一种基于FPGA的片上实时高速三维复现方法技术

一种基于FPGA的片上实时高速三维复现方法，它有五大步骤。本发明专利技术用于三维形貌测量的多频条纹图像数据处理与整体形貌的三维复现。基于FPGA的本方法，方法包括数据采集与预处理、标记背景、译码器解相、外差多频相展开立体匹配与三维复现。在进行相位解算是使用了预先固化在片内的解相译码器模块，克服了在泰勒级数运算造成的总体运算速度慢、资源消耗大的缺点，同时对于不同频率的条纹图像实现数据的实时处理。该方法具有速度快、功耗低、可靠性好的特点，可用于表面三维形貌的光学非接触测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于FPGA的片上实时高速三维复现方法，用于对三维形貌测量时的条纹图像进行实时高速的相位解算与三维复现数据处理。本专利技术属于光学三维测量

技术介绍
按检测方法分，目前对物体三维形貌测量可分为接触式与非接触式两大类。虽然接触式测量有着精度高范围广的优点，但是由于要求测头与被测物接触，不可避免地会造成被测物表面的变形与损伤，因而不适合柔软物体的测量，而且当测头无法接触到物体时无法进行测量。与之相比，非接触式测量避免了与被测物直接接触，扫描速度也不受机械限制，测量环境要求也不高，可实现高温、高压等恶劣环境下的测量。目前主要的非接触式测量方法可分为激光扫描法、结构光法、立体视觉法以及工业CT法等。 在各种方法中，投影栅相位法具有结构简单、测量精度高、测量速度快的优点，一次测量中可以得到物体表面稠密的三维点云，可以有效适应工业需要。目前国内外研究投影栅相位法的相展开方法可分为三类空间相展开法、时域相展开法以及外差多频相展开法。空间相展开发包括支切法、质量导向图法、最小断点法、标记法、区域相展开法、最小生成树法、遗传算法、细胞自动机法、Lp-Norm法等。这些方法虽然能够从不同程度上减少噪声对相展开结果的影响，但在处理遮挡、阴影等问题时依旧存在无法解决的问题。时域相展开法相比于空间相展开法，是将每个像素点按时间轴进行相位展开计算，从而使各个点的结算相对独立，低信噪比的区域不会影响其他点的计算，避免了空间相展开过程中传播误差所带来的不良影响。目前在投影栅相位法的数据处理上，大都使用计算机对获得的数据进行处理。在使用计算机进行数据处理的过程中，数据的传输、存储与运算是减缓整体运算时间的主要原因；另外由于计算机无法进行并行计算，这也大大降低了运算速度。而相比之下，利用硬件化的FPGA进行数据处理，一方面可以减少由传感器到处理核心的传输、存储时间；另一方面可以实现左右相机图像数据的并行计算。这使得基于FPGA的三维复现方法的实时高速性有了保证。目前国内还没有此类基于FPGA的三维复现方法。
技术实现思路
本专利技术是一种基于FPGA的片上实时高速三维复现方法，用以克服现有非接触光学主动三维测量方法在在条纹图像在进行相位解算与三维复现时速度慢的问题。本专利技术的技术解决方案为一种基于FPGA的片上实时高速三维复现方法，该方法包括数据采集与预处理、标记背景、译码器解相、外差多频相展开立体匹配与三维复现。具体
技术实现思路
包括以下步骤步骤一首先采集某一频率不同相移的条纹图像，依照该传感器的图像的传输形式在FPGA上对数据进行预处理后存储到RAM中。步骤二 对于一组同一频率的条纹图像进行背景标记。利用公式42=2+2与事先在FPGA中设定的阈值Bt标记出有效的图像像素位置。上式中的符号说明如下gi(x，y)表示第i幅图像在点(x，y)处的灰度值，B(x，y)表示点(x，y)处的背景参量。 步骤三根据公式权利要求1.一种基于FPGA的片上实时高速三维复现方法，其特征在于该方法包括以下步骤 步骤一首先采集某一频率不同相移的条纹图像，依照该传感器的图像的传输形式在FPGA上对数据进行预处理后存储到RAM中； 步骤二 对于一组同一频率的条纹图像进行背景标记；利用公式42=2+2与事先在FPGA中设定的阈值Bt标记出有效的图像像素位置；上式中的符号说明如下gi(x，y)表示第i幅图像在点(x，y)处的灰度值，B(x, y)表示点(X，y)处的背景参量； 步骤三:根据公式2.根据权利要求I所述的一种基于FPGA的片上实时高速三维复现方法，其特征在于步骤一中所述的对数据进行预处理是将采集的某一频率的条纹图像存储到RAM中，以备在之后的运算中同时读取一个像素位置不同相移的数据。3.根据权利要求I所述的一种基于FPGA的片上实时高速三维复现方法，其特征在于步骤二中所述的背景标记是指计算每个像素的调制度B (x, y)，如果小于阈值Βτ，则说明是背景或噪声点，在解相时不予计算这个点；由于背景阈值是事先在FPGA中设计固化的，在比较时节省计算速度。4.根据权利要求I所述的一种基于FPGA的片上实时高速三维复现方法，其特征在于步骤三中所述的整形化是指由于FPGA处理数据均是整形，因此根据需要的精度将5.根据权利要求I所述的一种基于FPGA的片上实时高速三维复现方法，其特征在于 步骤四中所述的外差相展开法，在公式病6.根据权利要求I所述的一种基于FPGA的片上实时高速三维复现方法，其特征在于步骤五中所述的对于左右相机，以上步骤可以同时处理实现并行计算；由于在左右相机匹配的过程中需要用到相机标定结果，这是在计算过程中不变的，因此将其事先固化在FPGA中，以实现实时高速 运算。全文摘要一种基于FPGA的片上实时高速三维复现方法，它有五大步骤。本专利技术用于三维形貌测量的多频条纹图像数据处理与整体形貌的三维复现。基于FPGA的本方法，方法包括数据采集与预处理、标记背景、译码器解相、外差多频相展开立体匹配与三维复现。在进行相位解算是使用了预先固化在片内的解相译码器模块，克服了在泰勒级数运算造成的总体运算速度慢、资源消耗大的缺点，同时对于不同频率的条纹图像实现数据的实时处理。该方法具有速度快、功耗低、可靠性好的特点，可用于表面三维形貌的光学非接触测量。文档编号G06T7/00GK102944192SQ20121039775公开日2013年2月27日 申请日期2012年10月18日 优先权日2012年10月18日专利技术者赵慧洁, 刁晓淳, 刘小康, 姜宏志 申请人:北京航空航天大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA的片上实时高速三维复现方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤一：首先采集某一频率不同相移的条纹图像，依照该传感器的图像的传输形式在FPGA上对数据进行预处理后存储到RAM中；步骤二：对于一组同一频率的条纹图像进行背景标记；利用公式4[B(x,y)]2=[g3(x,y)?g1(x,y)]2+[g0(x,y)?g2(x,y)]2与事先在FPGA中设定的阈值BT标记出有效的图像像素位置；上式中的符号说明如下：gi(x,y)表示第i幅图像在点(x,y)处的灰度值，B(x,y)表示点(x,y)处的背景参量；步骤三：根据公式Φ(x,y)=arctang3(x,y)-g1(x,y)g0(x,y)-g2(x,y),将之前的计算结果整形化，在FPGA上进行硬件化的反正切译码，得到相位解算结果；步骤四：在所有频率的条纹图像均获取且处理完成之后，利用公式进行外差相展开法，得到结果后存储到RAM中；上式中的符号说明如下：Φb(x,y)是相位展开前的条纹相位，λ1、λ2是不同周期条纹的周期长度；步骤五：对于左右相机，以上步骤可以同时处理实现并行计算，得到结果之后，通过事先固化在FPGA中的相机标定结果，对左右相机的相展开结果进行立体匹配与三维复现。FDA00002272812400012.jpg...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵慧洁，刁晓淳，刘小康，姜宏志，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：