基于FPGA的相關(guān)測速系統(tǒng)

(2)Raw to RGB壓縮模塊

通過內(nèi)部設(shè)置一個1 280×10 bit的FIFO，同時輸出兩行數(shù)據(jù)，通過輸入的行計數(shù)和列計數(shù)模塊的奇偶將原Byer格式的數(shù)據(jù)壓縮成RGB格式，4個點壓縮成一個點，圖像大小變成640×512。同時，通過內(nèi)置的時鐘計數(shù)模塊將當(dāng)前輸出的RGB所在的行列值輸出，范圍為640×512。

(3)處理流程1

M4K寫入控制器：CCD時鐘。通過當(dāng)前輸入的行列坐標(biāo)，確定觸發(fā)背景M4K內(nèi)存模塊和模板M4K內(nèi)存模塊的寫入使能。背景M4K大小設(shè)為256×256×4 bit，模板M4K大小設(shè)為32×32×4 bit。當(dāng)該模塊工作時，相關(guān)模塊不工作，以防止未寫完數(shù)據(jù)就做相關(guān)處理。

M4K模塊：存放處理過的4 bit灰度數(shù)據(jù)，讀寫時鐘分開，有寫使能位。

(4)處理流程2

SdRam接口：提供兩個寫端口和兩個讀端口，可同時處理。內(nèi)部連接了PLL倍頻器，將SDRam的處理速度倍增到100 MB，然后通過內(nèi)部的讀寫和刷新狀態(tài)機(jī)控制讀寫。

VGA控制模塊：由I2C控制生成行同步信息，并將讀入的RGB數(shù)據(jù)通過系數(shù)處理送到解碼器輸出VGA圖像。

測速模塊：模板選擇的位置固定在圖像的正中，即第192行192列開始的32×32大小的數(shù)據(jù)，通過輸入的（X，Y）坐標(biāo)和（192，192）的差值得到像素的偏移量。然后通過實際的圖像大小和距離的比例系數(shù)，乘以當(dāng)前的處理頻率，得到當(dāng)前的物體移動速度。

為了計算偏移量和相對位移，必須引入除法運算，而除法運算是通過許多移位寄存器和加法器構(gòu)成的。運算極其耗時，且需要大量邏輯單元和查找表，對處理速度有很大影響。所以選取MegaWizard生成的除法器來減少所需的運算時間。

最后，由于實際的數(shù)據(jù)均為16進(jìn)制，為了滿足顯示的10進(jìn)制坐標(biāo)換算的需要，設(shè)計了16進(jìn)制到10進(jìn)制LED顯示的轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)了速度的直觀顯示，如圖3所示。

綜上所述，通過模塊化設(shè)計和綜合設(shè)計，在FPGA上實現(xiàn)了測速需要的功能設(shè)計。

本文對攝像頭采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。選取圖像正中的256×256個像素位置作為背景區(qū)域，其中的32×32個像素作為模板選取區(qū)域，通過前后兩幀的相關(guān)得到模板在后一幀中的位移像素值。測速示意圖如圖4所示。

如果按照理想的相似三角形判斷，攝像頭可以測量的速度可以達(dá)到無限大。設(shè)背景區(qū)域長寬均為X cm，最大速度可以達(dá)到（X×(256－32)/256）/0.529 4＝1.9×0.875X cm/s，測量精度為(X/256)/0.529 4=1.9×X/256。但是由于攝像頭對光強(qiáng)的敏感程度和目標(biāo)的實際采樣灰度受噪聲的影響，以及受安裝位置和與被測物體距離的限制，實際測量速度范圍是有限的。在測試中采用的背景大小為20 cm×20 cm，離檢測面距離30 cm左右，100 MHz工作頻率，測速的最大值可達(dá)到（20×(256－32)/256）/0.529 4=33.056 cm/s。

整個測速系統(tǒng)可以根據(jù)實際應(yīng)用情況設(shè)定參數(shù)來調(diào)整搜索區(qū)域，具有很寬的測速范圍。相對于傳統(tǒng)的接觸式測速系統(tǒng)，克服了物體運動異常時測量出現(xiàn)的原理性誤差；相對于非接觸的一維測速系統(tǒng)，克服了測速的單一性，可以測量物體在各種運動方向上移動的速度。如果使用高性能FPGA進(jìn)行多路并行的相關(guān)運算，搭配高速高分辨率的攝像頭，完全可以解決全圖互相關(guān)算法處理的計算量巨大的問題，使測速的精度和速度得到進(jìn)一步提高。這種測速方式具有的一系列優(yōu)點，使其發(fā)展空間非常廣闊，可以廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域。

總之，本文研究的基于FPGA的相關(guān)測速系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式和高精度的測量。其中，融合了信號采集與處理、邏輯器件FPGA和互相關(guān)技術(shù)等，具有學(xué)科交叉融合的特點。在各種傳送帶、紙板、熱軋鋼板、汽車和列車等運動物體的非接觸測速上具有較大的實際應(yīng)用價值，為解決非接觸式運動物體測速問題提供了技術(shù)手段。