SOPC技術(shù)在視覺測量中的設(shè)計方案與應(yīng)用

　　1引言

　　視覺測量技術(shù)是以機器視覺技術(shù)為基礎(chǔ)，融合電子技術(shù)、計算機技術(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。

　　傳統(tǒng)的視覺測量系統(tǒng)主要是在 PC機上采用軟件方式實現(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現(xiàn)；而用硬件難以實現(xiàn)的復雜算法以及控制流程可以在 Nios II核中以軟件方式實現(xiàn)。因此基于 SOPC技術(shù)的系統(tǒng)具有很好的實時性、靈活性以及可擴展性。設(shè)計者可以自由的進行軟硬協(xié)同設(shè)計，并且可以在設(shè)計的各個階段不受限制的修改設(shè)計而無需重新構(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機中。在整個大尺寸三維視覺測量系統(tǒng)中，采用數(shù)字相機從不同位置拍攝多幅圖像，經(jīng)過特征點提取、點中心的二維坐標計算、特征點匹配、三維拼接、面形擬合等步驟，得到被測物體的三維面形信息。點中心的計算精度直接影響測量精度，且其計算速度一直是系統(tǒng)的瓶頸之一。為提高處理速度和計算精度，采用 SOPC系統(tǒng)完成特征點提取和點中心計算，其結(jié)果通過 PCI總線上傳給 PC機，由其上的軟件模塊完成后續(xù)的計算和處理工作。

　　2 SOPC系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

　　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現(xiàn)特點進行軟硬件劃分。圖像預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，采用硬件的方式實現(xiàn)；后續(xù)處理部分由于算法相對復雜，用硬件實現(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現(xiàn)。最后編寫系統(tǒng)控制軟件對整個系統(tǒng)進行控制使軟硬件協(xié)同工作。

　　2.2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計方案

　　如圖 2所示，本系統(tǒng)硬件開發(fā)板通過 PCI橋與 PC機相連，原始圖片保存在 PC機中。 PCI-Avalon橋是 PC機與 FPGA開發(fā)板的通信接口，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過 PCI-Avalon橋進入系統(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)的運行，實現(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。