值，且尤其是參數Tr。此暫存器可含有其他參數，例如轉換增益值G，但於代碼讀取應用中(其並非尋求精確的重組影像，而是將代碼解碼)此增益通常被設定為1。最佳影像品質(對於代碼之解碼)被取得：對應的影像資料DATA-OUT(以曝光時間值Tr被取得)被從矩陣陣列之像素(完整影像)讀出且被傳送至外部處理系統5。通常，暫存器REG(Tr, G)中之參數亦被連同這些資料來遞送，其亦可從這些資料Data-OUT被加至藉由數位處理電路所計算的直方圖資料H(Tr)。因此，此標稱獲取階段(其由感測器實現)對應至傳統模式，其中完整影像被獲取與遞送，除了所應用的曝光時間值Tr(其被感測器之影像擷取參數的暫存器遞送)為由感測器本身在前面的測量階段Mode_MES中自己決定的值。
測量模式之快速獲取階段100在第5圖中被更詳細顯示。在時間TMES 短於用以遞送標稱影像所花的時間TACQ 中對於k個曝光時間值Ti快速地獲取影像資料是個問題(為了計算值Topt)，使得根據本發明之允許標稱影像被遞送至外部系統5用於解碼的獲取方法之總持續時間Ttotal 少於2 xTACQ 。較佳地，目標是達成TMES £10%TACQ 。
根據一個較佳實現，藉由週期性地將k個值Ti在像素矩陣陣列中分佈，影像資料連同k個值Ti之獲取被執行於單一擷取中。因此，快速獲取階段100包含曝光階段101(於其中像素被曝光)，矩陣陣列之各像素與k個值Ti中之給定曝光時間值相關聯；後面跟著快速讀出階段102(於其中像素快速地讀出)。
Ti之分佈的型式考慮到初始化之控制線及感測器中之像素的傳送電晶體(閘極)被實現的方式(拓樸觀點)及擷取模式或於感測器中所實現的模式。
已被說明了矩陣陣列之像素的列之曝光及讀出的順序將如何依據所選擇的影像擷取控制模式(全域快門或滾動快門)被控制(不同地)。
讓我們更詳細地檢查拓樸觀點。通常，要限制導體的數量及允許像素開口尺寸增加，傳送之命令與初始化閘極為給定列或給定行之像素所共用。
於第2圖中所顯示的範例中，初始化閘極之命令(其調整曝光時間之開始)為矩陣陣列之給定列的像素所共用；且傳送閘極之命令(其調整曝光時間之結束)為矩陣陣列之給定行的像素所共用。
更精確而言，矩陣陣列包含n列的像素Row0 至Rown-1 及m行的像素Col0 至Colm-1 (n、m為整數)且有： 　　- n個閘極初始化控制線GIl ，l等於0至n-1，各平行延伸(範例中為水平地)至像素之對應的列； 　　- m個傳送閘極控制線GTj ，j等於0至m-1，各平行延伸(範例中為垂直地)至像素之對應的行；及 　　- n個列選擇控制線selrI ，l等於0至n-1，各平行延伸(範例中為水平地)至像素之對應的列，用於控制電晶體之閘極以選擇列之像素。
像素之其他電晶體的控制線未顯示於第2圖以免非必要的使圖式雜亂。
此拓樸(其提供以行的方式控制像素之曝光的結束及以列的方式(每個像素之列)讀出)賦能全域快門擷取模式。其對於滾動快門擷取模式是不適用的，於其中曝光像素之列的階段僅當像素之前面的列之讀出已結束時才開始。
第3圖顯示允許兩個擷取模式之另一拓樸：初始化閘極之命令與傳送閘極之命令皆為矩陣陣列之給定列的像素所共用。因此，傳送控制線GTl (l等於0至n-1)平行延伸(範例中為水平地)至像素之對應的列，就像初始化控制線GIl 。
其他感測器拓樸可應用其他控制方案。舉例來說，初始化閘極之命令(其設定曝光時間之開始)可為矩陣陣列之給定行的像素所共用；用於讀出之像素的選擇可被以行的方式來進行等等。依據拓樸，一或兩個控制模式(全域快門、滾動快門)為可應用的。
現在將使用範例來顯示拓樸觀點及擷取模式如何被考慮以界定值Ti在矩陣陣列中之分佈的型式，以允許影像資料連同k個曝光時間值Ti於單一擷取中之獲取。將k個值Ti以矩陣陣列之單一方向來分佈且僅使用單一(初始化或傳送)控制線以達成此分佈通常會較簡單且更有利。再者，為了達成的目的，在整個矩陣陣列中，對於各種值Ti、統一資訊，值Ti之分佈係有利地週期性的。
第7圖顯示對於第2圖之拓樸及全域快門擷取模式在像素矩陣陣列中的值Ti(i=1至k，對於k=4)之分佈的型式之第一範例。於此型式中，值Ti被規則地(週期性地)分佈於行之秩(rank)中。於範例中：T1被應用至秩0、4、8等等之行；T2被應用至秩1、5、9等等之行；T3被應用至秩2、6、10等等之行且T4被應用至秩3、7、11等等之行。獲取階段(於其中影像資料連同k個曝光值Ti被獲取)接著被如下實現：根據所界定的型式(第7圖)，曝光階段對於像素之所有列同時開始(訊號GIl 同時被啟動)且定序器控制訊號GTj ，其依據行之秩j來控制曝光之結束。以列的方式之讀出階段可在曝光矩陣陣列之階段的結束之後開始，所述讀出階段被以最長的曝光時間同步化，於現在的T4情形。
第8圖顯示可應用至具有第3圖之拓樸的像素矩陣陣列之其他分佈型式，其允許定序器使用曝光時間(控制線GII )之開始以調整各列之曝光時間，且其餘的時序(曝光、讀出之結束)(其依據(全域快門或滾動快門)擷取模式)沒有被此「調整」影響。更明確地，被控制以具有較長的曝光時間之列將使其初始化閘極命令相對地早於被控制以具有較短的曝光時間之列被啟動，其將使其初始化閘極命令相對地稍後被啟動。於第8圖之範例中，值T1被應用至秩0、4、8等等之列；值T2被應用至秩1、5、9等等之列。
因此，依據討論中的感測器之控制線的拓樸(其可為第2圖中、第3圖中之拓樸或其他拓樸)，界定各種曝光時間在矩陣陣列之列或行的分佈之(較佳地週期性的)型式是可能的，且感測器(第2圖)之定序電路SEQ被組構(程式化)以遞送對應至此型式及至感測器之擷取模式的像素控制訊號，以控制測量模式之各種階段。
關於曝光時間值Ti之數量k，僅使用兩個不同值T1與T2(k=2)是有利的，因為已知如何輕易地將其實現於定序器中，依據列或行位址的奇偶性：偶數(T1)或奇數(T2)。於此情形中，兩個值T1與T2被選擇(其離相當遠，分別對應至高亮度及至低亮度)，例如100微秒與1毫秒。
然而，k將被選擇為至少等於3或4以涵蓋大範圍的發光條件(暗到亮)及在可變的操作條件之下改善值Topt之決定的可靠度與有效性，例如：在外面，且待分析的物件非常會反光(例如，金屬飲料罐)或非常會吸光(黑紙)。k個值Ti接著將有利地被選擇有在一個值與下個值之間的恆定的比率R，以促進計算且在直方圖上具有相同的限制。給一個數值範例，例如以下將被選擇k=4及T1=8µs、T2=40µs、T3=200µs、T4=1ms，而其中恆定的比率為5(T2=5.T1、T3=5.T2、T4=5.T3)。
實際上，值Ti係依據定序器上的限制及其能力被選擇。舉例來說，傳統上被使用於定序器中之參考時間(用於訊號之管理)於標稱模式(全解析度)中為列的讀出循環之持續時間(稱為列時間(line time))，其在今日技術中為大約10微秒。然而，最近的定序器允許參考時間低於1至2微秒被達成。於感測器中，可提供用於本發明之測量模式的參數之可程式化的暫存器REGM (第2圖)以儲存k個值、最短的曝光時間(T1)及比率R。
在曝光階段102(其中，於滾動快門擷取模式中，各列被曝光；其中，於全域快門擷取模式中，所有列被曝光)之後，有需要讀出像素以取得對應的影像資料連同各個各種曝光時間值。此為測量模式之快速讀出階段102(第4圖)。此快速讀出階段滿足有關所述技術問題的解法之限制，亦即，期望的曝光時間值Topt之感測器本身在標稱模式中快速地(在短於完整影像之獲取時間TACQ 的時間中)自己決定。實際上目標是進行Topt之此決定(亦即，在時間TACQ 的大約10%(或更少)之時間中獲取測量影像(以Ti來曝光及Topt來讀出、計算與儲存)，且影像資料之讀出(更精確而言，轉換資料所花的時間及被獲取及傳送至數位處理電路COMP的資料之量)確實是很關鍵的。
快速讀出階段102使用以下所述之兩個測量的其中一者。
第一測量為不讀出矩陣陣列之所有像素。已被檢查的是，以完整矩陣陣列之資料來計算的直方圖不是有效地決定值Topt所必要者，但相反的，影像資料必須表示各種應用的值Ti且允許曝光的良好分析。因此，提出將矩陣陣列進行下取樣；然而，待讀出之像素的選擇必須允許各種曝光時間值被涵蓋。換句話說，取樣的像素之選擇考慮兩個方式，於其中，像素在讀出期間被選擇(亦即，感測器之拓樸)及矩陣陣列中之Ti的分佈之型式。
通常，且其對應至第2與3圖，讀出係以列的方式(列選擇線selrl )被實現且同步地用於所選擇的列之m個像素，經由連接至類比數位轉換手段ADC之m個行導體(cc0 ,…ccm-1 )，其遞送m個對應的數位值。
若返回第7圖之方案，於其中各種值Ti(i=1至k)依據行之秩來分佈，因此，在N列中選擇僅取樣一列是可能的。第9圖即顯示上述情形，對於N=4(為了說明的簡明性之明顯理由)，但是N較佳等於8、16或32。於各列中，資料將對應至各個k個應用的曝光時間值Ti而被產生。再者，所取樣的列之組一致地涵蓋影像的範圍。最後，由於已知值Ti如何分佈，亦即，於範例中，於其中行(這些是感測器之定序電路的組態資料)，對於所取樣的各列，對於各像素將讀出資料與曝光值Ti相關聯是可能的。換句話說，對於各值Ti，形成將允許對應的直方圖H(Ti)對於所有或一些被解析度降低的模式所編碼之灰階度被計算的資料集{DATA(Ti)}是可能的，如上所述。應注意的是，第7圖中值Ti之垂直週期性的分佈之範例(依據行之秩)(與水平的下取樣(N列中之1列)結合，其因此亦為週期性的)實際上允許良好的空間均勻性(下取樣)之測量影像資料以及良好的時間均勻性(Ti)被取得，對於影像曝光之分析與Topt之決定。
對於第8圖中值Ti之分佈的型式，其與列之秩相關，應用以列的方式之下取樣的不同界定是有需要的，因為各列能僅遞送對應至單一曝光時間值之資料。通常，如第8圖所示，k個值Ti將以週期性的型式在矩陣陣列中被分佈以達成良好的時間均勻性。接著，提供每X個列取樣k個連續的列是可能的，同時較佳地仍在8、16或32個列(基於矩陣陣列之規模)中取樣一個列。第10圖顯示上述情形，對於k=3。其相當於界定(對於快速讀出102)連續的列ROI0 、ROI1 等等之組。
因為以列的方式依序讀出，測量模式之讀出時間與列讀出之總數量成正比。
為了進一步最佳化測量階段的長度，藉由瞄準矩陣陣列中感興趣的一或多個區域來降低測量影像讀出時間是可能的，例如第11圖中所示的中央區域ZOI2 或角落區域ZOI1 ZOI3 、ZOI4 及ZOI5 。
這些區域依據應用來界定且涵蓋數量上足夠以取得允許曝光被分析及值Topt被有效地決定之一致的空間與時間資料集的像素之連續的集。於此情形中，測量模式之快速讀出階段應用水平的下取樣至一或多個目標區域。舉例來說，若感興趣的一個(1)區域被界定用於測量模式(其區域涵蓋矩陣陣列之y列與z行)，則讀出電路被組構(於測量模式中)以在y列的高度中於P列中取樣1列，P為等於或等於1之整數；且對於各取樣的列，讀出電路將平行進行m個轉換，且僅由z行之像素所遞送的影像資料將被保持以被數位處理電路所處理，其建立期望的曝光時間值。
應注意的是，界定(負面來說)矩陣陣列不想要取樣的一或多個特定區域亦是可能的，因為已知因為瞄準器(因為瞄準雷射源將仍保持開啟)其可潛在地被過度照明。此相當於界定不會於快速讀出階段中被選擇的列(位址)。因此，測量影像之曝光的分析將不會被這些潛在地過度照明的區域所中斷。實際上，被瞄準器潛在地過度照明的這些區域可位於旁邊，且尤其是在角落(第11圖)或確實在中央(依據瞄準器)。
給一結合兩個方案的實際範例，對於瞄準矩陣陣列之旁邊的瞄準器，角落區域將較佳被排除以保持僅矩陣陣列之中央區域被界定用於目標代碼之影像的曝光之分析。給一對應的數值範例，對於1000×1000像素(1M像素感測器)之感測器，界定感興趣的涵蓋250個中央列與250個中央行之此中央區域ZOI2 是可能的。讀出時間以4的因數被降低(250個列從完整矩陣陣列的1000個中被讀出)。藉由與8列中的一個列之下取樣相關聯，讀出時間以32的因數被降低(1/4×1/8=1/32)，有大約30個列將從矩陣陣列的1000個中被讀出。相反的，若瞄準器瞄準中央，則中央區域將較佳被排除且於測量模式中角落區域將較佳被獲取。
第二測量被提出用於快速讀出階段102，亦即降低類比數位轉換之解析度。舉例來說，藉由降低解析度兩個位元，轉換時間以4的因數被降低。此測量利用由定序器(第2圖)定位的Set-q指示器而被容易地實現以設定轉換器之解析度。於本發明中，提供此指示器以在測量模式(關於標稱獲取模式)中需要不同的、降低的解析度。
根據本發明之快速讀出階段102將較佳實現下取樣測量與降低的解析度測量。給一數值範例，對於2K X 1K(列X行)之10位元感測器在100影像/秒(每標稱影像10ms)，根據本發明實現測量模式以決定Topt，且其於降低至8位元(因此為2位元，少於標稱模式)的解析度下結合M=16中的一個列之下取樣，該改善為16×4=64的因數。(劣化的)測量影像之獲取時間降低至10ms/64=156µs(優於10%的TACQ 之目標)。
一旦快速讀出階段102已結束，測量模式跳到決定階段110，於其中，對於討論中之期望的目標代碼之曝光值Topt被決定。此階段110被數位處理電路COMP(第2圖)實現，其在測量模式中經由模式指示訊號(Sel-mode)被定序器預先組構。
電路COMP開始於直方圖計算階段111。要計算這些直方圖，電路取得(對於各曝光時間值)從矩陣陣列讀出之數位值的資料集{DATA(Ti)}。各值對應至被由轉換所編碼的灰階度範圍中之灰階度。以這些資料(或對應至灰階度的選擇之這些資料中的一些)實現的直方圖計算給出像素之分佈為對於此曝光時間值Ti之灰階度的函數：因此，目標代碼之影像的亮度範圍被對於此曝光時間來測量。
對於這些計算，於測量模式中單獨處理從對應至轉換器之解析度的灰階度中所選擇之對應至灰階度的資料是可能的。舉例來說，若測量模式應用降低的解析度(例如，8個位元的解析度編碼256個灰階度)，從256個中計算8或16灰階度(或格(bin))之直方圖是可能的。因此，降低用於這些直方圖計算所需的記憶體空間(RAM記憶體、暫存器)是可能的。應注意的是，於此情形中，此8或16格直方圖計算將有利的與至少3或4個不同的曝光時間值結合，而其中恆定的(整數)比率R將被包含在5與10之間(包含)。因此，按照周圍光度覆蓋、記憶體空間及決定有效性之所有的優點係被結合。
接著，決定階段112(於其中，時間Topt基於對於各種時間Ti所計算的直方圖而被決定)被跳過。
第6圖顯示對於對應至影像之曝光的各種條件之256個灰階度(256級或格)所計算的各種直方圖H1 至H5 。在圖式之頂部的第一直方圖H1 對應至曝光不夠的影像，具有高比例的黑像素及在最低的灰階度之像素的集中。相反的，在圖式之底部的最後直方圖H5 對應至過度曝光的影像，具有許多飽和像素及在最高的灰階度之像素的集中。
對於人眼而言，待達成的直方圖為中間的直方圖H3 ，其相當居中，沒有或有很少的飽和(過度曝光的)像素及沒有或有很少的(曝光不足的)黑像素。然而，要以代碼讀取器之資料處理系統來將代碼解碼，直方圖H4 (其顯示一些飽和像素)是完全適合的。
因此，基於在階段111中所計算的直方圖H(Ti)，於階段112中，曝光時間值Topt被決定，其必須接著允許(於標稱影像被獲取之階段中)直方圖(其類似這些直方圖H3 或H4 )被取得。
讓我們假設直方圖H5 對應至曝光時間T5，Topt將具有低於T5之值，為了傾向例如H3 或H4 之直方圖形狀。若直方圖H1 對應至曝光時間T1，則Topt將具有高於T1之值。
實際上，計算電路藉由於階段112中決定來開始，其直方圖含有最有用的資訊(沒有飽和也沒有曝光不足的像素之數量)。要如此，其應用演算法來比較一或多個特性值或k個直方圖H(Ti)的統計，例如平均值、像素為飽和或對應至給定灰階度的比例等等；接著其基於保留的直方圖來估計期望的時間值Topt。較佳地，要改善決定之可靠度，計算電路結合至少兩個比較演算法的結果(較佳地，一個是基於平均值而另一個是基於飽和像素的比例)以建立(為了對於以下標稱獲取階段之期望的曝光時間值)由演算法所給出的結果之平均。值Topt之決定亦考慮定序器之能力(參考時間、列時間)。
選項地，可提供使用增益值G(不同於1)所取得之由測量模式所界定的最佳曝光時間值。於此情形中，計算電路修改於影像擷取參數之暫存器REG中的兩個對應的值(曝光時間Tr及增益G)。從最終影像所取得之最終直方圖接著將被以總增益=Gx(Topt/Trf)來修改，其中Trf為與於對於Topt之計算的測量模式中保留之直方圖相關聯的整合時間。
由數位處理電路COMP實現的這些計算非常的快速：在少數時鐘循環內，亦即，實際上少於一微秒，值Topt被遞送及儲存於感測器之影像擷取參數的暫存器中以界定像素於標稱獲取模式中之光時間值Tr。測量模式結束且標稱獲取模式隨後被啟動：感測器使用影像擷取參數之暫存器的目前值(包括值Tr=Topt)來實現於標稱獲取模式之新的影像擷取，且將所取得的影像遞送至外部處理系統以將代碼解碼/識別。
已被說明的本發明(且其可應用至使用於光學可讀代碼之讀取器中的任何CMOS感測器)允許讀取器之回應時間與電源消耗被明顯地改善且其電源消耗被降低。所屬技術領域中具有通常知識者將可依據討論的感測器做出需要的修改，且具體言之，依據實現於感測器中之擷取模式、依據像素矩陣陣列之控制線的拓樸、及依據像素之結構，其可為相對地複雜，依據所述結構是否實現目前最佳技術的讀出方案、用以降低讀出雜訊之方案(相關雙重取樣)、電荷多重放大級(charge-multiplying amplifying stages)等等。所屬技術領域中具有通常知識者將可應用已被說明的測量模式之快速獲取與決定階段，且界定各種曝光時間值(適合的)之分佈的型式、及/或待取樣的矩陣陣列之列及/或行的界定之方案。
於感測器中本發明之方法的實現需要定序器被適當地組構/程式化，其涉及程式化至界定下取樣的分佈之方案、及於測量模式中使用的各種曝光時間值之記憶體表內。
1‧‧‧CMOS電子感測器2‧‧‧光源3‧‧‧光學系統4‧‧‧觸發器5‧‧‧外部系統100‧‧‧快速獲取階段101‧‧‧曝光階段102‧‧‧快速讀出階段110‧‧‧決定階段111‧‧‧直方圖計算階段112‧‧‧決定階段120‧‧‧儲存階段ADC‧‧‧讀出電路COMP‧‧‧數位處理電路DATA(Ti)‧‧‧影像資料GIl‧‧‧閘極初始化控制線GTj‧‧‧傳送閘極控制線H(Tr)‧‧‧直方圖資料o‧‧‧照明窗REG‧‧‧暫存器REGM‧‧‧暫存器selrI‧‧‧列選擇控制線SEQ‧‧‧定序電路Topt‧‧‧曝光時間值Trig‧‧‧觸發訊號
參考後附圖式，本發明之其他特徵與優點係被呈現，其中： 　　- 第1圖概要地顯示可攜式代碼讀取器； 　　- 第2圖為先前技術代碼讀取器之CMOS感測器架構的簡化示意圖，適合用於實現根據本發明之方法； 　　- 第3圖顯示第2圖之矩陣陣列的像素之控制的變型5方案； 　　- 第4圖為根據本發明之條碼讀取器感測器用於獲取影像之方法的一般流程圖； 　　- 第5圖為根據本發明的獲取方法之快速測量步驟的更詳細流程圖； 　　- 第6圖顯示各種影像直方圖，對應至各種像素之曝光時間； 　　- 第7圖顯示透過像素矩陣陣列之行的各種曝光時間值之分佈的範例； 　　- 第8圖顯示透過像素矩陣陣列之列的各種曝光時間值之分佈的另一範例；及 　　- 第9至11圖顯示對於測量模式矩陣陣列中感興趣的區域之界定的範例。
1‧‧‧CMOS電子感測器
5‧‧‧外部系統
100‧‧‧快速獲取階段
110‧‧‧決定階段
120‧‧‧儲存階段
Trig‧‧‧觸發訊號

Claims (9)

  1. 一種用於獲取可由CMOS電子影像感測器所光學讀取之一或多個代碼的影像之方法，其於接收外部觸發訊號(Trig)時被該感測器所啟動且其包含進行測量影像擷取以決定期望的曝光時間值，該期望的曝光時間值接著對於矩陣陣列的所有像素被應用作為目前的曝光時間值，以進行標稱影像擷取，其特徵在於該測量影像擷取(Mode-Mes)包含：- 累積階段(100)，其對於該等像素為共同的，且其中k個不同的曝光時間值(Ti)被應用至週期性地分佈於該矩陣陣列之列或行的像素，各像素與k個不同的曝光時間值中的一個相關聯，整數k至少等於2；- 快速獲取階段(102)，於其中數位影像資料(DATA(Ti))以各種像素曝光時間值被快速地獲取，且其包含應用該矩陣陣列之列的下取樣之快速讀出階段；及- 決定階段(110)，其中該期望的曝光時間值(Topt)係藉由比較基於對於各不同的曝光時間值在該快速獲取階段中所取得之該數位影像資料來計算的直方圖而決定。
  2. 根據申請專利範圍第1項之獲取方法，對於該矩陣陣列之行應用該等k個曝光時間值(Ti)之週期性的分佈型式。
  3. 根據申請專利範圍第1或2項之獲取方法，其中該快速 讀出階段應用該等列之下取樣，其比率為1比8、1比16、或1比32。
  4. 根據申請專利範圍第1或2項之獲取方法，其中該快速讀出階段(102)僅被應用至該矩陣陣列之一或多個預定區域。
  5. 根據申請專利範圍第1或2項之獲取方法，對於該快速讀出階段(102)，排除該像素矩陣陣列之一或多個預定區域。
  6. 根據申請專利範圍第1或2項之獲取方法，使用類比數位轉換手段用以讀取該等像素，其對於該標稱影像擷取係以至少十個位元之標稱解析度來組構、且對於該測量影像擷取係以等於或低於八個位元之降低的解析度來組構。
  7. 根據申請專利範圍第1或2項之獲取方法，其中該測量模式之該等k個各種曝光時間值(T1,…Tk)的該等直方圖係以低於對應至於該測量模式中的該類比數位轉換手段之該解析度的灰階度之數量的灰階度之數量來計算。
  8. 根據申請專利範圍第1或2項之獲取方法，其中，於其中該期望的曝光時間值(Topt)被決定之該決定階段(112)應用至少兩個直方圖比較演算法，各演算法作為輸出提供一 第一值，及對於後續標稱獲取階段建立該等第一值之平均作為期望的曝光時間值。
  9. 根據申請專利範圍第1或2項之獲取方法，於其中，用於該測量影像擷取之時間約為該標稱影像擷取之時間的10%或更少。
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