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专利号: 2011101210060
申请人: 浙江工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2023-12-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种低成本超宽幅高速扫描仪,包括用于提供平放被扫描物体的扫描平台,其特征在于:所述扫描仪还包括移动支架,所述移动支架可移动地地安装在纵向轨道上,所述移动支架与驱动部件连接,所述移动支架的上方安装横向布置的悬臂梁,所述悬臂梁上安装用于固定扫描成像的多个由面阵CCD构成扫描单元的多个摄像单元,所述多个摄像单元并排布置,所述扫描平台位于所述悬臂梁的下方,所述扫描仪还包括用于对多个面阵CCD所拍摄的图像进行处理的以及控制驱动部件使得移动支架产生移动动作的计算机,各个摄像单元均通过视频卡与计算机连接,所述计算机包括:图像获取模块,用于获取被扫描物体的图像,采用多个摄像单元分别获取被扫描物体的某一个局部图像;

图像标定模块,用于对多幅图像进行标定,使得每幅图像的中心点统一在一条直线上,且每幅图像的放大倍数一致以及每幅图像无旋转形变;

亮度一致化处理模块,用于对每个摄像单元所拍摄的图像进行亮度一致化处理;

扫描横向图像的拼接模块,用于将多个摄像单元所拍摄的图像按横向左右顺序无缝拼接成宽幅图像;

扫描纵向图像的拼接模块,用于将多个摄像单元所拍摄的图像按横向左右顺序无缝拼接成宽幅图像后,宽幅条状图像在纵向前后方向进行拼接得到被扫描件的整幅图像。

2.如权利要求1所述的低成本超宽幅高速扫描仪,其特征在于:所述悬臂梁上安装照明单元,所述照明单元位于所述摄像单元的两侧,所述移动支架安装在提供扫描行程的长轴上,所述驱动部件为用于带动移动支架沿所述长轴移动的皮带齿轮机构,所述皮带齿轮机构与用于驱动皮带齿轮机构动作的电机连接,所述悬臂梁与支撑条连接,所述扫描平台与用于支撑扫描平台的支撑支架连接,所述计算机与用于人机交互的触摸屏连接,所述扫描仪还包括分别为计算机、摄像单元、电机和LED照明单元提供电源的多功能电源单元。

3.如权利要求1或2所述的低成本超宽幅高速扫描仪,其特征在于:所述图像标定模块中,读取每个摄像单元拍摄的多幅图像,接着对多幅图像在X轴方向上分别做Sobel梯度算子运算,然后进行二值化处理,得到多幅二值化图像;

对多幅二值化图像进行水平倾斜检测,水平倾斜检测精度为0.001°,得到每幅图像的水平倾斜角,水平倾斜检测算法采用Hough变换算法;Hough变换算法检测图像中直线倾斜角度的思想是利用了从直角坐标平面到极坐标平面的平面域变换时以极坐标系刻画同一二维图像所用到的倾斜角θ,对于图像上的一条直线以斜率和截距式表示,如公式(4)所示:Y=mX+b (4)

式中,m为直线的斜率,b为直线的截距;

公式(4)的直线方程又可以写成极坐标系中的直线方程,如公式(5)所示:

r=Xcosθ+Ysinθ (5)

式中,r为直线到原点的距离,θ为以水平直线为基准的直线的倾斜角;极坐标平面上的一点(r,θ)对应着直角坐标平面上的一条直线;具体检测直线倾斜角度算法如下;

设置r,θ坐标平面原点0;

定义数组J(r,θ),记录极坐标上距离r和角度θ上的交点数;

初始化:J(r,θ)=0;

for(距离r从(0-(1个增量))到(图像高+(1个增量)){

for(像素位置X从0到图像高度值)

for(像素位置Y从0到图像宽度值){

如果(x,Y)点灰度G(x,Y),为亮点;则计算该点连接原点0的线段的角度θ,J(r,θ)增加l;}增量l采用0.001°进行遍历,限制角度检测范围为-5°~5°;通过对多幅图像进行检测得到了每幅图像的倾斜角度值,检测倾斜角误差小于0.01°,用θN来表示第N幅图像的倾斜角度,并将其保存在文件名为Profile.txt的文件内,保存顺序为θ1,θ2,θ3,…,θN,…,θ16;

在得到了每幅图像的倾斜角度后,用公式(1)分别对多幅图像进行旋转变换,式中,xN为第N幅图像x的坐标值,yN为第N幅图像y的坐标值,θN为第N幅图像的水平倾斜角度, 为第N幅图像旋转变换后x的坐标值, 为第N幅图像旋转变换后y的坐标值。

4.如权利要求3所述的低成本超宽幅高速扫描仪,其特征在于:所述的图像标定模块中,根据规定的分辨率进行归一化处理,对于采用150×150dpi的标准对16幅旋转变换后的图像用公式(2)进行缩放处理,归一化处理后的图像都统一成150×150dpi分辨率的图像,式中, 为第N幅图像旋转变换后x的坐标值, 为第N幅图像旋转变换后y的坐标值,SN为第N幅图像的缩放比例系数, 为第N幅图像归一化后x的坐标值, 为第N幅图像归一化后y的坐标值;每幅图像的缩放比例系数SN保存在文件名为Profile.txt的文件内,保存顺序为S1,S2,S3,…,SN,…,S16。

5.如权利要求3所述的低成本超宽幅高速扫描仪,其特征在于:所述的图像标定模块中,将每幅图像的中心点在水平方向上对齐,采用平移变换来实现每幅图像的中心点在水平方向上对齐,以第一幅图像的中心点在X轴上的坐标为基准,然后分别计算其他图像的中心点与第一幅图像的中心点在X轴上的坐标值之间的差值ΔXN,并将每幅图像的在X轴上的坐标值之间的差值ΔXN保存在文件名为Profile.txt的文件内,保存顺序为ΔX1,ΔX2,ΔX3,…,ΔXN,…,ΔX16;平移变换算法用公式(3)表示,式中,uN为第N幅图像经旋转、缩放和垂直平移变换后x的坐标值,vN为第N幅图像经旋转、缩放和垂直平移变换后y的坐标值,ΔXN为第N幅图像在X轴方向上的平移量;AN为对第N幅图像进行旋转和缩放变换的矩阵,用公式(13)表示:将每幅图像进行旋转和缩放变换的矩阵AN保存在文件名为Profile.txt的文件内,保存顺序为A1,A2,…AN,…,A16。

6.如权利要求1或2所述的低成本超宽幅高速扫描仪,其特征在于:所述的图像标定模块,确定每幅图像中心点在Y轴上的坐标值,对于宽幅扫描仪的最大扫描幅度为160cm,均分每个摄像单元在宽度方向上的有效扫描幅度为100cm,那么就将16幅并列的图像中心点在Y轴上的坐标值分别确定为50、150、250、350、450、550、650、750、850、950、1050、

1150、1250、1350、1450、1550cm,以图像中心点为基准来截取每幅图像的大小,按扫描分辨率150dpi来计算在100cm范围内有594个像素,除了第1幅图像和第16幅图像处于左右边缘外,其他14幅图像在左右两边都有8个像素的重叠区域,对中间的14幅图像的宽幅截取的大小为620个像素,对左右两侧图像的宽幅截取的大小为612个像素。

7.如权利要求1或2所述的低成本超宽幅高速扫描仪,其特征在于:所述的扫描横向图像的拼接模块,用于将多个摄像单元所拍摄的图像按顺序无缝拼接成宽幅图像,采用渐入渐出的方法对相邻两幅图像的重叠部分由左边一幅图像慢慢过渡到右边一幅图像,设参数d为渐变因子,用来调和相邻图像的颜色,产生加权平均的作用,其取值范围应该限制在(0,1)之间;对应左边一幅图像中重叠部分fN-1(x,y)与右边一幅图像中重叠部分fN(x,y),融合结果为fW(x,y),融合算法用公式(6)表示,fW(x,y)=d×fN-1(x,y)+(1-d)×fN(x,y) (6)

式中,d是渐变因子,由1渐变到0;对于重叠区域有8个像素,渐变步长为1/8;fW(x,y)为融合结果、fN-1(x,y)为左边一幅图像中重叠部分、fN(x,y)为右边一幅图像中重叠部分。

8.如权利要求7所述的低成本超宽幅高速扫描仪,其特征在于:所述的扫描纵向图像的拼接模块,通过求取图像互功率谱函数的傅立叶逆变换峰值位置来求取位移量,具体的相位相关法的算法步骤如下:Step1:读取前后两幅宽幅条状图像中的重叠部分的前宽幅图像部分FP-1(x,y)和后宽幅图像部分fP(x,y);

Step2:计算fP-1(x,y)和fP(x,y)的傅立叶变换,得到FP-1(ξ,η)和FP(ξ,η);

Step3:根据公式(10)计算FP-1(ξ,η)和FP(ξ,η)互功率谱;

Step4:对互功率谱进行逆FFT变换,在相关表面上找到峰值点坐标:

Step5:找出幅值最大值的位置即为两幅图像fP-1(x,y)和fP(x,y)的平移量Δx;

采用渐入渐出的方法对前后相邻两幅宽幅图像的重叠部分由前一幅宽幅图像慢慢过渡到后一幅宽幅图像,设参数d为渐变因子,用来调和相邻图像的颜色,产生加权平均的作用,其取值范围应该限制在(0,1)之间;对应前一幅宽幅图像中重叠部分f′P-1(x,y)与后一幅宽幅图像中重叠部分f′P(x,y),融合结果为fWP(x,y),融合算法用公式(12)表示,fWP(x,y)=d×f′P-1(x,y)+(1-d)×f′P(x,y) (12)式中,d是渐变因子,由1渐变到0;fWP(x,y)为两幅宽幅图像的融合结果、f′P-1(x,y)为前一幅宽幅图像中重叠部分、f′P(x,y)为后一幅宽幅图像中重叠部分;前一幅宽幅图像中重叠部分f′P-1(x,y)与后一幅宽幅图像中重叠部分f′P(x,y)是在两幅图像fP-1(x,y)和fP(x,y)的平移量Δx的计算结果基础上按照8个像素重叠区域截取的。

9.如权利要求8所述的低成本超宽幅高速扫描仪,其特征在于:所述计算机还包括:扫描行程控制模块,用于在前后两幅宽幅图像的纵向拼接完成后,判断扫描位置是否已经到达了终点位置,如果没有达到终点位置,就发送一条移动扫描装置移动指令进行继续扫描工作,等待扫描装置移动结束后继续控制摄像单元同时抓拍多幅图像,直至整个扫描结束;

当扫描结束后将最后完成纵向拼接的图像用JPEG文件格式保存在Temp文件内,同时在显示单元上显示扫描结果。

10.如权利要求2所述的低成本超宽幅高速扫描仪,其特征在于:所述的皮带齿轮机构由一个主动齿轮、一个被动齿轮和一个皮带齿构成,主动齿轮的轴心线与被动齿轮的轴心线平行并固定在所述的支撑支架上,皮带齿与主动齿轮和被动齿轮进行啮合,主动齿轮与所述的电机轴进行连接,电机的转动带动主动齿轮转动,主动齿轮正反方向的转动带动皮带齿的往复运动,从而使得与皮带齿固定连接的所述的移动支架和所述的悬臂梁实现扫描动作,所述的电机为伺服电机;

在所述的悬臂梁的同一直线上等间距均匀分布固定着16个所述的摄像单元和17个所述的照明单元;所述的悬臂梁在移动过程中的稳定性保证摄像单元能获取高质量的视频图像,所述的悬臂梁的一端与所述的移动支架进行固定连接,在所述的悬臂梁的两侧增加了光遮挡单元,所述的光遮挡单元采用柔性的布织材料,布织材料的外侧为黑色,布织材料的内侧采用白色膜喷涂,使得被扫描物体的投影光比较均匀;安置在所述的悬臂梁上的16个所述的摄像单元和17个所述的照明单元的视频线和电源线通过连接带穿过所述的移动支架分别与所述的视频卡和所述的多功能电源单元连接。