专利名称：扫描仪纸边探测装置及探测方法
技术领域：
本发明涉及一种扫描仪纸边探测装置，同时也涉及利用该扫描仪纸边探测装置进行纸边探测的方法。该装置应用于扫描仪中，可对扫描的纸张边缘进行高速准确探测，从而使扫描仪能对扫描的图像进行准确的校正和切边。本发明所述的扫描仪纸边探测装置属于光电技术领域。
背景技术：
在现代社会，扫描仪的使用越来越广泛。同时，用户对扫描图像的质量要求也越来越高。特别是对那些需要对图像进行光学字符识别(Optical CharacterRecognition，以下简称OCR)的用户而言，他们对图像倾斜度以及文字清晰度的要求更高。只有倾斜度较小才能使OCR软件准确地捕捉图像中不同位置上的数据，而清晰度较高才能使OCR软件有较高的文字识别准确率。
为了减小图像倾斜度，现有的高级扫描仪普遍采用倾斜校正技术。这种技术大体上可以分为两种一种是利用黑色背景进行扫描，通过图像的黑白反差来识别图像中的纸边位置，从而计算纸张的倾斜度，然后再对图像进行矫正；另一种方法是以所扫描的图像内容，即文字为依据，对其排列的直线性进行判断，从而得出图像的倾斜度，然后据此对图像进行矫正。
这两种方法都存在很大的缺点。在黑色背景扫描中，背景的黑色容易透过薄纸而影响图像的清晰度。对有些非白色纸边的文件，或纸边有黑色标记，这种方法更是无法判断纸边位置。对很多正常的文件纸张，利用这种校正方法往往也不能保证准确地矫正。而在以内容为依据的矫正方法中，失误率则更高，对正常的文字文件图像的矫正失误率经常在1％以上。对于图片文件图像倾斜的矫正，这两种方法更是无能为力。
现有的扫描图像倾斜矫正技术都用在扫描图像的后续处理过程中。扫描仪不能根据扫描图像的倾斜度对扫描过程进行控制。
现在市场上的很多收据都采用彩色薄纸，并且采用多张复写。这些收据往往会有纸张厚薄不均，复写字迹不清，纸边不齐，纸张大小不一的缺陷。对它们的扫描更是扫描技术中的难题之一。利用黑色背景扫描可以校正图像并切边，但是图像清晰度很难保证。利用白色背景扫描可以提高图像清晰度，但是现有的技术无法对基于白色背景的图像进行纸边判断，因而切边又不可能。因此，现有的扫描仪不能满足对这些收据进行高清晰、低倾斜、快速、安全扫描的要求。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题在于针对现有技术的不足，提出一种新的扫描仪纸边探测装置。该探测装置安装在扫描仪中，与扫描仪系统配合使用。利用本发明的扫描仪纸边探测装置，扫描仪能在任何扫描背景下实现对纸边的实时探测，并对所扫描的图像进行准确矫正与切边。
本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种与上述扫描仪纸边探测装置相配合的纸边探测方法。通过该方法可以使扫描仪对纸边状况进行实时的监测，进而让扫描仪进行准确的图像校正与切边。
为实现上述的发明目的，本发明采用下述技术方案一种扫描仪纸边探测装置，其特征在于所述扫描仪纸边探测装置具有光纤首端面板，光纤电荷耦合器件模块和纸边数据处理模块；所述光纤首端面板与扫描仪中的扫描背景面板相连，共同位于扫描仪内灯的对侧；所述光纤电荷耦合器件模块中的光纤首端镶嵌于所述光纤首端面板之上，其尾端与电荷耦合器件和光电二极管相连；所述电荷耦合器件和所述光电二极管的信号接入所述纸边数据处理模块中的微处理器，所述微处理器的输出端分别与扫描仪中的走纸装置，扫描装置，图像处理装置相连接。
一种应用上述扫描仪纸边探测装置进行纸边探测的方法，包括如下步骤(1)纸边探测装置通过对走纸装置中滚筒转角的探测，确定纸张移动时的纵向位置；(2)光纤电荷耦合器件模块对纸边的数据进行采集；(3)纸边数据处理模块根据被纸张遮住的与光电二极管连接的光纤位置和时间数据来计算该点在图像中的纵横坐标，然后根据多点数据来确定纸张顶边缘线的位置；(4)纸边数据处理模块根据被纸张遮住的与光纤电荷耦合器件连接的光纤的位置和时间数据来计算该边点在图像中的纵横坐标，然后根据多点数据来确定纸张两侧边缘线的位置；(5)纸边数据处理模块通过纸张顶边缘线和两侧边缘线的位置来计算纸张顶角的位置；
(6)纸边数据处理模块根据所暴露的与光电二极管连接的光纤的位置和时间数据来计算该点在图像中的纵横坐标，然后根据多点数据来确定纸张下边缘线的位置；(7)纸边数据处理模块根据通过纸张下边缘线和两侧边缘线的位置得出纸张底角的位置；(8)纸边数据处理模块根据上述步骤得到的数据计算出整个纸张在所扫描图像中的位置及轮廓；(9)扫描仪中的图像处理器根据步骤(8)所得到的纸张位置及轮廓对扫描模块扫描后存于缓存器中的图像进行矫正和切边后输出图像。
本发明所述的扫描仪纸边探测装置及探测方法具有如下的优点1.使图像矫正和切边不再局限于黑色扫描背景；2.使图像矫正和切边不再局限于白色纸张，从而可以实现对图片图像的矫正和切边；3.利用白色背景扫描可以提高扫描图像质量；4.可以实现准确地矫正与切边，使图像不再有现有技术常产生的黑色边框；5.为后续的表格处理和OCR提供准确的图像边缘位置；6.实时的纸边检测可以准确地预测进纸位置，扫描仪可以根据其数据对扫描仪进行控制，从而避免卡纸问题，减少撕纸现象的发生；7.可以处理折角、破损的文件；8.由于纸边检测装置独立于扫描仪系统，因此扫描和纸边检测可以同时进行，所输出的图像数据为最终数据，从而有效提高扫描速度；9.使准确切边后的图像最小，从而节省文件存储空间。
图1为使用本扫描仪纸边探测装置的扫描仪的系统框图。
图2为本扫描仪纸边探测装置的系统框图。
图3为扫描仪纸边探测装置中光纤首端面板的示意图。
图4为光纤电荷耦合器件模块的示意图。
图5为纸边数据处理系统的示意图。
图6为扫描仪纸边探测装置的电路原理图。
图7为纸边探测过程的示意图。
图8为本发明所述的扫描仪纸边探测方法的流程图。
图9至图12为上述扫描仪纸边探测方法的子流程的流程图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明。
图1为使用本扫描仪纸边探测装置的扫描仪的系统框图。根据其功能，可以将配备本纸边探测装置的扫描仪分为四部份纸边探测装置、走纸装置、扫描装置、图像处理装置。其中纸边探测装置分别与走纸装置，扫描装置，图像处理装置相连接。
走纸装置为纸边探测装置提供扫描开始信息以及滚筒转角位置。纸边探测装置根据这些数据来决定何时读取来自光纤电荷耦合器件(以下简称光纤CCD)以及光电二极管的纸边数据。同时，纸边探测装置将纸边计算的结果反馈给扫描装置，以便对扫描仪走纸装置进行实时控制。
当纸边探测装置探测到第一个与光电二极管相连的光纤首端的光线被遮盖时，纸边探测装置便立即发送开始扫描信号给扫描装置。扫描装置接收到此信号后便立即开始记录扫描图像数据。
当纸边探测装置收集到足够信息后，其内置的微处理器计算出纸张顶边缘线、两侧边缘线以及图像中纸张上边两角点的位置。纸边探测装置将这些信息传递给图像处理装置。图像处理装置接收到此信号后，便开始读取所扫描的图像数据，然后根据纸边探测装置传来的信息对图像数据进行矫正与切边，最后输出矫正与切边后的图像。
上述的走纸装置，扫描装置和图像处理装置均为扫描仪中的现有技术，此处就不多赘述了。下面主要对与本发明有关的纸边探测装置进行详细的说明。
如图2所示，本纸边探测装置由光纤首端面板、光纤CCD模块、纸边数据处理模块三部分所组成。
1.光纤首端面板图3为光纤首端面板的结构示意图。它由面板以及等间距单排镶嵌于面板上的光纤首端所组成。光纤首端面板与扫描背景面板紧密相连，共同位于扫描仪的灯光之下。光纤首端面板为纸边信号输入端。光纤首端的间距依照扫描仪的类型及所用光纤CCD的参数而确定。在图3所示的这个实施例中，有8根光纤4的末端与光电二极管相连，用于纸张顶端及末端边缘线的探测。其余的光纤3的末端与光纤CCD相连，用于纸张侧边缘线及纸张折角的探测。
在扫描过程中，纸张首先经过光纤首端面板，然后再经过扫描背景面板。当纸张通过光纤首端面板时，纸边信号传递给光纤CCD模块。纸边数据处理模块根据走纸滚筒的转角位置确定何时读取纸边数据并对所读数据进行处理，包括纸张顶边计算，侧边计算，纸张角点计算和纸张折角判断。
2.光纤CCD模块光纤CCD模块由光纤CCD、光电二极管、光纤所组成，如图4所示。光电二极管具有快速反应的特性。在本实施例中，所采用的光电二极管为PDB-C152SMF，其信号反应速度为50ns。这种信号反应速度能满足目前任何高速扫描仪纸张上下边缘探测的要求。光纤CCD具有实时监测远程多点分散光源的功能。它是本发明人已经申请的另一项发明专利，其专利申请号为02146012.4，关于它的详细说明请参阅该专利说明书。本光纤CCD模块中光纤分为两组，一组光纤的末端接于CCD，为上述发明所述的光纤电荷耦合器件；另一组光纤的末端接于光电二极管，这一组光纤和光电二极管之间的连接采用与上述光纤电荷耦合器件相同的方式进行封装。在本实施例中，采用的是0.025mm光纤与ILX554B型号CCD组合而成的光纤CCD，其最大光纤排列数目为1000根，采样速度为每秒钟500次以上。若扫描速度以每秒钟两页A4尺寸纸张计算，其走纸速度为每秒钟430mm。根据上述部件的有关参数，本实施特例所述的光纤CCD模块性能如下所示上下纸边缘点采样速度每秒钟10000次以上纸张侧边缘点采样速度每秒钟500次以上最小可测纸张倾斜角度0.01度3.纸边数据处理模块纸边数据处理模块包括含有微处理器的纸边数据处理电路以及实现本发明所述的扫描仪纸边探测方法的软件。纸边数据处理模块为本扫描仪纸边探测装置的核心组成部分，它的框图如图5所示。
图6所示为扫描仪纸边探测装置中纸边数据处理模块的电路原理图。其中U1为高速模数转换运放芯片AD8041，U2为CCD芯片ILX554B，U3为模数转换芯片AD9280，U4和U5都为三端稳压器7805，U6为微处理器芯片P89C66xHBA。J2～J5为普通8针转接插座，J6为电源接口，Y1为石英晶振。光电二极管D1～D8分别接入处理器U6的24～31脚。CCD芯片U2的感应出的电压由VOUT脚引出，接U1的同向端，U1与电阻R2构成一个同向比例运算电路，其输出端经电阻R1后与U3的AIN脚相接。U3的输出端D0～D7脚分别接微处理器芯片U6的36～43脚。U6的2～9脚接转接插座J4，24～31脚接转接插座J3，11～19脚接转接插座J5，信号通过这些转接插座分别进入上述的走纸装置、扫描装置、图像处理装置。U6的20脚和21脚分别经过电容C19和C19接地，它们之间接有石英晶振Y1。电源从J6引入后分为两路，一路接7805稳压器U4的输入端IN，U4的输出端OUT输出VCC电压，另一路接7805稳压器U5的输入端IN，U5的输出端OUT输出AVCC电压。处理后的纸边数据从处理器U6的11、13脚经由RS-232收发器U7送到图像处理装置。
下面结合图7来说明纸边探测和数据处理的具体过程。如图7所示，其中1为扫描背景面板，2为扫描线，3为与光电二极管相连光纤的首端，4为与光纤CCD相连光纤的首端，5为纸张顶边缘线，6为扫描纸张，7为扫描仪左边扫描线，在此线上x＝0。
1)纸边数据的采集以扫描仪左边扫描线为0点，所有光纤的x坐标按顺序依次为X1，X2，X3，……，X328，X329，X330。其中X25，X65，X105，X145，X185，X225，X265，X305为与光电二极管相连光纤的首端x坐标。
当走纸滚筒转过一个特定角度(该特定角度根据滚筒直径以及需要的数据采集密度来确定)时，纸边数据处理系统便记录一次纸张边缘的数据。纸张边缘的数据是记录有光线变化的光纤首端点的x和y值。
在本实施特例中，光电二极管数据采集密度为每英寸600次，光纤CCD数据采集密度为每英寸25次。
2)纸张上边缘的计算纸张上边缘的数据取自于被遮盖的与光电二极管相连的光纤首端的x及y坐标，下面是本实施例中纸张上边缘的一组数据(X105，Y1)，(X65，Y2)，(X25，Y3)设纸张顶边缘线的直线方程为y＝A1x+B1将以上所记录的两点的数据代入方程，便可以得出相应的一组A1和B1的值。剩下的边缘点的数据可用于修正所得A1和B1值。在A1和B1值的修正过程中，找出距离以上所设定直线最近的点，以此点作为纸张顶边缘线的参考点。这样，纸张顶边缘线便完全确定了。
3)纸张侧边缘的计算纸张侧边缘的数据取自于被遮盖(或被露出)的与光纤CCD相连的光纤首端的x及y坐标，下面是本示例纸张左边缘的一组数据(X5，Y4)，(X6，Y5)，(X7，Y6)，…设纸张左边缘线的直线方程为v＝A2x+B2
用以上纸张上边缘的计算方法，可以计算出A2和B2的值，从而确定侧边缘直线。
当左侧边缘直线确定后，根据方程组y＝A1x+B1y＝A2x+B2便可计算出纸张左上角在图像中的坐标。
若纸张有折角，则会有足够的侧边缘点支持方程y＝A2x+B2并有足够的侧边缘点支持方程y＝A3x+B3根据方程组y＝A1x+B1y＝A2x+B2以及方程组y＝A2x+B2y＝A3x+B3可以计算其折叠点坐标，从而计算其折叠严重程度。
用同样的方法可以计算和确定纸张右边缘线及右上角坐标。
4)纸张底边缘的计算纸张底边缘线的数据取自于被露出的与光电二极管相连的光纤首端的x及y坐标。
纸张底边缘线以及底部角点的计算方法与顶边缘线的相同。
5)纸张边缘信息的生成除了纸张边缘计算之外，纸边数据处理模块还负责纸张边缘信息的生成和传递，并通过它来控制扫描仪的其他部分。所述纸张边缘信息包括纸张顶边缘角点、纸张折角、纸张底边缘角点的有关信息。
上述纸边探测方法的整体流程可以参见图8。这一方法可以分为滚筒转角探测，纸边数据采集，纸边数据处理，纸张折角检测四个子过程。图9至图12分别显示了这四个子过程的流程图。下面分述如下图9显示了滚筒转角探测过程的流程图。这一过程是由走纸装置和纸边探测装置配合完成的，具体包括如下步骤(1)初始化；
(2)等候读取转角数据时间到来；(3)是否读取转角数据时间已到？(4)如果是，开始读取转角数据；否则，返回步骤(2)；(5)是否已到纸张底边？(6)如果是，停止读取转角数据；否则，返回步骤(2)。
图10显示了纸边数据采集过程的流程图。这一过程是由光纤CCD模块完成的。它包括如下具体步骤(1)初始化；(2)等候读取纸边数据时间到来；(3)是否已到纸张底边？(4)如果是，结束数据采集；如果否，转入步骤(5)；(5)是否读取纸边数据时间已到？(6)如果是，读取纸边数据并存储在缓存中，转入步骤(3)；如果否，直接转入步骤(3)。
图11显示了纸边数据处理过程的流程图。这一过程是在纸边数据处理模块内完成的。它具体包括如下的步骤(1)初始化；(2)等候纸边数据处理时间到来；(3)纸边数据是否已经采集好？(4)如果是，读取存储在缓存中的纸边数据；如果否，转回步骤(2)(5)纸张上边缘折角信息是否已经获得？(6)如果是，寻求获得纸张下边缘折角的信息，转入步骤(7)；如果否，继续寻求获得纸张上边缘折角的信息，转入步骤(9)；(7)是否已经获得纸张下边缘折角信息？(8)如果否，返回步骤(2)；如果是，检查纸张下边缘是否有折角的信息，转入步骤(11)；(9)是否已经获得纸张上边缘折角信息？(10)如果否，返回步骤(2)；如果是，检查纸张上边是否有折角的信息，转入步骤(11)；(11)纸张边缘是否有折角？(12)如果有折角，直接结束纸边数据处理过程；如果该边缘没有折角，转入步骤(13)；
(13)如果纸张上边缘没有折角，转回步骤(7)；如果纸张下边缘没有折角，将PageBottom标记为1，结束纸边数据处理过程。
图12显示了在纸边数据处理过程之后，发现纸张存在折角的情况，对纸张折角进行具体检测的流程图。这一过程由光纤CCD模块和纸边数据处理模块配合完成，具体包括如下步骤(1)初始化；(2)等候进行折角数据检测的指令；(3)得到指令后，等候折角数据检测时间的到来；(4)检测时间到来后，确定当前是否有可供检测的折角？(5)如果是，通过光纤CCD获得折角的具体信息；如果否，返回步骤(3)；(6)检查折角是否已被折叠？(7)如果是，将MissingCorner标记为1；如果否，返回步骤(2)。
上述各个过程中都存在一个时间等候的问题。这是因为本纸边探测装置对纸边的探测不是连续的而是离散的，周期的长短取决于采样速度的高低。
需要指出的是，本发明的特定实施例已经对本发明的内容做了详尽的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，特别是对若干部件的等同替换，都构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。
权利要求
1.一种扫描仪纸边探测装置，其特征在于所述扫描仪纸边探测装置具有光纤首端面板，光纤电荷耦合器件模块和纸边数据处理模块；所述光纤首端面板与扫描仪中的扫描背景面板相连，共同位于扫描仪内灯的对侧；所述光纤电荷耦合器件模块中的光纤首端镶嵌于所述光纤首端面板之上，其尾端与电荷耦合器件和光电二极管相连；所述电荷耦合器件和所述光电二极管的信号接入所述纸边数据处理模块中的微处理器，所述微处理器的输出端分别与扫描仪中的走纸装置，扫描装置，图像处理装置相连接。
2.如权利要求1所述的扫描仪纸边探测装置，其特征在于所述光纤首端面板由面板和等间距单排镶嵌于面板上的光纤首端所组成。
3.如权利要求1所述的扫描仪纸边探测装置，其特征在于所述光纤首端的间距依照扫描仪的类型与所用电荷耦合器件和光电二极管的参数确定。
4.如权利要求1所述的扫描仪纸边探测装置，其特征在于所述光纤分为两组，其末端分别与电荷耦合器件和光电二极管相连；与光电二极管相连的光纤首端之间有同等数目的与电荷耦合器件相连的光纤首端。
5.如权利要求1所述的扫描仪纸边探测装置，其特征在于所述光纤电荷耦合器件模块包括光纤电荷耦合器件，光电二极管和光纤；所述光电二极管和所述光纤的封装方式与所述光纤电荷耦合器件的封装方式相同。
6.如权利要求1所述的扫描仪纸边探测装置，其特征在于所述纸边数据处理模块中，所述光电二极管接高速模数转换运放芯片，电荷耦合器件感应出的电压信号分为两路，一路经三极管接模数转换芯片，另一路接所述高速模数转换运放芯片的同向端，模数转换芯片的输出端接微处理器芯片的输入端。
7.一种应用如权利要求1所述的扫描仪纸边探测装置进行纸边探测的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤(1)纸边探测装置通过对走纸装置中滚筒转角的探测，确定纸张移动时的纵向位置；(2)光纤电荷耦合器件模块对纸边的数据进行采集；(3)纸边数据处理模块根据被纸张遮住的与光电二极管连接的光纤位置和时间数据来计算该点在图像中的纵横坐标，然后根据多点数据来确定纸张顶边缘线的位置；(4)纸边数据处理模块根据被纸张遮住的与光纤电荷耦合器件连接的光纤的位置和时间数据来计算该边点在图像中的纵横坐标，然后根据多点数据来确定纸张两侧边缘线的位置；(5)纸边数据处理模块通过纸张顶边缘线和两侧边缘线的位置来计算纸张顶角的位置；(6)纸边数据处理模块根据所暴露的与光电二极管连接的光纤的位置和时间数据来计算该点在图像中的纵横坐标，然后根据多点数据来确定纸张下边缘线的位置；(7)纸边数据处理模块根据通过纸张下边缘线和两侧边缘线的位置得出纸张底角的位置；(8)纸边数据处理模块根据上述步骤得到的数据计算出整个纸张在所扫描图像中的位置及轮廓；(9)扫描仪中的图像处理器根据步骤(8)所得到的纸张位置及轮廓对扫描模块扫描后存于缓存器中的图像进行矫正和切边后输出图像。
8.如权利要求7所述的纸边探测方法，其特征在于所述步骤(1)包括如下子步骤1)初始化；2)等候读取转角数据时间到来；3)是否读取转角数据时间已到？4)如果是，开始读取转角数据；否则，返回步骤2)；5)是否已到纸张底边？6)如果是，停止读取转角数据；否则，返回步骤2)。
9.如权利要求7所述的纸边探测方法，其特征在于所述步骤(2)包括如下子步骤1)初始化；2)等候读取纸边数据时间到来；3)是否已到纸张底边？4)如果是，结束数据采集；如果否，转入步骤5)；5)是否读取纸边数据时间已到？6)如果是，读取纸边数据并存储在缓存中，转入步骤3)；如果否，直接转入步骤3)。
全文摘要
本发明公开了一种扫描仪纸边探测装置及探测方法。该扫描仪纸边探测装置具有光纤首端面板，光纤电荷耦合器件模块和纸边数据处理模块。光纤首端面板与扫描仪中的扫描背景面板紧密相连，共同位于扫描仪内灯的对侧。光纤电荷耦合器件模块中的光纤首端镶嵌于光纤首端面板上，末端与电荷耦合器件和光电二极管相连。电荷耦合器件和光电二极管的信号接入纸边数据处理模块中的微处理器。微处理器的输出端分别与扫描仪中的走纸装置，扫描装置，图像处理装置相连接。利用本扫描仪纸边探测装置及与之配合的探测方法，可以对扫描过程进行实时控制，提高图像后续处理的质量，提高扫描速度，避免卡纸问题，节省图像文件存储空间。
文档编号B41L39/00GK1521011SQ0310229
公开日2004年8月18日 申请日期2003年1月28日 优先权日2003年1月28日
发明者林凤春, 范晓华 申请人:林凤春, 范晓华