DE69515500T2

DE69515500T2 - Automatische elektrische kamera für etikettenbildaufnahme

Info

Publication number: DE69515500T2
Application number: DE69515500T
Authority: DE
Inventors: Anthony Stephen ROTH; Gordon Lance GARLAND; William John SUSSMEIER; Napoleon Ross KRUSE
Original assignee: United Parcel Service of America Inc; United Parcel Service Inc
Current assignee: United Parcel Service of America Inc; United Parcel Service Inc
Priority date: 1994-10-25
Filing date: 1995-10-24
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2015-10-25
Also published as: EP0788634A2; JP2933720B2; US5818528A; GR3033054T3; EP0959425A3; JPH10501360A; EP1489550A2; EP0959425B1; ATE275743T1; US6141046A; EP1489550B1; DE69533491D1; DK0959425T3; DE69533491T2; EP1489550A3; WO1996013798A2; ES2227940T3; DK0788634T3; ATE190416T1; WO1996013798A3

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Einrichtungen zum Lesen von Codes auf Etiketten und insbesondere ein berührungsloses elektronisches Kamerasystem, das in der Lage ist, eine große Vielzahl von Etikettenformaten unter Beleuchtungsbedingungen zu lesen und zu decodieren, die von hellem Sonnenlicht bis zu vollständiger Dunkelheit reichen.
Stand der Technik
In der Technik sind verschiedene Arten von maschinenlesbaren Codes und elektronische Codelesegeräte bekannt. Elektronische Codelesegeräte sind deshalb nützlich, da sie in maschinenlesbaren Codes enthaltene Daten automatisch sammeln und es auf diese Weise ermöglichen, Daten schneller und genauer zu sammeln, als dies mit einer manuellen Dateneingabe möglich ist.
Zum Lesen von eindimensionalen Strichcodes, die bei einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, werden üblicherweise Laserscanner eingesetzt. Strichcodes erscheinen beispielsweise auf einer großen Vielfalt von Gütern und Waren und auf an Paketen befestigten Versandetiketten. Nach dem Lesen und Decodieren eines Strichcodes durch ein geeignetes Strichcodelesegerät kann mit einem Rechner die decodierte Zahl zum Zugreifen auf entsprechende, in einer Datenbank gespeicherte Daten verwendet werden. Bei Gütern und Waren beispielsweise weist jedes Produkt eine eindeutige Strichcodezahl auf, und die entsprechenden Daten würden das Produkt und seinen Preis, Hersteller, usw. identifizieren. Bei einem Paket würde die Etikettennummer das Paket eindeutig identifizieren, und die entsprechenden Daten würden Informationen wie beispielsweise die Größe und das Gewicht des Pakets, die Ursprungs- und Zieladresse und die Art der gewählten Dienstleistung (z. B. Auslieferung über Nacht, Auslieferung am zweiten Tag usw.) identifizieren.
Im Fall von tragbaren kontaktlosen Strichcodelesegeräten dient der zum Lesen des Etiketts verwendete Laserstrahl auch zwei anderen wichtigen Funktionen. Der Laserstrahl projiziert eine sichtbare Linie, die dem Benutzer gestattet, das Strichcodelesegerät auf das Zieletikett zu richten und das Strichcodelesegerät richtig bezüglich der Achse des Strichcodes auszurichten. Intensität und Wellenlänge des Laserlichts sind außerdem derart, daß Umgebungsbeleuchtungsbedingungen in Geschäften, Büros, Lagerhäusern usw. die Fähigkeit des Strichcodelesegeräts, das Etikett zu lesen, nicht beeinflussen.
Für Anwendungen, die ein Maximum von etwa 15 Zeichen erfordern, sind eindimensionale Strichcodes am besten geeignet. Um größere Mengen an Daten unter Verwendung von eindimensionalen Strichcodes zu codieren, müssen die Strichcodes relativ groß sein. Dies führt zu Etiketten, die zu groß sind, um auf kleine Gegenstände zu passen und die relativ große Mengen an Papier erfordern.
Um größere Datenmengen praktisch zu codieren sind zweidimensionale Codes beziehungsweise Symboliken entwickelt worden. Eine hexagonale Codiersymbolik kann beispielsweise bis zu 100 Zeichen in einem Gebiet codieren, das etwa 1 Zoll im Quadrat groß ist. Eine derartige Symbolik ist aus den US-Patenten mit den Nummern 4,998,010 mit dem Titel ”Polygonal Information Encoding Article, Process and System” [Gegenstand, Prozeß und System zur polygonalen Informationscodierung] und 4,874,936 mit dem Titel ”Hexagonal Information Encoding Article, Process and System” [Gegenstand, Prozeß und System zur hexagonalen Informationscodierung] bekannt. Bei Verwendung auf Paketetiketten gestatten diese zweidimensionalen Symboliken das direkte Lesen von Versandinformationen, wie beispielsweise Ursprung, Ziel, Gewicht, Art der Dienstleistung, usw. von dem Etikett, ohne daß entsprechende Daten in einer zentralisierten Datenbank nachgesehen werden müssen.
Die zum Lesen von eindimensionalen Strichcodes verwendeten herkömmlichen Laserscanner sind nicht in der Lage, zweidimensionale Codes zu lesen. Jedoch sind Kameras, die CCD-Arrays (CCD = charge-coupled device = Ladungsspeicherbaustein) verwenden, in der Lage, zweidimensionale Bilder, die eindimensionale oder zweidimensionale Codes enthalten können, ”einzufangen”. Das Ausgangssignal der CCD-Kamera kann nach der Digitalisierung gespeichert und/oder verarbeitet werden, bevor es decodiert wird. Die Fähigkeit, die Bilddaten nach dem Einfangen des Bilds zu ”drehen”, gestattet das Erfassen und Decodieren eines Codes selbst dann, wenn die Kamera nicht präzise mit einer bestimmten Achse des Codes ausgerichtet ist.
Da eine CCD-Kamera ein zweidimensionales Bild erfaßt und Bilddaten an einen Decodieralgorithmus liefert, ist eine eine CCD-Kamera verwendende Etikettenleseinrichtung so vielseitig wie die in die Einrichtung programmierten Decodieralgorithmen. Auf diese Weise kann ein einzelnes Lesegerät zum Erfassen und Decodieren verschiedener Arten von Strichcodes und zweidimensionalen Symboliken unter der Voraussetzung verwendet werden, daß der entsprechende Decodieralgorithmus zur Verfügung steht. Beispiele für derartige Kameras und zugeordnete Verfahren sind aus den US-Patenten mit den Nummern 5,329,105 mit dem Titel ”Method and Apparatus for Determining the Width of Elements of Bar Code Symbols” [Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Breite von Elementen von Strichcodesymbolen], 5,308,960 mit dem Titel ”Combined Camera System” [Kombiniertes Kamerasystem] und 5,276,315 mit dem Titel ”Method and Apparatus for Processing Low Resolution Images of Degraded Bar Code Symbols” [Verfahren und Vorrichtung zum Verarbeiten von niedrig aufgelösten Bildern von verschlechterten Strichcodesymbolen] bekannt.
Kompakte CCD-Kameras sind leicht erhältlich und für diese Anwendung gut geeignet. Jedoch arbeiten die zum Decodieren der erfaßten Bilddaten verwendeten Algorithmen am besten, wenn das erfaßte Bild weder zu hell noch zu dunkel ist und wenn die Bildintensität und der Bildkontrast über das ganze Bild hinweg recht konstant sind. Es ist deshalb notwendig sicherzustellen, daß das erfaßte Bild die richtige Intensität aufweist, was durch mehrere Faktoren, wie zum Beispiel die Beleuchtungsquelle, die Kameraoptik und die Verstärkung des Videosystems, beeinflußt wird.
Bei dem Prozeß des Erfassens eines Bilds, der dem ähnlich ist, mit einer herkömmlichen photographischen Kamera eine Aufnahme zu machen, wird ein Bild auf das CCD-Array fokussiert und der elektrischen Ladung gestattet, in den Photoelementen des CCD-Arrays anzusammeln. Die Rate der Ladungssammlung in einem Photoelement hängt von dem Pegel des einfallenden Lichts ab. Die Intensität des erfaßten Bilds wird durch Integrieren der Rate der Ladungssammlung über die Zeit bestimmt. Durch Verändern der Integrationsdauer, können die für einen gegebenen Lichtpegel gesammelte Ladungsmenge und die Intensität des erfaßten Bilds verändert werden. Die Integrationsdauer wird auch als die Belichtungsdauer der Kamera beziehungsweise als die elektronische Verschlußgeschwindigkeit bezeichnet.
Die dem CCD zufallende Bildfunktion kann als das Produkt aus zwei Funktionen beschrieben werden. Die erste Funktion ist die Kontrastfunktion des Gegenstands, der beleuchtet und abgebildet wird. Die zweite Funktion ist der kombinierte Effekt der Beleuchtung und des Kameraobjektivs. Die erste Funktion stellt den Kontrast zwischen den schwarzen und weißen Elementen dar, die einen Strichcode beziehungsweise einen zweidimensionalen Code bilden. Die zweite ist unerwünscht und sollte in dem Ausmaß korrigiert werden, das durch verschiedene Merkmale der Kamera möglich ist.
Um die unerwünschten Effekte der Beleuchtungsquelle auf ein Minimum zu reduzieren, ist die Beleuchtung des Zieletiketts mit Licht notwendig, das über das ganze Blickfeld der Kamera hinweg gleichmäßig ist. Obwohl in der Technik verschiedene Arten von Beleuchtungsvorrichtungen bekannt sind, besteht in der Technik ein Bedarf nach einer Beleuchtungsvorrichtung, die Licht liefert, das wenig örtliche Schwankung aufweist und über das gesamte zweidimensionale Blickfeld hinweg gleichmäßig ist. Außerdem sollte die Qualität des Beleuchtungslichtmusters über einen Bereich von Objektweiten entsprechend der Schärfentiefe der Kamera gleichmäßig sein.
Selbst wenn das Zieletikett perfekt beleuchtet ist, bewirkt die Linsenbaugruppe der CCD-Kamera eine Abschwächung, die das erfaßte Bild beeinflußt. Als Beispiel fällt bei einigen CCD-Kameras das durch das Objektiv erzeugte Bild selbst dann um einen Faktor von fast cos⁴(Θ) ab, wenn das Objekt perfekt beleuchtet ist. Es ist möglich, daß die Intensität in den Ecken des Bilds nur 50% der Intensität in der Mitte beträgt. Es besteht deshalb in der Technik ein Bedarf an einer Kamera, die die durch die Linsenbaugruppe der Kamera verursachte Abschwächung korrigiert.
Da ein handgehaltenes Etikettenlesegerät in Umfeldern verwendet werden kann, in denen die Beleuchtungsbedingungen von direktem Sonnenlicht bis zu relativ geringer Beleuchtung reichen, ist das handgehaltene Etikettenlesegerät vorzugsweise in der Lage sicherzustellen, daß die Intensität des erfaßten Bilds über den ganzen Bereich von Lichtbedingungen hinweg zufriedenstellend ist. Dies kann mit einer Blende erreicht werden, die klein genug ist, um ausreichende Schärfentiefe zu liefern und zu verhindern, daß direktes Sonnenlicht das CCD-Array beschädigt. Die Verschlußgeschwindigkeit der Kamera muß ebenfalls schnell genug bleiben, um durch Bewegung des Lesegeräts verursachte verwischte Bilder zu verhindern.
In der Technik besteht deshalb ein Bedarf an einer Kamera, die insgesamt eine Videoverstärkungsnachstellung mit einem ausreichenden Dynamikbereich aufweist, um die zu erwartenden Beleuchtungsbedingungen zu kompensieren. Weiterhin besteht ein Bedarf an einer Kamera, die in der Lage ist, die Beleuchtungsbedingungen präzise zu bestimmen und die Videoverstärkung so zu wählen, daß die richtige Bildintensität sichergestellt wird.
Aus US-A-4,525,741 ist eine Verstärkungssteuerung auf der Grundlage von Referenzpegeln für Schwarz und Weiß bekannt.
Obwohl der Stand der Technik Etikettenabbildungsgeräte enthält, die Beleuchtungsquellen und eine Belichtungssteuerung liefern, so besteht in der Technik weiterhin ein Bedarf an einer automatischen elektronischen Kamera, die eine flache Beleuchtung liefert und den mit der Linsenbaugruppe der Kamera verbundenen Effekt des Abfallens kompensiert. Es besteht weiterhin ein Bedarf an einer automatischen elektronischen Kamera mit einer Gesamtvideoverstärkungsnachstellung, die ausreicht, um den Dynamikbereich des beleuchtenden Lichts zu kompensieren und gleichzeitig die elektronische Geschwindigkeit und Blende der Kamera einzuschränken. Es besteht außerdem ein Bedarf an einer Kamera, die die Bildintensität unabhängig von dem Pegel des einfallenden Lichts präzise steuert.
Kurze Darstellung der Erfindung
Die Erfindung strebt an, eine elektronische Kamera bereitzustellen, die in ihrem Blickfeld und über ihr Blickfeld hinweg eine gleichförmige Beleuchtung liefert, die Schwankungen in der Bildintensität, die sich aus ihren optischen Eigenschaften ergeben, kompensiert und die die Videosystemverstärkung als Reaktion auf die Intensität eines Testbilds nachstellt.
Diese Aufgaben werden durch die Kamera von Anspruch 1 und das Verfahren von Anspruch 20 gelöst.
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung erzeugt die Kamera ein digitales Bild, dessen Kontrast über ein Blickfeld hinweg nahezu konstant ist. Gemäß diesem Gesichtspunkt der Erfindung enthält die Kamera einen Bildsensor, eine optische Baugruppe, die ein Blickfeld und eine Tiefenschärfe definiert, und eine Beleuchtungsvorrichtung. Die Beleuchtungsvorrichtung enthält mehrere Lichtquellen, die ungefähr in einem zu der optischen Baugruppe konzentrischen Ring positioniert sind. Die Beleuchtungsvorrichtung enthält auch eine streuende Ringlinse, um Licht von den Lichtquellen in einem Lichtmuster zu projizieren, dessen Form von der Mitte zum Rand in der gesamten Schärfentiefe ungefähr konstant und gleichmäßig bleibt.
Diese Aufgaben werden auch in einer elektronischen Kamera zum Erzeugen eines erwünschten digitalen Bilds über einen Bereich von von einem Gegenstand reflektierten Lichtintensitäten gelöst. Gemäß diesem Gesichtspunkt der Erfindung enthält die Kamera eine Bildsensorbaugruppe mit einer nachstellbaren Verschlußgeschwindigkeitssteuerung und einem Mittel zum Erzeugen eines analogen Bildsignals, eine Videoverstärkungsschaltung, die konfiguriert ist, das analoge Bildsignal zu empfangen und ein verstärktes analoges Bildsignal auszugeben, und einen Analog-Digital-Umsetzer (A-D-Umsetzer) mit einer A-D-Verstärkungssteuerung, die auf einen A-D-Referenzeingang reagiert und konfiguriert ist, das verstärkte analoge Bildsignal in ein digitales Bildsignal umzusetzen. Eine Intensitätsauswerterschaltung ist konfiguriert, das digitale Bildsignal zu empfangen und ein Korrektursignal auszugeben, das sich mit der Intensität mindestens eines Teils des digitalen Bildsignals verändert. Die Verschlußgeschwindigkeitssteuerung, die Videoverstärkungsschaltung und der A-D-Referenzeingang reagieren auf das Korrektursignal.
Diese Aufgaben werden auch gelöst durch die Bereitstellung eines Verfahrens zum Korrigieren der Abschwächungseffekte, die durch eine mit einer elektronischen Kamera verbundene Linse bewirkt werden. Eine Kamera gemäß diesem Gesichtspunkt der Erfindung speichert mehrere, der Abschwächung entsprechende Werte. Die mehreren Werte reichen aus, um eine Kurve zu erzeugen, die Punkte enthält, die jedem Bildelement in einem von der Kamera gelieferten Videosignal entsprechen. Die Kamera ruft die mehreren Werte sequenziell ab und filtert die mehreren Werte, um die Kurve zu liefern. Eine Übertragungsfunktion wird auf das Videosignal angewendet, und der entsprechende Punkt auf der Übertragungsfunktion wird für jedes von der Kamera gelieferte Bildelement angewendet, um die Übertragungsfunktion nachzustellen.
Eine gemäß der Erfindung ausgebildete Kamera weist eine Reihe von Vorteilen auf. Da die Beleuchtungsquelle eine gleichmäßige Beleuchtung liefert, kann das Bild über ihr Blickfeld hinweg einen guten Kontrast aufweisen. Durch das Verfahren zum Korrigieren des durch die Optik verursachten Abschwächungseffekts kann die Kamera die Abschwächung kompensieren, die in Richtung der Ränder des Blickfelds auftritt. Durch das Verfahren zum Steuern der Verstärkung der Kamera kann die Kamera in einer großen Vielfalt von Beleuchtungsbedingungen arbeiten. Diese Merkmale liefern eine elektronische Kamera, die über ihr Blickfeld hinweg eine gleichmäßige Beleuchtung liefert und aus ihren optischen Eigenschaften resultierende Schwankungen in der Bildintensität kompensiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Perspektivansicht eines handgehaltenen Etikettenlesegeräts mit einer zum Lesen eines Etiketts auf einem Paket verwendeten automatischen elektronischen Kamera gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Seitenansicht des handgehaltenen Etikettenlesegeräts von 1 im Querschnitt.
3 ist eine Vorderansicht des handgehaltenen Etikettenlesegeräts von 1.
4 ist eine Draufsicht auf das handgehaltene Etikettenlesegerät von 1 im Querschnitt.
5 ist eine Querschnittsansicht der Kamerabaugruppe und der Beleuchtungslichtquelle, die einen Teil des handgehaltenen Etikettenlesegeräts von 1 bilden.
6 ist eine graphische Darstellung, die das Beleuchtungsmuster zeigt, das von der Beleuchtungslichtquelle erzeugt wird, die einen Teil des handgehaltenen Etikettenlesegeräts von 1 bildet.
7 ist ein Blockschaltbild der Schaltungen, die in der Analog-Digital-Leiterplatte, die einen Teil des handgehaltenen Etikettenlesegeräts von 1 bildet, verwendet werden.
8 ist ein Blockschaltbild der Schaltungen, die in der CPU-Leiterplatte, die einen Teil des handgehaltenen Etikettenlesegeräts von 1 bildet, verwendet werden.
9 ist ein Blockschaltbild der Schaltungen, die in der Steuer-Leiterplatte, die einen Teil des handgehaltenen Etikettenlesegeräts von 1 bildet, verwendet werden.
10 ist ein Flußdiagramm, das das bevorzugte Betriebsverfahren des handgehaltenen Etikettenlesegeräts von 1 zum Ausführen eines Etikettenlesezyklus zeigt.
11 ist ein Zeitgabediagramm, das eine Sequenz von mit einem Einfangen eines Adressenetiketts verbundenen Ereignissen zeigt.
12 ist eine Tabelle, die die von der Verstärkungsnachschlagetabelle gelieferten Verstärkungssteuerwerte veranschaulicht.
13 ist ein Blockschaltbild von Schaltungen, die in der Verstärkungssteuerschaltung von 7 verwendet werden.
14 ist ein Flußdiagramm, das das bevorzugte Histogrammverfahren zum Analysieren der Intensität eines digitalen Bilds veranschaulicht.
15 ist eine graphische Darstellung, die die Art von Muster zeigt, mit der Bit in dem bevorzugten Histogrammverfahren von 14 abgetastet werden.
16 ist ein Blockschaltbild von Schaltungen, die in der Histogrammschaltung von 7 verwendet werden.
17a und 17b zeigen die durch den Histogrammalgorithmus bestimmte kumulative Verteilung beziehungsweise Wahrscheinlichkeitsdichte.
18 ist ein Graph, der die Abschwächung zeigt, die durch den Effekt des Abfallens der Linsenbaugruppe bewirkt wird.
19 ist ein Blockschaltbild von Schaltungen, die in der Parabelerzeugerschaltung von 7 verwendet werden.
20 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Signalen zeigt, die von der Parabelerzeugerschaltung erzeugt werden.
21 ist ein Zeitgabediagramm, das die Beziehung zwischen Verschlußgeschwindigkeit, Auslösesignal und Übertragungstakt zeigt.
22 ist eine Perspektivansicht eines tragbaren Datenterminal mit der zum Lesen eines Etiketts auf einem Paket verwendeten automatischen elektronischen Kamera der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen in allen Figuren gleiche Elemente darstellen, veranschaulicht 1 ein handgehaltenes Etikettenlesegerät 10 mit einer die vorliegende Erfindung verkörpernden automatischen elektronischen Kamera.
Bevor der Aufbau des Lesegeräts 10 ausführlich beschrieben wird, werden Funktionsweise und Betrieb des Lesegeräts zusammengefaßt. Die Hauptfunktion des handgehaltenen Etikettenlesegeräts 10 besteht im Erfassen und Decodieren von ein- und zweidimensionalen Codes, die auf Paketetiketten verwendet werden. Die decodierten Etikettendaten werden an ein Datenterminal geliefert, wo sie mit anderen, das Paket betreffenden Daten, wie beispielsweise die Unterschrift der Person, die das Paket entgegennimmt, verknüpft werden. Alle Paketdaten können dann von dem Datenterminal zu dem Zentralrechner der Versandfirma übertragen werden, wo sie für die Verfolgung und zur Rechnungslegung verwendet werden.
Um die auf dem Paketetikett bereitgestellten Daten zu erfassen und zu decodieren, enthält das handgehaltene Etikettenlesegerät 10 eine automatische elektronische Kamera, die eine CCD-Kamera (CCD = charged coupled device) und die zum Steuern der Kamera und Decodieren der von der Kamera gelieferten Daten erforderliche Elektronik enthält. Die automatische elektronische Kamera enthält auch eine in sich abgeschlossene Beleuchtungsvorrichtung, die ein symmetrisches Lichtmuster mit geringer Schwankung erzeugt.
Bevor ein Etikettenlesevorgang beginnt, befindet sich das handgehaltene Etikettenlesegerät in einem Wartezustand. In dem Wartezustand schaltet die Steuerschaltung des handgehaltenen Etikettenlesegeräts den Strom zu den meisten anderen Komponenten ab. Markierlampen sind während des Wartezustands eingeschaltet, um das richtige Ausrichten des handgehaltenen Etikettenlesegeräts zu erleichtern. Ein Etikettenlesevorgang wird eingeleitet, wenn ein Bediener einen Auslöser drückt. An diesem Punkt legt die Steuerschaltung Strom an die Kamera und andere elektronische Schaltungen an und bewirkt das Rücksetzen der Komponenten. Eine Intensitätsauswertungsschaltung bestimmt dann die Verschlußgeschwindigkeit und die Videoverstärkungseinstellungen, die zum Erhalten eines digitalen Bilds mit der richtigen Intensität notwendig sind. Nachdem unter Verwendung dieser Einstellungen ein digitales Bild des Etiketts erfaßt worden ist, decodiert ein Mikroprozessor die gespeicherten Etikettenbilddaten und gibt die Daten an das angeschlossene Datenterminal aus. An diesem Punkt kehrt das handgehaltene Etikettenlesegerät in den Wartezustand zurück.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 1 weist das bevorzugte handgehaltene Etikettenlesegerät 10 eine pistolenartige Form auf, so daß es leicht in einer Hand gehalten werden kann. Das handgehaltene Etikettenlesegerät 10 kann Bilder einer großen Vielfalt von Etikettenformaten erfassen und decodieren, wie beispielsweise einen zweidimensionalen Code 15 oder einen nicht gezeigten eindimensionalen Strichcode, der auf ein Etikett 20 auf einem Paket 25 gedruckt ist. Das Etikett 20 enthält auch gedruckte alphanumerische Zeichen 30, die Informationen wie beispielsweise eine Paketidentifizierungsnummer, den Empfänger und die Zieladresse bereitstellen. Nachdem die Etikettbilddaten durch das handgehaltene Etikettenlesegerät decodiert worden sind, werden die decodierten Bilddaten über eine Verbindungsschnur 40 an ein Datenterminal 35 geliefert. Bei dem Datenterminal 35 kann es sich um so gut wie jede Art von tragbarem Rechner oder Desktopcomputer oder Datenterminal handeln. Die Datenkommunikation zwischen dem Lesegerät und dem Terminal könnte aber auch über eine optische, Infrarot- oder HF-Strecke erfolgen.
2–4 stellen die Hauptkomponenten des bevorzugten handgehaltenen Etikettenlesegeräts 10 dar. 2 ist eine Seitenansicht des handgehaltenen Etikettenlesegeräts 10 im Querschnitt und zeigt die Anordnung der Kamerabaugruppe, Leiterplatten (PCBs) und anderen Komponenten. 3 ist eine Vorderansicht des handgehaltenen Etikettenlesegeräts 10 und zeigt die Beleuchtungslichtquelle. 4 ist eine Draufsicht auf das handgehaltene Etikettenlesegerät 10 im Querschnitt und zeigt die Anordnung der Kamerabaugruppe und Leiterplatten.
Das handgehaltene Etikettenlesegerät 10 enthält eine Kamerabaugruppe 65, Markierlampen 70 und eine Beleuchtungslichtquelle 75. Die elektronische Schaltung enthält drei Leiterplatten (PCBs), einschließlich einer Steuerplatine 80, einer CPU-Platine 85 und einer Analog-Digital-Platine 90 (A-D-Platine). Ein an einem Handgriff 100 angebrachter Auslöser 95 wird von dem Bediener verwendet, um einen Etikettenlesevorgang einzuleiten. Mit den Anzeigelampen 101 wird der Status des handgehaltenen Etikettenlesegeräts angezeigt und auch, ob ein Decodiervorgang erfolgreich gewesen ist.
Die Leiterplatten sind über ein flexibles Flachkabel 102 miteinander verbunden. Der Fachmann versteht, daß das Kabel 102 wie eine Rückwandplatine wirkt, die zwischen den Leiterplatten Strom und verschiedene Daten- und Steuersignale liefert. Die Kamerabaugruppe 65 ist über ein Videokabel 103 an die A-D-Platine 90 angeschlossen. Mit dem Videokabel werden analoge Videoausgangs- und Zeitgabesignale von der Kamerabaugruppe zu der A-D-Platine 90 geführt. Mit dem Videokabel werden auch Steuersignale von der A-D-Platine 90 zu der Kamerabaugruppe 65 geführt. Die Steuerplatine, die CPU-Platine und die A-D-Platine werden unten ausführlicher erörtert.
Die bevorzugten Markierlampen 70 sind von der Firma AND hergestellte lichtemittierende Dioden vom Typ AND190AOP. Die Markierlampen sind auf einer separaten Leiterplatte im Vorderende des handgehaltenen Etikettenlesegeräts angebracht. Die Markierlampen zeigen nach vorne in Richtung des Zieletiketts und sind mit der horizontalen Achse des CCD-Arrays der Kamera ausgerichtet. Jede der Markierlampen 70 wirft einen einen Fleck bildenden Lichtstrahl auf die Zielfläche, wobei sich die Mitte des Blickfelds der Kamera zwischen den Flecken befindet. Durch die Markierlampen kann der Bediener die Kamera richtig ausrichten, indem er die Mitte des Zielcodes zwischen den beiden Flecken positioniert.
5 liefert eine ausführlichere Darstellung der Kamerabaugruppe 65 und der Beleuchtungslichtquelle 75. Bei der bevorzugten Kamera handelt es sich um eine von der Firma Sony hergestellte hochauflösende CCD-Kamera im CCIR-Format vom Typ M37/CE. Mit einer Linsenbaugruppe 120 mit einer Brennweite von 5 mm wird auf einem CCD-Array 122 ein Bild gebildet. Dies hat ein relativ breites Blickfeld, das horizontal (H) etwa 53° mal vertikal (V) 41° mißt. Die Größe des auf dem CCD-Array 122 gebildeten Bilds beträgt 4,89 mm (H) mal 3,64 mm (V). Die Objektweite für den idealen Fokus beträgt 149 mm. Das Blickfeld bei der idealen Brennweite (149 mm) beträgt 141 mm (H) mal 105 mm (V) (5,54'' × 4,13''). Um den idealen Brennpunkt herum beträgt das Blickfeld ±50 mm. Der Fachmann versteht, daß die Intensität des mit dieser Linsenbaugruppe erzeugten Bilds selbst dann um einen Faktor von etwa cos⁴(Θ) abfällt, wenn das Objekt perfekt beleuchtet ist. In den Ecken eines gleichmäßig beleuchteten Bilds, wo Θ = 32° beträgt, beläuft sich die Bildintensität deshalb auf etwa 52% der Intensität in der Mitte des Bilds.
Der Fachmann versteht, daß die bevorzugte Kamera 65 modifiziert ist, um Zugang zu bestimmten internen Signalen zu gestatten. Anstatt ein standardmäßiges Videoausgangssignal zu verwenden, das gefiltert ist und Synchronisierungssignale und Austastung enthält, ist die Kamera 65 modifiziert, um ein analoges CCD-Videoausgangssignal zu liefern, das die an der Abtast- und Halteschaltung der CCD direkt abgenommenen Bildelementspannungen enthält. Das CCD-Videoausgangssignal ist somit eine Serie analoger Signale, die jedem der Bildelemente (Pixel) entsprechen, die das CCD-Array bilden. Jedes Videofeld beginnt in der linken oberen Ecke des Bilds und schiebt die Bildelemente Zeile für Zeile hinaus, bis alle Bildelemente ausgegeben worden sind. Die Kamera ist auch so modifiziert, daß sie drei relevante Zeitgabesignale liefert. Ein Bildelementtaktsignal von 14,318 MHz zeigt an, wenn ein neues Bildelement ausgetaktet wird. Ein vertikales Ansteuersignal (VDRV) zeigt den Beginn eines neuen Halbbilds an. Ein horizontales Ansteuersignal (HDRV) zeigt den Beginn einer neuen Zeile an. Das interne Austastsignal der Kamera ist blockiert, damit die Bildelementspannung von unbelichteten (d. h. schwarzen) Referenzbildelementen über das CCD-Videoausgangssignal ausgegeben werden kann. Die Kamera liefert auch ein Zeitgabesignal für schwarze Bildelemente, das anzeigt, wenn das CCD-Ausgangssignal den schwarzen Bildelementen entspricht. Wie unten beschrieben, wird mit der Referenz der schwarzen Bildelemente der Gleichstrompegel eines Videoverstärkers zurückgesetzt. Die A-D-Platine erzeugt einen Auslöseimpuls, der von der Kamera verwendet wird, um eine Belichtung zu beginnen.
Die bevorzugte Kamera enthält CCD-Elemente, die geraden und ungeraden Halbbildern entsprechen, die bei normalen Videoanwendungen verschachtelt würden. Bei der vorliegenden Erfindung jedoch wird das Etikettenbild mit einem einzelnen Halbbild der hochauflösenden Kamera erfaßt, ungeachtet dessen, ob es sich um ein gerades oder ungerades Halbbild handelt. Durch die Verwendung eines einzelnen Videohalbbilds wird ein Bildfeld von 752 (H) × 291 (V) Bildelementen geliefert, die jeweils 6,4 Mikrometer (H) × 12,5 Mikrometer (V) messen. Dies liefert in der Objektebene eine Auflösung von 136,5 dpi (H) × 70 dpi (V) bei der idealen Brennweite von 149 mm. Die Auflösung bei Winkeln, die weder rein horizontal noch vertikal sind, ist gleich der Vektorsumme der horizontalen und vertikalen Auflösung. Um ein Etikett mit Elementen zuverlässig zu decodieren, die eine Breite von 15 Millizoll (0,015 Zoll entsprechend 0,038 cm) aufweisen, sollte die Kamera eine Auflösung von mindestens 100 Punkten pro Zoll (dpi) liefern. Die Kamera liefert somit eine ausreichende Auflösung, wenn die horizontale Achse des Zieletiketts innerhalb 62,4° der horizontalen Achse der Kamera liegt.
Der abzubildende Gegenstand wird von einem kreisförmigen Array aus 16 LEDs 105 beleuchtet, das im vorderen Ende des handgehaltenen Etikettenlesegeräts 10 angebracht ist. Das kreisförmige Array ist um das Kameraobjektiv herum positioniert, wie in 3 und 4 deutlicher dargestellt ist. Die bevorzugten LEDs sind von der Firma AND hergestellte LEDS vom Typ AND120CR. Die bevorzugten LEDs emittieren ein tiefrotes Licht mit einer Wellenlänge von 660 Nanometern (nm). Ein Vorteil bei der Verwendung von tiefroten LEDs besteht darin, daß von allgemein verwendeten Etikettenfarben gefordert wird, mit Laserscannern zu funktionieren, deren Wellenlängen zwischen 630 und 680 nm liegen. Sie gestattet auch die Verwendung von roten Markierstiften zum Markieren der Versandetiketten. Die rote Farbe von dem Markierstift ist für Menschen sichtbar, für die Kamera jedoch transparent. Das menschliche Auge ist außerdem für Licht mit in diesem Bereich liegenden Wellenlängen viel weniger empfindlich. Ein Blitz aus tiefrotem Licht wird deshalb als viel dunkler als ein Blitz aus weißem Licht mit der gleichen Energie wahrgenommen. Rotes Licht wirkt sich außerdem auf das Nachtsehen des Benutzers weniger aus.
Unter Bezugnahme auf 5 weisen die LEDs 105 direkt nach vorne und sind hinter einer Streulinsenbaugruppe 110 angeordnet, die eine streuende Ringlinse 112, wie beispielsweise eine plankonkave Linse, eine streuende Schicht 113 und einen Polarisationsfilter 115 enthält. Die Kameralinsenbaugruppe 120 ist in der Mitte des LED-Arrays angeordnet. Die bevorzugte streuende Ringlinse 112 ist eine aus einem durchsichtigen Epoxidmaterial geformte plankonkave Linse. Die Außenseite 130 ist flach, d. h. senkrecht zu der optischen Achse der Kamera. Die Innenseite 125 enthält einen Teil, der parallel zu der Außenseite ist, und einen Teil, der in einem Winkel von 25° von der Außenseite divergiert und auf diese Weise einen Teil eines Kegels bildet, der sich in Richtung der CCD 122 öffnet. Der dünne Teil der streuenden Ringlinse ist etwa 0,060 Zoll (entsprechend 0,152 cm) dick, während der dickste Teil ungefähr 0,250 Zoll (entsprechend 0,635 cm) dick ist. Die bevorzugte streuende Ringlinse 112 weist einen Brechungsindex von 1,52 auf, und kommt dem Effekt einer plankonvexen Linse mit einer Brennweite von –3,0 nahe. Die plankonkave Linse kann durch eine Fresnellinse mit einer negativen Brennweite ersetzt werden.
Die Innenseite 125 der streuenden Ringlinse 112 ist auf Hochglanz poliert. Die Außenseite 130 ist recht diffus, damit sie an die streuende Schicht 113 gebondet werden kann. Die bevorzugte streuende Schicht 113 ist aus einem von der Firma Minnesota Mining and Manufacturing Co. hergestellten lichtstreuenden Film vom Typ DFA-12 hergestellt. Die streuende Schicht 113 ist an das Polarisationsfilter 115 gebondet.
Der Durchmesser der Streulinsenbaugruppe 110 ist so klein wie möglich ausgeführt. Der Außendurchmesser beträgt etwa 1,5 Zoll (entsprechend 3,81 cm). Der Durchmesser des durch die Mitten der LEDs 105 gebildeten Kreises beträgt etwa 1,2 Zoll (entsprechend 3,05 cm). Dadurch kann die Beleuchtungslichtquelle 75 einer Lichtquelle nahekommen, die mit dem Kameraobjektiv zusammenfällt, und zu einem Beleuchtungsmuster führen, das bei Veränderung der Objektweite eine sehr schmale Schwankung aufweist.
6 veranschaulicht den Effekt der streuenden Ringlinse 112 ohne den Effekt der streuenden Schicht. Jede LED 105 emittiert ein kreisförmiges Strahlenmuster von 35°. Bei einem perfekt fokussierten System würde die streuende Ringlinse 112 bewirken, daß das Strahlmuster jeder LED von der Mitte (d. h. der optischen Achse) um etwa 13,4° abgelenkt oder weggebogen wird, was bewirkt, daß die kreisförmigen Muster zu Ellipsen gestreckt werden.
Die streuende Schicht 113 ist unabdingbar, da sie das durch die streuende Ringlinse 112 durchgelassene Licht ausbreitet. Bei kurzen Objektweiten eliminiert dies einen dunklen Fleck in der Mitte des Bilds. Die streuende Schicht entfernt außerdem örtliche Unregelmäßigkeiten beziehungsweise helle Flecken in dem Beleuchtungsmuster. Die Summe der diffusen elliptischen Muster ist ein Gesamtmuster, das wenig örtliche Schwankung aufweist und von der Mitte bis zum Rand gleichförmig ist. Das Beleuchtungsmuster ist somit so gleichförmig, daß es die Verwendung einer Beleuchtungskorrekturtechnik gestattet, die nur winkelmäßige Schwankungen berücksichtigt. Die Intensität des von der Kameralinsenbaugruppe 120 erzeugten Bilds fällt wie oben erwähnt selbst dann um einen Faktor von etwa cos⁴(Θ) ab, wenn das Objekt perfekt beleuchtet ist.
Wieder auf 5 Bezug nehmend wird das Licht von LEDs 105 durch den Polarisationsfilter 115 polarisiert. Weiterhin ist in der Kameralinsenbaugruppe 120 ein separater orthogonaler Polarisationsfilter 135 angeordnet. Diese Kreuzpolarisierung ist vorteilhaft, da sie erlaubt, direkte Reflexionen von einer glänzenden Oberfläche (z. B. eine durchsichtige Etikettenumhüllung aus Kunststoff oder die Vorderfläche von glattem Papier) von diffusen Reflexionen von matten Oberflächen (z. B. Papieretiketten) zu unterscheiden. Durch die Kreuzpolarisierung des Lichts von der Beleuchtungslichtquelle und dem reflektierten Licht wird auch Blendlicht von der LED-Belichtungsvorrichtung reduziert. Wenn Etiketten mit glänzenden Oberflächen betrachtet werden, kann der Kontrast von Etikettenelementen durch die Verwendung von Polarisationsfiltern stark erhöht werden.
Die Kameralinsenbaugruppe 120 enthält eine vordere Linsengruppe 140 und eine hintere Linsengruppe 145. Die Ebene der Linsenblende befindet sich zwischen der vorderen und der hinteren Linsengruppe. Bei dem bevorzugten handgehaltenen Etikettenlesegerät arbeitet die Kamera mit einer festen kreisförmigen Blende. Dadurch entfällt die Notwendigkeit für eine verstellbare Iris oder eine andere Baugruppe in der Blendenebene. Stattdessen werden der Polarisationsfilter 135 und ein schmales Bandpaßfilter 150 in der Blendenebene plaziert.
Der Fachmann versteht, daß die Durchlässigkeit von Licht durch das schmale Bandpaßfilter bei Erhöhen des Winkels des einfallenden Lichts dramatisch verändert werden kann. Wenn die Strahlenwinkel zu groß werden, kommt es deshalb zu einem starken Abfallen der Bildhelligkeit an den Rändern. Dieser Effekt wird dadurch reduziert, daß der Filter in der Blendenebene zwischen der vorderen und der hinteren Linsengruppe plaziert wird. Durch diese Plazierung des Polarisationsfilters und des Bandpaßfilters wird auch verhindert, daß örtliche Fehler in den Filtern durch die Kamera abgebildet werden, und die Filter werden vor Schäden geschützt.
Der bevorzugte schmale Bandpaßfilter weist ein Durchlaßband von 640 bis 720 nm auf. Das Durchlaßband ist so gewählt, daß der Effekt der Änderung der Kennlinie des Filters, zu der es bei Ansteigen der Einfallswinkel kommt, auf ein Minimum reduziert wird. Die Durchlaßbandmitte des Filters wird kürzer, wenn die Winkel größer werden. Wenn der Filter so gewählt wird, daß die gewählte LED-Wellenlänge auf das kurzwellige Ende des Durchlaßbandes fällt, wird dadurch die Abschwächung bei steigendem Winkel zwischen den Lichtstrahlen und dem Polarisationsfilter reduziert.
Die Bandpaßfilterung reduziert die Intensität von Sonnenlicht und anderen breitbandigen Quellen um einen Faktor von etwa 8:1, wirkt sich jedoch nur sehr wenig auf das rote Licht von der Beleuchtungslichtquelle 75 aus. Diese Abschwächung führt zu einer Reduktion im Dynamikbereich, der in der Kamera erforderlich ist, wodurch die Verwendung einer festen Blende möglich wird. Durch den Bandpaßfilter werden auch Flimmern und Blendlicht von Innenlicht quellen reduziert. Fluoreszenzlicht variiert mit einer Rate von 120 Hz, was es schwierig macht, die richtige Belichtung zu bestimmen. In einem typischen Büroumfeld verursachen Deckenlichter auf glänzenden Etiketten viele Blendungsflecke. Durch den Bandpaßfilter wird diese Blendung von Umgebungslicht reduziert. Der Polarisationsfilter 135 reduziert alles Licht um einen Faktor von 2,5:1. Die kombinierte Abschwächung von Breitbandquellen beträgt 20:1. Diese Abschwächung und eine feste Blende von nicht über f/5,6 stellen sicher, daß die abbildende CCD durch auf sie fokussiertes direktes Sonnenlicht nicht beschädigt wird.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 7–9 werden die Hauptkomponenten und -funktionen der Leiterplatten erörtert. 7 ist ein Blockschaltbild der Schaltungen, die auf der A-D-Platine 90 enthalten sind. Der Übersichtlichkeit halber stellt 7 auch die Kamera 65 und die Verbindung zwischen der Kamera und der A-D-Platine 90 dar. Die A-D-Platine weist zwei Hauptfunktionen auf. Die erste besteht in der Umwandlung des analogen Videosignals von der Kamera in digitale 8-Bit-Bilddaten und Speicherung der digitalen Bilddaten in dem Video-RAM. Die gespeicherten digitalen Bilddaten werden durch den Mikroprozessor auf der CPU-Platine 85 gelesen, der die Bildverarbeitungsalgorithmen zum Finden und Decodieren von Etikettenbildern ausführt. Die zweite Funktion besteht in der Steuerung der Gesamtverstärkung des Videosystems, um sicherzustellen, daß die gespeicherten digitalen Bilddaten die entsprechende Durchschnittsintensität aufweisen. Dies ist notwendig, damit der Decodieralgorithmus die digitalen Bilddaten richtig analysieren und decodieren kann.
Vor der Erörterung der spezifischen Komponenten auf der A-D-Platine 90 ist es hilfreich, eine allgemeine Beschreibung dessen zu liefern, wie das Videosystem arbeitet und wie die Gesamtverstärkung des Videosignals gesteuert werden kann. Die Kamera liefert ein analoges CCD-Videoausgangssignal. Das CCD- Videoausgangssignal wird von einer analogen Videoverstärkerschaltung verstärkt, bevor es von einem Analog-Digital-Umsetzer (A-D-Umsetzer) digitalisiert wird. Das Ausgangssignal des A-D-Umsetzers sind die digitalen Bilddaten, die in dem Video-RAM gespeichert und danach durch den Mikroprozessor decodiert werden.
Damit der Mikroprozessor die digitalen Bilddaten richtig decodieren kann, muß die Intensität des digitalen Bilds innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen. Es kann für den Decodieralgorithmus schwierig sein, das Bild des Etikettencodes zu erfassen und richtig zu decodieren, wenn das digitale Bild zu hell oder zu dunkel ist. Das Videosystem muß deshalb flexibel genug sein, um unabhängig von der von dem Zielgegenstand reflektierten Lichtmenge (innerhalb der Betriebsparameter des Lesegeräts) ein digitales Bild mit der richtigen Intensität zu liefern. Der Fachmann versteht, daß sowohl die Kamera, die Videoverstärkerschaltung als auch der A-D-Umsetzer jeweils in der Lage sind, eine gewisse relative Verstärkung zu liefern, und daß die Gesamtverstärkungsnachstellung des Videosystems ausreichen sollte, um den Bereich an Lichtintensitäten, der von der Kamera abgebildet wird, zu kompensieren. Das Videosystem in dem bevorzugten handgehaltenen Etikettenlesegerät 10 kann somit vorzugsweise Lichtintensitäten kompensieren, die von einem Etikett, das in hellem Sonnenlicht abgebildet wird, bis zu einem Etikett reichen, das in völliger Dunkelheit bei gleichzeitiger Beleuchtung durch die eingebaute Beleuchtungsquelle abgebildet wird.
Die Kamera liefert ein analoges CCD-Videoausgangssignal, das dem von dem CCD-Array erfaßten Bild entspricht. Das erfaßte Bild ist analog zu einer Aufnahme, die durch Öffnen eines Verschlusses über eine vorbestimmte Zeitdauer gemacht wird. Die Helligkeit des Bilds wird durch die Intensität des auf das Array auftreffenden Lichts und die Integrationszeit (d. h. die Zeitdauer, während der das Licht auf die Photoelemente der CCD auftreffen kann) bestimmt. Ein richtig belichtetes Bild ist weder zu hell (überbelichtet) noch zu dunkel (unterbelichtet). Es ist deshalb erforderlich, die Integrationszeit (elektronische Verschlußgeschwindigkeit) und Blendeneinstellung (Blendenwert) zu bestimmen, die sicherstellen, daß die CCD-Kamera richtig belichtet wird, wenn sie das Etikettenbild erfaßt. Der Beitrag der Kamera zu der Gesamtverstärkungsnachstellung des Videosystems wird durch die elektronische Verschlußgeschwindigkeit und die Größe der Blende bestimmt.
Wenn das handgehaltene Etikettenlesegerät 10 zum Erfassen von Etikettenbildern verwendet wird, dann gibt es Einschränkungen, die beim Bestimmen des Bereichs von Einstellungen für die Verschlußgeschwindigkeit und die Blende berücksichtigt werden müssen. Die bevorzugte Kamera hat Verschlußgeschwindigkeiten bis zu 1/4000 Sekunde. Die langsamste elektronische Verschlußgeschwindigkeit muß immer noch schnell genug sein, um sicherzustellen, daß das erfaßte Bild infolge eines normalen Ausmaßes an Bewegung auf Seiten des Bedieners nicht verschwommen ist. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, daß die langsamste Verschlußgeschwindigkeit nicht unter 1/250 Sekunde liegen sollte. Die bevorzugte Kamera wird deshalb mit Verschlußgeschwindigkeiten im Bereich von 1/4000 bis zu 1/250 Sekunde betrieben.
Eine feste Blende wird bevorzugt, da dadurch etwaige, mit der Kamera verbundene bewegliche Teile entfallen. Die Blende sollte ausreichend klein sein, um sicherzustellen, daß die Kamera eine ausreichende Schärfentiefe zum Erfassen von Etikettenbildern aufweist, ohne daß der Bediener die Entfernung zwischen dem Zieletikett und dem Etikettenlesegerät genau bestimmen muß. Die feste Blende sollte auch klein genug sein, um sicherzustellen, daß helles Sonnenlicht ausreichend abgeschwächt wird, um Schäden an dem CCD-Array zu vermeiden. Wie oben erwähnt haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, daß eine feste Blende, die nicht größer als f/5,6 ist, zusammen mit der durch den Bandpaßfilter und den Polarisationsfilter bereitgestellten Abschwächung sicherstellt, daß die abbildende CCD durch auf sie fokussiertes direktes Sonnenlicht nicht beschädigt wird.
Nach der Filterung beträgt der Dynamikbereich der Lichtintensität etwa 100:1 beziehungsweise 40 dB. Die Verschlußgeschwindigkeit, die zwischen 1/250 und 1/4000 Sekunde variiert, liefert ein Verstärkungsnachstellungsverhältnis von 16:1 beziehungsweise 24 dB.
Das analoge CCD-Videoausgangssignal von der Kamera wird durch eine Videoverstärkerschaltung 175 verstärkt. Die bevorzugte Videoverstärkerschaltung 175 enthält einen von der Firma Harris Semiconductor hergestellten Querstrom-Rückkopplungsverstärker vom Typ HA5024. Bei dem bevorzugten Etikettenlesegerät kann die Verstärkung der Videoverstärkerschaltung in Stufen von 6 dB von 6 dB bis 24 dB nachgestellt werden, was einen Verstärkungsnachstellungsbereich von 8:1 beziehungsweise 18 dB liefert. Bei Verwendung der LED-Beleuchtungsvorrichtung liegt das Ausgangssignal der CCD bei etwa 100 Millivolt (mV). Die maximale Verstärkung der Videoverstärkerschaltung von 24 dB gestattet, das 100-mV-Ausgangssignal der Kamera auf etwa 1,6 V zu verstärken.
Das analoge Ausgangssignal der Videoverstärkerschaltung 175 wird an einen Analog-Digital-Umsetzer (A-D-Umsetzer) 180 geliefert, der jedes Bildelement des analogen Videoausgangssignals in einen digitalen 8-Bit-Wert umsetzt. Zusätzlich zu einem Eingang VIDEO_IN weist der A-D-Umsetzer auch einen Bildelementtakteingang, einen positiven REFERENCE-Eingang und einen negativen Referenzeingang (der bei dem bevorzugten Lesegerät geerdet und deshalb nicht gezeigt ist) auf. Der Bildelementtakteingang empfängt das Bildelementtaktsignal von der CCD-Kamera. Das REFERENCE-Signal ist ein analoges Referenzsignal, mit dem der Wert des digitalen Ausgangssignals bestimmt wird. Für jedes Bildelement (wie durch das Bildelementtaktsignal dargestellt) ist das digitale Ausgangssignal des A-D-Umsetzers gleich: AUSGANGSSIGNAL = ((VIDEO_IN)/(POS REF – NEG REF) × 255)
Die Übertragungsfunktion des A-D-Umsetzers kann durch Nachstellen der Referenzspannung geändert werden. Der A-D-Umsetzer kann somit durch Nachstellen seiner Referenzspannungen für eine Verstärkungsnachstellung sorgen. Die an den positiven und negativen Umsetzerreferenzwerten anliegenden nominellen 2,5 V können um einen Faktor von bis zu 3,65:1 beziehungsweise 11,25 dB abgeschwächt werden. Bei der maximalen Einstellung kann das Umsetzerreferenzdifferenzial auf 685 mV reduziert werden. Dies ergibt am unteren Ende einen Verstärkungsspielraum von 1,6/0,685 beziehungsweise 7,37 dB.
Aufgrund des Obengesagten versteht der Fachmann, daß das Videosystem eine Gesamtverstärkungsnachstellung liefert, die die der Verschlußgeschwindigkeitssteuerung (24 dB) plus der der Videoverstärkerschaltung (18 dB) plus der des A-D-Umsetzers (11,25 dB) enthält, um eine Gesamtsumme von 53,25 dB (460:1) zu erhalten, was ausreicht, um die Schwankung von 40 dB in dem auf das CCD-Array fallenden Licht zu kompensieren und gleichzeitig Kameraeinstellungen zu gestatten, die eine ausreichende Schärfentiefe liefern und sicherstellen, daß das Bild nicht verschwommen ist.
Der von dem Videosystem bereitgestellte Verstärkungsnachstellungsbereich von 53,25 dB liefert beim Vergleich mit der erwarteten Belichtungsschwankung einen zusätzlichen Dynamikbereich von etwa 13 dB. Diese zusätzliche Verstärkung ist so aufgeteilt, daß das Videosystem an beiden Enden der Beleuchtungsbedingungen einen zusätzlichen Dynamikbereich von etwa 6 dB liefert. Dies ist vorteilhaft, da es Toleranzen der verschiedenen Videosystemkomponenten gestattet. Dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung gestattet außerdem, das Videosystem so herzustellen, daß es keine manuelle Nachstellung erfordert, um im richtigen Bereich zu arbeiten.
Das Ausgangssignal des A-D-Umsetzers ist wegen der Gleichstromrücksetzung des Signals zu dem Umsetzer immer direkt proportional zu der Lichtintensität. Schwarze Referenzbildelemente auf der CCD reagieren nicht auf Licht, und mit ihrer Ausgangsspannung erhält die Videoverstärkerschaltung eine Vorspannung, so daß eine Lichtintensität von Null (Schwarz) ein Videoeingangssignal gleich der negativen Umsetzerreferenz (d. h. 0 Volt) erzeugt. Das Ausgangssignal des A-D-Umsetzers ist deshalb Null. Da das Ausgangssignal des A-D-Umsetzers direkt proportional zu der Lichtintensität ist, kann mit dem Verhältnis des A-D-Umsetzer-Ausgangsignals zu einem Sollwert die Gesamtvideoverstärkung des Systems nachgestellt werden, indem die Verschlußgeschwindigkeit der Kamera, die Verstärkung der Videoverstärkerschaltung und/oder die Referenzspannungen des A-D-Umsetzers geändert werden. Die jeweilige Art und Weise, wie die Intensität des Bildes bestimmt und diese Einstellungen nachgestellt werden, wird unten erörtert.
Wie oben erwähnt, ist der CCD-Videoausgang der Kamera 65 mit dem Eingang einer Videoverstärkerschaltung 175 verbunden, die das analoge Videoausgangssignal von der Kamera verstärkt. Der Fachmann versteht, daß die Videoverstärkerschaltung 175 von der Kamera auch ein Schwarzbildelementsignal empfängt. Die Schwarzreferenz wird geliefert, damit der Videoverstärker zurückgesetzt werden kann, so daß er ein Ausgangssignal von 0 Volt liefert, wenn das analoge Videoausgangssignal das Schwarzreferenzsignal ist. Das Verfahren, mit dem die Verstärkung der Videoverstärkerschaltung gesteuert wird, wird unten erörtert.
Das Ausgangssignal der Videoverstärkerschaltung 175 wird zu einem Analog-Digital-Umsetzer (A-D-Umsetzer) 180 geliefert, der jedes analoge Bildelement in einen 8-Bit-Digitalwert umsetzt. Das positive Referenzeingangssignal des A-D-Umsetzers wird, wie oben erwähnt, verändert, um die Verstärkung des Videosystems nachzustellen. Dieser Prozeß wird unten ausführlicher beschrieben.
Das Ausgangssignal des A-D-Umsetzers 180 wird an einen Videodirektzugriffsspeicher (RAM = random access memory) 185 und eine Histogrammschaltung 190 geliefert. Das Video-RAM 185 ist ein Dynamik-RAM-Array mit 256 Kb. Das Video-RAM hat einen seriellen Eingangsport und einen seriellen Ausgangsport. Der Eingangsport ist mit dem Ausgang des A-D-Umsetzers 180 verbunden. Der Ausgangsport ist mit einem Decodiermikroprozessor verbunden, der auf der CPU-Platine 85 angeordnet ist. Jeder Port hat seinen eigenen Datentakt, so daß Datenschreib- und -lesevorgänge asynchron und mit unterschiedlichen Taktraten stattfinden können. Die nicht gezeigte Video-RAM-Steuerschaltung findet das dritte Halbbild von der Kamera und schreibt es in das Video-RAM. Mit den ersten beiden Halbbildern werden die Verschlußgeschwindigkeit und die Systemverstärkungseinstellungen bestimmt, die erforderlich sind, um eine richtige Belichtung des Etikettenbilds zu erhalten. Dieser Prozeß wird unten ausführlicher erörtert.
Die Histogrammschaltung 190 implementiert einen Bilddatenhistogrammalgorithmus zum Auswerten des Intensitätspegels des Ausgangssignals vom A-D-Umsetzer 180 und zum Nachstellen der relativen Videoverstärkung des Systems, um ein digitales Bild mit der richtigen Intensität bereitzustellen. Die Histogrammschaltung 190 ist unter Verwendung einer Vielfalt von kundenspezifisch programmierbaren Logikbauelementen, elektronisch programmierbaren Festwertspeicher-(EPROM)-Nachschlagetabellen, statischen RAMs, Datenpuffern und Zwischenspeichern implementiert. Bei dem bevorzugten handgehaltenen Etikettenlesegerät sind alle Steuerfunktionen, Zähler, Ablaufsteuereinheiten, Multiplexer, Addierer und Komparatoren in kundenprogrammierbaren Universalschaltkreisen (FPGA = field programmable gate array) implementiert, um die Flexibilität der Schaltung zu maximieren und die Größe der Schaltung zu minimieren.
Allgemein beschrieben mißt die Histogrammschaltung die Intensität des digitalisierten Videobilds durch Integrieren einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion, um eine kumulative Verteilungsfunktion zu erzeugen. Ein Vorteil der Histogrammtechnik besteht darin, daß sie die Empfindlichkeit der Schaltung gegenüber örtlichen dunklen bzw. extrem hellen Gebieten minimiert. Bei dem bevorzugten handgehaltenen Etikettenlesegerät ist ein richtig belichtetes Bild so definiert, daß bei ihm ein vorbestimmter Prozentsatz (90%) einer Gruppe gezielt abgetasteter Bildelemente des Bilds (in 15 gezeigt) auf oder unter einen vorbestimmten Graupegel, vorzugsweise mit einer Sättigung von 75%, fällt. Der von dem vorbestimmten Prozentsatz abgetasteter Bildelemente erreichte tatsächliche Graupegel wird mit dem Sollpegel verglichen, und mit dem Verhältnis aus den beiden Werten wird die Belichtungs-/Verstärkungseinstellung korrigiert, wie unten im Zusammenhang mit 14–20 beschrieben.
Die bevorzugte Histogrammschaltung 190 mißt somit die 8-Bit-Graupegelhelligkeit von 255 gezielt abgetasteten Punkten aus den Videobilddaten. Ein statisches Behälter-RAM (SRAM) stellt 256 Behälter zum Speichern von 8-Bit-Daten bereit. Jeder Behälter entspricht einem Graupegel, und jeder Behälter hält das zahlenmäßige Vorkommen insgesamt in der Probe für jeden Graupegel. Nach dem Abtasten des Bilds wird der Inhalt der Behälter, bei Adresse 0 (dunkelster Graupegel) des Behälter-SRAM beginnend, summiert, bis die laufende Summe der Behälter 90% der 255 gezielt abgetasteten Bildelemente (230 Bildelemente) erreicht. Die erreichte Behälterzahl (BIN_NUM) wird als Schätzwert des Gesamtbildhelligkeitspegels genommen. BIN_NUM wird gespeichert und an die Verstärkungssteuerschaltung 195 geliefert.
Die Verstärkungssteuerschaltung 195 setzt mit einer Verstärkungsnachschlagetabelle auf der Grundlage der von der Histogrammschaltung gelieferten Behälternummer und des letzten Verstärkungswerts den neuen relativen Systemverstärkungswert. Der neue Verstärkungswert liefert Ausgangssignale, mit denen die Gesamtverstärkungsnachstellung des Systems gesteuert wird. Dies wird, wie oben erwähnt, dadurch bewerkstelligt, daß die elektronische Verschlußgeschwindigkeit der Kamera, die Verstärkung der Videoverstärkerschaltung und die Referenzspannung des A-D-Umsetzers nachgestellt werden. Ein Videoverstärker-Verstärkungsausgangssignal von der Verstärkungssteuerschaltung wird direkt an die Videoverstärkerschaltung 175 geliefert. Ein A-D-Umsetzer-Verstärkungsausgangssignal von der Verstärkungssteuerschaltung wird an eine Parabelerzeugerschaltung 200 geliefert, die ein analoges Eingangssignal an den Referenzspannungseingang des A-D-Umsetzers liefert. Ein Verschlußsteuersignal von der Verstärkungssteuerschaltung wird an eine Verschlußsteuerschaltung 205 geliefert, die einen Auslöseimpuls an die Kamera liefert, wenn die Belichtung beginnen soll. Die Einzelheiten dieses Prozesses werden unten ausführlicher beschrieben. Die A-D-Platine 90 ist über einen Verbinder 210 an die CPU-Platine 85 und die Steuerplatine 80 angeschlossen.
8 ist ein Blockschaltbild der auf der CPU-Platine 85 angeordneten Schaltungen. Die CPU-Platine 85 enthält einen Mikroprozessor 225, einen elektronisch programmierbaren Festwertspeicher (EPROM) 230, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 235, Seriellkommunikationsschaltungen 240 und einen Verbinder 245.
Der bevorzugte Mikroprozessor 225 ist eine von der Firma Integrated Device Technology hergestellte RISC-Zentralverarbeitungseinheit (CPU) vom Typ IDT3081. Die Primärfunktion des Mikroprozessors besteht in dem Decodieren der digitalen Etikettenbilddaten, die in dem Video-RAM 185 auf der A-D-Platine gespeichert sind. Der Mikroprozessor 155 steuert außerdem den Betrieb von Anzeigelampen, die anzeigen, ob der Decodiervorgang erfolgreich war.
Da eine CCD-Kamera ein zweidimensionales Bild bzw. eine ”Aufnahme” erfaßt und Bilddaten an einen Decodieralgorithmus liefert, ist eine eine CCD-Kamera verwendende Etikettenleseeinrichtung so vielseitig wie die in das Etikettenlesegerät programmierten Decodieralgorithmen. Dadurch kann ein einzelnes Etikettenlesegerät zum Lesen und Decodieren einer großen Vielfalt von Strichcodes und zweidimensionalen Symboliken unter der Voraussetzung verwendet werden, daß der entsprechende Decodieralgorithmus zur Verfügung steht. Beispiele derartiger Kameras und verwandter Verfahren sind aus den US-Patenten mit den Nummern 4,874,936 mit dem Titel ”Hexagonal, Information Encoding Article, Process and System” [Hexagonale, Informationen codierende Vorrichtung, Verfahren und System], 5,329,105 mit dem Titel ”Method and Apparatus for Determining the Width of Elements of Bar Code Symbols” [Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Breite von Elementen von Strichcodesymbolen], 5,308,960 mit dem Titel ”Combined Camera System” [Kombiniertes Kamerasystem] und 5,276,315 mit dem Titel ”Method and Apparatus for Processing Low Resolution Images of Degraded Bar Code Symbols” [Verfahren und Vorrichtung zum Verarbeiten von niedrigaufgelösten Bildern degradierter Strichcodesymbole] bekannt, deren Offenbarungen unter Bezugnahme hier aufgenommen sind. Die CPU-Platine enthält ein EPROM 230 mit 512 Kb, mit dem das grundlegende Betriebssystem und die Decodiersoftware gespeichert werden. Das Betriebssystem und die Decodieralgorithmen können durch Bereitstellen von neuen EPROM-Bauelementen aufgerüstet oder modifiziert werden.
Die CPU-Platine enthält auch ein RAM 235 mit 4 Mb, mit dem verschiedene, mit dem Decodieren der Bilddaten verbundene Daten gespeichert werden. Der Fachmann versteht, daß mit dem RAM 235 die Bilddaten gespeichert werden können, während sie aus dem Video-RAM 185 ausgelesen werden, und verschiedene Daten gespeichert werden können, die sich aus dem Decodierprozeß ergeben.
Die Seriellkommunikationsschaltung 240 enthält eine von der Firma Signetics hergestellte DUART-Schnittstelle (DUART = dual asynchronous receive/transmit = doppeltes asynchrones Empfangen/Senden) des Typs SCN2681T. Mit der Seriellkommunikationsschaltung überträgt der Mikroprozessor 225 serielle Daten zwischen dem handgehaltenen Etikettenlesegerät und dem Datenterminal, an das es angeschlossen ist.
Mit dem Verbinder 245 wird die CPU-Platine 85 an die Steuerplatine 80 und die A-D-Platine 90 über das Rückwandplatinenkabel angeschlossen.
9 ist ein Blockschaltbild der auf der Steuerplatine 80 angeordneten Schaltungen. Die Hauptfunktionen der Steuerplatine 80 sind in einer Folgesteuerungseinheitsschaltung 260, einer Stromversorgungsschaltung 265, einer Beleuchtungsvorrichtungsschaltung 270 und einer Anzeigeschaltung 275 implementiert. Die Steuerplatine 80 ist über einen Verbinder 280 an die CPU-Platine 85 und die A-D-Platine 90 angeschlossen.
Allgemein beschrieben empfängt die Folgesteuerungseinheitsschaltung 260 ein Signal von dem Auslöser 95 und leitet die mit einem Etikettenlesezyklus verbundene Folge von Vorgängen ein. Als Beispiel liefert bei Empfang des Auslösesignals die Folgesteuerungseinheitsschaltung 260 ein Signal, das bewirkt, daß die Stromversorgungsschaltung 265 den Strom zu der Kamera, dem Mikroprozessor und anderen Komponenten, die abgeschaltet sind, wenn sich das handgehaltene Etikettenlesegerät in dem Wartezustand befindet, einschaltet. Die Folgesteuerungseinheitsschaltung 260 liefert auch ein Rücksetzsignal, das bewirkt, daß die Komponenten bei Einschalten initialisiert werden. Der Etikettenlesezyklus wird unten unter Bezugnahme auf 10 ausführlich beschrieben.
Die Beleuchtungsvorrichtungsschaltung 275 liefert eine analoge Schaltung zum Ansteuern der Beleuchtungslichtquelle. Die A-D-Platine liefert ein Signal, das bewirkt, daß die Beleuchtungsvorrichtungsschaltung 275 die LEDs der Beleuchtungslichtquelle erst dann einschaltet, wenn die Kamera ein Bild erfaßt. Die Beleuchtungslichtquelle wird somit im Zusammenhang mit dem Auslösen des elektronischen Verschlusses der Kamera, der ebenfalls durch die A-D-Platine gesteuert wird, eingeschaltet. Indem die Beleuchtungslichtquelle auf diese Weise gesteuert wird, wird die Beleuchtungslichtquelle für jeden Etikettenlesezyklus dreimal eingeschaltet. Die ersten beiden Male sind für einleitende Belichtungen, mit denen die Videosystemverstärkung nachgestellt wird. Mit der dritten wird das Bild des Zieletiketts erfaßt. Der Fachmann versteht, daß durch das Ausschalten der Beleuchtungslichtquelle zwischen Lesevorgängen verhindert wird, daß sich die LEDs überhitzen, und ihnen gestattet wird, mit mehr Strom angesteuert zu werden. Außerdem sind die LEDs heller, wenn sie kühler sind.
Die Anzeigeschaltung 270 liefert die Schaltung, die erforderlich ist, um die Markierlampen 70 und die Statusanzeigelampen, die an der Rückseite des handgehaltenen Etikettenlesegeräts angebracht sind, anzusteuern. Die Anzeigeschaltung 270 schaltet die Markierlampen bei eingeschalteter Beleuchtungslichtquelle ab, um zu verhindern, daß sich in dem erfaßten Bild helle Flecke befinden. Die Anzeigeschaltung schaltet auch die Statusanzeigelampen gemäß von dem Mikroprozessor empfangenen Signalen ein und aus. So wird beispielsweise mit einer Anzeigelampe angezeigt, ob ein eindimensionaler Code codiert wird. Die andere zeigt an, ob ein zweidimensionaler Code decodiert wird. Beide Anzeigelampen leuchten gelb, wenn sich das handgehaltene Etikettenlesegerät im Wartezustand befindet. Zwischen den Zeitpunkten, wo der Auslöser gezogen wird und der Decodierprozeß beendet ist, blinken die Anzeigelampen. Je nachdem, ob ein ein- oder ein zweidimensionaler Code decodiert worden ist, wird die entsprechende Anzeige grün. Die andere Anzeige wird rot. Wenn der Decodierprozeß nicht erfolgreich ist, werden beide Anzeigen rot.
10 ist ein Flußdiagramm, das den Algorithmus darstellt, mit dem das handgehaltene Etikettenlesegerät einen Etikettenlesevorgang ausführt. Der Etikettenlesealgorithmus 300 beginnt bei Schritt 305 damit, daß sich das handgehaltene Etikettenlesegerät in einem Wartezustand befindet. An diesem Punkt leuchten die Markierlampen 70 auf, damit der Benutzer das Lesegerät genau auf das Zieletikett richten kann. Um Strom zu sparen, ist an die meisten der Komponenten in dem handgehaltenen Etikettenlesegerät kein Strom angelegt. Das handgehaltene Etikettenlesegerät 10 bleibt im Wartezustand bis Schritt 310, wenn die Steuerplatine 80 von dem Auslöser 95 ein Auslöseeingangssignal empfängt.
Bei Schritt 315 legt die Steuerplatine 80 Strom an alle Komponenten in dem handgehaltenen Etiketten lesegerät an, einschließlich der Kamera, dem Mikroprozessor 225 und der Kamerasteuerschaltung, die auf der A-D-Platine 90 angeordnet ist. Beim Anlegen von Strom aktiviert die Steuerplatine auch ein Rücksetzsignal, das bewirkt, daß die Schaltungen für Kamera, Mikroprozessor und Kamerasteuerung initialisiert werden.
Bei Schritt 320 liefert die Steuerplatine 80 ein Signal VINIT an den Mikroprozessor und die Kamerasteuerschaltung der A-D-Platine. Das Signal VINIT zeigt den Beginn des Prozesses an, durch den die Etikettenbilddaten erfaßt werden. Bei dem bevorzugten handgehaltenen Etikettenlesegerät wird das Signal VINIT etwa 62 Millisekunden (ms) nach dem Empfang des Auslöseimpulses durch den Auslöser 95 geliefert. Der Fachmann versteht, daß eine derartige Verzögerung erforderlich ist, um sicherzustellen, daß die Kamera ausreichend Zeit hat, sich einzuschalten und mit der Lieferung von stabilen Videoausgangsdaten zu beginnen.
Bei Schritt 325 stellt die Kamera die Belichtung nach, um sicherzustellen, daß die Intensität des erfaßten Bilds richtig ist. Dabei werden das Zieletikett beleuchtet und als Reaktion auf die von der Kamera empfangene Menge reflektierten Lichts die richtige elektronische Verschlußgeschwindigkeit und die richtige Systemverstärkungsnachstellung gewählt. Nachdem die richtige Verschlußgeschwindigkeit und die richtige Verstärkungsnachstellung bestimmt worden sind, wird das Zieletikett beleuchtet, und bei Schritt 326 werden die Etikettenbilddaten erfaßt und in dem Video-RAM gespeichert. An diesem Punkt geht der Prozeß zu Schritt 330 weiter.
Bei Schritt 330 liest der Mikroprozessor 225 die gespeicherten Etikettenbilddaten aus dem Video-RAM 185 und decodiert die Etikettendaten. Das Decodieren der gespeicherten digitalen Bilddaten geschieht durch Anwenden eines gespeicherten Decodieralgorithmus auf die digitalen Bilddaten. Der Fachmann versteht, daß der Decodieralgorithmus für die jeweiligen, von der CCD-Kamera erfaßten Informationsangaben ausgelegt sein muß. Wenn das Etikettenlesegerät zum Lesen von Strichcodes verwendet werden soll, muß deshalb der entsprechende Strichcodedecodieralgorithmus in dem EPROM 230 des Mikroprozessors gespeichert sein. Analog dazu muß, wenn das Datenterminal in Verbindung mit Paketen verwendet wird, die zweidimensionale Symboliken tragen, in dem Decodierer der entsprechende Decodieralgorithmus vorgesehen sein. Der Fachmann versteht, daß die von der CCD-Kamera erfaßten Informationsangaben nicht auf Strichcodes und zweidimensionale Symboliken beschränkt sind, sondern auch gedruckten oder handgeschriebenen Text enthalten können, der sich durch Techniken der optischen Zeichenerkennung (OCR = optical character recognition) lesen läßt. Es ist möglich, mehrere Decodieralgorithmen vorzusehen, so daß das Datenterminal zum Lesen und Decodieren von bestimmten einer großen Vielfalt verschiedener Informationsangaben verwendet werden kann.
Der Fachmann versteht auch, daß möglicherweise mehrere Schritte erforderlich sind, um die digitalen Bilddaten zu decodieren. Als Beispiel wird der Decodieralgorithmus zunächst bestimmen müssen, ob das erfaßte Bild einen erkennbaren Typ von Informationsangaben enthält. Falls dem so ist, muß der Algorithmus möglicherweise die Orientierung der Informationsangaben bestimmen und gegebenenfalls die Daten drehen, um die Informationsangaben auf eine gewünschte Achse auszurichten. Nachdem alle erforderlichen Schritte bewerkstelligt worden sind und die digitalen Bilddaten decodiert sind, werden die decodierten Daten in einem Direktzugriffsspeicher (RAM) auf der CPU-Platine 85 gespeichert.
Bei Schritt 335 sendet der Mikroprozessor 225 die decodierten Etikettendaten zu dem angeschlossenen Datenterminalgerät. Die decodierten Daten werden als serielle Daten über einen der seriellen Ports übertragen. Bei dem bevorzugten handgehaltenen Etikettenlesegerät werden die seriellen Daten über das Lesegerätkabel 40 an das angeschlossene Datenterminal geliefert.
Bei Schritt 340 schaltet die Folgesteuerungseinheitsschaltung 260 auf der Steuerplatine 80 den Strom von den schaltbaren Komponenten ab, und das handgehaltene Etikettenlesegerät kehrt zum Wartezustand zurück. Bei dem bevorzugten handgehaltenen Etikettenlesegerät wird der Strom abgeschaltet, wenn die Steuerplatine von der CPU-Platine ein Signal erhält, das das Ende des Decodierprozesses anzeigt. Wenn der Mikroprozessor aus einem bestimmten Grund ein derartiges Signal nicht liefert, schaltet die Steuerplatinenschaltung etwa 8 Sekunden nach Empfang des Signals von dem Auslöser automatisch den Strom von den anderen Komponenten ab. Diese Abschaltung stellt sicher, daß das handgehaltene Lesegerät selbst dann zu dem Wartezustand zurückkehrt, wenn der Mikroprozessor aus bestimmten Gründen abstürzt.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 11 wird das bevorzugte Verfahren zum Erfassen von Bilddaten beschrieben. Der Prozeß des Erfassens von Bilddaten bildet einen Schritt 325 in dem Verfahren von 10.
11 ist ein Zeitgabediagramm, das die allgemeine Folge von Ereignissen darstellt, durch die die Etikettenbilddaten erfaßt werden. Die horizontale Skala gibt eine Zeitperiode von 0 bis 160 ms wieder. Der Fachmann versteht, daß die in der vorliegenden Erfindung verwendete Kamera vom CCIR-Format alle 20 ms ein Videohalbbild liefert. Das Zeitgabediagramm ist deshalb in Stufen von 20 ms markiert.
Das Zeitgabediagramm beginnt damit, daß es zeigt, daß Strom an die Kamera und die A-D-Platine kurz nach Empfang des Auslösesignals bei etwa 0 ms angelegt wird. Wie oben in Verbindung mit 10 beschrieben, beginnt ein Etikettenlesezyklus, wenn der Bediener den Auslöser des handgehaltenen Etikettenlesegeräts drückt. An diesem Punkt legt eine Schaltung auf der Steuerplatine Strom an den Mikroprozessor, die Kamera und die anderen Komponenten auf der A-D-Platine an.
Bei ungefähr 62 ms leitet die Steuerplatine durch Liefern eines Signals VINIT an die Histogrammschaltung 190 die Bilderfassungsfolge ein. Die Zeitdauer zwischen dem Auslösesignal und dem Signal VINIT reicht aus, daß die Kamera sich aufwärmen und mit der Lieferung eines guten stabilen Videoausgangssignals beginnen kann.
Nachdem die A-D-Platine das Signal VINIT von der Steuerplatine empfangen hat, wartet die A-D-Platine auf das nächste Signal VDRV von der Kamera. Wie oben beschrieben, zeigt das Signal VDRV den Beginn eines neuen Videohalbbilds an. Das CCD-Array wird während einer Zeitdauer, die der elektronischen Verschlußgeschwindigkeit entspricht, belichtet. Wie unten ausführlicher erläutert wird, findet der größte Teil der Belichtungszeit vor dem Signal VDRV statt. Kurz nach dem Eintreten des Signals VDRV bewirkt ein internes Übertragungstaktsignal, daß die sich in den Photoelementen des CCD-Arrays aufgebaute Ladung zu den CCD-Registern übertragen wird. Von da wird das Bild bildpunktweise aus den CCD-Registern ausgetaktet, um das CCD-Videoausgangssignal zu liefern.
Bei dem ersten Signal VDRV nach dem Signal VINIT setzt die A-D-Platinenschaltung die Videosystemverstärkungsnachstellung auf einen vorbestimmten Vorgabewert, mit dem eine Testbelichtung gemacht wird. Die Systemverstärkungssolleinstellung enthält eine Verschlußgeschwindigkeit, eine Videoverstärkerverstärkung und ein A-D-Referenzeingangssignal.
Zwischen ungefähr 96 und 100 ms werden die Photoelemente der Kamera für die voreingestellte Integrationszeit belichtet. Kurz nach dem Signal VDRV bei 100 ms gibt die Kamera die analogen Bildelementdaten aus, die ein erstes Videohalbbild bilden. Während die Daten durch die Kamera geliefert werden, bestimmt die Histogrammschaltung 190 der A-D-Platine die Intensität des Bilds des Halbbilds 1. Mit dem Ausgangssignal der Histogrammschaltung stellt die Verstärkungsschaltung 195 die Verstärkungseinstellungen vor der zweiten Belichtung nach, die zwischen etwa 116 und 120 ms beginnt. Der von der Histogrammschaltung 195 angewendete Algorithmus wird unten ausführlicher beschrieben.
Nach dem Signal VDRV bei 120 ms gibt die Kamera die analogen Bildelementdaten aus, die ein zweites Videohalbbild bilden. Die Histogrammschaltung der A-D-Platine analysiert diese Daten, während sie von der Kamera geliefert werden. Mit dem Ausgangssignal der Histogrammschaltung wird die Videosystemverstärkung vor der dritten Belichtung, die zwischen etwa 136 und 140 ms beginnt, nachgestellt. Nach dem Signal VDRV bei 140 ms gibt die Kamera die analogen Bildelementdaten aus, die ein drittes Videohalbbild bilden. Während das CCD-Videoausgangssignal aus der Kamera ausgetaktet und durch den A-D-Umsetzer digitalisiert wird, werden die digitalen Bilddaten in dem Video-RAM gespeichert. Wie oben in Verbindung mit 10 beschrieben, werden die gespeicherten Videobilddaten von dem Mikroprozessor, der auf der CPU-Platine angeordnet ist, ausgelesen und decodiert. Bei dem bevorzugten handgehaltenen Lesegerät beginnt der Mikroprozessor seine Prozeduren der Initialisierung und des Bootens erst nach der Speicherung der digitalen Daten in dem Video-RAM (bei ungefähr 160 ms). Die digitalen Bilddaten stehen deshalb in dem Video-RAM zur Verfügung, sobald der Mikroprozessor bereit ist, sie zu lesen.
Wie oben erörtert, reicht die Gesamtverstärkungsnachstellung des Videosystems vorzugsweise aus, den Dynamikbereich von reflektiertem Licht zu kompensieren, wenn das handgehaltene Etikettenlesegerät in verschiedenen Umfeldern verwendet wird. Außerdem müssen die Blende und die Verschlußgeschwindigkeit der Kamera beschränkt sein, um sicherzustellen, daß das erfaßte Bild nicht wegen einer Verschlußgeschwindigkeit, die zu langsam ist, oder einer Schärfentiefe, die zu flach ist, verschwommen ist. Bei dem bevorzugten System können die Komponenten in dem Videosystem eine Gesamtverstärkungsnachstellung von bis zu 53,25 dB liefern. Diese Gesamtsumme enthält 24 dB einer Verstärkungsnachstellung, die mit dem Variieren der Verschlußgeschwindigkeit der Kamera verbunden ist, 18 dB aus dem Nachstellen der Videoverstärkerschaltung und 11,25 dB aus dem Nachstellen des A-D-Umsetzers.
Bei dem bevorzugten handgehaltenen Etikettenlesegerät wird die Gesamtvideoverstärkung in Schritten von 0,75 dB nachgestellt. Die Verstärkung wird durch eine Verstärkungsnachschlagetabelle bestimmt, die einen Teil der Verstärkungssteuerschaltung 195 auf der A-D-Platine bildet. Die in der Verstärkungsnachschlagetabelle implementierten Verstärkungswerte sind in 12 gezeigt. Die Verstärkungsnachschlagetabelle liefert 72 diskrete Verstärkungssteuerwerte (0–71), was Verstärkungsnachstellungen im Bereich von 0 bis 53,25 dB in Schritten von 0,75 dB entspricht.
Jeder Verstärkungssteuerwert entspricht einer vorbestimmten Einstellung für die Verschlußgeschwindigkeit, die Videoverstärkerverstärkung und die Referenzspannung des A-D-Umsetzers. Beispielsweise erfordert der maximale Verstärkungssteuerwert von 71, der unter den dunkelsten Beleuchtungsbedingungen verwendet würde, eine Verschlußgeschwindigkeit von 1/250 Sekunde. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, daß dies die langsamste Verschlußgeschwindigkeit ist, die ohne unnötiges Risiko eines verschwommenen Bilds verwendet werden kann. Ein Verstärkungssteuerwert von 71 liefert auch eine Videoverstärker-Verstärkungsnachstellung von 18 dB, was die maximale, von der bevorzugten Videoverstärkerschaltung gelieferte Verstärkungsnachstellung ist. Das Referenzsignal des A-D-Umsetzers wird ebenfalls so gesetzt, daß der A-D-Umsetzer seine maximale relative Verstärkung während des Prozesses des Umsetzens des analogen Videosignals in ein digitales Signal liefert.
In 13 sind die Hauptelemente der Verstärkungssteuerschaltung 195 dargestellt. Der Fachmann versteht, daß in der Verstärkungsnachschlagetabelle gespeicherte Verstärkungssteuerwerte decodiert werden müssen, um die entsprechenden Eingangssignale für die Kamera, die Videoverstärkerschaltung und den A-D-Umsetzer zu liefern. Die bevorzugte Verstärkungssteuerschaltung 195 verwendet einen EPROM 500 zum Speichern der Verstärkungssteuerwertnachschlagetabelle, die auf den vorhergegangenen Verstärkungssteuerwert und die von der Histogrammschaltung 190 auf die oben beschriebene Weise gelieferte Behälternummer reagiert. Das Ausgangssignal des EPROM 500 wird an einen Decodierer 505 geliefert, der einen Teil eines kundenprogrammierbaren Universalschaltkreises bildet. Der Decodierer 505 decodiert das Verstärkungssteuersignal und liefert Signale, mit denen die Systemverstärkung nachgestellt wird. Ein Signal VIDEO_GAIN wird direkt an die Videoverstärkerschaltung 175 geliefert. Eine Verschlußeinstellung wird an die Verschlußsteuerschaltung 205 geliefert, womit ihr ein Verschlußauslöseimpuls für die Kamera geliefert wird. An die Parabelerzeugerschaltung werden ein Parabel-Seitensignal und ein REF-6-dB-Signal geliefert, wo mit ihnen das Videoreferenzsignal zu dem A-D-Umsetzer gesteuert wird. Der Fachmann versteht, daß bei einer alternativen Ausführungsform eine Parabelkorrekturfunktion auf die Videoverstärkerschaltung 175 oder sowohl auf den A-D-Umsetzer als auch die Videoverstärkerschaltung angewendet werden könnte. Die Funktionen der Verschlußsteuerschaltung und der Parabelerzeugerschaltung sind unten ausführlicher beschrieben.
Die Verstärkungsnachschlagetabelle wählt anfänglich einen Vorgabeverstärkungssteuerwert von 32, der für die bei ungefähr 96 ms beginnende Belichtung (siehe 11) verwendet wird. Wie in 12 dargestellt, entspricht ein Verstärkungssteuerwert von 32 einer Videosystemverstärkungsnachstellung von 24 dB. Das Ausgangssignal des A-D-Umsetzers ist, wie oben erörtert, zu der Lichtintensität direkt proportional. Dadurch kann sich die Verstärkungsnachschlagetabelle auf das Verhältnis des Umsetzerausgangssignals zu einem Sollwert verlassen, um die Gesamtvideoverstärkung des Systems nachzustellen. Die jeweilige Weise, auf die die Lichtmenge bestimmt und diese Einstellungen nachgestellt werden, ist unten erörtert.
Nach der Anwendung der Histogrammanalyse auf das erste Videohalbbild (was unter Verwendung der Verstärkungsnachstellungsvorgaben erfaßt wurde) wählt die Verstärkungsnachschlagetabelle den Verstärkungssteuerwert für das zweite Videohalbbild auf der Grundlage der Lichtintensität, wie durch das Ausgangssignal des A-D-Umsetzers angegeben. Die Lichtintensität wird durch einen Behälterwert (BIN_NUM) dargestellt, der durch die Histogrammschaltung geliefert wird.
Die Verstärkungsnachschlagetabelle setzt den nächsten Verstärkungssteuerwert auf der Grundlage des vorhergegangenen Verstärkungssteuerwerts und des Behälterwerts von dem jüngsten Histogramm. Der vorhergegangene Verstärkungswert wird durch einen Datenzwischenspeicher 510 an den EPROM 500 geliefert. Die Verstärkungssteuerwerte werden zum Ansteuern der Signalverarbeitung gewählt, so daß 90% der Bildelementgraupegel (d. h. 230 von 255 Bildelementen) in dem Bildgebiet unter ungefähr 75% (190) des Sättigungswerts (255) fallen. Die Gleichung, mit der dies erreicht wird, lautet: NÄCHSTER WERT = LETZTER WERT + 4/3·20 LOG (190/BIN_NUM)
Wenn das Bild von dem ersten Halbbild gesättigt ist (d. h. das Bild ist zu hell; BIN_NUM = 255), dann wird das zweite Halbbild mit einem zweiten Vorgabeverstärkungssteuerwert von 8 belichtet, was eine Videosystemverstärkungsnachstellung von 6 dB darstellt. In den meisten Fällen kann der Sprung von dem Vorgabesteuerwert zu dem richtigen Verstärkungssteuerwert in einer Korrektur erreicht werden. Im Fall von hellen Lichtbedingungen jedoch, wo die CCD gesättigt ist, werden zwei Nachstellungen benötigt. Das bevorzugte handgehaltene Etikettenlesegerät ist deshalb ausgelegt, über drei Videohalbbilder bei der richtigen Belichtung anzukommen.
14 ist ein Flußdiagramm, das das bevorzugte Verfahren 400 zum Durchführen der Histogrammanalyse, die durch die Histogrammschaltung 190 ausgeführt wird, darstellt. Wie oben beschrieben integriert die Histogrammfunktion die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Bildelementintensität, um eine kumulative Verteilungsfunktion zu erzeugen. Die in der Histogrammschaltung verwendete Hardware enthält kundenspezifisch programmierbare Logikbausteine, EPROM-Nachschlagetabellen, ein statisches RAM, Datenpuffer und Zwischenspeicher. Alle Steuerfunktionen, Zähler, Ablaufsteuereinheiten, Multiplexer, Addierer und Komparatoren sind in den kundenprogrammierbaren Universalschaltkreisen implementiert, um die Flexibilität zu maximieren und den Platinenraum zu minimieren.
Das bevorzugte Verfahren 400 beginnt bei Schritt 405 mit dem Löschen des Behälter-SRAM, mit dem das zahlenmäßige Vorkommen jedes Lichtintensitätswerts gespeichert wird. Bei Schritt 405 wird die Variable BIN_SUM_TOTAL, mit der die gespeicherten Behälternummern summmiert werden, ebenfalls gelöscht.
Der Histogrammprozeß tastet 255 vorgewählte Bildelemente ab, um die Intensität des Bilds zu bestimmen. Die Bildelemente, die zur Analyse gewählt werden, bilden ein halbzufälliges Muster ähnlich einem Schrotflintenmuster, bei dem sich die größte Konzentration in der Nähe der Mitte des Bilds befindet. Ein Schrotflintenmuster des in dem Histogrammprozeß verwendeten Typs ist in 15 dargestellt. Bei dem bevorzugten handgehaltenen Etikettenlesegerät liegen die gewählten Bildelemente in dem mittleren Drittel des Bilds.
Die vorgewählten Bildelemente werden durch TREFFERBITS (HIT BITS) identifiziert, die in einer TREFFERTABELLE in einem EPROM gespeichert sind. Die TREFFERTABELLE enthält für jedes der Bildelemente eines Videohalbbilds ein Bit. Die vorgewählten Bit werden durch Speichern einer 1 in diesem Bit in der TREFFERTABELLE angezeigt. Die anderen Bit, die von dem Histogrammprozeß ignoriert werden, sind in der TREFFERTABELLE durch 0 dargestellt. Während jedes Bildelement aus der Kamera ausgetaktet wird, prüft die Histogrammschaltung das entsprechende TREFFERBIT, um zu sehen, ob es eine 1 ist. Dieser Prozeß ist bei den Schritten 410 und 415 angedeutet. Wenn das TREFFERBIT eine 0 ist, kehrt das Verfahren zu Schritt 410 zurück und wartet auf das Austakten des nächsten Bildelements aus der Kamera.
Wenn das TREFFERBIT eine 1 ist, geht das Verfahren zu Schritt 420 weiter, wo mit dem Bilddatenbyte aus dem A-D-Umsetzer die entsprechende Behälternummer in dem Behälter-SRAM adressiert wird. Bei Schritt 425 liest das Verfahren den gegenwärtig in diesem Behälter gespeicherten Wert. Bei Schritt 430 wird der Wert um 1 erhöht. Bei Schritt 435 wird der neue Wert wieder in dem Behälter gespeichert.
Bei Schritt 440 bestimmt das Verfahren, ob alle der 255 vorgewählten Bildelemente abgetastet worden sind. In der bevorzugten Histogrammschaltung geschieht dies dadurch, daß die Anzahl der Signale HDRV gezählt wird, die seit dem letzten Signal VDRV aufgetreten sind, und ein Signal HIT_END erzeugt wird, wenn die Zeile das letzte TREFFERBIT enthält. Das Verfahren verfolgt somit die Videozeile, für die es Daten empfängt, und bestimmt, wann alle der TREFFERBIT untersucht worden sind. Die Histogrammschaltung könnte aber auch die Anzahl der TREFFERBIT verfolgen, die angetroffen worden sind. Der Fachmann versteht, daß alle durch das bevorzugte Verfahren untersuchten Bit vor einem Punkt auftreten, der bei 2/3 des Wegs durch das Videobild liegt. Dies geschieht, um Zeit zu lassen, damit der Histogrammprozeß beendet wird und der neue Verstärkungssteuerwert rechtzeitig zum Auslösen des elektronischen Verschlusses für das nächste Halbbild gewählt wird. Deshalb muß in Halbbild 1 von 11 der erste Histogrammprozeß bei ungefähr 95 ms beendet sein, um Zeit zum Auslösen des elektronischen Verschlusses zu lassen, was schon bei ungefähr 96 ms geschehen kann.
Wenn das Verfahren bei Schritt 440 bestimmt, daß nicht alle der vorgewählten Bildelemente abgetastet sind, kehrt das Verfahren zu Schritt 410 zurück. Wenn alle der vorgewählten Bildelemente analysiert worden sind, geht das Verfahren zu Schritt 445 weiter und löscht den Wert BIN SUM, mit dem die Werte der Behälterregister summiert werden.
Bei Schritt 450 setzt das Verfahren den Adressenzeiger des Behälter-SRAM auf 00. Bei Schritt 455 liest das Verfahren den Wert in der Behälter-SRAM-Adresse 00 und addiert ihn zu BIN SUM. Bei Schritt 460 bestimmt das Verfahren, ob BIN SUM kleiner oder gleich dem vorbestimmten Schwellwert von 90% der 255 vorgewählten Probebildelemente (230 Bildelemente) ist. Wenn dem so ist, geht das Verfahren zu Schritt 465 weiter, wo der Adreßzeiger um 1 erhöht wird. Von Schritt 465 kehrt das Verfahren zu Schritt 455 zurück. Durch Wiederholen der Schritte 455, 460 und 465 summiert das Verfahren die in den Behälter-SRAM-Registern gespeicherten Werte.
Wenn das Verfahren bei Schritt 460 bestimmt, daß BIN SUM größer als der Schwellwert ist, geht das Verfahren zu Schritt 470 weiter. Der Wert BIN_NUM wird an die Verstärkungssteuerschaltung geliefert, wo mit ihm die Verstärkungsnachschlagetabelle adressiert wird.
16 stellt die Hauptelemente der Histogrammschaltung 190 dar, die das Verfahren 400 von 14 implementiert. Die Histogrammschaltung enthält, wie oben erwähnt, kundenspezifisch programmierbare Logikbausteine, EPROM-Nachschlagetabellen, ein statisches RAM, Datenpuffer und Zwischenspeicher. Alle Steuerfunktionen, Zähler, Ablaufsteuereinheiten, Multiplexer, Addierer und Komparatoren sind in kundenprogrammierbaren Universalschaltkreisen implementiert, um die Flexibilität zu maximieren und den Platinenraum zu minimieren.
Die TREFFERTABELLE ist in EPROM 500 gespeichert, der bei dem bevorzugten handgehaltenen Etikettenlesegerät auch die Verstärkungssteuerwertnachschlagetabelle enthält (siehe 13). Die EPROM-Adresse wird durch einen Zähler 520 geliefert, der von einem Teiler 525 angesteuert ist. Der Zähler 520 wird durch einen Takt angesteuert, der gleich dem Bildelementtakt dividiert durch 8 ist. Der EPROM liefert somit für jeweils 8 Bildelemente ein neues Byte (8 Bit). Der Teiler 525 steuert auch einen Multiplexer 530, der für jedes Bildelement ein einzelnes TREFFERBIT (der 8 Bit) ausgibt.
Ein Datenzwischenspeicher 535 empfängt die TREFFERBIT von dem Multiplexer 530 und die digitalen Bilddaten von dem A-D-Umsetzer 180. Wenn das TREFFERBIT eine 1 ist, wird der digitale Bildwert in dem Datenzwischenspeicher 535 zwischengespeichert und zum Adressieren des Behälter-SRAM 540 verwendet. Das Ausgangssignal des Behälter-SRAM, was der in der adressierten Speicherstelle gespeicherte Wert ist, wird durch einen Addierer 545 erhöht. Der erhöhte Wert wird wieder in dem Behälter-SRAM 540 gespeichert.
Wenn alle TREFFERBIT verarbeitet sind, wird der Summierprozeß, der zu der Ausgabe des Werts BIN_NUM führt, von einem Zähler 550 und einem Summierer/Komparator 555 durchgeführt. Der Zähler 550 beginnt bei Adresse 00 und adressiert nacheinander den Behälter-SRAM-Speicher. Das Ausgangssignal jeder Adresse wird an den Summierer/Komparator 555 geliefert, der bestimmt, wann die Summe der Behälter größer oder gleich einem vorbestimmten Wert ist. Wenn es dazu kommt, gibt der Komparator BIN_NUM aus, was von der Verstärkungssteuerschaltung 195 verwendet wird.
17a und 17b stellen die Ergebnisse der bevorzugten Histogrammfunktion bei Anwendung auf ein beispielhaftes Etikett dar, das unter Verwendung des anfänglichen Verstärkungssteuerwerts von 32 abgebildet wurde. 17b stellt die Wahrscheinlichkeitsdichte (Proben pro Behälter) als Funktion der Helligkeit (Behälternummer) dar. 17a stellt die kumulative Verteilung (kumulative Anzahl von Proben) als Funktion der Helligkeit (Behälternummer) dar.
Die Wahrscheinlichkeitsdichte (17b) ist das Ergebnis des Durchführens der Schritte 405 bis 440 des Verfahrens von 14 und gibt die Anzahl abgetasteter Bildelemente bei jedem diskreten Intensitätspegel an. In dem Beispiel von 17b erscheint es somit, daß die meisten der abgetasteten Bildelemente einen Helligkeitspegel aufzuweisen scheinen, der von 150 bis 200 reicht. Das zeigt an, daß das Bild recht hell war.
Die kumulative Dichte (17a) ist das Ergebnis des Durchführens der Schritte 445 bis 470 des Verfahrens von 14. Die kumulative Dichte, die durch Integrieren der Wahrscheinlichkeitsdichte erhalten wird, gibt die Gesamtzahl summierter Proben an, während die Behälter sequentiell bei Behälter 0 beginnend summiert werden.
17a stellt auch BIN_NUM dar, was das Ausgangssignal der Histogrammschaltung ist. Wie oben beschrieben, ist das Ausgangssignal BIN_NUM die Behälternummer, die einer kumulativen Verteilung aus 230 Proben entspricht. Das Ausgangssignal BIN_NUM würde somit bei etwa 210 liegen. Dies zeigt an, daß das erfaßte Bild heller ist als die Sollintensität von 190.
Die Verstärkungssteuerschaltung würde den Wert BIN_NUM von 210 und den vorhergehenden Verstärkungssteuerwert 32 verwenden, um den auf das nächste Bild anzuwendenden Verstärkungssteuerwert zu bestimmen. Gemäß der oben in Verbindung mit 13 beschriebenen Gleichung: Nächster Verstärkungssteuerwert = 32 + (4/3·20 LOG 190/210) = 31.
Das Verhältnis des Intensitätssollpegels (190) zu dem Intensitätsistpegel (210) zeigt an, daß die Verstärkung um ungefähr –0,87 dB nachgestellt werden muß. Bei Multiplikation mit 4/3 entspricht dies einer Änderung von –1,16 für den Verstärkungssteuerwert, der in Schritten von 0,75 dB variiert. Der für das nächste Bild anzuwendende Verstärkungssteuerwert lautet somit 31.
Die auf die CCD entfallende Bildfunktion kann als das Produkt aus zwei Funktionen beschrieben werden. Eine ist die Kontrastfunktion des Gegenstands, der beleuchtet und abgebildet wird. Die andere ist der kombinierte Effekt aus der Linse und der Beleuchtung.
Wie oben beschrieben, bewirkt die Linsenbaugruppe 120 der Kamera, daß die Intensität des durch die Linsenbaugruppe gebildeten Bilds selbst dann um einen Faktor von ungefähr cos⁴(Θ) abfällt, wenn der Gegenstand perfekt beleuchtet ist. In den Ecken eines gleichmäßig beleuchteten Bilds, wo Θ = 32°, beläuft sich die Bildintensität deshalb auf ungefähr 52% der Intensität in der Mitte des Bilds. Diese Funktion ist in 18 dargestellt. Die durch die Beleuchtungslichtquelle 75 gelieferte Beleuchtung ist, wie oben beschrieben, recht gleichmäßig, weshalb die unerwünschte Funktion durch den Effekt des Abfallens an der Linse dominiert wird.
Die durch die Linsenbaugruppe hervorgerufene Abschwächung ist unerwünscht und kann dadurch korrigiert werden, daß eine enge Annäherung der Abfallfunktion zum Nachstellen der relativen Verstärkung des Video-A-D-Umsetzers 180 verwendet wird. Dies geschieht durch Nachstellen der Referenzspannung des A-D-Umsetzers. Durch Erhöhen der Verstärkung des A-D-Umsetzers auf eine Weise, die der Abschwächungsmenge entspricht, die jedes Bildelement erfährt, kompensiert der A-D-Umsetzer die Tatsache, daß die Bildelemente umso dunkler sind, je weiter weg sie von der Mitte des Bilds liegen.
Der Fachmann versteht, daß die Abfallfunktion von cos⁴(Θ) in der Mitte des Bilds hell ist und bei Bewegung von der Mitte in Richtung der Ränder recht gleichmäßig abfällt. Die Abfallkompensationsfunktion kann deshalb als die Summe aus zwei Parabeln sehr gut angenähert werden, wobei eine Parabel pro Halbbild einmal angewendet wird, um in der vertikalen Richtung zu korrigieren, die andere einmal pro Videozeile angewendet wird, um in der horizontalen Richtung zu korrigieren. Das Ausgangssignal des Digitalisierungsprozesses ist demzufolge ein digitales Bild, dessen Kontrast über das ganze Blickfeld hinweg fast konstant ist.
Die Hauptelemente der Parabelerzeugerschaltung 200 auf der A-D-Platine sind in 19 dargestellt. Die Parabelerzeugerschaltung verwendet eine Taktschaltung 570, einen Adressenzähler 575, einen EPROM 580, einen Digital-Analog-Umsetzer (D-A-Umsetzer) 585 und ein Tiefpaßfilter 590. Der EPROM speichert 8 Parabelwellenformen in 8 ”Seiten”. Jede Seite wird verwendet, um eine andere durchschnittliche Verstärkungsnachstellung für den A-D-Umsetzer zu liefern. Der Fachmann versteht, daß die Formen der Wellenformen in den verschiedenen Seiten so gut wie identisch sind. Jedoch sind die Werte skaliert, um verschiedene durchschnittliche Verstärkungsnachstellungen zu liefern.
Die Taktschaltung 570 dividiert den Bildelementtakt durch 32 und synchronisiert ihn neu mit jedem Signal HDRV. Das Ausgangssignal der Taktschaltung wird an den Zähler 575 geliefert, der die Adresse für die Nachschlagetabelle in dem EPROM 580 bildet. Jeder Wert aus dem EPROM wird somit auf 32 Bildelemente angewendet. Die EPROM-Seite wird durch ein Seitensignal (P_PAGE) von der Verstärkungssteuerschaltung gewählt. Aus der Tabelle in 12 erkennt der Fachmann, daß die Parabelseitenwahl durch den Verstärkungssteuerwert bestimmt wird und den feinsten Anteil der Gesamtverstärkungsnachstellung liefert. Jede der 8 Seiten wird durch einen von 8 relativen Verstärkungswerten dargestellt (z. B. 0,00, 0,75, 1,50, ..., 5,25), die sich in der ganzen Nachschlagetabelle wiederholen.
Das Ausgangssignal des EPROM wird an den D-A-Umsetzer 585 geliefert, der den digitalen Wert von dem EPROM in einen analogen Wert umsetzt. Das analoge Ausgangssignal kann je nach dem Zustand des REF-6-dB-Signals von der Verstärkungssteuerschaltung um 6 dB erhöht werden. Wenn das 6-dB-Signal aktiv ist, reduziert es das Ausgangssignal des D-A-Umsetzers um 6 dB, wodurch das Ausgangssignal des A-D-Umsetzers um 6 dB erhöht wird.
Das Ausgangssignal des D-A-Umsetzers wird durch das Tiefpaßfilter 590 geleitet, das das Signal glättet und eine präzise Annäherung der Parabelfunktion liefert. Das bevorzugte Tiefpaßfilter 590 ist ein Bessel-Tiefpaßfilter mit einer Grenzfrequenz von ungefähr 50 kHz. Ein Besselfilter wird wegen seiner glatten Frequenzabsenkung und flachen Verzögerung über die Frequenz verwendet.
20 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem Ausgangssignal 600 des Digital-Analog-Umsetzers (D-A-Umsetzer) 585 und dem Ausgangssignal 605 des Tiefpaßfilters 590. Die in 20 dargestellte Kurve stellt denjenigen Teil einer Funktion dar, der auf eine horizontale Zeile des CCD-Videoausgangssignals angewendet wird. Der Prozeß kann so zusammengefaßt werden, daß er das Ausgangssignal des EPROM verwendet, um eine Treppenstufenfunktion zu erzeugen, die im allgemeinen wie eine Parabel aussieht. Das Tiefpaßfilter glättet dann die Ecken, um eine geeignete Kurvenfunktion zu liefern, die an den REFERENCE-Eingang des A-D-Umsetzers angelegt wird. Die in der Nachschlagetabelle des EPROM gespeicherten Werte werden unter Verwendung eines Rechners erzeugt, um die gewünschten Parabelwellenformen zu erzeugen und abzutasten und die Verzögerung durch das Tiefpaßfilter zu modellieren. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, daß die gewünschten Wellenformen durch Bereitstellen eines Nachschlagetabellenwerts für jeweils 32 Bildelemente dargestellt werden können. Dies ist vorteilhaft, da dadurch die Parabelerzeugungsschaltung ein im allgemeinen parabelförmiges Ausgangssignal liefern und gleichzeitig Speicher sparen kann.
Die Verschlußsteuerschaltung 205 liefert mit der Steuereinstellung von der Verstärkungssteuerschaltung 195 einen Verschlußauslöseimpuls an die Kamera. Die Beziehung zwischen dem Auslöseimpuls, der Verschlußgeschwindigkeit und anderen Kamerasignalen ist in 21 dargestellt.
Die Signale VDRV zeigen jeweils den Beginn eines neuen Videohalbbilds an, wie oben beschrieben. Die Signale HDRV zeigen jeweils den Beginn einer neuen Zeile an. Kurz nach jedem Signal VDRV wird die akkumulierte Bildelementladung von den CCD-Photoelementen zu den entsprechenden Registern übertragen. Von diesen Registern werden die Bildelementwerte als analoge CCD-Videodaten aus der Kamera ausgetaktet. Das Übertragungstaktsignal (XFER CLK) zeigt an, wann die Ladung von den Photoelementen zu den Registern übertragen wird.
Vor dem Auslöseimpuls wird die von den Photoelementen der CCD akkumulierte elektrische Ladung bei jedem Signal HDRV gelöscht. Die Integrationsdauer bzw. Verschlußgeschwindigkeit beginnt, wenn der Auslöseimpuls an die Kamera geliefert wird. An diesem Punkt akkumulieren die Photoelemente weiterhin Ladung, bis der Übertragungstakt auftritt. Die Integrationsdauer bzw. Verschlußgeschwindigkeit wird somit durch die relative Zeit zwischen dem Auslöseimpuls (TRIG) und dem Übertragungstaktsignal der Kamera bestimmt.
Wegen der Beziehung zwischen dem Auslösesignal und dem Übertragungstakt muß die Verschlußsteuerschaltung das Eintreten des nächsten Übertragungstaktes voraussehen und den Auslöseimpuls am entsprechenden Punkt vor dem Übertragungstakt liefern. Dies geschieht auf der Grundlage der bekannten Beziehung zwischen den Signalen HDRV und dem Übertragungstakt.
Das Intervall zwischen Signalen HDRV beträgt ungefähr 64 Mikrosekunden (μs). Der Übertragungstakt tritt ungefähr 35 μs nach dem vorausgegangenen HDRV ein. Außerdem haben die CCD-Elemente, wenn der Auslöseimpuls empfangen wird, bereits Ladung über 64 μs geladen. Es kommt dazu, weil der Auslöseimpuls die Kamera auffordert, die Ladung, die seit dem letzten Signal HDRV bereits akkumuliert worden ist, nicht zu löschen. Somit ist die Integrationszeit gleich der Anzahl von HDRV-Perioden zwischen dem Auslöseimpuls und dem Übertragungstakt plus eine HDRV-Periode (64 μs) plus 35 μs.
Die Auslöseimpulsfunktion wird in einem kundenprogrammierbaren Universalschaltkreis implementiert. Nachdem das Histogramm erledigt ist und eine neue Verschlußeinstellung durch die Verstärkungssteuerschaltung geliefert worden ist, wird die Verschlußeinstellung decodiert, und ein Auslöseabwärtszähler wird mit einer 7-Bit-Zahl vorgeladen. Die Zählung wird eingeschaltet und der Zähler zählt bis 0 herunter. Wenn der Zähler 0 erreicht, wird ein Auslöseimpuls zu der Kamera gesendet. Der Auslöseimpuls ist 6,32 μs lang und ist bei L-Pegel aktiv. Die Länge des Auslöseimpulses entspricht der Länge des HDRV-Impulses (91 Bildelementtakte).
Die Zählervoreinstellungen werden aus der Kenntnis der relativen Position des Impulses TREFFERENDE zu dem Übertragungstakt in der CCD-Kamera bestimmt. Der Impuls TREFFERENDE kann durch Zählen der Anzahl von TREFFERBIT erzeugt werden, die angetroffen worden sind, oder durch Zählen der Anzahl der Zeilen, die aus der Kamera ausgetaktet worden sind. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, daß der Impuls TREFFERENDE zu einem Zeitpunkt erzeugt werden kann, der sogar 78% in das Videohalbbild hinein liegt, und immer noch das Berechnen der Verstärkungseinstellungen für den schlimmsten Fall einer (frühesten) Auslöseposition gestattet, die 1/250 Sekunde beträgt. Wie oben erwähnt, enthält die bevorzugte TREFFERTABELLE jedoch Bildelemente, die in dem mittleren Drittel des Videohalbbilds liegen. Wie oben erwähnt, liefert die A-D-Platine auch ein LED-EIN-Signal zu der Steuerplatine, die die Beleuchtungslichtquelle nur während der CCD-Belichtungsperioden einschaltet.

Das Auslösesignal muß deshalb bei der entsprechenden Anzahl von Signalen HDRV vor dem Übertragungstakt gesendet werden. Die folgende Tabelle veranschaulicht mehrere typische Integrationszeiten und die entsprechende Anzahl von Signalen HDRV, um die der Auslöseimpuls vor dem Übertragungstakt liegen muß:

Verschlußsollgeschwindigkeit	Integrationssollzeit	HDRV	Integrationsistzeit	Verschlußistgeschwindigkeit
1/250	4,00 ms	61	4,00 ms	1/250
1/500	2,00 ms	30	2,02 ms	1/495
1/1000	1,00 ms	14	995 μs	1/1005
1/2000	500 μs	6	483 μs	1/2070
1/4000	250 μs	2	227 μs	1/4405

Die obige Beschreibung hat sich zwar auf das bevorzugte handgehaltene Etikettenlesegerät 10 konzentriert, doch versteht der Fachmann, daß die automatische elektronische Kamera der vorliegenden Erfindung auch in anderen Einrichtungen verkörpert werden kann, die sich zur Verwendung mit anderen Arten von Datenerfassungseinrichtungen eignen. Als Beispiel veranschaulicht 22 eine alternative Ausführungsform, in der die automatische elektronische Kamera der vorliegenden Erfindung in ein tragbares Datenterminal 45 eingebaut ist. Das tragbare Datenterminal 45 enthält ein Tastenfeld 50, das sowohl alphanumerische als auch funktionsbezogene Tasten liefert, mit denen der Benutzer Befehle und alphanumerische Daten eingeben kann. Mit einem Unterschriftenerfassungsfeld 55 wird die Unterschrift der das Paket empfangenden Person digitalisiert und erfaßt. Mit einem Display 60 werden über das Tastenfeld und das Unterschriftenerfassungsfeld eingegebene Daten wiedergegeben und als Reaktion auf eingegebene Daten Versandinformationen (z. B. Preise, usw.) geliefert. Es ist ein nicht gezeigter optischer Schnittstellenport vorgesehen, um das Übertragen von seriellen Daten zu und von dem tragbaren Datenterminal 45 zu gestatten. Das tragbare Datenterminal 45 wird von einem Mikroprozessor und anderen elektronischen Schaltungen (nicht gezeigt) gesteuert. Ein tragbares Datenterminal mit derartigen Merkmalen wird in dem US-Patent Nr. 5,278,399 mit dem Titel ”Data Entry Unit” [Dateneingabeeinheit], dessen Offenbarung hier durch Bezugnahme aufgenommen ist, beschrieben.
Weiterhin sind viele der Funktionen der automatischen elektronischen Kamera als in verschiedenen Arten von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen, wie beispielsweise kundenprogrammierbaren Universalschaltkreisen, implementiert beschrieben worden. Der Fachmann versteht, daß die hier beschriebenen Funktionen auch unter Verwendung eines programmierten Allzweckmikroprozessors oder anderer elektronischer Bauelemente implementiert werden können.
Die vorliegende Erfindung ist dementsprechend in bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden, die in jeder Hinsicht veranschaulichend, aber nicht einschränkend sein sollen. Alternative Ausführungsformen sind für den Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, offensichtlich, ohne daß von ihrem Schutzbereich abgewichen wird. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend durch die beigefügten Ansprüche definiert anstatt durch die obige Beschreibung.

Claims

Elektronische Kamera zum Erzeugen eines digitalen Bilds eines Gegenstands, wobei die elektronische Kamera folgendes enthält: eine optische Baugruppe, eine Bildsensorbaugruppe zum Liefern eines analogen Bildsignals, eine Videoverstärkungsschaltung (175) zum Verstärken des analogen Bildsignals und Liefern eines verstärkten analogen Bildsignals und einen Analog-Digital-Umsetzer (180) zum Umsetzen des verstärkten analogen Bildsignals in ein digitales Bildsignal, gekennzeichnet durch: eine Intensitätsauswertungsschaltung (190) zum Bestimmen eines mit dem digitalen Bildsignal verbundenen Helligkeitspegels und zum Liefern eines Helligkeitspegelausgangssignals; und eine Verstärkungssteuerschaltung (195) zum Empfangen des Helligkeitspegelausgangssignals und zum Steuern der Helligkeit des digitalen Bilds durch Nachstellen der Verstärkung der elektronischen Kamera, wobei die Intensitätsauswertungsschaltung folgendes enthält: einen ersten Speicher mit mehreren Bit, wobei jedes der Bit einem Bildelement in dem digitalen Bildsignal entspricht, wobei eine Teilmenge der mehreren Bit Prüfbit identifiziert, die auszuwertenden Bildelementen entsprechen, und einen zweiten Speicher mit mehreren Behältern, wobei jeder der Behälter einem möglichen, mit dem digitalen Bildsignal verbundenen Intensitätspegel entspricht, wobei die Intensitätsauswertungsschaltung (195) dahingehend arbeitet, die Intensität jedes einem der Prüfbit entsprechenden Bildelements zu bestimmen, in jedem der Behälter die Anzahl ausgewerteter Bildelemente mit einem dem Behälter entsprechenden Intensitätspegel zu speichern, sequentiell die in den Behältern gespeicherten Zahlen zu summieren und das Helligkeitspegelausgangssignal zu liefern, wobei das Helligkeitspegelausgangssignal durch den Behälter bestimmt wird, bei dem die Summe einen vorbestimmten Wert übersteigt.
Elektronische Kamera nach Anspruch 1, wobei die Verstärkung der elektronischen Kamera durch eine mit der Bildsensorbaugruppe verbundene elektronische Verschlußgeschwindigkeit, eine mit der Videoverstärkungsschaltung verbundene Verstärkung und eine mit dem Analog-Digital-Umsetzer (180) verbundene Verstärkung bestimmt wird.
Elektronische Kamera nach Anspruch 2, wobei die Verstärkungssteuerschaltung (195) die Verstärkung der elektronischen Kamera nachstellt, indem sie von der elektronischen Verschlußgeschwindigkeit, der mit der Videoverstärkungsschaltung verbundenen Verstärkung und der mit dem Analog-Digital-Umsetzer (180) verbundenen Verstärkung mindestens einen Wert nachstellt.
Elektronische Kamera nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Verstärkungssteuerschaltung (195) dahingehend arbeitet: eine gewünschte Helligkeitseinstellung auf der Grundlage des Helligkeitspegelausgangssignals zu bestimmen; und als Reaktion auf die gewünschte Helligkeitseinstellung, vorbestimmte Ausgangssignale zum Steuern der elektronischen Verschlußgeschwindigkeit, der Verstärkung der Videoverstärkungsschaltung (195) und der mit dem Analog-Digital-Umsetzer (180) verbundenen Verstärkung zu liefern.
Elektronische Kamera nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prüfbit ein in Richtung der Mitte eines Videofelds gewichtetes Bildelementmuster definieren.
Elektronische Kamera nach Anspruch 5, wobei das Bildelementmuster ein Schrotflintenmuster umfaßt.
Elektronische Kamera nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verstärkungssteuerschaltung (195) weiterhin dahingehend arbeitet, Linsenabschwächungseffekte zu korrigieren durch Speichern von mehreren, den Linsenabschwächungseffekten entsprechenden Werten, wobei die gespeicherten Werte ausreichen, um eine Kurve zu erzeugen, die jedem Bildelement in dem analogen Bildsignal entsprechende Punkte enthält; sequentielles Abrufen der mehreren Werte; Filtern der mehreren Werte, um die Kurve zu liefern; Verwenden der gefilterten Werte zum Nachstellen der Verstärkung der elektronischen Kamera, wodurch die Verstärkung der elektronischen Kamera nachgestellt wird, um die Linsenabschwächungseffekte zu kompensieren.
Elektronische Kamera nach Anspruch 7, wobei das Verwenden der gefilterten Werte zum Nachstellen der Verstärkung der elektronischen Kamera das Verwenden der gefilterten Werte zum Nachstellen der Verstärkung der Videoverstärkungsschaltung einschließt.
Elektronische Kamera nach Anspruch 7 oder 8, wobei die mehreren Werte mehreren Parabeln entsprechen.
Elektronische Kamera nach Anspruch 9, wobei jeweils eine der mehreren Parabeln pro Videofeld angewendet wird und jeweils eine der mehreren Parabeln pro Videozeile angewendet wird.
Elektronische Kamera nach den Ansprüchen 7 bis 10, wobei der Schritt des Abrufens der mehreren Werte folgende Schritte einschließt: Erhöhen eines Zählers für eine vorbestimmte Anzahl von Bildelementen; Verwenden der Ausgabe des Zählers zum Wählen einer mit den gespeicherten Werten verbundenen Adresse; Abrufen der bei der Adresse gespeicherten Werte und Umsetzen der Daten in einen analogen Wert.
Elektronische Kamera nach den Ansprüchen 7 bis 11, wobei der Schritt des Filterns der mehreren Werte das Anwenden eines Tiefpaßfilters auf die Werte umfaßt.
Elektronische Kamera nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin gekennzeichnet durch eine Beleuchtungsvorrichtung zum Beleuchten eines dem Blickfeld der elektronischen Kamera entsprechenden Gebiets, wobei die Beleuchtungsvorrichtung folgendes enthält: mehrere Lichtquellen, die in einem Kreis angeordnet sind, der mit der optischen Baugruppe konzentrisch und ihr benachbart ist, wobei jede der Lichtquellen einen im allgemeinen kreisförmigen Lichtstrahl auf den Gegenstand wirft; und eine zwischen den Lichtquellen und dem Gegenstand angeordnete streuende Ringlinse (112), wobei die streuende Ringlinse (112) so geformt ist, daß sie die kreisförmigen Strahlen streut, um das dem Blickfeld der elektronischen Kamera entsprechende Gebiet in etwa gleichmäßig zu beleuchten.
Elektronische Kamera nach Anspruch 13, wobei die streuende Ringlinse (112) eine plankonkave Linse und eine streuende Schicht (113) neben der plankonkaven Linse umfaßt.
Elektronische Kamera nach Anspruch 14, weiterhin mit einem zwischen der plankonkaven Linse und dem Gegenstand angeordneten Polarisationsfilter (115).
Elektronische Kamera nach Anspruch 15, wobei der Polarisationsfilter (115) an der streuenden Schicht (113) befestigt ist.
Elektronische Kamera nach den Ansprüchen 13 bis 16, wobei die Lichtquellen lichtemittierende Dioden (105) umfassen.
Elektronische Kamera nach Anspruch 13, wobei die streuende Ringlinse (112) eine ringförmige Form umfaßt und mit der optischen Baugruppe konzentrisch ist, wobei die streuende Ringlinse eine flache Seite und eine Rückseite mit einem ersten und zweiten konzentrischen Teil umfaßt, wobei der erste Teil parallel zu der Vorderseite liegt und der zweite Teil von der Vorderseite divergiert und wobei jede der Lichtquellen neben der Rückseite der streuenden Ringlinse liegt.
Elektronische Kamera nach Anspruch 13, weiterhin mit folgendem: einer streuenden Schicht (113) neben der streuenden Ringlinse (112); und einem Bildkorrektor, der konfiguriert ist, das digitale Bild zu verstellen, um unerwünschte Effekte der optischen Baugruppe und des Lichtmusters zu kompensieren, indem eine Korrektur angewendet wird, die als Funktion des Winkels von der optischen Achse variiert.
Verfahren zum Erzeugen eines digitalen Bilds eines Gegenstands von einer elektronischen Kamera, enthaltend: eine optische Baugruppe, eine Bildsensorbaugruppe zum Liefern eines analogen Bildsignals, eine Videoverstärkungsschaltung zum Verstärken des analogen Bildsignals und Liefern eines verstärkten analogen Bildsignals und einen Analog-Digital-Umsetzer zum Umsetzen des verstärkten analogen Bildsignals in ein digitales Bildsignal, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch folgende Schritte: Vorsehen einer Intensitätsauswertungsschaltung zum Bestimmen eines mit dem digitalen Bildsignal verbundenen Helligkeitspegels und zum Liefern eines Helligkeitspegelausgangssignals; Vorsehen einer Verstärkungssteuerschaltung zum Empfangen des Helligkeitspegelausgangssignals und zum Steuern der Helligkeit des digitalen Bilds durch Nachstellen der Verstärkung der elektronischen Kamera, in der Intensitätsauswertungsschaltung Vorsehen eines ersten Speichers mit mehreren Bit, wobei jedes der Bit einem Bildelement in dem digitalen Bildsignal entspricht, wobei eine Teilmenge der mehreren Bit Prüfbit identifiziert, die auszuwertenden Bildelementen entsprechen, und in der Intensitätsauswertungsschaltung Vorsehen eines zweiten Speichers mit mehreren Behältern, wobei jeder der Behälter einem möglichen, mit dem digitalen Bildsignal verbundenen Intensitätspegel entspricht, wobei die Intensitätsauswertungsschaltung die Intensität jedes einem der Prüfbit entsprechenden Bildelements bestimmt, Speichern der Anzahl ausgewerteter Bildelemente mit einem dem Behälter entsprechenden Intensitätspegel in jedem der Behälter, sequentielles Summieren der in den Behältern gespeicherten Zahlen und Bestimmen eines Behälters, bei dem das Summieren einen vorbestimmten Wert übersteigt, wodurch das Helligkeitspegelausgangssignal bestimmt wird.