FPGA+DSP實(shí)時(shí)三維圖像信息處理系統(tǒng)

　　2.2 FPGA圖像預(yù)處理模塊

　　預(yù)處理從巨大的視頻信息中提取極少量的對(duì)三維重建有用的信息傳送至DSP后處理。該模塊包括主處理FPGA芯片和高速FIFO，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集視頻信號(hào)并對(duì)采集到的無(wú)壓縮的視頻信息進(jìn)行預(yù)處理，包括提取激光中心線、提取輪廓線、提取中心顏色線三個(gè)部分。

　　為了提高視頻采集的整體性能，更重要的是為預(yù)處理提供相鄰的有激光幀和無(wú)激光幀，必須通過(guò)視頻幀緩存首先暫存無(wú)激光幀。緩存由3片AverLogic公司的AL422B及一些由FPGA實(shí)現(xiàn)的連接邏輯組成；當(dāng)前端模塊輸出無(wú)激光幀時(shí)，SA7111A控制3片AL422B寫(xiě)操作，將其存入FIFO；當(dāng)前端輸出有激光幀時(shí)，后端的視頻處理模塊控制3片AL422B進(jìn)行讀操作，讀出暫存在其中的無(wú)激光幀數(shù)據(jù)。預(yù)處理FPGA將讀取的無(wú)激光幀和有激光幀進(jìn)行相減運(yùn)算。輸出同樣采用3組緩存分別用來(lái)暫存激光樣條數(shù)據(jù)、目標(biāo)輪廓線數(shù)據(jù)和圖像中心線數(shù)據(jù)；所有模塊均采用同步時(shí)鐘控制，同步時(shí)鐘采用由SAA7111A模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的LLC2信號(hào)。為了提高系統(tǒng)速度，算法復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)的計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了流水線處理。

　　2.3 DSP三維重建模塊

　　為了應(yīng)對(duì)三維圖像大數(shù)據(jù)量復(fù)雜高速運(yùn)算的需要，這里采用了兩片TigerSHARC 201芯片并行三維重建運(yùn)算。由控制FPGA對(duì)兩片DSP所要處理的圖像進(jìn)行任務(wù)分配，DSP結(jié)合預(yù)處理FPGA存入FIFO的數(shù)據(jù)和PCI總線所給處理參數(shù)進(jìn)行定標(biāo)參數(shù)計(jì)算、坐標(biāo)計(jì)算、三維重建和構(gòu)型。由于TS201內(nèi)部集成的總線仲裁機(jī)制，雙DSP可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，大大減小了多DSP協(xié)調(diào)工作的設(shè)計(jì)難度。DSP間的連接是依靠其擁有的全雙工LinkPort，它采用LVDS（低電平差分信號(hào)）輸入數(shù)據(jù)。鏈路口能獨(dú)立或同時(shí)工作，在時(shí)鐘的上升沿和下降沿鎖存數(shù)據(jù)。鏈路時(shí)鐘頻率最高可以與處理器核相同，高達(dá)500MHz，每個(gè)鏈路能完成500Mbps的單向數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)DSP的4個(gè)LinkPort合起來(lái)最大的通透率為4.0Gbps。連線短且簡(jiǎn)單，不需要額外的輔助電路，且可有效防止連線長(zhǎng)引起的信號(hào)畸變。LinkPort傳輸協(xié)議由控制FPGA完成。

　　2.4 PCI通信接口模塊

　　根據(jù)三維信息獲取系統(tǒng)的速度傳輸要求，采用PCI接口完成該系統(tǒng)與通用PC的信息交互。PCI接口控制器是硬件部分的控制中心和數(shù)據(jù)交換中心，它接收設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的命令和數(shù)據(jù)，配置和控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊使其協(xié)調(diào)工作，完成系統(tǒng)任務(wù)；它還負(fù)責(zé)將采集到和處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)PCI總線轉(zhuǎn)送給通用PC。本系統(tǒng)采用PLX公司的32bit/33MHz PCI9030作為接口芯片，串行EEPROM-FM93CS56L電可擦除只讀存儲(chǔ)器保存PCI9030的配置信息。

　　2.5 系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)交換模塊

　　控制單元對(duì)處理器的數(shù)據(jù)處理單元和輸入數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換單元以及所有FIFO存儲(chǔ)器產(chǎn)生控制，與預(yù)處理FPGA配合完成DSP的LinkPort協(xié)議。由于數(shù)據(jù)處理單元中為流水處理，在控制單元的設(shè)計(jì)中要特別注意由流水線產(chǎn)生的固定周期的延時(shí)，延時(shí)的周期數(shù)等于相應(yīng)流水線的級(jí)數(shù)?？刂茊卧€與PCI接口連接，接收來(lái)自主計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)和背景閾值等信息?？刂艶PGA還是SAA7111A、PCI接口和DSP之間的圖像和信息交換的橋梁，為其提供所需要的參數(shù)和數(shù)據(jù)信息。

　　3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　3.1 圖像預(yù)處理算法

　　如圖3，激光帶預(yù)處理算法的實(shí)現(xiàn)[2]為：由于有激光幀和無(wú)激光幀是依次交替產(chǎn)生的，因此首先要保存一幀有激光幀，在其下一幀，即無(wú)激光幀到來(lái)時(shí)，將保存的有激光幀和當(dāng)前無(wú)激光幀的相同行、列的點(diǎn)相減，再對(duì)結(jié)果進(jìn)行亮度提取，處理完成后的數(shù)據(jù)存入目標(biāo)緩存。

　　如圖4，實(shí)現(xiàn)提取輪廓線算法分為三個(gè)部分[3]，首先由計(jì)算比較模塊對(duì)輸入像素點(diǎn)的值與預(yù)先計(jì)算好的閾值進(jìn)行比較，判斷其是否為目標(biāo)像素；然后利用一個(gè)序列檢測(cè)模塊進(jìn)行一維尺度濾波以去除某些噪聲點(diǎn)；再經(jīng)過(guò)一個(gè)邊緣檢測(cè)模塊，提取出每行的第一個(gè)目標(biāo)像素作為目標(biāo)的左邊緣點(diǎn)；完成后將此點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的列地址數(shù)據(jù)存入目標(biāo)緩存。在某些情況下，可能整行都檢測(cè)不到邊緣點(diǎn)，這時(shí)將0存入目標(biāo)緩存作為無(wú)邊緣點(diǎn)的標(biāo)識(shí)。

　　提取中心線算法實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，只需對(duì)目標(biāo)緩存的寫(xiě)允許信號(hào)加以控制，使RGB數(shù)據(jù)只能在每行的中心點(diǎn)處寫(xiě)入目標(biāo)緩存即可。

　　3.2 三維重建和構(gòu)型

　　如圖5所示，高速DSP將根據(jù)預(yù)處理信息得到的激光標(biāo)志線、輪廓線和中心顏色線數(shù)據(jù)與源數(shù)字化圖像結(jié)合起來(lái)進(jìn)行三維重建。首先根據(jù)獲取的圖像標(biāo)志點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)合控制點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算出系統(tǒng)定標(biāo)數(shù)據(jù)；其次根據(jù)輪廓線計(jì)算物體外表面展開(kāi)圖，再依據(jù)定標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)合展開(kāi)圖和機(jī)械參數(shù)對(duì)圖像中的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，給出數(shù)據(jù)集，輸出深度數(shù)據(jù)文件；最后對(duì)多次掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，將離散點(diǎn)構(gòu)型成立體模型（或立體彩色模型），將模型生成DXF、STL等數(shù)據(jù)文件傳入PC機(jī)，使用后端處理軟件進(jìn)行顯示[3]。