专利名称：摄影成像扫描法的制作方法
技术领域：
本发明涉及图形数字化——文字图像扫描的扫描方法，特别涉及采用数码摄影技术的文字图像扫描方法。属于国际专利分类G06K9/20“图像捕获”技术领域。
背景技术：
目前的扫描仪(在此统称为普通扫描仪)都采用一维排列的图像传感器(电荷耦合器件CCD)进行图形扫描，即将传感器排成一排，一次扫描一条线(宽度约10μm)，随着传感器与所扫图形位置的变换，扫描仪一条线一条线的对图形进行扫描，就把整个图形扫描完成了。传感器与图形位置的变换有两种方式，一种是图纸不动而传感器移动——平板式扫描仪，一种是传感器不动而图纸移动——滚筒式扫描仪。
①由于图纸与传感器的相对移动，要保证扫描图形的精度，扫描仪的传动装置(包括步进电机、皮带、滑轮、齿轮、导轨等)的加工和安装，传感器的排列就要非常精致。扫描仪速度越快，扫描图形越大，要求精度就越高。因此，大幅面扫描仪和快速文件图形扫描仪(目前有A4和A3幅面)的成本和价格非常高(快速文件图形扫描仪有的高达60万元；A1幅面平板扫描仪高达60万元；62”幅面滚筒扫描仪高达130万元；超过2m宽的大幅面滚筒扫描仪因为其精度要求更高将更加昂贵)。②小幅面低挡扫描仪价格便宜，但速度慢并且不能扫大图；快速文件图形扫描仪只能扫到A4和A3幅面的图形，也不能扫大图；大幅面扫描仪因为价格昂贵，寿命有限，不可能长期用作文件扫描，即便偶尔使用也不方便(相对于小幅面扫描仪)。各种扫描仪的应用都有局限性既要扫大图又要快速扫描大量文件就得购买两种扫描仪。③因为普通扫描仪都有为了调整传感器与图纸相对位置的移动装置，长期使用将产生磨损，而移动装置对扫描精度影响很大，所以移动装置的磨损将影像扫描精度——普通扫描仪的精度会随着长期使用而降低。④对于大幅面滚筒扫描仪，图纸装得不好容易产生夹纸，尤其对破旧图纸——大幅面滚筒扫描仪易损坏图纸。⑤对于大幅面滚筒扫描仪，因为图纸厚度不同，光洁度不同(摩擦系数不同)，所以压纸辊转速相同时走纸速度不尽相同——滚筒扫描仪具有一定的误差。⑥因为价格昂贵和精密仪器的属性，所以，大幅面滚筒扫描仪需要专人保管使用，限制了更多人掌握图形扫描技术。⑦因为价格昂贵和使用功能单一，很多需要大幅面扫描仪和快速文件图形扫描仪的用户无力购买，降低了此类设备的普及率，也减缓了数字化进程。
发明内容
本发明的目的，是弥补现有技术中的不足，提供一种使用方便，扫描精度高，一物多用，维修成本低的摄影成像扫描法。
摄影成像扫描法的研究随着数字照相技术的发展，高清晰度、高性能、高分辨率(1200万像素)的数码相机目前已降到5000元以下。如果将这样高性能相机用于图形和文件扫描，既可提升数码相机的应用水平，也可大幅降低快速文件扫描和大幅面图形扫描设备的成本，从而提高大幅面图形扫描设备和快速文件扫描设备的购买力，这在一定程度上将推进数字化进程的发展。
但是，任何照相器材所拍照片都有一定的变形，不能直接用于图形扫描。例如图1是一幅标准网格图(标准网格图也可以由按一定规律排列的点或某种标记构成，但线条效果更好。网格线即可以横竖排列；也可以按其他方式排列如同心圆和同心射线构成的极坐标体系；网格间距可以相同，也可以不同)，图2是标准网格图的照片，可以明显看到该照片的变形。由于机械误差和组装误差，每个相机所拍照片的变形是不同的，在相机与图纸的相对位置和光学参数不同时，同一个相机所拍照片的变形规律也不同。
摄影成像扫描法原理经过实践发现，在图纸不动、相机位置和光学参数不变的情况下，重复拍照所得图像变形量相同，它们的变形规律相同，这是由光学镜头的成像规律决定的。由于摄影成像的这一规律，在数码相机位置和光学参数不变，图纸位置相同的情况下，由其中一幅图像的变形规律可知其它图像的变形规律，从而可根据其变形规律对每幅图像进行图像复原变换。对图1所示的标准网格图形进行拍照即可获得该条件下的变形规律，根据这样的变形规律对图像2进行复原可得到图3所示的图像，对图像4进行复原获得图像5。
由于数码相机的分辨率和清晰度有限，1200万像素的数码相机拍摄400mm×300mm图像的分辨率为每毫米10点。对于大幅面图纸，若只拍摄一幅照片，其分辨率太低，而且不易分辨图纸的细小图素。因此，应根据精度要求和图纸大小，将图纸分成M行N列个区域进行拍照，形成M行N列的图片阵列；对每幅图片按其变形规律分别进行转换复原；再根据各图片的关系，去掉每幅图片与其他图片的重叠部分，使M行N列的图片阵列拼在一起后即没有重叠部分，又不丢失图像。
以上就是摄影成像扫描法的原理。
本发明的技术方案如下。
一种摄影成像扫描法，为对文字、图像进行扫描的方法，它采用数码相机拍摄图片，然后根据图片的变形规律纠正图片变形，最后根据各图片的相对位置拼装图片。
所述的数码相机包括一般的高档相机和专门为图形扫描而设计的相机裸机，即只有一组镜头、一个电荷耦合器件CCD、一组电路、简单外壳和必备构件的相机。
发明点包括为获得照片变形而设计的标准图板，所述的标准图板可由网格线构成，也可由按一定规律排列的点或某种标记构成，前者效果更佳；网格线或某种标记即可以横竖排列，也可按其他方式排列，如同心圆和同心射线构成的极坐标体系；网格间距可以相同，也可以不同。
发明点包括为纠正图片变形对所拍图片进行复原的方法设计好标准图板，以相同条件——相机光学参数、位置和光照条件，拍摄标准图板和需要扫描的图形，根据标准图板照片的变形规律确定其他图片的变形规律，根据各图片的变形规律纠正图片的变形。
发明点包括对修正后的图片进行拼接的方法将一幅大图按网格分成M行N列的图片阵列，形成M行N列个区域，每个图片应完全包含对应区域的图形，对各图片修正后只保留该图片对应区域内的图像，然后按对应关系拼装到整幅图形中。
本发明摄影成像扫描法的扫描设备，如图6所示，在机架上装设由1～12号相同型号的数码相机，同一排相机之间设有快门线13～18，在框架的上框末端顶角设置快门线的集中按钮19，在设备的固定框架20中设有放置图纸的图板21，在图板21上印有标准网格的标准图形。
所述图板21上印有标准网格的标准图形，其横竖细线用于确定每个数码相机所拍照片的变形参数，横竖粗线用于分割每幅图片有效图像；1号相机所拍图像为1号图片，图板的1’号区域中粗线范围内的图像就是1号图片的有效区域，1号图片将包含1’号区域中粗线范围内的全部图像，对1号图片复原后的图像进行拼接时只保留1号图片的有效区域；依此类推，对其他图片按照相同方法进行处理，即可以完成一张图纸的拼装。
将多个数码相机按一定排列方式固定于框架上，并确保相机位置没有微小的移动变化。
每个相机都由快门线控制，快门线既可集中于用以扫描大图纸的集中按钮，亦可单独使用，用以扫描小幅面图形文字资料。
本发明摄影成像扫描(仪)法与普通扫描仪的对比如下1.使用方便①可以设计采用本发明的移动式扫描装置，利用该装置可以在出差时进行图形文件扫描；②平板式设备，图纸铺平即可，图纸安装方便；③可以扫描厚图板的图像和凸凹不平的图像；④扫描图形时不用和计算机相连，不需专门接口，扫描图形时不占用计算机资源，也不存在与扫描设备接口的计算机瘫痪时无法扫图的现象，输入图形时通过数码相机普遍配置的通用串行总线(USB)接口既可输入到计算机中；
⑤光照条件好时，停电也可扫图；⑥可根据用户需求提供大幅面扫描设备(因本扫描方法的特性，大幅面扫描设备只需增加一定数量的数码相机和增大扫描台面的面积，但是不影响扫描精度，所以成本的增加很小)。
2.扫描精度高扫描过程中图纸没有移动，拍照时相机固定，所以理论上扫描结果可以达到标准图板的精度。
3.一物多用系统的主要硬件为数码相机，可用于扫描、摄像和摄影，既可办公又可用于娱乐；一套摄影成像扫描仪即可用于大幅面图纸扫描，也可用于快速文件扫描(相当于多套小幅面快速扫描仪)。
4.维修成本低而且方便由于摄影成像扫描仪的主要硬件数码相机成本低并且由多个相机组成，所以，某个相机出现故障后换个相机(配备替代相机)仍然可以使用，相机的维修成本远低于普通扫描仪的维修费用。
5.可以升级换代由于摄影成像扫描仪的主要硬件数码相机成本低，所以，随着数码相机的升级换代，摄影成像扫描仪也可以升级换代。
图1为标准网格图；图2为标准网格图的照片；图3为标准网格图复原后的照片；图4为与图2照片拍摄环境相同的照片；
图5为采用图2照片的变形参数复原后的照片；图6为固定平台式摄影成像扫描设备示意图；图7为安装图纸后的扫描仪设备示意图；图8为各相机所拍照片复员后有效图象的拼接图；图9显示的为1号图片所拍的目标区域；图10为1号图片。
具体实施例方式
本发明摄影成像扫描法①用数码相机(包括裸机专门为图形扫描设计的数码相机——只有一组镜头、一个电荷耦合器件CCD、一组电路和简单外壳。其成本将更加低廉，扫描效果更好)拍摄图片；②根据各图片的变形规律纠正图片变形——图像复压；③根据各图片的相对位置拼装图片(拼装复原后的图片)。
如图6所示，该设备就是实现摄影成像扫描法的一种结构。在图6中，1～12号标注的是相同型号的数码相机，13～18号标注的是数码相机的快门线，19号标注的是快门线的集中按钮(如果各相机的快门线都连到该按钮，按该按钮时各相机同时拍照。各相机的快门也可单独使用，从而单独拍照)，20号为设备的固定框架，21号为放置图纸的图板(也是印有标准网格的标准图形)，相机和图板固定在20号框架上。在21号图板上，横竖细线用于确定每个数码相机所拍照片的变形参数，横竖粗线用于分割每幅图片有效图像。1号相机所拍图像为1号图片，图板的1’号区域中粗线范围内的图像就是1号图片的有效区域，1号图片将包含1’号区域中粗线范围内的全部图像，对1号图片复原后的图像进行拼接时只保留1号图片的有效区域。对其他图片按相同方法进行处理就可以完成一张图纸的拼装。
图6所示摄影成像扫描设备的操作过程①安装数码相机(数码相机可以随意拆卸和安装，平时可进行日常照相)；②系统初始化——拍摄绘有标准网格图的图板，从而获得各数码相机的变形规律；③安放图纸(见图7)并拍照具有特定变形规律的原始图片；④通过数码相机普遍配置的通用串行总线(USB)接口将图片输入到计算机中并依据各自的变形规律复原图片；⑤将复原后图片的有效区域拼装到最终图片的指定区域中，参见图8。如果扫描大幅面图纸，各相机的快门线都要连接到集中按钮上，按动该按钮一次即可扫描整幅图纸，扫一幅图不到一秒钟；如要扫描小幅面(A4或A3幅面)图形或文件，则各相机的快门线单独使用，每个相机都可单独扫描，一个相机每分钟可扫描30～60幅图形或文件，对应于图6所示装置，若有12人操作，可达到每分钟300～700幅图形或文件的扫描速度。
变形图片的复原方法(以1号图片为例)，如图1所示对于1号图片，所拍图像应完全包含1’号区域粗线范围内的所有图像。该区域由直线O1-O2，O2-O3，O3-O4，O4-O1圈定，只有用于确定变形规律的Ny条水平和Nx条垂直的网格线(图中的文字和阴影方块是为了说明复原方法而填上的)，参见图9。网格线间距为D，该区域的高和宽为H＝YO4-YO1＝D×(Ny-1)W＝XO2-XO1＝D×(Nx-1)设O1点的坐标为X1’、Y1’(对2’号区域而言是X2’、Y2’，依此类推)，PP点的坐标为Xi，j＝X1’+D×i
Yi，j＝Y1’+D×j图10为1’号区域的图片，该图片只有近于水平和垂直的线条(图中的文字和阴影方块是后填上的)，它们对应于图9中的水平和垂直的直线，现已变成曲线了。在图片10的粗线范围内(包含粗线)，由Nx条近于垂直的曲线和Ny条近于水平的曲线可确定Ny行Nx列个交点，这些交点对应于图9中水平线和垂直线的交点。在图10中Q1～Q4四交点对应于图9中Q1～Q4四交点，可以采用双线性变换对这四点范围内图像(阴影区域)进行复原，双线性变换定义该区域的边界为直线段；图10中P1～P9九个交点对应于图9中P1～P9九个交点，可以采用双抛物线变换对这九个交点范围内图像(阴影区域)进行复原，双抛物线变换定义该区域的边界为抛物线，该变换使图10中P1～P9九个交点与图9中P1～P9九个交点一一对应，图3和图5就是采用该变换所得；图10中a～p十六个交点对应于图9中a～p十六个交点，可以采用双立方变换对m、n、o、p四点范围内图像(阴影区域)进行复原，双立方变换定义该区域的边界为三次曲线。9点变换和16点变换都比4点变换精度高，但16点变换比较繁杂，所以宜采用9点变换。
权利要求
1.一种摄影成像扫描法，为对文字、图像进行扫描的方法，其特征在于系采用数码相机拍摄图片，然后根据图片的变形规律纠正图片变形，最后根据各图片的相对位置拼装图片。
2.根据权利要求1所述的摄影成像扫描法，其特征在于所述的数码相机包括一般的高档相机和专门为图形扫描而设计的相机裸机，即只有一组镜头、一个电荷耦合器件CCD、一组电路、简单外壳和必备构件的相机。
3.根据权利要求1所述的摄影成像扫描法，其特征在于为获得照片变形而设计的标准图板，所述的标准图板可由网格线构成，也可由按一定规律排列的点或某种标记构成，前者效果更佳；网格线或某种标记即可以横竖排列，也可按其他方式排列，如同心圆和同心射线构成的极坐标体系；网格间距可以相同，也可以不同。
4.根据权利要求1所述的摄影成像扫描法，其特征在于为纠正图片变形对所拍图片进行复原的方法设计好标准图板，以相同条件——相机光学参数、位置和光照条件，拍摄标准图板和需要扫描的图形，根据标准图板照片的变形规律确定其他图片的变形规律，根据各图片的变形规律纠正图片的变形。
5.根据权利要求1所述的摄影成像扫描法，其特征在于对修正后的图片进行拼接的方法将一幅大图按网格分成M行N列的图片阵列，形成M行N列个区域，每个图片应完全包含对应区域的图形，对各图片修正后只保留该图片对应区域内的图像，然后按对应关系拼装到整幅图形中。
6.根据权利要求1所述的摄影成像扫描法的扫描设备，其特征在于是在机架上装设由1～12号相同型号的数码相机，同一排相机之间设有快门线13～18，在框架的上框末端顶角设置快门线的集中按钮19，在设备的固定框架20中设有放置图纸的图板21，在图板21上印有标准网格的标准图形。
7.根据权利要求1、6所述的摄影成像扫描法，其特征在于所述图板21上印有标准网格的标准图形，其横竖细线用于确定每个数码相机所拍照片的变形参数，横竖粗线用于分割每幅图片有效图像；1号相机所拍图像为1号图片，图板的1’号区域中粗线范围内的图像就是1号图片的有效区域，1号图片将包含1’号区域中粗线范围内的全部图像，对1号图片复原后的图像进行拼接时只保留1号图片的有效区域；依此类推，对其他图片按照相同方法进行处理，即可以完成一张图纸的拼装。
8.根据权利要求1、6所述的摄影成像扫描法和扫描设备，其特征在于是将多个数码相机按一定排列方式固定于框架上，并确保相机位置没有微小的移动变化。
9.根据权利要求1、6所述的摄影成像扫描法和扫描设备，其特征在于每个相机都由快门线控制，快门线既可集中于用以扫描大图纸的集中按钮，亦可单独使用，用以扫描小幅面图形文字资料。
全文摘要
本发明涉及一种摄影成像扫描法，为对文字、图像进行扫描的方法。它采用数码相机拍摄图片，然后根据图片的变形规律纠正图片变形，最后根据各图片的相对位置拼装图片。数码相机包括一般的高档相机和专门为图形扫描而设计的相机裸机，即只有一组镜头、一个电荷耦合器件CCD、一组电路、简单外壳和必备构件的相机。本发明还研究了为获得照片变形而设计的标准图板、为纠正图片变形对所拍图片进行复原的方法、对修正后的图片进行拼接的方法及相应的扫描设备，具有使用方便，扫描精度高，一物多用，维修成本低而且方便，可以升级换代等优特点。
文档编号H04N1/04GK1635777SQ20041007790
公开日2005年7月6日 申请日期2004年9月20日 优先权日2004年9月20日
发明者王赋琛, 卢燕, 王华国 申请人:王赋琛