FPGA+DSP核心架構(gòu)的實(shí)時三維圖像信息處理

3 軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1 圖像預(yù)處理算法

如圖3，激光帶預(yù)處理算法的實(shí)現(xiàn)[2]為：由于有激光幀和無激光幀是依次交替產(chǎn)生的，因此首先要保存一幀有激光幀，在其下一幀，即無激光幀到來時，將保存的有激光幀和當(dāng)前無激光幀的相同行、列的點(diǎn)相減，再對結(jié)果進(jìn)行亮度提取，處理完成后的數(shù)據(jù)存入目標(biāo)緩存。

如圖4，實(shí)現(xiàn)提取輪廓線算法分為三個部分[3]，首先由計算比較模塊對輸入像素點(diǎn)的值與預(yù)先計算好的閾值進(jìn)行比較，判斷其是否為目標(biāo)像素；然后利用一個序列檢測模塊進(jìn)行一維尺度濾波以去除某些噪聲點(diǎn)；再經(jīng)過一個邊緣檢測模塊，提取出每行的第一個目標(biāo)像素作為目標(biāo)的左邊緣點(diǎn)；完成后將此點(diǎn)所對應(yīng)的列地址數(shù)據(jù)存入目標(biāo)緩存。在某些情況下，可能整行都檢測不到邊緣點(diǎn)，這時將0存入目標(biāo)緩存作為無邊緣點(diǎn)的標(biāo)識。

提取中心線算法實(shí)現(xiàn)比較簡單，只需對目標(biāo)緩存的寫允許信號加以控制，使RGB數(shù)據(jù)只能在每行的中心點(diǎn)處寫入目標(biāo)緩存即可。

3.2 三維重建和構(gòu)型

如圖5所示，高速DSP將根據(jù)預(yù)處理信息得到的激光標(biāo)志線、輪廓線和中心顏色線數(shù)據(jù)與源數(shù)字化圖像結(jié)合起來進(jìn)行三維重建。首先根據(jù)獲取的圖像標(biāo)志點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)合控制點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)計算出系統(tǒng)定標(biāo)數(shù)據(jù)；其次根據(jù)輪廓線計算物體外表面展開圖，再依據(jù)定標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)合展開圖和機(jī)械參數(shù)對圖像中的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行計算，給出數(shù)據(jù)集，輸出深度數(shù)據(jù)文件；最后對多次掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，將離散點(diǎn)構(gòu)型成立體模型（或立體彩色模型），將模型生成DXF、STL等數(shù)據(jù)文件傳入PC機(jī)，使用后端處理軟件進(jìn)行顯示[3]。

3.3 算法實(shí)現(xiàn)

圖像預(yù)處理算法設(shè)計使用Verilog HDL在Xilinx公司的ISE8.1集成編譯環(huán)境下成功實(shí)現(xiàn)；FPGA開發(fā)流程不再贅述。

DSP三維重建算法已使用C語言在ADI公司Visual DSP++環(huán)境下成功實(shí)現(xiàn)[4]。算法實(shí)現(xiàn)步驟如下：①用C語言編程實(shí)現(xiàn)算法。②使用Visual DSP++編譯器將源程序編譯成目標(biāo)文件。③根據(jù)產(chǎn)生的目標(biāo)文件，分析結(jié)果及源程序結(jié)構(gòu)并優(yōu)化源代碼。④應(yīng)用TigerSHARC 201評估板進(jìn)行運(yùn)算時間評估。⑤重復(fù)上述步驟直至達(dá)到系統(tǒng)實(shí)時性要求，最后下載到目標(biāo)板。

整個系統(tǒng)聯(lián)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足設(shè)計要求，實(shí)時性好。

實(shí)時三維圖像信息處理以其數(shù)據(jù)量大、速度要求高、處理過程復(fù)雜的特點(diǎn)使其難以使用集成電路實(shí)現(xiàn)。本文研究的以目前最新高性能處理器的FPGA+DSP為核心架構(gòu)的三維圖像處理系統(tǒng)精心設(shè)計了算法的硬件實(shí)現(xiàn)，充分利用了兩種處理器的長處。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)有著良好的性能，對實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時三維掃描應(yīng)用，如三維傳真、機(jī)械遠(yuǎn)程加工、快速成型和虛擬現(xiàn)實(shí)，有著重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] LEI HAIJUN，LI DEHUA.High-Speed aerial image processing system based on DSP，In neural nerwork and distributed processing，Proceedings of SPIE Vol.4555，2001：131-136

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[3] 金 剛.三維掃描儀中三維信息獲取理論與技術(shù)研究[D].華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2002，(3)

[4] 陸海東，吳明贊.基于FPGA+DSP結(jié)構(gòu)的小波圖像處理系統(tǒng)設(shè)計[J]，電子技術(shù)應(yīng)用，2006，(3)93-95