[發明專利]一種基于FPGA的關節臂激光掃描測頭激光光條圖像采集系統

在審

• 申請號: 201710095486.5
• 申請日: 2017-02-22
• 公開（公告）號: CN106871783A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 婁小平;王華;董明利;李偉仙;祝連慶;劉超;潘志康
• 申請（專利權）人: 北京信息科技大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 北京律恒立業知識產權代理事務所(特殊普通合伙)11416
• 代理人: 顧珊,龐立巖

1.一種基于FPGA的關節臂激光掃描測頭激光光條圖像采集系統，包括以下步驟：

步驟一：采用FPGA+CMOS的設計方法進行圖像的采集；

步驟二：采用FPGA+DSP的設計方法進行圖像的處理；

步驟三：使用外擴雙口RAM在FPGA和DSP之間進行圖像數據高速緩存；

步驟四：將得到的三維點信息通過串行接口傳送給上位機。

2.根據權利要求1所述的圖像采集系統，其特征在于，所述步驟一包括CMOS圖像傳感器和圖像采集控制部分，其中，所述CMOS圖像傳感器進行圖像采集，圖像采集控制部分采用FPGA作為主控單元，所述FPGA使用Verilog語言對其進行邏輯化設計，具體步驟是：光入射到CMOS圖像傳感器的感光區域，CMOS圖像傳感器將接收到的光信號轉換為電信號，并進行模數轉換，將數字信號傳送給FPGA，FPGA接收到這些信號后轉存入儲存模塊，得到一幀已傳完的信號后，FPGA向圖像處理器DSP傳送采集完畢信號。

3.根據權利要求1或2所述的圖像采集系統，其特征在于，所述CMOS圖像傳感器的時序和圖像成像原理如下:

在FPGA內部，產生OV5640CMOS圖像傳感器所需要的上電時序，CMOS圖像傳感器驅動模塊通過模擬I²C總線時序，對OV5640CMOS圖像傳感器寄存器值進行初始化配置，CMOS圖像傳感器初始化完成后，利用光電效應將接收到的光信號轉化為電信號，經過A/D轉換后，以數字信號形式將圖像信號傳送給FPGA。

4.根據權利要求1所述的圖像采集系統，其特征在于，所述步驟二包括DSP圖像處理器，其中DSP圖像處理器接收到圖像采集部分的傳送采集完畢信號后，從儲存模塊讀取圖像信息，對圖像進行處理。

5.根據權利要求1或4所述的圖像采集系統，其特征在于，在DSP中，對采集到的圖像進行處理的具體的步驟如下：

①攝像機標定

攝像機標定使用的是張正友的方法，這種方法是基于2D平面靶標的攝像機標定方法，假設標定用平面靶標在世界坐標系中，通過線性模型分析計算得出攝像機參數的優化解，然后用基于最大似然法進行非線性求解，在這個過程中標定出考慮鏡頭畸變的目標函數，最后求出所需的攝像機內外參數；

②光條中心提取

使用的光條中心提取算法是Steger算法，該算法利用Hessian矩陣得到圖像中光條紋的法線方向，在光條圖像中，Hessian矩陣表示為

$H\left(x,y\right)=\left[\begin{array}{cc}\frac{{\∂}^{2}g\left(x,y\right)}{\∂x^2}& \frac{{\∂}^{2}g\left(x,y\right)}{\∂x\∂y}\\ \frac{{\∂}^{2}g\left(x,y\right)}{\∂x\∂y}& \frac{{\∂}^{2}g\left(x,y\right)}{\∂y^2}\end{array}\right]\⊗z\left(x,y\right)=\left[\begin{array}{cc}{r}_{xx}& r_{xy}\\ r_{xy}& r_{yy}\end{array}\right]---\left(1\right)$

圖像中點的法線方向由該點的Hessian矩陣最大特征值的絕對值對應的特征向量給出，通過在法線方向上求極值點得到光條紋中心的亞像素位置；公式中g(x,y)是二維高斯卷積模板，z(x,y)是以圖像點為中心，大小與二維高斯卷積模板相等的圖像矩陣；

③解算

由攝像機模型和光平面模型聯立方程組可以得到系統的解算模型，

攝像機模型如式(2)

$s\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\α}}_x& 0& u_0& 0\\ 0& {\mathrm{\α}}_y& v_0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\\ 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

光平面方程如式(3)

Ax+By+Cz+1＝0 (3)

兩式聯立得到的結算模型為

$s\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{a}_x& 0& u_0& 0\\ 0& a_y& v_0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ A& B& C& -1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\\ 1\end{array}\right]---\left(4\right)$

6.根據權利要求1所述的圖像采集系統，其特征在于，所述步驟三中，圖像采集模塊控制CMOS，以25幀/s的速率向FPGA輸送圖像數據，通過FPGA的控制將圖像數據緩存在片外的SDRAM(幀存模塊)中，FPGA存儲完一幀圖像后，FPGA通過邏輯控制打開數據高速緩沖通道，使圖像數據從幀存模塊移至高速緩沖模塊中，DSP再讀取雙口RAM中的圖像數據，進行圖像處理。