（计算机系统结构专业论文）航片扫描仪上层软件系统设计与几何畸变校正的研究.pdf

摘要 航片扫描仪是一种高精度的图像扫描输入设备，主要用于全数字摄影测量、 遥感、地理信息系统等需要高精度航片数字化影像的领域，是测绘部门必备的图 像扫描输入设备。在现阶段，研制高质量的航片扫描仪有着重要的意义，而与其 配套的上层软件系统为用户操作扫描仪提供了界面和接口，在扫描仪研制中占有 重要地位。本文的目的就是研究开发一套可靠、实用和性能卓越的航片扫描仪上 层软件系统。 论文首先简要介绍航片扫描仪的结构和工作原理以及上层软件系统设计的原 则，接着给出了基于t w a i n 标准的上层软件系统设计方案。然后，详细论述上 层软件系统的具体实现，包括t w a i n 标准的实现、用户界面的实现和帮助文档 的实现。最后，针对课题要求，分析航片扫描仪c c d 镜头畸变原理，研究几何 畸变校正的方法。 关键词：航片扫描仪t w a i n 标准上层软件系统几何畸变校正亚像素定位 a b s 仃a c t a sat y p eo fp i c t u r e - s c a n n i n gi n p u te q u i p m e n t ，p h o t o g r a m m e t r i cs c a l l n e ri s m a i n l yu s e di nt h ef i e l d si nw h i c hn e e dh i 曲p r e c i s ep h o t o g r a m m e t r i cd i g i t a lv i d e o ， s u c ha st o t a l d i g i t a lp h o t o g r a p hm e a s u r e m e n t ，r e m o t es e n s i n g ，g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e ma n ds oo n ，i ti san e c e s s a r yp i c t u r e s c a n n i n gi n p u td e v i c ef o rt h e m a p p i n gd e p a r t m e n t i ti so fs i g n i f i c a n c et o r e s e a r c ha n dd e v e l o pah i g hp r e c i s e p h o t o g r a m m e t r i cs c a n n e rn o w a d a y s t h et o pl a y e rs o f t w a r es y s t e mp r o v i d e s a l l i n t e r f a c ef o rt h eu s e rt oc o n t r o la n do p e r a t et h es c a n n e ra n dp l a y sa i li m p o r t a n tr o l ei n m a n u f a c t u r i n gs c a n n e r t h ep u r p o s eo f t h i sp a p e ri st or e s e a r c ha n dd e v e l o pat o pl a y e r s o t t w a r es y s t e mt h a ti sr e l i a b l e ，a p p l i e da n dh a se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fp h o t o g r a m m e t r i cs c a n n e ra n dt h e d e s i g np r i n c i p l eo ft h et o pl a y e rs o f t w a r es y s t e ma r ef i r s tb r i e f l yi n t r o d u c e d ，a n dt h e n t h ed e s i g ns o l u t i o nb a s e do nt w a i ni sd e s c r i b e d f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e rd e p i c t st h e s o l u t i o n si m p l e m e n t a t i o ni n c l u d i n gt w a i ns t a n d a r d ，u s e ri n t e r f a c ea n dh e l ps y s t e m f i n a l l ya c c o r d i n gt o t h er e q u e s to ft h e p r o j e c t ，t h ec c dl e n s a b e r r a n c eo f p h o t o g r a m m e t r i cs c a l l n e ri sa n a l y z e da n dt h e m e t h o do ft h eg e o m e t r i cd i s t o r t i o n f e e t i f i c a t i o ni sr e s e a r c h e d k e y w o r d ：p h o t o g r a m m e t r i cs c a n n e r , t w a i ns t a n d a r d ，t o pl a y e rs o f t w a r es y s t e m ， g e o m e t r i cd i s t o r t i o nr e c t i f i c a t i o n ，s u b p i x e ll o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g y 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：煎煎塾 日期刎；多 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名：蔫确粗日期蒯3 导师签名： 望童：赵。日期趁啦墨：2 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着航空航天技术的发展、遥感技术的不断成熟，测绘在城市建设、地质研 究和军事领域发挥着越来越重要的作用。测绘是国民经济和社会发展的一项前期 性、基础性事业，它以计算机技术、光电技术、网络通讯技术、空间科学、信息 科学为基础，以全球定位系统( g p s ) 、遥感( r s ) 、地理信息系统( g i s ) 为技术 核心，致力于获取、处理、管理和分发地球上各种与地理位置有关的自然、社会 和人文地理空间信息，为国民经济建设和社会发展服务。随着我国经济发展和社 会建设的深入展开，“数字中国 、“数字省区 、“数字城市”和“电子政府 等信 息化建设工程启动，西部大开发、可持续发展、城镇化战略将加速实施，这些都 对测绘高新技术提出了新的要求。建立高质量的信息影像数据库是信息化建设的 基础和关键。 航片是进行测绘活动的基础信息源，也是国土资源调查、生态环境保护、城 市规划建设、抗洪救灾以及军事等领域所需要的重要资料。建立航片影像数据库 就是将以胶片形式保存的航空影像，通过高精度影像扫描仪扫描，以数字的形式 保存起来，并对外提供，从而大大提高了航片资料保管的安全性，并适应广大用 户对数字化航空影像资料的需求。 扫描仪是将光信号转换为数字电信号的设备，是将图片、照片、胶片等各类 图纸及文稿资料输入计算机的重要设备。根据光电转换器件的不同，扫描仪可以 分为c c d 扫描仪、c i s 扫描仪和光电倍增管扫描仪三类。不同用途的扫描仪，与 其相匹配的扫描仪软件也不尽相同，扫描仪的性能以及配套软件的功能对图像信 息的提取起着至关重要的作用。因此对于专用航片扫描仪，有必要开发针对性较 强的航片扫描仪上层控制软件，以保证图像数据提取的准确性和真实性。 在图像扫描过程中，由于扫描仪的机械运动误差、图纸的摆放位置、c c d 镜 头成像误差以及人员操作等因素影响，使扫描得到的地形图和遥感图像产生形变， 这些形变严重影响了数字图像的使用，必须加以纠正。另外，扫描获得的图像数 据还存在噪声和色彩失真现象，必须加以校正，以得到清晰准确的图像。所以， 对获得的图像数据要用软件进行一些后续处理如图像的色彩增强等。为了确保图 像数据录入的准确性，针对航片扫描仪航片扫描过程中c c d 镜头产生的几何畸 变误差，我们开发了专业的航片扫描仪上层控制软件对图像进行有针对性的处理。 2 航片扫描仪上层软件系统设计与几何畸变校正的研究 1 2 课题要求与内容 随着测绘产品的数字化，要求测绘仪器向数字化产品升级换代，目前军队测 绘部队正在装备全数字化摄影测量系统，这就需要与之配套的航片影像扫描仪。 在2 0 0 5 年以前，国内尚无单位生产航片扫描仪，测绘部门使用的航片扫描仪 主要有奥地利v e x e di m a g i n g 公司生产的u l t r a s c a n 5 0 0 0 ，美国l hs y s t e m s 公司的 d s w 5 0 0 及乌克兰的单像片扫描仪。由于种种原因，这些航片扫描仪无法满足我 测绘部队需求，为此，受总参测绘局委托，我校与解放军一零零一工厂合作研制 生产y t c s 3 彩色航片扫描仪，以满足测绘部队的急需。y t c s 3 彩色影像扫描 仪是一台专业型、高精度、航空胶片影像数字化设备，是一种集光、机、电、算 于一体的标准影像数字化输入系统。主要用于全数字摄影测量、遥感、地理信息 系统( g i s ) 等需要高精度数字影像转换的领域，适用于各种负片和正片的投射 扫描及各种影像的反射扫描。 y t c s 3 彩色航片扫描仪的主要技术指标如下： ( 1 ) 传感器形式：彩色三线阵c c d ，有效像元：3 2 9 2 8 0 ； ( 2 ) 走片方式：单片，手动自动连续走片； ( 3 ) 运动方式：平台固定、扫描头移动、一次扫描。 ( 4 ) 光源：高亮度冷阴极光源； ( 5 ) 原稿类型：彩色黑白、反射透射、正片负片； ( 6 ) 航片扫描幅宽：2 4 0 2 4 0 m m ，最大扫描幅宽：3 1 0 4 2 0 m m ； ( 7 ) 光学分辨率：2 4 0 0 4 8 0 0 d p i ； ( 8 ) 像元尺寸：l o x 5 p m ： ( 9 ) 彩色扫描方式：r 、g 、b 同步一次扫描； ( 1 0 ) 输出图像位数：4 8 2 4 位彩色、1 6 8 位灰度、1 位黑白； ( 1 1 ) 位置分辨率：0 1 哪； ( 1 2 ) 几何精度：m x 、m 。! 芦2l a m ( 2 5 点中误差) ； ( 1 3 ) 输出影像格式t w f 、j p e g 等标准图像格式； ( 1 4 ) 影像增强方式：亮度对比度、高光阴影、g a m m a 校正、正态分布、 对数变换、直方图均衡； ( 1 5 ) 接口方式：高速u s b 2 0 ，i e e e l 3 9 4 ； ( 1 6 ) 系统支持：w i n d o w s 9 x 2 0 0 0 x p ； 本文针对y t c s 一3 彩色航片扫描仪的技术要求，开发与其配套的上层控制软 件系统，并对镜头畸变误差的获取和校正方法进行研究，主要包括以下几个方面 的内容： 第一章绪论 ( 一) t 、a i n 标准的实现 t w a i n 标准是图像获取与处理应用软件中的国际标准。为使扫描仪能和更多 的应用程序直接相连，要将扫描仪上层控制软件设计成符合t w a i n 标准的数据 源。这样，现有的许多符合t w a i n 标准的图像处理软件( 如p h o t o s h o p ，a c d s e e 等) 都可以直接从该扫描仪获取图像数据，可以进一步提高扩大扫描仪的应用场 合。 ( 二) 图像预处理算法的实现 为提高数字图像的质量，使扫描仪能够扫描各种各样不同质量的媒介，在扫 描仪上层软件中必须提供常用的图像预处理算法，主要包括：对图像亮度、对比 度、高光与阴影调整，以及g a m m a 校正。 其中亮度确定图像层次的光亮强度，亮度越高，画面看起来越亮，颜色也就 越饱和，图像越鲜艳；亮度越低，画面看起来越暗，颜色也就越不饱和，图像失 去光泽，对像素的亮度调整是最简单的校正参数操作。 对比度是指图像亮调区域和暗调区域之间的反差比例，即亮度的最大值与最 小值之比。图像亮度调整不能改变整个像素值范围的分布，只是将像素值范围进 行了平移，像素仍然集中在一段范围之内。图像对比度调整则是改变像素分布层 次。 高光与阴影校正用来调整图像的阴影区与高光区，其目的是，通过重新定义 图像灰度的最大值和最小值，显示出图像的更多细节，尤其适合图像数据仅仅局 限于很小的灰度或彩色范围的情况。通过将高光点设为新的最大灰度值，将阴影 点设为新的最小灰度值，这样，比新的高光点灰度值还要大的像素取为最大灰度 值，比新的阴影点灰度值还要小的像素取为最小灰度值。 因为目前几乎所有的c r t 显示设备、数码相机、扫描仪等光电转换特性都是 非线性的，即输出与输入的函数关系的图像是曲线( g a m m a 曲线) ，为了补偿物 理器件的非线性特性，就要对输出图像进行g a m m a 校正。 ( 三) 数据源用户界面 t w a i n 标准中可以通过用户界面来控制扫描仪，也可以直接控制扫描仪，为 了用户使用的方便，便于控制，本文采用用户界面来控制扫描仪。用户通过操作 界面可以设置扫描分辨率、图像的类型、扫描区域位置、大小、扫描方式、图像 色彩校正等。界面的设计要以方便用户使用扫描仪工作为出发点，扫描仪参数的 设置采用交互的方式。例如，尽可能多的采用可视化的方式为用户提供必要的信 息，当用户改变扫描参数的设定时，同时可以通过预览图像查看扫描参数改变后 的效果。除此之外，使用下拉式列表框来简化用户的输入，例如：即时显示扫描 仪的当前工作状态、当前扫描图像的大小以及用下拉列表框方式让用户选择要扫 图像的有关属性( 如：大小、类型、分辨率等) 。 4 航片扫描仪上层软件系统设计与几何畸变校正的研究 ( 四) 图像几何畸变校正的研究 由于航片扫描仪成像系统中的c c d 镜头不是精确的按照理想化的小孔成像 的原理工作，因此在图像扫描过程中存在着透镜几何畸变，又由于航片扫描仪采 用的是线阵扫描方式，因此这种透镜畸变造成扫描图像存在线性畸变误差。可以 通过改良硬件的方法来消减这种误差，但实现较为困难且成本高昂。本文从分析 航片扫描仪c c d 镜头畸变误差的原理入手，从几何畸变的表现形式上寻找用软 件实现畸变误差的获取和校正的方法。 1 3 论文的组织结构 第一章首先介绍在当前应用背景下建立高质量的信息影像数据库的必要性， 然后论述上层软件系统设计在航片扫描仪系统中的重要作用，最后针对论文所承 担的任务阐述作者在课题中所做的工作和论文的组织结构。 第二章首先对航片扫描仪系统的组成和工作原理进行简要介绍，然后简要介 绍扫描仪上层软件系统。 第三章首先给出上层软件系统的设计方案，确定将上层软件设计成符合 t w a i n 标准的数据源。然后论述上层软件要完成的任务：t w a i n 标准的实现、 友好的用户界面以及联机帮助文档的设计。最后给出上层软件的整体结构设计以 及各子模块的设计。 第四章按照第三章中的上层软件系统设计方案，具体阐述上层软件系统的实 现，包括t w a i n 标准的实现、数据源用户界面的实现、用户界面各子模块的实 现、帮助文档的实现以及图像增强算法的实现等。 第五章首先简单介绍影响扫描仪几何精度的误差，紧接着分别给出面阵成像 方式下和航片扫描仪的线阵成像方式下的c c d 镜头畸变的表现形式，然后从航 片扫描仪c c d 镜头畸变的表现形式入手，对镜头畸变的误差获取和校正方法进 行研究。 第六章对全文工作进行总结，指出了有待进一步完善的工作。 第二章扫描仪系统 第二章扫描仪系统 扫描仪是1 9 世纪8 0 年代中期才出现的光机电一体化产品，它由扫描头、控 制电路和机械部件组成。采取逐行扫描方式对被扫描的图像、文本等进行数字化， 将得到的数字信号以点阵形式按标准数字图像格式保存及传输。 从诞生到现在扫描仪产品种类纷繁复杂，应用日渐普及，多功能的扫描仪不 断涌现。例如具备透扫功能的扫描仪可以扫描底片、具备3 d 全景扫描功能的扫 描仪可以进行3 d 效果扫描等等。随着功能的增强及应用的普及，扫描仪已成为 越来越多领域必备的关键设备。目前应用扫描仪最多的领域是办公自动化、出版、 广告、印刷等行业，另外，如专用的卡片扫描仪、c t 扫描仪、航片扫描仪等也 在某些特殊行业有着巨大的发展前景。 2 1 航片扫描仪背景介绍 全数字摄影测量技术现已在国内外测绘生产单位广泛应用，航片扫描仪作为 一种高精度的图像扫描输入设备，已成为生产航片数字图像的关键设备，广泛应 用于全数字摄影测量、遥感、地理信息系统等需要高精度航片数字影像的领域。 在数字摄影测量工作中，获得数字化影像的方法：一是直接用数字化摄影设 备( 如高分辨率高精度的数码相机或摄影机) 直接获得测绘区域的数字化影像； 另一种方法则是先通过遥感、航拍方式获取测绘区域的航拍胶片，再利用高精度 的扫描仪对航拍胶片进行扫描数字化。由于技术及历史( 已有大量航拍胶片) 等 原因，航拍胶片的扫描数字化目前仍是我国数字摄影测量最基本的数字化手段。 地理信息系统的特殊性对航片数字化的色彩及几何精度提出了很高的要求，通用 的扫描仪已很难满足。针对航片数字化的高精度要求而专门研制生产的专业扫描 仪称为航片扫描仪，作为生产航片数字图像的关键设备，航片扫描仪已在国内外 测绘生产单位广泛应用。 2 2 航片扫描仪的结构及工作原理 扫描仪主要是由光学成像部分、机械传动部分和转换电路部分组成，其中光 学成像部分是扫描仪的核心组件，由光路、光学镜头和光电转换等部件构成。扫 描仪工作时，首先将光源照射在待扫描输入的图稿上，图稿的反射光通过光路传 导后经镜头成像在c c d 光电耦合器件上，光电转换器件将光信号转换为电信号， 然后经由信号调理及a d 转换产生图稿的数字化数据，数字化的图像数据通过接 航h 自# 仪t 层软件系统设“5 n 何畸变棱的研究 上传计算机。在控制电路的控制下，机械传动机构使光学系统和c c d 光电耦 器件与图稿进行相对运动，将图稿全部扫描一遍，这样一幅完整的数字图像就 入到训算机中去了。 航片扫描仪m 堤一种专业的影像扫描输八设备，主要用于整卷的遥感航拍胶 的扫描数字化输入。航片扫描仪主要由两大部分构成：是图像的扫描输入部 ，该部分与普通扫描仪的构成及工作原理基本娄似，只1 i 过其扫描的色彩精度 几何精度比普通扫描仪要求高的多：另一部分是航h 扫描仪所独有的扫描台面 分，该部分主要用于整卷航片的自动卷片控制。如图21 所示为航片扫描仪的 形结构。 图2 i 航片扫捕仪的外形结构 与数码相机娄似，在航片扫描仪巾，也使用c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ， 荷耦台器件) 做图像传感器。但不同的是，数码相机使用的是二维1 面传感器， 航片扫描仪的c c d 是线性c c d ，即一维图像传感器。扫描仪对图像画面进行 描时，线性c c d 将扫描图像分割成线状，每条线的宽度约为1 0 p m 。光源将光 照射到待扫描的图像原稿上，产生反别光( 反剿稿) 或透荆光( 扫描透射稿) ， 后经反光镜组反射到线性c c d 感光面上。感光像点( 光电_ 二极管) 根据反射 线强弱的不同转换成不同大小的电流，经a d 转换，将电信号转换成数宁信号 产牛一行图像数据。l 司时，机械传动机构在控制电路的控制下，步进电机旋转 动驱动皮带，驱动光学系统和c c d 扫描装置在传动导轨上与待扫描稿件作相 平行移动，将待扫描图像原稿运行扫入，最终完成全部原稿图像的扫描。其挚 流程如图22 所示。 第二章扫描仪系统 芋 光线光情号电信号数字情弩 i 铀描髭瓣b 一扫捅激稿卜c c d 转换卜一叫a i d 转换 _ 叫m h 控勰电路卜叫输粥圈缘l _ - _ _ - _ - 一，o _ _ - _ _ - - _ _ - ，- - _ _ - - 一o _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ l o t _ _ - - _ _ _ - _ - - _ - - _ _ l - p _ - - 一- _ _ - _ - - _ - _ _ 一 图2 2 基本扫描流程示意图 2 3 扫描仪软件系统 扫描仪硬件系统设计好以后，还必须有一套完善的软件系统配合，它才能正 常可靠的工作。扫描仪系统软件可以分为两大部分，位于扫描仪底层的控制软件 和位于计算机上的上层应用软件。扫描仪系统结构如图2 3 所示。上层应用软件 可以是直接通过硬件接口控制扫描仪的应用程序，也可以是符合t w a i n 标准、 通过t w a i n 接口操作扫描仪的应用软件。底层控制软件运行于扫描仪主控板中 的c p u ，用来完成扫描、数据的采集上传以及机械传动定位等控制。 通过硬件接口控制扫描仪的上层应用软件是一个独立完整的w i n d o w s 环境 下的应用程序，从软件界面到设备驱动，从图像获取到图像的编辑、调整及保存 等都要自己开发。编程工作量较大，必须非常熟悉扫描仪硬件和设备驱动程序。 上层软件 土j e l l 上 硬件接口 ： 底层控制软件 扫描仪 图2 3 扫描仪系统结构 符合t w a i n 标准的扫描仪系统如图2 4 所示，它与通过硬件接口控制扫描仪 的上层应用软件不同。符合t w a i n 标准的应用软件类似于一个“中间件”，它通 过硬件接口从底层扫描仪获取图像数据，再通过t w a i n 接口将获取的图像数据 按一定格式导入到相应的图像处理软件中( 如p h o t o s h o p 等) ，由图像处理软件再 作进一步的处理，如图像调整、编辑、存盘等。 航片扫描仪上层软件系统设计与几何畸变校正的研究 应用软件 嚣 数据源管理器 竹 t w a i n 接口 l 用户剖用户界面 设备接口 田 图2 4 符合t w a i n 的扫描仪系统结构 t w a i n 标准在扫描仪领域有重要作用，很多软硬件开发商都对它提供了支 持。因此，符合t w a i n 标准的应用软件是扫描仪系统软件的发展方向。 第三章基于1 w a i n 的上层软件系统设计 9 第三章基于t w a i n 的上层软件系统设计 由上一章可知，符合t w a i n 标准的上层软件是扫描仪系统软件的发展方向， 使用t w a i n 对应用开发者、数据源开发者和最终用户有很多好处。本章首先论 述将上层软件系统设计成符合t w a i n 标准的数据源的总体方案，然后详细论述 上层软件系统各子模块的设计。 3 。1 上层软件系统方案设计 理论上，上层软件系统可以有两种设计方案，一是设计成一个独立的应用程 序形式，不仅具有控制扫描仪进行图像输入的功能，同时还具有通用的图像处理 功能；二是设计成符合t w a i n 标准的应用程序和数据源程序的形式，只负责通 过硬件接口从扫描仪获取图像数据，并将获取的图像数据导入到通用的图像处理 软件中去，它本身不具有完善的图像处理功能，进一步的图像处理由通用的图像 处理软件完成。 独立的应用程序形式的上层软件不依赖其它应用软件，从控制界面到最终数 据文件存储都是自成系统。这种实现方法优点是处理数据比较灵活，可以根据自 己需要，利用磁盘文件进行数据缓冲等功能，系统运行效率会高一些。如果将扫 描形成的图像数据，组织成满足一定格式的文件，也可以被其它应用程序使用。 使用这种形式开发，缺点是编程工作量较大，程序重复开发，许多通用图像处理 软件中的资源不能直接使用，系统不具备通用性，升级维护复杂。 符合t w a i n 标准的扫描仪上层软件优点是编程工作量较小，符合国际标准， 通用性好，应用程序和数据源功能分离，用户使用方便。缺点是编程人员必须了 解t w a i n 标准，必须按照t w a i n 标准的要求编写程序，实现起来受到一定限制。 因为目前的通用图像处理软件性能完善，功能强大，已经能够很好的满足图 像处理的各种需求，权衡利弊，我们将上层软件设计成符合t w a i n 标准的数据 源。 3 2 上层软件要完成的任务 上层软件主要要完成三方面的任务：一是通过接口把底层软件上传的数据接 收过来，二是对接收过来的数据进行处理，三是能把处理后的数据进行输出。 具体来说，上层软件主要完成以下任务： ( 1 ) t w a i n 标准的实现 1 0 航片扫描仪上层软件系统设计与几何畸变校正的研究 包括应用程序和数据源两部分，作为符合t w a i n 标准的数据源，使得许多 支持t w a i n 标准的图像处理软件可以直接从扫描仪读取图像数据。t w a i n 标准 的实现包括数据源的事件循环、调用操作与能力协商、数据传输三部分，具体实 现见4 1 节。 ( 2 ) 友好的用户界面 用户界面用来控制扫描仪，用户可以通过操作界面设置扫描分辨率、扫描图 像的类型、扫描区域、扫描方式等。上层控制软件中还可以对图像色彩进行校正， 使扫描仪能按用户期望的图像效果扫描图像。应该能对图像的亮度、对比度、高 光阴影、g a m m a 值进行调节，以适应不同的扫描文稿。同时，针对航片扫描仪 上层软件的特定需求，需要设计开发几何畸变校正功能模块。 ( 3 ) 联机帮助文档设计 作为一个好的应用软件，帮助文档是必不可少的内容。帮助文档里有该软件 的软件介绍、操作手册和常见问题解答等。 3 3 上层软件系统设计 图像处理软件( 以p h o t o s h o p 为例) 与扫描仪上层控制软件的交互过程如下： 首先，用户在图像处理软件的主菜单中选择“文件”，在子菜单中选择“导入”， 此时数据源管理器会与数据源交互，提供可供选择的所有数据源，用户选择了合 适的数据源后，将出现数据源软件的人机交互界面，轻松方便的实现图像的扫描 输入。 因此航片扫描仪的上层软件系统主要可分为三大模块：t w a i n 接口模块、用 户界面模块和帮助文档模块。如图3 1 所示。 其中，t w a i n 接口模块要完成数据源端的t w a i n 标准，向上与数据源管理 器通信，向下通过接口与底层软件通信。t w a i n 操作是以全局函数的形式对数据 源进行的各种操作，如“o p e n d s ( ) 、“e n a b l e d s ( ) 、“d i s a b l e d s ( ) ”和“c l o s e d s ( ) ”等。扫描仪类以全局函数的形式跟底层驱动模块打交道，如“o p e n d e v i c e ( ) 、“c l o s e d e v i c e ( ) 等，它可以被看作为一个虚拟的扫描仪设备，负责将图 像数据传输到用户界面显示输出。 上层软件系统的流程如图3 2 所示。 第三章基于t w a i n 的上层软件系统设计 1 l 3 3 1t w a i n 接口模块 图3 1 上层软件系统模块划分 t w a i n 各部分间只通过两个入口点进行通信，这两个入口点分别是应用程序 与数据源管理器之间的入口点d s m ()和数据源管理器与数据源之间的入entry 口点d se n t r y ( ) ，如图3 3 所示。 应用程序的目标是从数据源获取图像数据，但是它不能直接与数据源打交道， 所有对数据、错误信息等的请求必须通过数据源管理器处理。应用程序与数据源 管理器的通信只能通过d s me n 呻( ) 这个入口点进行，d s me n t r y ( ) 在w i n d o w s 平台下的函数原型如下： t wu i n t l6f a rp a s c a ld s me n t r y 一一 一 ( p t w i d e n t i t yp o r i g i n ， 消息源 p r wi d e n t i t y p d e s t ，消息目的 t wu i n t 3 2d g ，数据组i d ：d gx x x x t wu 玳t 1 6 d a t ，数据参数类型：d a tx x x x t wu i n t l 6m s g ，消息i d ：m s gx x x x t wm e m r e fp d a t a 数据指针 ) ： 数据源管理器提供应用程序和数据源之间的通信，支持用户选择数据源以及 装入应用程序要访问的数据源。从应用程序到数据源管理器的通讯信息到达 d s m _ e n t r y ( ) 这个入口点，这时存在两种情况：如果d s me n t r y ( ) 调用的目 1 2 航片扫描仪上层软件系统设计与几何畸变校正的研究 的地是数据源管理器，则数据源管理器自己处理送来的操作；如果d s m ()entry 调用的目的地是数据源，数据源管理器转换函数的参数列表，删掉目的地这个参 数，并调用相关的数据源，d se n t r y ( ) 在w i n d o w s 平台下的函数原型如下： t wu i n t l6f a rp a s c a ld se n t r y 一 一 一 ( p t w 二i d e n t i t yp o r i g i n ，消息源 t w i n t 3 2d g ，数据组i d - d g x x x x t 邺i n t l 6d a t ，数据参数类型：d a t x x x x t w - u i n t l 6m s g ，m s g ，消息i d ：m s gx x x x t w m e m r e fp d a t a 数据指针 ) ： 通用图像处理软件 j t w a i n 数据源初始化、 显示用户界面 令n 氓直倾玎亍菌区珊、前掰 率、大小、校正参数 j 显示预扫描结果 n 墒湘福客瓣 遵妻。 y 孓 开始正式扫描 扫描结果传到通用图像 处理软件 j 后期的图像处理 图3 2 上层软件系统流程图 第三章基于t w a i n 的上层软件系统设计 数据源管理器能同时管理多个应用程序访问多个数据源，也就是说，数据源 管理器可以被多个应用程序共享。 数据源既接收由应用程序传来的操作( 通过数据源管理器) ，也接收由数据源 管理器传来的操作。数据源处理这些要求，并向数据源管理器返回适当的返回值 来表示操作的结果。如果请求发出者是应用程序，那么这个返回值就作为应用程 序调用d s me n t r y ( ) 的返回值。如果操作失败，那么它将产生一个条件代码( 前 缀为t w c c ) ，数据源在条件代码中设置相关信息。尽管这个条件代码设置好了， 但是不能自动传回，应用程序必须调用一个操作来得到条件代码的内容。 3 3 2 用户界面模块 图3 3t w a i n 接口的通信入口点 用户界面是软件系统的重要组成部分，它负责接收用户的输入信息并输出显 示系统的运行结果，而图形用户界面综合利用计算机强大的处理能力、新型输入 输出设备以及先进的软件技术，为设计者提供可视化、规范化的手段以实现从用 户需求到实际界面的映射。下面为软件界面设计的原则【1 9 】。 ( 1 ) 主次性原则：指在程序界面设计中，分清主次，抓住重点，将最重要的 元素定位在对用户来说目了然的位置，重要的和需要经常访问的元素处于显著 的位置，次要的元素则应当处于次要的位置。 ( 2 ) 一致性原则：界面设计最重要的就是保证用户界面运作的一致性。一致 性原则指软件各窗口的风格一致，使用的元素、术语、方法和控制的一致。用户 界面的一致性可帮助用户更好地使用软件。在界面设计中一致性原则最容易被违 反，因此在界面设计时，一定要坚持用同一风格贯穿整个应用程序的设计。 ( 3 ) 空间布局的合理性原则：基于人们的阅读习惯，屏幕一般按自左而右， 从上而下组织，界面的总体布局要做到两点，第屏幕上的元素不能太多，屏幕 设计不能拥挤；第二布局合理，合理使用空白间隔，在设计中需要插入空白空间， 1 4 航片扫描仪上层软件系统设计与几何畸变校正的研究 即合理使用窗体控件之间以及控件四周的空白区域，做到布局合理，这样有助于 突出设计元素和改善可用性。 ( 4 ) 简明性原则：就是力求界面的简单化。从美学的角度来讲，整洁、简单 和明了的设计常常更可取。对于应用程序而言，如果界面看上去很难操作，用户 使用也会感到非常的不便。要创建看上去用起来都很简单的界面，需要对界面进 行深入研究。 ( 5 ) 动感性原则：用户界面往往使用各种显示效果，来表达特定的设计意图， 界面可选择静态或动态显示，动感的显示是对象功能的可见线索，可带给用户不 同的信息。 ( 6 ) 色彩的使用、搭配原则：在界面上使用颜色可以增加感染力，但是滥用 的现象也时有发生。在设计时必须考虑色彩的使用和搭配原则。 ( 7 ) 媒体的组合原则：媒体界面的设计并不在于仅向用户提供丰富的媒体， 而应在于将各种媒体有机地结合起来，以便更有效地传递信息。 ( 8 ) 容错原则：界面要有容错能力。当用户出现录入错误或命令错误时，系 统应尽量准确地检测出错误发生的位置，报告出错误发生的性质，提供简单和容 易理解的错误处理结果或提示。 ( 9 ) 易用性原则：作为程序设计人员，应该站在用户的角度不断优化键盘和 鼠标操作序列，提供常用操作的快捷方式，根据常用操作的使用频度大小，减少 操作序列的长度。 用户界面模块为最终用户提供了一个操作扫描仪的接口，使用户能够通过简 单的操作就能实现对扫描文稿的预览和扫描，以及对预览图像进行放大、缩小、 区域选择等操作。在用户界面中也可以调用帮助文档模块。用户界面模块进一步 细分为图像显示模块和设置模块。 图像显示模块完成预览图像的显示，同时能实时显示用户对图像进行操作( 大 小调整、分辨率调整、图像增强等) 后的效果图。 设置模块完成待扫描图像的各种属性设置，如：颜色模式、分辨率、色彩增 强等。 本文将用户界面划分为四个主要区域：菜单区、工具栏区、预览区和设置区， 其具体布局如图3 4 所示。 第三章基于t w a i n 的上层软件系统设计1 5 图3 4 用户界面布局 其中，菜单区包括扫描仪、设置、帮助三个菜单项，每个菜单项下面又包括 了多个子菜单，其菜单结构如图3 5 所示。 图3 5 菜单结构 工具栏区包括预览、扫描、放大、缩小、原始、水平镜像、垂直镜像七个功 能模块，提供用户操作扫描仪常用菜单项的快捷功能。其功能描述如图3 6 所示。 受掰j 渗艟 动缝错述 预隐 勃籀搏羧匏箍幂魄老区城蛹嬲缀 ；：i 猫虢 露东毵鲅妨隧捣。棼蟾 刁搦的翻馁 翱攒 教髹鹭入鞠陨缘勉瑗软伟巾玄 骶 敞震 凌璇划羧鳃嬲像的比伤缓太 缘 臻小 寞蜣对镬鲍猢像豹比铡谨夯 撵 修 藏螭 恢簸缎铆翰预謦隧缘教聚 政译锐德 段兹嘲悔墩平- h - 国。 二的位餮毅俄 囊纛馈缘馊夔隰像囊巍方向卜的位援簸铹 图3 6 工具栏中各功能模块 1 6 航片扫描仪上层软件系统设计与几何畸变校正的研究 预览区缩小显示获取的图像。事实上，图像的预扫描与图像的正式扫描实现 过程是相同的，都是通过上层软件驱动底层软件操作扫描仪设备进行的扫描过程， 预扫描操作呈现给用户的一般是一幅图像的大致效果图，以便于用户根据效果图 重新设定扫描参数进而实现最终的扫描操作，得到满意的扫描图像。它们的不同 点在于，预扫描操作是将获取的图像输出显示在数据源用户界面的预览区中，而 正式扫描操作是将获取的图像经过t w a i n 接口传输到应用软件中。 设置区设置输出扫描图像的控制参数。分为三个功能模块，区域选择模块、 扫描设置模块、色彩校正模块。其中，区域选择模块实现对预览图像特定区域的 手动选择；扫描设置模块实现扫描图像控制参数的设定，如分辨率、大小、色彩 模式等；色彩校正模块实现扫描图像的亮度、对比度、高光阴影、g a m m a 校正 等图像增强技术。 3 3 3 帮助文档模块 帮助文档就是一份电子版的用户使用说明书，帮助文档模块是任何一个完备 的应用软件所不可缺少的重要组成部分，一个好的帮助文档可以使用户在软件使 用过程中能够迅速掌握软件的操作、使用方法。为了使开发的软件具有专业水准， 就必须考虑为软件设计一个新颖、实用的帮助文档。在该软件系统中使用的是 c h m 格式的h t m l h e l p 联机帮助文件，在该帮助文件中为用户提供了软件的使用 帮助以及扫描仪工作时常见问题的解决方法。帮助文档的实现见4 3 节。 第四章上层软件系统的实现 第四章上层软件系统的实现 根据上面章节中对上层软件的总体设计及模块划分，下面将对各功能模块的 具体实现进行讨论。本章首先论述上层软件系统中t w a i n 接口模块、用户界面 模块和帮助文档模块的实现，并详细介绍各模块中包含的子模块的实现，然后对 实现中的关键问题比如图像增强的方法进行了论述。 4 1t w a i n 标准的实现 t w a i n 标准的实现包括数据源的事件循环、调用操作与能力协商、数据传输 三部分。 4 1 1 数据源的事件循环 在w i n d o w s 平台上，数据源是以动态链接库d l l 的形式实现的，数据源本 身不能独立运行，只能在调用它的应用程序的进程空间运行。数据源文件名必须 以d s 为扩展名，存放在w i n d o w s 系统文件夹下的t w a i n 子目录下。 当数据源可用时，应用程序必须将所有的事件( 消息) 传达给数据源。因为 数据源是从属于应用程序运行，这确保数据源能接收所有属于它的事件。事件通 过( d gc o n t r o l 仍a te v e n t m s gp r o c e s s e v e n t ) 三元组用t we v e n t 数据结构传递。 将所有消息传递给可用的数据源，这对应用程序来说是一个负担，也会带来 潜在的性能上的瓶颈，因此数据源必须尽可能快的处理传进来的事件。因为只有 一个操作三元组的消息域是m s gp r o c e s s e v e n t ，数据源应该首先检查它， 然后立刻检查事件，看是否属于自己。若属于数据源事件，则为操作三元组设置 返回码为t w r cd s e v e n t ，设置t w m e s s a g e 域为m s gn u l l ，然后处理该事 件。若不属于数据源事件，则设置返回代码为t w r cn o t d s e n t ，设置t w m e s s a g e 域为m s gn u l l ，然后立刻返回应用程序。数据源事件循环代码修改如 图4 1 所示。 4 1 2 调用操作与能力协商 第三章已介绍过，应用程序与数据源通信要经过数据源管理器中转，数据源 通过唯一的入口函数d s _ e n t r y ( ) 供数据源管理器和应用程序调用，调用请求是 用一个操作三元组还有消息的来源p o n g i n 和指向数据的指针p d a t a 来描述的，三 1 8航片扫描仪上层软件系统设计与几何畸变校正的研究 t w u i n t l6c a l l b a c kd s e n t r y ( p t w i d e n t i t yp s r c ， t wu i n t 3 2d g t w u i n t l 6d a t ， t wu i n t l 6m s g ， t wm e m r e fp d a t a ) t w m s gt w m s g ： t w _ u i n t l 6t w r c ： i f( m s g = = m s gp r o c e s s e v e n t ) i f ( h l m a g e d l g & i s d i a l o g m e s s a g e ( h i m a g e d l g ， ( l p m s g ) ( ( ( p t w _ e v e n t ) p d a t a ) - - p e v e n t ) ) ) t w r c = t w r c d s e v e n t ： 对于由数据源处理的w i n d o w s 消息， 数据源应该返回m s g _ _ n u l l “p t w e v e n t ) p d a t a ) 一 t w m e ss a g e = m s g n u l l ； ) e l s e 通知应用程序，数据源不处理此消息 t w r c = t w r cn o t d s e v e n t ： “p t w e v e n t ) p d a t a ) 一 t w m e s s a g e = m s g _ n u l l ： ) ) e l s e 属于t w a i n 的事件 t w _ m s g p s r c = p s r c ：以下为分发函数建立消息结构 t w m s g d g = d g ： t w m s