基于线阵CCD的古书画专用扫描仪系统设计

瑚琦 卢定凡 蔡文龙 姜敏 扎西次吉

摘要：随着数字信息化的加速发展，以文物遗产数字化为工作目标，结合应用机械控制技术、数字化采集技术和海量数据处理技术，提出一种专为文物遗产（如古书画）数字化保护的线阵CCD大幅面扫描仪系统设计。利用精密光学镜头和高分辨率、高像素CCD图像传感器对书画文物进行扫描，将采集到的图像数据通过uSB接口传送到Pc端上位机，上位机软件对图像数据进行处理、显示、存储等操作。系统测试结果表明：该专用扫描仪输出图像精度高、色彩梯度大、失真小、立体感突出，同时具备采样速度快、抗干扰能力强、操作方便等特点，对我国数字化文物保护关键设备国产化研究具有重要作用。

关键词：数字化;文物遗产;线阵CCD;大幅面扫描仪;uSB

DOI：10.11907/rjd k.191618

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2019）012-0134-04

0引言

全球各地都在尽全力对现存文物遗产进行数字化保存工作，这项工作的重中之重就是如何使数字化文物图像与文物本身最大限度地接近甚至一致，尽可能真实、逼真反映出各种细节特点。由于cCD在灵敏度、分辨率、噪声、颗粒数量和颜色表现等技术指标上都优于CMOs器件，但又受制于面阵cCD尺寸限制，因而绝大多数高精度、大幅面扫描设备都采用线阵cCD设计。利用线阵cCD这些特点，与精密机械运动控制技术、图像采集传输控制技术相结合，就能够将前人遗留的文物古迹，包括书画、竹简、织品等珍贵的文化遗迹转化为数字图像信息，并简单、快捷地传送到计算机设备中显示和存储，不仅实现了对古书画文物遗产的数字化保护，还能通过数字信息的传播扩大文物遗产交流范围，让大众更便捷地领略到艺术的魅力。

目前国外设计研发的一些产品已经能够高质量地完成如大幅面字画、遥感地图和医用胶片等稿件的扫描，关键技术只掌握在少数发达国家手中，丹麦的Contex、日本的Graphtec和意大利的Metis等公司的产品几乎垄断市场。国内使用的线阵CCD大幅面扫描仪基本上依赖进口，少数单位研制的产品在技术指标上与进口设备仍有明显差距，为此，本文研发设计一款基于线阵CCD的古书画专用大幅面扫描仪。

本文设计的专用线阵CCD扫描仪系统主要由MCU和CPLD芯片控制，分别完成对扫描仪机械平台的控制和扫描仪图像采集传输系统的控制。以RGB三色线阵CCD作为系统的图像传感器，A/D芯片对CCD输出的图像模拟信号进行降噪处理和数据转换，再将图像数字信号通过USB接口传输到PC端上位机中，最后由上位机应用程序完成对图像数据的优化、存储和显示。

1系统设计

本文设计的扫描仪系统分为3个部分：①扫描仪机械平台系统，采用c语言进行程序设计，实现MCU对扫描仪机械平台系统的控制操作，主要包括机械平台运行速度、扫描仪分辨率、镜头对焦位置、灯光距离调节;②线阵CCD图像采集传输系统，采用Verilog HDL进行程序设计，实现CPLD对扫描仪图像采集传输系统各个功能模块的控制，主要包括线阵CCD图像数据采集模块、A/D数据转换模块、SRAM数据读写模块、USB数据通信模块和电源管理模块;③PC端上位机应用程序的控制与应用操作。

2机械平台系统设计

扫描仪机械平台系统由MCU芯片控制，主要实现对机械平台电机运动方向、距离和速度的控制。PC端上位机软件通过串口发送数据指令到MCU系统，MCU系统识别指令后，控制对应部分电机运行，进而控制光学镜头高度、镜头对焦位置、置物平台运动速度和灯管距离。扫描平台控制系统如图1所示。

扫描平台实物如图2所示。平台运行为x方向，平台运行电机负责被扫描稿件的移動方向和速度，后期通过测试匹配下位机数据的传输速度，保证数据不丢失、图像不失真;镜头高度为Y方向，镜头电机控制光学镜头的垂直高度，以实现300-1200dpi的光学分辨率;镜头对焦电机控制镜头的位置，使扫描物件能准确成像在z方向的线阵CCD面上，此时对焦位置准确，成像最为清晰;灯管电机控制专用扫描灯管之间的距离，从而控制反射光强度。

3图像采集传输系统设计

扫描仪图像采集传输系统电源部分由外接的DCl9V电源供电，采用LT3045电压转换芯片将19V电压转换为各个模块所需的工作电压。RGB三色线阵CCD图像传感器在CPLD芯片的时序驱动下采集古书画的图像数据，并将其以模拟信号形式输出，通过图像专用A/D芯片进行相关双采样去噪处理和模数转换后，将转换得到的数字信号缓存到SRAM中，最后通过USB接口将数字信号传送到上位机软件中，实现图像数据的显示和存储。图像采集传输系统原理如图3所示。

3.1线阵CCD图像数据采集模块

图像采集系统采用Kodak的RGB三色线阵CCD-KLll4403，该CCD是一款三通道单边输出二相驱动的线阵CCD器件，具有光谱响应度高、动态范围宽、低暗电流、无图像滞后的特点，主要特征参数如表1所示。图像光子入射到线阵CCD的光电二极管上产生电子，电荷累积储存在PHIA区域，然后进人TG区域，在脉冲hln和h2n（n为a、b）作用下，各个信道的像元信号分别输出至VIDn（n为R、G、B）;脉冲LOGn（n为R、G、B）用来控制3个信道的曝光时间;脉冲PHIR为复位脉冲，各脉冲均满足数据手册时序要求，实现对KLll4403的驱动功能，Modelsim仿真时序如图4所示。

3.2A/D数据转换模块

在线阵CCD积分阶段、信号输出阶段和复位阶段均会引入噪声，如光子噪声、暗电流噪声、热噪声等，这些噪声均会对后期数据和成像质量产生影响。为了尽可能减轻后期图像算法难度，在系统设计时选用了图像专用A/D芯片AD9826，该芯片不仅能完成模拟信号到数字信号的转换，还具备相关双采样（cDS）去噪处理功能，能够消除噪声干扰，进而改善图像质量。

根据系统选用的RGB三色线阵CCD，将AD9826配置为3-channel CDS模式，通过CPLD控制A/D芯片时序完成相关工作。在CDSCLKl时钟的下降沿时采集VIDn（n为R、G、B）信号的参考电平，在CDSCLK2时钟的下降沿时采集VIDn（n为R、G、B）信号的信号电平，再经过CDS放大器输出参考电平与信号电平两次采样值的差值，就基本消除了复位噪声的干扰，得到信号电平的有效幅值。完成模数转换后，在ADCCLK时钟的上升沿和下降沿时刻分别输出RGB通道的高8位数据和低8位数据，再将数据传送至CPLD芯片内部进行16位数据的拼接后储存。Mod-elsim仿真时序如图5所示。根据芯片数据手册要求，ADCCLK数字信号输出锁存时钟的频率应为CDSCLKl、CDSCLK2采样时钟频率的3倍。

3.3SRAM数据读写模块

由于CPLD芯片不能将数据进行内部存储，根据CCD采集到的图像数据大小，采用存储容量为256K*16bit的静态随机存取存储器SRAM（static Random Access Memory）作为外部数据缓存芯片，其功耗小、访问速度快、性能好，应用非常广泛。通过CPLD芯片时序控制SRAM的芯片，使能端口CE、数据读取使能端口OE、数据写人使能端口WE和数据高低字節控制LB/UB完成芯片的地址寻址、数据写入和读取操作。Modelsim仿真时序如图6所示。

3.4USB数据通信模块

PC端上位机和下位机硬件之间的数据通信选用稳定性高、传输速率快的USB3.0控制芯片CYUSB3014完成，负责接收上位机发出的控制命令信号，同时向上位机发送接收到的图像数据。在编写USB3.0芯片控制程序时，首先根据USB3.0的工作模式确定控制模块的接口信号，然后按照USB3.0芯片的读写时序进行程序设计编程。CPLD主控制器与FX3之间采用Slave FIFO模式连接，具体如图7所示。通过GPIF II Designer工具完成通用接口的配置。在集成开发环境Eclipse下进行FX3固件设计，完成Slave FIFO初始化、GPIF II启动、初始化配置和设置DMA通道。在此模式下，EZ-USB只作为CPLD与USB主机之间同步的数据传输通道，数据流向如图8所示。

4上位机应用程序设计

上位机应用程序基于Visual Studio 2017开发平台，借助c#程序语言完成设计，用于完成整个扫描系统与用户交互，负责控制机械平台系统和图像采集传输系统的开始和结束。上位机应用程序主要包括USB数据通信、图像数据处理、图像数据存储和图像数据显示。上位机应用软件功能如图9所示。图像数据处理主要是利用图像处理算法对数据进行分析和调整，如白平衡校正，在不同光照强度下录入白平衡标准表，后期根据白平衡标准表对图像色彩进行校正，使图像不失真，还原图像原来面貌。

5系统测试与结果分析

结合c语言程序设计完成对扫描仪机械平台的控制，通过指令产生电机运动所需要的脉冲数，达到控制电机的目的。结合Verilog HDL完成扫描仪图像采集传输系统功能模块控制，验证各模块工作是否正常。图10为通过示波器捕捉到的CCD信号输出波形。图10（a）为无光照黑暗情况下RGB三通道输出信号波形，参考电平和信号电平相等。图10（b）为光照非饱和情况下RGB三通道输出信号波形，参考电平高于信号电平。图10（c）为光照饱和情况下RGB三通道输出信号波形，参考电平高于信号电平的差值达到最大。从CCD信号波形可以看出程序设计实现了对线阵CCD的正确驱动。

图像数据传送到上位机软件后，上位机软件完成后期处理，生成图像光谱曲线，光谱曲线图能直观反映此时扫描的状况，包括光线强弱、RGB均匀度和噪声大小等。图11为白图的光谱曲线图，从图中可看出此时光线均匀、RGB值一致、噪声低。上位机软件可通过图像算法将接收到的图像数据进行优化处理，使得图像颜色更加丰富、逼真，效果更接近原画，图12、图13分别为扫描油画和书法作品的图片。实验结果表明，本设计有效可行，能出色地完成图像文稿信息的采集、转换、传输和处理工作。

6结语

本文设计了应用于文物书画专用扫描的线阵CCD大幅面扫描仪系统。该系统由基于MCU设计的机械运动平台系统和基于CPLD的数据采集、转换、传输系统组成，从平台机械、软件控制和图像算法全面阐述了总体实现方案，利用USB3.0实现软件与硬件之间的相互配合。测试结果表明，该系统传输速率能达到320Mbit/s，图像在质量上能达到一定的参考标准，在工作性能上能完全取代同类昂贵的进口设备，扫描结果也验证了本设计系统的稳定性和可靠性，具有一定的工程使用价值，可为国内此类大平台扫描仪设计和研究提供借鉴。后期需对本系统进行更深层次的设计与优化，以适应图像质量和扫描速度更高的需求。