本发明涉及一种高分辨率图像扫描装置。
背景技术：
目前平面文物数字化中图像数据采集方法主要采用基于面阵图像传感器的摄影方式。基于面阵图像传感器的摄影方式具有成本低、易于使用和速度快等优点，但是因为图像传感器物理结构的原因，导致其获得的图像难以达到高分辨率和高色彩保真度，而这两项指标对于字画及壁画等文物或艺术品的数字化却具有非常重要的意义；同时，摄影方式每次仅能获取非常有限区域的被摄物体的图像且所获得的图像具有较大的几何畸变，因此当被拍摄对象具有较大尺寸时，多次拍摄必然导致图像拼接过程中图像几何畸变的累积，从而大大降低了该方法在文物数字化领域的有效性。
技术实现要素：
本发明目的是提供一种高分辨率图像扫描装置，解决了现有的图像数据采集方法存在的图像分辨率低、色彩保真度低、图像几何畸变程度高等技术问题。
本发明的技术解决方案是：一种高分辨率图像扫描装置，其特殊之处在于：包括支撑组件和扫描组件，所述支撑组件上设置两个相互平行的横向导轨；所述扫描组件包括导轨支架和扫描支架，所述导轨支架上设置两个相互平行的纵向导轨；
所述导轨支架架设在两个横向导轨之间，导轨支架与横向导轨之间设置第一驱动组件；
所述扫描支架架设在两个纵向导轨之间，扫描支架与纵向导轨之间设置第二驱动组件；
所述扫描支架上设置照明组件，照明组件的上方设置相机组件。
进一步地，上述照明组件包括灯架、灯座和两个照明灯组，所述灯架安装于扫描支架上；所述灯座安装于灯架的底部，灯座上设置有通光扫描缝，两个照明灯组对称设置于通光扫描缝的两侧。
进一步地，上述相机组件包括相机支架、相机水平调整架和相机，所述相机支架安装于扫描支架上，所述相机水平调整架通过四组调平机构与相机支架浮动连接，所述相机固定安装于相机水平调整架上，所述相机的镜头正对灯座上的通光扫描缝。
进一步地，上述相机为三线阵ccd工业相机。
优选地，上述高分辨率图像扫描装置还包括控制主机，所述控制主机分别与相机组件、第一驱动组件和第二驱动组件相连。
优选地，上述扫描支架包括四根竖直设置的高度调节杆，所述照明组件和相机组件均可在高度调节杆上进行连续高度调节。
进一步地，上述第一驱动组件包括第一驱动电机和第一驱动齿条，所述第一驱动电机固定于导轨支架上，所述第一驱动齿条固定于支撑组件上；所述第一驱动电机通过齿轮与第一驱动齿条啮合，所述第一驱动齿条与支撑组件上的横向导轨平行设置。
进一步地，上述第一驱动组件还包括第一驱动控制器和第一限位传感器，所述第一限位传感器安装于支撑组件上，所述第一驱动控制器分别与第一限位传感器和第一驱动电机相连。
进一步地，上述第二驱动组件包括第二驱动电机和第二驱动齿条，所述第二驱动电机固定于扫描支架上，所述第二驱动齿条固定于导轨支架上；所述第二驱动电机通过齿轮与第二驱动齿条啮合，所述第二驱动齿条与导轨支架上的纵向导轨平行设置。
进一步地，上述第二驱动组件还包括第二驱动控制器和第二限位传感器，所述第二限位传感器安装于导轨支架上，所述第二驱动控制器分别与第二限位传感器和第二驱动电机相连。
本发明的有益效果在于：
本发明利用线阵图像传感器可以获得很高的图像分辨率和图像色彩保真度，且其图像的几何畸变非常小；基于线阵图像传感器的扫描方法每次能够获得较大区域的图像采集，因而大大降低了后期图像拼接的任务量及由此而带来的图像几何畸变。本发明高分辨率图像扫描装置主要具备以下优点：
1、高分辨率：可以实现的成像分辨率范围在300dpi到1200dpi之间，可以满足不同类型、风格、材质、表面纹理特征的文物表面高分辨率成像，高分辨率图像所包含的物体表面信息的细节丰富程度远超人眼之所及，为研究和保存珍贵艺术品或文物提供了强有力的手段；
2、高色彩保真度：本方法所采集到的图像的色彩与原稿色彩接近程度十分高，优于目前市场上可以买到的扫描彩色成像设备，包括国产的和进口的，为保存记录和研究字画及壁画颜色信息提供了很好的途径；
3、高几何精度：基于线阵ccd工业相机，本发明所采用的机械结构设计和光学系统设计确保了成像系统具有肉眼无法辨别的几何畸变，即使对于较大尺寸的物体，经过拼接后的图像仍然具有极高的几何精度，这对于诸如古代地图、设计图纸等具有精确测量要求的数字化应用场合，本系统具有极大的优势；
4、超大幅面：本发明中扫描仪的单次扫描长度为2米，横向可移动的距离为4米，但该距离从理论上将可以进一步进行延长，这一扫描幅面可满足绝大多数平面字画或壁画的扫描需求。
附图说明
图1为本发明高分辨率图像扫描装置的原理示意图。
图2为本发明高分辨率图像扫描装置的较佳实施例结构示意图。
其中，附图标记为：1-支撑组件，11-横向导轨，2-扫描组件，21-导轨支架，22-扫描支架，23-纵向导轨，3-第一驱动组件，4-第二驱动组件，5-照明组件，6-相机组件。
具体实施方式
参见图1，本发明为一种高分辨率图像扫描装置，可以适用于诸如绘画、书法、壁画、卷轴等平面艺术品或文物的高分辨率图像采集，为珍贵艺术品或文物的存档、研究、保护和利用提供了良好的技术手段。该装置可以选用线阵相机作为图像采集的基本单元，结合光源以及与扫描运动相关的机械结构构成一个完整二维图像采集系统，实现了高分辨率、高色彩保真度、高几何精度的图像获取。本发明采用直通光路设计，被扫描物体被平放于稿台之上，通过一定的机械结构设计使得线阵相机悬于稿台之上，与稿台的距离取决于期望的成像分辨率，而相机的光轴垂直于稿台平面。光源以一定的角度入射于被扫描物体并被反射，进入扫描缝的反射光继而进入镜头并最终落在相机内传感器像元上。
因为线阵相机每次仅能获取被成像物体上一条线的图像数据，表现在图像中即为一行图像数据，因此，若要获得被扫描物体的完整二维图像，需要通过扫描的方式达到这一目的。扫描的过程即为被扫物体与相机的相对运动过程。在本发明中，采用了相机相对于被扫物体移动的方式，相机的移动通过驱动电机(例如步进电机)结合基于齿条齿轮和线性导轨的运动机构来实现，相机被移动的方向只有与图像传感器方向相垂直才能保证获取的二维图像不会变形。光源对于图像的采集过程十分重要，不仅在于为相机提供有效的照明使其曝光，光源的光谱功率分布对于成像系统的色彩还原能力也至关重要；同时，过强的光源照度带来的热量有可能会对字画或壁画等艺术品或文物的表面颜料产生负面影响，因此，安全、高效、高显色指数的光源设计也十分重要。本发明的图像采集过程中，在步进电机的带动下，相机和光源相对于被扫物体运动而逐行获取物体的表面图像信息，光源采用直通光路，即光源以一定角度直接照射到物体表面而相机接收被物体表面反射而来的光线而曝光。本发明中，图像的采集可以在不同的分辨率下进行，因而电机的运动速度在很大的范围内可以达到高精度的、低噪音的、无震动的运行，保证了高质量图像数据的采集。
本发明的核心技术在于采用高效易行的基于线阵相机的图像数据采集方法和与之相匹配的灵活紧凑的机械结构设计和运动控制，加上自主开发的高效安全的专业光源，获得字画、壁画等扫描对象的高分辨率、高色彩保真度彩色图像。具体而言：基于线阵ccd工业相机的平面文物高分辨率图像采集系统，包括ccd线阵相机工作模式与数据采集控制，步进电机运动控制，相机照明光源设计以及扫描仪机械系统设计。ccd线阵相机的工作模式与数据采集的控制部分用于在图像扫描过程中连续曝光并逐行获取物体表面的图像数据；步进电机运动控制系统的设计目的在于为二维图像的采集提供副扫描方向上的相机位移与精确定位；相机照明光源部分旨在为相机曝光提供有效的照明并确保获取的图像具有良好的色彩保真度；扫描仪机械部分为扫描仪各个子功能部件的正常运行或工作提供必要且稳定的支撑平台及合理的空间布局。
参见图2，本实施例为高分辨率图像扫描装置的优选实施例，其结构主要包括支撑组件1和扫描组件2以及控制主机，支撑组件1上设置两个相互平行的横向导轨11；扫描组件2包括导轨支架21和扫描支架22，导轨支架21上设置两个相互平行的纵向导轨23；
导轨支架21架设在两个横向导轨11之间，导轨支架21与横向导轨11之间设置第一驱动组件3；
扫描支架22架设在两个纵向导轨23之间，扫描支架22与纵向导轨23之间设置第二驱动组件4；
控制主机分别与相机组件、第一驱动组件和第二驱动组件相连。
以上机械结构主体采用欧标标准铝合金型材和自主设计的加工板件组成，具有结构牢固、便于组装、易于拆卸等特点，可根据实际需求和不同场地要求进行拆装、搭建，后期也可方便地进行各种结构尺寸、扫描形式的优化改进。该机械结构实现了线阵相机在与稿台平行的平面上的自动化移动，包括两个运动轴，分别定义为y轴和x轴。其中y轴代表图像的扫描方向而x轴代表相机在传感器方向上的移动。图像扫描方向的运动目的在于为形成二维图像产生精确的像素位置，本系统所能达到的最高分辨率约为1200dpi，即每个像素代表的物理尺寸约为21微米。
扫描支架22上设置照明组件5，照明组件5的上方设置相机组件6。扫描支架22包括四根竖直设置的高度调节杆，照明组件5和相机组件6均可在高度调节杆上进行连续高度调节。为了实现不同的成像分辨率，相机与物体的距离必须依据需要能够加以调整，因此，相机可以被上下移动。同时，光源与物体的距离同样可以通过上下移动而进行调整，并且光源的角度也可以进行调整。光源的照射角度以及光源与被扫描体的距离都可根据需要进行调整，这就使得在各种分辨率下，光源都可以被调整到最佳从而保证其为相机提供有效的照明。
照明组件5包括灯架、灯座和两个照明灯组，灯架安装于扫描支架22上；灯座安装于灯架的底部，灯座上设置有通光扫描缝，两个照明灯组对称设置于通光扫描缝的两侧，而且每个照明灯组都可根据需要独立的进行角度调整。照明灯组具体可以选用led灯条组，led自身具有高发光效率，能够在长时间工作下保持较低的发热，光谱特性覆盖整个可见光波段，具有很高的显色指数。
相机组件6包括相机支架、相机水平调整架和相机，相机支架安装于扫描支架上，相机水平调整架通过四组调平机构与相机支架浮动连接，相机固定安装于相机水平调整架上，相机的镜头正对灯座上的通光扫描缝。
相机具体可以选用三线阵ccd工业相机。该相机的图像传感器具有三行ccd像元，每一行像元分别代表r、g、b的某一通道，每一行的像元总数确保了其能够实现高空间分辨率的图像采集。相机同时具有高动态范围和高数据率，确保了成像系统可以以较高的速度获取较大色彩空间的图像信息。高敏感度也使得该相机有能力辨别极其细微的颜色差别。相机以cameralink接口被连接到同样具有cameralink接口的配置在控制主机上的图像采集卡上，相机的工作过程即通过图像采集卡来进行控制。除了性能优越的工业相机，本发明还设计了与之匹配的由镜头等光学元件构成的光学系统，可以达到的图像分辨率远超市场上可以买到的所有扫描仪，且图像具有极高的几何精度。
第一驱动组件3包括第一驱动电机、第一驱动齿条、第一驱动控制器和第一限位传感器，用于控制横向运动(即y向)。第一驱动电机固定于导轨支架上，第一驱动齿条固定于支撑组件上；第一驱动电机通过齿轮与第一驱动齿条啮合，第一驱动齿条与支撑组件上的横向导轨平行设置。第一限位传感器安装于支撑组件1上，第一驱动控制器分别与第一限位传感器和第一驱动电机相连。
第二驱动组件4包括第二驱动电机、第二驱动齿条、第二驱动控制器和第二限位传感器，用于控制纵向运动(即x向)。第二驱动电机固定于扫描支架上，第二驱动齿条固定于导轨支架上；第二驱动电机通过齿轮与第二驱动齿条啮合，第二驱动齿条与导轨支架上的纵向导轨平行设置。第二限位传感器安装于导轨支架21上，第二驱动控制器分别与第二限位传感器和第二驱动电机相连。
运行于控制主机上的软件通过串口连接第一驱动控制器和第二驱动控制器，通过在控制主机上发送命令和读取由两个驱动控制器反馈的运动状态来控制驱动电机(本实施例中为步进电机)的运动过程；驱动控制器为多轴运动控制器，每个运动轴可以被独立控制，它接收来自控制主机的命令以直接控制电机运行或将电机运行状态反馈给控制主机；驱动控制器接收发自控制主机的脉冲信号及限位传感器的状态并将控制脉冲信号转化为步进电机的驱动信号，并为步进电机提供充足的功率，本系统有两个控制周，因此本系统存在两组步进电机、驱动控制器和限位传感器；限位传感器的作用在于将运动限定在设定的平面范围之内，防止由于越界而引起对设备自身或被扫描物体的损伤。
横向和纵向两个方向上的运动均需要较高的定位精度，且需要很好的稳定程度以保证得到的图像中不会存在抖动等扭曲。为此，本系统中直线运动的产生通过高精度的步进电机来实现。本系统所能达到的成像分辨率具有较大的范围，约300dpi-1200dpi，因此，扫描运动速度必须在较大范围内可调，且在每个速度下均能达到稳定运行。在一定成像分辨率下，扫描方向电机运行的速度是一定的，可以根据一定的方法加以准确计算。电机速度从零到该速度需要一个平滑的加速过程，而当扫描完成时，则需要一个平稳的减速过程，在仔细研究本系统所采用步进电机的特性和本系统机械结构特性的基础上，采取了良好的步进电机控制策略，实现了对扫描所需各运动轨迹的精确、平滑、稳定控制。因为线阵相机中传感器具有有限的物理尺寸，因此扫描宽度也非常有限，为了实现大幅面的平面物体图像采集，就必须移动扫描机构逐列对物体进行图像采集然后通过拼接的方式获得物体完整二维图像，而为了准确控制每相邻两次图像扫描重合部分的宽度和精度，本系统利用步进电机对该过程实现自动化，而重合部分的大小由用户依据具体情况进行设置。
本实施例使用的扫描仪副扫描方向运动控制方法，在充分研究了高分辨率步进电机力学和电气特性、以及机械系统设计自身力学特性的基础上，通过在步进电机的输出轴上加齿轮并通过控制步进电机的旋转实现成像系统在副扫描方向上沿导轨的直线运动。该控制方法能够确保在任何扫描分辨率下，电机能够平滑运转、无丢步、低噪音和无震动，实现了高精度的副扫描方向运动控制。针对不同幅面的被扫描物体，本实施例扫描组件可以在第一驱动组件和第二驱动组件的控制下进行大幅移动，适用条件多样，可满足大部分的扫描需求。
下面结合图2对本实施例高分辨率图像扫描装置的具体结构细节及尺寸参数进行详细说明：
(1)支撑组件1用支撑、连接扫描仪各系统组件，使扫描仪能够正常、稳定的工作。主要由欧标铝型材及相应的连接件组成。底部支撑部件的尺寸为3000*2300(mm)，该部分铝型材的尺寸可根据实际被扫描物体的幅面大小进行相应的调整与更换，以适应不同扫描对象的扫描需求。
(2)扫描组件2由型材搭建而成，整体为立方框架结构，其外形尺寸为：2300*600*500(mm)，实际有效扫描区域为1800*350(mm)的长方形区域，在该区域内的扫描对象可被相机采集，具体采集宽度随分辨率的变化改变。框架沿长度方向(x方向)的两根型材上表面分别安装一根长度为2000mm的高精密直线导轨(即纵向导轨23)，可提供沿长度方向的有效扫描长度为1800mm。框架长度方向一侧型材侧壁上安装两根总长度为2000mm的高精度齿条(即第一驱动齿条)用于驱动上部的扫描支架22沿x方向扫描的直线运动。
扫描支架22由欧标铝型材搭建而成，整体为立方框架结构，其外形尺寸为：482*200*605(mm)，用于固定和安装相机组件6和照明组件5。扫描支架22的底部通过482*200*8(mm)的不锈钢板加滑块安装在导轨支架21的纵向导轨23上，使其能够整体沿x方向进行滑动，在满足x向扫描的同时，保证运转平稳无抖动。该不锈钢板材沿长度方向中间开有402*20(mm)的通光扫描缝，通过光源的照射，被扫描物体的反射光线通过该扫描缝进入相机镜头最终成像。
(3)沿x方向的第二驱动组件4以及沿y方向的第一驱动组件3分别用于驱动扫描组件2和扫描支架22在横、纵两个扫描方向上匀速平稳地运动，从而达到扫描整副画作的目的。驱动电机通过电机支架与被驱动部件连接，电机带动齿轮与齿条啮合驱动运动部件平稳运转。扫描进行时扫描支架22由第一驱动组件3驱动沿x方向运动，进行一列图像的采集，当该列扫描完成后，第二驱动组件4带动整个扫描组件2沿y方向运动一设定距离以进行下一列图形的扫描采集(设定距离视扫描对象以及扫描精度选定，可自由调整)。
(4)相机组件6为扫描仪核心功能组件，主要由相机、相机水平调整架和相机支架三部分组成。
相机固定安装在相机水平调整架上，相机水平调整架通过四组调平机构与相机支架浮动连接，该结构主要通过改变四根支撑相机水平调整架与相机支架的弹簧预紧力来调整相机水平俯仰位置，弹簧预紧力的改变通过旋转与其配合的螺钉螺母来实现。当需要调整相机的俯仰位置时，转动调整位于四个角的调整螺钉即可实现相机水平位置的调整。
相机支架为铝材的钣金件，钣金件弯折的两侧各两个固定孔位通过四组固定螺钉与t型螺母安装在扫描支架22的四根竖直的高度调节杆上。根据扫描分辨率需求的不同，可将螺钉旋松调整其上下位置，待位置调整完毕后再旋紧固定，可以实现相机支架连同相机在0～368mm的范围内高度连续可调，实现多种分辨率扫描的目的。
(5)照明组件5主要由灯架、灯座以及照明灯组三部分组成。灯架通过四组螺钉与t型螺母固定连接到扫描支架22的四根竖直的高度调节杆上进行定位。灯座固定在灯架底部用来安装照明灯组，灯座的中间开有348.5*20(mm)的通光扫描缝，两侧对称安装两组照明灯组。灯组的角度可根据实际扫描需求进行调整与改变。照明组件整体可根据扫描时分辨率以及光照强度的要求进行高低连续调整，调整方法与相机组件高低调整方法相同，可调范围为0～175mm。
(6)线阵相机工作过程的控制从硬件上由图像采集卡进行控制，图像采集卡一端插在控制主机的pci插槽上，另一端通过cameralink接口连接相机。相机的工作需要为其提供稳定的12v直流电压。控制该相机工作的主要参数包括希望使用的像元数、积分时间、曝光时间、信号增益、行延迟调整参数等，均可通过编程与图像采集卡相配套的名为matroximaginglibrary的相关接口应用函数来实现。图像每一个通道的位深可以为8位或16位，采集得到的数据通过软件分配相应存储空间并按既定格式进行保存。
使用本发明高分辨率图像扫描装置进行图像采集的具体过程为：
开始工作前，将被扫描对象平铺到扫描装置下的扫描平台上，使扫描对象的一端与扫描装置初始位置对齐，起始端边线与扫描装置x方向平行以保证扫描图像方向正确、扫描信息完整。根据分辨率要求的不同，调整相机的高度，改变光源的高度与照射角度，使其满足扫描要求。
开始扫描时，控制主机向第二驱动组件发送指令，第二驱动组件带动扫描组件中的扫描仪支架归零位，待确认被扫描对象与扫描装置各项状态正常后启动第二驱动电机按照分辨率要求带动扫描仪支架与其上的相机组件和照明组件沿扫描方向以一定速度进行平稳的匀速运行，相机同时开始扫描过程。待一条信息扫描结束后，确认扫描信息完整无误后，控制器给位于支撑组件上的电机2一个运动指令，使电机2带动扫描组件整体沿y方向平移一定距离(该距离根据扫描实际情况与分辨率要求改变)，进行下一幅面的扫描采集工作。然后重复之前的扫描操作直至被扫描对象完整有效无缺漏的扫描完成，一个扫描过程结束。