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公開番号2025084991
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-03
出願番号2025034944,2021173942
出願日2025-03-05,2019-07-22
発明の名称バーコードにビジョンシステムカメラの自動焦点システム及び方法
出願人コグネックス・コーポレイション
代理人個人
主分類G06K 7/10 20060101AFI20250527BHJP(計算;計数)
要約【課題】撮像装置の視野内で1以上のバーコードの1以上の焦点画像を検出及び取得するためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】ビジョンシステムにおける方法であって、測定プロセスは、バーコード検出の被写界深度を測定する。可変レンズの複数の公称粗焦点設定は、1以上のバーコードと画像センサとの間の許容可能な距離に対応するレンズ調整範囲のステップでサンプリングを可能にし、その結果としてサンプリングのステップサイズはバーコード検出の被写界深度の一部より小さい。取得プロセスは各公称粗焦点設定に対する公称粗焦点画像を取得する。バーコード検出プロセスは、1以上のバーコード状領域とそれぞれの尤度を検出する。ファインフォーカスプロセスは、各高尤度バーコードに対して、バーコード状領域の位置に近い可変レンズを微調整する。プロセスは、微調整された設定を使用して復号化のための画像を取得する。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
１以上のバーコードを含むシーンの１以上の画像を取得する画像センサを有する撮像装置の視野内で前記１以上のバーコードの１以上の焦点画像を検出及び取得するためのシステムであって：
焦点プロセスから焦点調整情報を受け取り、受け取った光を画像センサに向ける可変レンズと；
前記１以上のバーコードを前記焦点プロセスによって確実に検出することができる最大焦点誤差としてバーコードの有効被写界深度を測定する測定プロセスと；
前記１以上のバーコードと前記画像センサとの間の許容距離に対応するレンズ調整範囲のサンプリングステップでサンプリングを可能にし、その結果としてサンプリングステップのステップサイズがバーコード検出被写界深度の一部より小さい可変レンズの複数の公称粗焦点設定と；
前記画像センサによって前記可変レンズの少なくとも１つの粗焦点設定に対する公称粗焦点画像を取得する取得プロセスと；
各公称粗焦点画像内の１以上のバーコード状領域を検出するバーコード検出プロセスと；
粗焦点画像内の少なくとも１つの前記バーコード状領域に対して、前記可変レンズを粗焦点設定から微調整して前記バーコード状領域の位置に近い画像の焦点を最適化し、前記可変レンズの最適化された微調整焦点設定を使用して復号化のための画像を取得するファインフォーカスプロセスと；
を有する上記システム。
続きを表示（約 880 文字）【請求項２】
前記バーコード検出プロセスは、それぞれのバーコード状領域の尤度を測定するように構成されており、及び少なくとも１つのバーコード状領域が所定のレベル以上の尤度を定義する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記バーコード検出プロセスは、画像センサによって取得された画像内のバーコード状領域を確実に特定する実質的に最大のフレームレートで作動する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
バーコード検出被写界深度の前記一部は、バーコード検出被写界深度の約半分以下である請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
（ａ）可変レンズは高速液体レンズを有する、並びに、（ｂ）被写界深度は視度で測定されて、調整情報が視度を定義する、の少なくとも一方である、請求項１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記ファインフォーカスプロセスは、１以上の調整された焦点設定で画像を取得し、それぞれのバーコード状領域の周囲の局所領域における画像鮮明度スコアを最大化する１以上の調整された焦点設定を選択することによって、画像の焦点を最適化するように構成されている、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
さらに前記可変レンズと前記画像センサに作動的に接続されて、前記焦点プロセス、バーコード検出プロセス及び取得プロセスのうちの少なくとも１つで作動する処理ユニットを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記処理ユニットは、ＧＰＵ及びＦＰＧＡのうちの少なくとも一方を備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記可変レンズは、粗焦点設定にわたる反復的数値ステップベース検索技術に基づいて調整される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ファインフォーカスプロセスは、可変レンズを粗い設定から始めて最も高い尤度から最も低い尤度の順に微調整する、請求項１に記載のシステム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、１Ｄ及び２Ｄバーコード及び他の形式のシンボル又はＩＤコードを検出して復号化するためのマシンビジョンシステムに関し、より具体的にはバーコード及び／又は他のＩＤコードを読み取る際に使用するためのカメラ焦点システムに関する。
続きを表示（約 5,200 文字）【背景技術】
【０００２】
オブジェクトの測定、検査及び／又は位置合わせ及び／又は機械可読記号（「バーコード」、「ＩＤコード」、「コード」及び／又は単に「ＩＤ」とも呼ばれる）の形式のシンボルの復号化を実行するビジョンシステム。多くの場合、これらの機械可読シンボルは、２Ｄデータマトリックスコード、ＱＲコード（登録商標）、ＤＰＭコードなどのよく知られている１次元（１Ｄ）及び２次元（２Ｄ）バーコードの形式をとる。より一般的にはバーコードは光学的な機械可読のデータ表現として定義することができ、データはしばしばバーコードを付けたオブジェクトについて何かを記述する。従来のバーコードは、平行線の幅と間隔を変えることによってデータを体系的に表現しており、線形又は１次元（１Ｄ）と呼ばれることがある。後に長方形、ドット、六角形又は他の幾何学的パターンを使用して２次元（２Ｄ）バリアントが開発されて、マトリックスコード又は２Ｄバーコードと呼ばれたが、それらはバーそのものを使用していない。これにはデータマトリックスコード、ＱＲコード（登録商標）及びＤＰＭコードが含まれるが、これらに限定されない。これらはすべて幅広い用途や業界で使用されている。バーコード読み取りシステムは一般に画像センサの使用を基本としており、画像センサは対象又はオブジェクトの画像（通常はグレースケール又はカラー及び１次元、２次元又は３次元）を取得し、これらの取得した画像を車載又は相互接続されたビジョンシステムプロセッサを使用して処理する。プロセッサは一般に、画像の処理された情報に基づく所望の出力を生成するために１以上のビジョンシステム処理を実行する処理ハードウェア及び非一時的コンピュータ可読プログラム命令の両方を含む。この画像情報は、通常それぞれ様々な色及び／又は強度を有する画像ピクセルのアレイ内で提供される。バーコードリーダ（本明細書では「カメラ」とも呼ばれる）の例では、ユーザ又は自動化されたプロセスは１以上のバーコードを含むと考えられるオブジェクトの画像を取得する。画像はバーコード特徴を識別するために処理され、次にバーコード特徴は復号化プロセス及び／又はプロセッサによって復号化されてコードによって表される固有の英数字データを取得する。
【０００３】
作動時は、バーコードリーダは典型的には１以上のバーコードを含むシーンを照明するために機能する。この照明は、撮像されたシーン内の関心領域上に着色されたドットを投影するエイマを含むことができ、それによってユーザは撮影されたシーン内のバーコード上でリーダの画像軸をセンタリングできる。この照明されたシーンは次に光学系を通してカメラアセンブリ内の画像センサによって取得される。アレイセンサピクセルは露光され、露光によって各ピクセルについて生成された電子値は、シーンの「画像」と呼ぶことができるメモリセルのアレイに保存される。バーコード読み取り用途の関連では、シーンは適切な寸法と種類の１以上のバーコードを有する関心のあるオブジェクトを含む。バーコード（単数又は複数）は保存された画像の一部である。
【０００４】
バーコードリーダの一般的な使用は、製造及び物流業務においてライン（コンベアなど）に沿って移動するオブジェクトを追跡及び分類することである。バーコードリーダ、又はより典型的には複数のリーダ（コンステレーション）は、それぞれ視野を通過する際にそれぞれのオブジェクトの面上の予想されるバーコードを取得するために、ラインに沿って適切な視野角で配置することができる。オブジェクトに対するリーダの焦点距離は、ライン及びオブジェクトのサイズに対するリーダの配置に応じて変わることがある。したがってバーコードリーダと組み合わせて自動焦点機構を使用することは、適切な焦点距離を達成するために望ましい。
【０００５】
バーコードリーダに自動焦点機能を提供するための既存の技術は、潜在的に多数の焦点設定を通して掃引し、選択された関心領域に対する画像鮮明度を最大化する設定を選択することを伴う。自動焦点のための手順は、ＤａｎｉｅｌＶａｑｕｅｒｏ、ＮａｔａｓｈａＧｅｌｆａｎｄ、ＭａｒｉｕｓＴｉｃｏｌ、ＫａｒｉＰｕｌｌｉｌ及びＭａｔｔｈｅｗＴｕｒｋ著『一般化された自動焦点』、コンピュータビジョンの応用（ＷＡＣＶ）、２０１１ＩＥＥＥの有用な背景情報によって記述されている。
【０００６】
関心領域は発見的なコントラスト測定を使用して選択されることが多く、これは他の高コントラスト構造（テキストや他のグラフィックなど）をバーコードと取り違えることがよくある。コントラスト測定と鮮明度メトリクスの両方は、焦点がほぼ正しいときにのみ意味があり、その理由で掃引中に多数の焦点設定を考慮することが必要となる。さらに鮮明度メトリクスは照明に敏感であり、これも変化する可能性がある（例えば照明が最適化されている場合でも自動調整操作の過程で）。そのためこのような方法は時間がかかり、シーンの間違ったエリアに焦点を合わせてしまう可能性がある。さらにバーコードを特定するための市販の技術は、自動焦点プロセスループの間に直接使用するには動作が遅すぎた。一般に、最初にある領域への焦点が確定され、次に関心領域の焦点の合った画像でバーコード検出及び復号化手順が作動する。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、バーコードを含むシーンの１以上の画像を取得する撮像装置の視野内で１以上のバーコードの１以上の焦点画像を検出及び取得するためのシステム及び方法を提供することによって従来技術の欠点を克服する。可変レンズは、焦点プロセスから焦点調整情報を受け取り、受け取った光を画像センサに向ける。測定プロセスは、バーコード検出の有効被写界深度を、１以上のバーコードを確実に焦点プロセスによって検出することができる最大焦点誤差として測定する。この被写界深度測定プロセスは、全体的に又は部分的に自動化システム又はシステムユーザからの手動入力により予測することができ、それらは（例えば）発見法、観察又はその他の計算に基づく評価であり得る。可変レンズの複数の公称粗焦点設定は、１以上のバーコードと画像センサとの間の許容距離範囲に対応するレンズ調整範囲のサンプリングステップでサンプリングを可能にし、その結果としてサンプリングステップのステップサイズはバーコード検出の被写界深度の一部より小さい。取得プロセスは、画像センサを用いて、可変レンズの少なくとも１つの粗焦点設定に対する公称粗焦点画像を取得する。バーコード検出プロセスは、各公称粗焦点画像内の１以上のバーコード状領域（バーコードパターン全体の一部であってよい）を検出する。ファインフォーカスプロセスは、粗焦点画像の十分高い尤度を有する各バーコード状領域について、可変レンズを粗焦点設定から始めて最も高い尤度から最も低い尤度の順に微調整して、バーコード状領域の位置に近い画像の焦点を最適化する。次に、ファインフォーカスプロセスは、可変レンズの最適化された微調整焦点設定を使用して復号化のための画像を取得する。
【０００８】
例示的な実施形態において、１以上のバーコードを含むシーンの１以上の画像を取得する画像センサを有する撮像装置の視野内で、１以上のバーコードの１以上の焦点画像を検出及び取得するためのシステム及び方法が提供される。このシステム及び方法は、焦点プロセスから焦点調整情報を受け取り、受け取った光を画像センサに向ける可変レンズを含む。測定プロセスはバーコード検出の有効被写界深度を、１以上のバーコードが焦点プロセスによって確実に検出され得る最大焦点誤差として測定する。可変レンズの複数の公称粗焦点設定は、１以上のバーコードと画像センサとの間の許容距離範囲に対応するレンズ調整範囲のサンプリングステップでサンプリングを可能にする。サンプリングステップのステップサイズは、通常バーコード検出の被写界深度の一部より小さい。取得プロセスは、画像センサを用いて可変レンズの少なくとも１つの粗焦点設定について公称粗焦点画像を取得した。ファインフォーカスプロセスは、粗焦点画像の十分高い尤度を有する各バーコード状領域について、可変レンズを粗焦点設定から始めて最も高い尤度から最も低い尤度の順に微調整して、バーコード状領域の位置に近い画像の焦点を最適化する。ファインフォーカスプロセスは、可変レンズの最適化された微調整焦点設定を使用して復号化のための画像を取得する。例示的に、バーコード検出プロセスは、バーコード状領域のそれぞれの尤度を測定するように構成されており、バーコード状領域の少なくとも１つは、所定のレベルを上回る尤度を定義する。バーコード検出プロセスは、確実に画像センサによって取得された画像内のバーコード状領域の位置を確実に特定する実質的に最大のフレームレートで作動できる。被写界深度は視度で測定することができ、調整情報が視度を定義する。実施形態では、前記一部はバーコード検出の被写界深度の約半分以下の値を含むことができる。可変レンズは高速液体レンズを含むことができる。例示的に、ファインフォーカスプロセスは１以上の調整された焦点設定で画像を取得することによって画像の焦点を最適化するように構成することができ、１以上の調整焦点設定はそれぞれのバーコード状領域の周囲の局所領域における画像鮮明度スコアを最大にするように構成できる。可変レンズと画像センサに作動的に接続された処理ユニットを設けることができ、この処理ユニットは焦点プロセス、バーコード検出プロセス及び取得プロセスのうちの少なくとも１つで作動できる。例示的に、処理ユニットは、ＧＰＵ及びＦＰＧＡのうちの少なくとも一方を含むことができる。可変レンズは粗焦点設定に対して反復及び／又は数値ステップベースの検索技術に基づいて調整することができる。ファインフォーカスプロセスは可変レンズを粗い設定から始めて最も高い尤度から最も低い尤度の順に微調整する。バーコードは、１Ｄバーコード及び２次元バーコードの少なくとも１つを含むことができる。粗焦点設定は、撮像装置に対する距離センサによって生成された距離メトリクスに基づくことができる。その距離センサは、飛行時間センサ、ＬＩＤＡＲ、レーダ、超音波センサ、立体視センサ及びソナーセンサのうちの少なくとも１つを含むことができる。
【０００９】
例示的な実施形態では、撮像システムの焦点を１以上のバーコードに合わせるためのシステム及び方法が提供される。少なくとも２つの公称粗焦点設定の各々について、公称粗焦点画像が取得される。公称粗焦点設定は、それぞれのバーコードと撮像システムとの間の許容距離範囲をサンプリングするように選択される。バーコード検出器は、各公称粗焦点画像内のバーコード状領域を決定し、バーコード状領域の各々が実際のバーコードであるそれぞれの尤度を評価する。バーコード検出器は、公称粗焦点設定に対応するサンプリングされた距離の間の距離範囲でバーコードが焦点ぼけの存在下で確実に検出されることを可能にする有効被写界深度内で作動する。十分高い尤度を有する各バーコード状領域について、ファインフォーカス手順は最も高い尤度から最も低い尤度の順に焦点を最適化し、それぞれのバーコード状領域で１以上のバーコードを首尾よく復号化するのに十分に鮮明な画像を取得する。ファインフォーカス手順はそれぞれのバーコード状領域がバーコード検出器によって検出される公称粗焦点画像を取得するために使用される公称粗焦点設定に実質的に近い１以上の調節された焦点設定で画像を取得することにより、それぞれのバーコード状領域の周囲の局所領域における鮮明度測定を最大化することによって焦点を最適化する。例示的に、ビジョンシステムプロセッサは取得された公称粗焦点画像を受け取り、バーコード検出器を作動させる。ビジョンシステムプロセッサはＧＰＵ及びＦＰＧＡの少なくとも一方を含むことができる。選択された焦点距離で公称粗焦点画像を撮像するために、電子制御可変焦点レンズアセンブリを使用することができる。レンズはさらに、その焦点距離を視度値に基づいて設定できる高速液体レンズを含むことができる。例示的に、システム及び方法の作動は、複数の優先順位に従って実行することができる。
【００１０】
以下の本発明の説明は添付の図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

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