（光学工程专业论文）激光数码冲印输出控制系统研究.pdf

浙江大学硕上论文 y 6 8 9 1 0 0 摘要 激光数码冲印系统，采用专门的固体红、绿、蓝激光器为光源的曝光系统，在可以 长 期保存的银盐相纸上进行高速高质量的数码曝光，具有极纯的颜色再现， 平滑的灰度 等级，极好的锐度等许多优点。 木论文介绍了激光数码冲印系统的基本原理， 分析了激光数码冲印的输出控制系统 原理， 并提出了解决方案， 详细介绍了方案中每一部分的具体设计和实现。 设计方案的 重点内 容是用u s b 2 .0 方式从p c机高速传输图 像数据， 和用s 3 c 4 4 b o x控制s d r a m 做图像数据的高速、大容量缓存。 木论文分为五个部分详细阐述了课题的研究内容。 第一部分是对檄光数码冲印系统 的原理性介绍， 介绍了当今数码冲印的主流技术的应用。 第二部分着重讨论了激光数码 冲印输出控制系统的解决方案，以及方案中各部分关键器件的原理和应用。 第三部分介 绍了系统设计环境。第四部分介绍系统的硬件设计和软件设计。 第五部分则对实验结果 做了展示，并提出了总结与展望。 关键词: 激光， 数码， 高速， 缓存， d ma, u s b 2 . 0 , s 3 c 4 4 b o x, s d r a m, c p l d 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t t h e s y s t e m o f l a s e r d i g i t a l c o lo r p h o t o f i n i s h i n g e m p l o y a n e x c l u s i v e l a s e r e x p o s u r e s y s t e m b a s e d o n d i g i t a l e x p o s u r e s s o l i d - s t a t e r e d , b l u e a n d g r e e n l a s e r s , m a k e s p o s s i b le f a s t , h i g h - q u a l i t y e x t r e m e ly p u r e c o l o r a d v a n t a g e s . l o n g - l a s t i n g , s i lv e r - h a l i d e p h o t o g r a p h i c p a p e r . t h i s s y s t e m d e l i v e r s r e p r o d u c t i o n s , s m o o t h g r a d a t i o n s , s u p e r b s h a r p n e s s , a n d m a n y o t h e r t h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e f u n d a m e n t a l s o f t h e s y s t e m o f l a s e r d i g i t a l c o l o r p h o t o f i n i s h i n g , a n a l y z e s t h e p r i n c i p l e o f t h e o u t p u t c o n t r o l s y s t e m f o r i t , a n d p r o v i d e s t h e s o l u t i o n s , e x p a t i a t e s o n t h e s p e c i f i c d e s i g n o f e a c h p a rt o f t h e w h o l e s y s t e m . t h e i m p o r t a n t c o n t e n t o f o u r s o l u t io n s f o r t h e o u t p u t c o n t r o l s y s t e m a r e a p p l ic a t i o n o f u s b 2 .0 t o t r a n s m i t p h o t o d a t a f r o m p c h i g h s p e e d a n d u s i n g s 3 c 4 4 b o x t o c o n t r o l s d r a m t o f u l f i l l t h e n e e d o f h i g h s p e e d a n d m a s s b u f f e r f o r p h o t o d a t a . t h i s p a p e r c a n b e d i v i d e d i n t o f i v e p a rt s . t h e p r i n c i p l e s a n d t h e m a i n a p p l i c a t i o n o f la s e r d i g i t a l p h o t o f i n i s h i n g s y s t e m a r e i n t r o d u c e d i n t h e f i r s t p a r t . we f o c u s e d o n t h e s o l u t i o n o f t h e o u t p u t c o n t r o l s y s t e m a n d t h e a p p l i c a t i o n s o f t h e k e y d e v i c e s i n t h e s y s t e m i n t h e s e c o n d p a r t . t h e s u r r o u n d i n g s o f s y s t e m d e s i g n a r e i n t r o d u c e d i n t h e t h i r d p a rt . t h e h a r d w a r e a n d s o f t w a r e d e s i g n a r e i n t r o d u c e d i n t h e f o u r t h p a r t . t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a n d t h e s u m m a r i z a t i o n a n d t h e e x p e c t a t i o n a r e p r o v i d e d i n t h e l a s t p a rt . k e y wo r d : l a s e r , d i g i t a l , h i g h s p e e d , b u ff e r , d m a , u s b 2 .0 , s 3 c 4 4 b o x , s d r a m cp l d 浙江大学硕士论文 第一章绪论 1 . 1 课题的研究背景 1 . 1 . 1 激光数码冲印系统的研究背景及意义 随 着计算 机和信息时 代的 到 来， 数 字化技术 ( d i g it a l t e c h n o l o g y )已 经 越来 越深入 到了科学研究和人们生活的每一方面。 从通信的角度看: 在信源方面，已实现了音频和 视频信号的数字化 ( 数字电话、数字电视、数字音乐、数码相机等) :在信道方面，数 字基带和载波传输的迅速发展 ( 如计算机局域网、图像处理等) ，充分利用和挖掘了计 算机的实时运算和数字处理优势，实现了信息变换、压缩、 优化和网络交互:在信宿方 面，实现了软输出 ( 计算机文件存储、投影仪及计算机显示等)和硬输出 ( 如印刷、打 印) 。 同时， 随着数字化技术的日新月异， 各行各业对各种数字图像的应用需求也越来越 多， 传统的底片冲印机已经不能满足人们日益发展的需要。 我们知道， 传统的冲印机是 将留在底片上的影像在相纸上进行曝光，再经过显影、定影、漂净、烘干后得到相片， 曝光前影像不经过任何处理，相片仅仅是对底片影像的简单物理还原。各种数码相机、 数字图像采集设备以及数字多媒体等设备的出现， 需要对各种数字图像进行输出并使其 具有高清晰度、 高饱和度和高质量的色彩还原， 并且要求最终输出前可以在计算机中对 图像进行一系列的人为处理，如色调校正、平滑、锐化、 颗粒控制、去噪声等等，使输 出结果更理想。传统冲印机是无法胜任以上功能的。 几年来， 随着电子技术的迅速发展与人们消费水平的不断提高， 数码相机销售量呈 现出了稳固增长的趋势e 2 0 0 3 年全球数码相机市场继续表现火爆势头， 数码相机的销售 数量上升了6 4 %，达到 5 0 0 0 万台。尽管中国数码相机市场起步较晚，但经过几年来的 培育， 数字时代、数字生活概念的广为宣传，更加之受到网络和计算机在平常生活中的 进一步渗透， 数码相机作为消费类电子产品得到了用户的认同。 2 0 0 3 年中国数码相机市 场销量达到8 9 .2 万台，比2 0 0 2 年同期增长1 2 5 . 3 %。由于越来越多的消费者正在由传统 摄影改为数字摄影，由 数码相机所衍生出的数码冲印服务也备受消费者的重视。 对于冲 印店而言，向消费者提供数码影像冲印己成为冲印店的一项重要服务项目， 数码冲印店 将使得商家在传统业务的基础上创造新的业务增长点， 是冲印店重要的获利来源。 数码 影像冲印己成为照相加工业的主流趋势。 所以， 未来的数码照相市场将进一步延伸至外 围产品及数码冲印服务，众厂商对新兴的数码冲印业务展开了新一轮的争夺。 数码冲印是一种理想的图像重现硬拷贝输出方式，其优点可归纳如下: 浙江大学硕士论文 ( 1 ) 解决了 数码相机无底片问题: ( 2 )“ 所见即 所得” ( w h a t y o u s e e i s w h a t y o u g e t ) : 数码冲印 的最终输出 效果 可以预先在计算机显示终端上得到， 同时可以充分利用各种图像处理工具软件和自 定义 的程序代码，从而进行个性化设计，控制和改进最终输出的效果。 ( 3 )由感光材料特性决定了其良 好的图像色彩还原性，图像的色彩保持力强，远 高于除印 刷以外的其它方式。 ( 4 ) 价格便宜， 尤其对于小 批量业务。 ( 5 )由于数码冲印系统的前端为数字方式，可以与其它数字系统融合，从而进一 步拓展其应用范围。 ( 6 ) 将数码冲印系统与网络结合，并通过网络进行图像的存储和交换，实现网上 冲印服务。 目 前， 数码冲印机的数码成像系统主要有3 种方式: c r t , l c d和l a s e r 。如图 1 - 1 所示。 光源!照明 底片i并 行暇光 妙crtsi 图1 - 1 :数码冲印系统成像方式 c r t 数码冲印 机可分为面阵式c r t 成像系统和线性c r t 成像系统两类。 面阵式数 码冲印机是由c r t阴极射线管作为数码成像器与传统冲印机组合而成。这是最初数码 冲印机的雏形。但其输出的照片质量欠佳，已渐被淘汰;线性c r t数码冲印机的c r t 管呈长条状 ( 线性)，并像扫描仪那样将图像 “ 扫描”在像纸上，其照片质量和精度比 面阵式c r t方式有较大提高，可达到半专业型水准。 l c d数码冲印设备是由传统冲印机( 带数码接口) 和l c d数码控制平台组合而成， 浙江大学硕士论文 该系统既像传统冲印机一样扩印1 3 5 , 1 2 0 , 1 1 0 , a p s 等负片，又能将数码相机、数码 摄像机、光盘、软盘、 z i p 、互联网、电子邮 件等电子图像信息，以及照片、负片、反 转片等经扫描仪转换成图 像数字信息， 在数码控制平台内 进行数码图像处理后， 将结果 通过数码成像器一l c d输出，这时的l c d可视同一张电子菲林，置入传统冲印机上扩 印出彩色照片，并可制成各种创意的图片。其扩印的数码照片 5 x7英寸能获得令人满 意的清晰度， 3 .5 x 5 英寸完全能与激光数码冲印冲印的照片相媲美。由于该类数码冲印 机的 l c d数码成像系统和传统冲印机，各自 相对独立，传统冲印升级为数码冲印设备 的 技术较易实现。 其在中小型影像冲印服务网点上的市场潜力已 显端倪，随着l c d数 码成像器解析度的不断提升， l c d模式的数码冲印机将被广大的中小型冲印店业主们所 接受。 与l c d数码冲印设备原理相似的还有 l c o s数码冲印设备，它采用l o o s( 硅基 微晶)代替银盐胶片夹，进行数码影像的冲印。目 前，l c o s 数码冲印设备的国内最大 生产厂商是浙江金成科技公司。 激光数码冲印设备是由激光数码成像技术与传统影像冲印技术整合而成。目 前， 富 士、 诺日 士、爱克发等均以激光式数码冲印系统作为自己的主流机型推广。 激光数码冲 印的原理是由数字图像数据 ( 例如 r 、g 、b )控制三路声光调制器，使对彩色感光材 料青、品、黄三染料层光谱最灵敏的三色激光进行光强调制， 光学系统进行行扫描，结 合相纸纵向 走纸，实现整幅图像的数字曝光， 并利用现有彩色冲片机显影， 得到彩色相 片。与c r t , l c d并行曝光方式相比， l a s e r为串行曝光，输出尺寸大小十分灵活。 激光数码影像系统的优点主要表现在: (1)清晰度处理。即 “ 锐化”功能一自 动改善主体，阴影与色彩边缘的界限，以 补偿底片片颗粒度的不足， 扩印的照片清晰纯真， 令普及型相机所摄影像， 亦能得到一 张与专业型照相机所摄相同 “ 级别”的清晰图像; ( 2 )对输入影像的曝光过度或不足可自 动调节密度与反差，使图像达到正常曝光 的水准; ( 3 )当过度强烈的闪光使主体太亮而背景太暗，即高反差时，自 动调整主体与背 景的光比，以取得和谐的色彩渐变和自 然逼真的影像; ( 4 ) 从前部或背部区域单独进行图像密度的调节，渲染主体的背景。此外激光数 码冲印机能构建数码网络冲印系统， 使摄影爱好者直面网络终端， 对自己作品进行再“ 创 作” 由于上述优点， 数码冲印将成为影像冲印服务的主流。据报道，开创激光数码冲印 浙江大学硕士论文 先河的富士f r o n t i e r 魔术手”，目 前在国内己 超过 3 0 0台。 激光数码冲印机，应该说 市场前景看好， 但其昂贵的价格一百万元投资还是令投资者举棋不定， 该类设备现仅限 于北京、上海、广州等大城市运营。富士等大公司进行了激光数码冲印服务领域拓展的 宣传推广活动，如婚纱影楼，这个市场非常巨大，如果影楼业主导入激光数码冲印机， 电 脑婚纱合成、结婚请柬、背景合成、个性化写真等业务的开展，均能降低营运成本， 提高获利空间; 广告公司、建筑设计院、出版印刷等亦是该类数码冲印有待开发的业务 区域。 激光数码冲印设备目前的售价高昂， 且均为国外垄断。 如国内能成功研制和生产， 利润是相当可观的。 浙江金成科技公司正致力于激光数码冲印设备的研制， 且处于国内 领先地位。 1 . 1 . 2 国内外数码冲印技术发展及市场概况 数码冲印迅速进入影像市场， 针对数字图像输出的需要， 不同曝光方式的数码扩印 机纷纷问 世， 许多传统的冲印 店纷纷转型为数码冲印店， 提供数码冲印 和数码影像服务 的扩印店越来越多。 除了简单的数字图像冲印， 数码冲印业务还提供了多项人性化服务， 包括数码证件照、旧照片翻新、 个性名片、 照片贴纸等等。目前主要的数码冲印设备有 富士魔术手系列数码激光冲印机、 诺日 士数码系列冲印设备、 柯尼卡和爱克发数码冲印 设备等。目前国内冲印市场主要冲印设备见表卜 1 。 表 1 - 1 : 国内市场主要数码冲印设各一览 型号 曝光方式加工能力 ( 张/ 时) 最大尺寸 ( 英寸) 新锐 8 8lcd 6 0 0 ( 4 8 )8又 1 2 诺日 士q s s 3 0 0 1激光 1 1 6 0 ( 3 r ) 8x 1 2 诺日 士q s s 2 9 0 1m l v a微光阀 1 4 8 0 ( 3 8 ) 8 x 1 2 富士f r o n t i e r 3 3 0 激光 6 5 0 ( 3 8 )8又 1 2 富士f r o n t ie r 3 4 0激光 9 0 0 ( 3 8 ) 8x 1 2 富士f r o n t i e r 3 5 0激光 1 3 0 0 ( 3 8 )l ox 1 5 富士f r o n t i e r 3 7 0 激光 1 5 5 0 ( 3 8 ) 1 0x1 5 富士f r o n t ie r 3 9 0激光 2 7 0 0 ( 3 8 )l ox 1 5 爱克发 d - l a b .2激光 1 2 5 0 ( 3 8 )l ox 1 5 爱克发 d - la b .3激光 1 7 0 0 ( 3 8 )8x1 2 柯尼卡q d - 2 1 l e d加 v e p 曝光技术 1 8 0 0 ( 3 8 )1 2x 1 8 柯尼一 片r i s u p e r 3 b c h扩印引擎1 0 0 0 ( 3 8 ) 8x 1 2 浙江大学硕士论文 索菲亚s p i - 9 9 0 d l cd 8 5 0 ( 3 r ) 1 2 x 1 8 多丽d l - 2 2 0 1 d l cd 6 9 2 ( 3 r ) 8 x1 2 1 . 2 课题的提出 激光数码冲印 机是目 前国际上处于领先水平的冲印设备， 广泛用于像质要求高的冲 洗连锁店、 广告业、图片室、医学诊断、测绘等各行业。 但由 于目 前国内在这方面基本 空白，少量的设备全部由国外进口，由富士、 柯达等少数大公司提供， 价格昂贵，富士 f r o n t i e r 魔术手” 价格达到了上百万元， 因此应用还不够普及。 我们迫切需要开发激光 数码冲印机，要用低的多的成本达到国际同行的先进水平。 随着社会的快速发展， 市场 ( 如婚纱影楼等) 要求激光数码冲印机实现大照片的高 质量冲印， 而大照片的存储量是以近百兆字节计的。以8 英寸x1 2 英寸的照片为例， 在 4 0 0 d p i ( d o t p e r i n c h ) 时， 需打印的点数总 共是8 x 1 2 x 4 0 0 x 4 0 0 = 1 5 3 6 0 0 0 0 ， 每一点 占 有的 数 据量 如 果 是4 b y t e ， 则 需 要 的图 像 数 据量 是1 5 3 6 0 0 0 0 x 4 b y t e = 5 8 m b y te 。 在 打 印过程中，p c机一直在传输图像数据，由于p c机采用的操作系统是非实时操作系统， 在数据传输进程中存在着被打断现象， 这在实际打印中， 就出现了打印出一行白线的现 象，极大影响了大照片的效果。 如果我们在硬件上实现了大缓存， 保证缓存中始终有大 量图像数据， 则可以保证打印的高质量完成。 我们以前设计的数码冲印系统还没有建立 大规模的缓存来存储p c机下传的大照片数据， 同时现有系统的p c机数据输出方式p c i 也有它自 身的缺点，如不能即插即用， 价格昂贵等等。因此我们很有必要设计一个高质 量的激光数码冲印输出系统。新的设计不仅要使用性价比高、能从p c机高速输出图像 数据的接口， 还要设计性价比高、高速和大容量的缓存。设计希望达到的最终目的是要 实现大照片的高质量和高速冲印。 浙江大学硕士论文 第二章激光数码冲印原理 激光数码冲印系统主要由数字输入、 数字图像处理和数字输出三部分组成。 系统的 结构原理如图2 - 1 所示。 红光激光3 i- r - - + i d - a o - r - r w*2*5i- - -g - - + f d - a o - g i- g 合光光学 元件组 r gb 蓝 光 ja 光 a卜 - 一 b - 川 d - a o - b 卜_ b a - o 控制 一一一-一一 c mo s 摄象机 i_ yfd 塑_ i 计算机控制 相纸rgb 控制系统 振镜 卜 e 扫 描透镜组 图2 - i : 激光数码冲印系统总体原理 .数字输入 图像输入的来源可以是数字图像， 也可以是模拟图像通过数字化设备得到。由于数 字技术的采用，传统的影像概念范围得到了扩大， 文字、图像的数字化融合为影像的生 成提供了多种手段。数码相机拍摄得到的图像、计算机生成的图像、遥感图像、医学 浙江大学硕士论文 c t图像、广告业的平面设计图、工程设计图、个人形象设计等数字图像都可输入数码 冲印系统经过处理和输出后得到廉价的相片加以欣赏和保存。 2 数字图像处理 数字图像处理部分包括用图像处理工具软件或自 定义的程序代码对欲输出的图像 进行处理和图像分色。 ( 1 )纯图像处理: a .自 动校色，有特殊补正功能，如逆光、闪光灯、曝光不足、大色块等，并在显 示器上模拟相片效果，也可以进行相应的人工处理。 b 实现密度计功能 c 进行特殊加工 ，密度补正。 如:局部剪裁，无底加工、正片加工、旧相片修复等。 d ，艺术加工， 如: 加字、 变调、 改变背景、拼接修改、贺卡等。 e .实现目 前已 面世的影像系统上的所有功能。 ( 2 )图像分色: 由于图像输出设备的多样性和输出介质色彩重现性能的不同， 要实现彩色图像在不 同 的 平 台 上 视 觉 表 现 的 一 致 性 ， 国 际 颜 色 协 会 ( i n te rn a tio n a l c o lo r c o n s o rt iu m , 简 称ic c ) 己经制定了独立于设备的彩色图像编码数字标准，提出了“ 设备彩色概貌”的概念，以 确定每一种输出设备的彩色还原特性，其理论彩色基础为c i e l a b ( l , a , b ) 空间。 数字编码的图像总是首先在计算机显示器上得到，由于彩色显示器为加色显示，其 设备彩色概貌 ( c o lo r p r o f i l e ) 或其色域与彩色感光材料基于减色呈色的色域是不同的， 且一 般彩色显示器的色域大于感光材料的色域。 所以为使两者在视觉上匹配， 必须在彩 色显示器上模拟彩色相纸的色域。 其间的转化是由计算机操作系统所带的或第三方提供 的 彩色管理系统 ( c o lo r m a n a g e m e n t s y s t e m ，简称c m s ) 软件完成， c m s 实 现转化的 基础就是 “ 设备彩色概貌 ，。 由于图像是以数字形式存在，最终相片的色彩由激光曝光量控制，由r g b三色激 光功率和相纸特性决定。根据彩色感光材料三层乳剂层的灵敏度曲线和激光器材料特 性， 选用r : 6 8 0 n m , g : 5 3 2 n m , b : 4 7 3 m 分别对三层乳剂层曝光。彩色感光材料三 层乳剂层为:青 ( c y an) 、品 ( m a g e n t a ) 、 黄 ( y e l l o w ) , 彩色相纸由 青、 品、 黄三 层乳剂 层实现减色呈色。彩色相片的减色原理为: 色彩=白一红 ( r )一绿 ( g)一蓝 ( b ) 浙江大学硕士论文 二 ( 白一红)+ ( 白一绿)+ ( 白一蓝) =青+品+黄 因 此控制青、品、 黄三层乳剂层的感光密度即可得到要求的色彩( c o l o r ) . 设 青、 品 、 黄 三 层乳 剂 层的 感 光密 度 分别 为d c , d a , 、d , ， 则 尽 二 f ( i i )d , = .f ( i c )拜 = f (1 11 ) i r 、几、几分别为r , g , b 三色激光的曝光功率，得 = ai a , 几1 1 11 ) 针对数码激光冲印系统，在此我们借用传统分色概念 ，产 冲，ol此 其c励 需用三色激光器的 功率i x , i c , i ,“ 语言” 来表达某一 色彩 为得到要求的色彩， 即实现图像色彩空间 c i e - r g b 或c i e - l a b 到l a s e r - 人几几空间 的 转 换。 而“ 设 各 彩 色 概貌” 即 为 ( 1 , 几、 i b ) 与 ( 几、几 、马) 或 ( l , a , b ) 之间 的r -r 映 射p o p : r - r = p i ( i , , 人 ; , 1 e ) -( 马， 几， 乌) 或 p : r 。r = ( p i ( i 1 , 几 i a ) - ( l , a , b ) r 映射p可以通过理论计算加实验拟合得到 如何控制 r , g , b三色激光的曝光功率，实现对应的色彩，与传统曝光和色彩控 制有很大区别。 传统的曝光控制为整体控制，色彩的校正通过控制青、品、黄三色滤光 片的插入时间来完成，并且受底片冲洗的影响。 而数字图像的色彩已数字量化， 且符合 统一的数字标准，因此以 数字图像中给定的数值来控制r g b三色激光的曝光强度以实 现色彩的还原与传统的控制有很大不同。 3 .数字输出 数字输出部分是一台激光相纸打印机，它以相纸 ( 普通相纸或数码相纸)为打印对 象， 可达到4 0 0 d p i 的分辨率， 目 前的最大打印相纸宽度为3 2 英寸。 该激光打印 机的核 心内容是激光器、激光调制器、激光扫描和走纸方式。如图2 - 2 所示。 浙江大学硕士论文 ( 1 ) 激光器:考虑到产品小型化、功率和使用寿命等方面的要求，结合目 前激光 器的发展水平和趋势，我们对 r , g , b三色激光均采用全固体激光器。三色激光的功 率大小与图像曝光点的曝光时间密切相关， 波长的选择以色品度为依据， 三种颜色要相 互独立。 ( 2 )激光扫描和走纸方式: 激光扫描和走纸方式的确定，直接关系到机械改动的 大小、扫描稳定性和出纸效率。 我们采用相纸平面直线走纸， 振镜一维横向直线扫描的 方法完成面扫描。 ( 3 ) 激光的调制方式:激光调制用来产生图像明暗，三基色调制光的合成才构成 彩色的图像信号。 它的选用与参数确定与扫描频率、 分辨率和出纸速度有直接关系。 考 虑到本项目的调制频率在 1 m左右，根据目 前的调制技术发展情况和实际使用经验，采 用声光a o调制器调制激光光强。 幸 目 纸 声光调制器 流 介 通饮 反光饭 巴、 振 镜 图2 - 2 :激光的显示与记录设备 如图2 一所示，声光调制器被用于单线扫描模式， 仅用作调制光强。调制后的激光 经聚焦后再入射到振镜，由于振镜是在作横向的高速振动， 激光便在相纸上扫出一条横 线。扫描的同时相纸作纵向运动，这样一幅图像就在相纸上记录了下来。此扫描方式的 优点在于它的多样性，适用于各种尺寸的图像、字符和表格。 激光数码冲印系统的硬件核心是数字曝光系统， 软件核心为色彩的重现和控制。 数 字式激光曝光系统包括r , g , b三色激光器、数字线性声光调制器、光束整形、 合光、 扫描光学系统及电子与控制系统。 由r , g , b三色激光器出射的激光束l a s e r - r , l a s e r - g , l a s e r - b通过光束整形，分别被三个声光调制器调制光强。由于数字图像数据经色彩空 间转换后， 形成曝光图像上每一点的三色激光曝光光强数据，由计算机及相应电路输入 浙江大学硕士论文 数字式声光调制器。被调制的三束激光经合光系统，形成空间方向合一的单束激光束。 该激光束由 振镜在行方向上进行扫描， 同时感光相纸在列方向行进， 实现图像的点点曝 光。 浙江大学硕士论文 第三章 输出 控制系统分析及解决方案 3 . 1 输出控制系统分析 我们要在相纸上曝光实现真彩色的还原，就要能精确控制 r , g , b三色激光的光 功率， 使其具有连续的变化。 对声光调制器来说， 要求对入射激光的光强调制能得到2 5 6 级次的+1 级衍射光，并用其曝光。具体要求如下: ( 1 ) 具有至少8 位的分辨率， 使入射激光经过声光晶体后能得到连续灰度级调制， 并且各灰度级不能互相重叠。 ( 2 )对于每一工作点来说，声光调制的稳定性 ( 即在一定的调制驱动电压下输出 光强的稳定程度)要优于0 .2 %. ( 3 )由于设备一旦开启后，工作时间较长，因此要求声光调制器在较长的时间里 稳定工作，重复性 ( 即多次在同一调制电压得到相同的光强)好。 ( 4 ) 由于来自 数字图像的曝光信息是图 像每一像素点的灰度级信息， 是数字信号， 因此要求实现数字化的声光调制，输入为图像数字信号，输出为灰度级光强信号。 ( 5 )由于 来自图像的信息是像素点灰度，而曝光光强实际上也是对应的颜色灰度 ( 光强的大小对应颜色的亮暗) ，因此要求声光调制器的输入数字信号与输出光强呈对 应的线性关系。 ( 6 )由于相纸有一定的感光度，光强太弱时，相纸感光不灵敏，这就要求激光具 有一定的光强度。一方面我们可以选用功率较大的激光器，另一方面一旦激光器选定， 由于使用时间长了以 后激光器会老化，而且声光调制器在衍射效率小的区间线性也不 好，因此要求声光调制器的衍射效率较高 ( 至少3 5 %以上) 。 ( 7 )由于是激光在相纸上逐点扫描曝光，扫描速度很快，因此要求声光调制具有 高的调制速度， 被调制光强信号的上升沿和下降沿较窄， 也就是要求声光调制器有较大 的带宽。 根据上述要求， 我们的激光数码冲印系统选用的声光调制器的调制频率是1 m左右， 由于输入是数字信号， 而声光调制电压是模拟电压，因此就需要有把数字信号转换为模 拟信号的数/ 模转换电路，同时为了满足声光调制器的模拟电压范围，我们还需将数/ 模 转换后的信号进行适当的运放，并由于扫描速度很快， 要求高速的运放。为了达到良 好 曝光特性，我们用 1 0 位图像数据经d i a转换和高速运放后得到声光调制电压，由于系 统使用了r , g , b三路声光调制器，所以打印速度是 1 0 b it x 3 m。由于一般计算机系 浙江大学硕士论文 统都是 1 6 位或3 2 位总线，方便起见，我们用3 2 位数据总线来满足3 0 位的r ,g ,b 图 像数据需要， 丢掉冗余的2 位数据。 因此课题中激光数码冲印系统要求的最高打印 速 度是4 m b y t e / s o 激光数码冲印系统， 激光数码冲印系统， 以8 英寸x1 2 英寸的照片为例， 在4 0 0 d p i ( d o t p e r i n c h )时， 需打印的点数总共是8 x 1 2 x 4 0 0 x 4 0 0 =1 5 3 6 0 0 0 0 ， 每一点占 有的 数据量 如果是4 b y te , 需 要的图 像 数据量是1 5 3 6 0 0 0 o x 4 b y t e = 5 8 m b y t e 。 为完 成课题要 求，保证输出到声光调制器的数据流恒速、 连续、 完整， 我们要实现一个高速而且大容 量的缓存。 按照现有设计， 读缓存的最高速度 ( 打印 速度) 是4 m b y t e / s ， 如果要实 现缓 存功能， 则要求数据写入缓存的 速度要比读出 缓存的 速度 ( 4 m b y t e / s ) 大， 按照一般的 缓存方 案， 如 果设定为2 : 1 ， 则要 求写 入缓 存的 速 度最高能 达到8 m b y t e / s 。 写入缓存 的 数据是从p c 机获得的， 这就要 求图 像 数据从p c 机上能以8 m b y t e / s 的 速度传出。 之 前系统采用的老式p c i 卡虽然能达到这个速度，但是价格昂贵而且不能即插即用。 由于一般的数据存储器 ( 作缓存用) 只有一组数据和地址总线，我们不可能同时对 它 进行数据的 读写。由 此我 们可以 分析出 缓存的 最高 存取速度是8 m b y t e / s + 4 m b y t e / s = 1 2 mb y t e / s ，由于激光数码冲印设备要求打印的是高质量，大尺寸照片，我们选用的缓 存必须是高 速和大容量的， 至少几十m b y t e ， 如果以 后产品升级， 我们甚至要几百m b y t e 缓存，以前系统设计采用的f i f o虽然是高速的，但是价格昂贵而且容量很小，只有几 十k b y t e o 激光的行扫描是由振镜一维横向直线扫描的方法获得的， 对于振镜控制的行扫描信 号同样是模拟信号，它是一个锯齿波信号，实验系统设计由一个 1 3 位的数字信号经过 d / a转换以 及合适的高速运放后得到控制振镜的模拟信号。 输出控制系统需要一个总控制器来协调读写，保证输出到声光调制器的数据流恒 速、 连续、 完整， 而且要同步数据流和行扫描信号，因此我们对读写数据流的控制和对 行扫描的控制都是由同一个总控制器完成。 对激光数码冲印系统的数字输出部分的控制是整个数码冲印系统中的关键部分。 控 制系统由p c接口电路、大容量存储器及其他辅助电路组成。三路声光调制器的数字调 制速率为i m， 且三路同步. p c接口电路的选择要求满足图像数据高速输出的需要，由 声光调制速率决定。 由于p c 机操作系统的限 制， 需要设计高速缓存作为缓冲存储单元， 同时检测满 ( f f ) ，空 ( e f )等信号，在读、写端两个数据接口的速率不匹配的情况下 及时调整数据， 保证输出到声光调制器的数据流恒速、 连续、完整。 设计图像数据从p c高速输出的接口电路和设计高速、大容量的缓存电路以及使用 总控制器来实现有效的总体控制是本课题的重点和创新点。此外，为了能从p c机发送 浙江大学硕士论文 打印命令，增加打印操作的灵活性，我们设计了打印命令的传输和接收处理电路。 3 . 2 输出 控制系统的实现方案 3 . 2 . 1 p c 高速传输图像数据的方案 3 . 2 . 1 . 1 p c 通信接口选择 如上所述， p c 机的数据下传速度必须要大于4 m b y t e s / s 左右， 要求达到8 m b y t e / s , 为了节省图像数据下传时间，当然要求越快越好。此外我们还要求p c的数据接口要有 廉价，使用方便等优点。 在u s b产生以前， 外设与p c机的通信主要是通过p c机主板所提供的各种接口来 实现的， 如i s a接口、 p c i 接口、 p s / 2 接口、串行接口、并行接口 等。 这些老式的接口 最初是由i b m公司在2 0 世纪初8 0 年代早期设计提出的， 存在很多缺陷: ( 1 )它们是非共享式接口，只支持单个外设的连接，即在同一个时刻一个接口只 能连接一个外设。而当前p c机接口的数量是有限的，根本无法满足大量外设连接的需 要。这时，p c机的可用接口 数就显得越来越紧张。 ( 2 ) 这些接口的体积庞大。 它们几乎占 用了p c机主板面积的一半， 而硬件厂商不 可能无限制地增加主板的面积来扩充这些老式的接口。而且，大体积接口 不利于p c机 外设的小型化。 ( 3 ) 这些接口的规格不一。当用户需要把外设连接到p c时， 他们不得不面对种类 繁多的u o扩展槽和外部端口，这会使用户觉得很不方便。 ( 4 )这些接口采用传统的u o模式。外设被映射为c p u的u o地址空间，并被分 配一个指定的i r q( 中断请求)， 或是一个d m a通道。这种模式会带来诸如i / o地址 冲突， 所指定的i r q己 被别的 外设占 用等问 题。 这时用户需要采用手工的方法设置一些 开关和跳线来重新配置这些设备， 有时还必须打开机箱盖，而且在设置完毕后， 用户必 须重新启动计算机， 才能使这些新的配置生效。 不论对外设的开发者还是对使用者来说， 这个过程都相当繁琐。 为了克服老式接口的上述缺陷, u s b应运而生， 它是一种快速、 双向、 同步、 廉价， 并且支持热插拔功能的串 行接口 。 u s b的即插即用 ( p l u g a n d p l a y ) 和热插拔功能， 使 得用户可以在不断电的情况下直接将u s b 外设连接到p c机上， 并马上被操作系统识别。 所以，u s b为外设的连接提供了一个很好的解决方案。表3 . 1 把u s b和其他常用计算 机接口 进行了比较。 浙江大学硕士论文 表3 - 1 : 常用计算机接口的性能对比( 典型值) 接口类型数据格式传输速率 ( b / s ) 最大设备数/ 个 电缆长度 / m 支持 热插拔 us b 串行1 . 5 m, 1 2 m, 4 8 0 m1 2 63 . 5是 rs 2 3 2 串行2 0 k21 5 3 0 否 rs 4 8 5 串行 1 0 m3 3 2 1 2 0 0否 i e e e一1 3 9 4串行 4 0 0 m, 3 .2 g 6 34 . 5 是 以太网串行 l o m, 1 0 0 m, i g1 0 2 45 0 0否 并行端口并行8 m 2 或 83 -9 否 i s a 并行1 2 8 m 否 e i s a 并行2 6 6 m 否 p ci 并行 1 0 5 6 m, 2 1 1 2 m否 agp 并行 = 2 1 1 2 m 否 正如前面所分析的， 我们所需要的p c接口 的数据传输速率是8 m b y t e / s 或更高， 参 考表3 - 1 ，我们可以排除r s 2 3 2 , r s 4 8 5 ， 并行端口，也可以排除l o m以 太网。 从表中我们可以看出以太网也是支持热插拔，而且目前的应用也很广泛，l o o m 的 以太网和1 g的以太网可以满足我们的系统需要，但是以太网外设的开发相对复杂。众 所周知，t c p / i p 协议的实现非常复杂，目 前比较流行的开发方式是在自带t c p / i p 协议 的嵌入式操作系统上开发，比如 u c l i n u x a硬件开发和软件开发的难度对非计算机专业 的人都太高。 i s a和e i s a以及 开发成本和难度都较高 缺点，如不支持热插拔 p c i , a g p 等在速度上都可以满足我们的系统需要，但是他们的 也不适合硕士毕业课题的研发，同时他们还有上面所说的一些 价格昂贵等。 u s b ( u n i v e r s a l s e r i a l b u s ， 通用串 行总线) 是用于将适用u s b的 外围设备连接到主机 的外部总线结构。 u s b同时又是一种通信协议， 它支持主系统( h o s t ) 和u s b的外围设备 ( d e v i c e ) 之n j 的 数据传输。 u s b 2 .0 接口 最高支持4 8 0 b i t / : 的传输速率， 满足系统设计的高 速要求， 并具有下 面的特点: ( 1 )热插拔。用户可以把u s b外设连接到一台正在运行的p c机上，操作系统能 自 动识别，并且用户可以立刻使用，而不需要重新启动p c机。用户也可以在任何时候 断开u s b外设，而不管计算机是否正在运行，并不会损坏p c机和外设。 ( 2 )即插即用。u s b实现了自 动配置，它不需要用户手工配置u o 求 ( i r q )。当u s b外设进入p c 机时， 操作系统会自 动检测到这个连接 地址和中断请 ，并加载合适 浙江大学硕士论文 的驱动程序。 对用户来说， 只需稍等几秒钟， u s b外设的安装就完成了。 如果是外设的 第一次连接， 操作系统可能会需要用户为其选择合适的设备驱动程序，除此之外，所有 的安装都是自 动的。 ( 3 )接口体积小巧。和其他老式 p c机接口相比， u s b接口小且薄，更适合于外 设体积的小型化。 ( 4 ) 节省系统资 源。 在u s b系 统中， 只 有u s b主 控制器需 要使 用一根i r q线 和 一些i / o地址空间。对u s b外设来说，它需要的仅仅是u s b系统为其分配一个唯一的 地址，而这个地址只有u s b子系统知道。 ( 5 ) 灵活。 u s b 2 支持三种类型的传输速率:l . 5 mb / s 的低速传输、1 2 mb / s 的全速 传输和4 8 0 m b / s 的高速传输: 4 种传输类型:批量传输，同步传输、中断传输和控制传 输，这使其能适合外设的多种功能需要。 ( 7 ) 低成本。u s b能实现强大的功能，它比以前的接口 更加复杂。但是，它的组 件和电缆并不贵，带有 u s b接口的外设和具有同样功能的老接口外设相比，所需费用 会少的多。 ( 8 ) 性能可靠。u s b系统通过硬件设计和数据传输协议两方面来保证其传输的可 靠性。u s b发送器、接收器和电缆的硬件规范消除了大多数可能引起数据错误的噪声。 在u s b协议中包含了数据错误的检测机制， 用来确保数据准确无误地发送和接收。 经过上述比较分析，我们最终决定从 p c高速传输图像数据的接口方案是采用 u s b 2 . 0 接口。 3 . 2 . 1 . 2 u s b 传输方式选择 u s b有四种的传输方式， 控制( c o n tr o l ) 、同步( i s o c h r o n o u s ) 、中断( i n t e r r u p t ) 、 批量 ( b u l k ) 通常所有的传输方式下的主动权都在p c边， 也就是h o s t 边. ( 1 ) 控制( c o n t r o l ) 方式传输: 控制传输是双n 传输， 数据量通常较小。 u s b系统 软件使用控制传输主要进行查询、配置和给 u s b设备发送通用的命令。控制传输方式 可以包括8 , 1 6 , 3 2 和6 4 字节的数据，这依赖于设备和传输速度。控制传输典型地用 在主计 算 机和u s b外设 之间的 端点 ( e n d p o i n t ) 0 之间的 传 输， 但是 指定 供应商的 控制传 输可能用到其它的端点。 ( 2 ) 同步( i s o c h r o n o u s ) 方式传输; 同步传输提供了 确定的带宽和间隔时间( l a t e n c y ) e 浙江大学硕士论文 它被用于时间严格并具有较强容错性的流数据传输， 或者用于要求恒定的数据传输率的 即时应用中。例如执行即时通话的网络电话应用时，使用同步传输模式是很好的选择。 同步数据要求确定的带宽值和确定的最大传输次数。 对于同步传输来说，即时的数据传 递比完美的精度和数据的完整性更重要一些。 ( 3 ) 中