三维图像信息处理FPGA+DSP核心架构的设计与实现

三维图像信息处理FPGA+DSP核心架构的设计与实现

1 三维图像处理系统组成

1.1 硬件系统构成    该系统由五个模块组成，如图1所示。

2 模块设计

2.2 FPGA图像预处理模块    预处理从巨大的视频信息中提取极少量的对三维重建有用的信息传送至DSP后处理。该模块包括主处理FPGA芯片和高速FIFO，负责实时采集视频信号并对采集到的无压缩的视频信息进行预处理，包括提取激光中心线、提取轮廓线、提取中心颜色线三个部分。    为了提高视频采集的整体性能，更重要的是为预处理提供相邻的有激光帧和无激光帧，必须通过视频帧缓存首先暂存无激光帧。缓存由3片AverLogic公司的AL422B及一些由FPGA实现的连接逻辑组成；当前端模块输出无激光帧时，SA7111A控制3片AL422B写操作，将其存入FIFO；当前端输出有激光帧时，后端的视频处理模块控制3片AL422B进行读操作，读出暂存在其中的无激光帧数据。预处理FPGA将读取的无激光帧和有激光帧进行相减运算。输出同样采用3组缓存分别用来暂存激光样条数据、目标轮廓线数据和图像中心线数据；所有模块均采用同步时钟控制，同步时钟采用由SAA7111A模数转换器产生的LLC2信号。为了提高系统速度，算法复杂、耗时较长的计算过程进行了流水线处理。

3.1 图像预处理算法    如图3，激光带预处理算法的实现[2]为：由于有激光帧和无激光帧是依次交替产生的，因此首先要保存一帧有激光帧，在其下一帧，即无激光帧到来时，将保存的有激光帧和当前无激光帧的相同行、列的点相减，再对结果进行亮度提取，处理完成后的数据存入目标缓存。

3.2 三维重建和构型    如图5所示，高速DSP将根据预处理信息得到的激光标志线、轮廓线和中心颜色线数据与源数字化图像结合起来进行三维重建。首先根据获取的图像标志点数据结合控制点三维坐标数据计算出系统定标数据；其次根据轮廓线计算物体外表面展开图，再依据定标数据结合展开图和机械参数对图像中的坐标点进行计算，给出数据集，输出深度数据文件；最后对多次扫描的数据进行融合，将离散点构型成立体模型（或立体彩色模型），将模型生成DXF、STL等数据文件传入PC机，使用后端处理软件进行显示[3]。

参考文献

[2] 雷海军，李德华，王建永等.一种结构光条纹中心快速检测方法[J].华中科技大学学报，2003,31(1)：74-76.

[3] 金 刚.三维扫描仪中三维信息获取理论与技术研究[D].华中科技大学博士学位论文，2002，(3)