[發明專利]一種基于FPGA異構處理的三維測量加速系統

在審

• 申請號: 202110843298.2
• 申請日: 2021-07-26
• 公開（公告）號: CN113720271A
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發明（設計）人: 潘銀飛;封學勇
• 申請（專利權）人: 無錫維度投資管理合伙企業（有限合伙）
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 陸麗莉;何梅生

本發明公開了一種基于FPGA異構處理的三維測量加速系統，該系統主要由系統總線互聯的FPGA、處理器和存儲器三個單元構成，FPGA中包含依次連接的相機接口、圖像序列緩存、包裹相位計算、絕對相位計算和直接內存訪問模塊，以實現多個相同頻率條紋圖的包裹相位計算、不同頻率相位圖的逐級解包裹；并通過直接內存訪問模塊將FPGA處理的圖像相位數據傳輸到處理器可訪問的存儲器中，從而利用處理器實現待測物體表面點云的計算。本發明基于片上系統或板卡系統實現，實現方式靈活；異構處理的方式提高了各模塊的計算資源效率，從而有效減少了FPGA資源的使用，并且保證了三維測量的精度。

技術領域

本發明屬于機器視覺測量領域，涉及一種基于FPGA異構處理的三維測量加速系統。

背景技術

三維測量技術在移動消費、自動駕駛、逆向工程、工業檢測和生物醫療等領域具有重要的價值。條紋投影輪廓術由于其全場測量能力和靈活性被廣泛應用于三維測量領域。該技術的基本原理就是利用投影儀投射一定數量的預設模式圖，然后從被物體調制的模式圖中解算三維信息。然而，由于該方法具有算法復雜、處理數據量大等特點，實時高精度的三維測量一直面臨嚴峻的挑戰。

為了解決這個問題，很多學者利用FPGA硬件對上述相移輪廓測量算法進行加速，然而，高效的硬件實現需要使用定點數據和定點算法，這就在一定程度上犧牲了三維測量的精度。當使用較高的數據位數進行定點運算以保證算法精度時，所需要的FPGA資源又會急劇增加。因此，利用純粹的FPGA平臺進行加速，無法滿足三維測量的精度要求；另外，僅基于FPGA的加速系統通常對FPGA的性能要求較高，從而導致成本增加。

發明內容

針對現有技術中存在的以上問題，本發明提供了一種基于FPGA異構處理的三維測量加速系統，以期通過充分利用各計算平臺的優勢，在有效降低對FPGA性能和資源要求的基礎上，實現三維測量中大量圖像數據的高速處理，并提高三維測量的精度。

本發明為達到上述發明目的，采用如下技術方案：

本發明一種基于FPGA異構處理的三維測量加速系統的特點在于，由系統總線互聯的FPGA單元、處理器單元和存儲器單元構成，所述FPGA單元中包含依次連接的相機接口模塊、圖像序列緩存模塊、包裹相位計算模塊、絕對相位計算模塊和直接內存訪問模塊；所述處理器單元包括點云計算模塊；

所述相機接口模塊獲取外部相機所采集的M個頻率、N個相位的原始圖像數據并進行格式轉換，得到像素流格式的圖像數據后發送給圖像序列緩存模塊；所述原始圖像數據是由投影儀投射到待測物體表面，并經過待測物體表面調制的光柵條紋圖像；

所述圖像序列緩存模塊對所述像素流格式的圖像數據中同一頻率的光柵條紋圖像進行緩存和同步，從而使得各條紋圖像相同位置處的像素同時可用；

所述包裹相位計算模塊對同步后的相同頻率的條紋圖像進行包裹相位計算，得到每個頻率條紋圖像在[0，2π)區間的初始相位值，并計算M個頻率的原始圖像數據中最高頻率的條紋圖像的調制度；

所述絕對相位計算模塊根據相鄰頻率的條紋圖像之間的相位倍數關系，逐級解出最高頻率的條紋圖像的相位展開值，并根據所述調制度值對相位展開值進行有效性判定，將調制度大于上限閾值和小于下限閾值的相位展開值進行標記，作為無效相位信息，從而得到最終的絕對相位數據；

所述直接內存訪問模塊將所述絕對相位數據通過所述系統總線傳輸到所述存儲器單元中；

所述點云計算模塊從所述存儲器單元中獲取絕對相位數據，并根據相機和投影儀的標定參數計算出待測物體表面的三維點云。

本發明所述的三維測量加速系統的特點也在于：

所述包裹相位計算模塊是基于查找表結構設計，并設有依次連接的地址模塊、查找表模塊和區間選擇模塊；

所述地址模塊是根據相移公式中反正切函數的輸入值，計算相位查找表的讀地址；