SOPC技術(shù)在視覺(jué)測(cè)量中的設(shè)計(jì)方案與應(yīng)用

　　1引言

　　視覺(jué)測(cè)量技術(shù)是以機(jī)器視覺(jué)技術(shù)為基礎(chǔ)，融合電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、近景攝影測(cè)量技術(shù)、圖像處理技術(shù)為一體的測(cè)量技術(shù)，其基本任務(wù)是以測(cè)量為目的，從圖像信息出發(fā)計(jì)算三維空間中物體的幾何信息。其中，圖像處理技術(shù)是視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)中最重要的一部分，也是本文的研究重點(diǎn)。

　　傳統(tǒng)的視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)主要是在 PC機(jī)上采用軟件方式實(shí)現(xiàn)，由于其專用性不夠高，因此處理速度較慢。近年來(lái)，基于 FPGA的 SOPC技術(shù)的出現(xiàn)，使 FPGA高效的硬件并行信號(hào)處理能力和軟件控制的靈活性完美的結(jié)合到一起。在 SOPC系統(tǒng)中，對(duì)速度要求高的算法可以采用自定義硬件邏輯的方法實(shí)現(xiàn)；而用硬件難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜算法以及控制流程可以在 Nios II核中以軟件方式實(shí)現(xiàn)。因此基于 SOPC技術(shù)的系統(tǒng)具有很好的實(shí)時(shí)性、靈活性以及可擴(kuò)展性。設(shè)計(jì)者可以自由的進(jìn)行軟硬協(xié)同設(shè)計(jì)，并且可以在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段不受限制的修改設(shè)計(jì)而無(wú)需重新構(gòu)建硬件平臺(tái)。

　　本文所討論的 SOPC系統(tǒng)是大尺寸三維視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的一部分，以 PCI板卡的形式內(nèi)嵌在 PC機(jī)中。在整個(gè)大尺寸三維視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)中，采用數(shù)字相機(jī)從不同位置拍攝多幅圖像，經(jīng)過(guò)特征點(diǎn)提取、點(diǎn)中心的二維坐標(biāo)計(jì)算、特征點(diǎn)匹配、三維拼接、面形擬合等步驟，得到被測(cè)物體的三維面形信息。點(diǎn)中心的計(jì)算精度直接影響測(cè)量精度，且其計(jì)算速度一直是系統(tǒng)的瓶頸之一。為提高處理速度和計(jì)算精度，采用 SOPC系統(tǒng)完成特征點(diǎn)提取和點(diǎn)中心計(jì)算，其結(jié)果通過(guò) PCI總線上傳給 PC機(jī)，由其上的軟件模塊完成后續(xù)的計(jì)算和處理工作。

　　2 SOPC系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

　　本系統(tǒng)采用加拿大 SBS公司的 TSUNAMI A40系列開(kāi)發(fā)板，其核心的 FPGA模塊是 Altera公司的 Stratix EP1S40芯片。

　　2.1 系統(tǒng)算法的基本原理

　　系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)流程如圖 1所示。首先，針對(duì)本系統(tǒng)圖像處理的要求與算法實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)進(jìn)行軟硬件劃分。圖像預(yù)處理部分所需要處理的數(shù)據(jù)量比較大，但算法相對(duì)簡(jiǎn)單，可以通過(guò) FPGA自定義相應(yīng)的 IP模塊，采用硬件的方式實(shí)現(xiàn)；后續(xù)處理部分由于算法相對(duì)復(fù)雜，用硬件實(shí)現(xiàn)比較困難，而且其數(shù)據(jù)處理量不大，所以采用在 Nios II軟核中以軟件的方式實(shí)現(xiàn)。最后編寫(xiě)系統(tǒng)控制軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制使軟硬件協(xié)同工作。

　　2.2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方案

　　如圖 2所示，本系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)板通過(guò) PCI橋與 PC機(jī)相連，原始圖片保存在 PC機(jī)中。 PCI-Avalon橋是 PC機(jī)與 FPGA開(kāi)發(fā)板的通信接口，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò) PCI-Avalon橋進(jìn)入系統(tǒng)處理模塊。Sdram管理控制器用來(lái)管理和控制 Sdram中的數(shù)據(jù)存取?？刂齐娐酚脕?lái)控制與協(xié)調(diào)各個(gè)外設(shè)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)控制與數(shù)據(jù)傳輸?shù)然静僮?，包括讀取 Sdram中保存的圖像數(shù)據(jù)，控制圖像處理各模塊。 Sdram用來(lái)保存圖像數(shù)據(jù)。原始圖像數(shù)據(jù)最初由 PC機(jī)下載到 Sdram中，再通過(guò) Sdram管理控制器傳輸給各處理模塊依次處理。處理后的圖像數(shù)據(jù)仍然通過(guò) Sdram管理控制器返回 Sdram中保存。最后通過(guò) PCI橋把最終圖像返回到 PC機(jī)。