DE69533491T2

DE69533491T2 - Automatische elektrische Kamera für Etikettenbildaufnahme

Info

Publication number: DE69533491T2
Application number: DE69533491T
Authority: DE
Inventors: John William Sussmeier; Stephen Anthony Roth; Lance Gordon Garland; Ross Napoleon 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: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2015-10-25
Also published as: EP1489550A2; ES2143084T3; CA2202909C; WO1996013798A2; ATE517394T1; EP0959425A2; EP1489550A3; EP0788634B1; US5818528A; EP0959425B1; JP2933720B2; GR3033054T3; DE69515500D1; DK0959425T3; JPH10501360A; DK0788634T3; PT788634E; ATE190416T1; US6141046A; DE69515500T2

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Einrichtungen zum Lesen von Codes auf Etiketten und insbesondere ein kontaktloses elektronisches Kamerasystem, das in der Lage ist, eine große Vielzahl von Etikettenformaten unter Beleuchtungsbedingungen, die von hellem Sonnenlicht bis zu vollständiger Dunkelheit reichen, zu lesen und zu decodieren.
Allgemeiner Stand der Technik
In der Technik sind verschiedene Arten von maschinenlesbaren Codes und elektronischen Codelesegeräten bekannt. Elektronische Codelesegeräte sind nützlich, da sie in maschinenlesbaren Codes verkörperte Daten automatisch sammeln, wodurch Daten schneller und präziser gesammelt werden können, als dies mit manueller Dateneingabe möglich ist.
Laserscanner werden üblicherweise zum Lesen von eindimensionalen Strichcodes verwendet, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Strichcodes erscheinen beispielsweise auf einer großen Vielzahl von Gütern und Waren und auf Versandetiketten, die an Paketen befestigt sind. Nachdem ein Strichcode von einem geeigneten Strichcodelesegerät gelesen und decodiert worden ist, kann ein Computer mit der decodierten Zahl auf zugeordnete Daten zugreifen, die in einer Datenbank gespeichert sind. Bei Gütern und Waren beispielsweise weist jedes Produkt eine eindeutige Strichcodenummer auf, und die zugeordneten Daten würden das Produkt und seinen Preis, seinen Hersteller und so weiter identifizieren. Bei einem Paket würde die Etikettennummer eindeutig das Paket identifizieren, und die zugeordneten Daten würden Informationen wie etwa die Größe und das Gewicht des Pakets, die Ursprungs- und Zieladresse und den ausgewählten Leistungstyp (zum Beispiel Übernachtzustellung, Zustellung am zweiten Tag usw.) enthalten.
Bei tragbaren kontaktlosen Strichcodelesegeräten dient der zum Lesen des Etiketts verwendete Laserstrahl auch zwei anderen wichtigen Funktionen. Der Laserstrahl projiziert eine sichtbare Linie, mit der der Benutzer das Strichcodelesegerät auf das Zieletikett ausrichten kann und das Strichcodelesegerät bezüglich der Strichcodeachse richtig orientieren kann. Außerdem sind die Intensität und Wellenlänge des Laserlichts derart, daß die Umgebungsbeleuchtungsbedingungen in Geschäften, Büros, Lagerhäusern usw. die Fähigkeit des Strichcodelesegeräts, das Etikett zu lesen, nicht beeinflussen.
Am besten eignen sich eindimensionale Strichcodes für Anwendungen, die höchstens etwa 15 Zeichen erfordern. Um mit eindimensionalen Strichcodes größere Datenmengen zu codieren, müssen die Strichcodes relativ groß sein. Dies führt zu Etiketten, die zu groß sind, als daß sie auf kleine Gegenstände passen, und die relativ große Papiermengen erfordern.
Um größere Datenmengen praktisch zu codieren, sind kompakte zweidimensionale Codes oder Symbologien entwickelt worden. Beispielsweise kann eine hexagonale Codiersymbologie in einem etwa 1 Inch Quadrat großen Bereich bis 100 Zeichen codieren. Eine derartige Symbologie ist aus den US-Patenten Nr. 4,998,010 mit dem Titel "Polygonal Information Encoding Article, Process and System" [Polygonaler informationscodierender Gegenstand, Prozeß und System] und 4,874,936 mit dem Titel "Hexagonal, Information Encoding Article, Process and System" [Hexagonaler informationscodierender Gegenstand, Prozeß und System] bekannt.
Wenn diese zweidimensionalen Symbologien auf Paketetiketten verwendet werden, gestatten sie, Versandinformationen wie Ursprung, Ziel, Gewicht, Dienstleistungsart usw. direkt vom Etikett zu lesen, ohne daß zugeordnete Daten in einer zentralisierten Datenbank gesucht werden müßten.
Die herkömmlichen Laserscanner, die zum Lesen von eindimensionalen Barcodes verwendet werden, können keine zweidimensionalen Codes lesen. Kameras jedoch, die CCD-Rrrays (ladungsgekoppeltes Bauelement) verwenden, können zweidimensionale Bilder, die eindimensionale oder zweidimensionale Codes enthalten können, "erfassen". Nachdem das Ausgangssignal der CCD-Kamera digitalisiert ist, kann es gespeichert und/oder verarbeitet werden, bevor es decodiert wird. Die Fähigkeit, die Bilddaten nach dem Erfassen des Bilds zu "drehen", gestattet es, einen Code selbst dann zu erfassen und zu decodieren, wenn die Kamera nicht präzise auf eine bestimmte Achse des Codes ausgerichtet ist.
Weil eine CCD-Kamera ein zweidimensionales Bild erfaßt und Bilddaten an einen Decodieralgorithmus liefert, ist eine eine CCD-Kamera verwendende Etikettenleseeinrichtung so vielseitig wie die in die Einrichtung programmierten Decodieralgorithmen. Dadurch können mit einem einzelnen Lesegerät verschiedene Arten von Strichcodes und zweidimensionalen Symbologien unter der Voraussetzung erfaßt und decodiert werden, daß der entsprechende Decodieralgorithmus zur Verfügung steht. Beispiele für derartige Kameras und verwandte Verfahren sind aus den US-Patenten Nr. 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 niedrigaufgelöster Bilder von verschlechterten Strichcodesymbolen] bekannt.
Kompakte CCD-Kameras sind ohne weiteres erhältlich und eignen sich gut für diese Anwendung. Die zum Decodieren der erfaßten Bilddaten verwendeten Algorithmen funktionieren jedoch 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 muß deshalb sichergestellt werden, daß das erfaßte Bild die richtige Intensität aufweist, die von mehreren Faktoren beeinflußt wird, einschließlich Beleuchtungsquelle, Kameraoptik und die Verstärkung des Videosystems.
Der Prozeß des Erfassens eines Bilds, der dem analog ist, mit einer herkömmlichen Fotokamera eine Aufnahme zu machen, beinhaltet das Fokusieren eines Bilds auf das CCD-Array und das Ansammelnlassen von elektrischer Ladung in den Fotoelementen des CCD-Arrays. Die Geschwindigkeit der Ladungsanhäufung in einem Fotoelement hängt von dem Einfallslichtpegel ab. Die Intensität des erfaßten Bilds wird durch zeitliches Integrieren der Geschwindigkeit der Ladungsanhäufung bestimmt. Durch Variieren des Integrationszeitraums können die Menge der für einen gegebenen Lichtpegel angehäuften Ladung und die Intensität des erfaßten Bilds variiert werden. Der Integrationszeitraum wird auch als der Belichtungszeitraum einer Kamera oder als die elektronische Verschlußgeschwindigkeit bezeichnet.
Die auf die CCD entfallende Bildfunktion kann als das Produkt von zwei Funktionen beschrieben werden. Die erste Funktion ist die Kontrastfunktion des Objekts, das 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 oder einen zweidimensionalen Code bilden. Die zweite ist unerwünscht und sollte durch verschiedene Merkmale der Kamera soweit wie möglich korrigiert werden.
Um die unerwünschten Effekte der Beleuchtungsquelle auf ein Minimum zu reduzieren, muß das Zieletikett mit Licht beleuchtet werden, das über das ganze Blickfeld der Kamera hinweg konsistent ist. Obwohl in der Technik verschiedene Arten von Leuchten bekannt sind, besteht in der Technik eine Notwendigkeit für eine Leuchte, die Licht mit wenig örtlicher Schwankung liefert, das über das ganze zweidimensionale Blickfeld hinweg konsistent ist. Außerdem sollte die Qualität des Beleuchtungslichtmusters über einen Bereich von Objektentfernungen entsprechend der Tiefenschärfe der Kamera konsistent sein.
Selbst wenn das Zieletikett perfekt beleuchtet ist, verursacht die Linsenbaugruppe der CCD-Kamera eine Dämpfung, die das erfaßte Bild beeinflußt. Beispielsweise fällt bei einigen CCD-Kameras das vom Objektiv erzeugte Bild selbst bei perfekter Beleuchtung des Objekts um einen Faktor von fast cos⁴(θ) ab. An den Ecken des Bilds kann die Intensität möglicherweise nur 50% der Intensität in der Mitte betragen. Es besteht deshalb in der Technik ein Bedarf an einer Kamera, die die durch die Linsenbaugruppe der Kamera verursachte Dämpfung korrigiert.
Da ein handgehaltenes Etikettenlesegerät in Umgebungen verwendet werden kann, in denen die Beleuchtungsbedingungen von direktem Sonnenlicht bis zu relativ dunkler Beleuchtung reichen können, kann das handgehaltene Etikettenlesegerät bevorzugt sicherstellen, daß die Intensität des erfaßten Bilds über den ganzen Bereich von Lichtbedingungen hinweg zufriedenstellend ist. Dies erreicht man mit einer Blende, die klein genug ist, um eine ausreichende Schärfentiefe zu liefern und zu verhindern, daß direktes Sonnenlicht das CCD-Array beschädigt. Außerdem muß die Verschlußgeschwindigkeit der Kamera schnell genug bleiben, um unscharfe Bilder aufgrund der Bewegung des Lesegeräts zu verhindern. Es besteht deshalb in der Technik ein Bedarf nach einer Kamera mit einer Videoverstärkungsgesamteinstellung mit ausreichendem Dynamikbereich, um die erwarteten Beleuchtungsbedingungen zu kompensieren. Außerdem besteht ein Bedarf nach einer Kamera, die in der Lage ist, die Beleuchtungsbedingungen präzise zu bestimmen und die Videoverstärkung auszuwählen, so daß damit die ordnungsgemäße Bildintensität sichergestellt wird.
Aus US-A-5,280,161 ist eine Strichcodeleuchte bekannt, bei der Licht von einer oder zwei LED-Quellen durch Linsen auf den Strichcodestreifen gebündelt wird, um die Lichtstreuung zu begrenzen und dadurch die Lichtintensität für eine Lichtquelle gegebener Brillanz zu verbessern.
Aus WO-A-94019764 ist ein zweidimensionales Array von LED-Lichtquellen um eine zentrale Blende herum bekannt, in der eine CCD-Kamera angeordnet ist.
Wenngleich der Stand der Technik Etikettenbildwandler enthält, die Beleuchtungsquellen und Belichtungssteuerung bereitstellen, besteht in der Technik ein Bedarf an einer automatischen elektronischen Kamera, die eine flache Beleuchtung liefert und den mit der Linsenbaugruppe der Kamera verbundenen Abfalleffekt kompensiert. Zudem besteht ein Bedarf an einer automatischen elektronischen Kamera mit einer Videoverstärkungsgesamteinstellung, die ausreicht, um den Dynamikbereich des beleuchtenden Lichts zu kompensieren, während die elektronische Geschwindigkeit und Blende der Kamera eingeschränkt werden. Außerdem besteht ein Bedarf an einer Kamera, die die Bildintensität unabhängig vom Pegel des einfallenden Lichts präzise steuert.
Kurze Darstellung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird eine Leuchte zum Beleuchten eines Bereichs bereitgestellt, der ein von einer Kamera entlang einer optischen Achse abzubildendes Ziel enthält, wobei der Bereich dem Blickfeld der Kamera entspricht, wobei die Leuchte mehrere Lichtquellen umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellen in einem Ring angeordnet sind, wobei jede der Lichtquellen dafür ausgelegt ist, einen allgemein kreisförmigen Lichtstrahl parallel zu der optischen Achse zu projizieren, und die Lichtstrahlen konzentrisch um die Achse herum angeordnet sind;
wobei eine streuende Ringlinse bei Gebrauch zwischen den mehreren Lichtquellen und einem Ziel positioniert ist, wobei die streuende Ringlinse eine Ringgestalt aufweist und konzentrisch zu der Achse angeordnet ist, wobei die streuende Ringlinse eine flache Vorderseite und eine Rückseite enthält, wobei die Rückseite einen Innenteil und einen konzentrischen Teil, der sich konzentrisch um den Innenteil erstreckt, enthält, wobei der Innenteil parallel zu der Vorderseite angeordnet ist und der konzentrische Teil in einer Richtung radial von der Vorderseite nach außen divergiert; und wobei eine streuende Schicht neben der streuenden Ringlinse vorgesehen ist,
wodurch von den mehreren Lichtquellen projizierte kreisförmige Lichtstrahlen gestreut werden, um den Bereich des Blickfelds im wesentlichen gleichförmig zu beleuchten.
Eine gemäß der Erfindung ausgebildete Kamera stellt eine gleichförmige Beleuchtung bereit, und ein Bild kann über das ganze Blickfeld hinweg einen guten Kontrast aufweisen. Eine elektronische Kamera kann über ihr Blickfeld hinweg eine konsistente Beleuchtung bereitstellen und Schwankungen im Bild kompensieren, die sich aus ihren optischen Charakteristiken ergeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Perspektivansicht eines handgehaltenen Etikettenlesegeräts, das eine automatische elektronische Kamera gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, die zum Lesen eines Etiketts auf einem Paket verwendet wird.
2 ist eine seitliche Querschnittsansicht des handgehaltenen Etikettenlesegeräts von 1.
3 ist eine Vorderansicht des handgehaltenen Etikettenlesegeräts von 1.
4 ist eine Querschnittsansicht des handgehaltenen Etikettenlesegeräts von 1 von oben.
5 ist eine Querschnittsansicht der Kamerabaugruppe und Beleuchtungslichtquelle, die Teile des handgehaltenen Etikettenlesegeräts von 1 bilden.
6 ist ein Diagramm, das das Beleuchtungsmuster darstellt, das von der Beleuchtungslichtquelle erzeugt wird, die Teil des handgehaltenen Etikettenlesegeräts von 1 bildet.
7 ist ein Blockschaltbild der Schaltung, die in einer Analog-Digital-Leiterplatte verwendet wird, die Teil des handgehaltenen Etikettenlesegeräts von 1 bildet.
8 ist ein Blockschaltbild der Schaltung, die in einer CPU-Leiterplatte verwendet wird, die Teil des handgehaltenen Etikettenlesegeräts von 1 bildet.
9 ist ein Blockschaltbild der in der Steuerleiterplatte verwendeten Schaltung, die Teil des handgehaltenen Etikettenlesegeräts von 1 bildet.
10 ist ein Flußdiagramm, das das bevorzugte Verfahren zum Betreiben des handgehaltenen Etikettenlesegeräts von 1 darstellt, um einen Etikettenlesezyklus durchzuführen.
11 ist ein Taktsteuerdiagramm, das eine Sequenz von mit dem Erfassen eines Etikettenbilds verbundenen Ereignissen veranschaulicht.
12 ist eine Tabelle, die die von der Verstärkungsnachschlagetabelle gelieferten Verstärkungssteuerwerte veranschaulicht.
13 ist ein Blockschaltbild einer in der Verstärkungssteuerschaltung von 7 verwendeten Schaltung.
14 ist ein Flußdiagramm, das das bevorzugte Histogrammverfahren zum Analysieren der Intensität eines digitalen Bilds darstellt.
15 ist ein Diagramm, das die Art von Muster veranschaulicht, mit der Bits in dem bevorzugten Histogrammverfahren von 14 abgetastet werden.
16 ist ein Blockschaltbild einer in der Histogrammschaltung von 7 verwendeten Schaltung.
17a und 17b veranschaulichen die kumulative Verteilungs- bzw. Wahrscheinlichkeitsdichte, durch den Histogrammalgorithmus bestimmt.
18 ist eine graphische Darstellung, die die durch den Abfalleffekt der Linsenbaugruppe verursachte Dämpfung darstellt.
19 ist ein Blockschaltbild einer in der Parabelgeneratorschaltung von 7 verwendeten Schaltung.
20 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Signalen darstellt, die von der Parabelgeneratorschaltung erzeugt werden.
21 ist ein Taktsteuerdiagramm, das die Beziehung zwischen der Verschlußgeschwindigkeit, dem Auslösesignal und dem Übertragungstakt darstellt.
22 ist eine Perspektivansicht eines tragbaren Datenterminals, das die automatische elektronische Kamera der vorliegenden Erfindung integriert, mit der ein Etikett auf einem Paket gelesen wird.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Zahlen in den verschiedenen Figuren gleiche Elemente darstellen, zeigt 1 ein handgehaltenes Etikettenlesegerät 10, das eine die vorliegende Erfindung verkörpernde automatische elektronische Kamera enthält.
Vor der ausführlichen Beschreibung der Struktur des Lesegeräts 10 werden die Funktion und die Betriebsweise des Lesegeräts zusammengefaßt. Die Primärfunktion des handgehaltenen Etikettenlesegeräts 10 besteht in dem Erfassen und decodieren von ein- und zweidimensionalen Codes, die auf Paketetiketten verwendet werden. Die decodierten Etikettendaten werden an ein Datenterminal geschickt, wo sie mit anderen das Paket betreffenden Daten kombiniert werden können, wie etwa der Unterschrift der Person, die die Zustellung des Pakets annimmt. Alle Paketdaten können dann von dem Datenterminal zum Zentralcomputer der Versandfirma übertragen werden, wo sie zum Verfolgen 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 (ladungsgekoppeltes Bauelement) und die zum Steuern der Kamera und Decodieren der von der Kamera gelieferten Daten benötigte Elektronik enthält. Die automatische elektronische Kamera enthält außerdem eine in sich abgeschlossene Leuchte, die ein symmetrisches Lichtmuster mit geringer Schwankung erzeugt.
Bevor ein Etikettenlesevorgang beginnt, befindet sich das handgehaltene Etikettenlesegerät in einem Ruhezustand. In dem Ruhezustand schaltet die Steuerschaltung des handgehaltenen Etikettenlesegeräts den Strom zu den meisten der anderen Komponenten ab. Während des Ruhezustands sind Markierungslampen eingeschaltet, um das richtige Zielen des handgehaltenen Etikettenlesegeräts zu erleichtern. Ein Etikettenlesevorgang wird eingeleitet, wenn ein Bediener einen Auslöser drückt. An diesem Punkt legt die Steuerschaltung an die Kamera und andere Elektronikschaltungen Strom an und bewirkt ein Rücksetzen der Komponenten. Eine Intensitätsauswertungsschaltung bestimmt dann die Verschlußgeschwindigkeits- und Videoverstärkungseinstellungen, die benötigt werden, um ein digitales Bild mit der richtigen Intensität zu erhalten. Nach dem Erfassen eines digitalen Bilds des Etiketts mit diesen Einstellungen decodiert ein Mikroprozessor die gespeicherten Etikettenbilddaten und gibt die Daten an das angebrachte Datenterminal aus. An diesem Punkt kehrt das handgehaltene Etikettenlesegerät in den Ruhezustand 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 von einer großen Vielfalt von Etikettenformaten erfassen und decodieren, wie etwa einen zweidimensionalen Code 15 oder einen eindimensionalen Strichcode (nicht gezeigt), der auf ein Etikett 20 auf einem Paket 25 gedruckt ist. Das Etikett 20 enthält außerdem gedruckte alphanumerische Zeichen 30, die Informationen wie etwa eine Paketidentifikationsnummer, den Empfänger und die Zieladresse liefern. Nach dem Decodieren der Etikettenbilddaten durch das handgehaltene Etikettenlesegerät werden die decodierten Bilddaten über ein Kabel 40 an ein Datenterminal 35 geschickt. Das Datenterminal 35 kann so gut wie jede Art von tragbarem oder Desktop-Computer oder Datenterminal sein. Die Datenkommunikation zwischen dem Lesegerät und dem Terminal könnte aber auch über eine optische, Infrarot- oder HF-Verbindung erfolgen.
Die 2-4 zeigen die Primärkomponenten des bevorzugten handgehaltenen Etikettenlesegeräts 10. 2 ist eine seitliche Querschnittsansicht des handgehaltenen Etikettenlesegeräts 10, die die Anordnung der Kamerabaugruppe, von Leiterplatten (PCBs) und anderen Komponenten veranschaulicht. 3 ist eine Vorderansicht des handgehaltenen Etikettenlesegeräts 10, die die Beleuchtungslichtquelle zeigt. 4 ist eine Querschnittsansicht des handgehaltenen Etikettenlesegeräts 10 von oben, die die Anordnung der Kamerabaugruppe und Leiterplatten darstellt.
Das handgehaltene Etikettenlesegerät 10 enthält eine Kamerabaugruppe 65, Markierungslampen 70 und eine Beleuchtungslichtquelle 75. Die Elektronikschaltung enthält drei Leiterplatten (PCBs) einschließlich einer Steuerplatine 80, einer CPU-Platine 85 und einer Analog-Digital-(A-D)-Platine 90. Ein an einem Griff 100 angebrachter Auslöser 95 wird von dem Bediener dazu verwendet, einen Etikettenlesevorgang einzuleiten. Mit Indikatorlampen 101 wird der Status des handgehaltenen Etikettenlesegeräts angezeigt und ob ein Decodiervorgang erfolgreich war.
Die PCBs sind über ein flexibles Flachkabel 102 miteinander verbunden. Der Fachmann versteht, daß das Kabel 102 wie eine Rückwandplatine wirkt, die Strom und verschiedene Daten- und Steuersignale zwischen den PCBs bereitstellt. Die Kamerabaugruppe 65 ist über ein Videokabel 103 mit der A-D-Platine 90 verbunden. Das Videokabel wird dazu verwendet, analoge Videoausgangs- und Zeitsteuersignale von der Kamerabaugruppe zu der A-D-Platine 90 zu führen. Mit dem Videokabel werden auch Steuersignale von der A-D-Platine 90 zu der Kamerabaugruppe 65 geführt. Die Steuer-, CPU- und A-D-Platinen sind unten ausführlicher erörtert.
Die bevorzugten Markierungslampen 70 sind von der Firma AND hergestellte Leuchtdioden vom Typ AND190AOP. Die Markierungslampen sind an einer getrennten Leiterplatte am Vorderende des handgehaltenen Etikettenlesegeräts montiert. Die Markierungslampen sind nach vorne zum Zieletikett gerichtet und auf die horizontale Achse des CCD-Arrays der Kamera ausgerichtet. Jede der Markierungslampen 70 projiziert einen Lichtstrahl, der auf der Zieloberfläche einen Fleck bildet, wobei sich die Mitte des Blickfelds der Kamera zwischen den Flecken befindet. Durch die Markierungslampen kann der Bediener die Kamera ordnungsgemäß ausrichten, indem er die Mitte des Zielcodes zwischen den beiden Flecken anordnet.
5 liefert eine ausführlichere Veranschaulichung der Kamerabaugruppe 65 und der Beleuchtungslichtquelle 75. Die bevorzugte Kamera ist eine von der Firma Sony hergestellte hochauflösende CCD-Kamera vom CCIR-Format, Typ M37/CE. Eine Linsenbaugruppe 120 mit einer Brennweite von 5 mm wird zum Ausbilden eines Bilds auf einem CCD-Array 122 verwendet. Dadurch erhält man ein relativ breites Blickfeld, das etwa 53° horizontal (H) mal 41° vertikal (V) mißt. Das auf dem CCD-Array 122 entstehende Bild hat eine Größe von 4,89 mm (H) mal 3,64 mm (V). Der Objektabstand für die ideale Schärfe beträgt 149 mm. Das Blickfeld bei dem ideale Schärfeabstand (149 mm) beträgt 141 mm (H) mal 105 mm (V) (5,54'' × 4,13''). Die Schärfentiefe beträgt um die ideale Schärfe herum ± 50mm. Der Fachmann versteht, daß die Intensität des von dieser Linsenbaugruppe erzeugten Bilds selbst dann um einen Faktor von etwa cos⁴(θ) abfällt, wenn das Objekt perfekt beleuchtet wird. Deshalb beträgt die Bildintensität in den Ecken eines gleichförmig beleuchteten Bilds, wo θ = 32°, etwa 52% der Intensität in der Bildmitte.
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 wird und Synchronisationssignale und Austastung enthält, ist die Kamera 65 modifiziert, um ein analoges CCD-Videoausgangssignal bereitzustellen, das die direkt der CCD-Abtast- und Halteschaltung entnommenen Pixelspannungen enthält. Das CCD-Videoausgangssignal ist somit eine Reihe von analogen Signalen, die jedem der Bildelemente (Pixel) entsprechen, die das CCD-Array darstellen. Jedes Videofeld beginnt in der linken oberen Ecke des Bilds und verschiebt die Pixel Zeile für Zeile hinaus, bis alle Pixel ausgegeben worden sind. Die Kamera ist außerdem so modifiziert, daß sie drei relevante Zeitsteuersignale liefert. Ein 14,318 MHz-Pixeltaktsignal zeigt an, wenn ein neues Pixel ausgetaktet wird. Ein Vertikalansteuersignal (VDRV) kennzeichnet den Beginn eines neuen Felds. Ein Horizontalansteuersignal (HDRV) kennzeichnet den Beginn einer neuen Zeile. Das interne Austastsignal der Kamera wird blockiert, damit die Pixelspannung von unbelichteten (d.h. schwarzen) Referenzpixeln über das CCD-Videoausgangssignal ausgegeben werden kann. Die Kamera liefert außerdem ein Schwarzpixel-Zeitsteuersignal, das angibt, wann das CCD-Ausgangssignal den schwarzen Pixeln entspricht. Wie unten beschrieben, wird die Schwarzpixelreferenz zur Schwarzwerthaltung eines Videoverstärkers verwendet. Die A-D-Platine erzeugt einen Auslöseimpuls, der von der Kamera dazu verwendet wird, eine Belichtung zu beginnen.
Die bevorzugte Kamera enthält CCD-Elemente, die geraden und ungeraden Feldern entsprechen, die bei normalen Videoanwendungen verschachtelt würden. Bei der vorliegenden Erfindung jedoch wird das Etikettenbild mit einem einzigen Feld der hochauflösenden Kamera erfaßt, ohne zu berücksichtigen, ob es ein gerades oder ungerades Feld ist. Mit einem einzigen Videofeld erhält man ein Bildfeld von 752 (H) × 291 (V) Pixeln, die jeweils 6,4 Mikrometer (H) × 12,5 Mikrometer (V) messen. Dadurch erhält man bei dem idealen Schärfeabstand von 149 mm in der Objektebene eine Auflösung von 136,5 dpi (H) × 70 dpi (V). Die Auflösung bei anderen Winkeln als der reinen Horizontalen oder Vertikalen ist gleich der Vektorsumme der horizontalen und vertikalen Auflösung. Um ein Etikett mit Elementen mit Breiten von 15 Milli-Inch (0,015 Inch, entsprechend 0,038 cm) zuverlässig zu decodieren, sollte die Kamera eine Auflösung von mindestens 100 Punkten pro Inch (dpi) aufweisen. So liefert die Kamera eine ausreichende Auflösung, wenn die horizontale Achse des Zieletiketts innerhalb von 62,4° der horizontalen Achse der Kamera liegt.
Das abzubildende Objekt wird von einem kreisförmigen Array aus 16LEDs 105 beleuchtet, das im Vorderende des handgehaltenen Etikettenlesegeräts 10 montiert ist. Das kreisförmige Array ist um das Kameraobjektiv herum positioniert, wie in den 3 und 4 deutlicher dargestellt ist. Die bevorzugten LEDs sind vom Typ AND120CR-LEDs, hergestellt von der Firma AND. Die bevorzugten LEDs emittieren tiefrotes Licht mit einer Wellenlänge von 660 Nanometern (nm). Ein Vorteil bei der Verwendung von tiefroten LEDs besteht darin, daß üblicherweise verwendete Etikettentinten mit Laserscannern arbeiten müssen, deren Wellenlängen zwischen 630 und 680 nm liegen. Es gestattet auch die Verwendung von roten Markierungsstiften, um die Versandetiketten zu markieren. Die rote Tinte von dem Markierungsstift ist für Menschen sichtbar, ist aber für die Kamera transparent. Außerdem ist das menschliche Auge für Licht mit Wellenlängen in diesem Bereich viel weniger empfindlich. Ein tiefroter Lichtblitz wird deshalb viel dunkler als ein weißer Lichtblitz der gleichen Energie wahrgenommen. Rotes Licht hat außerdem auf die Nachtsehfähigkeit des Verwenders eine geringere Auswirkung.
Unter Bezugnahme auf 5 weisen die LEDs 105 gerade nach vorne und sind hinter einer streuenden Linsenbaugruppe 110 angeordnet, die eine streuende Ringlinse 112 wie etwa 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 ausgebildete plankonkave Linse. Die Außenfläche oder Vorderseite 130 ist flach, das heißt, senkrecht zu der optischen Achse der Kamera. Die Innenfläche oder Rückseite 125 enthält einen Teil parallel zu der Außenfläche und einen Teil, der von der Außenfläche unter einem Winkel von 25° divergiert, wodurch ein Teil eines Kegels ausgebildet wird, und der sich zu der CCD 122 öffnet. Der dünne Teil der streuenden Ringlinse ist etwa 0,060 Inch entsprechend 0,152 cm dick, während der dickste Teil etwa 0,250 Inch entsprechend 0,635 cm dick ist. Die bevorzugte streuende Ringlinse 112 weist einen Brechungsindex von 1,52 auf, und hat ungefähr den Effekt einer plankonvexen Linse der Brennweite –3,0. Die plankonkave Linse kann durch eine Fresnel-Linse mit negativer Brennweite ersetzt werden.
Die Innenfläche 125 der streuenden Ringlinse 112 ist gut polliert. Die Außenfläche 130 ist recht diffus, damit sie an die streuende Schicht 113 geklebt 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 ausgebildet. Die streuende Schicht 113 wird an den Polarisationsfilter 115 geklebt.
Der Durchmesser der streuenden Linsenbaugruppe 110 wird so klein wie möglich ausgeführt. Der Außendurchmesser beträgt etwa 1,5 Inch, was 3,81 cm entspricht. Der Durchmesser des durch die Mitten der LEDs 105 ausgebildeten Kreises beträgt etwa 1,2 Inch, was 3,05 cm entspricht. Dadurch kann die Beleuchtungslichtquelle 75 fast eine Lichtquelle sein, die mit dem Kameraobjektiv selbst zusammenfällt und zu einem Beleuchtungsmuster führt, das eine sehr geringe Schwankung aufweist, wenn der Objektabstand geändert wird.
6 zeigt den Effekt der streuenden Ringlinse 112 ohne den Effekt der streuenden Schicht. Jede LED 105 emittiert ein kreisförmiges Strahlmuster von 35°. Bei einem perfekt fokussierten System würde die streuende Ringlinse 112 bewirken, daß das Strahlenmuster jeder LED um etwa 13,4° von der Mitte (d.h. der optischen Achse) weg abgelenkt oder weggebogen wird, was bewirkt, daß die kreisförmigen Muster zu Ellipsen gestreckt werden.
Die streuende Schicht 113 ist deshalb wesentlich, weil sie das durch die streuende Ringlinse 112 übertragene Licht aufweitet. Bei kurzen Objektabständen entfällt dadurch ein dunkler Fleck in der Mitte des Bilds. Außerdem entfernt die streuende Schicht örtliche Unregelmäßigkeiten oder helle Flecken in dem Beleuchtungsmuster. Die Summe der diffusen elliptischen Muster ist ein Gesamtmuster, das kaum örtliche Schwankung aufweist und von der Mitte bis zur Kante konsistent ist. Somit ist das Beleuchtungsmuster ausreichend konsistent, um die Verwendung einer Beleuchtungskorrekturtechnik zu gestatten, die nur Winkelschwankungen berücksichtigt. Wie oben erwähnt, fällt die Intensität des von der KameraLinsenbaugruppe 120 erzeugten Bilds selbst dann um einen Faktor von etwa cos⁴(θ) ab, wenn das Objekt perfekt beleuchtet ist.
Wieder unter Bezugnahme auf 5 wird das Licht von den LEDs 105 von dem Polarisationsfilter 115 polarisiert. Außerdem ist ein getrennter orthogonaler Polarisationsfilter 135 in der KameraLinsenbaugruppe 120 angeordnet. Die Kreuzpolarisation ist vorteilhaft, da sie gestattet, direkte Reflexionen von einer glänzenden Oberfläche (z.B. einem durchsichtigen Kunststoffetikettenschutz oder der Vorderfläche von glattem Papier) von diffusen Reflektionen von stumpfen Oberflächen (d.h. Papieretikett) zu unterscheiden. Durch die Kreuzpolarisation des Lichts von der Beleuchtungslichtquelle und dem reflektierten Licht wird auch Blendung von der LED-Leuchte reduziert. Durch die Verwendung von Polarisationsfiltern wird der Kontrast von Etikettenelementen stark vergrößert, wenn Etiketten mit glänzenden Oberflächen betrachtet werden.
Die KameraLinsenbaugruppe 120 enthält eine vordere Linsengruppe 140 und eine hintere Linsengruppe 145. Die Objektivblendenebene befindet sich zwischen der vorderen und der hinteren Linsengruppe. Bei dem bevorzugten handgehaltenen Etikettenlesegerät arbeitet die Kamera mit einer feststehenden kreisförmigen Blende. Dadurch entfällt die Notwendigkeit für eine einstellbare Irisblende oder andere Baugruppe in der Blendenebene. Stattdessen sind der Polarisationsfilter 135 und ein schmalbandiger Filter 150 in der Blendenebene angeordnet.
Der Fachmann versteht, daß sich die Durchlässigkeit von Licht durch den schmalbandigen Filter dramatisch ändern kann, wenn der Winkel des auftreffenden Lichts zunimmt. Wenn die Strahlenwinkel zu groß werden, kommt es somit zu einem großen Abfall in der Bildhelligkeit an den Kanten. Dieser Effekt wird reduziert, wenn der Filter in der Blendenebene zwischen der vorderen und der hinteren Linsengruppe angeordnet wird. Durch diese Anordnung des Polarisations- und Bandpaßfilters wird auch verhindert, daß örtliche Fehler in den Filtern von der Kamera abgebildet werden, und schützt die Filter vor Beschädigung.
Der bevorzugte schmalbandige Filter weist ein Durchlaßband von 640 bis 720 nm auf. Das Durchlaßband ist so gewählt, daß der Effekt der Änderung der Kennlinie des Filters, die auftritt, wenn die Einfallswinkel vergrößert werden, auf ein Minimum reduziert wird. Die Bandpaßmitte des Filters wird kürzer, wenn die Winkel größer werden. Indem der Filter so gewählt wird, daß die gewählte LED-Wellenlänge auf das kurzwellige Ende des Bandpasses fällt, wird somit die Dämpfung reduziert, wenn der Winkel zwischen den Lichtstrahlen und dem Polarisationsfilter zunimmt.
Durch die Bandpassfilterung wird die Intensität von Sonnenlicht und anderen breitbandigen Quellen um einen Faktor von etwa 8:1 reduziert, sie wirkt sich jedoch kaum auf das rote Licht von der Beleuchtungslichtquelle 75 aus. Diese Dämpfung führt zu einer Reduzierung des Dynamikbereichs, der in der Kamera erforderlich ist, was die Verwendung einer festen Blende gestattet. Durch den Bandpaßfilter werden auch Flackern und Blendung von Innenlichtquellen reduziert. Fluoreszenzlicht variiert mit einer Geschwindigkeit von 120 Hz, was die Bestimmung der richtigen Belichtung erschwert. In einer typischen Büroumgebung verursachen Deckenlichter viele Blendflecke auf glänzenden Etiketten. Der Bandpaßfilter reduziert diese Blendung vom Umgebungslicht. Der Polarisationsfilter 135 reduziert alles Licht um einen Faktor von 2,5:1. Die kombinierte Dämpfung breitbandiger Quellen beträgt 20:1. Diese Dämpfung und eine Feste Blende von nicht größer als f/5,6 stellen sicher, daß die abbildende CCD nicht durch auf die CCD fokussiertes direktes Sonnenlicht beschädigt wird.
Nunmehr unter Bezugnahme auf die 7-9 werden die Primärkomponenten und Funktionen der Leiterplatten erörtert. 7 ist ein Blockschaltbild in der Schaltung, die in der A-D-Platine 90 enthalten ist. Der Deutlichkeit halber zeigt 7 auch die Kamera 65 und die Verbindung zwischen der Kamera und der A-D-Platine 90. Die A-D-Platine weist zwei Hauptfunktionen auf. Die erste besteht darin, das analoge Videosignal von der Kamera in digitale 8 Bit-Bilddaten umzuwandeln und die digitalen Bilddaten im Video-RAM zu speichern. Die gespeicherten digitalen Bilddaten werden von dem Mikroprozessor auf der CPU-Platine 85 gelesen, der die Bildverarbeitungsalgorithmen zum Finden und Decodieren von Etikettenbildern ausführt. Die zweite Funktion besteht darin, die Gesamtverstärkung des Videosystems zu steuern, um sicherzustellen, daß die gespeicherten digitalen Bilddaten die richtige mittlere Intensität aufweisen. Dies ist notwendig, damit der Decodieralgorithumus in der Lage ist, die digitalen Bilddaten richtig zu analysieren und zu decodieren.
Vor der Erörterung der spezifischen Komponenten auf der A-D-Platine 90 ist es hilfreich, eine allgemeine Beschreibung 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 durch eine analoge Videoverstärkerschaltung verstärkt, bevor es von einem Analog-Digital-Wandler (A/D) digitalisiert wird. Das Ausgangssignal des A-D-Wandlers sind die digitalen Bilddaten, die im Video-RAM gespeichert und danach vom Mikroprozessor decodiert werden.
Damit der Mikroprozessor die digitalen Bilddaten richtig decodieren kann, muß die Intensität des digitalen Bilds innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen. Wenn das digitale Bild zu hell oder zu dunkel ist, kann es für den Decodieralgorithmus schwierig sein, das Bild des Etikettencodes zu erfassen und richtig zu decodieren. Das Videosystem muß deshalb so flexibel sein, daß es ein digitales Bild mit der richtigen Intensität unabhängig von der vom Zielobjekt reflektierten Lichtmenge liefert (innerhalb der Arbeitsparameter des Lesegeräts). Der Fachmann versteht, daß die Kamera, die Videoverstärkerschaltung und der A-D-Wandler jeweils in der Lage sind, eine gewisse relative Verstärkung bereitzustellen, und daß die Gesamtverstärkungsjustierung des Videosystems ausreichen sollte, um den Bereich von Lichtintensitäten zu kompensieren, der von der Kamera abgebildet wird. Somit kann das Videosystem in dem bevorzugten handgehaltenen Etikettenlesegerät 10 bevorzugt Lichtintensitäten kompensieren, die von einem Etikett, das in hellem Sonnenlicht abgebildet wird, zu einem Etikett, das in totaler Dunkelheit abgebildet wird, wobei es von der separaten Beleuchtungsquelle beleuchtet wird, reichen.
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 für einen vorbestimmten Zeitraum gemacht wird. Die Helligkeit des Bilds wird durch die Intensität des auf das Array auftreffenden Lichts und die Integrationszeit (d.h. die zeitliche Dauer, während der das Licht auf die Fotoelemente 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 Verschlußzeit) und Blendeneinstellung (Blendenwert) zu bestimmen, um sicherzustellen, daß die CCD-Kamera, wenn sie das Etikettenbild erfaßt, richtig belichtet wird. Der Beitrag der Kamera zu der Gesamtverstärkungseinstellung des Videosystems wird durch die elektronische Verschlußgeschwindigkeit und die Größe der Blende bestimmt.
Wenn zum Erfassen von Etikettenbildern das handgehaltene Etikettenlesegerät 10 verwendet wird, gibt es Einschränkungen, die beim Bestimmen des Bereichs von Einstellungen für die Verschlußgeschwindigkeit und die Blende berücksichtigt werden müssen. Die bevorzugte Kamera ist zu Verschlußgeschwindigkeiten von bis zu 1/4000 Sekunde in der Lage. Die langsamste elektronische Verschlußgeschwindigkeit muß immernoch schnell genug sein, um sicherzustellen, daß das erfaßte Bild infolge eines normalen Ausmaßes an Bewegung seitens des Bedieners nicht unscharf wird. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, daß die Verschlußgeschwindigkeit nicht langsamer als 1/250 Sekunde sein sollte. Die bevorzugte Kamera wird deshalb mit Verschlußgeschwindigkeiten im Bereich zwischen 1/4000 und 1/250 Sekunde betrieben.
Eine feste Blende wird bevorzugt, weil dadurch etwaige, mit der Kamera verbundene bewegliche Teile entfallen. Die Blende sollte klein genug sein, um sicherzustellen, daß die Kamera eine ausreichende Schärfentiefe aufweist, um Etikettenbilder zu erfassen, ohne daß der Bediener die Entfernung zwischen dem Zieletikett und dem Etikettenlesegerät präzise bestimmen muß. Die feste Blende sollte außerdem klein genug sein, um sicherzustellen, daß helles Sonnenlicht ausreichend gedämpft wird, um eine Beschädigung des CCD-Arrays zu vermeiden. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben, wie bereits erwähnt, festgestellt, daß eine feste Blende von nicht größer als f/5.6 in Verbindung mit der Dämpfung durch den Bandpaßfilter und den Polarisationsfilter sicherstellt, daß die abbildende CCD nicht durch direktes Sonnenlicht beschädigt wird, das auf die CCD fokussiert wird.
Nach der Filterung beträgt der Dynamikbereich der Lichtintensität etwa 100:1 oder 40 dB. Die Verschlußgeschwindigkeit, die zwischen 1/250 und 1/4000 Sekunde variiert, liefert ein Verstärkungseinstellungsverhältnis von 16:1 oder 24 dB.
Das analoge CCD-Videoausgangssignal von der Kamera wird von einer Videoverstärkerschaltung 175 verstärkt. Die bevorzugte Videoverstärkerschaltung 175 enthält einen von der Firma Harris Semiconductor hergestellten Stromrückkopplungsverstärker vom Typ HA5024 Quad. Bei dem bevorzugten Etikettenlesegerät kann die Verstärkung der Videoverstärkerschaltung in Schritten von 6 dB von 6 dB auf 24 dB eingestellt werden, wodurch man einen Verstärkungseinstellungsbereich von 8:1 oder 18 dB erhält. Wenn die LED-Leuchte verwendet wird, beträgt das Ausgangssignal der CCD etwa 100 Millivolts (mV). Die maximale Verstärkung der Videoverstärkerschaltung von 24 dB gestattet, 100 mV-Ausgangssignale der Kamera auf etwa 1,6 V zu verstärken.
Das analoge Ausgangssignal der Videoverstärkerschaltung 175 wird zu einem Analog-Digital-Wandler (A-D) 180 geschickt, der jedes Pixel des analogen Videoausgangssignals in einen digitalen 8-Bit-Wert umwandelt. Zusätzlich zu einem VIDEO_IN-Eingangssignal weist der A-D-Wandler außerdam einen Pixeltakteingang, einen positiven REFERENCE-Eingang und einen negativen Referenzeingang auf (der bei dem bevorzugten Lesegerät geerdet ist und deshalb nicht gezeigt ist). Der Pixeltakteingang erhält das Pixeltaktsignal von der CCD-Kamera. Das REFERENCE-Signal ist ein analoges Referenzsignal, das zum Bestimmen des digitalen Ausgangswerts verwendet wird. Für jedes Pixel (wie durch das Pixeltaktsignal angezeigt) ist das digitale Ausgangssignal des A-D-Wandlers gleich: OUTPUT = ((VIDEO_IN)/(POS REF – NEG REF)·255)
Die Übertragungsfunktion des A-D-Wandlers kann durch Einstellen der Referenzspannung geändert werden. Somit kann der A-D-Wandler eine Verstärkungseinstellung bereitstellen, indem er seine Referenzspannungen einstellt. Der nominelle Wert von 2,5 V an den positiven und negativen Wandlerreferenzen kann um einen Faktor von bis zu 3,65:1 oder 11,25 dB gedämpft werden. Bei der größten Einstellung kann die Wandlerreferenzdifferenz auf 685 mV reduziert werden. Dadurch erhält man einen Verstärkungsspielraum von 1,6/0,685 oder 7,37 dB am unteren Ende.
Der Fachmann erkennt auf der Basis des oben Gesagten, daß das Videosystem eine Gesamtverstärkungseinstellung bereitstellt, die die der Verschlußgeschwindigkeitssteuerung (24 dB) plus die der Videoverstärkerschaltung (18 dB) plus die des A-D-Wandlers (11,25 dB) mit insgesamt 53,25 dB (460:1) enthält, was ausreicht, um die Schwankung von 40 dB bei dem auf das CCD-Array fallenden Licht zu kompensieren, und gleichzeitig Kameraeinstellungen gestattet, die eine ausreichende Schärfentiefe liefern und sicherstellen, daß das Bild nicht unscharf ist.
Durch den von dem Videosystem bereitgestellten Verstärkungseinstellungsbereich von 53,25 dB erhält man etwa 13 dB zusätzlichen Dynamikbereich im Vergleich zu der erwarteten Schwankung bei der Beleuchtung. Diese zusätzliche Verstärkung wird aufgeteilt, so daß das Videosystem an beiden Enden der Beleuchtungsbedingungen etwa 6 dB zusätzlichen Dynamikbereich liefert. Dies ist vorteilhaft, da es Toleranzen der verschiedenen Videosystemkomponenten gestattet. Dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung gestattet außerdem die Herstellung des Videosystems, ohne daß irgendwelche manuellen Einstellungen erforderlich sind, damit es im richtigen Bereich arbeitet.
Das Ausgangssignal des A-D-Wandlers ist aufgrund der Wiederherstellung der Gleichspannungskomponente des Signals zu dem Wandler immer direkt proportional zu der Lichtintensität. Schwarze Referenzpixel auf der CCD reagieren nicht auf Licht, und ihre Ausgangsspannung wird zur Voreinstellung der Videoverstärkerschaltung verwendet, so daß eine Lichtintensität von Null (Schwarz) eine Videoeingangsspannung erzeugt, die gleich der negativen Wandlerreferenz ist (d.h. 0 Volt). Das Ausgangssignal des A-D-Wandlers beträgt deshalb Null. Weil das Ausgangssignal des A-D-Wandlers zu der Lichtintensität direkt proportional ist, kann das Verhältnis des Ausgangssignals des A-D-Wandlers zu einem Sollwert zum Einstellen der Gesamtvideoverstärkung des Systems verwendet werden, indem die Verschlußgeschwindigkeit der Kamera, die Verstärkung der Videoverstärkerschaltung und/oder die Spannungen der A-D-Wandlerreferenzen geändert werden. Die spezielle Weise, wie die Intensität des Bilds bestimmt und diese Einstellungen eingestellt werden, wird unten erörtert.
Wie oben erwähnt ist der CCD-Videoausgang der Kamera 65 mit dem Eingang einer Videoverstärkerschaltung 175 verbunden, der das analoge Videoausgangssignal von der Kamera verstärkt. Der Fachmann versteht, daß die Videoverstärkerschaltung 175 von der Kamera auch ein Schwarzpixelsignal erhält. Die Schwarzreferenz wird bereitgestellt, damit der Videoverstärker zurückgestellt werden kann, damit er ein Ausgangssignal von Null Volt liefert, wenn das analoge Videoausgangssignal das Schwarzreferenzsignal ist. Das Verfahren, wie die Verstärkung der Videoverstärkerschaltung gesteuert wird, wird unten erörtert.
Das Ausgangssignal der Videoverstärkerschaltung 175 wird an einen Analog-Digital-Wandler (A-D) 180 angelegt, der jedes analoge Pixel in einen digitalen 8 Bit-Wert umwandelt. Wie oben erwähnt, wird das positive Referenzeingangssignal des A-D-Wandlers variiert, um die Verstärkung des Videosystems einzustellen. Dieser Prozeß wird unten ausführlicher beschrieben.
Das Ausgangssignal des A-D-Wandlers 180 wird an den Video-Direktzugriffsspeicher (RAM) 185 und eine Histogrammschaltung 190 angelegt. Der Video-RAM 185 ist ein dynamisches RAM-Array mit 256 Kilobytes. Der Video-RAM weist einen seriellen Eingangsport und einen seriellen Ausgangsport auf. Der Eingangsport ist an den Ausgang des A-D-Wandlers 180 angeschlossen. Der Ausgangsport ist an einen Decodierungsmikroprozessor angeschlossen, der sich auf der CPU-Platine 85 befindet. Jeder Port weist seinen eigenen Datentakt auf, so daß Daten asynchron und mit verschiedenen Taktraten geschrieben und gelesen werden können. Die Video-RAM-Steuerschaltung (nicht gezeigt) findet das dritte Feld von der Kamera und schreibt es in den Video-RAM. Mit den ersten beiden Feldern werden die Verschlußgeschwindigkeits- und Systemverstärkungseinstellungen bestimmt, die benötigt werden, damit man eine ordnungsgemäße Belichtung des Etikettenbilds erhält. Dieser Prozeß ist unten ausführlicher erörtert.
Die Histogrammschaltung 190 implementiert einen Bilddatenhistogrammalgorithmus zum Auswerten des Intensitätspegels des Ausgangssignals des A-D-Wandlers 180 und Einstellen der relativen Videoverstärkung des Systems, damit man ein digitales Bild mit der richtigen Intensität erhält. Die Histogrammschaltung 190 wird mit einer Vielzahl von kundenspezifisch programmierbaren Logikbauelementen, elektronisch programmierbaren Festwertspeicher-(EPROM)-Nachschlagetabellen, statischen RAM-, Datenpuffern und Zwischenspeichern implementiert. Bei dem bevorzugten handgehaltenen Etikettenlesegerät sind alle die Steuerfunktionen, Zähler, Ablaufsteuereinheiten, Multiplexierer, Addierer und Komparatoren in frei programmierbaren Gatearrays (FPGAs) 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, damit man eine kumulative Verteilungsfunktion erhält. Bei der Histgrammtechnik besteht ein Vorteil darin, daß sie die Empfindlichkeit der Schaltung für örtliche dunkle und extrem helle Bereiche minimiert. Bei dem bevorzugten handgehaltenen Etikettenlesegerät ist ein ordnungsgemäß belichtetes Bild so definiert, daß bei ihm ein vorbestimmter Prozentsatz (90%) einer Gruppe selektiv abgetasteter Pixel des Bilds (in 15 gezeigt) auf einen vorbestimmten Grauwert fällt oder darunter, bevorzugt 75% Sättigung. Der tatsächliche, von dem vorbestimmten Prozentsatz abgetasteter Pixel erreichte Grauwert wird mit dem Sollwert verglichen, und mit dem Verhältnis der beiden wird die Belichtungs-Verstärkungs-Einstellung korrigiert, wie unten in Verbindung mit den 14-20 ausführlich beschrieben.
Somit mißt die bevorzugte Histogrammschaltung 190 eine 8 Bit-Grauwerthelligkeit von 255 selektiv abgetasteten Punkten aus den Videobilddaten. Ein statischer Abschnitts-RAM (SRAM) liefert 256 Abschnitte zum Speichern von 8 Bit-Daten. Jede Abschnittsnummer entspricht einem Grauwert, und jeder Abschnitt hält die Gesamtzahl von Vorkommen in der Probe für jeden Grauwert. Nach dem Abtasten des Bilds werden die Inhalte der Abschnitte beginnend bei Adresse 0 (dunkelster Grauwert) des Abschnitts-SRAM summiert, bis die laufende Summe der Abschnitte 90% der 255 selektiv abgetasteten Pixel (230 Pixel) erreicht. Die erreichte Abschnittsnummer (BIN_NUM) wird als ein Schätzwert des Gesamtbildhelligkeitspegels genommen. BIN_NUM wird gespeichert und an die Verstärkungssteuerschaltung 195 geliefert.
Die Verstärkungssteuerschaltung 195 verwendet eine Verstärkungsnachschlagetabelle, um den neuen relativen Systemverstärkungswert auf der Basis der von der Histogrammschaltung gelieferten Abschnittsnummer und des letzten Verstärkungswerts einzustellen. Der neue Verstärkungswert liefert Ausgangssignale, die zum Steuern der Gesamtverstärkungseinstellung des Systems verwendet werden. Wie oben erwähnt, erfolgt dies durch Einstellung der elektronischen Verschlußgeschwindigkeit der Kamera, der Verstärkung der Videoverstärkerschaltung und der Spannung der A-D-Wandlerreferenz. Ein Videoverstärker-Verstärkungsausgangssignal von der Verstärkungssteuerschaltung wird direkt an die Videoverstärkerschaltung 175 geliefert. Ein A-D-Wandler-Verstärkungsausgangssignal von der Verstärkungssteuerschaltung wird an eine Parabelgeneratorschaltung 200 geschickt, die ein analoges Eingangssignal an den A-D-Wandlerreferenzspannungseingang liefert. Ein Verschlußsteuersignal von der Verstärkungssteuerschaltung wird an eine Verschlußsteuerschaltung 205 geschickt, die einen Auslöseimpuls an die Kamera liefert, wenn die Belichtung beginnen soll. Die Einzelheiten dieses Prozesses sind unten ausführlicher beschrieben. Die A-D-Platine 90 ist mit der CPU-Platine 85 und der Steuerplatine 80 über einen Verbinder 210 verbunden.
8 ist ein Blockschaltbild der auf der CPU-Platine 85 angeordneten Schaltung. Die CPU-Platine 85 enthält einen Mikroprozessor 225, einen elektronisch programmierbaren Festwertspeicher (EPROM) 230, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 235, eine serielle Kommunikationsschaltung 240 und einen Verbinder 245.
Der bevorzugte Mikroprozessor 225 ist ein von der Firma Integrated Device Technology hergestellte RISC-CPU (zentrale Verarbeitungseinheit) vom Typ IDT3081. Die Hauptfunktion des Mikroprozessors besteht darin, die digitalen Etikettenbilddaten zu decodieren, die in dem Video-RAM 185 auf der A-D-Platine gespeichert sind. Außerdem steuert der Mikroprozessor 155 den Betrieb von Indikatorlampen, die anzeigen, ob der Decodiervorgang erfolgreich gewesen ist.
Weil eine CCD-Kamera ein zweidimensionales Bild oder eine zweidimensionale 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 dazu verwendet werden, eine große Vielzahl von Strichcodes und zweidimensionalen Symbologien zu lesen und zu decodieren, vorausgesetzt der entsprechende Decodieralgorithmus steht zur Verfügung. Beispiele für derartige Kameras und damit verwandte Verfahren sind bekannt aus den US-Patenten Nr. 4,874,936 mit dem Titel "Hexagonal, Information Encoding Article, Process and System" [Hexagonaler informationscodierender Gegenstand, Prozeß 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 niedrig aufgelösten Bildern von verschlechterten Strichcodesymbolen], deren Offenbarungen durch Bezugnahme hier aufgenommen sind. Die CPU-Platine enthält ein EPROM 230 mit 512 Kilobyte, der dazu verwendet wird, das zugrundeliegende Betriebssystem und die Decodiersoftware zu speichern. Das Betriebssystem und die Decodieralgorithmen können durch Bereitstellen von neuen EPROM-Einrichtungen aufgerüstet oder modifiziert werden.
Die CPU-Platine enthält außerdem 4 Megabyte an RAM 235, mit dem verschiedene, mit dem Decodieren der Bilddaten verbundene Daten gespeichert werden. Der Fachmann versteht, daß das RAM 235 dazu verwendet werden kann, die Bilddaten zu speichern, während sie aus dem Video-RAM 185 ausgelesen werden, und um verschiedene Daten zu speichern, die sich aus dem Decodierprozeß ergeben.
Die serielle Kommunikationsschaltung 240 enthält einen DUART (Dual Asynchronous Receive/Transmit) vom Typ SCN2681T, hergestellt von der Firma Signetics. Mit der seriellen Kommunikationsschaltung überträgt der Mikroprozessor 225 serielle Daten zwischen dem handgehaltenen Etikettenlesegerät und dem Datenterminal, an dem er angebracht ist.
Der Verbinder 245 wird dazu verwendet, die CPU-Platine 85 über das Rückwandplatinenkabel mit der Steuerplatine 80 und der A-D-Platine 90 zu verbinden.
9 ist ein Blockschaltbild der auf der Steuerplatine 80 angeordneten Schaltung. Die Hauptfunktionen der Steuerplatine 80 sind in einer Sequenzerschaltung 260, einer Stromversorgungsschaltung 265, einer Leuchtenschaltung 270 und einer Indikatorschaltung 275 implementiert. Die Steuerplatine 80 ist über einen Verbinder 280 mit der CPU-Platine 85 und der A-D-Platine 90 verbunden.
Allgemein beschrieben erhält die Sequenzerschaltung 260 ein Signal von dem Auslöser 95 und leitet die mit einem Etikettenlesezyklus verbundene Sequenz von Operationen ein. Beispielsweise liefert die Sequenzerschaltung 260 bei Empfang des Auslösesignals ein Signal, das bewirkt, daß die Stromversorgungsschaltung 265 den Strom zu der Kamera, dem Mikroprozessor und anderen Komponenten einschaltet, die abgeschaltet sind, wenn sich das handgehaltene Etikettenlesegerät im Ruhezustand befindet. Die Sequenzerschaltung 260 liefert außerdem ein Rücksetzsignal, das bewirkt, daß die Komponenten beim Einschalten initialisiert werden. Der Etikettenlesezyklus wird unten unter Bezugnahme auf 10 ausführlich beschrieben.
Die Leuchtenschaltung 275 stellt Analogschaltkreise zum Ansteuern der Beleuchtungslichtquelle zur Verfügung. Die A-D-Platine liefert ein Signal, das bewirkt, daß die Leuchtenschaltung 275 die LEDs der Beleuchtungslichtquelle erst dann einschaltet, wenn die Kamera ein Bild erfaßt. Somit wird die Beleuchtungslichtquelle in Verbindung mit dem Auslösen des elektronischen Verschlusses der Kamera eingeschaltet, was ebenfalls von der A-D-Platine gesteuert wird. Dadurch, daß die Beleuchtungslichtquelle auf diese Weise gesteuert wird, wird die Beleuchtungslichtquelle für jeden Etikettenlesezyklus dreimal eingeschaltet. Die ersten beiden Male dienen für die Vorbelichtungen, mit denen die Videosystemverstärkung eingestellt wird. Beim dritten Mal wird das Bild des Zieletiketts erfaßt. Der Fachmann versteht, daß das Abschalten der Beleuchtungslichtquelle zwischen Lesevorgängen verhindert, daß die LEDs sich überhitzen, und gestattet, daß sie mit mehr Strom angesteuert werden können. Außerdem sind die LEDs heller, wenn sie kühler sind.
Die Indikatorschaltung 270 liefert die Schaltung, die benötigt wird, um die Markierungslampen 70 und die Statusindikatorlampen, die auf der Rückseite des handgehaltenen Etikettenlesegeräts montiert sind, anzusteuern. Die Indikatorschaltung 270 schaltet die Markierungslampen ab, wenn die Beleuchtungslichtquelle eingeschaltet wird, um helle Flecken in dem erfaßten Bild zu verhindern. Die Indikatorschaltung schaltet außerdem die Statusindikatorlampen entsprechend den von dem Mikroprozessor erhaltenen Signalen ein und aus. Beispielsweise wird mit einer Indikatorlampe angezeigt, ob ein eindimensionaler Code decodiert wird. Die andere zeigt an, ob ein zweidimensionaler Code decodiert wird. Beide Indikatorlampen leuchten gelb, wenn sich das handgehaltene Etikettenlesegerät im Ruhezustand befindet. Zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Auslöser gezogen wird, und dem Abschluß des Decodierprozesses blinken die Indikatorlampen. Je nachdem, ob ein ein- oder ein zweidimensionaler Code decodiert wurde, schaltet der entsprechende Indikator auf Grün. Der andere Indikator schaltet auf Rot. Wenn der Decodierprozeß erfolglos ist, schalten beide Indikatoren auf Rot.
10 ist ein Flußdiagramm, das den vom handgehaltenen Etikettenlesegerät zum Ausführen eines Etikettenlesevorgangs verwendeten Algorithmus darstellt. Der Etikettenlesealgorithmus 300 beginnt bei Schritt 305, wenn sich das handgehaltene Etikettenlesegerät in einem Ruhezustand befindet. An diesem Punkt leuchten die Markierungslampen 70, damit der Benutzer mit dem Lesegerät präzise auf das Zieletikett zielen kann. Um Strom zu sparen, wird an die meisten der Komponenten in dem handgehaltenen Etikettenlesegerät kein Strom angelegt. Das handgehaltene Etikettenlesegerät 10 bleibt im Ruhezustand bis Schritt 310, wenn die Steuerplatine 80 von dem Auslöser 95 ein Auslöseeingangssignal erhält.
Bei Schritt 315 legt die Steuerplatine 80 Strom an alle Komponenten in dem handgehaltenen Etikettenlesegerät an, einschließlich der Kamera, dem Mikroprozessor 225 und der Kamerasteuerschaltung, die auf der A-D-Platine 90 angeordnet ist. Wenn Strom angelegt wird, aktiviert die Steuerplatine auch ein Rücksetzsignal, das bewirkt, daß die Kamera, der Mikroprozessor und die Kamerasteuerschaltung initialisiert werden.
Bei Schritt 320 schickt die Steuerplatine 80 ein VINIT-Signal an den Mikroprozessor und an die Kamerasteuerschaltung der A-D-Platine. Das VINIT-Signal zeigt den Beginn des Prozesses an, mit dem die Etikettenbilddaten erfaßt werden. Bei dem bevorzugten handgehaltenen Etikettenlesegerät wird das VINIT-Signal etwa 62 Millisekunden (ms) nach dem Zeitpunkt bereitgestellt, nachdem der Auslöseimpuls von dem Auslöser 95 erhalten wird. Der Fachmann versteht, daß eine derartige Verzögerung erforderlich ist, um sicherzustellen, daß die Kamera ausreichend Zeit hatte, sich einzuschalten und mit der Lieferung stabiler Videoausgangsdaten zu beginnen.
Bei Schritt 325 stellt die Kamera die Belichtung ein, um sicherzustellen, daß die Intensität des erfaßten Bilds korrekt ist. Dabei wird das Zieletikett beleuchtet und die richtige elektronische Verschlußgeschwindigkeit und Systemverstärkungseinstellung werden als Reaktion auf die von der Kamera empfangene reflektierte Lichtmenge ausgewählt. Nachdem die richtige Verschlußgeschwindigkeit und die Verstärkungseinstellung bestimmt sind, wird das Zieletikett beleuchtet und die Etikettenbilddaten werden bei Schritt 326 erfaßt und im Video-RAM gespeichert. An diesem Punkt geht der Prozeß weiter zu Schritt 330.
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 erfolgt durch Anwenden eines gespeicherten Decodieralgorithmus auf die digitalen Bilddaten. Der Fachmann versteht, daß der Decodieralgorithmus für die von der CCD-Kamera erfaßten jeweiligen Informationsangaben ausgelegt sein muß. Wenn das Etikettenlesegerät zum Lesen von Strichcodes verwendet wird, muß deshalb der entsprechende Strichcodedecodieralgorithmus im EPROM 230 des Mikroprozessors gespeichert sein. Wenn analog das Datenterminal in Verbindung mit Paketen verwendet wird, die zweidimensionale Symbologien tragen, muß der entsprechende Decodieralgorithmus im Decoder vorgesehen sein. Der Fachmann versteht, daß die von der CCD-Kamera erfaßten Informationsangaben nicht auf Strichcodes und zweidimensionale Symbologien begrenzt sind, sondern auch gedruckten und handgeschriebenen Text enthalten kann, der von optischen Zeichenerkennungstechniken (OCR) gelesen werden kann. Es ist möglich, mehrere Decodieralgorithmen bereitzustellen, so daß mit dem Datenterminal jede einer großen Vielfalt verschiedener Informationsangaben gelesen und decodiert werden kann.
Der Fachmann erkennt außerdem, daß zum Decodieren der digitalen Bilddaten möglicherweise mehrere Schritte erforderlich sind. Beispielsweise muß der Decodieralgorithmus zunächst bestimmen, ob das erfaßte Bild eine erkennbare Art von Informationsangaben enthält. Wenn dem der Fall ist, muß der Algorithmus möglicherweise die Orientierung der Informationsangaben bestimmen und gegebenenfalls die Daten so drehen, daß die Informationsangaben auf eine gewünschte Achse ausgerichtet sind. Nachdem alle die erforderlichen Schritte erfolgt sind und die digitalen Bilddaten decodiert sind, werden die decodierten Daten im Direktzugriffsspeicher (RAM) auf der CPU-Platine 85 gespeichert.
Bei Schritt 335 überträgt der Mikroprozessor 225 die decodierten Etikettendaten zu dem angebrachten Datenterminalgerät. Die decodierten Daten werden als serielle Daten über einen der seriellen Ports übertragen. Bei dem bevorzugten handgehaltenen Etikettenlesegerät werden die seriellen Daten in dem angebrachten Datenterminal über das Lesegerätkabel 40 bereitgestellt.
Bei Schritt 340 entfernt die Sequenzerschaltung 260 auf der Steuerplatine 80 Strom von den schaltbaren Komponenten, und das handgehaltene Etikettenlesegerät kehrt in den Ruhezustand zurück. Bei dem bevorzugten handgehaltenen Etikettenlesegerät wird der Strom entfernt, wenn die Steuerplatine von der CPU-Platine ein Signal erhält, das anzeigt, daß der Decodierprozeß abgeschlossen ist. Falls der Mikroprozessor aus irgendeinem Grund kein derartiges Signal liefert, entfernt die Steuerplatinenschaltung etwa 8 Sekunden nach Empfang des Signals von dem Auslöser automatisch Strom von den anderen Komponenten. Durch diese Zeitabschaltung wird sichergestellt, daß das handgehaltene Lesegerät selbst dann in den Ruhezustand zurückkehrt, wenn der Mikroprozessor aus irgendeinem Grund abstürzt.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 11 wird das bevorzugte Verfahren zum Erfassen von Bilddaten beschrieben. Der Prozeß zum Erfassen von Bilddaten bildet in dem Verfahren von 10 einen Schritt 325.
11 ist ein Taktsteuerdiagramm, das die allgemeine Sequenz von Ereignissen darstellt, mit denen Etikettenbilddaten erfaßt werden. Die horizontale Skala zeigt einen Zeitraum von 0 bis 160 ms. Der Fachmann versteht, daß die in der vorliegenden Erfindung verwendete Kamera mit dem CCIR-Format alle 20 ms ein Videofeld liefert. Das Taktsteuerdiagramm ist deshalb in Inkremente von 20 ms unterteilt.
Das Taktsteuerdiagramm zeigt am Anfang, daß Strom an die Kamera und die A-D-Platine kurz nach dem Zeitpunkt angelegt wird, zu dem das Auslösesignal bei etwa 0 ms erhalten wird. Wie oben in Verbindung mit 10 beschrieben, beginnt ein Etikettenlesezyklus, wenn der Bediener den Auslöser des handgehaltenen Etikettenlesegeräts drückt. An diesem Punkt legt die Schaltung auf der Steuerplatine Strom an den Mikroprozessor, an die Kamera und an die anderen Komponenten auf der A-D-Platine an.
Bei etwa 62 ms leitet die Steuerplatine die Bilderfassungssequenz durch Bereitstellen eines VINIT-Signals an die Histogrammschaltung 190 ein. Der Zeitraum zwischen dem Auslösesignal und dem VINIT-Signal reicht aus, daß sich die Kamera aufwärmen und mit der Lieferung eines guten stabilen Videoausgangssignals beginnen kann.
Nachdem die A-D-Platine das VINIT-Signal von der Steuerplatine erhalten hat, wartet die A-D-Platine auf das nächste VDRV-Signal von der Kamera. Das VDRV-Signal zeigt wie oben beschrieben den Beginn eines neuen Videofelds an. Das CCD-Array wird während eines der elektronischen Verschlußgeschwindigkeit entsprechenden Zeitraums belichtet. Wie unten ausführlicher erläutert wird, erfolgt der größte Teil der Belichtungszeit vor dem VDRV-Signal. Kurz nach dem Auftreten des VDRV-Signals bewirkt ein internes Übertragungstaktsignal, daß die Ladung, die sich in den Fotoelementen des CCD-Arrays aufgebaut hat, zu den CCD-Registern übertragen wird. Von da wird das Bild jeweils pixelweise aus den CCD-Registern ausgetaktet, um das CCD-Videoausgangssignal zu liefern.
Nach dem ersten VDRV nach dem VINIT-Signal stellt die A-D-Platinenschaltung die Videosystemverstärkungseinstellung auf eine vorbestimmte Standardeinstellung ein, mit der eine Testbelichtung gemacht wird. Die gewünschte Systemverstärkungseinstellung enthält eine Verschlußgeschwindigkeit, eine Videoverstärkerverstärkung und einen A-D-Referenzeingang.
Zwischen etwa 96 und 100 ms werden die Fotoelemente der Kamera während des Standardintegrationszeitraums belichtet. Kurz nach dem VDRV-Signal bei 100 ms gibt die Kamera die analogen Pixeldaten aus, die ein erstes Videofeld bilden. Während die Daten von der Kamera geliefert werden, bestimmt die Histogrammschaltung 190 der A-D-Platine die Intensität des Bilds von Feld 1. Mit dem Ausgangssignal der Histogrammschaltung stellt die Verstärkungsschaltung 195 die Verstärkungseinstellungen vor der zweiten Belichtung ein, die zwischen etwa 116 und 120 ms beginnt. Der von der Histogrammschaltung 195 angewendete Algorithmus wird unten ausführlicher beschrieben.
Nach dem VDRV-Signal bei 120 ms gibt die Kamera die analogen Pixeldaten aus, die ein zweites Videofeld 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 eingestellt, die zwischen etwa 136 und 140 ms beginnt.
Nach dem VDRV-Signal bei 140 ms gibt die Kamera die analogen Pixeldaten aus, die ein drittes Videofeld bilden. Während das CCD-Videoausgangssignal aus der Kamera ausgetaktet und von dem A-D-Wandler digitalisiert wird, werden die digitalen Bilddaten im Video-RAM gespeichert. Wie oben in Verbindung mit 10 beschrieben, werden die gespeicherten Videobilddaten ausgelesen und vom Mikroprozessor, der auf der CPU-Platine angeordnet ist, decodiert. Bei dem bevorzugten handgehaltenen Lesegerät schließt der Mikroprozessor seine Initialisierungs- und Hochfahrprozeduren erst nach dem Speichern der digitalen Daten im Video-RAM ab (bei etwa 160 ms). Deshalb stehen die digitalen Bilddaten sofort im Video-RAM zur Verfügung, wenn der Mikroprozessor bereit ist, sie zu lesen.
Wie bereits erörtert, reicht die Gesamtverstärkungseinstellung des Videosystems bevorzugt dafür aus, den Dynamikbereich des reflektierten Lichts zu kompensieren, wenn das handgehaltene Etikettenlesegerät in verschiedenen Umgebungen verwendet wird. Außerdem müssen die Blende und die Verschlußgeschwindigkeit der Kamera eingeschränkt werden, um sicherzustellen, daß das erfaßte Bild aufgrund einer zu langsamen Verschlußgeschwindigkeit oder einer zu flachen Schärfentiefe nicht unscharf ist. Bei dem bevorzugten System können die Komponenten im Videosystem eine Gesamtverstärkungseinstellung von bis zu 53,25 dB bereitstellen. Dieser Gesamtwert enthält 24 dB an Verstärkungseinstellung, die mit dem Variieren der Verschlußgeschwindigkeit der Kamera verbunden sind, 18 dB vom Einstellen der Videoverstärkerschaltung und 11,25 dB vom Einstellen des A-D-Wandlers.
Bei dem bevorzugten handgehaltenen Etikettenlesegerät wird die Gesamtvideoverstärkung in Schritten von 0,75 dB eingestellt. Die Verstärkung wird durch eine Verstärkungsnachschlagetabelle bestimmt, die Teil der Verstärkungssteuerschaltung 195 auf der A-D-Platine bildet. Die in der Verstärkungsnachschlagetabelle implementierten Verstärkungswerte sind in 12 dargestellt. Die Verstärkungsnachschlagetabelle liefert 72 diskrete Verstärkungssteuerwerte (0-71), die Verstärkungseinstellungen im Bereich von 0-53,25 dB in Schritten von 0,75 dB entsprechen.
Jeder Verstärkungssteuerwert entspricht einer vorbestimmten Einstellung für die Verschlußgeschwindigkeit, die Videoverstärkerverstärkung und die A-D-Wandlerreferenzspannung. Beispielsweise erfordert der größte Verstärkungssteuerwert von 71, der unter den dunkelsten Beleuchtungsbedingungen verwendet werden würde, eine Verschlußgeschwindigkeit von 1/250 Sekunde. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, daß dies die langsamste Verschlußgeschwindigkeit ist, die ohne ein unnötiges Risiko für ein unscharfes Bild verwendet werden kann. Ein Verstärkungssteuerwert von 71 liefert auch eine Videoverstärker-Verstärkungseinstellung von 18 dB, was die größte von der bevorzugten Videoverstärkerschaltung bereitgestellte Verstärkungseinstellung ist. Das Referenzsignal des A-D-Wandlers wird ebenfalls eingestellt, so daß der A-D-Wandler während des Prozesses des Umwandelns des analogen Videosignals in ein digitales Signal seine größte relative Verstärkung liefert.
Die Hauptelemente der Verstärkungssteuerschaltung 195 sind in 13 dargestellt. Der Fachmann versteht, daß die in der Verstärkungsnachschlagetabelle gespeicherten Verstärkungssteuerwerte decodiert werden müssen, damit man die entsprechenden Eingangssignale für die Kamera, die Videoverstärkerschaltung und den A-D-Wandler erhält. Die bevorzugte Verstärkungssteuerschaltung 195 verwendet zum Speichern der Verstärkungssteuerwertnachschlagetabelle einen EPROM 500, der auf den vorausgegangenen Verstärkungssteuerwert und die von der Histogrammschaltung 190 auf die unten beschriebene Weise bereitgestellte Abschnittsnummer reagiert. Das Ausgangssignal des EPROM 500 wird an einen Decoder 505 geschickt, der Teil eines frei programmierbaren Gatearrays bildet. Der Decoder 505 decodiert den Verstärkungssteuerwert und liefert Signale, mit denen die Systemverstärkung eingestellt wird. Ein VIDEO_GAIN-Signal wird direkt an die Videoverstärkerschaltung 175 geliefert. Eine Verschlußeinstellung wird an die Verschlußsteuerschaltung 205 geschickt, wo sie dazu verwendet wird, einen Verschlußauslöseimpuls an die Kamera zu schicken. Ein Parabelseitensignal und ein REF-6-dB-Signal werden an die Parabelgeneratorschaltung geschickt, wo sie dazu verwendet werden, das Videoreferenzsignal zu dem A-D-Wandler zu steuern. Der Fachmann erkennt, daß bei einer alternativen Ausführungsform eine Parabelkorrekturfunktion auf die Videoverstärkerschaltung 175 oder sowohl auf den A-D-Wandler als auch die Videoverstärkerschaltung angewendet werden könnte. Die Funktionen der Verschlußsteuerschaltung und der Parabelgeneratorschaltung werden unten ausführlicher beschrieben.
Die Verstärkungsnachschlagetabelle wählt anfänglich einen Standardverstärkungssteuerwert von 32 aus, der für die Belichtung verwendet wird, die bei etwa 96 ms beginnt (siehe 11). Wie in 12 dargestellt, entspricht ein Verstärkungssteuerwert von 32 einer Videosystemverstärkungseinstellung von 24 dB. Das Ausgangssignal des A-D-Wandlers ist wie oben erörtert direkt proportional zu der Lichtintensität. Dadurch kann sich die Verstärkungsnachschlagetabelle auf das Verhältnis des Wandlerausgangssignals zu einem Sollwert verlassen, um die Gesamtvideoverstärkung des Systems einzustellen. Die besondere Weise, wie die Lichtmenge bestimmt und diese Einstellungen eingestellt werden, wird unten erörtert.
Nachdem die Histogrammanalyse auf das erste Videofeld angewendet worden ist (das mit den Standardverstärkungsjustierungseinstellungen erfaßt wurde), wählt die Verstärkungsnachschlagetabelle den Verstärkungssteuerwert für das zweite Videofeld auf der Basis der Lichtintensität, wie durch das Ausgangssignal des A-D-Wandlers angegeben. Die Lichtintensität wird durch einen Abschnittswert (BIN_NUM) dargestellt, der von der Histogrammschaltung geliefert wird.
Die Verstärkungsnachschlagetabelle stellt den nächsten Verstärkungssteuerwert auf der Basis des vorausgegangenen Verstärkungssteuerwerts und des Abschnittswerts aus dem jüngsten Histogramm ein. Der vorausgegangene Verstärkungswert wird von einem Datenzwischenspeicher 510 an den EPROM 500 geliefert. Die Verstärkungssteuerwerte werden zum Ansteuern der Signalverarbeitung gewählt, so daß 90% der Pixelgrauwerte (d.h. 230 von 255 Pixeln) im Bildbereich unter etwa 75% (190) des Sättigungswerts (255) fallen. Dies geschieht über folgende Gleichung: NÄCHSTER WERT = LETZTER WERT + 4/3·20 LOG (190/BIN_NUM)
Wenn das Bild von dem ersten Feld gesättigt ist (d.h. das Bild zu hell ist; BIN_NUM = 255), dann wird das zweite Feld mit einem zweiten Standardverstärkungssteuerwert von 8 belichtet, der eine Videosystemverstärkungseinstellung von 6 dB darstellt. In den meisten Fällen kann der Sprung vom Standardsteuerwert zum korrekten Verstärkungssteuerwert mit einer Korrektur erreicht werden. In dem Fall von hellen Lichtbedingungen jedoch, bei denen die CCD gesättigt wird, sind zwei Justierungen erforderlich. Das bevorzugte handgehaltene Etikettenlesegerät ist deshalb so ausgelegt, daß es die korrekte Belichtung über drei Videofelder erreicht.
14 ist ein Flußdiagramm, das das bevorzugte Verfahren 400 zum Durchführen der Histogrammanalyse darstellt, die von der Histogrammschaltung 190 ausgeführt wird. Wie oben beschrieben integriert die Histogrammfunktion die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Pixelintensität und erzeugt eine kumulative Verteilungsfunktion. Die in der Histogrammschaltung verwendete Hardware enthält kundenspezifisch programmierbare Logik, EPROM-Nachschlagetabellen, statische RAM, Datenpuffer und Zwischenspeicher. Alle diese Steuerfunktionen, Zähler, Ablaufsteuereinheiten, Multiplexierer, Addierer und Komparatoren werden in den frei programmierbaren Gatearrays implementiert, um die Flexibilität zu maximieren und den Platinenplatz zu minimieren.
Das bevorzugte Verfahren 400 beginnt bei Schritt 405 mit dem Leeren des Abschnitts-SRAM, das dazu verwendet wird, die Anzahl der Auftritte jedes Lichtintensitätswerts zu speichern. Bei Schritt 405 wird die Variable BIN_SUM_TOTAL, mit der die gespeicherten Abschnittswerte summiert werden, ebenfalls geleert.
Der Histogrammprozess tastet 255 vorausgewählte Pixel ab, um die Intensität des Bilds zu bestimmen. Die zur Analyse ausgewählten Pixel bilden ein halbzufälliges Muster ähnlich einem Schrotflintenmuster, bei dem sich die stärkste Konzentration in der Nähe der Mitte des Bilds befindet. Ein schrotflintenartiges Muster der in dem Histogrammprozeß verwendeten Art ist in 15 dargestellt. Bei dem bevorzugten handgehaltenen Etikettenlesegerät liegen die ausgewählten Pixel in dem mittleren Drittel des Bilds.
Die vorgewählten Pixel werden durch TREFFERBITS identifiziert, die in einer TREFFERTABELLE in einem EPROM gespeichert sind. Die TREFFERTABELLE enthält ein Bit für jedes der Pixel eines Videofelds. Die vorgewählten Bits werden angezeigt, indem eine 1 in diesem Bit in der TREFFERTABELLE gespeichert wird. Die anderen Bits, die von dem Histogrammprozeß ignoriert werden, werden in der TREFFERTABELLE durch 0 dargestellt. Während jedes Pixel 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 angegeben. Wenn das TREFFERBIT eine 0 ist, kehrt das Verfahren zum Schritt 410 zurück und wartet darauf, daß das nächste Pixel aus der Kamera ausgetaktet wird.
Wenn das TREFFERBIT eine 1 ist, geht das Verfahren weiter zu Schritt 420, wo mit dem Bilddatenbyte von dem A-D-Wandler die entsprechende Abschnittsnummer in dem Abschnitts-SRAM adressiert wird. Bei Schritt 425 liest das Verfahren den Wert, der gegenwärtig in diesem Abschnitt gespeichert ist. Bei Schritt 430 wird der Wert um Eins inkrementiert. Bei Schritt 435 wird der neue Wert wieder in dem Abschnitt gespeichert.
Bei Schritt 440 bestimmt das Verfahren, ob alle der 255 vorgewählten Pixel abgetastet worden sind. Bei der bevorzugten Histogrammschaltung erfolgt dies durch Zählen der Anzahl von HDRV-Signalen, die seit dem letzten VDRV-Signal aufgetreten sind, und Erzeugen eines TREFFERENDE-Signals, wenn die Zeile das letzte TREFFERBIT enthält. So verfolgt das Verfahren die Videozeile, für die es Daten erhält, und bestimmt, wann alle der TREFFERBITS untersucht worden sind. Alternativ könnte die Histogrammschaltung die Anzahl der TREFFERBITS verfolgen, die angetroffen worden sind. Der Fachmann versteht, daß die durch das bevorzugte Verfahren untersuchten Bits alle vor einem Punkt auftreten, der 2/3 entlang des Wegs durch das Videobild liegt. Dies geschieht, um Zeit zu ermöglichen, damit der Histogrammprozeß abgeschlossen wird und der neue Verstärkungssteuerwert rechtzeitig ausgewählt wird, um den elektronischen Verschluß für das nächste Feld auszulösen. So muß in Feld 1 von 11 der erste Histogrammprozeß bei etwa 95 ms abgeschlossen sein, damit Zeit zum Auslösen des elektronischen Verschlusses zur Verfügung steht, was schon bei etwa 96 ms erfolgen kann.
Wenn das Verfahren bei Schritt 440 bestimmt, daß alle der vorgewählten Pixel nicht abgetastet worden sind, kehrt das Verfahren zu Schritt 410 zurück. Wenn alle der vorgewählten Pixel analysiert worden sind, geht das Verfahren weiter zu Schritt 445 und löscht den BIN SUM-Wert, der dazu verwendet wird, die Werte der Abschnittsregister zu summieren.
Bei Schritt 450 setzt das Verfahren den Abschnitts-SRAM-Adresszeiger auf 00. Bei Schritt 455 liest das Verfahren den Wert in der Abschnitts-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 Abtastpixel ist (230 Pixel). Wenn dies der Fall ist, geht das Verfahren weiter zu Schritt 465, wo der Adresszeiger um 1 inkrementiert wird. Von Schritt 465 kehrt das Verfahren zu Schritt 455 zurück. Durch Wiederholen der Schritte 455, 460 und 465 summiert das Verfahren die Werte, die in Abschnitts-SRAM-Registern gespeichert sind.
Wenn das Verfahren bei Schritt 460 bestimmt, daß BIN SUM größer ist als der Schwellwert, geht das Verfahren weiter zu Schritt 470. Der Wert von BIN_NUM wird an die Verstärkungssteuerschaltung geliefert, wo er dazu verwendet wird, die Verstärkungsnachschlagetabelle zu adressieren.
16 veranschaulicht die Hauptelemente der Histogrammschaltung 190, die das Verfahren 400 von 14 implementiert. Die Histogrammschaltung enthält wie oben erwähnt eine kundenspezifisch programmierbare Logik, EPROM-Nachschlagetabellen, statische RAM-, Datenpuffer und Zwischenspeicher. Alle diese Steuerfunktionen, Zähler, Ablaufsteuereinheiten, Multiplexierer, Addierer und Komparatoren werden in den frei programmierbaren Gatearrays implementiert, um die Flexibilität zu maximieren und den Platinenplatz zu minimieren.
Die TREFFERTABELLE ist im EPROM 500 gespeichert, der bei dem bevorzugten handgehaltenen Etikettenlesegerät auch die Verstärkungssteuerwertnachschlagetabelle enthält (siehe 13). Die EPROM-Adresse wird von einem Zähler 520 geliefert, der von einem Teiler 525 angesteuert wird. Der Zähler 520 wird von einem Takt angesteuert, der gleich dem Pixeltakt dividiert durch 8 ist. Somit liefert das EPROM für alle 8 Pixel ein neues Byte (8 Bits). Der Teiler 525 steuert außerdem einen Multiplexierer 530, der für jedes Pixel ein einziges TREFFERBIT 8 (der 8 Bits) ausgibt.
Ein Datenzwischenspeicher 535 erhält das TREFFERBIT von dem Multiplexierer 530 und die digitalen Bilddaten von dem A-D-Wandler 180. Wenn das TREFFERBIT eine 1 ist, wird der digitale Bildwert im Datenzwischenspeicher 535 zwischengespeichert und zum Adressieren des Abschnitts-SRAM 540 verwendet. Das Ausgangssignal des Abschnitts-SRAM, das der an der adressierten Speicherstelle gespeicherte Wert ist, wird von einem Addierer 545 inkrementiert. Der inkrementierte Wert wird wieder im Abschnitts-SRAM 540 gespeichert.
Wenn alle TREFFERBITS verarbeitet sind, wird der Summierprozeß, der zu der Ausgabe des BIN_NUM-Werts führt, von einem Zähler 550 und Summierer/Komparator 555 ausgeführt. Der Zähler 550 beginnt bei der Adresse 00 und adressiert den Abschnitts-SRAM-Speicher sequenziell. Die Ausgabe jeder Adresse wird an den Summierer/Komparator 555 gesendet, der bestimmt, wann die Summe der Abschnitte größer oder gleich einem vorbestimmten Wert ist. Wenn dies eintritt, gibt der Komparator den BIN_NUM-Wert aus, der von der Verstärkungssteuerschaltung 195 verwendet wird.
Die 17a und 17b veranschaulichen die Ergebnisse der bevorzugten Histogrammfunktion bei Anwendung auf ein Probeetikett, das mit dem anfänglichen Verstärkungssteuerwert von 32 abgebildet wurde. 17b veranschaulicht die Wahrscheinlichkeitsdichte (Abtastwerte pro Abschnitt) als Funktion der Helligkeit (Abschnittsnummer). 17a veranschaulicht die kumulative Verteilung (kumulative Anzahl von Abtastwerten) als Funktion der Helligkeit (Abschnittsnummer).
Die Wahrscheinlichkeitsdichte (17b) ist das Ergebnis des Ausführens der Schritte 405 bis 440 des Verfahrens von 14 und gibt die Anzahl der abgetasteten Pixel bei jedem diskreten Intensitätspegel an. Somit scheinen in dem Beispiel von 17b die meisten der abgetasteten Pixel einen Helligkeitspegel im Bereich zwischen 150 und 200 zu haben. Dies zeigt an, daß das Bild recht hell war.
Die kumulative Dichte (17a) ist das Ergebnis des Ausführens der Schritte 445 bis 470 des Verfahrens von 14. Die kumulative Dichte, die man durch Integrieren der Wahrscheinlichkeitsdichte erhält, zeigt die Gesamtzahl der Proben an, die summiert werden, wenn die Abschnitte beginnend bei Abschnitt 0 sequenziell summiert werden.
17a zeigt außerdem den BIN_NUM-Wert, der von der Histogrammschaltung ausgegeben wird. Wie oben beschrieben, ist die BIN_NUM-Ausgabe die Abschnittszahl, die einer kumulativen Verteilung von 230 Abtastwerten entspricht. Somit würde die BIN_NUM-Ausgabe etwa 210 betragen. Dies weist darauf hin, daß das erfaßte Bild heller ist als die gewünschte Dichte von 190.
Die Verstärkungssteuerschaltung würde mit dem BIN_NUM-Wert von 210 und dem vorausgegangenen Verstärkungssteuerwert von 32 den auf das nächste Bild anzuwendenden Verstärkungssteuerwert bestimmen. Gemäß der oben in Verbindung mit 13 beschriebenen Gleichung: Nächster Verstärkungssteuerwert = 32 + (4/3·20 LOG 190/210) = 31.
Das Verhältnis des gewünschten Intensitätspegels (190) zum tatsächlichen Intensitätspegel (210) zeigt an, daß die Verstärkung um etwa –0,87 dB justiert werden muß. Beim Multiplizieren mit 4/3 entspricht dies einer Änderung von –1,16 für den Verstärkungssteuerwert, der in Schritten von 0,75 dB variiert. Somit wird der auf das nächste Bild angewendete Verstärkungssteuerwert 31 sein.
Die auf die CCD entfallende Bildfunktion kann als das Produkt aus zwei Funktionen beschrieben werden. Eine ist die Kontrastfunktion des Objekts, das beleuchtet und abgebildet wird. Die andere ist der kombinierte Effekt der Linse und der Beleuchtung. Wie oben beschrieben, bewirkt die KameraLinsenbaugruppe 120, daß die Intensität des von der Linsenbaugruppe ausgebildeten Bilds selbst dann um einen Faktor von etwa cos⁴(θ) abfällt, wenn das Objekt perfekt beleuchtet ist. Deshalb beträgt die Bildintensität in den Ecken eines gleichförmig beleuchteten Bilds, wo θ = 32°, etwa 52% der Intensität in der Mitte des Bilds. Diese Funktion ist in 18 dargestellt. Wie oben beschrieben, ist die von der Beleuchtungslichtquelle 75 bereitgestellte Beleuchtung recht gleichmäßig, weshalb die unerwünschte Funktion von dem Objektivabfalleffekt dominiert wird.
Die von der Linsenbaugruppe bewirkte Dämpfung ist unerwünscht und kann korrigiert werden, indem eine gute Annäherung der Abfallfunktion verwendet wird, um die relative Verstärkung des Video-A-D-Wandlers 180 zu justieren. Dies geschieht durch justieren der Referenzspannung des A-D-Wandlers. Indem die Verstärkung des A-D-Wandlers auf eine Weise erhöht wird, die dem von jedem Pixel erfahrenen Dämpfungsgrad entspricht, kompensiert der A-D-Wandler die Tatsache, daß die Pixel dunkler werden, 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 recht gleichförmig abfällt, wenn man sich von der Mitte zu den Kanten bewegt. Somit kann die Abfallkompensationsfunktion sehr gut als die Summe von zwei Parabeln angenähert werden, wobei eine Parabel einmal pro Feld angewendet wird, um in der vertikalen Richtung zu korrigieren, die andere einmal pro Videozeile angewendet wird, um in der horizontalen Richtung zu korrigieren. Dadurch ist das Ausgangssignal des Digitalisierungsprozesses ein digitales Bild, dessen Kontrast über das ganze Blickfeld hinweg fast konstant ist.
Die Hauptelemente der Parabelgeneratorschaltung 200 auf der A-D-Platine sind in 19 dargestellt. Die Parabelgeneratorschaltung verwendet eine Taktschaltung 570, einen Adresszähler 575, ein EPROM 580, einen Digital-Analog-Wandler (D-A) 585 und einen Tiefpaßfilter 590. Das EPROM speichert 8 Parabelwellenformen in 8 "Seiten". Jede Seite wird verwendet, um eine andere mittlere Verstärkungseinstellung für den A-D-Wandler bereitzustellen. Der Fachmann versteht, daß die Gestalten der Wellenformen in den verschiedenen Seiten so gut wie identisch sind. Die Werte sind jedoch skaliert, damit man verschiedene mittlere Verstärkungseinstellungen erhält.
Die Taktschaltung 570 teilt den Pixeltakt durch 32 und resynchronisiert mit jedem HDRV-Signal. Das Ausgangssignal der Taktschaltung wird zu dem Zähler 575 geschickt, der die Adresse für die Nachschlagetabelle im EPROM 580 bildet. Somit wird jeder Wert aus dem EPROM auf 32 Pixel angewendet. Die EPROM-Seite wird durch ein Seitensignal (P PAGE) von der Verstärkungssteuerschaltung ausgewählt. An Hand der Tabelle in 12 erkennt der Fachmann, daß die Parabelseitenauswahl durch den Verstärkungssteuerwert bestimmt wird und die feinste Komponente der Gesamtverstärkungseinstellung 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 durch die Nachschlagetabelle hindurch wiederholen.
Die Ausgabe des EPROM wird an den D-A-Wandler 585 geschickt, der den digitalen Wert von dem EPROM in einen analogen Wert umwandelt. Die analoge Ausgabe 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 die Ausgabe des D-A-Wandlers um 6 dB, wodurch die Ausgabe des A-D-Wandlers um 6 dB erhöht wird.
Die Ausgabe des D-A-Wandlers wird durch das Tiefpaßfilter 590 geschickt, das das Signal glättet und eine präzise Annäherung der Parabelfunktion liefert. Das bevorzugte Tiefpaßfilter 590 ist ein Bessel-Tiefpaßfilter mit einer Grenzfrequenz von etwa 50 kHZ. Ein Bessel-Filter wird wegen seiner glatten Frequenzabsenkung und seiner flachen Verzögerung über die Frequenz hinweg verwendet.
20 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem Ausgangssignal 600 des Digital-Analog-Wandlers (D-A) 585 und dem Ausgangssignal 605 des Tiefpaßfilters 590. Die in 20 gezeigte Kurve stellt denjenigen Teil einer Funktion dar, der auf eine horizontale Zeile des CCD-Videoausgangssignals angewendet wird. Der Prozeß kann so zusammengefaßt werden, daß die Ausgabe des EPROM dazu verwendet wird, eine Treppenstufenfunktion zu erzeugen, die allgemein wie eine Parabel aussieht. Das Tiefpaßfilter glättet dann die Ecken ab, um eine geeignete Kurvenfunktion zu liefern, die an den REFERENCE-Eingang des A-D-Wandlers angelegt wird. Die in der Nachschlagetabelle des EPROM gespeicherten Werte werden dann erzeugt, indem ein Computer verwendet wird, 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 dargestellt werden können, indem pro 32 Pixeln ein Nachschlagetabellenwert bereitgestellt wird. Dies ist vorteilhaft, weil es gestattet, daß die Parabelerzeugungsschaltung ein allgemein parabelförmiges Ausgangssignal liefert und dabei auch Speicher spart.
Die Verschlußsteuerschaltung 205 verwendet die Verschlußeinstellung von der Verstärkungssteuerschaltung 195, um einen Verschlußauslöseimpuls an die Kamera zu schicken. Die Beziehung zwischen Auslöseimpuls, Verschlußgeschwindigkeit und anderen Kamerasignalen ist in 21 dargestellt.
Wie weiter oben beschrieben, geben die VDRV-Signale jeweils den Beginn eines neuen Videofelds an. Die HDRV-Signale geben jeweils den Beginn einer neuen Zeile an. Kurz nach jedem VDRV-Signal wird die akkumulierte Pixelladung von den CCD-Fotoelementen zu den entsprechenden Registern übertragen. Von den Registern werden die Pixelwerte als analoge CCD-Videodaten aus der Kamera ausgetaktet. Das Übertragungstaktsignal (XFER CLK) gibt an, wann die Ladung von den Fotoelementen zu den Registern übertragen wird.
Vor dem Auslöseimpuls wird die von den Fotoelementen der CCD akkumulierte elektrische Ladung bei jedem HDRV-Signal gelöscht. Die Integrationszeit oder Verschlußgeschwindigkeit beginnt, wenn der Auslöseimpuls an die Kamera geschickt wird. An diesem Punkt akkumulieren die Fotoelemente weiterhin Ladung, bis der Übertragungstakt auftritt. Somit wird die Integrationszeit oder Verschlußgeschwindigkeit 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 Auftreten des nächsten Übertragungstakts voraussehen und den Auslöseimpuls am entsprechenden Punkt vor dem Übertragungstakt liefern. Dies geschieht durch Verlassen auf die bekannte Beziehung zwischen HDRV-Signalen und dem Übertragungstakt.
Das Interval zwischen HDRV-Signalen beträgt etwa 64 Mikrosekunden (μs). Der Übertragungstakt tritt etwa 35 μs nach dem vorausgegangenen HDRV auf. Außerdem haben die CCD-Elemente bereits über 64 μs hinweg Ladung gespeichert, wenn der Auslöseimpuls erhalten wird. Dies tritt ein, weil der Auslöseimpuls der Kamera sagt, die Ladung, die sie bereits seit dem letzten HDRV-Signal akkumuliert hat, nicht zu löschen. Somit ist die Integrationszeit gleich der Anzahl der HDRV-Perioden zwischen dem Auslöseimpuls und dem Übertragungstakt plus 1 HDRV-Periode (64 μs), plus 35 μs.
Die Auslöseimpulsfunktion wird in einem frei programmierbaren Gatearray implementiert. Nachdem das Histogramm erledigt ist und eine neue Verschlußeinstellung von der Verstärkungssteuerschaltung bereitgestellt ist, wird die Verschlußeinstellung decodiert und ein Auslöseabwärtszähler wird mit einer 7 Bit-Zahl im voraus geladen. Die Zählung wird freigegeben und der Zähler zählt abwärts bis auf 0. Wenn der Zähler 0 erreicht, wird ein Auslöseimpuls zu der Kamera geschickt. Der Auslöseimpuls ist 6,32 μs lang und ist aktiv L. Die Länge des Auslöseimpulses entspricht der Länge des HDRV-Impulses (91 Pixeltakte).
Die Zählervoreinstellungen werden bestimmt durch das Wissen der relativen Position des TREFFERENDE-Impulses zu dem Übertragungstakt in der CCD-Kamera. Der TREFFERENDE-Impuls kann erzeugt werden durch Zählen der Anzahl von TREFFERBITS, die angetroffen worden sind, oder durch Zählen der Anzahl von Zeilen, die aus der Kamera ausgetaktet worden sind. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, daß der TREFFERENDE-Impuls sogar noch zu einem Zeitpunkt 78% in das Videofeld hinein erzeugt werden kann und die Verstärkungseinstellungen immer noch für die schlechteste (früheste) Auslöseposition berechnet werden können, die 1/250 Sekunde beträgt. Wie oben jedoch erwähnt, enthält die bevorzugte TREFFERTABELLE Pixel, die sich in dem mittleren Drittel des Videofelds befinden. Wie oben erwähnt, liefert die A-D-Platine auch ein LED-ON-Signal an die Steuerplatine, was die Beleuchtungslichtquelle nur während der CCD-Belichtungsperioden einschaltet.
Somit muß das Auslösesignal bei der entsprechenden Anzahl von HDRV-Signalen vor dem Übertragungstakt gesendet werden. Die folgende Tabelle veranschaulicht verschiedene typische Integrationszeiten und die entsprechende Anzahl von HDRV-Signalen, um die der Auslöseimpuls dem Übertragungstakt vorausgehen muß:
Wenngleich sich die vorausgegangene Beschreibung auf das bevorzugte handgehaltene Etikettenlesegerät 10 konzentriert hat, 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. Beispielsweise zeigt 22 eine alternative Ausführungsform, bei der die automatische elektronische Kamera der vorliegenden Erfindung in ein tragbares Datenterminal 45 integriert ist. Das tragbare Datenterminal 45 enthält eine Tastatur 50, die sowohl alphanumerische als auch funktionsbezogene Tasten bereitstellt, mit denen der Benutzer Befehle und alphanumerische Daten eingeben kann. Ein Unterschriftenerfassungspad 55 wird verwendet, um die Unterschrift der das Paket empfangenen Person zu digitalisieren und zu erfassen. Mit einem Display 60 werden über die Tastatur und das Unterschriftenerfassungspad eingegebene Daten wiedergegeben und Versandinformationen (z.B. Preise usw.) als Reaktion auf eingegebene Daten geliefert. Ein optischer Schnittstellenport (nicht gezeigt) ist bereitgestellt, damit serielle Daten zu und von dem tragbaren Datenterminal 45 übertragen werden können. Das tragbare Datenterminal 45 wird von einem Mikroprozessor und anderen Elektronikschaltungen (nicht gezeigt) gesteuert. Ein derartige Merkmale enthaltendes tragbares Datenterminal ist in dem US-Patent Nr. 5,278,399 mit dem Titel "Data Entry Unit" [Dateneingabeeinheit] beschrieben, dessen Offenbarung durch Bezugnahme hier aufgenommen ist.
Weiterhin sind viele der Funktionen der automatischen elektronischen Kamera so beschrieben worden, daß sie in verschiedenen Arten von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen wie etwa frei programmierbaren Gatearrays implementiert werden. Der Fachmann versteht, daß die hier beschriebenen Funktionen auch durch die Verwendung eines programmierten Allzweckmikroprozessors oder anderer Elektronikeinrichtungen implementiert werden können.
Die vorliegende Erfindung ist dementsprechend bezüglich besonderer Ausführungsformen beschrieben worden, die in jeder Hinsicht veranschaulichen und nicht einschränken sollen. Für den Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, ergeben sich alternative Ausführungsformen, ohne von ihrem Gedanken und ihrem Schutzbereich abzuweichen. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung wird dementsprechend durch die beigefügten Ansprüche anstatt durch die vorausgegangene Beschreibung definiert.

Claims

Leuchte zum Beleuchten eines Bereichs, der ein von einer Kamera entlang einer optischen Achse abzubildendes Ziel enthält, wobei der Bereich dem Blickfeld der Kamera entspricht, wobei die Leuchte mehrere Lichtquellen (105) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellen in einem Ring angeordnet sind, wobei jede der Lichtquellen (105) dafür ausgelegt ist, einen allgemein kreisförmigen Lichtstrahl parallel zu der optischen Achse zu projizieren und die Lichtstrahlen konzentrisch um die Achse herum angeordnet sind; wobei eine streuende Ringlinse (110) bei Gebrauch zwischen den mehreren Lichtquellen (105) und einem Ziel positioniert ist, wobei die streuende Ringlinse (110) eine Ringgestalt aufweist und konzentrisch zu der Achse angeordnet ist, wobei die streuende Ringlinse (110) eine flache Vorderseite (130) und eine Rückseite (125) enthält, wobei die Rückseite (125) einen Innenteil und einen konzentrischen Teil, der sich konzentrisch um den Innenteil erstreckt, enthält, wobei der Innenteil parallel zu der Vorderseite (130) angeordnet ist und der konzentrische Teil in einer Richtung radial von der Vorderseite (130) nach außen divergiert; und wobei eine streuende Schicht (113) neben der streuenden Ringlinse (110) vorgesehen ist, wodurch von den mehreren Lichtquellen (105) projizierte kreisförmige Lichtstrahlen gestreut werden, um den Bereich des Blickfelds im wesentlichen gleichförmig zu beleuchten.
Leuchte nach Anspruch 1, wobei der konzentrische Teil einen Teil eines Kegels umfaßt, der sich von der Vorderseite weg öffnet.
Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die streuende Ringlinse (110) dafür ausgelegt ist, zu bewirken, daß die von den mehreren Lichtquellen (105) projizierten kreisförmigen Lichtstrahlen von der optischen Achse weg abgelenkt werden.
Leuchte nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die streuende Ringlinse (110) dafür ausgelegt ist, zu bewirken, daß die von den mehreren Lichtquellen (105) projizierten kreisförmigen Lichtstrahlen zu Ellipsen gestreckt werden.
Leuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und weiterhin mit einem Polarisationsfilter (115), der bei Betrieb zwischen der streuenden Ringlinse (110) und einem Ziel angeordnet ist.
Leuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die streuende Ringlinse (110) eine plankonkave Linse umfaßt.
Leuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die streuende Ringlinse (110) eine Fresnel-Linse mit negativer Brennweite umfaßt.
Leuchte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Lichtquellen (105) Leuchtdioden umfassen.
Elektronische Kamera (65) zum Erfassen eines Bilds eines Ziels und umfassend: eine Leuchte nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einen Bildsensor (122) mit einer optischen Baugruppe (120) auf der optischen Achse und mit einem Blickfeld zur Bilderfassung durch den Bildsensor.
Elektronische Kamera nach Anspruch 9 zum Herstellen eines digitalen Bilds, dessen Kontrast über ein Blickfeld hinweg fast konstant ist, wobei: der Bildsensor (122) eine einstellbare Verschlußgeschwindigkeitssteuerung und Mittel zum Erzeugen eines analogen Bildsignals enthält; wobei die Linse (110) so geformt ist, daß sie Licht von den Lichtquellen in einem Lichtmuster projiziert, dessen Form von der Mitte bis zur Kante durch die Schärfentiefe etwa konstant und konsistent bleibt; wobei die Kamera weiterhin folgendes enthält: eine Videoverstärkungsschaltung, die so konfiguriert ist, daß sie das analoge Bildsignal empfängt und ein verstärktes analoges Bildsignal ausgibt; einen Analog-Digital-Wandler mit einem A-D-Verstärkungscontroller, der auf einen A-D-Referenzeingang reagiert und so konfiguriert ist, daß er das verstärkte analoge Signal von dem Bildsensor in ein digitales Bildsignal umwandelt; einen Bildkorrektor, der so konfiguriert ist, daß er das digitale Bild justiert, um von der Linse verursachte unerwünschte Dämpfungseffekte und unerwünschte Effekte des Lichtmusters zu kompensieren, indem er eine Korrektur anwendet, die als Funktion des Winkels von der optischen Achse variiert; und eine Intensitätsauswerteeinrichtungsschaltung, die so konfiguriert ist, daß sie das digitale Bildsignal empfängt und an den Bildkorrektor ein intensitätsabhängiges Ausgangssignal liefert; wobei der Bildkorrektor Korrekturparameter an die Verschlußgeschwindigkeitssteuerung, die Video verstärkungsschaltung und den A-D-Referenzeingang überträgt.
Elektronische Kamera nach Anspruch 10, wobei der Bildkorrektor einen Prozessor umfaßt, der konfiguriert ist zum: Speichern von mehreren Werten entsprechend der Dämpfung, wobei die mehreren Werte ausreichen, um eine Kurve mit Punkten entsprechend jedem Pixel in einem von der Kamera gelieferten Videosignal zu erzeugen; sequenziellen Abrufen der mehreren Werte; Filtern der mehreren Werte zur Bereitstellung der Kurve; Anwenden einer Übertragungsfunktion auf das Videosignal in einem Datenkonvertierungssystem und Anwenden des entsprechenden Punkts auf der Kurve für jedes von der Kamera gelieferte Pixel zum Einstellen der Übertragungsfunktion.
Elektronische Kamera nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Übertragungsfunktion dafür ausgelegt ist, durch Variieren einer Referenzspannung des Analog-Digital-Wandlers justiert zu werden.
Elektronische Kamera nach einem der Ansprüche 10-12, wobei die Intensitätsauswerteeinrichtungsschaltung so konfiguriert ist, daß sie nur an einer ausgewählten Untermenge von Pixeln eines von der Kamera erzeugten Videofelds arbeitet und ein mit der Intensität der ausgewählten Untermenge von Pixeln variierendes Korrektursignal ausgibt.
Elektronische Kamera nach Anspruch 13, wobei die ausgewählte Untermenge von Pixeln ein Pixelmuster in dem Videofeld definiert.
Elektronische Kamera nach Anspruch 14, wobei das Pixelmuster ungefähr ein in der ungefähren Mitte des Videofelds zentriertes Schrotflintenmuster ist.