基于fpga的双面扫描仪采集系统及其扫描和校正方法
【专利摘要】本发明公开了基于FPGA的双面扫描仪采集系统及其扫描和校正方法，包括扫描数据处理系统、PC主机、第一CIS传感器和第二CIS传感器，以及同时与第一CIS传感器和第二CIS传感器连接的CIS传动模块；扫描数据处理系统包括FPGA主控芯片，同时与FPGA主控芯片连接的第一数据转换模块、第二数据转换模块、第一存储器、通信接口、校正模块和USB模块，以及板载电源模块；第一CIS传感器与第一数据转换模块连接，第二CIS传感器与第二数据转换模块连接，CIS传动模块与通信接口连接，PC主机与USB模块连接。本发明设计合理，使用方便，可以在快速扫描成像的同时，一次性将两面图像进行显示，因此，其适于推广应用。
【专利说明】[0001] 基于FPGA的双面扫描仪采集系统及其扫描和校正方法
【技术领域】
[0002] 本发明涉及一种扫描仪采集系统，具体涉及的是一种基于FPGA的双面扫描仪采 集系统及其扫描和校正方法。
【背景技术】
[0003] 现有市面常用的扫描仪，大多采用ARM等单片机作为主控芯片。虽然在成本上占 有优势，但是由于ARM芯片本身的限制，同时也由于扫描仪自身系统设计不合理，导致扫描 速度较慢，难以满足人们日益加快的生活和工作节奏。并且现有的扫描仪一般为单面扫描 模式，对于双面图案的扫描对象，需要人工操作两次，不符合智能化需求。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于FPGA的双面扫描仪米集系统及其扫描和校正方 法，主要解决现有的扫描仪扫描速度慢、且不能一次性将图案两面进行扫描的问题。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下： 基于FPGA的双面扫描仪采集系统，包括扫描数据处理系统、PC主机、用于采集扫描对 象正面图像数据的第一 CIS传感器和用于采集扫描对象反面图像数据的第二CIS传感器， 以及同时与第一 CIS传感器和第二CIS传感器连接的CIS传动模块；所述扫描数据处理系 统包括FPGA主控芯片，同时与该FPGA主控芯片连接的第一数据转换模块、第二数据转换模 块、第一存储器、通信接口、校正模块和USB模块，以及用于向整个扫描数据处理系统供电 的板载电源模块；所述第一 CIS传感器与第一数据转换模块连接，所述第二CIS传感器与第 二数据转换模块连接，所述CIS传动模块与通信接口连接，所述PC主机与USB模块连接。
[0006] 作为优选，所述USB模块通过USB2. 0接口与PC主机连接。
[0007] 具体地说，所述第一数据转换模块包括均同时与第一 CIS传感器和FPGA主控芯片 连接的第一模数转换器和第一光源控制器。
[0008] 具体地说，所述第二数据转换模块包括均同时与第二CIS传感器和FPGA主控芯片 连接的第二模数转换器和第二光源控制器。
[0009] 进一步地，所述扫描数据处理系统还包括与FPGA主控芯片连接的第二存储器。
[0010] 再进一步地，所述扫描数据处理系统还包括与FPGA主控芯片连接的在线调试接 □。
[0011] 基于上述硬件基础，本发明还提供了该基于FPGA的双面扫描仪采集系统的扫描 方法和校正方法，分别如下所述： 扫描方法 包括以下步骤： (1)系统上电后，PC主机通过USB模块向FPGA主控芯片发送扫描指令； (2) FPGA主控芯片接收指令后产生各模块所需的时钟和控制信号，通过两个光源控制 器分别控制两根CIS传感器同时点亮，并通过通信接口传递给CIS传动模块，使机械动作设 备按照PC主机要求的扫描模式分别控制第一 CIS传感器和第二CIS传感器对扫描对象的 两面进行图像采集； (3) 两根CIS传感器扫描图像后，将数据传输至两个模数转换器，两个模数转换器在 FPGA主控芯片提供的转换时钟信号下，分别将两根CIS传感器输出的模拟信号转换成数字 信号，然后同时传输到FPGA主控芯片中进行处理； (4) FPGA主控芯片处理数据后，通过USB模块传输至PC主机，并在PC主机接收完两面 图像的数据后，将图像进行显示。
[0012] 校正方法 包括以下步骤： (1) 系统上电后，PC主机通过USB模块向FPGA主控芯片发送校正指令； (2) FPGA主控芯片接收指令后产生各模块所需的时钟和控制信号，通过两个光源控制 器分别控制两根CIS传感器同时点亮，并通过通信接口传递给CIS传动模块，使机械动作设 备按照PC主机要求的扫描模式分别控制第一 CIS传感器和第二CIS传感器对校正纸的两 面进行图像采集；该步骤中，光源控制器只控制CIS传感器在扫描图像的前半帧时点亮，后 半帧时则关闭CIS传感器关闭光源； (3) 两根CIS传感器扫描图像后，将数据传输至两个模数转换器，两个模数转换器在 FPGA主控芯片提供的转换时钟信号下，分别将两根CIS传感器输出的模拟信号并转换成数 字信号，然后传输到存储器中存储； (4) FPGA主控芯片读取存储器中的图像数据并进行处理，然后通过USB模块传输至PC 主机，并在PC主机接收完两面图像的数据后，按照每个像素 RGB顺序重新排列，得到校正图 像并进行显示；同时PC主机根据显示的图像计算出校正参数，并传输至FPGA主控芯片中； (5) FPGA主控芯片接收参数，并存储到具有掉电数据不丢失功能的校正模块中，以后每 次扫描图像时，当FPGA主控芯片从存储器中读取图像数据后，再读取校正模块中的校正参 数，并将校正参数与图像数据进行计算，得到校正后的图像数据，最后再通过USB模块传输 到PC主机。
[0013] 具体地说，所述步骤（4)中，PC主机计算校正参数的过程如下： (a) PC主机获取图像数据后，提取前半帧图像中第一个像素点的第500行至第999行 总计500行的R、G、B三个通道的数据，并得到该像素点第500行至第999行每一行中的RGB 像素值； (b) PC主机将第500行至第999行每一行中该像素点的RGB像素值做均值运算，得到 札h ，即得到前半帧图像中第一个像素点的R、G、B三种色彩模式的校正参数； (c) 依次循环步骤（a)、（b)，直至PC主机提取完前半帧图像剩余的像素点，并得到前半 帧图像中剩余的各个像素点的R、G、B三种色彩模式的校正参数； (d) PC主机提取后半帧图像中第一个像素点的第500行至第999行每一行中的像素 值； (e) PC主机将第500行至第999行每一行中该像素点的像素值做均值运算，得到black ，即得到后半帧图像中第一个像素点的black校正参数； (f) 依次循环步骤（d)、（e)，直至PC主机取完后半帧图像剩余的像素点，并得到后半帧 图像中剩余的各个像素点的black校正参数； (g) PC主机将前半帧图像的R、G、B和后半帧图像的black校正参数传输给FPGA主控 芯片，用于校正计算。
[0014] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： (1)本发明设计合理，成本低廉，扫描速度快，效率高。
[0015] (2)本发明采用CIS传感器采集图像的两面，其具有体积小、安装方便、无需外接 光源，功耗低和成像零畸变的优点，相比于CCD和CMOS，成本也低廉很多，然后采用FPGA作 为主控芯片，负责图像的传输和处理，由于FPGA具有内部资源丰富、I/O数量多且可自定义 功能等特点，能够以非常高的时钟频率处理大量数据，因而可以为快速扫描出图奠定基础。 本发明中，FPGA主控芯片在结合数据转换模块和通信接口后，可以将CIS传感器采集到的 逐行图像进行组合排列，然后向PC主机输出完整的图像数据，其通过软硬件的结合，很好 地实现了快速扫描图像及一次性双面扫描的功能，大幅优化了扫描的性能，因此，本发明与 现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步。
[0016] (3)本发明还设计了校正扫描的方案，也是通过软硬件的结合，通过扫描校正纸得 到彩色扫描模式和黑白扫描模式下各自需要用到的校正参数，并将其应用到实际图像扫描 中，对采集的图像数据进行校正，确保其图像扫描数据的精度，使得最后扫描出来的图像既 与实际扫描对象相符，又具有足够的清晰度。
[0017] (4)本发明还设置了在线调试接口，可以与系统外部调试设备连接，使得FPGA主 控芯片具有了可在线调试的特性，用户可以根据实际需要重新对FPGA编程，其功能添加和 修改非常便利，通过本发明巧妙的硬件设计，从而也为后续增强和改善本发明系统功能做 了很好的铺垫。
[0018] (5)本发明性价比高、可操作性强，其具有广泛的应用前景，适于推广应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1为本发明的系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于 下列实施例。 实施例
[0021] 如图1所示，本发明包括第一 CIS传感器、第二CIS传感器、扫描数据处理系统以 及PC主机。所述第一 CIS传感器与第二CIS传感器用于采集图像，其中一根CIS传感器用 于采集扫描对象的正面图像，另一根CIS传感器用于采集扫描对象的反面图像，两根CIS传 感器同时与扫描数据处理系统连接。所述扫描数据处理系统与PC主机连接，其根据PC主 机下发的指令对图像进行处理和传输。具体地说，所述扫描数据处理系统包括FPGA主控芯 片，同时与该FPGA主控芯片连接的第一数据转换模块、第二数据转换模块、第一存储器、通 信接口、校正模块、USB模块和在线调试接口，以及用于向整个扫描数据处理系统供电的板 载电源模块；其中，所述第一数据转换模块由第一模数转换器和第一光源控制器组成，二者 均同时与第一 CIS传感器和FPGA主控芯片连接，而第二数据转换模块则由第二模数转换器 与第二光源控制器组成，二者则均同时与第二CIS传感器和FPGA主控芯片连接，所述PC主 机则与USB模块连接，本实施例中，扫描数据处理系统通过USB2. 0接口与PC主机连接。
[0022] 扫描数据处理系统中的第一存储器用于临时存储数据，以便FPGA主控芯片在进 行图像的处理和传输的过程中调取数据，而为了进一步扩大存储的容量，本实施例还设置 了第二存储器。并且进一步地，第一存储器与第二存储器的类型均为二代DDR (DRR II)。
[0023] 扫描数据处理系统中的通信接口用于使FPGA主控芯片与扫描仪的机械动作设备 连接，以便通过FPGA主控芯片下发的指令控制机械动作设备控制CIS传感器扫描图像。
[0024] 扫描数据处理系统中的校正模块用于在系统校正后，存储其产生的校正参数，该 校正模块具有掉电数据不丢失的特性，可以确保校正参数不丢失，时刻方便系统在扫描图 像时进行校正。
[0025] 而扫描数据处理系统中的在线调试接口则用于系统连接外部调试设备，从而根据 实际需要对FPGA主控芯片进行重新编程，对其功能进行添加和修改。
[0026] 基于上述硬件基础，下面对本发明的实现过程进行介绍。本发明具有正常扫描和 校正扫描两种模式，二者流程分别如下： 正常扫描模式 (1) 系统上电后，PC主机通过USB模块向FPGA主控芯片发送扫描指令； (2) FPGA主控芯片接收指令后产生各模块所需的时钟和控制信号，通过两个光源控制 器分别控制两根CIS传感器同时点亮，并通过通信接口传递给CIS传动模块，使CIS传动模 块按照PC主机要求的扫描模式分别控制第一 CIS传感器和第二CIS传感器对扫描对象的 两面进行图像采集； (3) 两根CIS传感器扫描图像后，将数据传输至两个模数转换器，两个模数转换器在 FPGA主控芯片提供的转换时钟信号下，分别将两根CIS传感器输出的模拟信号转换成数字 信号，然后同时传输到FPGA主控芯片中进行处理； (4) FPGA主控芯片处理数据后，通过USB模块传输至PC主机，并在PC主机接收完两面 图像的数据后，将图像进行显示。
[0027] 校正模式 (1) 系统上电后，PC主机通过USB模块向FPGA主控芯片发送校正指令； (2) FPGA主控芯片接收指令后产生各模块所需的时钟和控制信号，通过两个光源控制 器分别控制两根CIS传感器同时点亮，并通过通信接口传递给CIS传动模块，使CIS传动模 块按照PC主机要求的扫描模式分别控制第一 CIS传感器和第二CIS传感器对校正纸的两 面进行图像采集；该步骤中，光源控制器只控制CIS传感器在扫描图像的前半帧时点亮，后 半帧时则关闭CIS传感器关闭光源； (3) 两根CIS传感器扫描图像后，将数据传输至两个模数转换器，两个模数转换器在 FPGA主控芯片提供的转换时钟信号下，分别将两根CIS传感器输出的模拟信号并转换成数 字信号，然后传输到存储器中存储； (4) FPGA主控芯片读取存储器中的图像数据并进行处理，然后通过USB模块传输至PC 主机，并在PC主机接收完两面图像的数据后，按照每个像素 RGB顺序重新排列，得到校正图 像并进行显示；同时PC主机根据显示的图像计算出校正参数，并传输至FPGA主控芯片中； 该步骤中，PC主机计算校正参数的过程如下： (a) PC主机获取图像数据后，提取前半帧图像中第一个像素点的第500行至第999行 总计500行的R、G、B三个通道的数据，并得到该像素点第500行至第999行每一行中的RGB 像素值； (b) PC主机将第500行至第999行每一行中该像素点的RGB像素值做均值运算，得到 札h ，即得到前半帧图像中第一个像素点的R、G、B三种色彩模式的校正参数； (c) 依次循环步骤（a)、（b)，直至PC主机提取完前半帧图像剩余的像素点，并得到前半 帧图像中剩余的各个像素点的R、G、B三种色彩模式的校正参数； (d) PC主机提取后半帧图像中第一个像素点的第500行至第999行每一行中的像素 值； (e) PC主机将第500行至第999行每一行中该像素点的像素值做均值运算，得到black ，即得到后半帧图像中第一个像素点的black校正参数； (f) 依次循环步骤（d)、（e)，直至PC主机取完后半帧图像剩余的像素点，并得到后半帧 图像中剩余的各个像素点的black校正参数； (g) PC主机将前半帧图像的R、G、B和后半帧图像的black校正参数传输给FPGA主控 芯片，用于校正计算，其可以用于彩色扫描模式下的校正，也可以用于黑白扫描模式下的校 正； (5)FPGA主控芯片接收参数，并存储到具有掉电数据不丢失功能的校正模块中，以后每 次扫描图像时，当FPGA主控芯片从存储器中读取图像数据后，再读取校正模块中的校正参 数，并将校正参数与图像数据进行计算，得到校正后的图像数据，最后再通过USB模块传输 到PC主机。
[0028] 为方便理解本发明中关于校正参数的计算，本实施例以一个计算实例来进行解释 说明。
[0029] 准备一张纯白校正纸，对其进行扫描，由于扫描前半帧图像时，CIS传感器被点亮， 而扫描后半帧图像时，CIS传感器光源被关闭，因此，显示的纯白色图像也即为前半帧图像。 并且该显示的图像的分辨率为300DPI，像素为2544 X 3504,即图像的宽度为2544个像素 点，也即一行图像数据个数为2544。
[0030] 以第一个像素点为例： 将第500行图像分为三个色彩通道，可分别记为： R 通道：1^_500, R2_500, R3_500......R2544_500 ; G 通道：6^500，G2_500, G3_500......G2544_500 ； B 通道：Β^δΟΟ, B2_500, B3_500......B2544_500 ； 第500行第一列像素值则为（1^_500, 6^500, Β^δΟΟ)。
[0031] 同理可得到第501行第一列像素值则为（&_501，6^501，Β^δΟΙ); 第502行第一列像素值则为（&_502, 6^502, 8^502); 第999行第一列像素值则为（&_999, 6^999, 8^999)。
[0032] 对RGB三个通道分别作均值运算，以R通道为例，公式如下： 札均=(Ri-500 + Ι^_501 + 1^_502 +......+ ^_999 ) / 500 Gi :?和；^计算公式与1? 相问。
[0033] 最后，得到的Ri均、Gi均和Bi均即为图像第一个像素点的RGB校正参数。同样的计算 方法可以得到其余2543个像素点的RGB校正参数。
[0034] 后半帧图像由于光源关闭，因而得到的是黑色图像，其扫描得到的图像任意一点 的RGB三个通道灰度值均相等，然后同样采用类似上述方式得到后半帧图像各个像素点的 校正参数，这里，我们称之为black校正参数。
[0035] 如此一来，所得到的R、G、B、black这几种校正参数即可全部算出，并在彩色扫描 模式中用作图像数据的校正。
[0036] 而上述计算出的G、black校正参数则在黑白扫描模式中用作图像数据的校正，在 黑白扫描模式中，这里的G校正参数我们称之为灰度白WhiteG参数。
[0037] 上述校正参数计算之所以采用每个像素点的第500行到第999行图像，是为了结 合现有的扫描仪的扫描精度，一般来说，校正纸在扫描时，由于校正纸固定为A4幅面，因 此，大约从第20行起，其扫描出来的RGB像素值较为稳定，本发明则从第500行起取其像素 值，并用于计算校正参数，如此计算可以使校正的准确率大幅提高，并且用于校正后续采集 的图像数据的可靠性也很高。如果采用第1行到第500行图像，则因为扫描精度的原因，可 能会导致第1行的图像并非为扫描到的正确校正纸图像，如此一来，就会导致校正参数计 算错误。因此，本发明选择从第500行图像起开始记录R、G、B三个通道的数据，并用于计算 校正参数。如此既考虑到了现有扫描仪扫描精度的原因，也很好地达到了本发明利用校正 参数对采集的图像数据进行校正的目的。
[0038] 本发明采用FPGA作为主控芯片，并重新设计了系统的结构，使得其具有了扫描速 度快、可以一次性将图像两面扫描的功能，并且还具备了对采集的图像数据进行校正的功 能，确保图像准确显示，提高图像显示的精度。本发明在设计细节上环环相扣，紧密配合，通 过软硬件结合，很好的形成了一个完整的功能系统，因此，本发明与现有技术相比，技术进 步十分明显。
[0039] 上述实施例仅为本发明较佳的实现方式之一，不应当用以限制本发明的保护范 围，凡在本发明的主体设计思想和精神下所作出的任何毫无实质意义的改动或润色的技术 方案，均应当在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1. 基于FPGA的双面扫描仪采集系统，其特征在于，包括扫描数据处理系统、PC主机、 用于采集扫描对象正面图像数据的第一 CIS传感器和用于采集扫描对象反面图像数据的 第二CIS传感器，以及同时与第一 CIS传感器和第二CIS传感器连接的CIS传动模块；所 述扫描数据处理系统包括FPGA主控芯片，同时与该FPGA主控芯片连接的第一数据转换模 块、第二数据转换模块、第一存储器、通信接口、校正模块和USB模块，以及用于向整个扫描 数据处理系统供电的板载电源模块；所述第一 CIS传感器与第一数据转换模块连接，所述 第二CIS传感器与第二数据转换模块连接，所述CIS传动模块与通信接口连接，所述PC主 机与USB模块连接。
2. 根据权利要求1所述的基于FPGA的双面扫描仪采集系统，其特征在于，所述USB模 块通过USB2. 0接口与PC主机连接。
3. 根据权利要求1或2所述的基于FPGA的双面扫描仪采集系统，其特征在于，所述第 一数据转换模块包括均同时与第一 CIS传感器和FPGA主控芯片连接的第一模数转换器和 第一光源控制器。
4. 根据权利要求3所述的基于FPGA的双面扫描仪采集系统，其特征在于，所述第二数 据转换模块包括均同时与第二CIS传感器和FPGA主控芯片连接的第二模数转换器和第二 光源控制器。
5. 根据权利要求4所述的基于FPGA的双面扫描仪采集系统，其特征在于，所述扫描数 据处理系统还包括与FPGA主控芯片连接的第二存储器。
6. 根据权利要求5所述的基于FPGA的双面扫描仪采集系统，其特征在于，所述扫描数 据处理系统还包括与FPGA主控芯片连接的在线调试接口。
7. 基于FPGA的双面扫描仪采集系统的扫描方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 系统上电后，PC主机通过USB模块向FPGA主控芯片发送扫描指令； (2) FPGA主控芯片接收指令后产生各模块所需的时钟和控制信号，通过两个光源控制 器分别控制两根CIS传感器同时点亮，并通过通信接口传递给CIS传动模块，使CIS传动模 块按照PC主机要求的扫描模式分别控制第一 CIS传感器和第二CIS传感器对扫描对象的 两面进行图像采集； (3) 两根CIS传感器扫描图像后，将数据传输至两个模数转换器，两个模数转换器在 FPGA主控芯片提供的转换时钟信号下，分别将两根CIS传感器输出的模拟信号转换成数字 信号，然后同时传输到FPGA主控芯片中进行处理； (4) FPGA主控芯片处理数据后，通过USB模块传输至PC主机，并在PC主机接收完两面 图像的数据后，将图像进行显示。
8. 基于FPGA的双面扫描仪采集系统的校正方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 系统上电后，PC主机通过USB模块向FPGA主控芯片发送校正指令； (2) FPGA主控芯片接收指令后产生各模块所需的时钟和控制信号，通过两个光源控制 器分别控制两根CIS传感器同时点亮，并通过通信接口传递给CIS传动模块，使机械动作设 备按照PC主机要求的扫描模式分别控制第一 CIS传感器和第二CIS传感器对校正纸的两 面进行图像采集；该步骤中，光源控制器只控制CIS传感器在扫描图像的前半帧时点亮，后 半帧时则关闭CIS传感器关闭光源； (3) 两根CIS传感器扫描图像后，将数据传输至两个模数转换器，两个模数转换器在 FPGA主控芯片提供的转换时钟信号下，分别将两根CIS传感器输出的模拟信号并转换成数 字信号，然后传输到存储器中存储； (4) FPGA主控芯片读取存储器中的图像数据并进行处理，然后通过USB模块传输至PC 主机，并在PC主机接收完两面图像的数据后，按照每个像素 RGB顺序重新排列，得到校正图 像并进行显示；同时PC主机根据显示的图像计算出校正参数，并传输至FPGA主控芯片中； (5) FPGA主控芯片接收参数，并存储到具有掉电数据不丢失功能的校正模块中，以后每 次扫描图像时，当FPGA主控芯片从存储器中读取图像数据后，再读取校正模块中的校正参 数，并将校正参数与图像数据进行计算，得到校正后的图像数据，最后再通过USB模块传输 到PC主机。
9.根据权利要求8所述的基于FPGA的双面扫描仪采集系统的校正方法，其特征在于， 所述步骤（4)中，PC主机计算校正参数的过程如下： (a) PC主机获取图像数据后，提取前半帧图像中第一个像素点的第500行至第999行 总计500行的R、G、B三个通道的数据，并得到该像素点第500行至第999行每一行中的RGB 像素值； (b) PC主机将第500行至第999行每一行中该像素点的RGB像素值做均值运算，得到 札h ，即得到前半帧图像中第一个像素点的R、G、B三种色彩模式的校正参数； (c) 依次循环步骤（a)、（b)，直至PC主机提取完前半帧图像剩余的像素点，并得到前半 帧图像中剩余的各个像素点的R、G、B三种色彩模式的校正参数； (d) PC主机提取后半帧图像中第一个像素点的第500行至第999行每一行中的像素 值； (e) PC主机将第500行至第999行每一行中该像素点的像素值做均值运算，得到black ，即得到后半帧图像中第一个像素点的black校正参数； (f) 依次循环步骤（d)、（e)，直至PC主机取完后半帧图像剩余的像素点，并得到后半帧 图像中剩余的各个像素点的black校正参数； (g) PC主机将前半帧图像的R、G、B和后半帧图像的black校正参数传输给FPGA主控 芯片，用于校正计算。
【文档编号】H04N1/028GK104104825SQ201410312724
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2014年7月3日
【发明者】罗颖, 彭梁邑, 贾宏宇, 刘强, 杨海萍 申请人:宁波术有电子科技有限公司