ccd的图像采集软件系统的设计与实现硕士学位论文(编辑修改稿)

ccd的图像采集软件系统的设计与实现硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

................ 78 内存管理的设计与实现 ............................................................................... 79 图像拼接程序的实现 ........................................................................................ 85 图像拼接的原理 ........................................................................................... 86 拼接程序 ....................................................................................................... 86 图像采集系统的采集软件部分 ........................................................................ 89 多线程技术 ................................................................................................... 89 线程定义 ....................................................................................................... 90 线程特点 ....................................................................................................... 91 多线程应用 ................................................................................................... 92 大幅面扫描仪在 Windows 环境下的多线程 .............................................. 93 软件系统的测试 ................................................................................................ 94 测试环境 ..................................................................................................... 94 测试结果 ..................................................................................................... 94 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 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 21 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 21 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 12 所示 [4]。 图 22 大幅面扫描仪光电系统成像示意图 1 第一章 引言 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。 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， 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。 5 图像采集系统 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。 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 23 所示。 图 23 扫描仪光学部分结构图 6 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]。 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]。 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]。 7 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 24 所示： 图 24 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 11 对比如下： 表 11 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。 8 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。 性能参数 （ 1）光学分辨率 600 dpi （ 2） 24 位真彩色 （ 3）扫描速度 （ 4）平均扫描精确度 +/ 3 像素 （ 5）标准扫描宽度 A0 （ 6）介质厚度 112 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 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 PCIE 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。