專利名稱：一種基于cmos的三維傳感器實(shí)時高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于CMOS的三維傳感器實(shí)時高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸光學(xué)測量系統(tǒng)的高速實(shí)時數(shù)據(jù)處理，可用于物體表面三維形貌測量。本發(fā)明屬于光學(xué)三維測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
基于CMOS的三維傳感器實(shí)時高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)作為非接觸式光學(xué)三維測量的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以應(yīng)用于三維形貌測量、逆向工程和質(zhì)量檢測等諸多領(lǐng)域。但是以往的數(shù)據(jù)處理是在計(jì)算機(jī)上完成計(jì)算的，在一些計(jì)算過程中存在著功耗高、運(yùn)算速度慢、實(shí)時性差的缺點(diǎn)。針對這一問題，國內(nèi)外提出的一般解決方法是利用GPU進(jìn)行并行計(jì)算，這樣可以解決計(jì)算機(jī)CPU運(yùn)算速度慢的缺點(diǎn)。但是由于GPU的并行編程較為復(fù)雜，而且為了實(shí)現(xiàn)較高的計(jì)算速度，不可避免地要提高儀器造價與整體功耗等性能指標(biāo)。另外，在非接觸式光學(xué)三維測量中，傳感器拍攝的圖像數(shù)據(jù)較為龐大，而相應(yīng)地計(jì)算得到的數(shù)據(jù)則較少。在以往的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，傳感器直接將拍攝到的圖像數(shù)據(jù)全部傳給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)統(tǒng)一計(jì)算，這使得整個系統(tǒng)的運(yùn)算時間大部分消耗在了圖像數(shù)據(jù)的傳輸與存儲上，從而無法保證運(yùn)算的高速與實(shí)時性。以往的非接觸式光學(xué)三維測量的傳感器使用的是CCD感光器件。CCD感光器件將光信號轉(zhuǎn)化成的電信號是模擬信號，因此需要額外進(jìn)行外圍輸出電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)才可以與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連接實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的傳輸與計(jì)算。因此決定了 CCD感光器件的數(shù)據(jù)讀出速度較慢。盡管CCD感光器件的分辨率與靈敏度等性能指標(biāo)在同類器件中是較為優(yōu)秀的，但是在具體非接觸式光學(xué)三維測量的數(shù)據(jù)計(jì)算處理過程中，CCD感光器件的分辨率與靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于需求的精度，這在一定程度上造成了資源浪費(fèi)，直接導(dǎo)致了系統(tǒng)具有計(jì)算速度慢、功耗大的缺陷。由此可見，不管是從算法優(yōu)化入手，從電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化上入手，還是從核心元件的選擇上入手，目前國內(nèi)外還沒有提出一種解決功耗高、運(yùn)算速度慢、實(shí)時性差等缺點(diǎn)的非接觸式光學(xué)三維測量的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。本發(fā)明針對此類問題提出了基于CMOS的三維傳感器實(shí)時高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了非接觸式光學(xué)三維測量數(shù)據(jù)的高速實(shí)時處理。

發(fā)明內(nèi)容
I、目的本發(fā)明的目的是提供了一種基于CMOS的三維傳感器實(shí)時高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，它將CMOS三位傳感器與FPGA數(shù)據(jù)處理模塊結(jié)合，克服了現(xiàn)有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)運(yùn)算速度慢、實(shí)時性差的問題。2、技術(shù)方案本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種基于CMOS的三維傳感器實(shí)時高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，它包括基于CMOS的兩部左、右三維傳感器、兩片獨(dú)立并行的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊、緩存RAM、三維復(fù)現(xiàn)計(jì)算的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊、千兆網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸接口、計(jì)算機(jī)和USB數(shù)據(jù)傳輸接口。它們之間的位置連接關(guān)系是基于CMOS的兩部左、右三維傳感器獲取左、右相機(jī)圖像數(shù)據(jù)，由于CMOS傳感器傳輸數(shù)字信號，可將其直接讀出；CM0S傳感器獲取的數(shù)據(jù)輸入兩片獨(dú)立并行的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、標(biāo)記背景、譯碼器解相與外差多頻相展開四個步驟完成運(yùn)算；在相位解算計(jì)算過程中，需要用到CMOS傳感器多次拍攝的數(shù)據(jù)，因此將數(shù)據(jù)暫時存儲至緩存RAM中；完成相位解算之后，兩片獨(dú)立并行的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊將解算結(jié)果同時輸入三維復(fù)現(xiàn)計(jì)算的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊，進(jìn)行立體匹配與三維復(fù)現(xiàn)計(jì)算；計(jì)算過程需要通過USB接口由計(jì)算機(jī)向FPGA傳輸相機(jī)標(biāo)定結(jié)果、背景閾值設(shè)定等參數(shù)，計(jì)算完成后將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)用千兆網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸接口傳輸至計(jì)算機(jī)。該基于CMOS的兩部左、右三維傳感器是兩臺相對位置固定且有共同視場的相機(jī)，其核心感光器件是CMOS芯片；該緩存RAM是與FPGA相連接的DDR2緩存芯片；該計(jì)算機(jī)是存儲顯示數(shù)據(jù)使用的計(jì)算機(jī)。該獨(dú)立并行的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊與三維復(fù)現(xiàn)計(jì)算的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊均是FPGA中的數(shù)據(jù)處理功能模塊，其算法程序已經(jīng)實(shí)現(xiàn)下載到FPGA中；該千兆網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸接口是千兆網(wǎng)傳輸協(xié)議接口板，使用DM9000A協(xié)議芯片；該USB數(shù)據(jù)傳 輸接口是=USB數(shù)據(jù)接口部分使用CY7C68013A芯片作為編碼芯片。本發(fā)明原理是基于CMOS的三維傳感器，使用兩片CMOS芯片構(gòu)成左、右兩臺相機(jī)，以實(shí)現(xiàn)三維圖像信息的采集。兩片獨(dú)立并行FPGA數(shù)據(jù)處理模塊，在進(jìn)行了數(shù)據(jù)預(yù)處理后。首先按照設(shè)定好的背景閾值標(biāo)記出背景，在之后的計(jì)算中不予計(jì)算背像素，以此節(jié)省計(jì)算
Cr ( X y) — ^ ( X V)
量；其次對同一頻率條紋圖像利用公式￠(毛= arctan⑴廣’ \ 1 、進(jìn)行相
W，I2 (U)
2
位解算;最后使用外差多頻方法，使用公式硪(U)= , \進(jìn)行相展開。緩存
aI
gAx, v)-g,(x, v)
RAM，在FPGA數(shù)據(jù)處理的相位解算中，^^7的計(jì)算需要用到統(tǒng)一像素同一
g0{x\y)-g2(x,y)
條紋頻率不同條紋相位的四幅圖像，因此將傳感器拍攝到的圖像先預(yù)存到緩存RAM中，當(dāng)四幅相移條紋圖像拍攝完畢后，將圖像數(shù)據(jù)從緩存讀出到FPGA中進(jìn)行相位解算。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。三維復(fù)現(xiàn)計(jì)算的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊，將相位解算得到的結(jié)果進(jìn)行立體匹配與三維復(fù)現(xiàn)。需要用到的相機(jī)標(biāo)定結(jié)果由計(jì)算機(jī)通過部分USB接口傳輸。三維復(fù)現(xiàn)結(jié)果用過部分千兆網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸接口傳輸至計(jì)算機(jī)。3、優(yōu)點(diǎn)及功效本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(I)采用CMOS芯片作為圖像傳感器，直接讀出數(shù)字信號，有著速度快的優(yōu)點(diǎn)。(2)采用基于FPGA的硬件化數(shù)據(jù)處理，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時高速數(shù)據(jù)處理。(3)采用基于FPGA的硬件系統(tǒng)可以降低整個系統(tǒng)功耗，有利于系統(tǒng)的便攜性。


圖1為本發(fā)明一種基于CMOS的三維傳感器實(shí)時高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具體實(shí)施方式
見圖1，一種基于CMOS的三維傳感器實(shí)時高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)組成包括基于CMOS的左、右兩部三維傳感器、兩片獨(dú)立并行的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊、緩存RAM、三維復(fù)現(xiàn)計(jì)算的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊、千兆網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸接口、計(jì)算機(jī)和USB數(shù)據(jù)傳輸接口。它們之間的位置連接關(guān)系是基于CMOS的兩部三維傳感器獲取左、右相機(jī)圖像數(shù)據(jù)，由于CMOS傳感器傳輸數(shù)字信號，可將其直接讀出。CMOS傳感器獲取的數(shù)據(jù)輸入兩片獨(dú)立并行的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、標(biāo)記背景、譯碼器解相與外差多頻相展開四個步驟完成運(yùn)算。在相位解算計(jì)算過程中，需要用到CMOS傳感器多次拍攝的數(shù)據(jù)，因此將數(shù)據(jù)暫時存儲至緩存RAM中。完成相位解算之后，兩片獨(dú)立并行的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊將解算結(jié)果同時輸入三維復(fù)現(xiàn)計(jì)算的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊，進(jìn)行立體匹配與三維復(fù)現(xiàn)計(jì)算。計(jì)算過程需要通過USB接口由計(jì)算機(jī)向FPGA傳輸相機(jī)標(biāo)定結(jié)果、背景閾值設(shè)定等參數(shù)。計(jì)算完成后將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)用千兆網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸接口傳輸至計(jì)算機(jī)。該基于CMOS的兩部左、右三維傳感器是兩臺相對位置固定且有共同視場的相機(jī)，其核心感光器件是CMOS芯片；該緩存RAM是與FPGA相連接的DDR2緩存芯片；該計(jì)算
機(jī)是存儲顯示數(shù)據(jù)使用的計(jì)算機(jī)。該獨(dú)立并行的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊與三維復(fù)現(xiàn)計(jì)算的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊均是FPGA中的數(shù)據(jù)處理功能模塊，其算法程序已經(jīng)實(shí)現(xiàn)下載到FPGA中；該千兆網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸接口是千兆網(wǎng)傳輸協(xié)議接口板，使用DM9000A協(xié)議芯片；該USB數(shù)據(jù)傳輸接口是=USB數(shù)據(jù)接口部分使用CY7C68013A芯片作為編碼芯片。基于CMOS的三維傳感器，使用兩片CMOS芯片構(gòu)成左、右兩臺相機(jī)，以實(shí)現(xiàn)三維圖
像信息的采集。兩片獨(dú)立并行FPGA數(shù)據(jù)處理模塊，在進(jìn)行了數(shù)據(jù)預(yù)處理后。首先按照設(shè)定
好的背景閾值標(biāo)記出背景，在之后的計(jì)算中不予計(jì)算背像素，以此節(jié)省計(jì)算量；其次對同一
^ , \g, (X, V) - g, (X, v)
頻率條紋圖像利用公SfEKuO = arctan \——^進(jìn)行相位解算；最后使
2
用外差多頻方法，使用公式二 , ,進(jìn)行相展開。緩存RAM，在FPGA數(shù)
_ /12
g, y) - (.X, V)
據(jù)處理的相位解算中，:的計(jì)算需要用到統(tǒng)一像素同一條紋頻率不同
條紋相位的四幅圖像，因此將傳感器拍攝到的圖像先預(yù)存到緩存RAM中，當(dāng)四幅相移條紋圖像拍攝完畢后，將圖像數(shù)據(jù)從緩存讀出到FPGA中進(jìn)行相位解算。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。三維復(fù)現(xiàn)計(jì)算的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊，將相位解算得到的結(jié)果進(jìn)行立體匹配與三維復(fù)現(xiàn)。需要用到的相機(jī)標(biāo)定結(jié)果由計(jì)算機(jī)通過部分USB接口傳輸。三維復(fù)現(xiàn)結(jié)果用過部分千兆網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸接口傳輸至計(jì)算機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種基于CMOS的三維傳感器實(shí)時高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征在于它包括基于CMOS的兩部左、右三維傳感器、兩片獨(dú)立并行的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊、緩存RAM、三維復(fù)現(xiàn)計(jì)算的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊、千兆網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸接ロ、計(jì)算機(jī)和USB數(shù)據(jù)傳輸接ロ ；基于CMOS的兩部左、右三維傳感器獲取左、右相機(jī)圖像數(shù)據(jù)，由于CMOS傳感器傳輸數(shù)字信號，將其直接讀出；CM0S傳感器獲取的數(shù)據(jù)輸入兩片獨(dú)立并行的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、標(biāo)記背景、譯碼器解相與外差多頻相展開四個步驟完成運(yùn)算；在相位解算計(jì)算過程中，需要用到CMOS傳感器多次拍攝的數(shù)據(jù)，因此將數(shù)據(jù)暫時存儲至緩存RAM中；完成相位解算之后，兩片獨(dú)立并行的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊將解算結(jié)果同時輸入三維復(fù)現(xiàn)計(jì)算的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊，進(jìn)行立體匹配與三維復(fù)現(xiàn)計(jì)算；計(jì)算過程需要通過USB接ロ由計(jì)算機(jī)向FPGA傳輸相機(jī)標(biāo)定結(jié)果、背景閾值設(shè)定參數(shù)，計(jì)算完成后將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)用千兆網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸接ロ傳輸至計(jì)算機(jī)； 該基于CMOS的兩部左、右三維傳感器是兩臺相對位置固定且有共同視場的相機(jī)，其核心感光器件是CMOS芯片；該緩存RAM是與FPGA相連接的DDR2緩存芯片；該計(jì)算機(jī)是存儲顯示數(shù)據(jù)使用的計(jì)算機(jī)；該獨(dú)立并行的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊與三維復(fù)現(xiàn)計(jì)算的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊均是FPGA中的數(shù)據(jù)處理功能模塊，其算法程序已經(jīng)實(shí)現(xiàn)下載到FPGA中；該千兆網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸接ロ是千兆網(wǎng)傳輸協(xié)議接ロ板，使用DM9000A協(xié)議芯片；該USB數(shù)據(jù)傳輸接ロ是USB數(shù)據(jù)接ロ部分使用CY7C68013A芯片作為編碼芯片。
全文摘要
一種基于CMOS的三維傳感器實(shí)時高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，它包括基于CMOS的兩部左、右三維傳感器、兩片獨(dú)立并行的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊、緩存RAM、三維復(fù)現(xiàn)計(jì)算的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊、千兆網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸接口、計(jì)算機(jī)和USB數(shù)據(jù)傳輸接口；采用FPGA作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理核心模塊，具體通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、標(biāo)記背景、譯碼器解相與外差多頻相展開這四個步驟完成運(yùn)算，并通過接口模塊將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)?；贑MOS的傳感器讀出圖像數(shù)據(jù)是數(shù)字信號，從而可以向FPGA直接傳送數(shù)據(jù)。FPGA與緩存協(xié)同運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時高速處理。該系統(tǒng)具有同步計(jì)算、計(jì)算速度高的特點(diǎn)，可用于表面三維形貌的光學(xué)非接觸測量。
文檔編號G01B11/24GK102980527SQ20121039771
公開日2013年3月20日 申請日期2012年10月18日 優(yōu)先權(quán)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(xué)