CCD的图像采集软件系统的设计与实现.docx

IIIimplement.Final, the test of the systems hardware and software. The test results show that thedesign achieved the acquistion function and good performance. At the same time, thesystem achieved the expected acquisition speed and quality of the collected image.Keywords: Scanner, CCD, Man-machine interface, Multithread, Memory managementIIABSTRACTThe Multi-CCD scanners which are widely used in printing, scientific research,medical and other fields have important applications in optical-electronic-machineryintegration equipment. At present, with the rapid development a lot of industries need toarchive large format materials. Therefore, the demand for large-format scanner isincreasing, while promoting the development and production of large format scanners.The main work of the large-format scanner is to convert the analog signal to the digitalsignal which the computer can identify after converting the images optical signal to theanalog signal. In order to scan large format images, an effective approach is to captureimages through multiple sensors, then splice the image to complete the large-formatscanners work. The scanner use four same type CCD to capture the images then splicethem into one. While the four CCDs scan asynchronously to accomplish thephotoelectric conversion in the process.The main work of this paper can be divided into two parts, hardware and softwaredesign. The first part is the hardware work, after analyzing the large format scannersworking principle and hardware systems performance parameters the developmentcontent and focuses of the work of large-format scanner has been determined. Thedevices have been selected according to the parameters. Then we finished the scannerhardware circuit design and FPGAs timing design including the driver andconfiguration of the digital-to-analog conversion chip. This is the important factor to theimage quality. Converting the optical signal to the analog signal laid a foundation toenhance image quality which is the key to large-format scanning. The second part isabout the upper software system development. About this the paper introduced thedemand, the division of the functional modules of the software and the three-tierstructure of the large-format scanner software system firstly. Then the paper detailed thescanning interface design and implementation, focused on the design ideas of themulti-threaded parallel data acquisition and memory management strategy to deal withthe large amount of image data. This content is directly related to the focus of the userapplication experience of the large-format scanner, also is the the focal point to theIV目 录第一章 引言. 11.1 课题的来源及其意义 . 11.2 国内外发展现状及趋势 . 11.3 研究的主要内容 . 21.4 论文的组织结构及章节安排 . 21.5 本章小结 . 3第二章 多 CCD 扫描仪概述 . 42.1 扫描仪的原理 . 42.2 图像采集系统 . 52.2.1 图像采集卡 . 52.2.2 光源 . 52.2.3 光学系统对成像质量的影响因素 . 62.3 扫描仪性能参数 . 62.4 扫描仪工作流程 . 62.5 奥普易扫描仪的特性描述 . 72.6 本章小结 . 9第三章 多 CCD 扫描仪硬件驱动软件系统设计与实现. 103.1 CCD 及 A/D 外围驱动电路设计 . 103.1.1 CCD 外围电路设计 . 103.1.2 WM8200 功能与特性.113.1.3 WM8200 外围电路设计. 133.2 基于 FPGA 图像采集驱动软件设计的特点 . 143.2.1 FPGA 概述 . 143.2.2 FPGA 芯片结构特点 . 153.2.3 利用 FPGA 进行数据处理的优势 . 183.3 硬件驱动软件系统的功能及需求划分 . 193.4 系统总体方案设计 . 193.4.1 自顶向下（Top-Down）设计的基本概念. 19I摘 要多 CCD 扫描仪广泛应用于印刷、科研、医疗等领域，是有着重要应用的光机电一体化设备。在我国高速发展的今天，很多行业要求对大幅面的资料进行存档，因此对大幅面扫描仪的需求更是日益增加，同时促进了对大幅面扫描仪的研发与生产。大幅面扫描仪的主要工作是完成把图像的光信号转换模拟信号，之后再转换成计算机能够识别的数字信号。为了能够扫描大幅面的图像，一种有效的办法就是通过多个传感器获得图像，然后对图像进行拼接，来完成大幅面扫描工作。图像的获得是首先采用使用四块相同型号的CCD进行图像采集然后通过图像拼接来完成的，在扫描过程中四块 CCD 执行异步扫描，实现光电转换的过程。本文的主要工作可以主要分为硬件设计和软件设计两部分工作。一，是硬件方面的工作，在分析了大幅面扫描仪的工作原理和硬件系统及性能参数之后确定了研制大幅面扫描仪的工作内容和工作重心，首先根据参数进行器件的选型，之后完成扫描仪的硬件电路设计及 FPGA 时序设计方面的工作，包括对传感器和数模转换芯片的驱动和配置，这一部分是影响图像质量的重要内容，这一步奠定了对提升图像质量的基础，完成模拟到计算机能识别的数字信号的转换，是实现大幅面扫描的关键；二，是上层软件系统开发，首先介绍了该软件的需求，功能模块的划分，提出大幅面扫描仪软件系统的三层结构设计，其次详细介绍了扫描界面的设计与实现，重点论述了多线程并行数据采集的设计思路及处理大数据量图像时的内存管理策略，这一部分的内容直接关系到用户对大幅面扫描仪的应用体验，也是实现的重点。最后，通过对系统的硬件及软件的测试。测试结果表明，本文的设计，实现了采集系统的功能和较好的性能，达到了预期的采集速度和采集的图像质量，展现了硬件及软件的设计 。关键词：扫描仪 CCD 人机界面，多线程，内存管理2这就引出一个要求，那就是研发人员对软件架构有一个透彻的了解，分析考虑如何改善软件生产率及降低软件维护成本的软件体系构造问题是刻不容缓的。一个拥有良好构架的软件系统，通常由若干个模块组成，并且这些模块是可交互的且能协同工作的。采用若干种的架构模型是研发人员在进行软件系统架构设计的一般策略，由于缺少标准明朗的描述，导致无法实现设计方式的共享。作为基于抽象设计的软件体系构架很好的解决了复杂软件系统的设计问题，并且让研发人员更好的理解了软件系统3。1.3 研究的主要内容由于日益复杂的软件系统的规模大型化和复杂化，作为一个系统的整体的结构和规格正越发变得重要。对于大型和复杂的软件，本文主要是论述基于多 CCD B0 大幅面文档扫描仪软件系统及硬件的体系结构。围绕扫描仪驱动程序软件及硬件的设计及开发了解了很多关于的国内外文献和领域的现状和发展方向。一个软件系统的结构清晰化了，对软件的开发是有很大帮助的。对于软件的结构，基本上可以分为两个阶段，一，高层设计，关键是设计软件的结构。二，详细设计，主要是进行界面，数据管理等设计。1.4 论文的组织结构及章节安排本文首先对课题的背景做了一些概述，之后将介绍工作的概要，之后的其他章节是对课题的详尽阐述。第二章扫描仪概述：介绍了扫描仪的发展现状。叙述了扫描仪的原理、图像采集系统、一些重要的性能参数，以及现阶段实验室扫描仪的性能参数。第三章设计了 A/D 及 CCD 芯片的外围电路，然后利用 VHDL 语言按照 A/D和 CCD 驱动时序要求编写了驱动模块，完成了驱动 A/D 进行模数转换的功能。第四章首先叙述了软件系统构架的定义和重要性，提出大幅面扫描仪软件系统的三层结构设计，即底层硬件、中间嵌入式层和上层驱动程序，通过功能模块化的划分，实现大幅面扫描仪的整体设计。之后是了解了应用程序界面构图的十项原则，从而提高界面的美感、艺术性以及实用性，对其他图像处理软件的功能进行对比，整理出大幅面扫描仪图像处理软件的 6 项基本要求，模块化功能，通V3.4.2 硬件驱动软件系统模块设计 . 203.5 CCD 图像传感器驱动软件程序的实现. 223.5.1 CCD 传感器输出特性 . 223.5.2 CCD 图像传感器驱动程序 . 223.6 A/D 驱动程序的设计与实现 . 263.6.1 WM8200 的寄存器配置. 263.6.2 A/D 寄存器配置程序 . 283.6.3 WM8200 的采样和输出时序设计. 303.6.4 A/D 采样及输出程序 . 323.6.5 FPGA 驱动 CCD 和 A/D 的采图时序仿真. 353.7 数据传输控制及 CAMERA LINK 驱动的程序设计. 353.7.1 数据传输控制模块 . 353.7.2 Camera link 驱动模块 . 493.8 本章小结 . 52第四章 大幅面扫描仪上位机软件的系统设计与实现. 534.1 功能需求与模块划分 . 534.2 大幅面扫描仪软件系统的架构及实现 . 544.2.1 软件系统架构的诠释 . 544.2.2 软件系统架构的重要性 . 554.2.3 软件部分总体设计 . 564.2.4 模块设计 . 584.2.5 系统架构的目标 . 594.3 应用程序界面的构图原则 . 604.4 扫描仪界面设计简介 . 634.4.1 设置模块 . 644.4.2 信息模块 . 664.4.3 扫描仪软件具体实现概述 . 664.5 基于 QT 的扫描仪用户界面的设计与实现. 684.5.1 Qt 概述 . 684.5.2 Qt 的特点 . 694.5.3 扫描仪用户界面的程序设计 . 704.5.3.1 Qt 设计器. 703过在 Visual C+上开发，借助 Qt 界面设计软件，完成了大幅面扫描仪的用户界面。最后主要描述通过采用内存数据映射、高斯图像金字塔的方法提高 CPU 的利用率、降低物理内存的利用率，解决了工程扫描仪获取到的大多图像所占内存空间比较大，在图像处理过程中需要进行大量的运算和内存的分配释放等操作时存在的问题。1.5 本章小结本章介绍了研究多 CCD 图像采集系统的意义及目前国内外的进展情况，并概述了论文的组织结构及章节安排。VI4.5.3.2 创建资源文件. 714.5.3.3 创建工程文件. 714.5.3.4 使用多继承方式使用 UI 文件 . 724.5.3.5 槽函数的定义和实现. 734.5.3.6 主程序实现. 754.6 软件的内存管理 . 754.6.1 提出问题 . 764.6.2 解决方法 . 774.6.3 内存映射 . 774.6.4 图像的分层（高斯图像金字塔） . 784.6.5 内存管理的设计与实现 . 794.7 图像拼接程序的实现 . 854.7.1 图像拼接的原理 . 864.7.2 拼接程序 . 864.8 图像采集系统的采集软件部分 . 894.8.1 多线程技术 . 894.8.2 线程定义 . 904.8.3 线程特点 . 914.8.4 多线程应用 . 924.8.5 大幅面扫描仪在 Windows 环境下的多线程 . 934.9 软件系统的测试 . 944.9.1 测试环境 . 944.9.2 测试结果 . 944.10 本章小结. 95第五章 结束语. 96致谢. 98参考文献. 994第二章 多 CCD 扫描仪概述2.1 扫描仪的原理扫描仪根据用途可分为三类，分别是滚筒式式、便携式和平板式三种。目前应用最广的是平板式扫描仪。平板式扫描仪的物理结构与工作原理如图2-1所示4。扫描仪是有光学部件、机械传动部件和信号转换电路三个主要部分组成。扫描仪的核心是光电转换部件。扫描仪的三个主要部分分别是：扫描头、步进电机、主板 ，几个部分协同工作，这样，计算机可以识别由光信号转换成的电信号。图 2-1 扫描仪物理结构与工作原理采用 CCD 和镜头的大幅面扫描仪成像原理如图 1-2 所示4。图 2-2 大幅面扫描仪光电系统成像示意图1第一章 引言1.1 课题的来源及其意义如果要想将照片，图纸，文稿等实物数字化，变成计算机可以显示、编辑、存贮的格式，那么，就需要这样一种数字化的输入设备来实现，它就是扫描仪。扫描仪可以分为两大类，普通扫描仪和专业扫描仪分别适用不同的用途。家庭办公比较适合使用普通扫描仪，专业扫描仪可以适合工程制图、艺术品复制和军事等领域要求，促进了国家信息化的建设。1.2 国内外发展现状及趋势目前国外研究大幅面工程扫描仪的主要机构主要包括 Contex 公司、ANAech公司和 Colortrac 公司等。其中 Contex 公司的产品在全球市场的占有率超过 80%，其产品主要特点有：超大幅面图纸扫描复制、30 cm/s 黑白扫描速度，7.6 cm/s彩色扫描速度、600dpi 超高光学分辨率，先进 48 位 CCD 镜头，符合 Energy Saver和欧洲 RoHS 标准1。扫描系统的需求随着我国经济的发展不断的增加，而且现阶段国内不少实验室、公司对大幅面扫描仪都有一定程度的研发，其中山东大学自动化系研制了一种“超大型滚筒式扫描仪”，这种扫描仪原理简单，光学接收系统采用的是滤光片将光束分为三部分的方法，比较复杂，其优点是分辨率比较高。由于扫描仪集光、机、电于一体的输入设备研发与生产困难，因此，国内生产厂商少，主要还是依赖进口。同时，因为其会生成大量的数据，所以要求高的计算速度，但与之响应的软件却不多，所以，在军事，船舶工业及飞机等制造领域形成了很大的市场需求。2。高精度大幅面工程扫描仪作为大数据量图像输入设备，是数字化工程中的关键设备。扫描仪软件系统的开发应用，将大大推进扫描仪在相关领域的应用。软件系统的复杂度和规模随着时间的推移规模越来越复杂，越来越大。系统作为一个整体，规格和结构，越发显得重要。对于软件大型化，复杂化，系统的架构设计和规范越来越重要，深刻的影响了重要的算法，也影响了选择数据结构。52.2 图像采集系统2.2.1 图像采集卡Matrox 公司的 SoliosXCL 图像采集卡被课题采用，该图像采集卡自带处理器处理及两个独立基模式或一个中模式 Camera Link 配置、66 MHz 采集速率、64 MB缓冲器、可以采集面阵和线阵摄像头，并具有多种采集模式。线扫描的扫描仪用运动的方式取得面积图像，即被测物运动到相机视场，通过硬件发送触发信号采集。2.2.2 光源因为，光源可以影响图像的质量，为了将物与背景进行区别，需要明亮、稳定、均匀的光源。因为材料本身不发光，所以扫描仪是通过材料反射光源的光在传感器上成像。根据色度学理论，由于不透明材料表面分子差异，被光照后，光谱中的某一部分的光被选择性吸收，反射了剩下的光，呈现了颜色的反射。然而，除了相关和非透明体的反射光的频谱有关外，与入射的光的频谱也有关系。所以，光源的选择是很重要，需要选择需要适合的类型和特征的光源，由于扫描仪系统是线扫描，需要将光源均匀的打在待扫描纸张上，因白色高频荧光灯避免色偏应，因此选做光源。在扫描仪中，除了光源、相机、镜头安装于待扫描纸张的同侧，并且能给 CCD提供合适的足够且均匀的光线。扫描仪的光源部分装置位置应如图 2-3 所示。图 2-3 扫描仪光学部分结构图62.2.3 光学系统对成像质量的影响因素不稳定的光源性会能使图像的色彩产生偏差，而且闪烁还会使图像出现忽明忽暗的现象；另外，光线通过镜头后，CCD 中心地区的感光最好，外缘感光差,造成图像亮度不均的情况5。2.3 扫描仪性能参数扫描仪的分辨率，颜色深度信噪比及扫描幅面是衡量扫描仪的重要参数。（1）分辨率：衡量一个扫描仪最重要之一是看扫描仪的扫描精度，其衡量参数是分辨率，即在一英寸的长度上有多少个像素点。（2）色彩深度：评价扫描仪的第二个指标是色彩位数，这个指标能反映出扫描仪色彩层次的捕获能力（3）灰度级：扫描仪从白过度到黑时，明到暗的层次数值由灰度级表示。（4）扫描幅面：是指扫描仪一次可以扫描多大尺寸的被扫介质。（6）信噪比：即信号和噪声之比。信噪比也很大程度上反映了扫描仪获得的图像的品质，同时也影响对有用信号的提取，显示 CCD 的采集精度6。2.4 扫描仪工作流程扫描仪工作步骤如下：（1）在扫描仪的进纸口处放入将希望被欲扫描的纸张。（2）首先启动驱动程序，之后在内部的控制电路的控制下带动装着光学系统和 CCD 的扫描头与图稿以相对运动的方式来完成扫描。（3）照射到被扫描物上的光线被反射之后经很窄的缝隙，形成光带，被一组反光镜反射，由透镜进入分光镜，之后各自的 CCD 上被投射经过三色滤色镜分解成的红绿蓝光带。（4）CCD 将 RGB 三色的光信号转换成模拟信号。（5）模拟信号经过 A/D 转换成数字信号。此时，图像的光信号已经转变为计算机能识别二进制信号。（6）数据被传送至计算机之后在计算机中形成图像7。72.5 奥普易扫描仪的特性描述实验室现阶段研制的奥普易大幅面扫描仪如下图 2-4 所示：图 2-4 奥普易大幅面扫描仪本文研究的大幅面扫描仪在光学系统和机械结构方面和平板扫描仪有存在差异8。现列表 1-1 对比如下：表 1-1 大幅面扫描仪与常见的平板扫描仪在光学系统以及机械结构对比普通平板扫描仪 大幅面扫描仪幅面 常见 A4 A0光学系统单 CCD，镜头，反射镜，灯管，单CCD多 CCD 拼接机械结构塑料机械头架，出光学系统外精度不高钣金件等，要求保证平面度、装配精度驱动程序 步进电机及减速器 步进电机及减速器硬件 单片，简单 多片，复杂软件 比较成熟 比较配合光学系统拼接重新设计现阶段实验室制备的奥普易大幅面扫描仪应用于高清地图、工程图纸等转为电子档案领域，为我国自主知识产权高清扫描仪产品。81、产品主要功能（1）高清地图、工程图纸等纸质文档；文档信息直接存入硬盘，适于高保密性专业文档扫描；（2）通过调节进纸机构高度至合适位置（有效保证进纸滚轮与扫描档摩擦），可以扫描 PCB 板、液晶板等平板材料；（3）高清扫描（三线 CCD 光学分辨率 600dpi），高图像压缩比达到资料保存的目的；（4）工程蓝图扫描生成黑白图像，减少蓝图对人眼视觉造成伤害；（5）工程图纸转 SVG 格式。2、性能参数（1）光学分辨率 600 dpi（2）24 位真彩色（3）扫描速度 2.54cm/s（4）平均扫描精确度+/- 3 像素（5）标准扫描宽度 A0（6）介质厚度 1-12 mm（7）进纸扫描控制采用现场可编程逻辑器件控制（8）图像采用美国国家半导体公司开发的视频专用 CAMERALINK 传输方式（9）系统软件：自主开发采集图像软件3、系统需求（1）专用定制型海量数据处理/存储计算机（1）推荐配置（intel 酷睿 i3 及以上处理器，8GB DDR3 1066 内存，500GB以上硬盘、带有两个及以上 PCI-E X1 插槽）（1）计算机端超高速图像采集板卡（2）扫描仪所需专用线缆（3）Windows 7 x64 操作系统（4）奥普易大幅面扫描仪专业扫描软件（5）图形矢量化软件（6）Photoshop、Rhino 等第三方的专业图形处理工具10第三章 多 CCD 扫描仪硬件驱动软件系统设计与实现线阵 CCD 相机的采集模块采集光信号并将输出的模拟信号转换为数字信号。为了解决这个问题，需要先进行总体框架设计，确定各子系统的最佳分配方案；然后对各子系统进行具体方案选择，器件选型，开发方案选择；最后进行具体的电路设计和硬件驱动模块的编写。FPGA 在完成复杂逻辑控制方面有独特的优势，能够并行处理很多任务，基于 FPGA 的设计方案能够有效地处理采集部分的逻辑控制，完成系统任务。本章将先对 FPGA 的基础进行简单介绍，然后完成总体方案的设计9。3.1 CCD 及 A/D 外围驱动电路设计3.1.1 CCD 外围电路设计CCD 外围电路是整个 CCD 相机采集模块的最前端，其性能的好坏直接关系到图像质量的优劣。因此必须对 CCD 输出特性有清晰的了解，才能设计出合理的CCD 外围电路和驱动时序，只有准确掌握 CCD 器件手册的相应数据，了解 CCD的工作特性，才能设计出满足 CCD 输出特性的驱动电路。根据 CCD 器件手册，CCD 接口电路要提供以下配置：（1）CCD 工作电压和参考电压接口；（2）CCD 触发信号接口；（3）CCD 驱动时钟接口；（4）CCD 模拟输出接口。CCD 接口电路示意图如图 3-1 所示。从图 3-1 可以看出，在设计接口电路时要提供电源接口、控制接口、输出接口以及相应的模式配置。92.6 本章小结本章对多 CCD 扫描仪的工作原理、光学系统成像原理、重要的性能参数的进行了概述，将普通平板扫描仪和大幅面扫描仪在各个方面比较，说明大幅面扫描仪的特殊之处。11图 3-1 CCD 接口电路示意图3.1.2 WM8200 功能与特性WM8200 是英国欧胜微电子生产的专用图像处理 A/D 转换芯片。它具有高速率、高精度、低功耗等特性，在 CCD 和 CCD 等图像处理领域被广泛应用10.11。WM8200 是一款转换速率高达 40MSPS 的 16 位 A/D 转换芯片。它包含 3 个模拟输入通道，而且每个通道都支持 CDS（Correlated Double Sampling 相关双采样）、RLC（Reset Level Clamping 复位电平钳位）、Programmable Gain（可编程增益放大）和偏移电压可调等功能。三输入单输出的多路选择器将三个模拟输入通道的信号分时送给 16 位的高速 A/D 转换模块。输出数据位宽可以选择 8 位两次输出、8 位单次输出或者 4 位多次输出模式。WM8200 中有一个