Введение к работе
доцент Иван Иванович Резван
.
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 10000х10000 элементов/ кадр). Примерно в это же время методы тиражирования информации, основанные на ручном наборе, стали заменяться фотонабором и начали создаваться автоматизированные системы ввода, переработки и вывода информации. Кроме того, для вывода фотошаблонов печатных плат потребовалось оборудование с микронным разрешением и форматами до 1х1 м.
Изучению различных аспектов проблемы ввода-вывода изображений высокого разрешения и точности посвящены труды Нестерихина Ю.Е., Васькова С.Т., Киричука В.С., Киппхана Г., Бессмельцева В.П., Поташникова А.К., Самарина Ю.Н. Гришина М.П., Ярославского Л.П. и других российских и зарубежных ученых.
Было показано, что во всех указанных задачах применение лазерных технологий для вывода изображений высокого разрешения позволило существенно повысить скорость и качество выводимых изображений. 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. Большое влияние на производительность характеристики модулей памяти оказывают при использовании их 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. Проблемами организации памяти ЭВМ с параллельным доступом к двумерным структурам данных занимались Метлицкий Е.А., Каверзнев В.В., Моотока Т., Томита С., Танака Х., S. Cray, Van Voorhis D. C., Morrin T. H., Мead C., Conway L., Nosenchuck D. M., Littman M. C., Narayanan A.
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. 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 и разработка 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 повышения быстродействия и эффективности систем ввода-вывода и обработки данных.
В соответствии с поставленной целью основными задачами являются:
- разработка уницированных аппаратных и программных модулей управления для лазерных технологических устройств высокого разрешения;
- 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 контроллера и математического обеспечения для лазерных растровых систем высокого разрешения с использованием средств параллельного доступа к данным.
Научная новизна. Определены функциональные требования для унификации аппаратно-программных средств лазерных растровых систем вывода высокого разрешения, на основе которых предложена структура, включающая в себя адаптер синхронного канала данных, базовый системный модуль, модуль синхронизации, модуль буферной памяти с аппаратной реализацией методов 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 многоуровневой лазерной записи, 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:
-
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 и обеспечивающая существенное ускорение проектирования и создания лазерных систем записи и микрообработки для различных применений.
-
Структура унифицированного контроллера управления лазерными технологическими системами, реализующая метод вывода изображения на цилиндрическую поверхность с использованием страничного разбиения.
-
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.
-
Метод защиты изделий от несанкционированного копирования на основе технологии многоуровневой лазерной записи, повышающий информационную емкость наносимого изображения, 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 имиджсеттеры и др.
Буферное запоминающее устройство с произвольной выборкой двумерного фрагмента 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 с другими соавторами, В.А.Слуевым самостоятельно выполнены все работы по проектированию и созданию унифицированных аппаратно-программных средств для растровых фотопостроителей высокого разрешения, векторно-растровых систем микрообработки, 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 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.
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. 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, 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.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ХIХ Всесоюзной школе по автоматизации научных исследований (Новосибирск. 1985), 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.
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.
