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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Scannen einer
Vorlage sowie ein Verfahren zum Scannen von Vorlagen.
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Die
digitale Bilderfassung von gebundenen Dokumenten stellt hohe Anforderungen
an den Scanvorgang. Gerade bei der Digitalisierung alter Bücher aus
dem Bestand von Bibliotheken und Museen besteht die Forderung, die
empfindlichen Oberflächen berührungsfrei
und ohne Andruck einer Glasplatte abzutasten. Ferner sind die Bücher bei
einem brüchigen
Buchrücken
nur bis zu einem gewissen Winkel zu öffnen und die Seiten der Bücher dürfen einer nicht
zu hohen UV- und IR-Belastung ausgesetzt werden. Ferner muß die gesamte
Vorlagenfläche durchgehend
in einem Bild erfaßbar
sein und Informationen aus dem Buchfalzbereich müssen verzerrungsfrei erfaßt werden.
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Aus
JP 10336393 A ist
ein Lesegerät
bekannt, bei dem der Lesekopf aus einer Mittelsenkrechten über den
Buchfalz herausgeschwenkt und schräg auf die einzelnen Buchseiten
gerichtet werden kann. Auf diese Weise schaut der Lesekopf tiefer in
den Buchfalz. Die Scharfstellung der Optik erfolgt bei dem bekannten
Lesegerät über einen
schräg
an der Buchkante angelegten Spiegel, mit dessen Reflektion die Höhe der Buchseite
bestimmt werden kann. Die genaue Bestimmung der Buchhöhe und die damit
verbundene exakte Nachführung
der Schärfe ist
bei diesem Buchscanner von besonderer Bedeutung, da durch die schräge Betrachtung
der Buchseite der Seitenrand wesentlich weiter von dem Sensor entfernt
ist als von der Buchfalz und so Verzerrungen und Unschärfe entstehen.
Bei dem Scanvorgang mit dem bekannten Lesegerät wird, nachdem eine Buchseite
erfaßt
worden ist, der gesamte Scankopf in die gegenüberliegende Position geschwenkt
und die zweite Seite wird nach dem gleichen Verfahren erfaßt.
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Aus
JP 2003101733 A ist
ein Lesegerät
bekannt, bei dem eine freie Kameraanordnung über der Vorlage möglich ist
und sich eine Scheimpflug-Bedingung einstellen läßt.
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Beiden
Geräten
ist gemeinsam, daß über einen
Winkel in den Buchfalz geschaut wird. Jedoch erfordern beide Geräte, daß die Kamera
und/oder die Vorlage innerhalb eines Scanzyklus neu positioniert werden
muß, wodurch
der Durchsatz deutlich verringert wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Scannen
einer Vorlage bereitzustellen, die mit einfachen Mitteln ein verzerrungsfreies
Scannen auch im Bereich dieser Falz erlaubt.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen bilden die Gegenstände der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Scannen besitzt einen Ständer
und ein Kameramodul, das einen lichtempfindlichen Sensor und eine Optik
aufweist. Das Kameramodul ist zum Abtasten einer Vorlage verfahrbar
an dem Ständer
gehalten. Die Optik besitzt einen Spiegel, der zwei Positionen in
dem Kameramodul besitzt, von denen in einer ersten Position ein
erster Bereich der Vorlage über
einen ersten optischen Pfad auf den Sensor abgebildet und in der
zweiten Position ein zweiter Bereich der Vorlage über einen
zweiten optischen Pfad auf den Sensor abgebildet wird. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird ein verfahrbares Kameramodul eingesetzt, das zwei unterschiedliche
optische Pfade besitzt, über
die Bereiche der Vorlage auf den Sensor abgebildet werden. Bei einem
Wechsel der abzubildenden Bereiche ist es lediglich erforderlich,
den Spiegel in seiner Position zu wechseln. Bevorzugt wird das Kameramodul
kontinuierlich verfahren, während
der Spiegel seine Position wechselt, um zwischen erstem und zweitem
Bereich der Vorlage umzuschalten. Bevorzugt kann das Kameramodul
sogar mit annähernd
konstanter Geschwindigkeit verfahren werden. Bei dieser zweckmäßigen Ausgestaltung
kann ein aufgeschlagenes Buch in einem durchgehenden Scanzyklus
abgetastet werden, wobei während
der Bewegung des Kameramoduls durch ein Schwenken des Spiegels der
optische Pfad gewechselt wird.
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Bevorzugt
ist an dem Ständer
für die
Vorrichtung eine Ablageeinrichtung für zu scannende Vorlagen vorgesehen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung trifft der erste und der zweite
optische Pfad unter einem Winkel (W) gegenüber der Flächennormalen einer Ablagefläche oder
mehrerer Ablagenflächen
auf die Ablageeinrichtung. Bevorzugt sind die erste und die zweite
Position des Spiegels derart gewählt,
daß die
optischen Pfade jeweils unter einem entgegengesetzten Winkel auf
die Ablagefläche
bzw. die Ablageflächen
treffen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist in mindestens einem der optischen
Pfade ein Umlenkspiegel vorgesehen. Bevorzugt ist in dem ersten
und dem zweiten optischen Pfad jeweils ein erster und ein zweiter
Umlenkspiegel vorgesehen. Bevorzugt besitzt einer der Umlenkspiegel
einen Hilfsspiegel, der sich in dem optischen Pfad anordnen läßt, um diesen auf
einen weiteren Spiegel umzulenken. Der weitere Spiegel bildet über einen
dritten optischen Pfad die Vorlage auf den Sensor ab. Bevorzugt
trifft der dritte optische Pfad unter einem rechten Winkel auf die Vorlagenfläche bzw.
die Vorlagenflächen.
Der dritte optische Pfad kann zweckmäßigerweise eingesetzt werden,
wenn eine annähernd
ebene Vorlage abgetastet werden soll. In diesem Fall kann mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
ein Abtasten eines ebenen Dokuments unter einem für die Auflösung günstigen
Winkel von 90° erfolgen.
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In
einer zweckmäßigen Weiterentwicklung der
erfindungsgemäßen Vorrichung
sind der Sensor und/oder eine in dem optischen Pfad angeordnete Linse
entlang dem optischen Pfad verfahrbar. Ferner kann bevorzugt der
erste und/oder der zweite Umlenkspiegel entlang dem optischen Pfad
verfahrbar sein, um die Gesamtlänge
des optischen Pfades von der abzutastenden Oberfläche zu dem
Sensor über den
Verfahrweg des Kameramoduls konstant zu halten.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird ebenfalls durch ein Verfahren zum Scannen von Vorlagen gelöst. Bei
dem Verfahren wird ein verfahrbares Kameramodul verwendet, das mindestens
einen lichtempfindlichen Sensor aufweist und über mindestens zwei optische
Pfade Bereiche der Vorlage auf den Sensor abbildet. In einem ersten
Verfahrensschritt wird ein erster Bereich der Vorlage über den
ersten optischen Pfad abgetastet und nachfolgend wird ein zweiter
Bereich der Vorlage über
den zweiten optischen Pfad abgetastet, das Verfahren des Kameramoduls
wird hierbei nicht unterbrochen. Das Kameramodul wird während eines
Scanzyklus kontinuierlich linear bewegt. Bevorzugt sind die beiden
Bereiche einander überlappend
ausgebildet, wobei zweckmäßigerweise
zum Scannen eines gebundenen Buches die Bereiche jeweils mindestens
eine Buchseite umfassen. Ferner erweist es sich als überaus vorteilhaft, die
optischen Pfade schräg
in einen Bereich der Buchfalz fallenzulassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
zu der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es
zeigt:
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1 eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Scanvorrichtung
in der schematischen Ansicht von der Seite bei einem vollständig aufgeschlagenen
Buch mit dem Kamerakopf in drei unterschiedlichen Positionen,
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2 eine
weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit verfahrbaren
Umlenkspiegeln,
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3 eine
weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum senkrechten
Abtasten von Dokumenten,
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4 eine
perspektivische Ansicht der Gesamtvorrichtung,
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5 eine
perspektivische Ansicht eines aufgeschlagenen Buches mit Kamerakopf
und Beleuchtung,
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6 die
Darstellung der Abbildung im Falzbereich bei einer schrägen Abtastung
der Dokumentvorlage,
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7 u. 8 die
Geometrie der schrägen Abtastung
im Falzbereich und
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9 ein
Blockdiagramm zum Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt
einen Scankopf 10 in drei unterschiedlichen Positionen
A, B und C. Der Scankopf 10 wird entlang der durch den
Doppelpfeil 10 dargestellten Verfahrrichtungen 12 verfahren,
so daß er
zeitlich nacheinander die Position A, B und C oder C, B, A durchläuft. 1 zeigt
eine Darstellung, bei der zur besseren Übersicht die drei unterschiedlichen
Positionen A, B und C gleichzeitig dargestellt sind. Der Scankopf 10 besitzt
einen Sensor 14 und eine zugehörige Linse 16. Zu
der Optik in dem Scankopf 10 gehört ferner ein Spiegel 18,
der verschwenkbar in dem Scankopf 10 angeordnet ist. Der
Spiegel 18 schwenkt in Position B entlang dem Pfeil um,
so daß in
den Positionen A und C unter einem unterschiedlichen Winkel die
Vorlage 22 abgetastet wird. In 1 ist in
Position A der Spiegel 18 zu dem ersten Spiegel 24 gerichtet.
Der erste optische Pfad 26 verläuft entlang der gestrichelt
dargestellten Linie und trifft unter einem Winkel 28 auf
die Oberfläche
von Buch 22. Mit anderen Worten: In Position A wird die
Oberfläche des
Buches 22 unter einem Winkel 28, der gegen den Uhrzeigersinn
orientiert ist, abgetastet. In Position B ist der Sensor 14 bis
ungefähr
zur Mitte M des Buches vorgeschoben. Über den Spiegel 26 wurde
der Bereich s1, also vom rechten Rand des Buches über die
Mitte hinaus, abgetastet. In dieser Position wird der Spiegel 18 in
Richtung 20 umgelenkt, so daß nachfolgend die Abbildung über den
zweiten Spiegel 30 über
einen zweiten optischen Pfad 32 erfolgt. Von dieser Position
aus wird bis zum Erreichen der Position C der Bereich s2 der Vorlage
abgetastet. Entlang dem zweiten optischen Pfad 32 erfolgt
die Abbildung unter einem Winkel 34, der, bezogen auf die
Flächennormale
der Vorlage, entgegengesetzt orientiert ist. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
sind die Winkel 28 und 34 als Wechselwinkel ungefähr gleich groß.
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Der
Scanzyklus A, B, C oder C, B, A bei einem um 180° aufgeschlagenen Buch 22 besteht
aus zwei Bereichen, s1 und s2. Störungen, die während des
Kippens 20 des Spiegels 18 auftreten können, haben
keine Auswirkungen auf das Bild, da die optischen Achsen 26 und 32 jeweils
auf die gegenüberliegende
Vorlagenseite weisen und somit der Bereich der Buchfalz doppelt
abgetastet wird. Etwaige Fehler können dann bei einer Nachbearbeitung
herausgerechnet werden.
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2 zeigt
eine andere Ausgestaltung eines Scankopfs 36. Der Scankopf 36 ist
speziell für
das Scannen von Büchern
ausgelegt, die nicht vollständig
aufgeschlagen werden können.
In dem Scankopf 36 sind übereinstimmende Bauelemente
mit dem Scankopf 10 mit gleichen Bezugszeichen belegt.
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Position
C in 2 zeigt den ersten optischen Pfad zum Abtasten
des Buches 22, beginnend am rechten Rand.
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Der
Scankopf 36 bewegt sich mit der Geschwindigkeit v10 auf
die Position B zu. Hierbei wird der Spiegel 40 mit der
Geschwindigkeit v11 in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Die Überlagerung der
Bewegungen bewirkt, daß die
Spiegel 18 und 40 sich aufeinander zu bewegen,
wodurch die Gesamtlänge
des optischen Pfades 38 im Scankopf verkürzt wird.
Gleichzeitig führt
die Bewegung des Scankopfes 36 dazu, daß der Abstand zwischen Sensor 14 und
Oberfläche
des Buches 22 bzw. der Abstand zwischen Spiegel 40 und
Buchoberfläche
größer wird. Bei
der dargestellten Ausgestaltung sind die Geschwindigkeiten v10 und
v11 so gewählt,
daß der
erste optische Pfad 38 eine konstante Länge besitzt und die Vorlage
mit einer konstanten Geschwindigkeit abgetastet wird.
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In
der Mittelposition B, wenn der Sensor 14 die Mitte des
Buches erreicht hat, erfolgt das Umschwenken, des Spiegels 18,
so daß die
Vorlage über
einen zweiten optischen Pfad 42 abgetastet wird. Der zweite
optische Pfad 42 verläuft über einen zweiten
Spiegel 44, der sich in Position B am nächsten zu Spiegel 18 befindet.
Bei einem Verfahren in die Position A wird der Scankopf 36 mit
der Geschwindigkeit v20 bewegt, während sich der Spiegel 44 mit der
Geschwindigkeit v21 bewegt. Hierbei sind die Geschwindigkeit v20
und v21 entgegengesetzt gerichtet, sodass zum Ausgleich des Höhenunterschiedes
im Bereich s2 der Abstand zwischen Spiegel 18 und Spiegel 44 zunimmt.
Die Richtung der Geschwindigkeiten ist hier bezogen auf den Sensor
als Bezugspunkt beschrieben.
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Um
eine konstante Lesegeschwindigkeit auf dem Dokument 22 zu
erzielen, gilt für
die Geschwindigkeit die folgende vektorielle Beziehung: v10 + v11 = v20 + v21.
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Auch
bei der Abtastung des nicht vollständig aufgeschlagenen Buches
können
durch das Umklappen des Spiegels auftretende Störungen aus dem Bild herausgerechnet
werden, da im Bereich der Buchfalz die Vorlage zweimal abgetastet
wird.
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Wie
in 2 und 3 zu erkennen ist, wird das
um den Winkel W 46 aufgeschlagene Buch senkrecht abgetastet.
Mithin sind die Spiegel gerade so ausgerichtet, daß die Summe
der Winkelbeträge 28 und 34 ungefähr den Winkel
W ergibt.
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3 zeigt
einen dritten erfindungsgemäßen Scankopf 48.
Der Scankopf 48 wird entlang der Richtungen 50 über eine
Vorlage 52 verfahren. Für eine
senkrechte Abtastung der Vorlage 52 sind in dem Scankopf 48 ein
Hilfsspiegel 56 und ein weiterer Spiegel 58 vorgesehen.
Spiegel 54 und 56 sind dabei im rechten Winkel
zueinander angeordnet, so daß einfallender
und ausfallender Lichtstrahl parallel zueinander verlaufen. Der
optische Pfad 60 trifft senkrecht auf die Vorlage 52,
so daß ohne
Verzerrung die Vorlage abgebildet werden kann.
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Um
bei dem Scankopf 48 Abbildungsmaßstab und Schärfe zu ändern, besteht
die Möglichkeit, das
Spiegelpaar 54 und 56 sowie den Abstand zwischen
Linse 16 und Sensor 14 entlang der Richtung 62 bzw.
Richtung 64 zu verfahren. Die Anpassung von Linse 16 und
Sensor 14 kann auch durch Änderung der Brennwerte erfolgen.
Bei dem Scannen einer im wesentlichen ebenen Vorlage 52 ist
ein Umschalten des Spiegels 18 nicht erforderlich, da die Abtastung über die
gesamte Vorlage 52 mit den Spiegeln 56 und 58 erfolgen
kann.
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4 zeigt
den prinzipiellen Aufbau des Scannersystems. Eine zu scannende Vorlage 66 wird auf
einem geeigneten Vorlagenhalter 68 positioniert. Dieser
kann eine plane Fläche
sein, wie in 4 dargestellt, die mit Markierungen
(nicht gezeigt) zur exakten Positionierung versehen ist. Für gebundene Vorlagen
können
auch an sich bekannte Buchwippen als Vorlagenhalter eingesetzt werden,
um unterschiedliche Buchhöhen
auf ein einheitliches Höhenniveau
auszugleichen.
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Über die
Arme 70, 72 wird ein Ausleger 74 parallel
zu der Unterlage 68 positioniert. In den Armen 70 und 72 kann
die nicht dargestellte Steuer- und Bildverarbeitungselektronik sowie
die Spannungsversorgung des Scanners vorgesehen sein. Entlang dem
Ausleger 74 verfährt
der Kamerakopf 76 mit einer zusätzlichen Beleuchtung 78.
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Die
Antriebskomponenten für
das Verfahren des Kameramoduls 76 und der Beleuchtung 78 befinden
sich in dem Ausleger 74. Die Beleuchtung 78 projeziert
Licht in einem Bereich 80 auf die Vorlage 66 (vgl. 5) über das
Kameramodul 76, das den beleuchteten Bereich 80 einscannt.
Der in dem Kameramodul 76 vorgesehene Aufnahmesensor besteht
aus einem CCD-Zeilensensor, der parallel zur Buchfalz ausgerichtet
ist und in Richtung 82 ausgelesen wird. Zur zweidimensionalen
Abtastung der Vorlage 66 wird die Beleuchtung 78 und
das Kameramodul 76 entlang den Richtungen 84 verfahren.
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6 zeigt
in 86 die Ergebnisse der Abtastung eines aufgeschlagenen
Buches, wenn die Abtastung unter einem Winkel 88 gegenüber der
Flächennormale 90 erfolgt.
Die Umlenkung des optischen Pfades 92 ist in 6 zur
besseren Übersicht nicht
dargestellt.
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Das
aufgenommene Bild 86 im Vergleich zu der Aufnahme 94,
die bei einer senkrechten Abtastung entlang der Flächennormalen 90 erfolgte,
macht deutlich, daß die
Details im Bereich der Buchkrümmung
entlang dem Falzbereich nicht so gestaucht abgebildet werden. Wie
in 6 deutlich erkennbar, werden die Buchstaben hin
zu dem Falzbereich zunehmend gestaucht.
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Die
Wirkungsweise der schrägen
Betrachtung ist in einer Detailansicht in den 7 und 8 noch
einmal erläutert.
In 7 ist mit Z der zulässige Bereich dargestellt,
unter dem eine Abtastung der Vorlage 66 erfolgen kann,
wenn diese für
eine Weiterverarbeitung eine begrenzte Verzerrung zuläßt, beispielsweise
bei einer Bearbeitung durch eine OCR (= Optical Character Recognition).
Die zulässige
Verzerrung wird durch den Betrag des Abtastwinkels V 96 zur
Flächennormalen 90 der
Vorlage begrenzt. Erfolgt die Abtastung wie in 7 durch
die optische Achse 98 in Richtung der Flächennormale, wird
der unkritische, ebene Teil der Vorlage 66 verzerrungsfrei
abgetastet. Im kritischen Buchfalzbereich wird die Abtastung unter
dem Winkel V, der durch die Flächennormale
und die optische Achse aufgespannt wird, frühzeitig begrenzt. 8 zeigt, daß der zulässige Bereich
Z' deutlich größer wird
bei gleichem Begrenzungswinkel V 96, wenn die Abtastrichtung
unter einem geneigten Winkel 88 erfolgt.
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9 zeigt
den funktionellen Zusammenhang bei dem Aufbau der erfindungsgemäßen Scanvorrichtung.
In einem Kameragehäuse 102 tastet
der Bildaufnahmesensor 104, der als CCD-Zeilensensor ausgebildet
ist, die Vorlage zeilenweise ab. Der ADC-Wandler 106 wandelt
die diskreten analogen Farbsignale in digitale Daten um und sendet
sie zu einer Zeilenverarbeitungseinheit 108. Die Zeilenverarbeitungseinheit 108 führt in einem
ersten Schritt eine Zeilenkorrektur 110 durch, in der örtlich versetzte
Pixelkanäle
pixelgenau zusammengeführt
und in einer nachfolgenden Helligkeitskorrektur 112 auf
ein homogenes Ausleuchtungsniveau entsprechend den optischen und beleuchtungstechnischen
Gegebenheiten normiert werden. Nachgeschaltet ist eine Auflösekorrektur 114,
die die Feinabstimmung aus der physikalischen Auflösung bei
der Abtastung auf die gewünschte
Zielauflösung
berechnet. Die korrigierten Daten werden über eine Schnittstelle 116 an
einen Computer 118 zur weiteren Verarbeitung geleitet.
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Der
Computer 118 steuert über
eine Anwendungssoftware den Scanner und besteht aus einem Prozessor 120,
einem Hauptspeicher 122 und einem Massenspeicher 124.
Die Daten des Scanners gelangen über
eine Schnittstelle 126 an den Computer 118. Die
Eingabe von aktuellen Scannerparametern erfolgt über die Eingabeeinheit 128 am
PC. Scannerspezifische Parameter, Referenz- und Normierungsdaten
zur Kalibrierung liegen als Daten 132 vor und werden von
dort über
die Schnittstellen 126 und 116 an die zentrale
Steuerung 130 des Scanners weitergeleitet. Die gewonnenen
Daten werden auf dem Massenspeicher 124 abgelegt.