基于FPGA的結(jié)構(gòu)光圖像中心線提取

2.3 運(yùn)算單元

　　運(yùn)算單元由乘法器和流水線加法樹(shù)兩部分構(gòu)成，乘法器的作用是執(zhí)行運(yùn)算中的坐標(biāo)值與像素相乘，流水線加法樹(shù)的作用是提高運(yùn)算速度以及減少運(yùn)算單元占用的硬件資源，該加法數(shù)設(shè)計(jì)為4段流水線結(jié)構(gòu)，第一段為6個(gè)2輸入的8位乘法器和2個(gè)2輸入的8位加法器以及2個(gè)延遲單元;第二段為2個(gè)2輸入的15位加法器和2個(gè)2輸入的9位加法器以及2個(gè)延遲單元;第三段為2個(gè)2輸入的16位加法器和2個(gè)延遲單元;第四段為2個(gè)除法器，作用是將運(yùn)算的像素與像素坐標(biāo)值的乘積累加后除以運(yùn)算的像素的累加值，輸出的結(jié)果即為中心點(diǎn) 的坐標(biāo)值。運(yùn)算如圖3和圖4所示。

3 FPGA實(shí)現(xiàn)的結(jié)果

　　本文FPGA采用的是Altera公司Cyclone III系列的EP3C40F484C6芯片，并在Altera公司的QUARTUS II 軟件平臺(tái)上，利用硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL 表達(dá)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于一幅大小為576行、720列的結(jié)構(gòu)光條紋圖像，以每秒25幀的速率到達(dá)時(shí)，利用配置為2.53GHz Intel CPU 、3GB內(nèi)存的通用微型計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)一幀大小為576行、720列的圖像進(jìn)行提取激光中心線操作，耗時(shí)71.5 毫秒。而利用以上專用硬件實(shí)現(xiàn)的算法經(jīng)過(guò)仿真的系統(tǒng)最高頻率達(dá)到100MHz ，高出了系統(tǒng)像素點(diǎn)時(shí)鐘頻率(50MHz )，處理同樣的一幀圖像需耗時(shí)4.1毫秒，速度提高將近20倍，且FPGA邏輯資源占用16% 。足以在視頻圖像輸入的同時(shí)完成計(jì)算，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。并將系統(tǒng)的采集圖片與處理后的圖片進(jìn)行比較，處理結(jié)果圖6圖7所示。圖6a、7a為采集圖像，圖6b、7b為MATLAB處理結(jié)果，圖6c、7c為EP3C40F484C6處理結(jié)果。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示可以看出：在精度上FPGA相比PC端稍好，體現(xiàn)在線條的細(xì)節(jié)表現(xiàn)及線條提取的平滑度上。而且在運(yùn)行速度上，F(xiàn)PGA提取速度明顯優(yōu)于PC機(jī)提取的速度。但是不足的是由于模板所取的寬度較小，所以對(duì)于一些光帶寬度較大，光強(qiáng)橫向分布不均勻的圖像，正如圖7所示，則該方法提取的圖形精度不高，圖像較為不平滑。這些也將是下一步需要研究的內(nèi)容。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　精度和速度是大數(shù)據(jù)量背景下中心線提取方法的核心指標(biāo)，本文利用FPGA硬件電路的并行體系結(jié)構(gòu)，將以FPGA為核心的實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量系統(tǒng)當(dāng)中，以硬件形式實(shí)現(xiàn)圖像光帶中心線提取的算法，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于這些寬度不大且分布均勻的結(jié)構(gòu)光，該方法對(duì)中心線提取精確、快速。滿足結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量的要求。

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