【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学干涉测量，特别是一种基于fpga的高吞吐率二维dct相位解包裹方法。
技术介绍
1、相位是许多与成像相关复杂应用中的重要因素，例如数字全息术、干涉测量、轮廓测量、断层扫描、合成孔径雷达成像、核磁共振成像等。经由数学运算，从获得的图像中提取的二维相位数据被包裹在[-π，π]范围内，因此需要通过相位解包裹将包裹相位展开为连续的相位信息。
2、相较于传统的激光干涉仪，由于动态干涉仪具有较高的数据流通量，而且能够获得高分辨率的干涉图，在cpu/gpu上处理需要消耗更多的时间和功耗。不仅如此，由于实验条件或者人为因素，采集到的相位数据中可能存在噪声因素，这导致相位解包裹这一步骤变得更加困难。
3、二维相位解包裹的底层原理就是解决一个包含原始相位信息损失函数，该问题又等价于解决在诺依曼边界条件下的泊松等式方程，目前解决泊松等式方程的方法也被细分为了直接法和迭代法，尽管其中基于傅里叶变换或者dct的二维相位解包裹方法有较高的运行速度，但是在存在噪声的情况下，可能会导致误差累积，最终与实际相位存在较大的偏差。
4、针对相位图中存在噪声的问题，研究人员提出了带权重的迭代相位展开算法，但由于其较高的迭代的次数，在提升数据精度的同时也提高了算法的开销，而且不能保证该方法的结果一定收敛；为了加速二维相位解包裹算法，提出了基于gpu的架构，尽管目前许多基于神经网络的算法已经验证了其高效性，但是对于参数量巨大的神经网络模型，往往意味着更高的时间成本以及资源成本。
5、fpga(field-p
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种效率高、正确率高、稳定性高、适应性强的二维dct相位解包裹方法。
2、实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于fpga的高吞吐率二维dct相位解包裹方法，步骤如下：
3、步骤1、由ccd获取四幅偏移量为π/2的原始干涉图，经灰度处理和定点数转化，生成待处理的相位数据信息，将数据裁剪拼接后使用高速传输接口进行实时的数据传输，并通过四步相移法得到包含噪声的包裹相位数据；
4、步骤2、经过移位寄存器延时和逻辑操作处理，得到相差补偿后的包裹相位数据；
5、步骤3、使用双端口读写存储器对包裹相位数据进行行方向上的镜面扩充，调用fft ip进行并行处理，得到连续的一维dct处理结果，对处理后的数据进行列方向上的镜面扩充，调用fft ip进行并行处理，最终得到正向二维dct处理结果；
6、步骤4、调用除法器ip处理由步骤3中得到的正向二维dct处理结果；
7、步骤5、使用双端口读写存储器对步骤4中的处理结果进行列方向上的镜面扩充，调用ifft ip得到连续的一维idct处理结果，对处理后的数据进行行方向上的idct处理，最终得到包裹相位的二维dct结果，即解包后的相位信息。
8、进一步地，步骤1所述的由ccd获取四幅偏移量为π/2的原始干涉图，经灰度处理和定点数转化，生成待处理的相位数据信息，将数据裁剪拼接后使用高速传输接口进行实时的数据传输，并通过四步相移法得到包含噪声的包裹相位数据，具体如下：
9、步骤1.1、由ccd采集的原始干涉图经由matlab处理转换为灰度值范围为[0，1]的灰度图，对干涉图中每个像素位置的灰度值进行放大处理，将数据由浮点数转为fpga中能够处理的定点类型数据；
10、步骤1.2、将灰度图中每个像素对应的灰度数据进行数据拼接，使用高速传输接口进行数据传输，对应fpga中pl端通过提前写好的高速传输接口模块进行数据的接收和数据的分割；
11、步骤1.3、通过四步相移法得到包含噪声的包裹相位数据。
12、进一步地，步骤1.3所述的通过四步相移法得到包含噪声的包裹相位数据，具体如下：
13、由ccd采集到的偏移量为π/2的四幅干涉图分别为ii(x，y)，其中x,y代表图片相位的位置，ii(x，y)的数值大小则代表每个像素点处的光强值，光强分布通用表达式为：
14、
15、其中a和b为随机常数，与光强的随机分布特性相关；
16、通过四步相移法可以得到包裹相位图：
17、
18、其中是初始的包裹相位数据。
19、进一步地，步骤2所述的经过移位寄存器延时和逻辑操作处理，得到相差补偿后的包裹相位数据，具体如下：
20、步骤2.1、使用非置信掩码最大化噪点与周围像素点的权重系数差值，在大小为m×n的包裹相位图中，m和n分别表示包裹相位图的宽和高，每个像素点的非置信掩码数值uri,j的大小由下面的方法确定：
21、
22、其中i和j代表包裹相位图中当前像素点所在的位置，h(i，j)和v(i，j)代表包裹相位图横向以及纵向的相位梯度，d1(i，j)和d2(i，j)代表包裹相位图对角线上的相位梯度；uri,j的数值越大代表该像素点的可信度越低，即该像素点为噪点的可能性越大；
23、步骤2.2、通过计算每个像素点处的二阶梯度，获取权重系数图中的奇点位置，该点即为噪点；
24、步骤2.3、根据计算的噪点位置进行相差补偿。
25、进一步地，步骤2.2所述的通过计算每个像素点处的二阶梯度，获取权重系数图中的奇点位置，该点即为噪点，具体如下：
26、步骤2.2.1、通过提取uri,j横向、纵向以及对角线上相邻两个数据的数值符号来表征数值变化的趋势：
27、sign_hi，j＝sgn(uri，j-uri-1，j)
28、sign_vi，j＝sgn(uri，j-uri,j-1)
29、r_hi，j＝sign_hi，j-sign_hi-1，j
30、r_vi，j＝sign_vi，j-sign_vi，j-1
31、其中，1＜i≤m，1＜j≤n；sgn()是符号函数，返回值是一个整型变量，返回值大于零则返回1，等于零返回0，小于0则返回-1；sign_hi，j、sign_vi，j代表相邻两个像素点之间的掩码变化趋势，若等于1代表变大，等于-1代表变小；r_hi，j、r_vi，j的取值范围为{-2，-1，0，1，2}，若等于-2，则证明点(i，j)处非置信掩码数值先变大后减小，即为局部极大值点，反之若等于2，则认为该点为局部极小值点；
32、步骤2.2.2、使用步骤2.2.1中的方法，判断对角线方向上的非置信掩膜的局部极大值与极小值点r_d1i,j，r_d2i,本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于FPGA的高吞吐率二维DCT相位解包裹方法，其特征在于，步骤如下：
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的高吞吐率二维DCT相位解包裹方法，其特征在于，步骤1所述的由CCD获取四幅偏移量为π/2的原始干涉图，经灰度处理和定点数转化，生成待处理的相位数据信息，将数据裁剪拼接后使用高速传输接口进行实时的数据传输，并通过四步相移法得到包含噪声的包裹相位数据，具体如下：
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的高吞吐率二维DCT相位解包裹方法，其特征在于，步骤1.3所述的通过四步相移法得到包含噪声的包裹相位数据，具体如下：
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的高吞吐率二维DCT相位解包裹方法，其特征在于，步骤2所述的经过移位寄存器延时和逻辑操作处理，得到相差补偿后的包裹相位数据，具体如下：
5.根据权利要求4所述的基于FPGA的高吞吐率二维DCT相位解包裹方法，其特征在于，步骤2.2所述的通过计算每个像素点处的二阶梯度，获取权重系数图中的奇点位置，该点即为噪点，具体如下：
6.根据权利要求4所述的基于FPGA的高吞吐
7.根据权利要求6所述的基于FPGA的高吞吐率二维DCT相位解包裹方法，其特征在于，步骤3所述的使用双端口读写存储器对包裹相位数据进行行方向上的镜面扩充，调用FFTIP进行并行处理，得到连续的一维DCT处理结果，对处理后的数据进行列方向上的镜面扩充，调用FFTIP进行并行处理，最终得到正向二维DCT处理结果，具体如下：
8.根据权利要求7所述的基于FPGA的高吞吐率二维DCT相位解包裹方法，其特征在于，DCT处理的结果Гi,j为：
9.根据权利要求8所述的基于FPGA的高吞吐率二维DCT相位解包裹方法，其特征在于，步骤4所述的调用除法器IP处理由步骤3中得到的正向二维DCT处理结果，具体如下：
10.根据权利要求9所述的基于FPGA的高吞吐率二维DCT相位解包裹方法，其特征在于，步骤5所述的使用双端口读写存储器对步骤4中的处理结果进行列方向上的镜面扩充，调用IFFT IP得到连续的一维IDCT处理结果，对处理后的数据进行行方向上的IDCT处理，最终得到包裹相位的二维DCT结果，即解包后的相位信息，具体如下：
...【技术特征摘要】
1.一种基于fpga的高吞吐率二维dct相位解包裹方法，其特征在于，步骤如下：
2.根据权利要求1所述的基于fpga的高吞吐率二维dct相位解包裹方法，其特征在于，步骤1所述的由ccd获取四幅偏移量为π/2的原始干涉图，经灰度处理和定点数转化，生成待处理的相位数据信息，将数据裁剪拼接后使用高速传输接口进行实时的数据传输，并通过四步相移法得到包含噪声的包裹相位数据，具体如下：
3.根据权利要求2所述的基于fpga的高吞吐率二维dct相位解包裹方法，其特征在于，步骤1.3所述的通过四步相移法得到包含噪声的包裹相位数据，具体如下：
4.根据权利要求1所述的基于fpga的高吞吐率二维dct相位解包裹方法，其特征在于，步骤2所述的经过移位寄存器延时和逻辑操作处理，得到相差补偿后的包裹相位数据，具体如下：
5.根据权利要求4所述的基于fpga的高吞吐率二维dct相位解包裹方法，其特征在于，步骤2.2所述的通过计算每个像素点处的二阶梯度，获取权重系数图中的奇点位置，该点即为噪点，具体如下：
6.根据权利要求4所述的基于fpga的高吞吐率二维dct相位解包裹方法，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：崔珂，李秀琛，李翔宇，朱日宏，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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