一種基于FPGA的片上實(shí)時(shí)高速三維復(fù)現(xiàn)方法技術(shù)

一種基于FPGA的片上實(shí)時(shí)高速三維復(fù)現(xiàn)方法，它有五大步驟。本發(fā)明專利技術(shù)用于三維形貌測量的多頻條紋圖像數(shù)據(jù)處理與整體形貌的三維復(fù)現(xiàn)。基于FPGA的本方法，方法包括數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理、標(biāo)記背景、譯碼器解相、外差多頻相展開立體匹配與三維復(fù)現(xiàn)。在進(jìn)行相位解算是使用了預(yù)先固化在片內(nèi)的解相譯碼器模塊，克服了在泰勒級數(shù)運(yùn)算造成的總體運(yùn)算速度慢、資源消耗大的缺點(diǎn)，同時(shí)對于不同頻率的條紋圖像實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。該方法具有速度快、功耗低、可靠性好的特點(diǎn)，可用于表面三維形貌的光學(xué)非接觸測量。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種基于FPGA的片上實(shí)時(shí)高速三維復(fù)現(xiàn)方法，用于對三維形貌測量時(shí)的條紋圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)高速的相位解算與三維復(fù)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。本專利技術(shù)屬于光學(xué)三維測量

技術(shù)介紹
按檢測方法分，目前對物體三維形貌測量可分為接觸式與非接觸式兩大類。雖然接觸式測量有著精度高范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，但是由于要求測頭與被測物接觸，不可避免地會(huì)造成被測物表面的變形與損傷，因而不適合柔軟物體的測量，而且當(dāng)測頭無法接觸到物體時(shí)無法進(jìn)行測量。與之相比，非接觸式測量避免了與被測物直接接觸，掃描速度也不受機(jī)械限制，測量環(huán)境要求也不高，可實(shí)現(xiàn)高溫、高壓等惡劣環(huán)境下的測量。目前主要的非接觸式測量方法可分為激光掃描法、結(jié)構(gòu)光法、立體視覺法以及工業(yè)CT法等。 在各種方法中，投影柵相位法具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、測量速度快的優(yōu)點(diǎn)，一次測量中可以得到物體表面稠密的三維點(diǎn)云，可以有效適應(yīng)工業(yè)需要。目前國內(nèi)外研究投影柵相位法的相展開方法可分為三類空間相展開法、時(shí)域相展開法以及外差多頻相展開法。空間相展開發(fā)包括支切法、質(zhì)量導(dǎo)向圖法、最小斷點(diǎn)法、標(biāo)記法、區(qū)域相展開法、最小生成樹法、遺傳算法、細(xì)胞自動(dòng)機(jī)法、Lp-Norm法等。這些方法雖然能夠從不同程度上減少噪聲對相展開結(jié)果的影響，但在處理遮擋、陰影等問題時(shí)依舊存在無法解決的問題。時(shí)域相展開法相比于空間相展開法，是將每個(gè)像素點(diǎn)按時(shí)間軸進(jìn)行相位展開計(jì)算，從而使各個(gè)點(diǎn)的結(jié)算相對獨(dú)立，低信噪比的區(qū)域不會(huì)影響其他點(diǎn)的計(jì)算，避免了空間相展開過程中傳播誤差所帶來的不良影響。目前在投影柵相位法的數(shù)據(jù)處理上，大都使用計(jì)算機(jī)對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的過程中，數(shù)據(jù)的傳輸、存儲(chǔ)與運(yùn)算是減緩整體運(yùn)算時(shí)間的主要原因；另外由于計(jì)算機(jī)無法進(jìn)行并行計(jì)算，這也大大降低了運(yùn)算速度。而相比之下，利用硬件化的FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，一方面可以減少由傳感器到處理核心的傳輸、存儲(chǔ)時(shí)間；另一方面可以實(shí)現(xiàn)左右相機(jī)圖像數(shù)據(jù)的并行計(jì)算。這使得基于FPGA的三維復(fù)現(xiàn)方法的實(shí)時(shí)高速性有了保證。目前國內(nèi)還沒有此類基于FPGA的三維復(fù)現(xiàn)方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)是一種基于FPGA的片上實(shí)時(shí)高速三維復(fù)現(xiàn)方法，用以克服現(xiàn)有非接觸光學(xué)主動(dòng)三維測量方法在在條紋圖像在進(jìn)行相位解算與三維復(fù)現(xiàn)時(shí)速度慢的問題。本專利技術(shù)的技術(shù)解決方案為一種基于FPGA的片上實(shí)時(shí)高速三維復(fù)現(xiàn)方法，該方法包括數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理、標(biāo)記背景、譯碼器解相、外差多頻相展開立體匹配與三維復(fù)現(xiàn)。具體
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
包括以下步驟步驟一首先采集某一頻率不同相移的條紋圖像，依照該傳感器的圖像的傳輸形式在FPGA上對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后存儲(chǔ)到RAM中。步驟二 對于一組同一頻率的條紋圖像進(jìn)行背景標(biāo)記。利用公式42=2+2與事先在FPGA中設(shè)定的閾值Bt標(biāo)記出有效的圖像像素位置。上式中的符號說明如下gi(x，y)表示第i幅圖像在點(diǎn)(x，y)處的灰度值，B(x，y)表示點(diǎn)(x，y)處的背景參量。 步驟三根據(jù)公式權(quán)利要求1.一種基于FPGA的片上實(shí)時(shí)高速三維復(fù)現(xiàn)方法，其特征在于該方法包括以下步驟 步驟一首先采集某一頻率不同相移的條紋圖像，依照該傳感器的圖像的傳輸形式在FPGA上對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后存儲(chǔ)到RAM中； 步驟二 對于一組同一頻率的條紋圖像進(jìn)行背景標(biāo)記；利用公式42=2+2與事先在FPGA中設(shè)定的閾值Bt標(biāo)記出有效的圖像像素位置；上式中的符號說明如下gi(x，y)表示第i幅圖像在點(diǎn)(x，y)處的灰度值，B(x, y)表示點(diǎn)(X，y)處的背景參量； 步驟三:根據(jù)公式2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于FPGA的片上實(shí)時(shí)高速三維復(fù)現(xiàn)方法，其特征在于步驟一中所述的對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理是將采集的某一頻率的條紋圖像存儲(chǔ)到RAM中，以備在之后的運(yùn)算中同時(shí)讀取一個(gè)像素位置不同相移的數(shù)據(jù)。3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于FPGA的片上實(shí)時(shí)高速三維復(fù)現(xiàn)方法，其特征在于步驟二中所述的背景標(biāo)記是指計(jì)算每個(gè)像素的調(diào)制度B (x, y)，如果小于閾值Βτ，則說明是背景或噪聲點(diǎn)，在解相時(shí)不予計(jì)算這個(gè)點(diǎn)；由于背景閾值是事先在FPGA中設(shè)計(jì)固化的，在比較時(shí)節(jié)省計(jì)算速度。4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于FPGA的片上實(shí)時(shí)高速三維復(fù)現(xiàn)方法，其特征在于步驟三中所述的整形化是指由于FPGA處理數(shù)據(jù)均是整形，因此根據(jù)需要的精度將5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于FPGA的片上實(shí)時(shí)高速三維復(fù)現(xiàn)方法，其特征在于 步驟四中所述的外差相展開法，在公式病6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于FPGA的片上實(shí)時(shí)高速三維復(fù)現(xiàn)方法，其特征在于步驟五中所述的對于左右相機(jī)，以上步驟可以同時(shí)處理實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算；由于在左右相機(jī)匹配的過程中需要用到相機(jī)標(biāo)定結(jié)果，這是在計(jì)算過程中不變的，因此將其事先固化在FPGA中，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高速 運(yùn)算。全文摘要一種基于FPGA的片上實(shí)時(shí)高速三維復(fù)現(xiàn)方法，它有五大步驟。本專利技術(shù)用于三維形貌測量的多頻條紋圖像數(shù)據(jù)處理與整體形貌的三維復(fù)現(xiàn)。基于FPGA的本方法，方法包括數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理、標(biāo)記背景、譯碼器解相、外差多頻相展開立體匹配與三維復(fù)現(xiàn)。在進(jìn)行相位解算是使用了預(yù)先固化在片內(nèi)的解相譯碼器模塊，克服了在泰勒級數(shù)運(yùn)算造成的總體運(yùn)算速度慢、資源消耗大的缺點(diǎn)，同時(shí)對于不同頻率的條紋圖像實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。該方法具有速度快、功耗低、可靠性好的特點(diǎn)，可用于表面三維形貌的光學(xué)非接觸測量。文檔編號G06T7/00GK102944192SQ20121039775公開日2013年2月27日 申請日期2012年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月18日專利技術(shù)者趙慧潔, 刁曉淳, 劉小康, 姜宏志 申請人:北京航空航天大學(xué)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于FPGA的片上實(shí)時(shí)高速三維復(fù)現(xiàn)方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：步驟一：首先采集某一頻率不同相移的條紋圖像，依照該傳感器的圖像的傳輸形式在FPGA上對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后存儲(chǔ)到RAM中；步驟二：對于一組同一頻率的條紋圖像進(jìn)行背景標(biāo)記；利用公式4[B(x,y)]2=[g3(x,y)?g1(x,y)]2+[g0(x,y)?g2(x,y)]2與事先在FPGA中設(shè)定的閾值BT標(biāo)記出有效的圖像像素位置；上式中的符號說明如下：gi(x,y)表示第i幅圖像在點(diǎn)(x,y)處的灰度值，B(x,y)表示點(diǎn)(x,y)處的背景參量；步驟三：根據(jù)公式Φ(x,y)=arctang3(x,y)-g1(x,y)g0(x,y)-g2(x,y),將之前的計(jì)算結(jié)果整形化，在FPGA上進(jìn)行硬件化的反正切譯碼，得到相位解算結(jié)果；步驟四：在所有頻率的條紋圖像均獲取且處理完成之后，利用公式進(jìn)行外差相展開法，得到結(jié)果后存儲(chǔ)到RAM中；上式中的符號說明如下：Φb(x,y)是相位展開前的條紋相位，λ1、λ2是不同周期條紋的周期長度；步驟五：對于左右相機(jī)，以上步驟可以同時(shí)處理實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，得到結(jié)果之后，通過事先固化在FPGA中的相機(jī)標(biāo)定結(jié)果，對左右相機(jī)的相展開結(jié)果進(jìn)行立體匹配與三維復(fù)現(xiàn)。FDA00002272812400012.jpg...

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙慧潔，刁曉淳，劉小康，姜宏志，
申請(專利權(quán))人：北京航空航天大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：