用于改進直分標記掃描器性能的方法和裝置的制作方法

專利名稱：用于改進直分標記掃描器性能的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及直分標記(DPM)掃描器，尤其涉及使用濾波器和擴展動態范圍的圖 像改進掃描器性能。
背景技術：
有許多用于以可視方式編碼數字和其它信息的標準，諸如通用產品碼(UPC) 和/或歐洲商品號(EAN)。這些數字代碼使得商行能識別產品和制品、保存大量庫存、 并在類似系統下管理多種多樣的對象以及許多其它功能。產品的UPC和/或EAN 被打印、貼標簽、蝕刻或其它方式貼附到產品上作為數據表單(dataform)。
數據表單是以可視方式編碼數字和其它信息的任意標記。例如，直分標記 (DPM)是永久性標記物體以便識別的一種重要方法。例如，汽車以及航空航天業已 決定使用DPM數據表單來識別他們的產品。在DPM中，物體的表面被修整成包 括比如條形碼、二維條碼等的數據表單。標記的一種示例性方法是點式打標，其中 物體的表面通過比如觸針的打標裝置來撞擊。每次撞擊形成一凹坑，并且凹坑集合 可被用來形成表示諸如數據矩陣的數據表單的圖案。凹坑也可具有由打標處理期間 所移置的材料形成的、圍繞其周邊的微凸緣。用于進行表面剖面修整的其它方法包 括激光蝕刻、化學蝕刻和電化蝕刻。
圖1示出了示例性點式打標數據表單102。圓圈表示物體表面上的凹坑。凹坑 被排列成表示信息的陣列。數據表單102可包括關于制造商、UPC、制造的時間、 日期和地點等。該信息可被用于盤點、記帳、識別、召回等。
在一些DPM應用中，物體表面與數據表單之間在標記位置處并無本質差別。 因此，DPM掃描裝置使用物體表面上形成的高亮區和/或陰影區來適當地檢測數據 表單。用于檢測數據表單的兩種方法是使用明場照明和暗場照明。不幸的是，由于
較低的自然對比度、鏡面反射、高背景變化、環境光和其它因素，往往難以讀出 DPM數據表單。
當自發光掃描器照亮比如金屬表面的反射性表面上的數據表單時，發生鏡面 反射。來自掃描器的光從金屬表面反射出，并返回到掃描器的攝像頭。實際上，鏡
面反射遮蔽了掃描器。通常所用的傳感器并不具備足以繞過反射捕捉信息的動態范 圍。另外，環境光會干擾由掃描器提供的有效照明或自照明，特別是在數據表單的 表面是反射性的時。
因此，需要一種經改進的DPM掃描器，它可提高由掃描器捕捉的數據表單圖 像的質量并由此改進掃描器的性能。

發明內容
本文所描述和要求的本發明滿足根據本文示教將變得顯而易見的這種及其它 需要。
一種根據本發明實現的捕捉數據的方法包括使用耦合到掃描器的照明介質 照亮數據表單；對每次曝光使用不同動態范圍來捕捉數據表單的多次曝光；結合至 少兩次捕捉到的曝光來獲得具有擴展動態范圍的圖像；以及分析組合圖像。
根據本發明實現的直分標記掃描器的一個實施例包括處理單元；光學模塊; 以及具有擴展動態范圍的成像傳感器。直分標記掃描器捕捉數據以獲得擴展動態范 圍的圖像用于分析。在一些實施例中，掃描器的成像傳感器包括每個像素大于八位 的數據捕捉等級，然而在其它實施例中，成像傳感器使用多次曝光來獲得具有擴展 動態范圍的圖像。多次曝光也可用數據捕捉等級大于每像素八位的傳感器來獲取。
在另一個實施例中，直分標記掃描器還可包括照明介質和通帶濾波器。照明 介質可發射近紅外照明光，而通帶濾波器通過近紅外照明。通帶濾波器可被放置在 掃描器的光學模塊之前或之后。
根據以下詳細描述并且參閱附圖，本發明的其它目的和特性將變得顯而易見。 然而，應當理解所繪制的附圖僅僅是為了說明目的而非作為本發明限制的定義。


附圖不需要按比例繪制，且僅僅是說明性的，并且在所有這些視圖中相同標 號示出相同元件。
圖1示出了示例性DPM數據表單。
圖2示出了根據本發明一實施例實現的示例性數據捕捉模塊。 圖3示出了根據本發明實現的數據捕捉模塊的示例性定向。 圖4示出了根據本發明的另一個實施例實現的掃描模塊的另一個實施例。 圖5示出了根據本發明的一個實施例實現的示例性數據捕捉方法。
現在將結合附圖示出并描述用于改進DPM掃描器性能的方法和裝置的一些 示例性實施例。
在本發明的示例性實施例中，通過改進由該掃描器捕捉到的圖像的質量來提 高掃描器性能。較清晰的圖像更易于解碼，因而經改進的圖像捕捉導致經改進的掃 描性能。另外，如果掃描器捕捉到經改進的圖像，則可使用較低強度、較快的解碼 算法來提高掃描器的操作速度。
當來自照明介質的光線從DPM物體的表面反射并且"遮蔽"攝像頭時發生鏡 面反射，例如，捕捉到的圖像可具有其中沒有可分析的數據表單信息的亮點。擴展 捕捉到的圖像的動態范圍使得掃描器能捕捉減小鏡面反射影響的圖像，并且使掃描 器能分析更大部分的捕捉圖像。根據本發明實現的捕捉數據的示例性方法和裝置包
括用DPM掃描器的成像傳感器獲得擴展的動態范圍。實現擴展動態范圍的一種方
法是組合在不同曝光設定下拍攝的兩個圖像。另一種方法是使用具有比每像素八位 更好的數據捕捉能力的傳感器。
在另一實施例中，可通過在透鏡路徑中增加窄帶光學濾波器以限制傳感器所
釆集的環境光的量，來提高DPM掃描器的性能。濾波器的通帶與掃描器照明光源 的波長相匹配。當使用了利用干涉效應的濾波器時，可實現通帶的略微擴展，以便 允許入射光以不同角度通過該濾波器。濾波器阻擋了大部分環境光，因為環境光通 常具有較寬的光譜。另外，照明光源可以是可見光或近紅外光。使用近紅外光照明 還減小了環境光的影響，因為在比如熒光的特定類環境光和特定LED照明中幾乎 沒有近紅外光。根據本發明實現的掃描器可結合近紅外光照明和通帶濾波器來使用 具有擴展動態范圍的圖像。
參看圖2，它示出了包括根據本發明實現的數據捕捉模塊100的裝置101的示 例性框圖。在一個示例性實施例中，裝置101可以是固定式掃描器、手持式掃描器、 移動計算機等。在一個非限制的示例性實施例中，數據采集模塊可以是DPM掃描 器模塊100。 DPM掃描器模塊100可被集成到裝置100中。另外，盡管數據捕捉 模塊100被示為在裝置101內，但在其它實施例中，數據捕捉模塊100可以是通過 接線或無線地耦合到裝置101的單獨模塊。例如，在一個實施例中，數據捕捉模塊 100可以是耦合到計算機101的可轉換的固定/手持掃描槍。
DPM掃描器模塊100包括通過總線125耦合在一起的處理單元105、掃描模塊115、存儲器120、通信接口 110和照明模塊140。數據捕捉模塊100的這些模 塊可被實現為軟件、硬件、硬件仿真軟件和可編程硬件的任意組合。總線125是示 出了本發明不同模塊的互操作性的示例性總線。作為設計選項，可有一條以上的總 線，并且在一些實施例中，特定模塊可直接耦合而非耦合到總線125。
在示例性實施例中，處理單元105可被實現為一個或多個中央處理單元(CPU)、 現場可編程門陣列(FPGA)等。在一個實施例中，處理單元105可包括處理存儲于 存儲器120中的軟件和原始圖像數據的通用CPU。在其它實施例中，可在處理單 元105的存儲器中預編程處理單元105的模塊，以便執行比如信號處理、接口仿真 等的功能。在其它實施例中，處理單元105的一個或多個模塊可被實現為載有例如 來自存儲器120的不同進程并執行多種功能的FPGA。處理單元105可包括上述處 理器的任意組合。
在一個非限制的示例性實施例中，照明模塊140可被實現為一個或多個發光 二極管(LED)。其它照明介質也可用于其它實施例中。例如，在一些實施例中，照 明介質140可以是近紅外照明光源。
在一個示例性實施例中，掃描模塊115可被實現為包括光學模塊130、濾波模 塊132、傳感器模塊135和導向模塊142的攝像頭115。例如，光學模塊130可以 是攝像頭115的透鏡130。在一些實施例中，光學模塊130可由一個以上透鏡構成， 和/或提供一個以上焦點。另外，光學模塊130并不限于透鏡；任何棱鏡和/或適用 于捕捉圖像的其它光學介質都可用來實現光學模塊130。濾波模塊132可被實現為 通過與照明介質140匹配的光的被長韻帶通濾波器。
在一個實施例中，傳感器模塊135可被實現為電荷耦合器件(CCD)。 CCD 135 以數字格式記錄圖像以便處理。在其它實施例中，比如CMOS半導體傳感器的捕 捉圖像的任意傳感器都可被用來實現傳感器模塊135。在本發明的一些實施例中， 傳感器具有比每像素八位更好的數據捕捉能力。
本發明的一些實施例可包括導向模塊142。導向模塊142包括將目標投影到靠 近圖像掃描器100的視野的光源或例如激光的源。此目標以十字準線、方形、圓形 或任意其它圖案出現在物體上，這些圖案有助于用戶將數據表單置入掃描器的視野 中。
存儲器120可被實現為比如隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)和/或 閃存的易失性存儲器、非易失性存儲器和可重寫存儲器。存儲器120存儲用來操作 圖像掃描器100的方法和進程，諸如信號處理方法150、電源管理方法155和接口
方法160。存儲器120也可被用來存儲原始圖像數據和/或經處理的圖像數據。
當例如按壓觸發器啟動掃描操作時，掃描器100開始數據捕捉方法145。以下 將參考圖5描述數據捕捉方法145的一個示例性實施例。在數據捕捉方法145期間， 掃描模塊115捕捉掃描器100的視野內的圖像，并且該圖像通過信號處理方法150 來分析和解碼。
電源管理方法155管理DPM掃描器模塊100所使用的電源。在一些實施例中， 當在給定時間段內未檢測到活動時，掃描器模塊100可切換到省電模式。省電模式 可完全切斷掃描器100，或者啟動其它省電技術。
數據釆集模塊100可被實現為以各種語言進行通信的不同裝置101的模塊。 因此，數據采集模塊100包括接口方法160，該方法將經解碼的數據表單翻譯成與 數據采集模塊100連接的裝置101的語言。不同接口包括通用串行總線(USB)、掃 描器仿真、IBM鍵盤橋接口、碼元串行接口(SSI)等。通信通過通信接口 110來執 行。
圖2的示例性實施例示出了作為單獨組分的數據捕捉方法145、信號處理方法 150、接口方法160和電源管理方法155，但是這些方法并不限于這種配置。本文 所述的每個方法可整個或部分地作為單獨組分，或者可互操作或共享操作。另外， 盡管方法被示為在存儲器120中，但在其它實施例中，這些方法也可永久或動態地 結合到處理單元105的存儲器中。在一些實施例中，掃描模塊115可與數據捕捉模 塊100分隔開，并且數據捕捉模塊100可使用通用計算機和軟件來實現。
在圖2中存儲器120被示為單個模塊，但在一些實施例中，圖像掃描器l加 可包括一個以上存儲器模塊。例如，上述方法可存儲在單獨的存儲器模塊中。
圖3示出了根據本發明實現的數據捕捉模塊300的一個示例性實施例。數據 捕捉模塊300可被實現為DPM掃描器模塊300，掃描模塊115可被實現為攝像頭 115，并且照明模塊140可被實現為LED 140、 140，。與圖1的數據捕捉模塊100 一樣，數據捕捉模塊300還包括存儲器120、處理單元105和通信接口 110。
圖3示出掃描模塊115和照明模塊140的一示例性定向。數據捕捉模塊300 的一側390是模塊300的正面，并且在掃描時面向目標數據表單。LED 140、 140， 外露于數據捕捉模塊300的正面側390上，并且被置于出射窗385的相對兩側。通 帶濾波器332被置于窗385的后面。該通帶濾波器被設計成通過由LED140、 140， 發射的光的波長。因為環境光通常具有較寬光譜，所以此濾波器阻擋了大部分環境 光并獲得數據表單的較清晰圖像。
攝像頭115被置于濾波器332的后面。攝像頭115包括透鏡130和傳感器135。 傳感器135可以是擴展動態范圍的傳感器或八位傳感器。在任一情況中，攝像頭可 被編程為在不同曝光設定下拍攝多個數據表單的圖像，并根據這些多個圖像獲得具 有擴展動態范圍的圖像。另外，在一些實施例中，出射窗385可替換成濾波器332。
圖4示出了根據本發明實現的數據捕捉模塊400的另一個實施例。數據捕捉 模塊400可被實現為DPM掃描器模塊400。 DPM掃描器模塊400包括與圖3的 DPM掃描器300相同的元件，在此實施例中的不同之處在于通帶濾波器390被置 于透鏡130的后面。在另一實施例中，攝像頭115可放置于數據捕捉模塊400的外 邊緣之上，從而使透鏡130替代窗385。
圖5示出了用于掃描數據表單的方法500的一示例性實施例。描述方法500 時參考DPM掃描器100。方法500和本文所述的其它方法的步驟是示例性的，并 且步驟的順序可按設計選擇重新排列。數據捕捉方法500從啟動步驟505開始。在 一個示例性實施例中，當DPM掃描器100和/或裝置101接入電源和/或當按壓掃 描器100上的觸發器或按鈕時，啟動方法500。裝置101和/或DPM掃描器100可 在工作之前運行診斷。
處理從步驟505進行到步驟510，其中掃描器IOO照亮目標數據表單。照明可 以是波長在例如0.4 與0.7 pm之間的可見光，或者是波長在例如0.7 pm與1.2 pm之間的近紅外光。照明光源和設計成通過近紅外照明的匹配帶通濾波器可降低 環境光對捕捉到的數據表單圖像的不良影響。
處理從步驟510進行到步驟515，其中掃描器100捕捉目標數據表單的一個或 多個表示一例如數字圖像。如先前所述的，擴展動態范圍可通過使用具有較高動態 范圍的傳感器、或者通過結合具有不同曝光設定的多個圖像來獲得。
在步驟515之后的步驟520中，分析所獲得的圖像，并解碼目標數據表單。 在步驟545，如果解碼算法是成功的，則處理前進到其中對經解碼的數據進行進一 步處理的步驟555。例如，數據可被翻譯成裝置101能解釋的語言。例如，如果成 像傳感器100經由USB連接附連到計算機，則在步驟555中經解碼的數據表單被 翻譯成串行形式，并且通過通信接口 IIO傳送到裝置IOI。在步驟555之后，方法 500的處理前進到步驟560，其中方法500返回到步驟505，并且DPM掃描器100 準備處理另一個數據表單。
返回到步驟545，如果掃描器IOO不能成功地解碼目標數據表單，則處理前進 到步驟55(L在一些實施例中，DPM掃描器IOO不進行任何處理，并且在步驟560
中返回到步驟505，但在其它實施例中，掃描器100可向通信接口 IIO傳送失敗信 號，和/或向掃描器100的操作人員發出聽得見的失敗信號。裝置101可被編程以 識別失敗信號，并通過聽得見的聲音和/或屏幕上的信息來提醒操作人員操作失敗。 另外，掃描器100和/或裝置101可指示操作人員重試、將數據表單抬高至掃描器 100、和/或使掃描器和/或物體在不同方向上定向。
返回到步驟550，在其它實施例中，響應于失敗的解碼嘗試，掃描器100在步 驟560中返回到510，并嘗試重新解碼數據表單。掃描器100可在停止之前嘗試預 定次數。
雖然本發明的各個實施例被描述成解碼點式打標數據表單，但是本發明也可 用于通過諸如蝕刻的其它DPM技術形成的數據表單。
雖然己經示出、描述并指出了本發明的應用到優選實施例的基本新穎特性， 但是應當理解本領域技術人員可在形式和細節上對所公開的本發明作出各種省略 和替代以及變化，而不背離本發明的精神。因此，本發明旨在僅根據所附權利要求 指出的范圍進行限定。
權利要求
1.一種掃描方法，包括使用耦合到掃描器的照明介質照亮物體；捕捉所述物體的多次曝光，其中每次曝光包括不同的動態范圍；組合所述捕捉到的曝光的至少兩個，以獲得具有擴展動態范圍的圖像；以及分析所述組合圖像。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述物體包括作為一個數據表單 的數據表單。
3. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述掃描器還包括 處理單元；光學模塊；以及 成像傳感器。
4. 如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述掃描器還包括 照明介質；以及帶通濾波器，具有與照明介質的波長有相當重疊的通帶。
5. 如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述帶通濾波器被置于所述光學 模塊的前面。
6. 如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述帶通濾波器被置于所述光學 模塊的后面。
7. 如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述照明介質發射近紅外照明， 并且所述帶通濾波器通過所述近紅外照明。
8. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述帶通濾波器略微擴展以傳送 超出所述近紅外照明的波長。
9. 一種直分標記掃描器，包括 處理單元；光學模塊；以及具有擴展動態范圍的成像傳感器，其中所述直分標記掃描器捕捉至少一個圖 像以便獲得擴展動態范圍的圖像。
10. 如權利要求9所述的直分標記掃描器，其特征在于，所述成像傳感器包括 大于每像素八位的數據捕捉等級。
11. 如權利要求9所述的直分標記掃描器，其特征在于，所述成像傳感器使用 多次曝光以便獲得具有擴展動態范圍的圖像。
12. 如權利要求9所述的直分標記掃描器，其特征在于，還包括 照明介質；以及帶通濾波器，具有與照明介質的波長有相當重疊的通帶。
13. 如權利要求12所述的直分標記掃描器，其特征在于，所述帶通濾波器被置于所述光學模塊的前面。
14. 如權利要求12所述的直分標記掃描器，其特征在于，所述帶通濾波器被置于所述光學模塊的后面。
15. 如權利要求12所述的直分標記掃描器，其特征在于，所述照明介質發射 近紅外照明，并且所述帶通濾波器通過所述近紅外照明。
16. 如權利要求15所述的直分標記掃描器，其特征在于，所述帶通濾波器略 微擴展以傳送超出所述近紅外照明的波長。
17. —種直分標記掃描器，包括 處理單元；光學模塊； 成像傳感器；照明介質，其中所述照明介質發射近紅外照明；以及 帶通濾波器，其中所述帶通濾波器通過所述近紅外照明。
18. 如權利要求17所述的直分標記掃描器，其特征在于，所述成像傳感器是 包括大于每像素八位的數據捕捉等級的擴展動態范圍的傳感器，并且其中所述直分標記掃描器捕捉至少一個圖像以便獲得擴展動態范圍的圖像。
19. 如權利要求17所述的直分標記掃描器，其特征在于，所述帶通濾波器略 微擴展以傳送超出所述近紅外照明的波長。
20. 如權利要求17所述的直分標記掃描器，其特征在于，所述帶通濾波器被 置于所述光學模塊的前面。
21. 如權利要求17所述的直分標記掃描器，其特征在于，所述帶通濾波器被 置于所述光學模塊的后面。
全文摘要
使用包括處理單元、光學模塊和具有擴展動態范圍的成像傳感器的掃描器來改進直分標記掃描數據解碼的方法和裝置。掃描器捕捉數據以便獲得擴展動態范圍的圖像用于分析。在一個實施例中，傳感器對每像素八位以上敏感，而在另一個實施例中采取多次曝光。在其它實施例中，掃描器包括通過由照明模塊發射的光的通帶濾波器。
文檔編號G06K7/10GK101103362SQ200580045249
公開日2008年1月9日 申請日期2005年12月6日 優先權日2004年12月29日
發明者B·卡爾森, E·約瑟夫, 何端峰 申請人:訊寶科技公司