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雙目立體視覺(jué)攝像頭模塊開(kāi)發(fā)搭建,含源代碼、電路圖

作者: 時(shí)間:2017-06-08 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201706/351008.htm

作品摘要

本作品為基于ATLYS 開(kāi)發(fā)平臺(tái)、VmodCAM模塊開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的雙目系統(tǒng)。VmodCAM用于采集雙路的視覺(jué)信息,開(kāi)發(fā)平臺(tái)負(fù)責(zé)完成視覺(jué)信息的處理及圖像的高速分析。采集到得左右兩路圖像信息通過(guò)分析處理,便可得到二維圖像上的深度信息。深度信息的體現(xiàn)本作品中設(shè)計(jì)了兩種方式,其一為視覺(jué)信息的立體顯示,經(jīng)過(guò)處理生成疊加的紅藍(lán)3D圖像,給人直觀上的立體感受。該設(shè)計(jì)方面可以應(yīng)用于的采集與顯示,定位為的采集與顯示系統(tǒng)。另一方面,通過(guò)在片上設(shè)計(jì)的高速圖像處理系統(tǒng),可以根據(jù)左右圖像的差距,計(jì)算出圖像的深度信息,也就是物體在環(huán)境中相對(duì)于的三維坐標(biāo)。該設(shè)計(jì)方面可以應(yīng)用到人機(jī)交互、機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域,作為機(jī)器對(duì)環(huán)境情況的認(rèn)知設(shè)備。

FPGA開(kāi)發(fā)板在本作品中的作用主要有:①配置攝像頭模塊,采集攝像頭數(shù)據(jù);②將圖像數(shù)據(jù)緩存在片外的DDR2中;③完成圖像的分析處理;④完成圖像的顯示及。

設(shè)計(jì)目標(biāo)

一方面,完成立體視覺(jué)實(shí)時(shí)采集與顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì),讓人戴上3D眼鏡后可以實(shí)時(shí)看到立體畫(huà)面;另一方面,實(shí)現(xiàn)物體三維空間定位。

已實(shí)現(xiàn):基于紅藍(lán)3D眼鏡的立體視覺(jué)實(shí)時(shí)采集與顯示;紅外光點(diǎn)的三維空間定位。

將實(shí)現(xiàn):基于偏振3D眼鏡的立體視覺(jué)實(shí)時(shí)采集與顯示;簡(jiǎn)單環(huán)境下的物體空間定位及環(huán)境三維重建,并開(kāi)發(fā)成用于人機(jī)交互的設(shè)備。

設(shè)計(jì)總概

本設(shè)計(jì)為在FPGA片上完成的視頻、圖像采集與處理系統(tǒng),完成三維圖像的重建與數(shù)學(xué)建模。片上系統(tǒng)使用VHDL+Verilog聯(lián)合開(kāi)發(fā),具有很高的數(shù)據(jù)處理速度。該設(shè)計(jì)的兩個(gè)方面目前已初步實(shí)現(xiàn),圖像的采集、處理過(guò)程均由片上系統(tǒng)完成,為該設(shè)計(jì)的進(jìn)一步優(yōu)化打下了很好的基礎(chǔ)。

開(kāi)發(fā)工具

硬件方面:

  • Diglient ATLYS FPGA 開(kāi)發(fā)板
  • Diglient VmodCAM 模塊
  • LCD 顯示器
  • 計(jì)算機(jī)

軟件方面:

  • XILINX ISE
  • Digilent Adept
  • Processing

背景

根據(jù)有關(guān)科學(xué)統(tǒng)計(jì),人們通過(guò)視覺(jué)獲得的信息量約占獲得信息總量的70%。視覺(jué)信息中具有著很多有價(jià)值的信息量,但是由于視覺(jué)信息數(shù)據(jù)量大,處理過(guò)程復(fù)雜等因素,過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間中,視覺(jué)信息處理僅處于理論研究階段。

過(guò)去20年間,隨著IT產(chǎn)業(yè)的飛速前進(jìn),軟硬件方面均發(fā)生的翻天覆地的變化,這讓許多復(fù)雜的視覺(jué)信息的處理的過(guò)程變得越來(lái)越可實(shí)現(xiàn)化。

近幾年以來(lái),視頻圖像處理方向上的工程應(yīng)用越來(lái)越多,并已走入大多數(shù)人的生活。比如:指紋識(shí)別、Kinect體感器等等。

然而,目前的圖像處理過(guò)程的實(shí)現(xiàn)大多是基于軟件平臺(tái)的,如Intel開(kāi)發(fā)的圖像處理庫(kù)OpenCV等。對(duì)于低速、簡(jiǎn)單的圖像處理,軟件尚能勝任,但高速、雜的圖像處理過(guò)程用軟件處理起來(lái)很難達(dá)到實(shí)時(shí)性。鑒于這方面的原因,我們決定采用FPGA的并行處理、流水線處理能力實(shí)現(xiàn)視覺(jué)信息的高速處理。

通過(guò)FPGA做視覺(jué)信息處理的過(guò)程,不斷探索硬件圖像處理算法。同時(shí),圖像具有的很多方面特征用并行處理方式去完成將具有顯著優(yōu)勢(shì),這也將是未來(lái)圖像處理的一個(gè)重要發(fā)展方向。

設(shè)計(jì)介紹

第一部分:立體視頻采集與顯示

  • 系統(tǒng)組成:

?。?總體框圖:

本系統(tǒng)由從硬件上看由三大部分構(gòu)成,分別是用于圖像采集的攝像頭模塊、實(shí)現(xiàn)圖像處理的FPGA開(kāi)發(fā)板、進(jìn)行結(jié)果顯示的LCD顯示器。

2.硬件組成部分:

(1)攝像頭模塊:采用Digilent公司出品的VmodCAM攝像頭模塊。該模塊上搭載有兩個(gè)Micron公司的MT9D112 CMOS圖像傳感器(本系統(tǒng)中用到一個(gè))。該傳感器最高支持1600x900分辨率,采用IIC的配置協(xié)議,并且內(nèi)置PLL鎖相環(huán),能夠產(chǎn)生嚴(yán)格精準(zhǔn)相位的控制時(shí)鐘,達(dá)到高速高精度的目的。

  • 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng):本硬件平臺(tái)的數(shù)據(jù)圖像處理,智能識(shí)別系統(tǒng)由FPGA開(kāi)發(fā)板實(shí)現(xiàn)。本項(xiàng)目中使用的為Digilent公司的ATLYS FPGA 開(kāi)發(fā)板。其上集成的FPGA 芯片為Xilinx 公司生產(chǎn)的Spartan-6 LX45。該開(kāi)發(fā)板上集成有多個(gè)視頻輸入輸出接口(HDMI),適合做視頻處理。

  • 顯示模塊:我們采用液晶顯示器作為系統(tǒng)的顯示界面,達(dá)到可視化強(qiáng),便于實(shí)時(shí)的交互的效果。

  1. 片內(nèi)系統(tǒng)部分:

(1)系統(tǒng)架構(gòu)

(1)系統(tǒng)架構(gòu)

(2)攝像頭模塊

Input:

D_I(7:0):8-bit數(shù)據(jù)輸入(data input),來(lái)自片外的攝像頭模塊,傳輸像素的值,通常兩個(gè)時(shí)鐘的數(shù)據(jù)(16bit)組成一個(gè)像素值;

CLK:時(shí)鐘信號(hào),來(lái)自時(shí)鐘模塊Inst_SysCon的CAMCLK_O輸出;

CLK_180:時(shí)鐘信號(hào),來(lái)自時(shí)鐘模塊Inst_SysCon的CAMCLK_180_O輸出(應(yīng)該為CLK信號(hào)的180度相差信號(hào),用來(lái)與CLK協(xié)調(diào)完成D_I(7:0)到D_O(15:0)的轉(zhuǎn)化,起到像素前后部分的標(biāo)志位作用);

FV_I:幀有效信號(hào)(Frame Valid),也稱(chēng)場(chǎng)同步信號(hào),來(lái)自攝像頭模塊,輸出一幀圖像期間,電平為高,幀與幀之間時(shí),電平拉低;(參見(jiàn)MT9D112_DS Page28 Figure18)

LV_I:行有效信號(hào)(Line Valid),也稱(chēng)行同步信號(hào),來(lái)自攝像頭模塊,輸出圖像的一行期間,電平為高,行與行之間時(shí),電平拉低;(參見(jiàn)MT9D112_DS Page28 Figure18)

PCLK_I:信號(hào)來(lái)自CAM_PCLK_I經(jīng)過(guò)I/O緩沖器(IOBUF)后的輸出,邏輯上等價(jià)于CAM_PCLK_I;

RST_I:模塊復(fù)位信號(hào),來(lái)自SysCon模塊的ASYNC_RST端口。

Output:

D_O(15:0):16-bit數(shù)據(jù)輸出信號(hào)(RGB565),由兩個(gè)8-bit的輸入數(shù)據(jù)組裝得到,代表一個(gè)像素的顏色值等,輸出給FBCtl圖像緩存控制模塊的DIA(15:0);

DV_O:輸出給FBCtl圖像緩存控制模塊的ENA,作為使能信號(hào),每當(dāng)一個(gè)像素的16位數(shù)值配齊時(shí)置1;

MCLK_O:輸出給攝像頭,作為其外部時(shí)鐘信號(hào)XCLK的輸入(6—54MHz);

PCLK_O:輸出給FBCtl圖像緩存控制模塊的CLKA,來(lái)自于PCLK_I的緩沖,作為圖像存儲(chǔ)時(shí)的像素同步時(shí)鐘;

PWDN_O:恒定為0,直接輸出給攝像頭的,起到power_up功能;

RST_O:輸出給攝像頭,用作攝像頭復(fù)位(低有效);

VDDEN_O:與Inst_camctlB的相同端口求與后輸出到攝像頭的VDDEN管腳,應(yīng)該是連到攝像頭,作為工作接通通電源的使能信號(hào);

SCL:輸出到攝像頭的SCLK端口(FPGA→Camera),作為串行接口的時(shí)鐘輸入;

SDA:輸出到攝像頭的SDATA端口(FPGA↔Camera),作為串行接口的信號(hào)傳輸。

(3)圖像緩存控制模塊

Input:

ENC:來(lái)自VideoTimingCtl模塊的VDE_O端口,讀寫(xiě)控制();

RSTC_I:來(lái)自SysCon模塊的ASYNC_RST端口;

CLKC:來(lái)自SysCon模塊的PCLK_O端口;

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

ENB:來(lái)自CamCtlB模塊的DV_O端口,讀寫(xiě)控制(1寫(xiě));

RSTB_I:來(lái)自Inst_InputSync_FVB模塊的D_O端口取反與SysCon模塊的ASYNC_RST端口求或;

CLKB:來(lái)自CamCtlB模塊的PCLK_O端口;

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

ENA:來(lái)自CamCtlA模塊的DV_O端口,讀寫(xiě)控制(1寫(xiě));

RSTA_I:來(lái)自Inst_InputSync_FVA模塊的D_O端口取反與SysCon模塊的ASYNC_RST端口求或;

CLKA:來(lái)自CamCtlA模塊的PCLK_O端口;

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

ddr2clk_2x:來(lái)自SysCon模塊的DDR2CLK_2X_O端口;

ddr2clk_2x_180:來(lái)自SysCon模塊的DDR2CLK_2X_180_O端口;

pll_ce_0:來(lái)自SysCon模塊的PLL_CE_0_O端口;

pll_ce_90:來(lái)自SysCon模塊的PLL_CE_90_O端口;

pll_lock:來(lái)自SysCon模塊的PLL_LOCK端口;

async_rst:來(lái)自SysCon模塊的ASYNC_RST端口;

mcb_drp_clk:來(lái)自SysCon模塊的MCB_DRP_CLK_O端口;

RD_MODE(1:0):來(lái)自SysCon模塊的MSEL_O(1:0)端口;

DIB(15:0):來(lái)自Inst_camctlB模塊的D_O(15:0)端口;

DIA(15:0):來(lái)自Inst_camctlA模塊的D_O(15:0)端口;

Output:

RDY_O:該信號(hào)取反后與SysCon模塊的ASYNC_RST信號(hào)求或后輸給VideoTimingCtl模塊的RST_I端口;

mcb3_dram_ras_n:輸出給DDR2;

mcb3_dram_cas_n:輸出給DDR2;

mcb3_dram_we_n:輸出給DDR2;

mcb3_dram_odt:輸出給DDR2;

mcb3_dram_cke:輸出給DDR2;

mcb3_dram_dm:輸出給DDR2;

mcb3_dram_udm:輸出給DDR2;

mcb3_dram_ck:輸出給DDR2;

mcb3_dram_ck_n:輸出給DDR2;

DOC(15:0):輸出給DVITransmitter模塊的BLUE_I/GREEN_I/RED_I,以RGB565的方式自高位向低位排列;

mcb3_dram_a(12:0):輸出給DDR2;

mcb3_dram_ba(2:0):輸出給DDR2;

mcb3_dram_udqs:雙向端口,連接到DDR2;

mcb3_dram_udqs_n:雙向端口,連接到DDR2;

mcb3_rzq:雙向端口,連接到DDR2;

mcb3_zio:雙向端口,連接到DDR2;

mcb3_dram_dqs:雙向端口,連接到DDR2;

mcb3_dram_dqs_n:雙向端口,連接到DDR2;

mcb3_dram_dq(15:0):雙向端口,連接到DDR2;

  • 圖像處理實(shí)現(xiàn):

第二部分:三維空間定位

  • 硬件組成:
  1. 攝像頭模塊:在攝像頭前加裝了兩個(gè)850nm的紅外濾光片,用來(lái)濾出紅外光點(diǎn)。

  1. 紅外光點(diǎn):

  1. LCD顯示器:用于光點(diǎn)識(shí)別的顯示。

  1. 光點(diǎn)檢測(cè)片上模塊

模塊源代碼:

module center(

input pclk, // pixel clock

input din, // 1-bit pixel value, come from BW image buffer

input [11:0] Hcnt, // 0-1599 來(lái)自VideoTimmingCtl的HCNT_O

input [10:0] Vcnt, // 0-899 來(lái)自VideoTimmingCtl的 VCNT_O

output reg[11:0] center_h, // 0-1599,中點(diǎn)橫向坐標(biāo)

output reg [10:0] center_v // 0-899,中點(diǎn)縱向坐標(biāo)

);

reg [20:0] num; //亮點(diǎn)區(qū)像素總數(shù)

wire [19:0] h_num; //亮點(diǎn)區(qū)像素總數(shù)的一半

reg [20:0] num_cnt; //亮點(diǎn)區(qū)像素總數(shù)計(jì)數(shù)

reg [11:0] h_cnt; //中點(diǎn)橫向坐標(biāo)計(jì)數(shù)

reg [10:0] v_cnt; //中點(diǎn)縱向坐標(biāo)計(jì)數(shù)

reg [20:0] center_line_sum; //中間一行的有效像素橫坐標(biāo)和

reg [20:0] center_line_sum_cnt; //中間一行的有效像素橫坐標(biāo)和計(jì)數(shù)

reg [10:0] center_line_num; //中間一行的有效像素總數(shù)

reg [10:0] center_line_num_cnt; //中間一行的有效像素總數(shù)計(jì)數(shù)

assign h_num= num[20:1];

//有效區(qū)間

reg en;

always@(*) begin

if(Hcnt>0 Hcnt1599 Vcnt>0 Vcnt899)

en= 1;

else

en= 0;

end

//亮點(diǎn)區(qū)像素總數(shù)計(jì)數(shù)

always@(posedge pclk) begin

if(Hcnt==1 Vcnt==0) //掃描到像素點(diǎn)(1,0)處時(shí)

begin

num_cnt= 0;

end

else

if(din==1 en==1) num_cnt= num_cnt+1;

else num_cnt= num_cnt;

end

//中點(diǎn)縱坐標(biāo)計(jì)數(shù)

always@(posedge pclk) begin

if(num_cnth_num) v_cnt= Vcnt;

else v_cnt= v_cnt;

end

//中間一行有效像素橫坐標(biāo)和

always@(posedge pclk) begin

if(Hcnt==1 Vcnt==0) //掃描到像素點(diǎn)(1,0)處時(shí)

begin

center_line_sum_cnt= 0;

end

else

if(Vcnt==center_v en==1 din==1)

center_line_sum_cnt= center_line_sum_cnt + Hcnt;

else

center_line_sum_cnt= center_line_sum_cnt;

end

//中間一行的有效像素總數(shù)

always@(posedge pclk) begin

if(Hcnt==1 Vcnt==0) //掃描到像素點(diǎn)(1,0)處時(shí)

begin

center_line_num_cnt= 0;

end

else

if(Vcnt==center_v en==1 din==1)

center_line_num_cnt= center_line_num_cnt + 1;

else

center_line_num_cnt= center_line_num_cnt;

end

//除法器

wire rfd;

wire [10:0] fractional;

wire [20:0] quotient;

div Divider (

.rfd(rfd),

.clk(pclk),

.dividend(center_line_sum),

.quotient(quotient),

.divisor(center_line_num),

.fractional(fractional)

);

//一幀結(jié)尾賦值

always@(posedge pclk) begin

if(Hcnt==1598 Vcnt==899)//掃描到像素點(diǎn)(1598,899)處時(shí)

begin

num= num_cnt;

center_v= v_cnt;

center_h= quotient[11:0];

center_line_sum= center_line_sum_cnt;

center_line_num= center_line_num_cnt;

end

end

endmodule

  • 軟件部分:

PC上在Processing環(huán)境中開(kāi)發(fā)了一個(gè)3D動(dòng)畫(huà)界面,通過(guò)立方體模擬紅外光點(diǎn)的三維位置。該程序接收從開(kāi)發(fā)板經(jīng)由UART協(xié)議發(fā)來(lái)的光點(diǎn)坐標(biāo),并將結(jié)果顯示在窗口中。



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