专利名称：通过图像拍摄电－光读取一维和二维标记的处理点工作站的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于读取标记的电-光读出器，更具体地说，涉及用于通过图像拍摄不仅读取一维标记例如条形码符号，而且也读取二维标记的处理点工作站。
背景技术：
扁座式激光读出器，也叫做水平槽扫描器，多年来一直在超市、仓库、百货公司以及其它种类的零售商的处理点用于电-光读取一维的条形码符号，尤其是通用产品代码(UPC)类型的符号。如美国专利5059779和5124539以及5200599中所例举的，一个单一的水平窗口和工作站的水平的柜台表面齐平地设置，并被装入工作站的水平的柜台表面内。要被购买的产品具有识别符号，并一般跨过水平窗口滑动，通过所述窗口以基本向上的方向投射许多扫描线。当至少一条扫描线扫过和产品相关的符号时，该符号便被处理和读取。
所述许多扫描线是由扫描图案发射器产生的，后者包括激光器，用于朝向安装在轴上以便由电动机带动绕轴转动的反射元件发射激光束。多个静止的反射镜被绕轴设置。当反射元件转动时，激光束被连续地反射到静止的反射镜上，以便作为扫描线的扫描图案通过水平窗口从反射镜反射。
还已知处理点工作站具有面向工作站的操作者的基本上垂直的窗口。基本上垂直的窗口定向成和水平窗口垂直，或者稍微向后倾斜。在工作站内的扫描图案发生器还以基本上向外的方向通过垂直窗口朝向操作者投射许多扫描线。用于垂直窗口的发生器可以和用于水平窗口的发生器相同或不同。操作者以“刷扫”方式滑动产品从右向左或者从左向右通过任何一个窗口。或者，操作者以“呈现”方式仅仅把产品上的符号呈现给任何一个窗口的中心。根据操作者的偏好或者根据工作站的布局进行选择。
有时垂直窗口不作为永久的设施装在工作站内。而是，配置一个垂直槽扫描器作为便携式读出器，其被置于现有的水平槽扫描器的柜台面上。
每个产品必须由操作者定向，使符号背离操作者而直接朝向任何一个窗口。因而，在扫描期间，操作者不能准确地看清符号所在的位置。在一般的“盲对准(blind-aim)”使用中，通常在符号被成功地读取之前，操作者重复若干次对单个符号进行刷扫或呈现，因而减慢了处理速度并降低了生产率。
符号的盲对准更加困难，这是因为符号的位置和方位是可变的。符号可能位于产品上的低处或高处，位于其左方或右方，或者这之间的任何位置。符号的方位可以是“尖桩篱栅”方位，其中一维的UPC符号的细长的平行条是垂直的，或者处于“梯子”方位，其中符号的条是水平的，或者处于这之间的任何的方位角。
在这种环境下， 重要的是，位于任何一个窗口并从任何一个窗口投射的扫描线提供完整的覆盖扫描区，其向下延伸尽可能接近柜台面，在柜台面上方尽可能高，并跨过柜台面的宽度尽可能地宽。投射到窗口前方的空间内的扫描图案快速生长，以便覆盖不位于窗口上而与其相距几英寸的产品上的区域。该扫描区必须包括被定向成跨过该扫描区的整个范围读取以任何可能的方式定位的符号的扫描线。
虽然这些处理点工作站在处理涉及下面这样的产品的事务时是有利的，所述产品和一维的符号相关联，每个符号具有一排条和沿一个方向被分开的间隔，但是这些工作站不能处理二维的符号，例如Code 49，其引入了垂直追踪单个符号内的多排条和间隔图案的构思。Code 49的结构在美国专利4794239中描述了。另一种二维的代码结构被称为PDF417，并在美国专利5304786中被描述了，其用于增加可在给定量的表面面积上表示或存储的数据的量。这种二维的符号一般通过用于作为扫描线的光栅投射激光束的电-光读出器读取，其中每条扫描线沿一个方向通过各自的排延伸，并且所有的扫描线以基本上垂直的方向沿着二维符号的高度被分开。此外，在已知的工作站中的扫描图案发生器的转动的反射镜元件因为其不停地运动而易于磨损，因而需要时常更换。
不过，上述的Code 49和PDF 417都属于特殊类别的二维符号，其被专门设计使得能够通过光栅激光扫描器扫描。更通用的一类二维符号例如DataMatrix，不是为进行激光扫描而设计的。
一维符号和二维符号二者都可以通过使用固态成像器来读取，包括不能利用激光扫描图案发生器读取的那些二维符号。例如，可以使用图像传感器装置，其具有对应于该装置的视野中的图像元素或像素的一维或二维的单元或光电传感器阵列。这种图像传感器装置可以包括一维或二维的电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)器件，以及相关的电路，用于产生对应于一个视野的像素信息的一维或二维阵列的电子信号。
因此，使用固态器件拍摄符号的单色图像是已知的，例如在美国专利5703349中所述。使用具有多路隐藏的通道的固态器件拍摄目标的全色图像也是已知的，例如美国专利4613895中所述。通常提供具有VGA监视器中通常为640×480分辨率的二维的CCD，虽然其它的分辨率数值也是可能的。
不过，已知的处理点工作站不读取二维符号，它们也不利用固态成像器拍摄需要电-光读取的一维符号或二维符号的图像。为了获得目标的图像，固态成像器，例如在专用数字照相机中体现的，必须相对于目标被保持在静止的位置。只有当固态成像器相对于目标符号被保持在固定位置时，符号的图像才能被清楚地拍摄和译码，其中在符号中编码的数据被发送给主机进行处理。在其中操作者通过窗口刷扫符号(有时一次，有时几次)，和其中操作者以附加的朝向和离开窗口的运动分量呈现符号的处理点工作站的情况下，以及在符号在运动着的输送带上被输送通过窗口的一些情况下，由于在符号和成像器之间的相对运动而使符号的图像变得模糊，结果，图像不能被成功地和可靠地译码和读取。此外，单个固态成像器的视野不够广阔，因此折衷了在柜台面提供全覆盖的光采集区的能力。
发明内容
因而，本发明的目的在于改进用于电-光读取一维和二维符号的处理点工作站。
本发明的另一个目的在于，在处理点工作站可靠地拍摄一维和二维目标的图像而不使图像变模糊。
本发明的另一个目的在于，在这种工作站产生广阔的、全覆盖的光采集区。
为实现这些以及可以从下面看出的本发明的其它目的，本发明的一个特征在于，简要地说，一种用于处理事务的装置，包括具有窗口的静止的处理点工作站，在所述窗口呈现和事务相关的目标。例如，所述目标可以是一维标记，例如和通过工作站的物体有关的UPC符号，或者所述目标可以是和物体相关的二维符号，例如PDF417符号。在优选的应用中，所述物体是顾客要购买的产品，工作站被安装在零售设施例如超市内。
按照本发明，一维或二维的固态成像器被安装在工作站内，通过操作用于沿着不同的观看方向捕获来自呈现所述目标的不同的多个光采集区的光。成像器是CCD或CMOS型的。成像器被固定地安装在工作站，并可被安装在所述窗口的后面。当工作站具有垂直窗口和水平窗口时，成像器可位于任何一个窗口的后面，并捕获通过任何一个窗口或者通过两个窗口来自目标的光。可以在单个工作站内利用一个以上的和不同类型的成像器。
成像器的视野可以借助于静止的视野反射镜分成多个光采集区。或者，成像器的视野可借助于运动的反射镜交替地指向光采集区。
使成像器和高速照明器相关联，以使得目标的图像能够在一个非常短的时间间隔内例如500微秒或更小的数量级内被获取，从而即使在成像器和目标之间具有相对运动，目标的图像也不会变模糊。
这些成像器必须被谐调，使得以不同相方式操作，从而在任何时刻只有一个成像器在拍摄图像。这是为了避免一个成像器的照明器遮蔽另一个成像器的照明器。
每个成像器必须被分配专用的硬件支持和计算资源，以使得整个系统可以满足译码多个连续且同时的视频流所需的计算带宽。
图1是按照本发明的通过操作读取一维标记和二维标记的双窗口处理点工作站的透视图；图2是按照本发明的一个实施例的图1的工作站的部分截面图和部分原理图；图3-5是按照本发明的另一个实施例的类似于图1的工作站的正视、顶视和侧视部分截面图；图6-8是按照本发明的另一个实施例的图3-5的工作站的正视、顶视和侧视部分截面图；图9a是图1的工作站的各个元件的方块电路图；图9b是图9a的电路图的变型；图9c是图9a的电路图的另一个变型；以及图10是用于数据处理的系统体系结构的方块图。
具体实施例方式
图1表示两个窗口的处理点工作站10，其由零售商用于处理和具有识别符号的产品的购买有关的事务，所述识别符号一般为上述的一维UPC符号或二维PDF 417符号。工作站10具有被齐平地设置在柜台面14内的水平窗口12，以及被齐平地设置在柜台面上方升高的壳体18中的垂直的或基本上垂直的(下面称为“垂直的”或“竖直的”)窗口16。
按照本发明，如图2所示，包括照明器32的成像器30被安装在工作站，用于捕获沿着不同的观察方向来自目标符号所在的不同的多个光采集区的光。成像器30是固态的线性或面积阵列，最好是CCD或CMOS阵列。成像器30可被固定地安装在工作站外部的壳体18上，或者安装在柜台面14上，不过最好安装在至少一个窗口的后面。可以使用一个或多个成像器以及不同类型的成像器。照明器32最好是多个光源，例如发光二极管(LED)，它们围绕成像器30被设置成环形，或被设置在工作站上其它不同的有利位置，使得均匀且有效地照亮目标，如在下面进一步说明的。
两个静止的视野反射镜34、36分别被设置在窗口12、16附近。旋转反射镜38可以在实线位置和虚线位置之间转动，在实线位置，界定第一光采集区的光线40，42入射到视野反射镜34上，并被引导到反射镜38，以便从反射镜38反射到成像器30，在所述虚线位置，界定第二光采集区的光线44，46入射到视野反射镜36上，并被引导到反射镜38，以便从反射镜38反射到成像器30。
在使用中，操作者24(例如在超市结帐柜台工作的人)通过以上述的刷扫方式跨过各个窗口刷扫产品，或者通过以上述的呈现方式在各个窗口呈现产品，通过窗口12、18处理其上具有目标符号28的产品26。如果符号28位于产品的底部，则由在第一采集区内的符号散射的来自照明器的光通过水平窗口12。如果符号28位于产品的侧部，则由在第二采集区内的符号散射的来自照明器的光通过竖直窗口16。沿着不同的观察方向定向的多个光采集区提供广阔的全覆盖区，在其中符号被成像和读取。
在图2的实施例中，成像器的视野交替地而不是同时地通过窗口12和16。因而，图3-5和图6-8的实施例是优选的，因为如下所述，其中每个成像器的视野被分裂而形成为多个光采集区，这些光采集区被同时形成以捕获光。用于图3-5和图6-8中的成像器的照明器为清楚起见被省略了，不过它们应当位于工作站上的不同位置，一般在比成像器本身更接近工作站表面的位置，并沿着每个分裂的视野的方向发光，使得它们发出的光可被更有效地引导到目标上。
如最好由图4可见的，一对成像器48，50位于水平窗口12的下面。成像器48具有由光线52，54限定的视野。该视野的第一部分A由中央反射镜56遮断，该反射镜通过操作用于捕获入射到静止的侧反射镜58上的光，侧反射镜58又用于捕获由光线60，62界定的光采集区内的光。该视野的第二部分B旁路中央反射镜56，并捕获来自静止的侧反射镜64的光，侧反射镜64又用于捕获由光线66，68界定的另一个光采集区内的光。
类似地，成像器50具有由光线70，72界定的视野。该视野的第一部分C由中央反射镜56遮断，该反射镜通过操作用于捕获入射到静止的侧反射镜74上的光，侧反射镜74又用于捕获由光线76，78界定的光采集区内的光。该视野的第二部分D旁路中央反射镜56，并捕获来自静止的侧反射镜80的光，侧反射镜80又用于捕获由光线82，84界定的另一个光采集区内的光。
因而，图3-5的实施例表示两个成像器的使用，每个成像器具有被分裂成沿着不同的观察方向定向的一对光采集区的视野，并适合用作水平槽扫描器，因为未使用竖直窗口16。
图6-8的实施例也表示两个成像器的使用，每个成像器具有被分裂成沿着不同的观察方向定向的一对光采集区的视野，并适合用作垂直槽扫描器，因为未使用水平窗口12。当然，如果图3-5的实施例和图6-8的实施例组合，则使用两个窗口，从而构成双窗口工作站。
如由图7可以最清楚地看出的，成像器86具有由光线88、90界定的视野。该视野的第一部分C由中央反射镜92遮断，该反射镜通过操作用于捕获入射到侧反射镜94上的光，侧反射镜94又用于捕获由光线96，98界定的光采集区内的光。该视野的第二部分D旁路中央反射镜92，并捕获来自侧反射镜100的光，侧反射镜100又用于捕获由光线102，104界定的另一个光采集区内的光。
由图8可以最清楚地看出的，另一个成像器106具有由光线108、110界定的视野。该视野的第一部分E捕获来自顶反射镜112的光，顶反射镜112又捕获由光线114、116界定的光采集区内的光。视野的第二部分F捕获来自顶反射镜118的光，顶反射镜118又捕获由光线120、122界定的另一个光采集区内的光。
如图9a所示，多个成像器30及其照明器32在操作上和微处理器124相连，微处理器通过操作控制这些元件的操作。优选地，该微处理器和用于处理捕获的目标图像的处理器是同一个处理器。
在操作时，微处理器124向每个照明器32发送指令信号，以500微秒或更短的时间间隔向LED发脉冲，并激励每个成像器30只在所述时间间隔内采集来自目标的光。通过在这个短的时间间隔期间拍摄目标的图像，即使在成像器和目标之间具有相对运动，目标的图像也不会变模糊。
每个成像器以连续的图像获取方式操作。不过，在连续图像获取方式期间产生的连续的视频流可能使常规的视频处理电路过载，结果使得丢掉目标图像的一些帧。按照本发明，高速视频处理电路126接收每个连续视频流，并借助于自动识别电路128确定和选择视频流中的图像的哪些部分是一维符号，图像的哪些部分是二维符号，以及图像的哪些部分根本不是符号。在由自动识别电路128这样进行选择之后，微处理器124主要集中于包含符号的图像以进行译码。这极大地减轻了微处理器124的计算负担。图像的非符号部分仍然被传递给一个存储器，例如RAM 130，因为自动识别电路128可能尚未精确地描绘图像的符号和非符号部分，或者微处理器需要围绕符号部分的区域以获得附加信息，例如照明度的改变。用于在一维和二维符号之间进行自动识别的方法在美国专利6250551中披露了，该专利的全部内容通过引用被包括在此。
或者可以使用其它的自动识别算法。自动识别电路最好在微处理器的外部用专用电路元件来实现，例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(应用特定的集成电路)。
图9a的配置可能仍然使必须处理所有的连续视频流的单一的自动识别系统过载。如果对每个视频流分配其自己的自动识别和译码资源，这个计算负载可被进一步均衡。图9b示出了这样的一个系统，对于较快的视频流、较大的图像和较高的帧速率，其调节得较好。最终的系统控制器只需要适度的CPU计算能力，因为其只从每个视频流接收译码的(即高度压缩的)数据。系统控制器负责谐调/仲裁来自不同视频流的多个译码，并把最后结果传送给主机。这可以包括装配来自不同视频流的局部译码结果。局部自动识别电路和译码CPU负责控制局部成像器和照明器。在计算能力被大大改善的情况下，设想所有的自动识别和译码功能可被合并在单个强大的系统控制器中，如图9c所示。
除了向微处理器124传递符号的图像之外，视频处理电路126还可以传递符号的坐标和符号的种类。来自视频处理电路126的不同的视频流在微处理器124内被拼接，如果只有一个电路126产生输出，或者如果两个电路126同意一个公共的译码结果，或者如果两个电路不一致则根据置信度选择一个，或者如果只有来自多个电路126的部分译码结果可被组合而成为一个完整的译码结果，则微处理器124便通过操作把译码的结果传递给主机132。
视野的分裂不一定通过视野反射镜来实现，也可以由棱镜或透镜来实现。单个成像器的视野可被分裂成两个以上，这种多重分裂是优选的，使得可节省与提供附加的成像器、照明器及其相关的光学系统相关的成本。
优选地，每个成像器具有一百万以上的像素。这些像素可以具有正方形的间距。视野的长宽比最好是9∶5，以便通过水平窗口12观看。如果分裂的视野相对于窗口以大约45度角定向，使得符号的覆盖呈梯形或尖桩篱栅取向也是优选的。
每个成像器或者每个观看方向最好具有其自己的照明器。代替LED，可以使用闪光灯光源例如闪光灯，或者使用电子快门用于成像器。以太慢的速率使照明器闪光可能分散注意力，因此，最好使闪光足够快，使得看起来像是连续的照明。每个照明器应当和其成像器同步。此外，照明器和其相应的成像器必须全部同步以使得它们相互之间是异相的。这是为了避免任何单独的照明器和成像器的组合由于其闪光而干扰或遮蔽另一个成像器。这种谐调由系统控制器完成，或者直接地，如图9c所示，或者间接地，如图9b所示。
这里的成像器产生大量数据，因此，视频处理电路和微处理器必须每秒一百万字节以上地快速地处理数据。如美国专利6237053所述，一种可配置的操作系统允许小的能力低的计算机运行多种应用程序。输入被从许多输入装置接收，操作系统把数据传递给合适的应用程序。一种现场可编程门阵列(FPGA)装有代码，用于根据即将到来的应用程序进行转化。
按照本发明的另一个特征，可以通过使用硬件/软件系统处理大量的数据，所述硬件/软件系统使用用于执行每个例程的快速加载FPGA，把FPGA例程代码存储在存储器中，根据在信号处理算法的不同阶段发现的输入数据特征把FPGA编程代码装入FPGA中，并借助于使用中央处理单元(CPU)或其它数据移动装置，通过硬件处理单元移动输入数据或中间数据。因而，这个特征的新颖性在于，根据在信号处理期间观察到的特征，实时地进行FPGA的再编程。此外，需要数据移动装置通过硬件子程序移动要被处理的数据。
图10表示支持这个特征的一种体系结构。FPGA 134用于执行否则将是耗时间的例程。这个例程的一个例子是通过自动鉴别电路128进行图像统计的计算，如美国专利6250551所述。通过分离端口(CSI)保留原始图像以供今后处理。图10表示图9b所示的自动鉴别和译码功能的一种可能实现。用于实现这个例程的FPGA代码和其它可能的信号处理功能实际上和软件的其余部分一道存储在非易失存储器136中。在加电时，一个默认的例程(在这种情况下是统计计算)被装入FPGA。
当一个触发事件引发从成像器3到FPGA的图像传递时，默认的统计例程便计算所需的图像统计(这里是图像块的表面方位)。原始图像和计算的统计数据库被实时地传递到存储器。CPU 138然后可以检查统计数据库，以便快速地推断图像中是否存在所需的目标。如果发现这种目标，则需要滤波例程，以抑止目标附近的噪声。图像滤波也是一个计算量密集的任务，用于实现滤波器的FPGA代码可被从存储器传递到FPGA。然后原始图像或原始图像的一部分被通过FPGA从存储器移动并被回存到存储器的另一个位置。然后可以使用得到的输出图像提取目标的特征。在数据获取环境中，目标是条形码符号，所提取的特征是在条形码符号内包含的编码信息。
这个特征的实际值被硬件/软件混和计算系统进行有效的信号处理。此外，可以再次使用硬件FPGA模块执行若干例程，用于完成此任务的代码可以和规范的软件研发系统一道管理。不过，在硬件/软件混和系统中的定时考虑可能比单独的软件系统更为重要。
在所附的权利要求中提出了新的要求保护的内容。
权利要求
1.一种用于处理事务的装置，包括a)具有窗口的静止的工作站，在所述窗口呈现和事务相关的目标；以及b)具有视野并被安装在工作站的固态成像器，其可以操作用于沿着不同的观看方向捕获来自呈现所述目标的不同的多个光采集区的光。
2.如权利要求1所述的装置，其中成像器包括电荷耦合器件(CCD)阵列。
3.如权利要求1所述的装置，其中工作站包括照明器，用于在小于500毫秒的时间间隔内照亮目标，以及其中，成像器仅仅在所述时间间隔期间捕获光。
4.如权利要求1所述的装置，其中目标是一维标记和二维标记中之一，至少一个标记和所述事务相关，一个处理器可操作地和成像器相连，用于处理要被电-光读取的所述至少一个标记。
5.如权利要求1所述的装置，其中成像器捕获通过窗口来自多个光采集区上方的目标的光。
6.如权利要求1所述的装置，其中窗口位于水平平面内，以及其中，工作站具有位于和水平平面相交的平面内的竖直窗口，以及其中，成像器捕获通过两个窗口来自多个光采集区上方的目标的光。
7.如权利要求1所述的装置，还包括静止的场反射镜，用于把成像器的视野分裂成多个光采集区。
8.如权利要求1所述的装置，还包括可在第一位置和第二位置之间运动的反射镜，在所述第一位置，成像器的视野被引向一个光采集区，在所述第二位置，成像器的视野被引向另一个光采集区。
9.如权利要求1所述的装置，还包括被安装在工作站的附加的固态成像器，其通过操作用于捕获来自呈现所述目标的附加的不同的多个光采集区的光。
10.如权利要求9所述的装置，其中工作站包括每个成像器的用于照亮目标的照明器，一个成像器的照明器可以在与其它成像器的照明器操作的不同的时间期间操作。
11.一种用于处理事务的方法，包括以下步骤a)在静止的工作站的窗口呈现和事务相关的目标；以及b)在工作站安装具有视野的固态成像器，并沿着不同的观看方向捕获来自呈现所述目标的不同的多个光采集区的光。
12.如权利要求11所述的方法，还包括在小于500毫秒的时间间隔内照亮所述目标的步骤，以及其中，捕获步骤通过只在所述时间间隔期间捕获所述光来进行。
13.如权利要求11所述的方法，其中目标是一维标记和二维标记中之一，至少一个标记和所述事务相关，所述方法还包括处理要被电-光读取的所述至少一个标记的步骤。
14.如权利要求11所述的方法，其中捕获步骤借助于捕获通过窗口来自多个光采集区上方的目标的光来进行。
15.如权利要求11所述的方法，还包括在水平平面内设置窗口，并在与水平平面相交的平面内设置竖直窗口，以及其中，捕获步骤借助于捕获通过两个窗口来自多个光采集区上方的目标的光来进行。
16.如权利要求11所述的方法，还包括把成像器的视野分裂成多个光采集区的步骤。
17.如权利要求11所述的方法，还包括使反射镜在第一位置和第二位置之间运动的步骤，在所述第一位置，成像器的视野被引向一个光采集区，在所述第二位置，成像器的视野被引向另一个光采集区。
18.如权利要求11所述的方法，还包括步骤在工作站安装附加的固态成像器，并捕获来自呈现所述目标的附加的不同的多个光采集区的光。
19.如权利要求11所述的方法，还包括利用可以和每个成像器同步操作的照明器照亮目标的步骤。
20.一种用于处理数据密集性事务的装置，包括a)固态成像器，用于捕获来自和事务相关联的目标的光，并产生大量的要被处理的数据；b)通过默认被编程的现场可编程门阵列(FPGA)，用于处理所述数据；以及c)处理器，用于从由FPGA处理的数据提取特征，并用于根据由所述处理器提取的特征实时地对FPGA再编程。
全文摘要
固态成像器被安装在事务处理点工作站，用于拍摄一维和二维标记的图像，并以高速操作，以防止由于在目标和成像器之间的相对运动而引起的图像模糊。分配专用的硬件支持和计算资源，以解码来自工作站的多个成像器的多个连续的同时的视频流。
文档编号G06K15/12GK101023435SQ200580025705
公开日2007年8月22日 申请日期2005年6月30日 优先权日2004年7月29日
发明者梅胡尔·M·帕特尔, 何端峰, 霍华德·舍帕德, 尤金·卓塞弗, 爱德华·巴肯 申请人:讯宝科技公司