基于線陣CCD的古書畫專用掃描儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

瑚琦 盧定凡 蔡文龍 姜敏 扎西次吉

摘要：隨著數(shù)字信息化的加速發(fā)展，以文物遺產(chǎn)數(shù)字化為工作目標(biāo)，結(jié)合應(yīng)用機(jī)械控制技術(shù)、數(shù)字化采集技術(shù)和海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)，提出一種專為文物遺產(chǎn)（如古書畫）數(shù)字化保護(hù)的線陣CCD大幅面掃描儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)。利用精密光學(xué)鏡頭和高分辨率、高像素CCD圖像傳感器對(duì)書畫文物進(jìn)行掃描，將采集到的圖像數(shù)據(jù)通過uSB接口傳送到Pc端上位機(jī)，上位機(jī)軟件對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示、存儲(chǔ)等操作。系統(tǒng)測試結(jié)果表明：該專用掃描儀輸出圖像精度高、色彩梯度大、失真小、立體感突出，同時(shí)具備采樣速度快、抗干擾能力強(qiáng)、操作方便等特點(diǎn)，對(duì)我國數(shù)字化文物保護(hù)關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化研究具有重要作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化;文物遺產(chǎn);線陣CCD;大幅面掃描儀;uSB

DOI：10.11907/rjd k.191618

中圖分類號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2019）012-0134-04

0引言

全球各地都在盡全力對(duì)現(xiàn)存文物遺產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字化保存工作，這項(xiàng)工作的重中之重就是如何使數(shù)字化文物圖像與文物本身最大限度地接近甚至一致，盡可能真實(shí)、逼真反映出各種細(xì)節(jié)特點(diǎn)。由于cCD在靈敏度、分辨率、噪聲、顆粒數(shù)量和顏色表現(xiàn)等技術(shù)指標(biāo)上都優(yōu)于CMOs器件，但又受制于面陣cCD尺寸限制，因而絕大多數(shù)高精度、大幅面掃描設(shè)備都采用線陣cCD設(shè)計(jì)。利用線陣cCD這些特點(diǎn)，與精密機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、圖像采集傳輸控制技術(shù)相結(jié)合，就能夠?qū)⑶叭诉z留的文物古跡，包括書畫、竹簡、織品等珍貴的文化遺跡轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信息，并簡單、快捷地傳送到計(jì)算機(jī)設(shè)備中顯示和存儲(chǔ)，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)古書畫文物遺產(chǎn)的數(shù)字化保護(hù)，還能通過數(shù)字信息的傳播擴(kuò)大文物遺產(chǎn)交流范圍，讓大眾更便捷地領(lǐng)略到藝術(shù)的魅力。

目前國外設(shè)計(jì)研發(fā)的一些產(chǎn)品已經(jīng)能夠高質(zhì)量地完成如大幅面字畫、遙感地圖和醫(yī)用膠片等稿件的掃描，關(guān)鍵技術(shù)只掌握在少數(shù)發(fā)達(dá)國家手中，丹麥的Contex、日本的Graphtec和意大利的Metis等公司的產(chǎn)品幾乎壟斷市場。國內(nèi)使用的線陣CCD大幅面掃描儀基本上依賴進(jìn)口，少數(shù)單位研制的產(chǎn)品在技術(shù)指標(biāo)上與進(jìn)口設(shè)備仍有明顯差距，為此，本文研發(fā)設(shè)計(jì)一款基于線陣CCD的古書畫專用大幅面掃描儀。

本文設(shè)計(jì)的專用線陣CCD掃描儀系統(tǒng)主要由MCU和CPLD芯片控制，分別完成對(duì)掃描儀機(jī)械平臺(tái)的控制和掃描儀圖像采集傳輸系統(tǒng)的控制。以RGB三色線陣CCD作為系統(tǒng)的圖像傳感器，A/D芯片對(duì)CCD輸出的圖像模擬信號(hào)進(jìn)行降噪處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，再將圖像數(shù)字信號(hào)通過USB接口傳輸?shù)絇C端上位機(jī)中，最后由上位機(jī)應(yīng)用程序完成對(duì)圖像數(shù)據(jù)的優(yōu)化、存儲(chǔ)和顯示。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的掃描儀系統(tǒng)分為3個(gè)部分：①掃描儀機(jī)械平臺(tái)系統(tǒng)，采用c語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)MCU對(duì)掃描儀機(jī)械平臺(tái)系統(tǒng)的控制操作，主要包括機(jī)械平臺(tái)運(yùn)行速度、掃描儀分辨率、鏡頭對(duì)焦位置、燈光距離調(diào)節(jié);②線陣CCD圖像采集傳輸系統(tǒng)，采用Verilog HDL進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)CPLD對(duì)掃描儀圖像采集傳輸系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的控制，主要包括線陣CCD圖像數(shù)據(jù)采集模塊、A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、SRAM數(shù)據(jù)讀寫模塊、USB數(shù)據(jù)通信模塊和電源管理模塊;③PC端上位機(jī)應(yīng)用程序的控制與應(yīng)用操作。

2機(jī)械平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

掃描儀機(jī)械平臺(tái)系統(tǒng)由MCU芯片控制，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械平臺(tái)電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向、距離和速度的控制。PC端上位機(jī)軟件通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)指令到MCU系統(tǒng)，MCU系統(tǒng)識(shí)別指令后，控制對(duì)應(yīng)部分電機(jī)運(yùn)行，進(jìn)而控制光學(xué)鏡頭高度、鏡頭對(duì)焦位置、置物平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度和燈管距離。掃描平臺(tái)控制系統(tǒng)如圖1所示。

掃描平臺(tái)實(shí)物如圖2所示。平臺(tái)運(yùn)行為x方向，平臺(tái)運(yùn)行電機(jī)負(fù)責(zé)被掃描稿件的移動(dòng)方向和速度，后期通過測試匹配下位機(jī)數(shù)據(jù)的傳輸速度，保證數(shù)據(jù)不丟失、圖像不失真;鏡頭高度為Y方向，鏡頭電機(jī)控制光學(xué)鏡頭的垂直高度，以實(shí)現(xiàn)300-1200dpi的光學(xué)分辨率;鏡頭對(duì)焦電機(jī)控制鏡頭的位置，使掃描物件能準(zhǔn)確成像在z方向的線陣CCD面上，此時(shí)對(duì)焦位置準(zhǔn)確，成像最為清晰;燈管電機(jī)控制專用掃描燈管之間的距離，從而控制反射光強(qiáng)度。

3圖像采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

掃描儀圖像采集傳輸系統(tǒng)電源部分由外接的DCl9V電源供電，采用LT3045電壓轉(zhuǎn)換芯片將19V電壓轉(zhuǎn)換為各個(gè)模塊所需的工作電壓。RGB三色線陣CCD圖像傳感器在CPLD芯片的時(shí)序驅(qū)動(dòng)下采集古書畫的圖像數(shù)據(jù)，并將其以模擬信號(hào)形式輸出，通過圖像專用A/D芯片進(jìn)行相關(guān)雙采樣去噪處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)緩存到SRAM中，最后通過USB接口將數(shù)字信號(hào)傳送到上位機(jī)軟件中，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)。圖像采集傳輸系統(tǒng)原理如圖3所示。

3.1線陣CCD圖像數(shù)據(jù)采集模塊

圖像采集系統(tǒng)采用Kodak的RGB三色線陣CCD-KLll4403，該CCD是一款三通道單邊輸出二相驅(qū)動(dòng)的線陣CCD器件，具有光譜響應(yīng)度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、低暗電流、無圖像滯后的特點(diǎn)，主要特征參數(shù)如表1所示。圖像光子入射到線陣CCD的光電二極管上產(chǎn)生電子，電荷累積儲(chǔ)存在PHIA區(qū)域，然后進(jìn)人TG區(qū)域，在脈沖hln和h2n（n為a、b）作用下，各個(gè)信道的像元信號(hào)分別輸出至VIDn（n為R、G、B）;脈沖LOGn（n為R、G、B）用來控制3個(gè)信道的曝光時(shí)間;脈沖PHIR為復(fù)位脈沖，各脈沖均滿足數(shù)據(jù)手冊(cè)時(shí)序要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)KLll4403的驅(qū)動(dòng)功能，Modelsim仿真時(shí)序如圖4所示。

3.2A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊

在線陣CCD積分階段、信號(hào)輸出階段和復(fù)位階段均會(huì)引入噪聲，如光子噪聲、暗電流噪聲、熱噪聲等，這些噪聲均會(huì)對(duì)后期數(shù)據(jù)和成像質(zhì)量產(chǎn)生影響。為了盡可能減輕后期圖像算法難度，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選用了圖像專用A/D芯片AD9826，該芯片不僅能完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，還具備相關(guān)雙采樣（cDS）去噪處理功能，能夠消除噪聲干擾，進(jìn)而改善圖像質(zhì)量。

根據(jù)系統(tǒng)選用的RGB三色線陣CCD，將AD9826配置為3-channel CDS模式，通過CPLD控制A/D芯片時(shí)序完成相關(guān)工作。在CDSCLKl時(shí)鐘的下降沿時(shí)采集VIDn（n為R、G、B）信號(hào)的參考電平，在CDSCLK2時(shí)鐘的下降沿時(shí)采集VIDn（n為R、G、B）信號(hào)的信號(hào)電平，再經(jīng)過CDS放大器輸出參考電平與信號(hào)電平兩次采樣值的差值，就基本消除了復(fù)位噪聲的干擾，得到信號(hào)電平的有效幅值。完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后，在ADCCLK時(shí)鐘的上升沿和下降沿時(shí)刻分別輸出RGB通道的高8位數(shù)據(jù)和低8位數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)傳送至CPLD芯片內(nèi)部進(jìn)行16位數(shù)據(jù)的拼接后儲(chǔ)存。Mod-elsim仿真時(shí)序如圖5所示。根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)要求，ADCCLK數(shù)字信號(hào)輸出鎖存時(shí)鐘的頻率應(yīng)為CDSCLKl、CDSCLK2采樣時(shí)鐘頻率的3倍。

3.3SRAM數(shù)據(jù)讀寫模塊

由于CPLD芯片不能將數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部存儲(chǔ)，根據(jù)CCD采集到的圖像數(shù)據(jù)大小，采用存儲(chǔ)容量為256K*16bit的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM（static Random Access Memory）作為外部數(shù)據(jù)緩存芯片，其功耗小、訪問速度快、性能好，應(yīng)用非常廣泛。通過CPLD芯片時(shí)序控制SRAM的芯片，使能端口CE、數(shù)據(jù)讀取使能端口OE、數(shù)據(jù)寫人使能端口WE和數(shù)據(jù)高低字節(jié)控制LB/UB完成芯片的地址尋址、數(shù)據(jù)寫入和讀取操作。Modelsim仿真時(shí)序如圖6所示。

3.4USB數(shù)據(jù)通信模塊

PC端上位機(jī)和下位機(jī)硬件之間的數(shù)據(jù)通信選用穩(wěn)定性高、傳輸速率快的USB3.0控制芯片CYUSB3014完成，負(fù)責(zé)接收上位機(jī)發(fā)出的控制命令信號(hào)，同時(shí)向上位機(jī)發(fā)送接收到的圖像數(shù)據(jù)。在編寫USB3.0芯片控制程序時(shí)，首先根據(jù)USB3.0的工作模式確定控制模塊的接口信號(hào)，然后按照USB3.0芯片的讀寫時(shí)序進(jìn)行程序設(shè)計(jì)編程。CPLD主控制器與FX3之間采用Slave FIFO模式連接，具體如圖7所示。通過GPIF II Designer工具完成通用接口的配置。在集成開發(fā)環(huán)境Eclipse下進(jìn)行FX3固件設(shè)計(jì)，完成Slave FIFO初始化、GPIF II啟動(dòng)、初始化配置和設(shè)置DMA通道。在此模式下，EZ-USB只作為CPLD與USB主機(jī)之間同步的數(shù)據(jù)傳輸通道，數(shù)據(jù)流向如圖8所示。

4上位機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)應(yīng)用程序基于Visual Studio 2017開發(fā)平臺(tái)，借助c#程序語言完成設(shè)計(jì)，用于完成整個(gè)掃描系統(tǒng)與用戶交互，負(fù)責(zé)控制機(jī)械平臺(tái)系統(tǒng)和圖像采集傳輸系統(tǒng)的開始和結(jié)束。上位機(jī)應(yīng)用程序主要包括USB數(shù)據(jù)通信、圖像數(shù)據(jù)處理、圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和圖像數(shù)據(jù)顯示。上位機(jī)應(yīng)用軟件功能如圖9所示。圖像數(shù)據(jù)處理主要是利用圖像處理算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和調(diào)整，如白平衡校正，在不同光照強(qiáng)度下錄入白平衡標(biāo)準(zhǔn)表，后期根據(jù)白平衡標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)圖像色彩進(jìn)行校正，使圖像不失真，還原圖像原來面貌。

5系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

結(jié)合c語言程序設(shè)計(jì)完成對(duì)掃描儀機(jī)械平臺(tái)的控制，通過指令產(chǎn)生電機(jī)運(yùn)動(dòng)所需要的脈沖數(shù)，達(dá)到控制電機(jī)的目的。結(jié)合Verilog HDL完成掃描儀圖像采集傳輸系統(tǒng)功能模塊控制，驗(yàn)證各模塊工作是否正常。圖10為通過示波器捕捉到的CCD信號(hào)輸出波形。圖10（a）為無光照黑暗情況下RGB三通道輸出信號(hào)波形，參考電平和信號(hào)電平相等。圖10（b）為光照非飽和情況下RGB三通道輸出信號(hào)波形，參考電平高于信號(hào)電平。圖10（c）為光照飽和情況下RGB三通道輸出信號(hào)波形，參考電平高于信號(hào)電平的差值達(dá)到最大。從CCD信號(hào)波形可以看出程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)線陣CCD的正確驅(qū)動(dòng)。

圖像數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)軟件后，上位機(jī)軟件完成后期處理，生成圖像光譜曲線，光譜曲線圖能直觀反映此時(shí)掃描的狀況，包括光線強(qiáng)弱、RGB均勻度和噪聲大小等。圖11為白圖的光譜曲線圖，從圖中可看出此時(shí)光線均勻、RGB值一致、噪聲低。上位機(jī)軟件可通過圖像算法將接收到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，使得圖像顏色更加豐富、逼真，效果更接近原畫，圖12、圖13分別為掃描油畫和書法作品的圖片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)有效可行，能出色地完成圖像文稿信息的采集、轉(zhuǎn)換、傳輸和處理工作。

6結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了應(yīng)用于文物書畫專用掃描的線陣CCD大幅面掃描儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)由基于MCU設(shè)計(jì)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)和基于CPLD的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、傳輸系統(tǒng)組成，從平臺(tái)機(jī)械、軟件控制和圖像算法全面闡述了總體實(shí)現(xiàn)方案，利用USB3.0實(shí)現(xiàn)軟件與硬件之間的相互配合。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)傳輸速率能達(dá)到320Mbit/s，圖像在質(zhì)量上能達(dá)到一定的參考標(biāo)準(zhǔn)，在工作性能上能完全取代同類昂貴的進(jìn)口設(shè)備，掃描結(jié)果也驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，具有一定的工程使用價(jià)值，可為國內(nèi)此類大平臺(tái)掃描儀設(shè)計(jì)和研究提供借鑒。后期需對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行更深層次的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，以適應(yīng)圖像質(zhì)量和掃描速度更高的需求。