采用實時高精度拼接方法實現(xiàn)多線陣CCDS相機大幅面掃描儀的設(shè)計

引言

基于多線陣CCDS相機的拼接型高精度大幅面掃描儀的研制一直是國內(nèi)、外學(xué)者及產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的重點領(lǐng)域，但是由于涉及精密光路設(shè)計心1、復(fù)雜機械平臺、完備硬件系統(tǒng)H1、友好人機界面、智能算法實現(xiàn)這五個關(guān)鍵技術(shù)，其中高精度實時拼接技術(shù)又是其中的重點難點。迄今為止，基于多線陣CCDS相機的拼接型高精度大幅面掃描儀的全部關(guān)鍵技術(shù)基本上被國外跨國公司與大型研究機構(gòu)所壟斷，國內(nèi)完全依靠進口。

高精度實時拼接技術(shù)是多線陣CCDS相機的大幅面掃描儀中的重點難點。由于線陣CCDS相機的視場有限，在視場范圍要求大掃描精度高的大幅面掃描儀應(yīng)用背景下，單個三線陣CCDS相機顯然不能滿足需求，因此需要多個三線陣相機拼接實現(xiàn)。

拼接最重要的指標是保證圖像信息不丟失不錯位，最理想的情況是，所有三線陣CCDS相機保持在同一水平面，相鄰兩個相機采集圖像的像素連續(xù)。

為了適應(yīng)拼接型多線陣CCDS大幅面掃描儀這一應(yīng)用需求，通常采用光學(xué)拼接或光學(xué)拼接加入軟件后續(xù)處理¨01.光學(xué)拼接通過分光棱鏡將多個線陣CCDS相機首位相連，即前一級CCDS相機最后一個有效像素與下一級CCDS相機第1個有效像素相連，其精度要求偏差在1個像素以內(nèi)，且多個CCDS相機所有像素必須在同一個水平面上，這對機械加工精度要求非常高，相應(yīng)成本也非常高，其拼接精度隨著使用時間增加而降低。光學(xué)拼接加入軟件后續(xù)處理通過將相鄰兩個CCDS相機有效像素進行重疊以此保證圖像信息不丟失，然后將采集到的圖像信息保存在電腦內(nèi)存里，通過軟件算法將每個相機采集到的圖像數(shù)據(jù)上下左右平移進行拼接，這種拼接方式對機械的精度要求有所降低，但是對電腦配置要求較高，拼接時間較長需要2 s一3 s,對大幅面掃描儀的實時性有一定影響¨2|.

針對這一問題，深入研究了FPGA/SDRAM/'CCDS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過多次試驗驗證，提出了一種新的基于多線陣CCDS相機的大幅面掃描儀高精度實時拼接實現(xiàn)新方法一硬件拼接法。

1 基本理論

1.1拼接原理

為了保證相鄰相機首尾相連處數(shù)據(jù)不丟失，必須使兩相機之間有效像素部分重合，如圖1拼接原理圖所示。

相機1與相機2重疊W1個像素，相機2與相機3重疊W2個像素。將SDRAM的地址分為3個地址分塊，相機1對應(yīng)的初始地址為ADDRESS-1,相機2對應(yīng)的初始地址為ADDRESS-2,相機3對應(yīng)的初始地址為ADDRESS_3.三線陣CCDS相機逐行掃描，將3個相機采集到的每一行數(shù)據(jù)分別連續(xù)存儲到SDRAM開辟的3個地址分塊里，因為SDRAM的地址與數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，知道每一行數(shù)據(jù)的首地址，通過對偏移量的設(shè)置，從指定每行數(shù)據(jù)首地址位開始連續(xù)讀取數(shù)據(jù)即可對3個相機的數(shù)據(jù)進行實時拼接。

1.2拼接過程中出現(xiàn)的實際情況與處理方法

實際過程中，由于機械平臺加工的精度問題，3個相機可能不在同一水平面上，并且相鄰兩相機的重疊像素部分也不一定相同，就造成常規(guī)數(shù)據(jù)傳輸中有錯位現(xiàn)象產(chǎn)生。根據(jù)實驗與分析，拼接過程中會出現(xiàn)6種可能情況，如圖2（a）、2（b）、2（c）、2（d）、2（e）、2（f）所示。

圖2（a）為相機l水平位置大于相機2水平位置。相機2水平位置大于相機3水平位置時，圖像有效數(shù)據(jù)錯位情況。圖2（b）為相機1水平位置小于相機2水平位置，相機2水平位置小于相機3水平位置時。圖像有效數(shù)據(jù)錯位情況。圖2（c）為相機2水平位置大于相機l水平位置，相機l水平位置大于相機3水平位置時，圖像有效數(shù)據(jù)錯位情況。

圖2（d）為相機2水平位置大于相機3水平位置，相機3水平位置大于相機1水平位置時，圖像有效數(shù)據(jù)錯位情況。圖2（e）為相機3水平位置大于相機1水平位置，相機1水平位置大于相機2水平位置時，圖像有效數(shù)據(jù)錯位情況。圖2（f）為相機1水平位置大于相機3水平位置，相機3水平位置大于相機2水平位置時，圖像有效數(shù)據(jù)錯位情況。

因此需要先確定掃描儀3個相機處于何種位置情況，相機每一行像素個數(shù)為L=5340個，上位機根據(jù)特定情況設(shè)定H1、H2、W1、w2的值，根據(jù)H1、H2、W1、W2的預(yù)設(shè)值計算出需要緩存數(shù)據(jù)最大行數(shù)，相機2每行緩存數(shù)據(jù)的讀出首地址與末地址，相機3每行緩存數(shù)據(jù)的讀出首地址與末地址，最后順序讀寫出每一個相機緩存數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C實時顯示。

圖2所示6種情況中的寫緩存初始地址都是一致的，即，相機1寫緩存初始地址ADDRESS-WRITEBUFFER.1=ADDRESS一1,相機2寫緩存初始地址ADDRESS-WRITEBUFFER_2=ADDRESS_2,相機寫緩存初始地址ADDRESS-WRITEBUFFER一3=ADDRESS_3.

針對圖2（a）的情況，需緩存BUFFER-LINE=H1+H2+1行數(shù)據(jù)，相機2連續(xù)寫人H1+1行數(shù)據(jù)后需對寫入地址初始化，相機3連續(xù)寫人H1+H2+1行數(shù)據(jù)后需對寫入地址初始化。相機1寫初始地址ADDRESS-WRITE一1=ADDRESS一1+（H2一H1）·L+H2一H1,相機2寫初始地址ADDRESS-WRITE一2=ADDREsS一2+H2·L+H2,相機3寫初始地址ADDRESS-Wr{ITE_3=ADDRESS_3.相機1讀初始地址ADDRESS-READ一1=ADDRESS一1+（H1+H2）·L+H1+H2,相機2讀初始地址ADDRESS-READ_2=ADDRESS_2+H2·L+W1+H2,相機3讀初始地址ADDRESS-READ_3=ADDRESS._3+W2.

針對圖2（b）的情況，需緩存BUFFER-LINE=HI+H2+l行數(shù)據(jù)，相機1連續(xù)寫入H1+H2+1行數(shù)據(jù)后需對寫入地址初始化，相機2連續(xù)寫入H2+l行數(shù)據(jù)后需對寫人地址初始化。相機1寫初始地址ADDRESS-WRITE一1=ADDRESS一1,相機2寫初始地址ADDRESS-WrtlTE_2=ADDRESS_2+H1·L+H1,相機3寫初始地址ADDRKSS_WRrI'E_3=ADDRESS_3+（H1+H2）·L+H1+H2.相機1讀初始地址ADDRESS-READ一1=ADDRESS一1,相機2讀初始地址ADDRESS-READ一2=ADDRESS一2+H1·L+W1+Hl,相機3讀初始地址ADDRESS-READ一3=ADDRESS 3+（Hl+H2）·L+Hl+H2+W2.

針對圖2（c）的情況，需緩存BUFFER-LINE=H2+1行數(shù)據(jù)，相機1連續(xù)寫入H1+1行數(shù)據(jù)后需對寫入地址初始化，相機3連續(xù)寫人H2+1行數(shù)據(jù)后需對寫入地址初始化。相機1寫初始地址ADDRESS-WRITE一1=ADDRESS一1+（H2一H1）·L+H2一H1,相機2寫初始地址ADDRESS-WRITE一2=ADDRESS一2+H2·L+H2,相機3寫初始地址ADDRESS-WRITE_3=ADDRESS一3.相機1讀初始地址ADDRESS_READ一1=ADDRESs一1+（H2一H1）·L+H2一H1,相機2讀初始地址ADDRESS-READ一2=ADDRESS一2+I-12·L+w1+H2,相機3讀初始地址ADDRESS_READ_3=ADDRESS_3+W2.

針對圖2（d）的情況，需緩存BUFFER-LINE=Hl+1行數(shù)據(jù)，相機l連續(xù)寫入Hl+l行數(shù)據(jù)后需對寫入地址初始化，相機3連續(xù)寫人H2+1行數(shù)據(jù)后需對寫入地址初始化。相機1寫初始地址ADDRESS-WRITE一1=ADDRESS一1,相機2寫初始地址ADDRESS-WRITE一2=ADDRESS一2+H1·L+W1+HI,相機3寫初始地址ADDRESS-WRITE一3=ADDRESS._3+（H1一H2）·L+HI-H2.相機1讀初始地址ADDRESS-READ一1=ADDRESS一1,相機2讀初始地址ADDRESS-READ一2=ADDRESS一2+Hl·L+W1+H1,相機3讀初始地址ADDRESS-READ一3=ADDRESS_3+（H1一H2）·L+H1一H2+W2.

針對圖2（e）的情況，需緩存BUFFER-LINE=H2+1行數(shù)據(jù)，相機1連續(xù)寫入H2一HI+1行數(shù)據(jù)后需對寫入地址初始化，相機2連續(xù)寫入H2+1行數(shù)據(jù)后需對寫入地址初始化。相機1寫初始地址ADDRESS-WRITE一1=ADDRESS一1+H1·L+H1,相機2寫初始地址ADDRESS-WRITE一2=ADDRESS一2,相機3寫初始地址ADDRESS-WRITE-3=ADDRESS一3+H2·L+H2.相機1讀初始地址ADDRESS-READ一1=ADDRESS一1+HI·L+H1,相機2讀初始地址ADDRESS-rtE,~D._2=ADDRESS_2+Wl,相機3讀初始地址ADDRESS-r{EAD_3=ADDRESS_3+H2·L+H2+W2.

針對圖2（f）的情況，需緩存BUFFER-LINE=H1+l行數(shù)據(jù)，相機2連續(xù)寫入H1+1行數(shù)據(jù)后需對寫入地址初始化，相機3連續(xù)寫入H1一H2+1行數(shù)據(jù)后需對寫入地址初始化。相機1寫初始地址ADDRESS-WRITE一1=ADDRESS一1+H1·L+H1,相機2寫初始地址ADDRESS-WRITE一2=ADDRESS一2,相機3寫初始地址ADDRESS_WRITE_3=ADDRESS_3+H2·L+H2.相機1讀初始地址ADDRESS-READ一1=ADDRESS一1+H1·L+H1,相機2讀初始地址ADDRESS-READ_2=ADDRESS_2+W1,相機3讀初始地址ADDRESS-READ一3=ADDRESS一3+H2·L+H2+W2.

2實驗結(jié)果與討論

2.1方法執(zhí)行過程

多線陣CCDS相機的大幅面掃描儀高精度實時拼接實現(xiàn)新方法流程如圖3所示。根據(jù)主要器件的特性，上電后需對FPGA、SDRAM初始化，使其處于正常工作狀態(tài)。從上位機獲取H1、H2、W1、W2的預(yù)設(shè)值，判別相機位置處于何種情況。定義H1最高位為1時，相機l水平位置高于相機2水平位置，H1最高位位為0時，相機1水平位置低于相機2水平位置。定義I-12最高位為1時，相機2水平位置高于相機3水平位置，H2最高位為0時，相機2水平位置低于相機3水平位置。圖2所示6種情況分對應(yīng)H1、H2預(yù)設(shè)值的6種狀態(tài)。H1最高位為1,H2最高位為l時對應(yīng)圖2（a）；H1最高位為0,H2最高位為0時對應(yīng)圖2（b）；HI最高位為0,I-12最高位為1,且Hl小于I-12時對應(yīng)圖2（c）；H1最高位為0,H2最高位為l,且H1大于等于H2時對應(yīng)圖2（d）；H1最高位為l,H2最高位為0,且H1小于H2時對應(yīng)圖2（e），Hl最高位為1,H2最高位0,且Hl大于等于H2時對應(yīng)圖2（f）。獲取預(yù)設(shè)值后就進行數(shù)據(jù)緩存，按照相機編號逐行讀出圖像數(shù)據(jù)，判斷讀地址是否需要初始化，按照相機編號逐行寫人圖像數(shù)據(jù)，判斷寫地址是否需要初始化，最后判斷是否接收到上位機發(fā)出的結(jié)束信號。

2.2大幅面掃描儀上的實際使用效果

采用多線陣CCDS相機的大幅面掃描儀高精度實時拼接實現(xiàn)新方法后，3個相機圖像數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r拼接傳輸，圖像水平錯位現(xiàn)象得以解決，重疊部分裁剪后實現(xiàn)無縫拼接。經(jīng)分析測試，H1=56,H2=6,W1=118,W2=168,且Hl最高位為0,I-12最高位為0,即對應(yīng)圖2（b）所示情況。圖4（a）為采用新方法前相機1與相機2拼接效果圖，圖4（b）為采用新方法后相機1與相機2拼接效果圖。圖5（a）為采用新方法前相機2與相機3拼接效果圖，圖5（b）為采用新方法后相機2與相機3拼接效果圖。圖6為拼接型大幅面掃描儀整機圖，圖7為硬件拼接核心板。

3 結(jié)論

通過對基于多線陣CCDS相機的大幅面掃描儀拼接方法的深入分析，并比較現(xiàn)有的通行方式，提出了一種高精度實時拼接的新方法，制作了國內(nèi)第一臺基于多線陣CDDS相機的拼接型大幅面掃描儀，解決了拼接過程中水平錯位、無縫拼接的難題。

實驗及測試結(jié)果表明：項目組制作的大幅面掃描儀最大幅面A0,光學(xué)分辨率高達l 200 DPI,掃描速度達到2.54 cm/s,掃描及拼接精度能達到+/一l像素，能夠進行實時拼接傳輸。

高精度實時拼接新方法在該掃描裝備的成功實施。解決了在基于多線陣CCDS相機的大幅面拼接型高精度掃描儀的諸多難題，填補了該領(lǐng)域的工程應(yīng)用空白。據(jù)我們所知，在應(yīng)用上成功實現(xiàn)大幅面拼接性高精度一次性成像掃描儀的高精度實時硬件拼接，國內(nèi)、外未見報道。

在以后的工作中，將對高精度實時硬件拼接進行進一步的優(yōu)化處理，并在速度保障的情況下，爭取進一步提高圖像質(zhì)量，能夠更加接近理想狀態(tài)。