專利名稱：一種基于fpga的片上實時高速三維復現方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于FPGA的片上實時高速三維復現方法，用于對三維形貌測量時的條紋圖像進行實時高速的相位解算與三維復現數據處理。本發(fā)明屬于光學三維測量技術領域。
背景技術：
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，但是由于要求測頭與被測物接觸，不可避免地會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，而且當測頭無法接觸到物體時無法進行測量。與之相比，非接觸式測量避免了與被測物直接接觸，掃描速度也不受機械限制，測量環(huán)境要求也不高，可實現高溫、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、結構光法、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構簡單、測量精度高、測量速度快的優(yōu)點，一次測量中可以得到物體表面稠密的三維點云，可以有效適應工業(yè)需要。目前國內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、時域相展開法以及外差多頻相展開法?？臻g相展開發(fā)包括支切法、質量導向圖法、最小斷點法、標記法、區(qū)域相展開法、最小生成樹法、遺傳算法、細胞自動機法、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果的影響，但在處理遮擋、陰影等問題時依舊存在無法解決的問題。時域相展開法相比于空間相展開法，是將每個像素點按時間軸進行相位展開計算，從而使各個點的結算相對獨立，低信噪比的區(qū)域不會影響其他點的計算，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據處理上，大都使用計算機對獲得的數據進行處理。在使用計算機進行數據處理的過程中，數據的傳輸、存儲與運算是減緩整體運算時間的主要原因；另外由于計算機無法進行并行計算，這也大大降低了運算速度。而相比之下，利用硬件化的FPGA進行數據處理，一方面可以減少由傳感器到處理核心的傳輸、存儲時間；另一方面可以實現左右相機圖像數據的并行計算。這使得基于FPGA的三維復現方法的實時高速性有了保證。目前國內還沒有此類基于FPGA的三維復現方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明是一種基于FPGA的片上實時高速三維復現方法，用以克服現有非接觸光學主動三維測量方法在在條紋圖像在進行相位解算與三維復現時速度慢的問題。本發(fā)明的技術解決方案為一種基于FPGA的片上實時高速三維復現方法，該方法包括數據采集與預處理、標記背景、譯碼器解相、外差多頻相展開立體匹配與三維復現。具體發(fā)明內容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上對數據進行預處理后存儲到RAM中。
步驟二 對于一組同一頻率的條紋圖像進行背景標記。利用公式4[8(17)]2=[&(X, y) -gi (X，y) ]2+[g0 (χ，y) -g2 (χ, y) ]2與事先在FPGA中設定的閾值Bt標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(x，y)處的灰度值，B(x，y)表示點(x，y)處的背景參量。 步驟三根據公式
權利要求
1.一種基于FPGA的片上實時高速三維復現方法，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上對數據進行預處理后存儲到RAM中； 步驟二 對于一組同一頻率的條紋圖像進行背景標記；利用公式4[B(x，y)]2=[g3(x, y)-gl(x, y)]2+[g0(x, y)-g2(x, y)]2與事先在FPGA中設定的閾值Bt標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(x，y)處的灰度值，B(x, y)表示點(X，y)處的背景參量； 步驟三:根據公式
2.根據權利要求I所述的一種基于FPGA的片上實時高速三維復現方法，其特征在于步驟一中所述的對數據進行預處理是將采集的某一頻率的條紋圖像存儲到RAM中，以備在之后的運算中同時讀取一個像素位置不同相移的數據。
3.根據權利要求I所述的一種基于FPGA的片上實時高速三維復現方法，其特征在于步驟二中所述的背景標記是指計算每個像素的調制度B (x, y)，如果小于閾值Βτ，則說明是背景或噪聲點，在解相時不予計算這個點；由于背景閾值是事先在FPGA中設計固化的，在比較時節(jié)省計算速度。
4.根據權利要求I所述的一種基于FPGA的片上實時高速三維復現方法，其特征在于步驟三中所述的整形化是指由于FPGA處理數據均是整形，因此根據需要的精度將
5.根據權利要求I所述的一種基于FPGA的片上實時高速三維復現方法，其特征在于 步驟四中所述的外差相展開法，在公式病
6.根據權利要求I所述的一種基于FPGA的片上實時高速三維復現方法，其特征在于步驟五中所述的對于左右相機，以上步驟可以同時處理實現并行計算；由于在左右相機匹配的過程中需要用到相機標定結果，這是在計算過程中不變的，因此將其事先固化在FPGA中，以實現實時高速 運算。
全文摘要
一種基于FPGA的片上實時高速三維復現方法，它有五大步驟。本發(fā)明用于三維形貌測量的多頻條紋圖像數據處理與整體形貌的三維復現?；贔PGA的本方法，方法包括數據采集與預處理、標記背景、譯碼器解相、外差多頻相展開立體匹配與三維復現。在進行相位解算是使用了預先固化在片內的解相譯碼器模塊，克服了在泰勒級數運算造成的總體運算速度慢、資源消耗大的缺點，同時對于不同頻率的條紋圖像實現數據的實時處理。該方法具有速度快、功耗低、可靠性好的特點，可用于表面三維形貌的光學非接觸測量。
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)先權日2012年10月18日
發(fā)明者趙慧潔, 刁曉淳, 劉小康, 姜宏志 申請人:北京航空航天大學