引言

隨著測控技術(shù)及數(shù)字圖像處理技術(shù)的高速發(fā)展，基于三角法線結(jié)構(gòu)光的三維測量具有高精度、非接觸、實(shí)時(shí)性和強(qiáng)主動受控性的特性，因此在現(xiàn)實(shí)中有廣泛的應(yīng)用，尤其是在計(jì)算機(jī)視覺、醫(yī)療診斷和工業(yè)檢測等領(lǐng)域應(yīng)用價(jià)值日漸增強(qiáng)。在結(jié)構(gòu)光檢測系統(tǒng)中，利用CCD相機(jī)以及工業(yè)相機(jī)攝取用線結(jié)構(gòu)平面激光照射照在物體表面形成的光條紋中心信息，然后根據(jù)光條紋中心偏移量進(jìn)行三維定標(biāo)，這樣可以得到物體表面的各類信息，比如表面的缺陷以及形變等。有鑒于此，線結(jié)構(gòu)光條中心信息的圖像處理在測量過程中就顯得十分關(guān)鍵。雖然目前結(jié)構(gòu)光中心線的提取方法有許多種，比如：閾值法、極值法、灰度重心法、方向模板法、Hessian矩陣法等，這些方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及一定的應(yīng)用范圍。基于數(shù)字圖像處理的特點(diǎn)是處理的數(shù)據(jù)量非常大，處理非常耗時(shí)。所以本文研究了在FPGA上用硬件描述語言實(shí)現(xiàn)圖像的中心線提取算法，采用了極值法、閾值法和重心法相結(jié)合的中心線提取方法。通過功能模塊的硬件化，以便高速提取結(jié)構(gòu)光中心線。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)到了基于視頻速度的應(yīng)用要求。

1 、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1為光條中心線提取系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖。整個(gè)中心線提取系統(tǒng)主要有四個(gè)組成部分：

（1）視頻數(shù)據(jù)編碼模塊：編碼器采用ANALOG DEVICES公司的ADV7179芯片，該編碼器能實(shí)現(xiàn)ITU—R BT601/BT656 YCrCb（其比例為4:2：2）格式的數(shù)字信號轉(zhuǎn)為NTSC/PAL摸擬視頻輸出信號;

（2）DDR2 SDRAM存儲器控制模塊：選用兩片MICRON公司的MT47H64M16 DDR2存儲器來實(shí)現(xiàn)圖像幀數(shù)的交叉緩存，為后面的中心線提取提供像素值以及坐標(biāo)值;

（3）中心線提取模塊：FPGA采用的是Altera公司Cyclone III系列的EP3C40F484C6芯片，該芯片價(jià)格低廉、實(shí)用性強(qiáng)，能充分發(fā)揮芯片的并行計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)中心線的快速提取;

（4）視頻數(shù)據(jù)編解碼模塊：解碼器采用TEXAS INSTRUMENT 公司的TVP5150芯片，該芯片低功耗，能解決視頻輸入輸出同步問題，而且輸出型號的特性可以通過I2C串行接口進(jìn)行編程配置。

整個(gè)系統(tǒng)從CCD攝像機(jī)接收的模擬視頻信號通過視頻解碼芯片解碼后，轉(zhuǎn)換成BT656（4：2：2）YCbCr SDTV（標(biāo)清）格式的數(shù)字視頻信號，通過一個(gè)FIFO來進(jìn)行行/場消隱、解出同步信息等操作，之后提取圖像信息的Y（亮度值）分量，然后在數(shù)據(jù)上傳輸。對于圖像的傳送采用兩片DDR2來進(jìn)行奇偶兩場傳送;同時(shí)對視頻解碼器輸出的同步信號進(jìn)行檢測。當(dāng)有效數(shù)據(jù)到來時(shí)，F(xiàn)PGA選擇一片DDR2，使用隔行存儲方式，完成一幀圖像的存儲，當(dāng)?shù)诙瑘D像有效數(shù)據(jù)到來時(shí)，F(xiàn)PGA選擇另一片DDR2，以相同的方式完成第二幀圖像的存儲，依次交叉存儲，然后經(jīng)內(nèi)部的處理模塊處理后得到圖像光帶中心線坐標(biāo)［8］。將提取的一行中心線坐標(biāo)存儲在RAM里面，再經(jīng)過視頻編碼器將數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)換成模擬視頻信號輸出到顯示終端顯示。

2、 算法的FPGA實(shí)現(xiàn)

2.1 算法流程

我們首先以列掃描的方式讀出一幀數(shù)據(jù)，并將讀出的亮度值與所設(shè)定的閾值進(jìn)行比較。濾除不需要的點(diǎn)，然后通過像素值比較得到像素值最大點(diǎn)，之后用最大點(diǎn)周邊的3*3鄰接點(diǎn)來進(jìn)行灰度重心法計(jì)算出光條中心點(diǎn)。具體做法如下：

2.2 存儲單元

對于算法的實(shí)現(xiàn)，還要考慮圖像數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)。這其中包括：點(diǎn)存儲器，用來存儲需要運(yùn)算的單個(gè)像素點(diǎn);行存儲器，用來緩存需要運(yùn)算的圖像的一行像素點(diǎn);幀存儲器，用來存儲整幀圖像。一般幀存儲器都需要很大的容量，而FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)起來比較困難，所以FPGA板都會增加外部存儲器，由外部的DDR2 SDRAM 芯片實(shí)現(xiàn)［9］;為了使進(jìn)行運(yùn)算的領(lǐng)域9個(gè)3*3的像素點(diǎn)能在同一時(shí)鐘輸出，便于進(jìn)行之后的流水線算法模塊，因此在3*3的滑動窗的硬件設(shè)計(jì)中，本文采用了2個(gè)RAM存儲器來進(jìn)行行存儲。具體操作是：先用兩個(gè)RAM存儲器存儲兩行數(shù)據(jù)，等到第三行到來時(shí)，再將前兩行的數(shù)據(jù)讀出來，之后用9個(gè)寄存器存儲這9個(gè)數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的同時(shí)獲取［10］。存儲結(jié)構(gòu)見圖2所示。

這樣，當(dāng)圖像像素點(diǎn)串行輸入時(shí)，經(jīng)過這種結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)，即可得到相應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行灰度重心法計(jì)算所需的所有鄰域點(diǎn)的并行輸出。

2.3 運(yùn)算單元

運(yùn)算單元由乘法器和流水線加法樹兩部分構(gòu)成，乘法器的作用是執(zhí)行運(yùn)算中的坐標(biāo)值與像素相乘，流水線加法樹的作用是提高運(yùn)算速度以及減少運(yùn)算單元占用的硬件資源，該加法數(shù)設(shè)計(jì)為4段流水線結(jié)構(gòu)，第一段為6個(gè)2輸入的8位乘法器和2個(gè)2輸入的8位加法器以及2個(gè)延遲單元;第二段為2個(gè)2輸入的15位加法器和2個(gè)2輸入的9位加法器以及2個(gè)延遲單元;第三段為2個(gè)2輸入的16位加法器和2個(gè)延遲單元;第四段為2個(gè)除法器，作用是將運(yùn)算的像素與像素坐標(biāo)值的乘積累加后除以運(yùn)算的像素的累加值，輸出的結(jié)果即為中心點(diǎn) 的坐標(biāo)值。運(yùn)算如圖3和圖4所示。

3、 FPGA實(shí)現(xiàn)的結(jié)果

本文FPGA采用的是Altera公司Cyclone III系列的EP3C40F484C6芯片，并在Altera公司的QUARTUS II 軟件平臺上，利用硬件描述語言Verilog HDL 表達(dá)實(shí)現(xiàn)。對于一幅大小為576行、720列的結(jié)構(gòu)光條紋圖像，以每秒25幀的速率到達(dá)時(shí)，利用配置為2.53GHz Intel CPU 、3GB內(nèi)存的通用微型計(jì)算機(jī)通過軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)對一幀大小為576行、720列的圖像進(jìn)行提取激光中心線操作，耗時(shí)71.5 毫秒。而利用以上專用硬件實(shí)現(xiàn)的算法經(jīng)過仿真的系統(tǒng)最高頻率達(dá)到100MHz ，高出了系統(tǒng)像素點(diǎn)時(shí)鐘頻率（50MHz ），處理同樣的一幀圖像需耗時(shí)4.1毫秒，速度提高將近20倍，且FPGA邏輯資源占用16% 。足以在視頻圖像輸入的同時(shí)完成計(jì)算，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。并將系統(tǒng)的采集圖片與處理后的圖片進(jìn)行比較，處理結(jié)果圖6圖7所示。圖6a、7a為采集圖像，圖6b、7b為MATLAB處理結(jié)果，圖6c、7c為EP3C40F484C6處理結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示可以看出：在精度上FPGA相比PC端稍好，體現(xiàn)在線條的細(xì)節(jié)表現(xiàn)及線條提取的平滑度上。而且在運(yùn)行速度上，F(xiàn)PGA提取速度明顯優(yōu)于PC機(jī)提取的速度。但是不足的是由于模板所取的寬度較小，所以對于一些光帶寬度較大，光強(qiáng)橫向分布不均勻的圖像，正如圖7所示，則該方法提取的圖形精度不高，圖像較為不平滑。這些也將是下一步需要研究的內(nèi)容。

4、 結(jié)束語

精度和速度是大數(shù)據(jù)量背景下中心線提取方法的核心指標(biāo)，本文利用FPGA硬件電路的并行體系結(jié)構(gòu)，將以FPGA為核心的實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)當(dāng)中，以硬件形式實(shí)現(xiàn)圖像光帶中心線提取的算法，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)表明，對于這些寬度不大且分布均勻的結(jié)構(gòu)光，該方法對中心線提取精確、快速。滿足結(jié)構(gòu)光三維測量的要求。

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