基于FPGA的結(jié)構(gòu)光圖像中心線提取

2.3 運算單元

　　運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算速度以及減少運算單元占用的硬件資源，該加法數(shù)設(shè)計為4段流水線結(jié)構(gòu)，第一段為6個2輸入的8位乘法器和2個2輸入的8位加法器以及2個延遲單元;第二段為2個2輸入的15位加法器和2個2輸入的9位加法器以及2個延遲單元;第三段為2個2輸入的16位加法器和2個延遲單元;第四段為2個除法器，作用是將運算的像素與像素坐標(biāo)值的乘積累加后除以運算的像素的累加值，輸出的結(jié)果即為中心點 的坐標(biāo)值。運算如圖3和圖4所示。

3 FPGA實現(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 表達實現(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幀的速率到達時，利用配置為2.53GHz Intel CPU 、3GB內(nèi)存的通用微型計算機通過軟件編程的方式實現(xiàn)對一幀大小為576行、720列的圖像進行提取激光中心線操作，耗時71.5 毫秒。而利用以上專用硬件實現(xiàn)的算法經(jīng)過仿真的系統(tǒng)最高頻率達到100MHz ，高出了系統(tǒng)像素點時鐘頻率(50MHz )，處理同樣的一幀圖像需耗時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完成計算，達到了設(shè)計目的。并將系統(tǒng)的采集圖片與處理后的圖片進行比較，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。

　　實驗結(jié)果顯示可以看出：在精度上FPGA相比PC端稍好，體現(xiàn)在線條的細節(jié)表現(xiàn)及線條提取的平滑度上。而且在運行速度上，F(xiàn)PGA提取速度明顯優(yōu)于PC機提取的速度。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為核心的實時處理系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)當(dāng)中，以硬件形式實現(xiàn)圖像光帶中心線提取的算法，經(jīng)過實驗表明，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。

參考文獻：

　　[1]Song Zhang,Peisen S Huang.High-resolution real-time three-dimensional shape measurement[J].Optical Engineering,2006,12(45):1-8

　　[2]Erik Naesset, Ross Nelson.Using airborne laser scanning to monitor tree migrationin the boreal-alpine transition zone[J].Remote Sensing of Environment,2007,110(3):357-369

　　[3]李瑩瑩，張志毅，袁林.線結(jié)構(gòu)光光條中心提取綜述[J].中國激光雜志社，2013,50

　　[4]于起峰,陸宏偉,劉肖琳. 基于圖像的精密測量與運動測量[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2002

　　[5]胡斌，李德華，金剛等?；诜较蚰０宓慕Y(jié)構(gòu)光條紋中心檢測方法[J]。計算機工程與應(yīng)用，2002,38(11):59-60

　　[6]江 潔，鄧玨瓊，張廣軍。光條紋中心的實時快速提取[J]. 光學(xué)技術(shù)，2008 ，34(2):170-174

　　[7]張廣軍. 機器視覺[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2005

　　[8]姚文達, 田慶國, 陳興梧. 三維掃描圖像光帶中心線提取的FPGA實現(xiàn)[J]. 天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2010, 29:50-52

　　[9]錢錚鐵, 李德華. 基于FPGA的激光條紋中心實時檢測[J]. 計算機工程與應(yīng)用, 2004, 40(27):49-52

　　[10]張杰. 基于FPGA的數(shù)字圖像處理[D]. 武漢科技大學(xué), 2009