Разработка архитектуры систем управления лазерными устройствами вывода графической информации с использованием методов параллельного доступа к данным

Актуальность темы

Интенсивное развитие в 1980;х годах методов изучения Земли по данным, полученным из космоса (фотосъемка, радиолокационные данные), определило потребность в автоматизированных системах ввода-вывода и обработки полутоновых изображений высокого разрешения (более 10 000×10 000 элементов на кадр) [14]. Примерно в это же время методы тиражирования информации, основанные на ручном наборе, стали заменять фотонабором и начали создаваться автоматизированные системы ввода, переработки и вывода информации. Было показано, что лазерные системы вывода изображений на фотоматериалы могут существенно улучшить производительность и гибкость систем формирования фотооригиналов печатных форм [36]. Кроме того, для вывода фотошаблонов печатных плат потребовалось оборудование с микронным разрешением и форматами до 1×1 м [3].

Во всех указанных задачах применение лазерных технологий позволило существенно повысить скорость и качество вывода изображений высокого разрешения. Однако большое разнообразие систем формирования и управления пространственно-временными характеристиками лазерного луча привело к появлению эквивалентного множества технических решений на аппаратно-программные средства управления и сопряжения с ЭВМ лазерных и сканирующих модулей. Учитывая, что характеристики аппаратных средств ввода-вывода изображений, изготовления фотооригиналов полиграфической продукции и фотошаблонов печатных плат достаточно близки, задача разработки и создания универсальных аппаратно-программных средств, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к высокоразрешающим системам ввода-вывода изображений, весьма актуальна. Ключевым элементом систем ввода, обработки и вывода изображений являются модули хранения данных. Особенно большое влияние на производительность характеристики модулей памяти оказывают при их использовании в спецпроцессорах, предназначенных для обработки и ввода-вывода данных в высокопроизводительных параллельных системах, системах реального времени. Общей спецификой работы таких спецпроцессоров, и в особенности систем ввода-вывода изображений, является необходимость работы с двумерными структурами данных. Однако используемые системы хранения данных до сих пор имеют линейную одномерную структуру и не поддерживают на аппаратном уровне двумерные структуры. Результатом этого является сведение задач по обработке изображений к системам с линейным доступом, что ведет к снижению производительности [22]. Поэтому задача оптимального распределения потоков данных, разработка аппаратных средств параллельного доступа к элементам двумерной структуры и сопряжение их с системами обработки и ввода-вывода данных всегда являлась актуальной и была предметом специальных исследований.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование методов управления специализированными аппаратно-программными средствами лазерных систем вывода изображений высокого разрешения, работающими как в векторной, так и растровой форме, а также исследование архитектуры и средств параллельного доступа к данным, имеющим двумерную природу, средств буферизации таких данных, конвейеризации их обработки для обеспечения повышения быстродействия и эффективности систем ввода-вывода и обработки данных.

В соответствии с поставленной целью основными задачами являются:

— разработка контроллера и математического обеспечения для лазерных растровых систем высокого разрешения с использованием средств параллельного доступа к данным;

— разработка архитектуры средств параллельного доступа к данным, имеющим двумерную природу;

— разработка буферного запоминающего устройства с произвольным доступом к двумерному фрагменту;

— разработка потокового буферного запоминающего устройства с произвольным доступом к двумерному фрагменту;

— разработка унифицированных аппаратных средств управления лазерными технологическими системами.

Научная новизна. Определены функциональные требования для унификации аппаратно-программных средств лазерных растровых систем вывода изображений высокого разрешения, на основе которых предложена структура, включающая в себя адаптер синхронного канала данных, базовый системный модуль, модуль синхронизации, модуль буферной памяти, в котором были использованы методы параллельной выборки двумерных данных.

Разработана структура унифицированного контроллера для управления лазерными технологическими системами, реализующая метод вывода изображения на цилиндрическую поверхность с использованием страничного разбиения.

Разработана структура буферного запоминающего устройства с аппаратной реализацией параллельной выборки двумерного фрагмента данных, параллельным контролем достоверности загружаемых фрагментов данных, позволяющим увеличить производительность систем ввода-вывода и обработки двумерных данных.

Предложен оригинальный метод защиты изделий от несанкционированного копирования на основе технологии лазерной маркировки, повышающий информационную емкость маркировки, и его аппаратно-программная реализация на основе унифицированного контроллера.

Достоверность полученных результатов обосновывается использованием методов математического анализа, аналитической геометрии, математического моделирования, теории множеств и экспериментально подтверждена внедрением полученных результатов в многочисленные приборы и устройства, работающие как в России, так и за рубежом.

На защиту выносятся:

1. Структура унифицированных аппаратно-программных средств управления лазерными растровыми системами высокого разрешения, включающая в себя адаптер синхронного канала данных, базовый системный модуль, модуль синхронизации, модуль буферной памяти.

2. Структура унифицированного контроллера управления лазерными технологическими системами, реализующая метод вывода изображения на цилиндрическую поверхность с использованием страничного разбиения.

3. Структуры буферного запоминающего устройства для систем обработки двумерных данных с использованием специальных функций распределения элементов фрагмента по модулям памяти, что позволяет осуществить параллельную выборку фрагмента.

4. Метод защиты изделий от несанкционированного копирования на основе технологии лазерной маркировки, повышающий информационную емкость маркировки, и его аппаратно-программная реализация.

Практическая ценность. Предложенная структура унифицированного контроллера управления лазерными устройствами ввода-вывода изображений и разработанные специализированные модули могут быть применены в различных системах прецизионной микрообработки, таких как системы лазерной гравировки и резки материалов, системы лазерной маркировки, лазерные имиджсетгеры и др.

Буферное запоминающее устройство с произвольной выборкой двумерного фрагмента многократно снижает требования к быстродействию буферной памяти, что может быть использовано в любых системах ввода-вывода и обработки двумерных данных.

Применение предложенного способа защиты изделий от несанкционированного копирования может быть использовано в системах лазерной маркировки изделий массового производства.

Личный вклад автора. В ходе выполнения работ, опубликованных совместно с другими авторами, В. А. Слуевым самостоятельно выполнены все работы по проектированию и созданию унифицированных аппаратно-программных средств для растровых фотопостроителей высокого разрешения, предложен и реализован на практике метод вывода изображения на цилиндрическую поверхность с использованием страничного разбиения для систем лазерной маркировки. В рамках работ по созданию моделирующего комплекса для цифровой обработки дискретизированных изображений была предложена и реализована на практике структура процессора восстановления изображений в преобразованных координатах, метод буферизации данных в системах с двумерной структурой данных. В. А. Слуев принимал активное участие в постановке задач, обсуждении результатов, подготовке статей и тезисов докладов для российских и международных конференций. Сделан значительный вклад в экспериментальное подтверждение эффективности предложенных аппаратно-программных средств. Применение разработанных В. А. Слуевым унифицированных аппаратно-программных средств позволяет серьезно повысить надежность изделий за счет применения типовых модулей, существенно сократить сроки и затраты на проектирование и производство новых устройств ввода-вывода изображений, унифицировать элементную базу.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XIX Всесоюзной школе по автоматизации научных исследований (Новосибирск, 1985 г.), на Школе-семинаре Социалистических стран «Вычислительная аэрогидромеханика» в г. Самарканде в 1988 г. (Научный совет АН СССР по проблеме «Кибернетика»), На международной конференции «Automation, Control, and Information Technology» в 2002 г. в Новосибирске.

Реализация и внедрение. Высокопроизводительные контроллеры лазерных растровых систем высокого разрешения, разработанные и спроектированные автором, в настоящее время работают в многочисленных приборах на территории России и за рубежом.

Публикации. По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 20 работ, из них 7 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 авторских свидетельства на изобретение и 1 патент, в которых полностью отражены основные научные результаты.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 154 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков, 5 таблиц, список литературы, включающий 72 наименования, и приложения.

В первой главе описываются особенности лазерных растровых систем высокого разрешения и формата. Определены основные технические требования и функциональные элементы таких систем, влияющие на качество и производительность, рассмотрен ряд систем управления лазерными растровыми устройствами ввода-вывода изображений.

Во второй главе рассмотрен разработанный при непосредственном участии автора диссертации универсальный комплекс аппаратно-программных модулей для создания лазерных растровых систем высокого разрешения большого формата. Представлены функциональные элементы лазерных систем вывода изображений, перечисленные ниже. Адаптер — интерфейсный модуль, принимающий данные по шине PC и передающий их через скоростной последовательный интерфейс в Блок управления. Блок управления содержит три универсальных модуля: — Модуль синхронизации, Модуль буферной памяти и Базовый системный модуль, к которым подключены все специализированные узлы-датчики и драйверы исполнительных механизмов, ориентированные на конкретные механизмы развертки изображения и лазерные системы фокусировки и модуляции. Описываются различные режимы работы универсального набора модулей. Далее представлены разработанные при непосредственном участии автора лазерные системы вывода изображений на основе электро-механических сканеров и с плоским полем регистрации для гравировки и маркировки. Для унификации аппаратных средств управления лазерными системами с возможностью реализации как векторного, так и растрового способа вывода информации автором разработан контроллер, структура которого оптимизирована для решения задач управления электромеханическими приводами лазерных технологических установок. Контроллер выполнен в виде двух логически независимых узлов: — первый для управления данными и модуляцией мощности лазера, второй — для управления движением исполнительных механизмов, обеспечивающих развертку лазерного луча. Каждый из узлов, выполняющих различные, специфичные для каждого из них, функции управления, выполнен в виде отдельного контроллера [49].

Важным фактором повышения производительности и качества выводимых изображений является рассмотренный во второй главе многостраничный вывод. Такой вывод совмещает достоинства быстродействия сканеров и произвольного размера зоны вывода свойственного системам с перемещающимся экспонируемым материалом, либо узлом записи. Сутью метода является разбиение выводимого изображения на части, будем называть их страницами, с последующим выводом каждой страницы с помощью сканеров и перемещения экспонируемого материала на следующую страницу. Вывод файла рисунка на изделие может выполняться четырьмя различными перьями (цветами). При выводе линий пером № 0, 1, 2, 3 в контроллере реализована возможность управления мощностью лазера, что фактически обеспечивает либо разную глубину гравировки, либо различные физико-химические реакции в маркируемом материале. Применение предложенного в диссертации способа маркировки существенно повышает защищенность изделия от несанкционированного копирования [30].

В третьей главе описывается разработанное автором буферное запоминающее устройство с произвольной выборкой двумерного фрагмента, которое может применяться в системах обработки двумерных данных (например в процессорах коррекции геометрических искажений) и использовать при этом линейно организованную системную память. Особенностью архитектуры предложенного устройства является параллельный доступ к двумерному фрагменту данных и способность работать с линейной системной памятью, что обеспечивает совместимость с существующей организацией системной памяти. Предложенная архитектура буферной памяти организована по принципу КЭШ-памяти, широко используемой в современных компьютерах, однако принцип двумерности данных поддержан на аппаратном уровне. Так, например, фрагмент двумерной структуры данных представляющий «окно» размером 4×4 элемента, всегда может быть извлечен либо записан в память за один такт, что невозможно при линейной организации памяти. Далее представлена структура процессора геометрических преобразований, в котором реализованы преобразование с использованием полиномов N-степени, а также интерполяция полиномом 3-й степени (кубическая интерполяция). Особенностью алгоритма преобразования является необходимость произвольного доступа к двумерной структуре данных, что может быть эффективно реализовано при использовании разработанного автором двумерного буферного запоминающего устройства. Следующим шагом увеличения производительности процессора геометрических преобразований является конвееризация ввода-вывода данных обработки на основе конвеерного буферного запоминающего устройства с произвольной выборкой двумерного фрагмента. Следует сказать, что в связи с независимостью эффективности буферизации данных от алгоритма обхода данных в предложенном буферном запоминающем устройстве, оно может быть использовано в любых процессорах обработки и ввода-вывода двумерных данных, например в корреляционных, свертки и др.

В связи с важностью вопроса эффективности доступа к двумерным данным в системах обработки и ввода-вывода изображений проведен анализ систем организации памяти с параллельным доступом к элементам двумерного, а также многомерного массива данных.

В четвертой главе представлены четыре системы, в которых рассмотрены результаты использования методов и разработанных аппаратных средств для лазерных систем вывода изображений. Первым представлено лазерное шестнадцатиканальное устройство записи изображения на фотопленку с акустооптическим разделением каналов и HeNe-лазером в качестве источника излучения с разверткой на основе внешнего барабана и шагом по обеим координатам 5 мкм. Далее описывается система лазерной маркировки, встроенная в конвейерную линию фирмы «Clemens», установленную на ОАО «Барнаульский ликероводочный завод». Следующей представлена система управления устройством лазерной маркировки изделий инструментального машиностроительного производства. Особенностью данной системы является то, что для динамического формирования изображений на цилиндрических поверхностях предложен метод многостраничной записи с учетом движения объекта. В комплексе так же как и в предыдущей системе, реализованы средства для создания защитной лазерной маркировки с использованием многоуровнего режима лазерной записи. Далее описывается лазерное гравировальное устройство с плоским полем регистрации, управляющий контроллер которого выполнен в виде двух логически независимых узлов: первый — для управления данными и модуляцией мощности лазера, второй — для управления движением исполнительных механизмов, обеспечивающих развертку лазерного луча.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. На основе анализа систем управления устройствами ввода-вывода изображений предложена структура аппаратно-программных средств для лазерных растровых систем вывода изображений высокого разрешения. С использованием разработанных методов доступа к двумерным данным проведена унификация аппаратных средств ввода-вывода изображений, создан ряд управляющих систем для лазерных растровых систем вывода изображений высокого разрешения.

2. Предложенная структура контроллера управления лазерными устройствами вывода изображений была применена с минимальными изменениями в различных системах вывода изображений, таких как системы лазерной гравировки материалов, системы лазерной маркировки, лазерные имиджсеттеры и др.

3. Исследованы возможности параллельного доступа к различным сегментам двумерной структуры данных. Определена структура буферного запоминающего устройства с произвольным доступом к двумерному фрагменту, использование которой позволяет значительно увеличить производительность систем обработки двумерных данных. Предложена и реализована структура потокового буферного запоминающего устройства.

4. В рамках работ по созданию комплекса обработки изображений создан процессор коррекции геометрических искажений, в котором были использованы методы параллельного доступа к двумерным данным, а также буферное запоминающее устройство с произвольной выборкой двумерного фрагмента.

5. Предложен и реализован на практике оригинальный метод защиты изделий от несанкционированного копирования на основе технологии лазерной маркировки, повышающий информационную емкость маркировки, и его аппаратно-программная реализация на основе унифицированного контроллера.

Высокопроизводительные контроллеры лазерных растровых систем высокого разрешения, разработанные и спроектированные автором, в настоящее время работают в многочисленных приборах на территории России и за рубежом. Так, например, в НПО «МОЛНИЯ» (г. Москва), в ОАО «ГАЗ» (г. Нижний.

Новгород), в ФГУП «СЕВЕР» (г. Новосибирск), в фирме «ЭЛЕКТРОКОННЕКТ» (г. Новосибирск), в фирме «JAY INSTRUMENTS & SYSTEMS PVT.LYD.» (г. Бомбей, Индия), в ФГУП «Инженерная Геодезия» (г. Новосибирск) и др. Контроллеры систем лазерной маркировки с выводом изображения на цилиндрическую поверхность, использующие разработанный метод защиты от несанкционированного копирования, применяются в промышленных системах маркировки. Контроллеры для управления лазерными технологическими системами, разработанные автором, применяются в многочисленных лазерных гравировальных устройствах в России и за рубежом. Так, например, в ОАО «Новосибирский Инструментальный Завод» (г. Новосибирск), в УВД Томской области, в ОАО «Завод Измерительных Приборов» (г. Владивосток), в фирме «Scientific & Research Institute Fan Gostaran Andishe» (г. Тегеран, Иран), на Барнаульском ликероводочном заводе и др. В рамках работ по созданию комплекса обработки изображений создан процессор коррекции геометрических искажений, в котором были использованы методы параллельного доступа к двумерным данным, а также буферное запоминающее устройство с произвольной выборкой двумерного фрагмента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.