Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum optischen Abtasten einer Vorlage mit einer Zeilenkamera, die beim Abtasten relativ zur Vorlage in eine vorbestimmte Bewegungsrichtung bewegt wird.

Zum optischen Abtasten bzw. Scannen einer Vorlage in einem Scanner werden meistens Zeilenkameras verwendet. Die Zeilenkamera und die Vorlage werden relativ zueinander bewegt, so dass mit der Zeilenkamera die abzutastende Oberfläche der Vorlage vollständig erfasst wird.

Derartige Zeilenkameras werden auch oftmals in industriellen Anwendungen zum Abtasten entlang vorbestimmter Bahnen erzeugter Produkte verwendet, wobei oftmals eine automatische Qualitätssicherung anhand der von der Kamera aufgenommenen Bilder erfolgt. Diese Produkte können z.B. von Hochleistungsdruckgeräten bedrucktes Papier oder andere maschinell erzeugte bahnenförmige Produkte sein.

Beim Anfahren bzw. beim Anhalten derartiger Produktionsbahnen werden diese langsam beschleunigt bzw. verzögert. Auch während der Beschleunigungs- und Verzögerungsphase sollte eine ordnungsgemäße Überwachung der Produkte erfolgen.

Bei herkömmlichen Verfahren wurde mittels eines Encoders ein zur Bahngeschwindigkeit proportionales Taktsignal erzeugt und in Abhängigkeit dieses Taktsignales die Zeilenfrequenz der Zeilenkamera gesteuert.

Die Zeilenkameras weisen CCD-Elemente auf, deren Belichtungszeit in der Regel nicht aktiv gesteuert werden kann. Die Belichtungszeit des CCD-Elementes entspricht somit dem zeitlichen Abstand zwischen zwei Abtastungen abzüglich einer vorbestimmten Zeitdauer, die zum Auslesen des CCD-Elementes notwendig ist. Dies hat zur Folge, dass bei geringerer Zeilenfrequenz die Belichtungszeit des CCD-Elementes zunimmt, wodurch die Bildhelligkeit entsprechend gesteigert wird. Dies kann bei geringen Zeilenfrequenzen auch dazu führen, dass das CCD-Element vollständig gesättigt wird und keine Bilderzeugung mehr möglich ist. Ein solches Verfahren erlaubt nur geringe Geschwindigkeitsvariationen.

Es sind auch CCD-Elemente mit elektronischem Verschluss an den einzelnen Sensorelementen bekannt. Hierbei kann die Belichtungszeit aktiv gesteuert werden. Mit solch einem CCD-Element könnten die geschwindigkeitsabhängigen Helligkeitsunterschiede vermieden werden. Derartige CCD-Elemente mit elektronischem Verschluss sind jedoch sehr träge. Für eine schnelle Zeilenkamera sind jedoch solche CCD-Elemente nicht verfügbar.

Zur Verminderung dieser Probleme wurde in der DE 10 2004 050 422 A1 ein völlig neuer Ansatz zum optischen Abtasten einer Vorlage vorgeschlagen. Hierbei wird die Kamera mit einer von der relativen Bewegungsgeschwindigkeit zwischen der Kamera und der Vorlage unabhängigen Zeilenfrequenz betrieben. Die relative Bewegungsgeschwindigkeit zwischen der Kamera und der Vorlage wird erfasst und in Abhängigkeit von dieser Bewegungsgeschwindigkeit werden die Kamerasignale erneut vollständig abgetastet resampling, um ein Ausgabebild mit einer vorbestimmten Ausgabeauflösung zu erzeugen. Bei dieser Neuabtastung ist es notwendig die Kamerasignale zu interpolieren, wodurch zum einen Information verloren geht und zum anderen die Schärfe des Bildes beeinträchtigt wird.

Eine Weiterentwicklung dieses bekannten Verfahrens ist in der DE 10 2005 013 850 A1 beschrieben. Hierbei werden die Rohsignale der Kameras mittels eines oder mehrerer Analog/Digital-Wandler gewandelt und entsprechend dem oben erläuterten Verfahren neu abgetastet. Neben der Verminderung der Qualität des Ausgabebildes ist nachteilig, dass zum Ausführen dieses Verfahrens erhebliche Rechenleistung beansprucht wird, so dass ein Computer oder eine andere Logikschaltung (z.B. FPGA) mit einer entsprechend hohen Kapazität bereit gestellt werden muss.

Aus der JP 62-55777 A geht ein Verfahren zum optischen Abtasten einer Vorlage mit einer Kamera hervor. Die Vorlage wird beim Abtasten mit einer Transportgeschwindigkeit bewegt. Die Transportgeschwindigkeit wird mit einem Drehkodierer erfasst. Die Zeilenfrequenz der Zeilenkamera wird so eingestellt, dass die Auflösung des übermittelten Bildes auch bei variierender Geschwindigkeit gleich bleibt. Da die Bildhelligkeit proportional zur Integrationszeit des Sensors ist, ist diese umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit. Schwankungen in der Geschwindigkeit können somit als Schwankungen in der Bildhelligkeit gesehen werden.

Die JP 6-38028 A zeigt einen Scanner, der eine Vorlage in unterschiedlichen Verkleinerungen abtasten kann. Hierbei wird die Zeilenfrequenz des Bildsensors konstant gehalten und die Geschwindigkeit je nach dem Verkleinerungs- bzw. Vergrößerungsmaßstab verändert. Je kleiner der Maßstab gewählt wird, desto größer muss die Geschwindigkeit eingestellt werden. Bei einer starken Verkleinerung können die Farbwerte zweier benachbarter Zeilen addiert werden, wobei diese beiden Zeilen als eine einzige Zeile ausgegeben werden. Hierdurch werden die Linienzahl und die Auflösung weiter verringert, wobei die tatsächliche Abtastgeschwindigkeit wieder herabgesetzt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum optischen Abtasten einer Vorlage mit einer Zeilenkamera zu schaffen, die beim Abtasten relativ zur Vorlage mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten über einen großen Geschwindigkeitsbereich bewegt werden kann, wobei das Verfahren derart einfach ausgestaltet ist, dass es mit geringem Hardwareaufwand in ein Kameramodul implementiert werden kann. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu schaffen.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Vorlage mit einer Zeilenkamera optisch abgetastet, wobei die Zeilenkamera relativ zur Vorlage in eine vorbestimmte Bewegungsrichtung bewegt wird. Beim Abtasten mit einer Nenngeschwindigkeit v_N wird eine Abbildung mit einer Nennauflösung erzeugt. Die Abtastung der Vorlage erfolgt mit einer variablen Transportgeschwindigkeit, wobei eine Zeilenfrequenz, mit der jeweils einzelne Zeilen abgetastet werden, proportional zur Transportgeschwindigkeit verändert wird. Bei einer gegenüber der Nenngeschwindigkeit um zumindest einen bestimmten Betrag verminderten Transportgeschwindigkeit v_t werden in Bewegungsrichtung aufeinander folgende Farbwerte mehrerer Zeilen zu jeweils einem Farbwert gemittelt und die Zeilenfrequenz proportional zum Produkt aus der Transportgeschwindigkeit und der Anzahl der gemittelten Farbwerte eingestellt, so dass auch bei verminderter Geschwindigkeit eine Abbildung mit Nennauflösung erzeugt wird. Erfindungsgemäß wird die Anzahl der jeweils zu mittelnden Farbwerte automatisch in Abhängigkeit von der Transportgeschwindigkeit verändert. Diese Anzahl von Farbwerten wird als Binningfaktor n bezeichnet. Hierdurch ist es möglich, über einen weiten Geschwindigkeitsbereich korrekte Abbildungen der Vorlage mit der gewünschten Nennauflösung zu erhalten.

Ein Farbwert gibt die Intensität des jeweiligen Bildpunktes an. Ein Farbwert kann auch ein Grauwert sein, wenn das CCD-Element Graustufen erfasst. Ein Farbwert kann jedoch auch ein Farbauszugswert sein, wenn das CCD Element Farbintensitäten einzelner Farben erfasst.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die mit der Zeilenkamera erfassten Farbwerte mit einem Verstärkungsfaktor g verstärkt, der indirekt proportional zur Transportgeschwindigkeit innerhalb der Geschwindigkeitsbereiche ist, in dem jeweils eine bestimmte Anzahl von Farbwerten gemittelt werden.

Durch die Verwendung des Verstärkungsfaktors kann die Bildhelligkeit der Abbildungen über einen großen Bereich konstant gehalten werden. Hierdurch können die Geschwindigkeitsbereiche, in denen jeweils eine vorbestimmte Anzahl von Farbwerten gemittelt wird, die im Folgenden als Binningbereiche bezeichnet werden, vergrößert werden. Hierdurch lässt sich somit ein noch größerer Geschwindigkeitsbereich abdecken wobei die Helligkeit der Abbildungen über den gesamten Geschwindigkeitsbereich konstant gehalten werden kann.

Dieses Verfahren ist sehr einfach in ein Kameramodul einer Zeilenkamera zu implementieren, da herkömmliche Kameramodule oftmals bereits mit einer Binning-Funktionalität versehen sind, die bei herkömmlichen Kameramodulen jedoch nicht automatisch an die Transportgeschwindigkeit anpassbar ist.

Die Kombination aus dem automatischen Binning und dem automatischen Anpassen der Helligkeit mittels des Verstärkungsfaktors erlaubt Geschwindigkeitsvariationen bis zum Faktor 1024 ohne den Einsatz großer Rechen- oder Logikkapazitäten.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 schematisch ein Kameramodul zum Abtasten einer entlang der Kamera entlangbewegten Produktbahn,

2 in einem Diagramm das Prinzip des Binnings,

3-7 Koordinatensysteme mit Graphen zur Erläuterung der Erfindung,

8 die Steuereinrichtung des erfindungsgemäßen Kameramoduls schematisch in einem Blockschaltbild.

9 schematisch vereinfacht eine Zeilenkamera mit zwei Abtastzeilen zum Abtasten einer Vorlage in der Seitenansicht,

10 schematisch vereinfacht eine Zeilenkamera mit drei Abtastzeilen zum Abtasten einer Vorlage in der Seitenansicht, und

11 den Versatz der Bildpunkte dreier unterschiedlicher Abbildungen nach einer ersten Korrektur.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kameramodul 1 zum Abtasten einer Produktbahn 2. Die Produktbahn 2 wird mittels Walzen 3 entlang dem Kameramodul 1 bewegt. Mit dem Kameramodul 1 soll die optische Beschaffenheit der Produktbahn 2 überwacht werden.

Eine solche Produktbahn kann von einem Hochleistungsdrucker bedrucktes Papier sein. Es können jedoch auch andere bahnförmige Gegenstände oder einzelne Objekte sein, die mit entsprechenden Produktionsmaschinen hergestellt werden, und mit dem Kameramodul 1 abgetastet werden.

In 1 ist zur Vereinfachung der Darstellung lediglich eine einzige Walze 3 gezeigt. An dieser Walze 3 ist eine Welle 4 angeordnet. Die Welle 4 ist mit einem Encoder 5 verbunden der entsprechend der Drehgeschwindigkeit der Welle 4 Impulse erzeugt. Die Pulsrate ist proportional zur Drehgeschwindigkeit der Walze 3 bzw. zur Transportgeschwindigkeit der Produktbahn 2, die in Förderrichtung 6 bewegt wird.

Das Kameramodul 1 weist eine Sensoreinheit 7 mit einem CCD-Element und einem Objektiv auf. Geeignete CCD-Elemente sind z.B unter dem Handelsnamen &mgr;PD3768 oder &mgr;PD8821 von der NEC Cooperation erhältlich. Diese CCD-Elemente besitzen jeweils 3 Zeilen zum Detektieren der Grundfarben Rot, Grün und Blau. Sie besitzen 7500 bzw. 7300 Bildelemente pro Zeile.

Das Kameramodul ist mit einer Eingangssteuereinheit 8 versehen, die mit dem Encoder 5 verbunden ist und dessen Pulssignale empfängt. Die Einganssteuereinheit 8 weist 2 Ausgänge auf. Einer der beiden Ausgänge ist mit einer Leitung 9 mit der Sensoreinheit 7 verbunden und der andere Ausgang ist mit einer Leitung 10 und mit einer Signalverarbeitungseinrichtung 11 verbunden.

Über die Leitung 9 wird von der Eingangssteuereinheit 8 an die Sensoreinheit 7 ein Steuersignal zum Ansteuern der Zeilenfrequenz, mit welcher das CCD-Element das abzutastende Produkt abtastet, übermittelt. Dieses Steuersignal ist eine Pulsfolge mit der Frequenz der Zeilenfrequenz. Diese Pulsfolge kann sich von der vom Encoder 5 gelieferten Pulsfolge unterscheiden, da im Eingangssteuerelement 8 ein Umsetzer vorgesehen ist, der die vom Encoder 5 eingehenden Pulse in einem vorbestimmten Verhältnis zur Erzeugung der Ausgangspulse an die Sensoreinheit 7 umsetzt. Hierdurch ist es möglich, das erfindungsgemäße Kameramodul an einen Encoder mit beliebiger Drehgeschwindigkeit/Puls-Umsetzung anzuschließen.

Das Eingangssteuerelement 8 erzeugt anhand der vom Encoder 5 erhaltenen Pulsfolge bestimmte Steuerparameter, die sie über die Leitung 10 an die Signalverarbeitungseinrichtung 11 weiterleitet. Diese Steuerparameter werden unten näher erläutert. Die Signalverarbeitungseinrichtung verarbeitet die von der Sensoreinheit 7 erhaltenen Bildsignale nach Maßgabe dieser Steuerparameter. Die derart verarbeiteten Bildsignale werden als Bildzeilen an einem Ausgang 12 des Kameramoduls 1 ausgegeben.

Das Kameramodul 1 weist eine Nennzeilenfrequenz F_N auf mit welcher die Produktbahn 2 bei einer Nenngeschwindigkeit v_N abgetastet werden kann, wobei dann eine Abbildung der Produktbahn mit einer vorbestimmten Nennauflösung in Transportrichtung 6 erhalten wird. Die Nennzeilenfrequenz wird in der Regel auf die maximale Zeilenfrequenz des in der Sensoreinheit 7 verwendeten CCD-Elementes eingestellt. Diese Zeilenfrequenz liegt typischerweise im Bereich von 500 Hz bis 50 KHz.

Während der normalen Produktionsphase entspricht die Geschwindigkeit der Produktbahn 2 in der Regel der Nenngeschwindigkeit. Beim Anfahren bzw. Anhalten der Produktbahn 2 wird diese allmählich beschleunigt bzw. verzögert. Hierdurch wird die Produktbahn 2 für eine gewisse Dauer mit gegenüber der Nenngeschwindigkeit verminderter Geschwindigkeit betrieben. Hierbei soll mit dem Kameramodul 1 die Produktbahn jedoch auch korrekt abgetastet und eine Abbildung mit der Nennauflösung erzeugt werden.

Damit die Nennauflösung der erzeugten Abbildung konstant bleibt, wird, wie es von herkömmlichen Verfahren bekannt ist, bei einer Verminderung der Transportgeschwindigkeit bzw. Istgeschwindigkeit V₁ gegenüber der Nenngeschwindigkeit V_N die Zeilenfrequenz zunächst entsprechend der mit dem Encoder 5 erfassten verringerten Transportgeschwindigkeit reduziert.

Da die Reduktion der Zeilenfrequenz zu verlängerten Belichtungszeiten bzw. Integrationszeiten führt nimmt die Helligkeit der erzeugten Abbildung proportional zur Verminderung der Zeilenfrequenz zu. 3 zeigt in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen einer relativen Integrationszeit bzw. Belichtungszeit, und der relativen Ausgangsspannung des CCD-Elementes, die der Helligkeit entspricht. Hieraus ist der lineare Anstieg der Helligkeit mit zunehmender Belichtungszeit erkennbar.

Da es grundsätzlich nicht möglich ist, die Helligkeit beliebig zu erhöhen, sondern vielmehr Abbildungen innerhalb eines relativ engen Helligkeitsbereiches gewünscht sind, kann so die Geschwindigkeit nur innerhalb eines engen Bereiches kompensiert werden. Die Größe dieses Geschwindigkeitsbereichs, hängt von der jeweiligen Anwendung ab.

Erfindungsgemäß werden bei Unterschreitung dieses Geschwindigkeitsbereiches mehrere in Förderrichtung 6 aufeinander folgende Farbwerte mehrerer Zeilen zu jeweils einem Farbwert gemittelt. Der gemittelte Farbwert f_m wird gemäß folgender Formel aus den in Förderrichtung 6 aufeinander folgenden Farbwerten f_i berechnet:

Durch diese automatische Anpassung der Zeilenfrequenz wird die Produktbahn 2 in Förderrichtung 6 unabhängig von der Transportgeschwindigkeit V_t in konstanten Wegintervallen abgetastet. Hierdurch wird die Auflösung in Förderrichtung 6, die im Folgenden auch als Transportauflösung TA bezeichnet wird, konstant gehalten.

Bei einer Erhöhung des Binningfaktors wird die Zeilenfrequenz proportional erhöht. Dies heißt dass bei einer Änderung des Binningfaktors von Faktor 1 auf den Faktor 2 die Zeilenfrequenz verdoppelt wird. Durch diese Erhöhung der Zeilenfrequenz wird wiederum die Belichtungszeit vermindert, so dass die bei geringer Fördergeschwindigkeit erzeugten Abbildungen wieder im gewünschten Helligkeitsbereich liegen.

Aus der Nennzeilenfrequenz F_N, dem Binningfaktor n und einer relativen Transportgeschwindigkeit v_rel, die das Verhältnis aus der Nenngeschwindigkeit v_N durch die Transportgeschwindigkeit v_t ist, kann die aktuelle Zeilenfrequenz F folgendermaßen berechnet werden: F = F_N·n·&ngr;_r

Vorzugsweise sind die Binningfaktoren jeweils Potenzen von 2 (1, 2, 4, 8, 16, etc.) so dass bei jeder Erhöhung des Binningfaktors um eine weitere Stufe die Zeilenfrequenz verdoppelt wird. Der Erfinder hat bei Prototypen der vorliegenden Erfindung bereits Binningfaktoren von 128 realisiert. Mit den heute erhältlichen FPGAs, die 18 Bit große Speicherworte verwenden, können bei einer Farbtiefe von 8 Bit die restlichen 10 Bit für Binningfaktoren verwendet werden, wodurch ein Binningfaktor bis zu 1024 möglich ist.

Die Geschwindigkeitsbereiche, innerhalb welcher jeweils ein vorbestimmter Binningfaktor angewandt wird, werden als Binningbereiche bezeichnet.

Durch dieses automatische Binning und Anpassen der Zeilenfrequenz können somit Vorlagen, wie die Produktbahn 2, über einen weiten Geschwindigkeitsbereich abgetastet werden, wobei die Helligkeit der erzeugten Abbildung innerhalb eines vorgegebenen Helligkeitsbereiches liegt und die Auflösung der erzeugten Abbildung der Nennauflösung entspricht. Es hat sich gezeigt, dass die Transportgeschwindigkeit beliebig klein sein kann und dennoch eine zuverlässige Abtastung möglich ist Da innerhalb der einzelnen Binningbereiche die Helligkeit der erzeugten Abbildungen variiert, werden bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die von der Sensoreinheit 7 erzeugten Bildsignale mittels eines Verstärkers mit einem Verstärkungsfaktor g verstärkt. Der Verstärkungsfaktor g ist proportional zum Kehrwert der Belichtungszeit, womit sich der in 4 gezeigte Verlauf des Verstärkungsfaktors ergibt. Der Verstärkungsfaktor ist in 4 über die relative Belichtungszeit von 100 – 200 aufgetragen. Die relative Belichtungszeit von 100 entspricht der Belichtungszeit bei der Nennzeilenfrequenz. Der Erfinder hat festgestellt, dass bei seinem Prototypen ohne Beeinträchtigung der Bildqualität die Helligkeit bis zur doppelten Belichtungszeit der Belichtungszeit bei der Nennzeilenfrequenz konstant gehalten wird (Graph 16 in 8). Hierdurch kann in jedem Binningbereich ein Geschwindigkeitsbereich abgedeckt werden, der eine maximale Transportgeschwindigkeit und eine minimale Transportgeschwindigkeit umfasst, die halb so groß ist wie die maximale Transportgeschwindigkeit. Der Verstärkungsfaktor durchläuft in jedem Binningbereich den Wertebereich von 1 bis 0,5.

Durch die Korrektur der Ausgangssignale mittels des Verstärkungsfaktors wird nicht nur die Helligkeit über den gesamten Geschwindigkeitsbereich, das heißt, über alle Binningbereiche, konstant gehalten, sondern die einzelnen Binningbereiche können auch größer eingestellt werden als ohne Verwendung des Verstärkungsfaktors. Die Verwendung des Verstärkungsfaktors erlaubt somit eine weitere Ausweitung des Geschwindigkeitsbereiches innerhalb dem mit dem erfindungsgemäßen Kameramodul eine relativ zum Kameramodul bewegte Vorlage korrekt abgetastet werden kann.

7 zeigt in einem Diagramm den Verlauf der relativen Belichtungszeit (Graph 14) gegenüber der relativen Transportgeschwindigkeit. Die Transportgeschwindigkeit von 1,0 entspricht der Nenngeschwindigkeit. Bei Verminderung der Transportgeschwindigkeit nimmt die Integrationszeit bzw. Belichtungszeit zunächst zu, bis der Binningfaktor n vom Wert 1 auf den Wert 2 gesetzt wird. Hier wird die Zeilenfrequenz wieder auf die Nennzeilenfrequenz heraufgesetzt und die Belichtungszeit entsprechend verkürzt. Die Auflösung des erzeugten Bildes bleibt im gesamten Gechwindigkeitsbereich unterhalb der Nenngeschwindigkeit konstant.

Zur einfacheren Berechnung der relevanten Steuerparameter wird ein Verzögerungsfaktor d eingeführt, der der Quotient aus der Nenngeschwindigkeit v_N und der Transportgeschwindigkeit V₁ ist:

Hiermit ergibt sich der Binningfaktor n gemäß folgender Formel: n = 2^int(ld(d)), wobei ld der binäre Logarithmus zur Basis 2 ist.

Der Verstärkungsfaktor g berechnet sich gemäß folgender Formel:

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, das erfindungsgemäße Kameramodul sogar über der Nenngeschwindigkeit V_N zu betreiben. Hierbei ist jedoch die Transportauflösung der erzeugten Abbildung zu verringern. Würde die Auflösung um die Hälfte verringert werden, z.B von 600 dpi auf 300 dpi, so kann das Kameramodul bis zur doppelten Geschwindigkeit der Nenngeschwindigkeit betrieben werden (Graph 15 in 7). In diesem Geschwindigkeitsbereich sind dann die Abtastrate und der Verstärkungsfaktor in entsprechender Weise wie in den Binningbereichen einzustellen, wobei die Abtastrate proportional mit der Fördergeschwindigkeit zunimmt. Grundsätzlich könnte man durch weitere Herabsetzungen der Transportauflösung die Geschwindigkeit beliebig erhöhen. Aufgrund der verringerten Transportauflösung ist dieses Verfahren lediglich für kurzfristige Geschwindigkeitsspitzen vorgesehen.

Vorzugsweise ist das Kameramodul derart ausgebildet, dass es am Ausgang 12 ein zur Transportauflösung proportionales Signal ausgibt, damit automatische Auswerteeinrichtungen und eine Anzeigeeinrichtung die veränderte Transportauflösung bei der Analyse und Darstellung der Abbildungen berücksichtigen können.

Die Verringerung der Transportauflösung im Verhältnis zur Nennauflösung kann durch einen Reduktionsfaktor r angegeben werden, der sich folgendermaßen berechnet: r = 2^int(1-ld(d))

Der Verstärkungsfaktor g kann genauso wie beim Binning gemäß folgender Formel berechnet werden:

Die Belichtungs- bzw. Integrationszeit t_l der CCD-Elemente ist proportional zum Produkt aus dem Verzögerungsfaktor d und dem Reduktionsfaktor r: t₁ ~ d·r

Der Übergang zwischen den einzelnen Transportauflösungsstufen erfolgt automatisch, sofern er vom Benutzer freigegeben ist.

Es kann somit somit der ganze Geschwindigkeitsbereich ober- und unterhalb der Nenngeschwindigkeit durchfahren werden.

Eine Möglichkeit, das erfindungsgemäße Verfahren auch mit einer Transportgeschwindigkeit zu betreiben, die kleiner als die minimal mögliche Transportgeschwindigkeit mit dem größtmöglichen Binningfaktor ist, besteht darin, dass nicht jede abgetastete Zeile sondern nur jede i-te Zeile verwendet wird. Dieses Verfahren wird als Austasten bezeichnet und i als Austastfaktor. Als Austastfaktoren werden wiederum bevorzugt Potenzen von 2 verwendet. Als Beispiel sei ein Kammeramodul angenommen, bei dem der maximale Binningfaktor n auf 16 begrenzt ist und ein Verstärkungsfaktors g von 0,5 bis 1 und ein Austastfaktor i von 1 bis 64 verwendet werden. Hiermit ist ein Geschwindigkeitsbereich realisierbar, der sich von 1/2048 der Nenngeschwindigkeit bis zur Nenngeschwindigkeit erstreckt. Bei einer typischen Nenngeschwindigkeit von 24 m/s beträgt die geringste abtastbare Geschwindigkeit 11,7 mm/s. In der Praxis lassen sich noch geringere Geschwindigkeiten realisieren.

Ein derartiger Austastzähler ist einfach im Kammeramodul realisierbar.

Bei Verwendung eines CCD-Elementes mit mehreren Abtastzeilen, wie sie typischerweise zum Detektieren farbiger Vorlagen verwendet werden, besitzen die einzelnen Abtastzeilen einen Versatz zueinander. Dieser Versatz wird mit einem an sich bekannten Verfahren korrigiert, wobei der Abstand zweier Zeilen LS (line spacing) zur Berechnung der Korrektur verwendet wird. Da beim Überschreiten der Nenngeschwindigkeit die Transportauflösung verändert wird, muss der Korrekturwert LS für diesen Versatz durch Division mit dem Reduktionsfaktor korrigiert werden:

6 zeigt schematisch vereinfacht den Schaltungsaufbau der Vorrichtung aus 1. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das Eingangssteuerelement 8 umfasst ein Eingangsteil 8/1 und einen Pulsgenerator 8/2. An der Eingangsseite des Eingangsteils 8/1 ist der Encoder 5 angeschlossen, der sein Pulssignal an das Eingangsteil 8/1 übermittelt. Weiterhin liegen an der Eingangsseite drei Signale an, nämlich der Abstand z benachbarter Abtastzeilen in der Sensoreinheit 7 in Abhängigkeit einer Pich-weite p der Abtastzeilen, die Nennzeilenfrequenz F_N und die Nennauflösung in Transportrichtung TA_N.

Das Eingangsteil 8/1 ermittelt anhand der vom Encoder 5 erhaltenen Impulse und der Nennzeilenfrequenz F_N einen zur tatsächlich angewendeten Zeilenfrequenz F proportionalen Wert. Ein entsprechendes Signal F wird an den Pulsgenerator 8/2 angelegt, der eine Pulsfolge mit einer Frequenz proportional zum Signalpegel von F erzeugt. Diese Pulsfolge wird an die Sensoreinheit 7 weitergeleitet, um das Einlesen der einzelnen Zeilen entsprechend zu steuern.

Weiterhin berechnet das Eingangsteil 8/1 aus der Pulsfolge des Encoders 5, der Nennzeilenfrequenz F_N und der Nennauflösung TA_N den Verstärkungsfaktor g und den Binningfaktor n. Der Verstärkungsfaktor. g wird an einen Verstärker, der in der in 6 gezeigten Logikschaltung als Multiplizierer 13 dargestellt ist, weitergeleitet. Der Multiplizierer 13 multipliziert die von der Sensoreinheit 7 abgegebenen Farbwerte mit dem Verstärkungsfaktor g. An den Multiplizierer 13 schließt sich eine Binningeinheit 11/1 und eine Zeilenkompensationseinheit 11/2 an, die zusammen die Signalverarbeitungseinrichtung 11 bildet. Die Zeilenkompensationseinheit wird nur zum Bearbeiten farbiger Bilder benötigt.

Die Binningeinheit 11/1 erhält von der Eingangseinheit 8/1 den Binningfaktor n übermittelt. Entsprechend dem Binningfaktor n erfolgt das Mitteln der vom Multiplizierer 13 eingehenden Farbwerte.

Die Zeilenkompensationseinheit 11/12 erhält von dem Eingangsteil 8/1 einen um den Reduktionsfaktor r korrigierten Zeilenabstand z_kor, gemäß dem der Abstand der Bildpunkte der unterschiedlichen Abtastzeilen innerhalb der Abbildung korrigiert wird.

Die derart verarbeiteten Bildsignale werden am Ausgang 12 ausgegeben. Diese Bildsignale können direkt an eine herkömmliche Auswerteeinrichtung oder Anzeigeeinrichtung eingegeben werden. Sie unterscheiden sich nicht von Bildsignalen herkömmlicher Kameramodule. Es sind daher keine aufwendigen und in der Regel mit Qualitätseinbußen behafteten Bildverarbeitungsschritte durchzuführen. Dennoch erlaubt das erfindungsgemäße Kameramodul die Abtastung einer Vorlage bei unterschiedlichsten Relativgeschwindigkeiten zwischen der Vorlage und der Sensoreinheit. Das erfindungsgemäße Kameramodul kann mit geringfügiger Hardwareerweiterung, die vollständig in einen FPGA mit kleiner Logikkapazität integrierbar ist, realisiert werden.

Bei manchen Anwendungen wäre es vorteilhaft, wenn man die Transportauflösung auf einen frei wählbaren bestimmten Wert einstellen könnte. Dies ist jedoch bei Verwendung einer Zeilenkamera mit mehreren paralell verlaufenden Abtastzeilen problematisch, da die mit den einzelnen Abtastzeilen erzeugten Abbildungen zu überlagern sind und bei einer Veränderung der Transportauflösung sich die einzelnen Abbildungen zueinander verschieben. Hierdurch würden Farbfehler in einem aus den einzelnen Abbildungen zusammengesetzten Gesamtbild verursacht werden.

Bei der nachfolgend beschriebenen weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abtasten einer Vorlage werden diese Nachteile überwunden. Dieses Verfahren entspricht der in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2006 036 845.2. Diese Patentanmeldung wird unter Bezugnahme in die vorliegende Patentanmeldung aufgenommen.

Bei dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Zeilenkamera 101 verwendet, die zumindest zwei parallel verlaufende Abtastzeilen 102 aufweist (8). Die Abtastzeilen sind typischerweise als CCD-Elemente ausgebildet. Derartige CCD-Elemente weisen entlang einer geradlinigen Linie angeordnete, in der Regel quadratische Sensorelemente auf, die gleichzeitig belichtet, aber seriell ausgelesen werden. Die Sensorelemente bzw. die Abtastzeilen 102 weisen einen Mittenabstand von s zueinander auf.

Die Vorlage 103 wird mittels eines Objektivs 104 auf die Abtastzeilen 102 der Zeilenkamera 101 abgebildet. In 8 ist das Objektiv lediglich als eine einzelne Linse dargestellt. Selbstverständlich kann das Objektiv auch mehrere Linsen und gegebenenfalls Spiegel und Blenden umfassen. Mit dem Objektiv werden jeweils kleine Bereiche 105 der Vorlage 103 auf jeweils ein Sensorelement der Abtastzeilen 102 abgebildet. Diese kleinen Bereiche stellen Bildpunkte 105 der Vorlage 103 dar. Die Größe eines Bildpunktes 105 entspricht der Größe eines Sensorelementes einer der Abtastzeilen 102 multipliziert mit dem Maßstab M des Objektives 104.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Vorlage grundsätzlich mit konstanter Zeilenfrequenz, die z. B. im Bereich von 500 Hz bis 50 KHz liegt, abgetastet. Zwischen zwei aufeinander folgenden Abtastvorgängen zum Abtasten jeweils einer Zeile liegt somit eine Zeitspanne t_z, die der Kehrwert der Zeilenfrequenz ist. Will man die Transportauflösung verändern, so ist die Zeilenfrequenz und damit die Zeitspanne t_z zu verändern. Der Abstand D der Zeilen der erzeugten Abbildungen hängt von der Transportgeschwindigkeit v_t, der Zeitspanne t_z zwischen zwei Zeilenabtastungen und dem Maßstab M gemäß folgender Formel ab:

Betrachtet man die mit der Zeilenkamera 101 erzeugten Abbildungen in der Bildebene 106 der Zeilenkamera 101, d.h., dass die Bildpunkte der Abbildungen die Ausmaße der einzelnen Sensorelemente der Abtastzeilen 102 besitzen, so gilt der gemäß obiger Formel berechnete Abstand D zwischen zwei benachbarten Zeilen der jeweiligen Abbildung.

Da die beiden Abtastzeilen synchron belichtet werden, sind die gleichzeitig erzeugten Bildzeilen der durch die beiden Abtastzeilen erzeugten Abbildungen um den Abstand s der Abtastzeilen zueinander versetzt. Dies hat zur Folge, dass die beiden Abbildungen – betrachtet in der Bildebene 106 der Zeilenkamera 101 – um den Abstand s zueinander versetzt sind. Dieser Versatz Z kann man auch in der Einheit des Zeilenabstandes D ausdrücken, womit sich Z = s/D ergibt. Z ist eine rationale Zahl mit einem ganzzahligen Anteil (Integer) und einem Nachkommaanteil. Z ist ein Skalar, das für die beiden durch die zwei Abtastzeilen 102 erzeugten Abbildungen unabhängig von der Betrachtung in der Bildebene 106 gilt.

Die beiden Abbildungen werden mit einem zweistufigen Verfahren in Deckung gebracht. Hierbei werden die beiden Abbildungen im selben Koordinatensystem mit dem durch den Versatz der Abtastzeilen der Zeilenkamera verursachten Versatz dargestellt.

In der ersten Verfahrensstufe werden die beiden Abbildungen zunächst um den ganzzahligen Anteil des Versatzes Z zueinander verschoben, so dass der Versatz zwischen den beiden Abbildungen minimiert wird. Die Verschiebung erfolgt somit entgegen dem Versatz. Dies hat zur Folge, dass die beiden Abbildungen derart übereinander gelagert sind, dass die Bildzeilen der beiden Abbildungen nur noch um den Nachkommaanteil von Z, nämlich (Z-Int(Z)), zueinander versetzt sind.

Grundsätzlich wäre es auch möglich, bei einem Versatz um einen Nachkommaanteil die Farbauszugswerte des nächsten Nachbarn zu nehmen. Mit dem Begriff Farbauszugswert wird die Intensität eines Farbauszuges an einem Bildpunkt bezeichnet. Die Verwendung des Farbauszugwertes des nächsten Nachbarn würde jedoch zu Farbfehlern in dem so erzeugten Gesamtbild führen. Erfindungsgemäß wird deshalb anstelle einer weiteren Verschiebung in einer der beiden Abbildungen eine Interpolation von neuen Bildzeilen durchgeführt, die bezüglich der bisherigen Bildzeilen um den Nachkommaanteil von Z versetzt sind. Diese Interpolation wird ausgeführt, indem die zu interpolierende Zeile aus den beiden Bildzeilen interpoliert wird, zwischen welchen die zu interpolierende Bildzeile angeordnet ist. Hierbei wird ein zu interpolierender Farbauszugswert f_Int aus den Farbauszugswerten der in Transportrichtung fluchtenden Bildpunkte der beiden benachbarten Bildzeilen (ZE+, ZE–) interpoliert, wobei der Farbauszugswert des Bildpunktes, der um den Nachkommaanteil von Z beabstandeten Bildzeile mit dem Nachkommaanteil von Z und der Farbauszugswert des Bildpunktes, der von der zu interpolierenden Bildzeile um eins minus dem Nachkommaanteil von Z beabstandet ist, mit eins minus dem Nachkommaanteil von Z gewichtet wird. Hier ergibt sich somit folgende Formel für den interpolierten Farbauszugswert f_int: f_int = (Z – Int(Z))·f_ZE+ + (1 – (Z – Int(Z))·f_ZE-

Mit dieser Interpolation werden die Bildzeilen einer der beiden Abbildungen derart versetzt, dass die darin enthaltenen Bildpunkte exakt an der gleichen Stelle positioniert sind, wie die korrespondierenden Bildpunkte der anderen Abbildung.

Diese beiden in Deckung gebrachten Abbildungen ergeben somit ein Gesamtbild. Dieses Gesamtbild weist keine Farbfehler aufgrund des in Deckung Bringens der beiden Abbildungen auf. Dieses Gesamtbild kann grundsätzlich mit beliebiger Verfahrgeschwindigkeit der Zeilenkamera gegenüber der abzutastenden Vorlage erreicht werden.

10 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Zeilenkamera 101, mit drei parallel verlaufenden Abtastzeilen 102. Da die Zeilenkamera aus 10 ähnlich zu der Zeilenkamera aus 9 aufgebaut ist, werden gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Die drei Abtastzeilen 102 sind jeweils mit einem Farbfilter 106 für die rote Farbe 106/1, grüne Farbe 106/2 und blaue Farbe 106/3 versehen. Mit diesen Abtastzeilen 102 wird jeweils eine rote, grüne und blaue Abbildung der Vorlage 103 erzeugt. Derartige CCD-Elemente sind z.B. von der NEC Corporation unter der Handelsbezeichnung &mgr;PD3768 bzw. &mgr;PD8821 erhältlich. Die einzelnen Sensorelemente sind bei dem CCD-Element &mgr;PD8821 10 &mgr;m (pitch-Weite p) innerhalb einer Abtastzeile beabstandet und der Abstand zweier benachbarter Abtastzeilen entspricht 40 &mgr;m.

Das Objektiv 104 wird in der Regel möglichst so eingestellt, dass mit der Zeilenkamera die Vorlage mit 100 dpi, 150 dpi, 300 dpi oder 600 dpi abgetastet wird. Diese Auflösung in Zeilenrichtung wird im nachfolgenden als optische Auflösung bezeichnet. Diese optische Auflösung OA ist für eine vorbestimmte Zeilenkamera mit einem vorbestimmten Objektiv in der Regel eindeutig festgelegt.

Der Abstand s der benachbarten Abtastzeilen 102 kann auch in Abhängigkeit der pitch-Weite p benachbarter Sensorelemente der Abtastzeilen als z = s/p dargestellt werden. Üblicherweise ist z eine ganze Zahl. Bei den oben genannten CCD-Elementen der NEC Corporation beträgt z jeweils vier. Der Versatz Z in Einheiten des Zeilenabstandes kann auch folgendermaßen berechnet werden:

In der Praxis stellt man die Zeilenfrequenz so ein, dass eine bestimmte Transportauflösung erhalten wird. Die optische Auflösung ist in der Praxis nicht veränderbar. So kann der Versatz Z sehr einfach aus der Transportauflösung TA, der optischen Auflösung OA und z ermittelt werden.

Die mit der in 10 gezeigten Zeilenkamera erzeugten Abbildungen werden vorzugsweise derart in Deckung gebracht, dass die rote Abbildung und die blaue Abbildung gemäß dem oben beschriebenen Verfahren jeweils verschoben und interpoliert werden, so dass sie mit der grünen Abbildung übereinstimmen. 11 zeigt vereinfacht jeweils drei Bildpunkte dreier benachbarter Zeilen (n-1, n, n+1) der Farben Grün (g), Rot (r) und Blau (b), die an sich in Zeilenrichtung an der selben Stelle angeordnet sind und lediglich zu Darstellungszwecken seitlich versetzt gezeichnet sind. Diese Darstellung zeigt die Bildpunkte nach dem Verschieben um den ganzzahligen Anteil des Zeilenabstandes Z, so dass die Bildpunkte der unterschiedlichen Farben jeweils nur noch bezüglich des Nachkommaanteils von Z versetzt sind.

Die grünen Bildpunkte bleiben unverändert. Die benachbart zu den grünen Bildpunkten dargestellten roten Bildpunkte sind um dpR versetzt, was dem Nachkommaanteil von Z entspricht. Um einen roten Farbauszugswert für die Position des grünen Bildpunktes der Zeile n zu erhalten, werden die beiden roten Bildpunkte der Zeilen n und n+1 interpoliert, wobei der Bildpunkt der Zeile n+1 mit dem Nachkommaanteil von Z gewichtet wird und der Farbauszugswert von der Zeile n mit eins minus dem Nachkommaanteil von Z gewichtet wird.

Die blauen Bildpunkte sind gegenüber den grünen Bildpunkten um dpB entgegen der Transportrichtung versetzt. Um einen blauen Bildpunkt an der Position des grünen Bildpunktes n zu erhalten, werden die Farbauszugswerte der Bildpunkte der Zeilen n-1 und n interpoliert, wobei der Farbauszugswert des Bildpunktes der Zeile n-1 mit dem Nachkommaanteil von Z und der Farbauszugswert des Bildpunktes der Zeile n mit eins minus dem Nachkommaanteil von Z gewichtet werden.

Da das menschliche Auge für die Farbe Grün wesentlich stärker empfänglich ist als für die Farben Rot und Blau, ist es zweckmäßig, die grüne Abbildung unverändert zu lassen. Hierdurch wird das Bild durch das menschliche Auge wesentlich schärfer wahrgenommen, als wenn die rote oder blaue Abbildung unverändert gelassen werden würde und die grüne Abbildung ebenfalls interpoliert würde.

Die Erfindung kann folgendermaßen kurz zusammengefasst werden:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum optischen Abtasten einer Vorlage mit einer Zeilenkamera.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann die Vorlage mit variabler Geschwindigkeit abgetastet werden. Da zum einen eine Zeilenfrequenz, mit der die einzelnen Zeilen abgetastet werden, nach Maßgabe der Transportgeschwindigkeit und zum anderen automatisch ein Binning in Abhängigkeit von der Transportgeschwindigkeit ausgeführt wird, wobei die Zeilenfrequenz um einen Binningfaktor n vervielfacht wird, kann auf sehr einfache Art und Weise eine Vorlage über einen großen Geschwindigkeitsbereich abgetastet werden. Vorzugsweise erfolgt eine Korrektur der Farbwerte mittels eines Verstärkungsfaktors, so dass die Helligkeit der hierdurch erzeugten Abbildungen über den gesamten Geschwindigkeitsbereich konstant ist.

1

Kameramodul

2

Produktbahn

3

Walzen

4

Welle

5

Encoder

6

Förderrichtung

7

Sensoreinheit

8

Eingangssteuerelement

8/1

Eingangsteil

8/2

Pulsgenerator

9

Leitung

10

Leitung

11

Signalverarbeitungseinrichtung

11/1

Binningeinheit

11/2

Zeilenkompensationseinheit

12

Ausgang

13

Multiplizierer

14

Graph

15

Graph

16

Graph

101

Zeilenkamera

102

Abtastzeile

103

Vorlage

04

Objektiv

05

Bildpunkt

06

Bildebene