B.I.T.online Heft 4/2007: Zeutschel 3D-Buchscanner Entzerrungstechnologie: "Perfect Book"

Bisher waren verzerrungsfreie und gleichmäßig ausgeleuchtete Scans von gebundener Literatur nahezu unmöglich. Dank des Wissenschaftstransfers zwischen dem Tübinger Scanner-Spezialist Zeutschel und dem Institut für Elektronik, Signalverarbeitung und Kommunikationstechnik der Otto-von-Guericke-Universität in Magdeburg, gehört dieses Problem jetzt der Vergangenheit an. "Perfect Book" heißt die innovative Technologie, die mittels 3D-Oberflächenrekonstruktion eine nahezu perfekte Entzerrung des Buchfalzes möglich macht. Verwirklicht ist "Perfect Book" in der neuen Zeutschel OS 12000-Serie

Die digitale Archivierung gebundener Literatur wird zunehmend zu einem wichtigen Bestandteil der Arbeit von Bibliotheken und Museen. Doch insbesondere bei dicken Büchern war es in der Vergangenheit wegen der Krümmung in der Nähe der Buchbindung kaum möglich, ein verzerrungsfreies und gleichmäßig ausgeleuchtetes Bild einzelner Seiten zu erhalten ohne die Bücher durch das Scannen zu beschädigen. Die elektronische Erschließung von Informationen aus papiergebundenen Vorlagen mittels automatischer Zeichenerkennung (Optical Character Recognition, OCR) war aufgrund der durch die Oberflächenwölbung hervorgerufenen Verzerrung zudem bislang mit einer hohen Fehlerrate behaftet.

Die von Zeutschel gemeinsam mit dem Institut für Elektronik, Signalverarbeitung und Kommunikationstechnik der Otto-von-Guericke-Universität in Magdeburg entwickelte, kombinierte Hardware- und Software-Lösung "Perfect Book" geht dem Problem technologisch auf den Grund und beseitigt es.

Eingelegte Notizzettel oder beschädigte Buchseiten beeinträchtigen bisher die Korrekturqualität

Bild der Zeilenkamera und der Flächenkamera.

Die gleichzeitig von beiden Bildquellen gewonnenen Images - es ist kein zeitintensives Pre-Scan erforderlich - werden in eine 3D-Rekonstruktion umgerechnet. 3D-Modell.

Orthoscan Perfect Book

Entzerrungsmethoden für nicht exakt ausgerichtete Bücher und Dokumente kommen in der Scanner-Technologie schon seit langem zum Einsatz. Sie basierten in der Vergangenheit auf Korrekturverfahren, bei denen beispielsweise von der Helligkeitsverteilung oder von der Tatsache auf die Oberflächenform geschlossen wird, dass Zeilen oder die Buchseitenränder geradlinig sein müssen.

Mittels mathematischer Algorithmen wurden ungerade Zeilen und gestauchte Buchstaben über Näherungsverfahren mit reinen Softwarelösungen ausgerichtet, "gerade gerückt" und geglättet. Das gilt auch für die von Zeutschel eingesetzte "Orthoscan-Technologie". Sie stellt für viele Anwendungsfälle zwar ein leistungsfähiges Werkzeug zum Glätten der Krümmung in der Nähe der Buchbindung dar, stößt allerdings - wie andere vergleichbare rein rechnerische Methoden - in der Praxis oft an ihre Grenzen.

Als Haupthemmnis, das die optimale Entzerrung erschwert oder gar gänzlich verhindert, erweist sich beispielsweise eine unregelmäßige Buchkontur, wie sie bei eingelegten Notizzetteln oder beschädigten Buchseiten auftritt.

Nur, wenn die obere und untere Buchkontur klar erkennbar und identisch sind, können ausschließlich Software-basierte, mathematische Korrekturverfahren überhaupt brauchbare Ergebnisse liefern.

Entwickelt wurde "Perfect Book" in enger Kooperation mit der Magdeburger Otto-von-Guericke-Universität. Der Lehrstuhl für Technische Informatik des Instituts für Elektronik, Signalverarbeitung und Kommunikationstechnik (IESK) verfügt über langjährige Erfahrungen auf den Gebieten Bildverarbeitung und optischen 3D-Messtechnik sowie ihrer Anwendung zur Oberflächenrekonstruktion, u. a. beim Einsatz in der Automobilindustrie (http://ti-iesk.et.uni.magdeburg.de/TI/). Für die dortige Arbeitsgruppe unter Leitung von Professor Bernd Michaelis stellte das Projekt insoweit eine neue Herausforderung dar, dass neben der Rekonstruktion der Oberflächenform eine hohe Auflösung bei der Erfassung der Oberflächentextur gefordert war.

"Perfect Book" ist eine kombinierte auf Hard- und Software basierende Methode, die mit der Zeutschel Scanner-Serien OS 12000 sowie in Verbindung mit der Zeutschel Capture Software OS 11 eingesetzt werden kann. Grundlage für "Perfect Book" ist die Konstruktion eines Stereo-Visions-Systems, das während des Scan-Vorgangs die 3D-Oberflächenform der Buchseite erfasst. Für die 3D-Daten wird neben der üblichen hochauflösenden Zeilenkamera (gelb gekennzeichnet) eine zusätzliche Standard-USB-Kamera mit VGA-Auflösung (640 x 480 Bildpunkte) benötigt. Die USB-Kamera ist eine Flächen- oder Matrixkamera und fungiert als zweiter Messpunkt für eine Triangulation (grün gekennzeichnet).

Auf Basis der Zeilenkamera wird ein Bild in reproduzierbarer Weise aufgenommen. Zur Beleuchtung des Aufnahmeobjektes der Zeilenkamera während der Aufnahme dient ein Lichtstreifen, der synchron zur Zeilenkamera mit einer reproduzierbaren Geschwindigkeit bewegt wird. Der bewegte Lichtstreifen wird von einer feststehenden Matrixkamera in einer Bildsequenz mit definierter Framerate aufgenommen. Über spezielle Berechnungsalgorithmen kann aus der aufgenommenen Bildfolge der Matrixkamera auf die Oberflächenform der gescannten Papiervorlage geschlossen und diese in einem zweiten Schritt in eine Ebene transformiert werden.

Durch die gleichzeitige Verwendung zweier kalibrierter, unter verschiedenen Blickwinkeln arbeitender Aufnahmesysteme, wird auf diese Weise eine hohe Korrekturqualität erzielt. Abhängigkeiten von verdeckten oder beschädigten Buchrändern wie sie bei rein mathematischen Verfahren existieren, bestehen bei "Perfect Book" nicht mehr.

Durch das kombinierte Bild aus Zeilenkamera und Flächenkamera entsteht ein exaktes, virtuelles 3D-Oberflächenmodell des Buches auf der Scan-Plattform. Die berechnete 3D-Oberflächenform bezieht sich auf ein definiertes Koordinatensystem, das durch eine Kalibrierung des Gesamtsystems festgelegt wird.

Das Buch wird automatisch exakt gerade gelegt, eine deutliche Erleichterung für den Benutzer, die Zeit spart und das Buch schont. Zudem kann "Perfect Book" die Doppelseite exakt trennen, was eine optimale Bildqualität für einen eventuell gewünschten Ausdruck sicherstellt.

Durch die echten 3D-Daten ist "Perfect Book" für Lagebestimmung und Formaterkennung nicht auf die Seitenränder angewiesen. Vielmehr läuft die Randerkennung über die Höhen des Seitenprofils, rechts, links und in der Buchmitte. Bei unzuverlässigen Höhendaten wird eine Texturanalyse zur Randerkennung benutzt.

"Perfect Book" korrigiert die Verzerrung der Zeichen zur Buchmitte hin und erkennt automatisch die Seitengrößen.

Das Ergebnis: Die zum Buchfalz hin gestaucht verlaufenden Zeichen werden im Scan exakt gerade ausgerichtet, die Seiten automatisch getrennt und im korrekten Format gescannt. Die Software glättet die zum Buchfalz hin gestauchten Buchstaben, entzerrt deren Laufweite und entfernt den dunklen Streifen in der Mitte.

Der Nutzen für den Anwender ist vielfältig: Neben der Tatsache, dass er hochwertige Re-Prints der Buchseiten erhält, wird aufgrund des Ausblendens dunkler oder gar schwarzer Mittel- und Randstreifen der Tonerverbrauch beim Ausdrucken spürbar reduziert. Ein weiterer Vorteil ergibt sich für Benutzer, die die eingescannten Texte mittels eines OCR (Optical Character Recognition)-Verfahrens von einem Bild- in ein Textformat konvertieren möchten. Die Fehlerquote bei der automatischen Zeichenerkennung wird deutlich gemindert, der Arbeitsablauf beschleunigt.

Nach Ansicht von Hans-Peter Heim, Geschäftsführer der Zeutschel GmbH, unterstreicht Zeutschel mit der Vorstellung von "Perfect Book" seinen Anspruch als Innovations-Motor im Hochleistungsscanner-Segment. "Durch den Einsatz des neuartigen 3D-orientierten Verfahrens wird eine erheblich verbesserte Marktpositionierung erreicht, die gegenüber Mitbewerbern eine technologische Abgrenzung ermöglicht. Mit der Absicherung der technischen Grundlagen zur Entzerrung und Bildkorrektur kann die neue Aufsichtsscanner-Serie OS 12000 zukünftig ein herausragendes Scannersystem zur Erfassung von Büchern und historischen Dokumenten am Weltmarkt darstellen", erläutert Heim.

Bereits in der Vergangenheit hatte Zeutschel mit einem revolutionären Lichtkonzept für Furore gesorgt. Das patentierte LED-Beleuchtungssystem führt zu einer optimalen Lichtfokussierung. Das Resultat ist eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit und eine geringe Lichtbelastung von weniger als 1 Lux Stunde sowohl für den Anwender als auch für die Scan-Vorlage.

Aufgrund des fokussierten Lichts lassen sich - bei gleichzeitig hoher Energieeffizienz - klare, rauschfreie und farbechte Images erzielen. Durch die rückwärtige Beleuchtung werden Schlagschatten und störende Reflexe verhindert und damit auch bei problematischen Dokumenten eine bestmögliche Ausleuchtung des Buchfalzes sichergestellt. Eine Funktionalität, die "Perfect Book" zu gute kommt. Für die Matrixkamera ist keine zusätzliche Lichtquelle erforderlich.

Während die Realisierung von "Perfect Book" in die Endphase geht - erste Hochleistungsscanner mit "Perfect Book" werden ab Herbst 2007 über den Fachhandel verfügbar sein - arbeiten die Zeutschel-Ingenieure und -Softwareentwickler nach Angaben von Geschäftsführer Hans-Peter Heim bereits an weiteren technologischen Innovationen. Die automatische Detektion der Buchlage und Buchgröße mit ebenfalls automatischer Bestimmung der "region of interest (ROI)" stehen ebenso auf der "road map", wie die Entwicklung eines intelligenten Systems zur Benutzerführung.

"Unser Ziel ist es, all jene zu widerlegen, die behaupten, Buchscanner wären kompliziert, langsam und zu teuer. Wir möchten neue Zielgruppen beispielsweise in den Bereichen Kopierlösungen und elektronische Lieferdienste für das Buchscannen gewinnen. Dazu gehören neben Bibliotheken und Archiven immer stärker auch die öffentliche Verwaltung, Versicherungen, Anwälte und Dienstleister", fasst Heim seine Pläne zusammen.

Jürgen Neitzel
neitzel communications
Rohrackerstraße 252
D-70329 Stuttgart
E-Mail: jneitzel@neitzel-services.de