Способ сканирования цветного изображения и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области оптического сканирования. Изобретение может быть использовано для получения увеличенного изображения объекта и выявления скрытого и зашумленного изображения. Технический результат - получение высокой разрешающей способности и качественной цветопередачи при сканировании объектов. При сканировании производят экспонирование отдельных элементарных кадров в спектрах множества цветных световых потоков. При этом сканирующая головка находится в неподвижных состояниях относительно объектов сканирования, за счет чего экспозиция может выбираться оптимальной для получения высокого качества изображения. Данный способ осуществляют с помощью устройства, в которое введены шаговые двигатели, блок усреднения величины сигналов, группы светодиодов разных цветов. Причем светодиоды размещены кольцеобразно на объективе сканирующей головки. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области оптического сканирования и может быть использовано для архивирования произведений искусства и ценных документов, получения увеличенного изображения объекта без ухудшения его исходного качества и выявления скрытого и зашумленного изображения.

Известна система считывания изображения, содержащая сканирующую головку, включающую в себя объектив, группу светодиодов, фотоэлектронный преобразователь и аналого-цифровой преобразователь. Сканирующая головка соединена с компьютером и установлена на каретке принтера, имеющего три двигателя (патент США N5,844,695, кл.358/509, 1998 г.). К недостаткам системы относится то, что в ней отсутствует возможность сканирования цветного изображения и используется способ строчного сканирования с относительным равномерным непрерывным движением объекта сканирования, что ограничивает разрешающую способность системы скоростью развертки.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению являются сканер цветного изображения с множеством светодиодов и метод сканирования цветного изображения, при котором создают световые потоки трех различных цветов с помощью независимо использующегося множества светодиодов, в спектрах которых осуществляется последовательное поэлементное экспонирование объекта, фотоэлектронное преобразование каждого из полученных световых сигналов, аналого-цифровое преобразование полученных электронных сигналов и их запоминание. Указанный метод осуществляют в сканере, содержащем группы светодиодов, излучающих световые потоки красного, зеленого и синего цветов на объект сканирования и обеспечивающих требуемое распределение освещенности по полю элемента объекта с подключенной к ним выходом схемы независимого управления светодиодами, фотоэлектронный преобразователь, управляющий вход которого соединен с выходом схемы управления временем накопления, а выход подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, первый шаговый двигатель с подключенной к нему схемой управления приводом, управляющий процессор, соединенный через общую шину ввода-вывода устройства со схемами управления приводом, светодиодами и фотоэлектронным преобразователем, а выход аналого-цифрового преобразователя через общую шину ввода-вывода устройства соединен с блоком оперативной памяти и через интерфейс - с главным компьютером (патент США N 5,625,470, кл.358/505, 1997 г.).

Недостатком данного метода и сканера, с помощью которого он осуществляется, является то, что экспонирование объекта осуществляют прибором с зарядовой связью (CCD), выполненным в виде линейки, при относительном равномерном непрерывном движении объекта. При этом разрешающая способность сканера в направлении перемещения (развертки) изображения зависит не только от величины чувствительного элемента прибора CCD и оптических параметров проекционного объектива, но и от скорости развертки изображения.

Техническим результатом изобретения является получение высокой разрешающей способности и качественной цветопередачи при сканировании объектов независимо от их линейных размеров.

Указанный технический результат достигается тем, что сканирование начинают с установки масштаба экспонирования для определения величины элементарного кадра объекта, расположенного в плоскости XY, затем осуществляют многократное последовательное экспонирование с рассчитанными величинами экспозиций в спектрах множества цветных световых потоков каждого из смежных элементарных кадров, находящегося в статическом положении и, после фотоэлектронного и аналого-цифрового преобразований проводят усреднение величин сигналов, полученных от каждого из смежных статических элементарных кадров по всему полю объекта, после чего формируют изображение объекта в цифровом виде электронным объединением всех кадров.

Предложенный способ осуществляют с помощью устройства для сканирования цветного изображения, содержащего сканирующую головку, включающую в себя N групп светодиодов, излучающих световые потоки разных цветовых спектров на объект сканирования и обеспечивающих требуемое распределение освещенности по полю элемента объекта, проекционный объектив и матричный фотоэлектронный преобразователь (ФЭП), например матричный прибор с зарядовой связью CCD, объединенные в сканирующую головку, причем группы светодиодов подключены к выходу схемы независимого управления светодиодами, а выход схемы управления матрицей ФЭП соединен с управляющим входом матричного ФЭП, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), первый, второй и третий шаговые двигатели с подключенным к ним блоком управления приводом, причем первый и второй шаговые двигатели связаны приводами со сканирующей головкой для ее перемещения в плоскости XY, а третий шаговый двигатель связан приводом со сканирующей головкой для ее перемещения в направлении Z, нормальном к плоскости XY, управляющий процессор, соединенный через общую шину ввода-вывода устройства с блоком усреднения сигналов от экспонированного кадра, блоком управления приводом и со схемами управления группами светодиодов и матрицей ФЭП, а выход аналого-цифрового преобразователя через общую шину ввода-вывода устройства соединен с блоком оперативной памяти и через интерфейс - с главным компьютером.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для сканирования цветного изображения; на фиг. 2 - пример выполнения схемы независимого управления группами светодиодов; на фиг. 3 - пример выполнения схемы управления матрицей ФЭП; на фиг. 4 - алгоритм работы устройства; на фиг. 5, 6, 7 - примеры конструктивного выполнения и расположения сканирующей головки устройства.

Устройство для сканирования цветного изображения, функциональная схема которого представлена на фиг. 1, содержит объект 1 сканирования, сканирующую головку 2, включающую в себя N групп 3 светодиодов, излучающих световые потоки различных цветовых спектров на объект 1 сканирования и обеспечивающих требуемое распределение освещенности по полю элементарного кадра объекта 1, проекционный объектив 4 и матричный ФЭП 5, причем группы 3 светодиодов подключены к выходу схемы 6 независимого управления светодиодами, а выход схемы 7 управления матрицей ФЭП соединен с управляющим входом матричного ФЭП 5, выход которого подключен к входу АЦП 8, первый, второй и третий шаговые двигатели 9, 10, 11 с подключенным к ним блоком 12 управления приводом, причем первый и второй шаговые двигатели 9, 10 связаны со сканирующей головкой 2 для ее привода в плоскости XY, а третий шаговый двигатель 11 связан со сканирующей головкой 2 для ее привода в направлении Z, нормальном к плоскости XY, управляющий процессор 13, соединенный через общую шину 14 ввода-вывода устройства с блоком 15 усреднения сигналов от экспонированного кадра и со схемами 6, 7 управления светодиодами и временем накопления матрицы ФЭП 5 и блоком 12 управления приводом шаговых двигателей 9, 10, 11, а выход АЦП 8 через общую шину 14 ввода-вывода устройства соединен с блоком 16 оперативной памяти и через интерфейс 17 - с главным компьютером 18.

Схема 6 независимого управления светодиодами может включать в себя, как показано на фиг. 2, последовательно соединенные входной регистр 21 и коммутатор 22, выходы которого соединены соответственно с управляющими входами N синтезаторов 23 управляющего напряжения, выходы которых соединены соответственно с управляющими входами N генераторов 24 тока. К выходам генераторов 24 тока подключаются соответствующие группы 3 светодиодов.

Схема 7 управления матрицей ФЭП 5 может быть выполнена, как показано на фиг.3, в виде последовательно соединенных синтезатора 31 управляющего напряжения и схемы 32 управления временем накопления, выход которой подключается к матрице 33 ФЭП 5, электронный сигнал которого поступает на его выход через усилитель 34, управляемый сигналом со второго выхода синтезатора 31 управляющего напряжения.

Устройство для сканирования цветного изображения, осуществляющее предложенный метод, в соответствии с представленным на фиг. 4 алгоритмом работает следующим образом.

Шаг 1. С помощью системы развертки изображения объекта 1 сканирования, представляющей собой управляемый процессором 13 электромеханический узел, в состав которого входят три шаговых двигателя 9, 10, 11 и блок 12 управления приводом, устанавливают требуемый размер элементарного кадра и его координаты на объекте 1. Размеры элементарного кадра могут меняться в зависимости от задачи сканирования и параметров объекта 1. Например, относительно большой по площади объект может быть разделен на достаточно большие элементарные кадры, которые при соответствующем расстоянии между сканирующей головкой 2 и плоскостью объекта 1 проецируются на матрицу ФЭП 5 в масштабе, меньшем единицы. И наоборот, объект с очень мелкими деталями может быть разделен на очень маленькие элементарные кадры, которые за счет уменьшения расстояния между сканирующей головкой 2 и плоскостью объекта 1 проецируются на матрицу ФЭП 5 в масштабе, большем единицы. В этом случае самая малая деталь объекта проецируется на несколько чувствительных элементов матрицы.

Шаг 2. Определяют величину единичного перемещения сканирующей головки 2 в плоскости XY в зависимости от выбранного масштаба съемки и линейных размеров чувствительных элементов матрицы ФЭП 5.

Шаг 3. Определяют координаты узловых точек экспонирования элементарных кадров в плоскости XY.

Шаг 4. Устанавливают сканирующую головку 2 в начальную узловую точку.

Шаг 5. После установки кадра и успокоения механических колебаний по сигналам от управляющего процессора 13 с помощью схемы 6 независимого управления светодиодами производят последовательное включение групп 3 светодиодов различных спектров, во время каждого из которых производится многократное экспонирование элементарного кадра объекта 1.

Шаг 6. Последовательно преобразуют полученные отраженные от объекта световые сигналы каждого спектра в аналоговую форму с помощью ФЭП 5, затем в цифровую форму с помощью АЦП 8 и передают по шине 14 ввода-вывода в блок 16 оперативной памяти.

Шаг 7. По сигналам управляющего процессора 13 с помощью блока 15 усреднения сигнала от экспонированного кадра проводят улучшение соотношения сигнал/шум формируемого изображения за счет усреднения регулярной составляющей сигнала при уменьшении шумовой в зависимости от числа повторных экспозиций кадра в данном спектре осветителя.

Шаг 8. Осуществляют коррекцию неравномерности освещенности и нелинейности оптических и электронных преобразований с помощью корректирующих коэффициентов, заложенных в базу данных главного компьютера 18 при калибровочном сканировании.

Шаг 9. Производят проверку координат текущей узловой точки. В случае, если их величина не соответствуют величине координат последней узловой точки, то переходят к шагу 10.

Шаг 10. Производят перемещение сканирующей головки 2 в следующую узловую точку и переходят к шагу 5.

В случае, если величина координат текущей узловой точки соответствует координатам последней узловой точки, то переходят к шагу 11.

Шаг 11. Обработанные сигналы от смежных элементарных кадров по всему полю изображения объекта извлекают из блока 16 оперативной памяти и через интерфейс 17 передают в главный компьютер 18, где из них формируется изображение объекта в цифровом виде.

Конструкции вариантов устройства для сканирования цветного изображения, представленные на фиг.5, 6, 7, включают в себя сканирующую головку 2, которая содержит проекционный объектив 4 с приводом шагового двигателя 11 (на чертежах не показан) для перемещения в направлении Z. На фронтальной части объектива 4 кольцеобразно размещены группы 3 светодиодов, а противоположная его часть соединена с матричным ФЭП 5. Сканирующая головка 2 установлена на подвижной каретке 41 с приводом шагового двигателя 10 (на чертежах не показан) для перемещения по направляющей 42 в направлении X, причем сама направляющая 42 с помощью привода шагового двигателя 9 (на чертежах не показан) имеет возможность перемещения в направлении Y. Электрическое соединение соответствующих узлов сканирующей головки 2 осуществляется с помощью гибкого плоского многожильного кабеля 43.

Различия вариантов исполнения заключаются в том, что на фиг. 5 представлен вариант расположения объекта 1 сканирования в горизонтальной плоскости над сканирующей головкой 2. Такая конструкция необходима в случае, когда объект 1 сканирования имеет достаточную жесткость и некоторую толщину (например, картина в раме). На фиг. 6 представлен вариант расположения объекта 1 сканирования в горизонтальной плоскости под сканирующей головкой 2. Такая конструкция необходима в случае, когда объект 1 сканирования имеет форму гибкого тонкого листа. На фиг. 7 представлен вариант конструкции, в котором направляющая 42 выполнена в виде двух параллельных балок, что дает возможность монтажа каретки 41 как для случая расположения объекта 1 сканирования над сканирующей головкой (фиг. 7а), так и для случая его расположения под сканирующей головкой (фиг. 7б).

Кроме того, такая конструкция обладает наименьшим моментом инерции, так как центр масс всей конструкции совпадает с плоскостью направляющих.

По сравнению с известными предложенные метод и устройство для его осуществления обладают следующими преимуществами: - поскольку экспонирование производится при неподвижных состояниях сканирующей головки и объекта сканирования, то экспозиция может выбираться оптимальной для получения высокого качества изображения; - поскольку осветитель установлен в сканирующей головке и работает лишь на малую часть площади объекта, то таким образом обеспечиваются его малая мощность (отсутствие нагрева объекта) и хорошая равномерность освещения элементарного кадра; - поскольку величина отдельного элементарного кадра объекта сравнима с размерами матрицы CCD, проекционный объектив может работать в параксиальной области хода лучей и иметь минимальные геометрические искажения и аберрации.

Кроме того, в отличие от известных устройств, в которых предполагается процесс калибровочного сканирования при каждой смене объекта, в предложенном устройстве калибровка проводится только один раз при его изготовлении. В результате этого процесса осуществляется настройка каждого отдельного чувствительного элемента матрицы CCD. В зависимости от величины отклика соответствующего чувствительного элемента на световую реакцию от каждого элемента сканируемого полутонового клина формируется передаточная функция чувствительности данного элемента. Полученная информация сохраняется в базе данных главного компьютера и остается постоянной характеристикой данного устройства.

Предшествующее подробное описание следует рассматривать как иллюстрацию выбранных вариантов изобретения, не ограничивающих его. Прилагаемая формула изобретения, включающая все эквиваленты, определяет объем данного изобретения.

Формула изобретения

1. Способ сканирования цветного изображения, при котором осуществляют последовательное поэлементное экспонирование объекта с рассчитанными величинами экспозиций в спектре множества цветных световых потоков, фотоэлектронное преобразование каждого из отраженных световых разноцветных потоков, поступивших от каждого элемента объекта, аналого-цифровое преобразование полученных сигналов и их запоминание, отличающийся тем, что сканирование начинают с установки масштаба экспонирования для определения величины элементарного кадра объекта, расположенного в плоскости XY, экспонирование в каждом из спектров множества цветных световых потоков каждого из элементарных кадров, находящихся в статическом положении, осуществляют многократно и после фотоэлектронного и аналого-цифрового преобразований проводят усреднение величины сигналов, полученных от каждого из статических элементарных кадров, расположенных в поле объекта, после чего формируют изображение объекта в цифровом виде электронным объединением всех кадров.

2. Устройство для сканирования цветного изображения, содержащее N групп светодиодов, излучающих световые потоки различных цветовых спектров на объект сканирования с подключенным к ним выходом схемы независимого управления светодиодами, сканирующую головку, включающую в себя проекционный объектив и фотоэлектронный преобразователь, управляющий вход которого соединен с выходом его схемы управления, а выход подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, первый шаговый двигатель с подключенным к нему блоком управления приводом, управляющий процессор, соединенный через общую шину ввода-вывода устройства с блоком управления приводом и схемами независимого управления светодиодами и фотоэлектронным преобразователем, а выход аналого-цифрового преобразователя через общую шину ввода-вывода устройства соединен с блоком оперативной памяти и через интерфейс с главным компьютером, отличающееся тем, что группы светодиодов с поочередным расположением отдельных цветов размещены на кольцеобразной конструкции, закрепленной на фронтальной части проекционного объектива, фотоэлектронный преобразователь выполнен матричным, а в устройство введены блок усреднения величины сигналов от экспонированного кадра, подключенный к общей шине ввода-вывода устройства, и второй и третий шаговые двигатели, подключенные к блоку управления приводом, причем первый и второй шаговые двигатели связаны со сканирующей головкой для ее привода в направлении Z, нормальном к плоскости XY.

3. Устройство для сканирования цветного изображения по п.2, отличающееся тем, что схема независимого управления светодиодами содержит последовательно соединенные входной регистр и коммутатор, выходы которого соединены соответственно с управляющими входами N генераторов тока.

4. Устройство для сканирования цветного изображения по п.2, отличающееся тем, что схема управления матрицей фотоэлектронного преобразователя содержит последовательно соединенные синтезатор управляющего напряжения и схему управления временем накопления.

5. Устройство для сканирования цветного изображения по п.2, отличающееся тем, что в качестве фотоэлектронного преобразователя используется черно-белая видеокамера с прибором с зарядовой связью (CCD) матричного типа, имеющая на выходе стандартный телевизионный сигнал, поступающий в стандартную карту ввода телевизионного сигнала главного компьютера.

6. Устройство для сканирования цветного изображения по п.2, отличающееся тем, что сканирующая головка может быть установлена на каретке стандартного планшетного пло

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7