大幅面扫描仪和扫描方法与流程

本发明涉及一种大幅面扫描仪，具体涉及采用组合式分段扫描的技术方案，降低大幅面扫描仪的制造成本，提升大幅面扫描仪的扫描质量和应用范围，属于大幅面扫描仪制造和扫描图像拼接及处理的技术领域。

背景技术：

现有的大幅面扫描仪所采用的扫描方式与中小型扫描仪的设计思路是相似的，即沿X方向设置包含图像传感器的扫描头，扫描头相对于原稿沿Y方向进行移动，由图像传感器依次采集原稿图像数据，并拼接形成完整的原稿图像。如平台式/平板式扫描仪采用原稿固定移动扫描头的模式、馈纸式扫描仪采用扫描头固定移动原稿的模式。

对于馈纸式扫描仪，在原稿移动过程中进行扫描，由于原稿的材质及品质有所差异，原稿移动速度有时会产生不规则的波动，进而影响扫描精度，并且这种速度波动的影响很难被修正，通常做法是通过提高馈纸机构的精确度来规避。

实际上，大幅面扫描仪与中小型扫描仪存在一些区别，主要包括：

1、传动机构：以平台式/平板式扫描仪为例，大幅面扫描仪可以采用高精度的传动机构（例如高精度的丝杆和步进电机）、机械运动误差对扫描精度影响减弱，而中小型扫描仪受成本限制很难采用高精度的传动机构；而对于馈纸式的大幅面扫描仪，由于幅面的扩大，馈纸机构的精确度也受到一些影响；

2、图像传感器：大幅面扫描仪通常采用多个图像传感器并列同步采集图像数据（如CIS接触式图像传感器），再通过扫描的重叠区域进行多个图像传感器采集的图像数据的拼接；也有采用单图像传感器进行采集的（如高精度的CCD或CMOS图像传感器），此时图像传感器的成本较高、并且需要配套采用高精度的镜头，设计光学回路时需要使用较大的空间或采用较为复杂的光路结构，优点是减少了图像拼接过程、图像质量高、缺点是体积较大、成本高；而中小型扫描仪大部分都采用单体图像传感器采集模式、技术成熟、稳定可靠；

3、扫描速度：大幅面扫描仪的图像传感器产生的数据量大，扫描速度的瓶颈主要在于配套的图像数据处理系统的硬件配置和处理效率；对于中小型扫描仪，扫描速度的瓶颈主要在于传动机构运动的速度和精度；

4、制造成本：对于不同的应用原稿的幅面有所不同，而现有的扫描仪多是针对固定幅面进行设计开发，大幅面扫描仪的使用量较小且规格较多因此兼容性和扩展性都较差、成本高，而中小型扫描仪规格统一、所使用的图像传感器和扫描头架已形成完整的产品线，成本低。

由此可见，如果沿用中小型扫描仪的设计思路去设计大幅面扫描仪，使用效果和成本很难兼顾。

参考文件：

1、中国专利：实用新型，申请号01278852.X，“平板式CCD扫描仪头架光路结构”；

2、中国专利：发明专利，申请号201280028881.7，“馈纸式扫描仪及平板式扫描仪系统”；

3、中国专利：发明专利，申请号201280019866.6，“利用拼接方法的大幅面扫描系统的扫描方法”；

4、中国专利：发明专利，申请号201510390980.5，“一种模块化的宽幅扫描图像采集系统及实现方法”；

5、中国专利：发明专利，申请号201010157891.3，“扫描资料托架组件移动的大幅面扫描仪及其扫描方法”。

技术实现要素：

为解决以上的技术问题，本发明采用组合式分段扫描的技术方案，即扫描运动由X方向和Y方向两个方向组合而成；其中包括扫描头、传动机构；扫描头中安装有图像传感器，扫描头与传动机构联接、扫描头在传动机构的带动下进行移动；扫描头分别沿X方向和Y方向两个方向相对于原稿移动、并在移动过程中通过图像传感器对原稿进行分区段的图像扫描；

其中，扫描头中包含图像传感器、以及与图像传感器配套的扫描照明结构和光学成像结构；其结构形式多种多样，可与参考资料1中的扫描仪头架相类似；其中，图像传感器2优先采用CCD线型图像传感器，也可以采用CIS线型接触式图像传感器或者面型图像传感器（例如参考文件5）。

具体结构分为两种：

第一，平台式/平板式扫描仪：其中包括扫描头、传动机构、全景取景窗口；传动机构中包括用于实现分区段扫描运动的X轴移动机构和用于实现扫描区段切换运动的Y轴移动机构，传动机构带动扫描头分别沿X方向和Y方向两个方向进行往复移动，扫描头中的图像传感器的移动扫描范围覆盖全景取景窗口的取景范围；

第二，馈纸式扫描仪：其中包括扫描头、用于实现分区段扫描运动的传动机构、区段取景窗口、用于实现扫描区段切换时移动原稿的馈纸机构；传动机构中包括X轴移动机构、传动机构带动扫描头沿X方向进行往复移动，扫描头中的图像传感器的移动扫描范围覆盖区段取景窗口的取景范围；各段扫描之间启动馈纸机构沿Y方向移动原稿实现扫描区段的切换。

本发明的大幅面扫描仪的扫描方法为：扫描过程中，以图像传感器的扫描取景宽度为基准将原稿沿Y方向划分为多个扫描区段进行分段扫描：

首先，将扫描头对准原稿的第一段待扫描区段，由传动机构带动扫描头沿X方向移动对原稿的第一段待扫描区段进行图像扫描；

当原稿的第一段待扫描区段的扫描完成后，由传动机构带动扫描头沿Y方向移动或者由馈纸机构沿Y方向移动原稿1，使得扫描头对准原稿的第二段待扫描区段；

再由传动机构带动扫描头沿X方向移动对原稿的第二段待扫描区域进行图像扫描；

然后，依此循环直至完成对整幅原稿的扫描；

其中：

对于平台式/平板式扫描仪：将原稿放置于全景取景窗口中，扫描头沿X方向往复移动分段扫描原稿图像，每段扫描之间由传动机构带动扫描头沿Y方向移动，使得扫描头对准下一个待扫描区段、然后再进行扫描；并依次循环完成扫描过程；

对于馈纸式扫描仪：由馈纸机构沿Y方向将原稿1的第一段待扫描区段输送到区段取景窗口的对应位置并暂停输送；扫描头沿X方向移动扫描第一段待扫描区段的原稿图像，每段扫描之间由馈纸机构沿Y方向继续输送原稿，将下一个待扫描区段输送到区段取景窗口的对应位置并暂停输送、然后再进行扫描；依次循环完成扫描过程、再由馈纸机构将原稿送出。

通常情况下，X方向和Y方向为互相垂直、且扫描头在扫描运动过程中保持与原稿平面做平行移动。但也不排除特殊情况下，采用非常规的扫描角度或扫描运动模式，例如取景窗口表面为弯曲面、折线面等；但只需要保证扫描头中图像传感器的移动扫描范围覆盖取景窗口的取景范围即可。

本发明的有益效果是：

1、采用组合式分段扫描的技术方案后，图像传感器的扫描幅度与原稿的幅面大小基本无关，可以灵活扫描各种幅面的原稿，尤其适用于特殊超大幅面的原稿扫描；克服了现有技术中图像传感器的扫描取景宽度与原稿的幅面必须对应配套的限制条件；

2、可采用常用的中小型图像传感器和扫描头架，产量高、成本低；

3、对于平台式/平板式扫描仪，避免了大幅面扫描时光路结构设计难度大的问题；

4、对于馈纸式扫描仪，本发明的技术方案设计为在分段扫描时原稿为静止状态，避免了因为原稿运动速度波动影响扫描精度的问题。

附图说明

附图1：平板式扫描仪结构图的俯视图；

附图2：平板式扫描仪结构图的A-A向剖视图；

附图3：馈纸式扫描仪结构的透视图；

附图4：馈纸式扫描仪结构的透视图的B-B向剖视图；

附图5：设置主扫描重叠区域时原稿的扫描区段分布示意图（采用方法一）；

附图6：设置主扫描重叠区域时原稿的扫描区段分布示意图（采用方法二）；

附图7：设置主扫描重叠区域时原稿的扫描区段分布示意图（采用方法三）；

附图8：带有多扫描头的X轴传动机构结构图（X轴平台位于上端）；

附图9：带有多扫描头的X轴传动机构结构图（X轴平台位于下端）；

附图10：多扫描头扫描一段原稿时形成的扫描区块分布示意图；

附图11：设置主扫描重叠区域并设置Y向补偿扫描时原稿扫描图像重叠区域分布示意图；

其中：图3、图4中的虚线箭头代表原稿移动的方向；

图5、图6、图7中的虚线箭头代表扫描头3相对于原稿运动和扫描的轨迹；

图8、图9中的虚线箭头代表X轴平台往复移动的方向。

具体实施方式

实施例1：

参考文件1中公开了一种A4幅面的平板式扫描仪的技术方案，扫描范围约为210mm*297mm，其中扫描取景宽度约为210mm，总光程约为270mm。其中可采用CCD线型图像传感器（如东芝公司的TCD2712DG CCD Linear Image Sensors：有效像素数7500*3Line）。

以A1幅面的平台式/平板式扫描仪为例，扫描范围约为840mm*594mm、扫描精度800DPI。如果采用现有的单向扫描模式（扫描取景宽度594mm）、并使用CCD线型图像传感器，则需要采用像素数大于594/25.4*800=18710点的CCD线型图像传感器（如东芝公司的TCD2964BFG CCD Linear Image Sensors：有效像素数为21360*6Line）；总光程约为270mm*（594mm/210mm）=764mm。由于总光程较大，导致扫描仪的体型较大，所需的扫描照明结构也比较复杂。可参照全友公司的LS-3800大幅面A1平台式扫描仪的设备参数：图像传感器为彩色线型CCD、扫描范围为37英寸*24英寸(940mm*610mm)、扫描精度800DPI、体积为1330mm*870mm*880mm，净重为172公斤。

以下结合附图1、2，介绍本发明的平台式/平板式扫描仪的结构：

传动机构4中包括X轴移动机构和Y轴移动机构，其中：

Y轴移动机构包括Y轴步进电机4ya、Y轴丝杆4yb、Y轴螺母4yc、Y轴平台4yd、Y轴导轨4ye、Y轴滑块4yf、Y轴支撑结构4yg；Y轴丝杆4yb和Y轴螺母4yc为互相配合使用、Y轴导轨4ye和Y轴滑块4yf为互相配合使用；Y轴支撑结构4yg用于固定Y轴丝杆4yb和Y轴导轨4ye；Y轴步进电机4ya与Y轴丝杆4yb相连接，Y轴平台4yd与Y轴螺母4yc和Y轴滑块4yf连接并固定；Y轴步进电机4ya转动时带动Y轴丝杆4yb转动并带动Y轴螺母4yc沿Y轴往复移动，同时带动Y轴平台4yd沿Y轴往复移动；

X轴移动机构整体安装于Y轴平台4yd之上，X轴移动机构包括X轴步进电机4xa、X轴丝杆4xb、X轴螺母4xc、X轴平台4xd、X轴导轨4xe、X轴滑块4xf、X轴支撑结构4xg；X轴丝杆4xb和X轴螺母4xc为互相配合使用、X轴导轨4xe和X轴滑块4xf为互相配合使用；X轴支撑结构4xg用于固定X轴丝杆4xb和X轴导轨4xe；X轴步进电机4xa与X轴丝杆4xb相连接，X轴平台4xd与X轴螺母4xc和X轴滑块4xf连接并固定；X轴步进电机4xa转动时带动X轴丝杆4xb转动并带动X轴螺母4xc沿X轴往复移动，同时带动X轴平台4xd沿X轴往复移动；

扫描头3整体安装于X轴平台4xd之上，当X轴移动机构或者Y轴移动机构移动时，扫描头3即可沿X方向和Y方向两个方向进行往复移动；原稿1放置于全景取景窗口5之中，扫描头3的移动范围覆盖全景取景窗口5的取景范围。由于本发明采用组合式分段扫描的技术方案，因此扫描头3可以采用类似于参考文件1所描述的现有的A3或A4平板扫描仪的扫描头架（扫描取景宽度约为210mm或者297mm，总光程约为270mm或者382mm），结构紧凑、性能稳定。

其中，不同像素数的CCD线型图像传感器的价格差距十分巨大。由于图像传感器的像素数增加时图像传感器的外型尺寸变化有限，因此图像传感器中感光元件的间距变小，导致制造成本增加。采用本发明的技术方案后可以大幅降低成本。

采用本发明的技术方案后，以A1幅面的平台式/平板式扫描仪为例，扫描仪的长度和宽度基本不变，但厚度可从现有的880mm缩减为150-200mm，产品的重量和体积也大为缩减。并且，采用同样的结构只需要改变传动机构4和全景取景窗口5的尺寸，增加少量成本即可扫描A0幅面或者更大幅面的原稿，这是现有产品无法实现的。

本实施例中采用的是以步进电机和丝杆为的主传动结构，当然也可以采用其他公知的传动结构，如皮带轮或齿轮等。

实施例2：

如附图3、4所示，对于馈纸式扫描仪，其具体结构是：

区段取景窗口6位于原稿移动通道的一侧，馈纸机构7中包括若干组滚轮8、分别位于原稿移动通道的两侧，一部分滚轮8a设置于区段取景窗口相同侧、位于区段取景窗口前后两端，另外一部分滚轮8b设置于区段取景窗口的相对侧，原稿移动通道两侧的滚轮8相互配合使用、用于输送原稿1并用于将原稿1压平，使得原稿1顺序通过区段取景窗口6，并由图像传感器2依次进行分段扫描；

传动机构4位于区段取景窗口6的相同侧，包括X轴步进电机4xa、X轴丝杆4xb、X轴螺母4xc、X轴平台4xd、X轴导轨4xe、X轴滑块4xf、X轴支撑结构4xg；X轴丝杆4xb和X轴螺母4xc为互相配合使用、X轴导轨4xe和X轴滑块4xf为互相配合使用；X轴支撑结构4xg用于固定X轴丝杆4xb和X轴导轨4xe；X轴步进电机4xa与X轴丝杆4xb相连接，X轴平台4xd与X轴螺母4xc和X轴滑块4xf连接并固定；X轴步进电机4xa转动时带动X轴丝杆4xb转动并带动X轴螺母4xc沿X轴往复移动，同时带动X轴平台4xd沿X轴往复移动；扫描头3整体安装于X轴平台4xd之上，传动机构4带动扫描头3沿X方向进行往复移动、扫描处于区段取景窗口6之中的原稿1的分段图像，扫描头3的移动范围覆盖区段取景窗口6的取景范围。

这种结构的缺点是，如果要进行双面扫描则较难将待扫描区域的原稿从原稿移动通道的两侧压平，因此更适合单面扫描。但是对于大幅面扫描应用，通常为单面扫描，很少有需要双面扫描的大幅面原稿，因此基本不影响实际应用。

进一步的，馈纸机构7中设有原稿边缘检测传感器9，在区段取景窗口6的前后两端分别对原稿1的首边缘和尾边缘进行检测。

对于设有原稿边缘检测传感器9的馈纸式扫描仪，在原稿1扫描过程中：

首先，由前端边缘检测传感器9a检测到原稿1进入；

第二，当后端边缘检测传感器9b检测到原稿1边缘时、即表示原稿1的第一段待扫描区段已处于区段取景窗口6之中，此时馈纸机构7暂停运动，然后传动机构4启动、带动扫描头3沿X方向移动对原稿1的第一段待扫描区段进行图像扫描；

第三，区段扫描完成后，馈纸机构7继续将原稿1向前输送一段距离，将下一个待扫描区段输送到区段取景窗口6的对应位置并暂停输送、然后再进行扫描；并依次循环操作；

第四，当前端边缘检测传感器9a检测到原稿1末尾时，馈纸机构7暂停运动，传动机构4启动、带动扫描头沿X方向移动对原稿1的末段待扫描区段进行图像扫描；再由馈纸机构7将原稿1送出；

其中，前端边缘检测传感器9a和后端边缘检测传感器9b的检测点可能会处于区段取景窗口6的外侧，此时当扫描首尾两个区段时应由馈纸机构7对原稿1进行少量后退或前进的微调整。

现有的大幅面馈纸式扫描仪因受到外型尺寸限制多采用CIS接触式图像传感器、由多个图像传感器组合拼接扫描，采用本实施例的方案后，可使用CCD线型图像传感器替代CIS接触式图像传感器、从而获得更好的景深和成像效果，设备尺寸基本相同、设备制造成本则大幅下降。

本实施例中采用的是以步进电机和丝杆为主的传动结构，当然也可以采用其他公知的传动结构，如皮带轮或齿轮等。

实施例3：

当与扫描仪配套的图像数据处理系统的处理能力有富裕时，可以采用多个扫描头3并行扫描的方案：即沿X轴方向并列设置N个扫描头3，在分段扫描过程中将各个待扫描区段沿X方向分为N个区块，各个扫描头3的移动范围可以分别覆盖对应的区块；各个扫描头3各自沿X轴方向移动并由其中的图像传感器2扫描各自所在位置区块的图像，再通过图像拼接算法将各区块的图像数据拼接合成完整的扫描区段图像。

如图8、9所示，以在X轴平台4xd之上按等间距并列设置三个同样规格的扫描头3a、3b和3c为例，三个扫描头3随着X轴平台4xd同步移动，然后将待扫描区段沿X方向等分为三个区块，由三个扫描头3分别进行扫描，各个区块的边缘设置少量的重叠区域，用于各区块图像的拼接。此时，传动机构在X轴方向上的移动范围Dxn缩减为略大于取景区域宽度Dx的1/3，当硬件处理能力足够时，即可获得约3倍的扫描速度。如图10所示，三个扫描头3a、3b、3c分别扫描三个区块S1、S2、S3，三个区块之间存在交叉的重叠区域，用于将三个区块图像拼接合并成完整的区段图像。

除了扫描头的相关结构不同，实施例3中其他结构与实施例1、2相同。

实施例4：

由于本发明采用的是组合式分段扫描的方案，因此存在各段图像的拼接问题。解决方案是，在进行分段扫描时，在各个扫描区段之间设置重叠区域，通过对重叠区域的图像数据进行分析处理、实现各段图像的拼接。具体的拼接算法有很多，例如参考文件3中的方法。

本发明的技术方案可以灵活扫描不同幅度的原稿，如果预先将重叠区域的宽度设置为固定值，则末段待扫描区段与之前一个待扫描区段之间的重叠区域宽度可能会与预设的宽度不一致，多数情况下会产生一个较大的重叠区域（以下简称为“匹配差异”），这并不影响正常使用，具体的采用以下的三种方法之中的一种进行处理：

方法一：预先设定重叠区域的宽度，每段扫描之间扫描头3相对于原稿1的在Y方向上的移动距离是固定的，每段扫描获得的分段图像之间具有相同的重叠区域，末段扫描区段的图像中会产生一段空白图像数据，在图像拼接时将其滤除；

方法二：预先设定重叠区域的宽度，每段扫描之间扫描头3相对于原稿1的在Y方向上的移动距离是固定的、末段扫描除外，每段扫描获得的分段图像之间具有相同的重叠区域，在扫描末段扫描区段前，首先检测原稿是否已到达末尾，当检测到原稿已到达末尾时将传动机构4或馈纸机构7停止运动、并进行扫描，此时末段扫描区段的图像与前一段扫描区段的重叠区域宽度可能会与预设的宽度不一致，在图像拼接时将重复数据滤除；

方法三：当预先知道待扫描原稿的长度时，根据原稿长度计算扫描区段数、并对待扫描区段进行等分，每个区段之间的重叠区域一致，每段扫描之间扫描头3相对于原稿1的在Y方向上的移动距离是固定的，拼接图像时无须对末段扫描区段做特殊处理（这种等分的方法可以最大限度的提高图像拼接的准确度）。

例如原稿长度为940mm，图像传感器扫描取景宽度为210mm，则需要将原稿分为5段（P1、P2、P3、P4、P5）进行扫描，此时存在4个重叠区间；以此为例分别对按上述三种方法进行处理的过程进行说明：

方法一：如附图5所示，预先设定重叠区域宽度为10mm，每段扫描之间扫描头3相对于原稿1的在Y方向上的移动距离是200mm，各段扫描区段的图像之间的重叠区域宽度一致为10mm；扫描图像总长度为1030mm，末段扫描区段的图像的末尾存在70mm的空白数据，图像拼接时须对此做特殊处理进行滤除；

方法二：如附图6所示，预先设定重叠区域宽度为10mm，每段扫描之间扫描头3相对于原稿1的在Y方向上的移动距离是200mm，在扫描末段扫描区段时，扫描头3相对于原稿1的在Y方向上的移动距离是130mm，扫描图像总长度为940mm，末段扫描区段的图像与前一段扫描区段图像的重叠区域宽度为80mm，图像拼接时须对此做特殊处理进行滤除；

方法三：如附图7所示，如已预知扫描原稿的长度为940mm，首先计算重叠区间的宽度，即为（210mm*5-940mm）/4=27.5mm，每段扫描之间扫描头3相对于原稿1的在Y方向上的移动距离是取182.5mm，各段扫描区段的图像之间的重叠区域宽度一致为27.5mm，扫描图像总长度为940mm，拼接图像时无须对末段扫描区段做特殊处理。

综上所述，当扫描区段总数较少时，匹配差异对扫描速度有一定的影响，但同时各段扫描之间的重叠区域也趋向于变大，有利于各区段图像的准确拼接；而当原稿长度越大、扫描区段总数增多时，匹配差异对扫描速度的影响变小。

以上所采用的方法仍然是与现有技术相似的单向重叠补偿算法，但是，本发明的技术方案中，需要拼接的重叠区域是通过同一个图像传感器扫描而成的，而现有技术中需要拼接的重叠区域是由不同的图像传感器扫描而成的；因此现有技术存在的问题是不同的图像传感器以及配套光学结构之间存在个体差异、影响拼接质量，而采用本发明的技术方案则基本不存在一致性的问题。因此，本发明的图像拼接方案优于现有技术。

然而，单向重叠补偿算法还是存在一定的缺陷：

1、如参考文件2的背景技术所述，“在扫描样品中的微小波纹或弯曲或者在扫描样品通过速度上的微小波动导致在图像检测元件的过渡区域中可见的图像错误，这些图像错误例如显示为中断线或偏心的线、双线等”；

2、当原稿在重叠区域的部分中有效特征数据较少时（例如重叠区域恰巧为无图像数据的空白区域或为无明显区别特征的线条等等），拼接的准确度就会受到影响。

基于本发明技术方案的特性，可以采用更精确的双向重叠补偿算法，对应的具体结构是：

沿X方向设置一个或多个小型辅助图像传感器10，在每段扫描之间、扫描头3相对于原稿1沿Y方向产生相对移动时，启动小型辅助图像传感器10采集Y方向的原稿图像数据、即Y向补偿扫描，并作为完整图像拼接时的参考依据，具体结构分为两种：

第一，平台式/平板式扫描仪：小型辅助图像传感器10固定在传动机构4的X轴平台4xd之上（如图1、2所示，设置两个小型辅助图像传感器10）；

第二，馈纸式扫描仪：小型辅助图像传感器10固定在区段取景窗口6的前端或后端（如图3、4所示，设置两个小型辅助图像传感器10）。

由于Y向补偿扫描的时间段处于各个区段扫描的间隔期间，因此不会影响主扫描的效率；并且小型辅助图像传感器10的扫描取景宽度仅需要5-20mm即可、成本低且数据量较小。

对于设有小型辅助图像传感器10的扫描仪，通过Y向补偿扫描，原稿扫描图像原始数据的重叠区域呈现相互交叉的形状（如图11所示）；在拼接图像时，首先以各区段扫描之间的X向重叠区域为依据进行拼接，然后再以小型辅助图像传感器10采集的Y向重叠区域作为校验，最终完成完整图像的拼接。

通过以上方法，局部的图像波动可以较容易的被定位和纠正；并且原稿在两个方向上同时产生“有效特征数据较少”的现象的概率是很低的，因此双向重叠补偿算法提高了图像拼接的质量和准确度。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。