信息科学是当代发展最快的学科之一,成像技术和图像工程设备是扩展人眼视觉功能的一门新兴科学和技术,是图像学科中一门很活跃的分支。图像工程设备又叫图像设备,是实现客观世界于主观意识的“映射和反应”的电子装置,它包括两部分的内容:“成像技术”和“处理技术”。主要任务是:使人眼看不见或难于看清楚的景物形成图像,让人眼通过产生的图像去观察原先不能直接观察的景物。并且对 2D 和 3D 物体和景物进行分析和理解提取对人类活动有意义的各种信息。是将图像工程的研究成果与在图像应用中积累的技术经验结合而发展起来的电子设备,它通过计算的方法对成像系统获得的原始图像进行处理,从而得到改善了的图像或给出有预定目的有用信息。他所涉及的技术有:成像技术、图像传输、处理、分析、显示技术、自动控制技术、机械技术等等。 人们开发和研究图像工程设备先从其整体功能出发,从综合到具体进行各子模块的子功能划分,模块划分的过程中不仅要考虑其功能的完备性,还要考虑实现其目的的可行性。划分后的模块一部分是计算机软件的形式,另一部分则是电子电路或电子装置。为了把这些硬件模块综合在一起,就要认真研究和确定模块内部与模块之间之间的关系,这包括两大方面的问题:一方面是模块的数据传输问题;另一方面是模块间的电磁兼容性问题。一般来说,模块内部的电磁兼容问题在开发此模块时已得到解决。如市场上采购到的电子装置和我们自行研究开发的电路模块,都基本上达到了自身的电磁兼容。但是,一旦将他们连接在一起构成图像设备并产品化时,严重的电磁兼容问题就肯定要出现。究其原因,很大程度上是因为模块之间的电连接或数据传输造成的。所以在图像工程设备的数据传输综合分析的基础上研究其电磁兼容原理和技术意义重大。理论上,可以进一步发现各种类型数据传输的新方法,并与以往的方法进行比较,研究其效率,增加人们对数据传输的理解和认识;技术上,可以进一步提高图像工程设备的工作速度,拓宽图像处理的应用领域;应用上,将电磁兼容设计放在了设备开发的初期阶段——数据传输阶段,在考虑数据传输的同时进行电磁兼容设计是高效开发图像工程设备的前提,对节约开发费用和时间都有很好的社会效益和经济效益,收到事半功倍的效果。 I<WP=5>本文先从一些典型的图像工程设备入手,再对本课题的某些基本问题进行较深入的研究。本文在对图像工程设备的数据传输新技术进行分析和研究的基础上论述了实现电磁兼容综合设计的理论和方法。本文的主要研究内容有: 从多个图像处理设备入手,建立了图像设备中数据流模型的概念,对图像设备中各种数据类型进行了分析,综合叙述了不同类型数据传输的新方法。 从硬件的角度提出了模块化的图像工程设备的概念,比照软件工程对程序模块的划分提出了硬件模块划分的指导性原则;因为这个原则是建立在电磁兼容基础上的,所以从理论上找到了提前进行电磁兼容设计的工程切入点。 讨论了数据传输系统的关键问题之一——数据传输的实时性问题,在现场总线的基础上针对传统的 CSMA 协议提出了基于分布式动态优先权队列的数据传输系统总线的媒体访问协议(CSMA/DDPQ)。针对 CSMA/DDPQ 定义了分布式动态优先权队列和非破坏性逐位仲裁规则的算法和数学模型。用概率论的方法分析了上述的数学模型,并得出了有益的结论。数据传输的实时性问题进行了计算机仿真,得出了网络最大延迟时间的仿真曲线。进一步提出了基于这种分布式动态优先权队列的延迟时间的实施可调节性的理论和方法。提出了优先权晋升速度的概念。将引入的新方法和新技术与传统的 CSMA/CD 协议进行了比较研究。得出了在信道利用率方面CSMA/DDPQ 可以达到近似于 100%的理论值。 结合图像工程设备和数据传输的具体情况,详细分析了图像工程设备的综合电磁环境,认真探讨了数据传输中的干扰耦合途径、特性、干扰源的特性等关键因素。还分析了基于运动系统的图像设备受到的电磁干扰问题及解决措施。 在前面分析的基础上论述了实现电磁兼容综合设计的有效措施,分析了接地、屏蔽和滤波等技术的理论基础和具体实现方法。在图像设备中实现电磁兼容其重点不仅要靠模型的建立、环境的分析和一些技术措施还要有时间、空间、频率以及软件的综合策略。文章在这方面进行了有益的讨论,不仅原则性地提出了分离、管理和隔离的原理还提出了一系列具体措施和方法。 本文以国家自然科学基金(69775022);863 计划(863-306-ZT04-06-3)的三维激光彩色扫描仪为背景,首先介绍了从成像技术到图像工程设备的一般概念;分析了图像工程设备模块间的数据传输技术和理论;建立了图像设备中数据流的模型并 II<WP=6>对其进行了详细的分析;分析和研究了基于分布式动态优先权队列实时可调的 MAC协议;讨论了数据传输中的综合电磁环境分析了干扰耦合途径和解决措施;最后论述了图像工程设备中电磁兼容的综合控制策略和方法。在多种电磁干扰的情况下,实现了三维扫描仪研制过程中的电磁兼容综合设计的方法和技术。