автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.15, диссертация на тему:Разработка архитектуры систем управления лазерными устройствами вывода графической информации с использованием методов параллельного доступа к данным

На правах рукописи

•с

Слуев Владимир Александрович

РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ СИСТЕМ У ПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ВЫВОДА ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ДОСТУПА К ДАННЫМ

Специальность 05.13.15 "Вычислительные машины и системы"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о ДЕК 2009

Новосибирск - 2009

003488308

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН

кандидат технических наук Бсссмельцев Виктор Павлович

доктор технических наук профессор

Жмудь Вадим Аркадьевич

кандидат технических наук доцент ГОУ ВПО "СибГУТИ" Мамойленко Сергей Николаевич

Ведущая организация Учреждение Российской академии наук Конструкторско-технологический институт научного приборостроения Сибирского отделения Российской академии наук, г. Новосибирск.

Защита состоится 24 декабря 2009 г. В 13 часов на заседании Диссертационного совета Д 219.005.02 при ГОУ ВПО "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики" по адресу: 630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, д. 86, ком. 625.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "СибГУТИ". Автореферат разослан ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 219.005.02

кандидат технических наук

доцент

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Иван Иванович Резван

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

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 10000x10000 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 1x1 м.

Изучению различных аспектов проблемы ввода-вывода изображений высокого разрешения и точности посвящены труды Нестерлхина Ю.Е., Васькова С.Т., Киричука B.C., 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 Метлицкпй Е.Л., Каверзнев В.В., Моотока Т., Томита С., Танака X., S. Cray, Van Voorhis D. С., Morrin Т. H., Mead С., Conway L., Nosenchuck D. M., Littman M. C., Narayanan A.

Используемые системы хранения данных до сих пор имеют линейную одномерную структуру и не поддерживают па 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 п 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 целыо основными задачами являются:

- разработка уницировапных 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 параллельно» 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.

Па защиту выносятс!1:

I. 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.

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 изделии 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 актора. 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

б

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 "ТАЗ" (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 XIX Всесоюзной школе по автоматизации научных исследований (Новосибирск. 1985), на Школе-семинаре Социалистических стран "Вычислительная аэрогидро.механика" 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, заключения и приложения, изложенных на 154 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков, 5 таблиц, список литературы, включающий 72 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Во введении обосновывается актуальность тематики диссертации, формулируются цели и задачи исследования.

Глава 1. Особенности разработки модулей управления лазерными системами вывода изображении

В первой главе описываются особенности лазерных растровых систем

высокого разрешения и формата и векторных систем микрообработки. Определены основные технические требования и функциональные элементы таких систем, влияющие на качество и производительность, рассмотрен ряд систем управления лазерными устройствами ввода-вывода изображений.

Глава 2. Унификация управления лазерными растровыми системами высокого разрешения

Во второй главе рассмотрена архитектура аппаратно-программных модулей для создания лазерных растровых систем высокого разрешения большого формата, обеспечивающая снижение стоимости оборудования при сохранении качественных характеристик. Определены основные требования, предъявляемые к различным составным частям систем. Определен основной набор функций контроллера,

необходимый для управления лазерными растровыми устройствами. С учетом возможностей буферной памяти с двумерным доступом к данным предложена структура унифицированного управляющего устройства представленного на рис. 1.

Эта структура включает в себя: Адаптер - интерфейсный модуль, принимающий данные по шине РС 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. Базовый модуль связан с шиной персонального компьютера при помощи канала управления.

Рис. 1. Структура унифицированного управляющего устройства

Канал управления представляет собой стандартный последовательный интерфейс, подключаемый к порту персонального компьютера с одной стороны и к входам последовательного порта Базового модуля с другой. Этот канал служит для передачи команд управления контроллером, получения статусной информации о состоянии устройства. Канал данных предназначен для передачи битовой карты изображения в Модуль буферной памяти и представляет собой специально разработанный синхронный последовательный интерфейс (Адаптер) со скоростью

9

передачи более 30 мбит в секунду. Данные из компьютера передаются в контроллер строка за строкой. Чтение на вывод осуществляется по столбцам. Для повышения быстродействия в организации буферной памяти использован метод параллельной выборки данных. Данные строк и столбцов при заданной функции распределения всегда находятся в разных модулях памяти, что определяет возможность параллельной выборки.

В представленном наборе модулей на аппаратном уровне выполняется следующий ряд функций, улучшающих качественные характеристики выводимых изображений:

1. Геометрическая коррекция, позволяющая компенсировать геометрические искажения изображения, например, связанные со спиральным режимом вывода.

2. Режим микромасштабирования, реализованный в наборе модулей компенсирующий неточность изготовления оптико-механических узлов за счет введения функции коррекции в управляющий микропроцессор и оригинальных средств изменения масштаба в модуль синхронизации.

3. Функция удвоения разрешающей способности вывода для устройств с многолучевой схемой записи за счет реализации смещения записывающего оптико-механического узла на 'Л минимального расстояния между записывающими лучами.

4. С целью уменьшения муара введена функция переменного растра записи, что делает пространственную частоту муара переменкой и как следствие менее заметной.

Далее во второй главе рассматривается система управления для лазерных

технологических систем, для которых требуется наличие режима векторного

движения лазерного луча и также возможность вывода в растровом режиме. Для

унификации аппаратных средств управления лазерными системами с возможностью

реализации как векторного, так и растрового способа вывода информации в

настоящей главе предложен 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 и 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 микроконтроллера. В функции первого (управляющего)

микроконтроллера входит: обслуживание параллельного порта, либо

последовательного канала по обеспечению приема и буферизации потока данных,

ю

дешифрация и исполнение команд, обработка и исполнение запросов пульта управления, визуализация данных на дисплее, передача данных на выход для регистрации на носителе, а также управление приводами вспомогательных механизмов и движением по оси 2. В функции второго (исполнительного) микроконтроллера входит обеспечение быстрого движения лазерного луча по координатам X и К, и слежение за состоянием технологических датчиков. Обмен информацией между микроконтроллерами внутри контроллера осуществляется по последовательному синхронному каналу.

Рис. 2. Структура контроллера управления лазерными технологическими системами

При разработке системы команд управляющего контроллера, связанного с компьютером посредством параллельного принтерного интерфейса либо канала USB, осуществлена максимальная совместимость с известным стандартом языка ESC/P фирмы «Epson». Такая совместимость облегчает создание математического обеспечения, позволяет легко встраивать его в операционную систему компьютера. Использование системы команд широко известного производителя оборудования для вывода изображений позволяет с минимальными переделками использовать стандартные шаблоны драйверов принтеров при написании программного драйвера устройства. Для осуществления векторного движения в базовый состав команд были введены дополнительные команды. Функциональная схема контроллера приведена ка рис. 2. Одним из применений разработанной системы управления лазерными

н

технологическими системами, является система лазерной маркировки. Контроллер обеспечивает скорость маркировки, определяемую максимальным быстродействием сканеров (1 мс/микровектор) и 12-разрядное разрешение по обеим координатам.

Вывод файла рисунка па изделие может выполняться четырьмя различными перьями (цветами). При выводе линий пером номер О, 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 в соответствии с патентом [15]. Применение предложенного в диссертации способа маркировки существенно повышает защищенность изделия от несанкционированного копирования.

Глава 3. Буферизация данных в системах с двумерным доступом

Третья глава диссертации посвящена вопросу буферизации двумерных данных.

В ней описывается разработанное автором буферное запоминающее устройство с

произвольной выборкой двумерного фрагмента, которое может применяться в

различных системах ввода-вывода и обработки двумерных данных. Блок-схема

устройства представлена на рис. 3. Память исходного изображения емкостью МхИ

элементов, а также память блока запоминающих устройств данных емкостью ЬхР

элементов (М, И, Ь, и Р - степени числа 2) разбиваются на сегменты 4x4 элемента. В

МЫ Л Р

памяти исходного изображения содержится —х—, а в буферной памяти — х —

4 4 4 4

сегментов. Сегмент является единицей данных при загрузке данных в буферное

Ь Р

запоминающее устройство. Блок памяти адреса (БА) содержит — х — ячеек памяти

4 4

(по одной на каждый сегмент), в которых хранятся старшие разряды адресов сегментов. При генерации адреса фрагмента изображения размером 4x4 пикселя с произвольным адресом его элементы могут лежать в разных сегментах. В блоке БА осуществляется параллельный контроль достоверности данных, содержащихся в блоке памяти данных (БД) п четырех соседних сегментах. При отсутствии данных требуемый сегмент загружается из памяти исходного изображения, после чего возможна выборка по произвольному адресу. В зависимости от адреса возможна загрузка от одного до четырех сегментов. Их количество определяется функциями маскирования флагов сравнения старших разрядов полного адреса памяти и данных в КЛ.

В БД с помощью шестнадцати пар сумматоров, блока циклического сдвига данных, шестнадцати модулей памяти реализована произвольная выборка фрагмента 4x4 элемента вида

в».»«

«„♦2..-1

При линейной организации памяти, когда данные в памяти располагаются строка за строкой, адреса элементов, образующих квадратную матрицу (1), можно представить следующим образом: А(т + ¡,п + _/) = 1>(т + ¡) + (и + у), где г и у - целые числа, изменяющиеся в пределах -1 <¡<2, -1<у <2; Р -длила строки; от и я -координаты центрального элемента.

Рис. 3. Буферное запоминающее устройство с произвольной выборкой двумерного фрагмента

В предлагаемом буферном запоминающем устройстве элементы двумерного массива распределены по шестнадцати модулям памяти в соответствии с функцией распределения

т п

£г(от,Л) = 4Х = +=, (2)

п 4

где " = " символ, обозначающий операцию взятия остатка от деления; а(т,п)- номер

модуля памяти (О S а < 15).

Адреса элементов массива в модулях памяти определяются формулой

, Р т п ,,,

А(т,п)=-х — + -, (3)

4 4 4

где " - " - символ, обозначающий операцию взятия целой части деления. Таким образом, положение элемента массива в памяти определяется номером модуля памяти и адресом внутри модуля, вычисляемым по формулам (2) и (3). Для распределения элементов массива, определяемого формулой (2), элементы фрагмента (1) при любых ш и и, таких, что 0 <m<L и 0< п < Р, будут находиться в разных модулях памяти. Адресные функции для параллельного доступа к фрагменту, естественно, вытекают из (2) и (3) и имеют вид

, 1 , ' D 7Й-1 + — Л-1 + —

Д(т,„) = £х-± +-i

4 4 4

где А, номер модуля памяти, i - целое число, изменяющееся в пределах 0 < i < 15.

Пусть М xN - размерность массива данных, хранящегося в памяти исходного

изображения, LxP - размерность массива данных, хранящегося в БД буферного

запоминающего устройства. Разрядность шины полного адреса памяти двумерного

фрагмента (1) можно представить выражением

М , N. „ L , Р. АР = 0og: — + log,—) + (log,- + log,-) + 4 , (4)

LP 4 4

гдeAp - разрядность шины адреса. Выражение в первых круглых скобках представляет старшие разряды полного адреса памяти, во вторых - разряды адреса сегмента в БД, содержащего центральный элемент л„„, матрицы (1). Цифрой 4 обозначены разряды т0, mi,n0, nh адресующие элемент я,„„ внутри сегмента. Старшие разряды полного адреса памяти запоминаются в БА, длина слова которого равна М 1V

D = log, — + log, — + Т, где Т - добавочный разряд истинности данных. Разряд обнуляется перед началом сеанса работы буферного запоминающего устройства и

устанавливается в единицу при записи адреса сегмента в БА. в то время как сегмент загружается в БД. Емкость БА определяется емкостью БД, т. е. количеством

L Р

сегментов, содержащихся в БД, поэтому адресная шина БА содержит log,— + log,—

"4 "4

двоичных разрядов. Ввиду того, что в БД осуществляется выборка фрагмента с переходом через границы сегмента, в состав адресной шины БД входят также разряды m0, nij, п0, п/. Элементы фрагмента (1) могут находиться в одном, двух или четырех сегментах. С целью параллельной проверки на предмет наличия или отсутствия требуемых сегментов в БД, в БА организована двумерная выборка фрагмента 2x2 элемента вида

Wi 6MJ

B(i,j) =

/V, К

(5)

L Р

где U - индексы, определяющие адрес фрагмента, причем 0<z'<— ,0<j< —;

4 4

L Р

bij - центральный элемент фрагмента. Элементы массива размерностью —х — , распределены по четырем модулям памяти в соответствии с функцией распределения

^ ' J

а (i,j) = 2 х — + =, 2 2

(6)

где a'(i,j) — номер модуля 0 < а' < 3. Адреса элементов массива в модулях памяти определяются формулой A(i, j) = ~ х j + j .

Адресные функции для параллельного доступа к фрагменту имеют вид

В 2 2 8 2 2 (7)

- J % 2 2 8 2 2 где Л0, А), Л2, Л}, — номера модулей памяти блока БА. В модуле памяти А0 БА

хранятся старшие разряды сегментов, удовлетворяющие условию (1 = о^ = о)

модуле А1 — удовлетворяющие условию [1 = ]^ = ]) в модуле А-, —

и '2 /

удовлетворяющие условию [ 1 = о — = 1 I и модуле //, — удовлетворяющие условию

и '2 /

(I- -1 I. = о I • Так же, как и в памяти данных, использование функции (б) приводит к 12 '2 )

зависимости порядка расположения выходных данных модулей памяти Ла,Ли Л2 и А-л от адреса извлекаемых сегментов. Однако в отличие от схемы перестановки данных, используемой в БД, корректировке подвергается порядок следования флагов сравнения данных в модулях памяти и старших разрядов адресов сегментов, генерируемых соответствующими адресными сумматорами. Блок, реализующий функцию перестановки флагов сравнения, представляет собой двухкаскадный циклический сдвигатель. Первый каскад осуществляет циклический сдвиг внутри двух групп флагов сравнения (по два в каждой группе) и управляется разрядом п2 полного адреса памяти, второй каскад осуществляет циклический сдвиг самих групп флагов и управляется разрядом ш2 полного адреса памяти.

На рисунке 4а изображены девять сегментов, обозначенных цифрами 1...9, в которых могут располагаться элементы фрагмента (1), если элемент а,т находится в центральном сегменте 5. Из рисунка видно, что при т1=0 и /¡¡=0 элементы фрагмента (1) могут находиться в сегментах 1, 2, 4, 5; при Ш]=1, /[,=0 — в сегментах 4, 5, 7, 8; при Ш1=1, «1=1 — в сегментах 5, 6, 8, 9. Для выборки из БА данных о требуемых сегментах в адресные функции каждого модуля памяти введены разряды пц и щ. Адресные функции для модулей памяти БА принимают вид

Р г -1 + т у — 1-4- п

:—X-• + ----:

, .. Р ¡ + т /-1 + п 8 2 2

..... Р 1-1 +т ¡ + п

М1>А = — х-+ --:

л 8 2 2

..... Р 1 + т 1 + п 3 8 2 2

тцеАй,АиА2 иА3— номера модулей памяти.

00 01 10 II

00 01 10 И (11) 01 10

• « а . .5.

10 п 00 01 10 п 00 01 10 1! 00 01

10 о О с о о с> о о ь о с

11 о о О С1 о о £ о :> о

00 01 ° с О о с■ э2- С

10 о С' О • • • о о

11 о г. о • • • о

00 о о о о • • • • с. О О -

01 о с> • • • :. г;-

10 11 о ° о о4 О - о ;

00 "о г

01 0 Г'

I

б

Рис. 4. Сегменты двумерной матрицы данных

На рисунке 46 изображены четыре сегмента двумерной матрицы данных, обозначенные цифрами 1 - 4, в которых могут находиться элементы фрагмента (1) с учетом модифицированных адресных функций (7). Внутренний квадрат ограничивает местоположение центрального элемента ат„, внешний - границы фрагмента (1) при изменении положения ат„ в заданных пределах. В зависимости от положения центрального элемента атп требуется загрузка различного количества сегментов, что задается разрядами т0, /иь и0, «1. Для сегментов с номерами 1 - 4 определяются четыре логические функции П, Ю., РЗ и Г4. Единичное значение функции означает, что сегмент должен быть загружен.

= (/»„ уш,)л(п0 V/!,); ^2 = т0У/я,; Г2 = п0\/п1; ^4 = 1.

Далее в третьей главе проведен анализ систем организации памяти с параллельным доступом к элементам двумерного, а также многомерного массива данных. Рассмотрена модель памяти, предназначенная для хранения произвольного набора конечномерных массивов. При этом в предлагаемой модели возможно осуществление параллельного доступа к сечениям, выделяемым в массивах фиксацией одной из координат, и большому набору многомерных параллелепипедов, являющихся подмассивами исходных массивов. Предположим, что имеется N модулей памяти. Каждый такой модуль имеет адресную шину, шину данных и линию для передачи управляющего сигнала чтения/записи. Считаем, что емкость всех модулей одна и та же и равна К.

Рис. 5. Устройство памяти с параллельным доступом к данным

Пространством памяти назовем массив Р = A(N, К). Устройство доступа состоит из двух блоков представленных на рис. 5. Первый блок формирует адреса в соответствии с функцией распределения данных по модулям памяти a*[S], Все они вподятся одновременно, каждый в свой модуль. На выходе формируется сегмент с данными, расположение которых изменено использованием функции a*[S], Второй блок производит необходимую коррекцию полученных данных, производя их перестановку. Коррекция также должна выполняться параллельно. При записи, коррекция производится перед записью, а при чтении, после чтения. Здесь М,- — модули памяти, А — устройство вычисления адресов, С — корректор, DR — регистр данных. По шине Input вподятся адрес сегмента S и сигнал чтения/записи. По шинам 1,2,..., N поступают адреса o*[S](l),.., a*[S](N) элементов сегмента.

Глава 4. Реализация разработанных методов в управлении лазерными технологическими установками

В четвертой главе представлены четыре системы, в которых использованы результаты работ представленных в предыдущих главах. Вначале описывается лазерная растровая система высокого разрешения, и ее технические характеристики для модели с форматом 600x800мм2. Система создана с механизмом сканирования на основе внешнего барабана, обеспечивающего характеристики вывода, необходимые для получения большеформатных фотооригиналов, удовлетворяющих требованиям современного производственного процесса: формат 500x600 мм2, разрешающая способность до 5080 т/дюйм, точность построения изображения 15-20 мкм по всему полю, время вывода полного формата 6 минут. В соответствии со структурой аппаратных средств, рассмотренной во второй главе, в состав системы входят базовый блок с микроконтроллером, модуль буферной памяти, модуль синхронизации, адаптер синхронного каната, блок подготовки данных. Более чем пятилетний опыт работы устройств в типографиях и на участках печатных плат заказчиков показал высокую надежность подобных устройств. Далее представлена система лазерной маркировки встроенная в конвейерную линию фирмы «Clemens», установленная на ОАО "Барнаульский ликероводочный завод". Скорость маркировки изделий - до 6000 изделий в час, размер зоны маркировки - 15x15 мм, положение маркировки - па этикетке или на стекле по выбору заказчика, минимальная толщина линий рисунка - 25 мкм. скорость прорисовки линий /векторов - 1000/сек.

Применение предложенного способа маркировки (Патент № 2146200) существенно повышает защищенность изделия от несанкционированного копирования. Следующей описана 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 также как и в предыдущей системе реализованы средства для создания защитной лазерной маркировки с использованием многоуровнего режима лазерной записи. Далее представлено 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 и второй для управления движением исполнительных механизмов, обеспечивающих развертку лазерного луча в соответствии идеологией, описанной в главе 2 диссертации.

Заключение

В Заключении кратко сформулированы основные результаты работы.

Основные результаты работы

1. Рассмотрены системы управления растровыми лазерными устройствами вывода высокого разрешения и точности. Определены функциональные элементы растровых систем, технические требования к электронным блокам лазерных растровых систем высокого разрешения большого формата. Показано, что использование многопортовой памяти в контроллерах ввода-вывода изображений большого формата увеличивает производительность системы. Выделен набор функций контроллера управления растровыми лазерными устройствами вывода, определен список базовых команд.

2. Определена структура аппаратных средств управления лазерными

растровыми системами высокого разрешения большого формата, включающая в себя

блок подготовки данных, базовый системный модуль, модуль буферной памяти,

модуль синхронизации. Определена структура каждого модуля. В модуле буферной

памяти для повышения быстродействия использован метод параллельной выборки

данных. Показано: использование специальной функции распределения данных по

19

модулям памяти позволяет извлекать данные столбцов и строк параллельно, что увеличивает производительность. Рассмотрены основные режимы вывода изображений высокого разрешения большого формата. Показано, что несмотря на различия п управлении при растровой и векторной записи, можно создать универсальную структуру управления удовлетворяющую требованиям обоих режимов.

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 увеличить производительность систем обработки двумерных данных. Разработанное устройство буферной памяти с произвольной выборкой двумерного фрагмента позволило осуществить параллельный доступ к фрагменту двумерной матрицы данных размером 4x4, что увеличило производительность систем ввода-вывода и обработки двумерных данных. Применение предложенных специальных функций распределения элементов фрагмента по модулям памяти в Модуле буферной памяти структуры аппаратных средств управления лазерными растровыми системами высокого разрешения большого формата позволило осуществить параллельную выборку данных "строк" при чтении и "столбцов" при записи информации, что повысило скорость ввода-вывода изображений.

4. На основе предложенной структуры аппаратных средств при непосредственном участии автора созданы ряд систем управления лазерными растровыми устройствами высокого разрешения, устройствами лазерной маркировки, устройствами лазерной гравировки, а также процессор коррекции геометрических искажений изображений, в котором были использованы методы параллельного доступа к двумерным данным. Приведены технические характеристики разработанных устройств. Показано, что применение предложенного запатентованного способа маркировки существенно повышает защищенность изделия от несанкционированного копирования.

5. Предложен и реализован на аппаратно-программном уровне метод защиты изделий от несанкционированного копирования на основе технологии лазерной многоуровневой записи, повышающий информационную емкость маркировки.

Основные публикации но теме диссертации

1. Слуев, В.А. Контроллер-интерфейс на базе 16-разрядного микропроцессора, управляющий вводом-выводом изображений в ЭВМ / A.M. Остапенко, В.А. Слуев // Автометрия. 1983. № 4. С. 7-12.

2. Слуев, В.А. Двумерная КЭШ-память / В.А. Слуев // XIX Всесоюзная школа по автоматизации научных исследований: тез. докл. Новосибирск, 1985.

3. Слуев, В.А. Моделирующий комплекс для цифровой обработки дискретизированных изображений / К. Бенинг, B.C. Киричук, В.А. Слуев и др. // XIX Всесоюзная школа по автоматизации научных исследований: тез. докл. Новосибирск, 1985.

4. Слуев, В.А. Некоторые методы организации памяти параллельных компьютеров / Ф.А. Мурзин, В.А. Слуев // Препринт № 19-85. Институт теоретической и прикладной механики. Новосибирск, 1985.

5. Слуев, В.А. Структура процессора полиномиального преобразования координат / В.А. Слуев Н Вопросы оборонной техники. Научно-технический сборник. Серия 17. Выпуск 2 (14). М., 1987. С. 31-35.

6. Слуев, В.А. Организация памяти параллельных компьютеров, ориентированных на вычислительные методы механики и методы обработки изображений / Ф.А. Мурзин, В.А. Слуев // Школа-семинар Социалистических стран "Вычислительная аэрогидромеханика". Научный совет АН СССР по проблеме "Кибернетика". Самарканд, 1988. С. 313-316.

7. Слуев, В.А. Буферное запоминающее устройство с произвольной выборкой двумерного фрагмента / В.А. Слуев // Авторское свидетельство X» 1444784. Госкомитет СССР по делам открытий и изобретений. 1988.

8. Sluev, V.A. A Memory Organization for Parallel Computers / F.A. Murzin, V.A. Sluev // New Generation Computing, OHMSHA, LTD and Springer-Verlag. 1988. N6. С. 3-18.

9. Слуев, В.А. Конвейерное буферное запоминающее устройство для систем обработки изображений / В.А. Слуев // Авторское свидетельство № 1751769. Госкомитет СССР по делам открытий и изобретений. 1989.

10. Слуев, В.А. Система цифровой обработки изображений с двухшинпой архитектурой / B.C. Киричук, В.П. Косых, Ю.В. Обилии, В.А. Слуев, A.C. Хегай // Автометрия. 1989. № 2. С. 3-8.

11. Слусв, В.Л. Унификация аппаратных и программных средств для лазерных фотопостроителей высокого разрешения / В.П. Бессмельцев, А.В. Иоффе, К.К. Смирнов, В.Л. Слусв // Автометрия. 1996. №5. С. 85-96.

12. Слусв, В.А. Способ лазерной маркировки / В.П. Бессмельцев Г.Н. Алферов С.Г. Баев В.Л. Слусв // Патент № 2146200. 1997. Приоритет от 26.12.1997.

13.Sluev, V.A. Laser level-by-level synthesis of models from composite powder materials / S.G. Baev, V.P. Bessmeltsev, V.M. Krylov, and V.A. Sluev // Proceeding of the XVI International Conference on Coherent and Nonlinear Optics. 1998. C. 237.

14. Слуев, В.А. Применение лазерной маркировки для защиты ликероводочной продукции / Г.П. Алферов, С.Г. Баев, В.П. Бессмельцев, В.В Вилейко, В.М. Крылов,

A.В. Селиванов, В.А. Слуев, К.К. Смирнов // "Пиво и напитки". М.: Пищевая промышленность. 1999.

15. Слуев, В.А. Отечественный имиджсеттер для качественной цветной полиграфии / В.П. Бессмельцев, С.Г.Баев, Л.В.Выдрин, В.А. Слуев, К.К.Смирнов И Компыоарт. 2000. №7.

16. Слуев, В.А. Двухпроцессорный контроллер управления лазерными технологическими системами / В.П. Бессмельцев, В.А. Слуев // Международная конференции "Automation, Control, and Information Technology". Новосибирск, 2002. С. 34-36.

17. Слуев, В.А. Большеформатный лазерный фотоплоттер / В.П. Бессмельцев, С.Г. Баев, B.II. Вилейко, Л.В. Выдрин, В.А. Слуев, К.К. Смирнов // Геодезия и картография. 2002. № 6. С. 42.

18. Слуев, В.А. Лазерный фотоплоттер для изготовления высококачественных фотошаблонов / С.Г. Баев, В.П. Бессмельцев, В.А. Слусв // Электроника НТБ. 2002. №3. С. 60-63.

19. Слусв, В.А. Лазерный растровый фотопостроитель для изготовления фотошаблонов / Баев С.Г., Бессмельцев В.П., Вилейко В.В., Выдрин Л.В., Слуев В.А., Смирнов К.К. // Наука — производству. Новосибирск: Институт автоматики и электрометрии, 2003. № 2 (58). С. 2-3.

20. Слуев, В.А. Система управления устройствами лазерной маркировки /

B.А. Слуев, К.К. Смирнов //Автометрия. 2007. № 5. С. 117-125.

Подписано в печать 20.11.2009г. Формат бумаги 60x84 1\16

Объем 1,5 печ.л. Заказ №171 Тираж 100 экз.

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ГЛАВА 1.

ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ МОДУЛЕЙ УПРАВЛЕНИЯ.

ЛАЗЕРНЫМИ СИСТЕМАМИ ВЫВОДА ИЗОБРАЖЕНИЙ.

1.1. РАСТРОВЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ.

1.2. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РАСТРОВЫМИ УСТРОЙСТВАМИ.

ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ.

1.3. ВЕКТОРНЫЕ СИСТЕМЫ ЛАЗЕРНОЙ ЗАПИСИ И СИСТЕМЫ.

СО СМЕШАННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ.

1.4. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЛАЗЕРНЫХ РАСТРОВЫХ СИСТЕМ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ.

1.5. ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2.

УНИФИКАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНЫМИ РАСТРОВЫМИ СИСТЕМАМИ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ.

2.1. ОБЩАЯ СТРУКТУРА АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ.

2.2. СТРУКТУРА БАЗОВОГО СИСТЕМНОГО МОДУЛЯ.

2.3. СТРУКТУРА МОДУЛЯ БУФЕРНОЙ ПАМЯТИ.

2.4. СТРУКТУРА МОДУЛЯ СИНХРОНИЗАЦИИ.

2.5. СОВМЕСТНАЯ РАБОТА АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ.

2.6. ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ ВЫВОДА ИЗОБРАЖЕНИЙ.

2.7. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ.

ПРИ СТРАНИЧНОЙ ВЕКТОРНОЙ ЗАПИСИ ИЗОБРАЖЕНИЙ.

2.8. РАЗРАБОТКА КОНТРОЛЛЕРА УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНЫМИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ.

ВЕКТОРНОГО И РАСТРОВОГО ВЫВОДА.

2.9. ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3.

БУФЕРИЗАЦИЯ ДАННЫХ В СИСТЕМАХ С ДВУМЕРНЫМ ДОСТУПОМ.

3.1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ БУФЕРНОГО ЗАПОМИНАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА.

С ПРОИЗВОЛЬНОЙ ВЫБОРКОЙ ДВУМЕРНОГО ФРАГМЕНТА.

3.2. СОЗДАНИЕ КОНВЕЕРНОГО БУФЕРНОГО ЗАПОМИНАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА С ПРОИЗВОЛЬНОЙ ВЫБОРКОЙ ДВУМЕРНОГО ФРАГМЕНТА

3.3. ПРИМЕНЕНИЕ ДВУМЕРНОГО БУФЕРНОГО ЗАПОМИНАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА В ПРОЦЕССОРЕ КОРРЕКЦИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ИСКАЖЕНИЙ ПОЛУТОНОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ.

3.4. ОРГАНИЗАЦИЯ ПАМЯТИ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ДОСТУПОМ К ИНФОРМАЦИИ.ИЗ

3.5. ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ В УПРАВЛЕНИИ ЛАЗЕРНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ УСТАНОВКАМИ.

4.1. ЛАЗЕРНАЯ РАСТРОВАЯ СИСТЕМА ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ.

4.2. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВОМ ЛАЗЕРНОЙ ЗАЩИТНОЙ МАРКИРОВКИ.

4.3 СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВОМ ЛАЗЕРНОЙ МАРКИРОВКИ ИЗДЕЛИЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА.

4.4 СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНЫМ ГРАВИРОВАЛЬНЫМ УСТРОЙСТВОМ.

4.5. СПОСОБ ЗАЩИТНОЙ МАРКИРОВКИ.

4.6. ВЫВОДЫ.

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 10000x10000 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 1x1 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, 1985г.), 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 4x4 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

1. Алферов Т.Н., Баев С.Г., Бесемельцев В.П., Вилейко В .В., Крылов В.М., Селиванов А.В., Слуев В.А., Смирнов К.К. Применение лазерной маркировки для защиты ликероводочной продукции // Пиво и напитки. 1999. - № 2. - С. 59-51.

2. Баев С.Г., Бесемельцев В.П., Выдрин Л.В., Жилевский А.И., Максимов И.Г. Прецизионный лазерный термографический генератор изображений // Автометрия.-1991.- №5.- С.3-8.

3. Баев С.Г., Бесемельцев В.П., Слуев В.А. Высокопроизводительный лазерный фотоплоттер для изготовления фотошаблонов печатных плат // Электроника НТБ. 2002. - №3. - С. 60-63.

4. Бенинг Н.К., Знак В.И., Слуев В.А. и др. Разработка моделирующего комплекса для цифровой обработки сигналов с датчиков изображений: Отчет о НИР / ИАиЭ СО РАН. Новосибирск, 1984. - № ГР 81083903; Инв. № 47.

5. Бесемельцев В.П., Баев С.Г., Слуев В.А. и др. Создание макетного образца и сопровождение разработки и внедрения лазерного генератора изображений: отчет о НИР / Ин-т автоматики и электрометрии СО РАН. -Новосибирск 1991.

6. Бесемельцев В.П., Гриценко Д.А., Жилевский А.И. Универсальное лазерное устройство вывода изображений в стандарте КАМАК // Тезисы Всесоюзной конференции «Обработка изображений и дистанционные исследовании». Новосибирск, 1984. - С. 44-45.

7. Бесемельцев В.П., Дягтерев И.С., Корокевич В.П., Костерин В.Д., Мурзин Г.И., Ткачук Ю.Н. Лазерное устройство вывода информации из ЭВМ в виде типографских форм // Автометрия. 1982. - №2. - С.3-7.

8. Бесемельцев В.П., Иоффе А.В., Смирнов К.К., Слуев В.А. Унификация аппаратных и программных средств для лазерных фотопостроителей высокого разрешения // Автометрия. 1996. - №5. - С. 85-96.

9. Бесемельцев В.П., Голошевский Н.В. Система управления составными двухкоординатными сканаторами // Автометрия. 2007. - Т. 43. - №1. - С. 116.

10. Бесемельцев В.П., Баев С.Г., Выдрин Л.В., Слуев В.А., Смирнов К.К. Отечественный имиджсеттер для качественной цветной полиграфии // Компъюарт. -2000.-№7.-С. 43-47.

11. Бессмельцев В.П., Баев С.Г., Вилейко В.В., Выдрин Л.В., Слуев В.А., Смирнов К.К., Иващенко С.В., Каленицкий А.И. Большеформатный лазерный фотоплоггер // Геодезия и картография. 2002. - № 6. - С.42- 44.

12. Бессмельцев В.П., Баев С.Г., Вилейко В.В., Выдрин JI.B., Слуев В.А., Смирнов К.К. Лазерный растровый фотопостроитель для изготовления фотошаблонов // Наука производству. - 2003. - № 2. - С. 2-3.

13. Васьков С.Т., JI.B. Выдрин, А.Н. Касперович, Ю.Е. Нестерихин, A.M. Остапенко, И.М. Сахаров. Прецизионная система ввода-вывода изображений для ЭВМ // Автометрия. 1977. - №2. - С.86-93.

14. Гиммельфарб Г.П. Автоматизированная межотраслевая обработка снимков земной поверхности, получаемых в ИСЗ серии LANDSAT // Зарубежная радиоэлектроника. 1983. - № 8. - С.56-84.

15. Грузман И.С., B.C. Киричук и др. Цифровая обработка изображений в информационных системах: Учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. -С.130-165.

16. Кенио Т. Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления. М.: Энергоиздат, 1987. - С101-135.

17. Киричук B.C., Косых В.П., Обидин Ю.В., Слуев В.А., Хегай А.С. Система цифровой обработки изображений с двухшинной архитектурой // Автометрия. 1989. - № 2. - С. 3-8.

18. Кравцов А.А., Леонов A.M. Перспективы массового применения лазерной маркировки // Proceedings of the Fifth International Conference «Beamtechnologies & Laser application». Saint-Petersburg: Publishing house SPbSPU. 2006. -P. 132.

19. Киппхан Г. Энциклопедия по печатным средствам информации. Технологии и способы производства. Московский государственный институт печати. 2003.

20. Метлицкий Е.А., Каверзнев В.В. Системы параллельной памяти / Под ред. В.И. Тимохина. JL: Изд-во Ленинград, ун-та, 1989. - 239 с.

21. Мурзин Ф.А., Слуев В.А. Некоторые методы организации памяти параллельных компьютеров: Препринт №19-85. Институт теоретической и прикладной механики СО РАН. Новосибирск. 1985.

22. Остапенко A.M., Слуев В.А. Разработка интерфейса фирмы "Оптроникс" С4500 для советских ЭВМ типа СМ-4: отчет о НИР/ Институт автоматики и электрометрии СО РАН; Новосибирск, 1982. - Инв. № 449.

23. Остапенко A.M., Слуев В.А. Контроллер-интерфейс на базе 16-разрядного микропроцессора, управляющий вводом-выводом изображений в ЭВМ //Автометрия. 1983. - №4. - С.7-12.

24. Остапенко А.М.,Талныкин Э.А., Яковенко Н.С. ФОТ диалоговая система обработки данных//Автометрия. - 1976. - №1. - С.72-79.

25. Пескова С.А., Гуров А.И., Кузин А.В. Центральные и периферийные устройства электронных вычислительных средств. М. : Радио и связь, 1999.

26. Патент 2146200 РФ. Способ лазерной маркировки / Бессмельцев В.П., Алферов Г.Н., Баев С.Г., Слуев В.А. Опубл. 10.03.2001, Бюл.№ 7.

27. Патент 5608429 США, В 32 В031/00. Опубл. 4.03.1997.

28. Патент 3657085 США, В 01 G001/01. Опубл. 18.03.1972.

29. Патент 5474627 США, В 32 В031/00. Опубл. 12.12.1997.

30. Патент 5603796 США, В 32В031-00. Опубл. 18.02.1997.

31. Престон К. и др. Основы клеточной логики с приложениями к обработке изображений в медицине // Труды ИИЭР. 1979. - Т.67. - № 5.

32. ПредкоМ. Руководство по микроконтроллерам. М.: Постмаркет, 2001.

33. Самарин Ю.Н. Проектирование и расчет лазерных выводных устройств.- М.: Наука, 2004.- 142 с.

34. Слуев В.А. Двумерная КЭШ-память: Материалы XIX Всесоюзной школы по автоматизации научных исследований. Новосибирск, 1985.

35. Слуев В.А. Структура процессора полиномиального преобразования координат // Вопросы оборонной техники. Сер. 17. 1987. - Вып. 2(14). - С.31-35.

36. Слуев В.А. Буферное запоминающее устройство с произвольной выборкой двумерного фрагмента// А. с. 1444784. 1988.

37. Слуев В.А. Конвейерное буферное запоминающее устройство для систем обработки изображений//А.с. 1751769. 1989.

38. Слуев В.А., Смирнов К.К. Система управления устройствами лазерной маркировки // Автометрия. 2007. - №5. - С. 117-125.42. 3D лазерные информационные технологии / Под ред. П.Е. Твердохлеба .- Новосибирск, 2003.

39. Фоли Дж., А. Вэн Дэм. Основы интерактивной машинной графики. -Москва: Мир, 1985.

40. Узилевский В.А. Передача, обработка и воспроизведение цветных изображений. Москва "Радио и связь", 1981.-214 с.

41. Урбах Д. К., Фишли Т.Ш., Старкукэдер Г.К. Лазерные сканеры для электронных печатающих устройств // Труды ИИЭР. 1982. - Т. 70. - № 6. - С. 84113.

42. Хорошевский В.Г. Архитектура вычислительных систем. Изд. 2-е, переработ, и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2008. - 519 с.

43. Средства ввода в ЭВМ и отображения графической информации: Сб. науч. трудов Института автоматики и электрометрии СО РАН. Новосибирск, 1974.

44. Baev S.G., Bessmeltsev V.P., Krylov V.M., Sluev V.A. Laser level-by-level synthesis of models from composite powder materials // Proseeding of XVI International Conference on Coherent and Nonlinear Optics. 1998. - P. 237.

45. Bessmeltsev V.P., Sluev V.A. Dual-processor controller for laser technological systems // Proceedings of the LASTED International Conference. «Automation, Control, and Information Technolog». Anaheim Calgary -Zurich: ACTA Press, 2002. - P.34.

46. Bessmeltsev V.P., Baev S. G. Laser thermographic technologies for hard copy recording//Pros. SPIE. Vol. 2413. - P.304-316.

47. Cambridge Technology, Inc., Series 678XX, Single Axis Level Mirror Positioning System, Instruction Manual, Rev. 2, March 12. 2001.

48. ColorSetter XL 4000: Проспект фирмы " Optronics" США.

49. Der technologische Stand der Leiterplattenindustrie 1995 im deutschsprachigen Raum. Teil 1//Galvanotechnik. 1995. - Vol. 88. - № 9. - C.3037-3041.

50. EPSON ESC/P Reference Manual Dec. 1997. Nagano: Seiko Epson Corp.,1997.

51. Fink P. Postscript screening: adobe accurate screens // Adobe Press Mountain View. California, 1992.

52. Gajski D., Kuck D., Lawrie D. and Sameh A. Cedar a Large Scale Multiprocessor // Rept. of C. S., Univ. of Illinois at Urbana Champain, 1983.

53. Gelbart D. Hight pover multi-channel writing heads // Pros, of IS&T Tenth Congress on Advances in Non-Impact Printing Technologies. 1994 - P. 337.

54. Kipphan H. Digital Multicolor Printing state of the art and future challenges. // Pros. SPIE . -Vol. 2413. P.7-31.

55. Kitsuregawa M., Tanaka H. and Moto-oka T. Application of Hash to Data Base Machine and Its Architecture // New Generation Computing. 1983. - Vol. 1. - №. l.-P. 63-74.

56. Kitsuregawa M., Tanaka H. and Moto-oka T. Grace : Relational Algebra Machine Based on Hash and Soft-Its Design Concepts // Journal of Information Processing. 1983. - Vol. 6. - № 3. - P. 148-155.

57. Kitsuregawa, M. et al. Relational Algebra Machine Based on Hash and Soft // IECEJ Technical Group Meeting EC81-35. 1981.

58. Murzin F.A., Sluev V.A. A Memory Organization for Parallel Computers // New Generation Computing. 1988. - № 6.

59. Mead, C. and Conway, L. Introduction to VLSI Systems // Addison-Wesley series on Computer Science, 1980.

60. Maslov V. P. Mathematical Aspects of Intergral Optics: Preprint. Moscow: MIEM, 1983.

61. Nosenchuck D. M., Littman M. C. and Narayanan, A. Architectural Overview of the Navier-Stokes Computer // Rept. of C. S., Princeton Univ. 1984. -18 August.

62. Simpson W. et al. Texas Instruments Inc. 9900 Family Systems Design and Data Book. Houston, 1979 .

63. Van Voorhis D. C., Morrin Т. H. Memory Systems for Image Processing // Working Paper 16 / A45, IBM Systems Communication Division, Los Catos, CA, August, 1975.

64. Van Voorhis D. C., Morrin Т. H. United States Patent № 3, 995, 253, November 30, 1976.

65. Van Voorhis D. C., Morrin Т. H, United States Patent № 3, 996, 559, December 7, 1976.

66. Van Voorhis D. C., Morrin Т. H, United States Patent № 3, 938, 102, February 10, 1976.

67. Van Voorhis, D. C., Morrin, Т. H. Memory Systems for Image Processing // IEEE Trans, on Computer. 1978. - N. 2. - C-27. - P. 113-125.

68. Cray Research, Inc., Cray-1 Computer System Hardware Reference Manual, Publ. N2240004, Bloomington, Minnesota, 1979.