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，以文物遺產數(shù)字化為工作目標，結合應用機械控制技術、數(shù)字化采集技術和海量數(shù)據(jù)處理技術，提出一種專為文物遺產（如古書畫）數(shù)字化保護的線陣CCD大幅面掃描儀系統(tǒng)設計。利用精密光學鏡頭和高分辨率、高像素CCD圖像傳感器對書畫文物進行掃描，將采集到的圖像數(shù)據(jù)通過uSB接口傳送到Pc端上位機，上位機軟件對圖像數(shù)據(jù)進行處理、顯示、存儲等操作。系統(tǒng)測試結果表明：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，同時具備采樣速度快、抗干擾能力強、操作方便等特點，對我國數(shù)字化文物保護關鍵設備國產化研究具有重要作用。

關鍵詞：數(shù)字化;文物遺產;線陣CCD;大幅面掃描儀;uSB

DOI：10.11907/rjd k.191618

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）012-0134-04

0引言

全球各地都在盡全力對現(xiàn)存文物遺產進行數(shù)字化保存工作，這項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、逼真反映出各種細節(jié)特點。由于cCD在靈敏度、分辨率、噪聲、顆粒數(shù)量和顏色表現(xiàn)等技術指標上都優(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、大幅面掃描設備都采用線陣cCD設計。利用線陣cCD這些特點，與精密機械運動控制技術、圖像采集傳輸控制技術相結合，就能夠將前人遺留的文物古跡，包括書畫、竹簡、織品等珍貴的文化遺跡轉化為數(shù)字圖像信息，并簡單、快捷地傳送到計算機設備中顯示和存儲，不僅實現(xiàn)了對古書畫文物遺產的數(shù)字化保護，還能通過數(shù)字信息的傳播擴大文物遺產交流范圍，讓大眾更便捷地領略到藝術的魅力。

目前國外設計研發(fā)的一些產品已經能夠高質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，關鍵技術只掌握在少數(shù)發(fā)達國家手中，丹麥的Contex、日本的Graphtec和意大利的Metis等公司的產品幾乎壟斷市場。國內使用的線陣CCD大幅面掃描儀基本上依賴進口，少數(shù)單位研制的產品在技術指標上與進口設備仍有明顯差距，為此，本文研發(fā)設計一款基于線陣CCD的古書畫專用大幅面掃描儀。

本文設計的專用線陣CCD掃描儀系統(tǒng)主要由MCU和CPLD芯片控制，分別完成對掃描儀機械平臺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CCD輸出的圖像模擬信號進行降噪處理和數(shù)據(jù)轉換，再將圖像數(shù)字信號通過USB接口傳輸?shù)絇C端上位機中，最后由上位機應用程序完成對圖像數(shù)據(jù)的優(yōu)化、存儲和顯示。

1系統(tǒng)設計

本文設計的掃描儀系統(tǒng)分為3個部分：①掃描儀機械平臺系統(tǒng)，采用c語言進行程序設計，實現(xiàn)MCU對掃描儀機械平臺系統(tǒng)的控制操作，主要包括機械平臺運行速度、掃描儀分辨率、鏡頭對焦位置、燈光距離調節(jié);②線陣CCD圖像采集傳輸系統(tǒng)，采用Verilog HDL進行程序設計，實現(xiàn)CPLD對掃描儀圖像采集傳輸系統(tǒng)各個功能模塊的控制，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端上位機應用程序的控制與應用操作。

2機械平臺系統(tǒng)設計

掃描儀機械平臺系統(tǒng)由MCU芯片控制，主要實現(xiàn)對機械平臺電機運動方向、距離和速度的控制。PC端上位機軟件通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)指令到MCU系統(tǒng)，MCU系統(tǒng)識別指令后，控制對應部分電機運行，進而控制光學鏡頭高度、鏡頭對焦位置、置物平臺運動速度和燈管距離。掃描平臺控制系統(tǒng)如圖1所示。

掃描平臺實物如圖2所示。平臺運行為x方向，平臺運行電機負責被掃描稿件的移動方向和速度，后期通過測試匹配下位機數(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，鏡頭電機控制光學鏡頭的垂直高度，以實現(xiàn)300-1200dpi的光學分辨率;鏡頭對焦電機控制鏡頭的位置，使掃描物件能準確成像在z方向的線陣CCD面上，此時對焦位置準確，成像最為清晰;燈管電機控制專用掃描燈管之間的距離，從而控制反射光強度。

3圖像采集傳輸系統(tǒng)設計

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電壓轉換芯片將19V電壓轉換為各個模塊所需的工作電壓。RGB三色線陣CCD圖像傳感器在CPLD芯片的時序驅動下采集古書畫的圖像數(shù)據(jù)，并將其以模擬信號形式輸出，通過圖像專用A/D芯片進行相關雙采樣去噪處理和模數(shù)轉換后，將轉換得到的數(shù)字信號緩存到SRAM中，最后通過USB接口將數(shù)字信號傳送到上位機軟件中，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的顯示和存儲。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動的線陣CCD器件，具有光譜響應度高、動態(tài)范圍寬、低暗電流、無圖像滯后的特點，主要特征參數(shù)如表1所示。圖像光子入射到線陣CCD的光電二極管上產生電子，電荷累積儲存在PHIA區(qū)域，然后進人TG區(qū)域，在脈沖hln和h2n（n為a、b）作用下，各個信道的像元信號分別輸出至VIDn（n為R、G、B）;脈沖LOGn（n為R、G、B）用來控制3個信道的曝光時間;脈沖PHIR為復位脈沖，各脈沖均滿足數(shù)據(jù)手冊時序要求，實現(xiàn)對KLll4403的驅動功能，Modelsim仿真時序如圖4所示。

3.2A/D數(shù)據(jù)轉換模塊

在線陣CCD積分階段、信號輸出階段和復位階段均會引入噪聲，如光子噪聲、暗電流噪聲、熱噪聲等，這些噪聲均會對后期數(shù)據(jù)和成像質量產生影響。為了盡可能減輕后期圖像算法難度，在系統(tǒng)設計時選用了圖像專用A/D芯片AD9826，該芯片不僅能完成模擬信號到數(shù)字信號的轉換，還具備相關雙采樣（cDS）去噪處理功能，能夠消除噪聲干擾，進而改善圖像質量。

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芯片時序完成相關工作。在CDSCLKl時鐘的下降沿時采集VIDn（n為R、G、B）信號的參考電平，在CDSCLK2時鐘的下降沿時采集VIDn（n為R、G、B）信號的信號電平，再經過CDS放大器輸出參考電平與信號電平兩次采樣值的差值，就基本消除了復位噪聲的干擾，得到信號電平的有效幅值。完成模數(shù)轉換后，在ADCCLK時鐘的上升沿和下降沿時刻分別輸出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芯片內部進行16位數(shù)據(jù)的拼接后儲存。Mod-elsim仿真時序如圖5所示。根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊要求，ADCCLK數(shù)字信號輸出鎖存時鐘的頻率應為CDSCLKl、CDSCLK2采樣時鐘頻率的3倍。

3.3SRAM數(shù)據(jù)讀寫模塊

由于CPLD芯片不能將數(shù)據(jù)進行內部存儲，根據(jù)CCD采集到的圖像數(shù)據(jù)大小，采用存儲容量為256K*16bit的靜態(tài)隨機存取存儲器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，應用非常廣泛。通過CPLD芯片時序控制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仿真時序如圖6所示。

3.4USB數(shù)據(jù)通信模塊

PC端上位機和下位機硬件之間的數(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，負責接收上位機發(fā)出的控制命令信號，同時向上位機發(fā)送接收到的圖像數(shù)據(jù)。在編寫USB3.0芯片控制程序時，首先根據(jù)USB3.0的工作模式確定控制模塊的接口信號，然后按照USB3.0芯片的讀寫時序進行程序設計編程。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下進行FX3固件設計，完成Slave FIFO初始化、GPIF II啟動、初始化配置和設置DMA通道。在此模式下，EZ-USB只作為CPLD與USB主機之間同步的數(shù)據(jù)傳輸通道，數(shù)據(jù)流向如圖8所示。

4上位機應用程序設計

上位機應用程序基于Visual Studio 2017開發(fā)平臺，借助c#程序語言完成設計，用于完成整個掃描系統(tǒng)與用戶交互，負責控制機械平臺系統(tǒng)和圖像采集傳輸系統(tǒng)的開始和結束。上位機應用程序主要包括USB數(shù)據(jù)通信、圖像數(shù)據(jù)處理、圖像數(shù)據(jù)存儲和圖像數(shù)據(jù)顯示。上位機應用軟件功能如圖9所示。圖像數(shù)據(jù)處理主要是利用圖像處理算法對數(shù)據(jù)進行分析和調整，如白平衡校正，在不同光照強度下錄入白平衡標準表，后期根據(jù)白平衡標準表對圖像色彩進行校正，使圖像不失真，還原圖像原來面貌。

5系統(tǒng)測試與結果分析

結合c語言程序設計完成對掃描儀機械平臺的控制，通過指令產生電機運動所需要的脈沖數(shù)，達到控制電機的目的。結合Verilog HDL完成掃描儀圖像采集傳輸系統(tǒng)功能模塊控制，驗證各模塊工作是否正常。圖10為通過示波器捕捉到的CCD信號輸出波形。圖10（a）為無光照黑暗情況下RGB三通道輸出信號波形，參考電平和信號電平相等。圖10（b）為光照非飽和情況下RGB三通道輸出信號波形，參考電平高于信號電平。圖10（c）為光照飽和情況下RGB三通道輸出信號波形，參考電平高于信號電平的差值達到最大。從CCD信號波形可以看出程序設計實現(xiàn)了對線陣CCD的正確驅動。

圖像數(shù)據(jù)傳送到上位機軟件后，上位機軟件完成后期處理，生成圖像光譜曲線，光譜曲線圖能直觀反映此時掃描的狀況，包括光線強弱、RGB均勻度和噪聲大小等。圖11為白圖的光譜曲線圖，從圖中可看出此時光線均勻、RGB值一致、噪聲低。上位機軟件可通過圖像算法將接收到的圖像數(shù)據(jù)進行優(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。實驗結果表明，本設計有效可行，能出色地完成圖像文稿信息的采集、轉換、傳輸和處理工作。

6結語

本文設計了應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設計的機械運動平臺系統(tǒng)和基于CPLD的數(shù)據(jù)采集、轉換、傳輸系統(tǒng)組成，從平臺機械、軟件控制和圖像算法全面闡述了總體實現(xiàn)方案，利用USB3.0實現(xiàn)軟件與硬件之間的相互配合。測試結果表明，該系統(tǒng)傳輸速率能達到320Mbit/s，圖像在質量上能達到一定的參考標準，在工作性能上能完全取代同類昂貴的進口設備，掃描結果也驗證了本設計系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，具有一定的工程使用價值，可為國內此類大平臺掃描儀設計和研究提供借鑒。后期需對本系統(tǒng)進行更深層次的設計與優(yōu)化，以適應圖像質量和掃描速度更高的需求。