1引言
視覺測量技術(shù)是以機(jī)器視覺技術(shù)為基礎(chǔ),融合電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、近景攝影測量技術(shù)、圖像處理技術(shù)為一體的測量技術(shù),其基本任務(wù)是以測量為目的,從圖像信息出發(fā)計(jì)算三維空間中物體的幾何信息。其中,圖像處理技術(shù)是視覺測量系統(tǒng)中最重要的一部分,也是本文的研究重點(diǎn)。
傳統(tǒng)的視覺測量系統(tǒng)主要是在 PC機(jī)上采用軟件方式實(shí)現(xiàn),由于其專用性不夠高,因此處理速度較慢。近年來,基于 FPGA的SOPC技術(shù)的出現(xiàn),使 FPGA高效的硬件并行信號處理能力和軟件控制的靈活性完美的結(jié)合到一起。在SOPC系統(tǒng)中,對速度要求高的算法可以采用自定義硬件邏輯的方法實(shí)現(xiàn);而用硬件難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜算法以及控制流程可以在 Nios II核中以軟件方式實(shí)現(xiàn)。因此基于SOPC技術(shù)的系統(tǒng)具有很好的實(shí)時性、靈活性以及可擴(kuò)展性。設(shè)計(jì)者可以自由的進(jìn)行軟硬協(xié)同設(shè)計(jì),并且可以在設(shè)計(jì)的各個階段不受限制的修改設(shè)計(jì)而無需重新構(gòu)建硬件平臺。
本文所討論的 SOPC系統(tǒng)是大尺寸三維視覺測量系統(tǒng)的一部分,以 PCI板卡的形式內(nèi)嵌在PC機(jī)中。在整個大尺寸三維視覺測量系統(tǒng)中,采用數(shù)字相機(jī)從不同位置拍攝多幅圖像,經(jīng)過特征點(diǎn)提取、點(diǎn)中心的二維坐標(biāo)計(jì)算、特征點(diǎn)匹配、三維拼接、面形擬合等步驟,得到被測物體的三維面形信息。點(diǎn)中心的計(jì)算精度直接影響測量精度,且其計(jì)算速度一直是系統(tǒng)的瓶頸之一。為提高處理速度和計(jì)算精度,采用SOPC系統(tǒng)完成特征點(diǎn)提取和點(diǎn)中心計(jì)算,其結(jié)果通過 PCI總線上傳給 PC機(jī),由其上的軟件模塊完成后續(xù)的計(jì)算和處理工作。
2 SOPC系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案
本系統(tǒng)采用加拿大 SBS公司的 TSUNAMI A40系列開發(fā)板,其核心的 FPGA模塊是 Altera公司的 Stratix EP1S40芯片。
2.1 系統(tǒng)算法的基本原理
系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。首先,針對本系統(tǒng)圖像處理的要求與算法實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)進(jìn)行軟硬件劃分。圖像預(yù)處理部分所需要處理的數(shù)據(jù)量比較大,但算法相對簡單,可以通過FPGA自定義相應(yīng)的 IP模塊,采用硬件的方式實(shí)現(xiàn);后續(xù)處理部分由于算法相對復(fù)雜,用硬件實(shí)現(xiàn)比較困難,而且其數(shù)據(jù)處理量不大,所以采用在Nios II軟核中以軟件的方式實(shí)現(xiàn)。最后編寫系統(tǒng)控制軟件對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制使軟硬件協(xié)同工作。
2.2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方案
如圖 2所示,本系統(tǒng)硬件開發(fā)板通過 PCI橋與 PC機(jī)相連,原始圖片保存在 PC機(jī)中。 PCI-Avalon橋是 PC機(jī)與FPGA開發(fā)板的通信接口,圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過 PCI-Avalon橋進(jìn)入系統(tǒng)處理模塊。Sdram管理控制器用來管理和控制Sdram中的數(shù)據(jù)存取??刂齐娐酚脕砜刂婆c協(xié)調(diào)各個外設(shè)的運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)狀態(tài)控制與數(shù)據(jù)傳輸?shù)然静僮?,包括讀取Sdram中保存的圖像數(shù)據(jù),控制圖像處理各模塊。 Sdram用來保存圖像數(shù)據(jù)。原始圖像數(shù)據(jù)最初由 PC機(jī)下載到 Sdram中,再通過Sdram管理控制器傳輸給各處理模塊依次處理。處理后的圖像數(shù)據(jù)仍然通過 Sdram管理控制器返回 Sdram中保存。最后通過PCI橋把最終圖像返回到 PC機(jī)。
2.3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的控制流程相對簡單,因此在 Nios II軟核中沒有內(nèi)嵌操作系統(tǒng),而是通過IO操作調(diào)用中斷的方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的控制、數(shù)據(jù)通信、協(xié)調(diào)外設(shè)等基本操作,控制系統(tǒng)各硬件模塊,使系統(tǒng)軟硬件協(xié)同工作。整個系統(tǒng)搭建成功之后,在PC機(jī)上編寫應(yīng)用程序?qū)φ麄€SOPC系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行控制。
3 系統(tǒng)算法的具體實(shí)現(xiàn)
3.1 濾波模塊
根據(jù)所采集到的圖像的特點(diǎn),本文采用3×3的模板實(shí)現(xiàn)中值濾波,這種方法不僅可以濾除圖像中的噪聲,而且可以將邊緣信息很好的保留下來。一般求取中值的方法是采用取冒泡法排序,但這種算法并不適合硬件實(shí)現(xiàn)??紤]到硬件實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)和效率,本文采用了一種全新的求取中值的算法,其原理如圖3所示。其中 max、mid、min分別表示三輸入的最大值、中值和最小值比較器。最后經(jīng)幾輪比較后求得中值。
3.2 邊緣提取模塊及二值化模塊
邊緣提取采用 Roberts算子。 Roberts邊緣檢測算子利用局部差分算子尋找邊緣,其計(jì)算由式 1給出。
由于待處理圖像特征明顯,采用經(jīng)驗(yàn)閾值法對圖像進(jìn)行二值化,算法簡單、實(shí)現(xiàn)方便。
3.3 邊緣細(xì)化模塊
本文的邊緣是建立在二值化之后的,因此處理的圖像都是二值化的,邊緣非常清晰,不需要太復(fù)雜的算法。這里采用兩個3×3模板作乘積,如圖所示, X為待處理像素。如果模板乘積不為 0,于是中心象素為 1,反之為 0,即點(diǎn)的周圍有灰度為0的象素,則保留此點(diǎn),否則剔除。如此很容易得到二值化后點(diǎn)的單象素邊緣。
3.4 后續(xù)處理部分
后續(xù)處理部分由于其數(shù)據(jù)處理量并不大且算法比較復(fù)雜,所以在本系統(tǒng)中,這部分算法在NiosⅡ中以軟件的方法實(shí)現(xiàn)。由于篇幅所限,在此不作詳細(xì)介紹。
4 系統(tǒng)測試結(jié)果的分析與總結(jié)
圖 4為原始圖像。圖 5為處理后的最終圖像,點(diǎn)中心已經(jīng)標(biāo)注如圖所示。
經(jīng)測試,本系統(tǒng)所有算法用 C語言在 PC機(jī)(配置: Pentium( R) 4 CPU 3.00GHz, 512MB內(nèi)存)上實(shí)現(xiàn),所需時間為 2'12",而本系統(tǒng)僅需 30",其中主要耗時為NiosII軟件處理部分,系統(tǒng)的硬件算法部分所耗時間不到 1"。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn):一是采用 FPGA設(shè)計(jì)硬件模塊實(shí)現(xiàn)圖像預(yù)處理算法,這是視覺測量系統(tǒng)在處理效率上的創(chuàng)新;二是在系統(tǒng)中加入Nios II CPU,用以 FPGA難以實(shí)現(xiàn)的算法,從而使基于SOPC技術(shù)的視覺測量系統(tǒng)更具靈活性,這是視覺測量系統(tǒng)在靈活性方面的創(chuàng)新。基于以上兩點(diǎn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的視覺測量系統(tǒng)兼顧了效率和靈活性,為視覺測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究提供了一種新的思路。
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